光盘记录信号的原理

VCD是全部采用数字化技术的激光视盘系统，它不仅包含有一对数字立体声音频信号，还包括一路全活动的数字图像信号。通过压缩技术将长达74min的数字化活动图像和伴音信号刻录在一张直径只有12cm的VCD盘上。

为了对图像进行数字化处理，必须对每帧图像进行分割。采用帧间压缩、帧内压缩编码技术对图像进行数据采样和编码变换。按照MPEG－1视频编码标准将输入的帧组转换为串行输出的码流，在经过其他处理之后刻录到光盘上。

在音频数据压缩过程中，MPEG－1音频标准主要利用了人耳听觉的阈值特性和掩蔽效应。音频信号用数字滤波器分成32个子带信号，同时用快速傅立叶变换将数字音频信号变换到频率域。根据心理声学模型计算各个子带信号的掩蔽阈值，对各个子带进行比特分配和量化，最后将量化阶等信息以及哈夫曼码打包成比特流输出。

10.1.1 VCD影碟机的整机组成

VCD按功能不同可分成下列单元：激光头组件、操作／显示电路、机芯及其控制系统、系统控制电路、MPEG－1解码系统、视频信号处理电路、音频信号处理电路、电源系统。VCD影碟机的整机组成如图10－1所示。

图10－1 VCD影碟机的整机组成

10.1.2 VCD影碟机各功能单元基本原理

1.VCD光盘的结构与数据格式

标准的盘片直径为120mm（4.72in），中心孔为15mm，厚度为1.2mm。盘片共有3层：由聚碳酸酯做成的透明衬底层、反射激光的铝反射层、保护层。盘划分为3个区：导入区、用户数据区、导出区。3个区都含有物理光道。所谓物理光道是指连续螺旋形光道，在光道中，有些含有信息，有些不含信息。含有信息的光道称为信息光道，用户数据记录在用户数据区中的信息光道上。光盘的光道是螺旋形的，光盘转动时要求线速度不变，故光盘的角速度在内外光道区是不同的，保证在读取盘片内外圈时有大致相同的数据传输率。

VCD光盘的信息内容是这样安排的：在光盘的导入区录制目录信号 （TOC），在曲目1中录制有音乐片段名称、文字信息、采用的程序和VCD开始播放的辅助信息：播放控制信息 （播放用的信息表和选择表）、区段播放信息 （条目静止画面和咨询画面）。

从曲目2至曲目N录制音频、视频数据信号，为动态画面和伴音信息。在各段的开头都录有引头信号。曲目的内容包括原始音量解说符 （PVD）、卡拉OK信息、VCD信息、区段播放信息以及CD－I应用的信息等。

VCD采用帧编码数据结构，每帧有588个通道位，其中24个字节用于传输压缩的音、视频数据，98帧组成一个扇区，每个扇区有98×24＝2352个字节的音、视频数据。音、视频数据采用打包方式传输。封包是数据传送的基本单位，由封包头和数据组成。3个封包组成一个梱包，5个捆包组成一个扇区，一个扇区总共有15个封包，其中有14个封包存放视频数据，1个封包存放音频数据。编码时在每一个捆包前还加上捆包头。

2.激光头组件

在光盘存储系统中，信息的写入或读出都由能够将激光束会聚成直径为亚微米级圆形光斑的光学头 （简称光头，俗称激光头）来实现。光学头主要有如下两方面的功能：首先是提供一定形状和功率的激光点进行信息的读、写、擦；其次为激光点在光盘信号面上定位（包括聚焦和跟踪）控制。

光学头包含：激光器；光探测器；光学系统；激光输出功率控制和光点定位控制系统。

物镜机构 （俗称激光头，实际是激光头组件）由聚焦线圈、循迹线圈、聚焦磁铁、循迹磁铁和物镜、激光二极管 （LD）等构成。物镜卡紧在绕有聚焦线圈与循迹线圈的塑料骨架中，用4根弹性很强的金属线作为两线圈的引脚。

该机构采用电磁驱动，改变聚焦线圈中的电流大小和方向，带动物镜上下移动，对激光束进行聚焦；改变驱动循迹线圈中的电流大小和方向，则可以带动物镜水平径向微动，以校正聚焦的水平位置。该机构在伺服系统控制下始终保证激光焦点精确地投射在目标轨迹的中心线上，以准确地读取光盘的信息并送入电路处理。

当激光照射到碟片的 “凹坑”时，反射光最弱；激光照射到 “平面”时，反射光最强。正常播放时，碟片高速旋转，反射光束的强弱变化，经光敏接收器 （光敏二极管）对反射光的接收，输出对应的电信号，实现了对光盘记录信息的读取。

3.操作／显示电路

操作、显示电路的作用是接收操作面板或遥控接收电路的人工指令，由操作、显示电路将操作指令处理成串行数据的形式供给系统控制微处理器CPU，同时接收系统控制微处理器CPU回送的串行数据，并将显示数据通过操作、显示电路形成显示屏栅极、阳极扫描驱动信号去驱动多功能显示屏显示。

4.机芯及其控制系统

VCD影碟机是众多光盘存储系统中的一种，不同类型的光盘存储系统的机械系统 （机芯）的结构和机理有较大差异，但所完成的功能都是快速、准确地读取光盘信息。机械系统可划分为如下机构：伺服调节机构、托盘进出机构、光盘装卸机构、光盘旋转机构、光头进给机构、物镜机构等。

（1）伺服调节机构。

光盘伺服系统包括：聚焦伺服、跟踪伺服及进给伺服、主轴伺服。在光盘存储系统中，激光头发出的读／写光斑的实际位置总是或多或少地在与盘片信号面垂直的方向、盘片圆周的半径方向及切线方向等3个方向上偏离所要的正确落点位置 （即目标轨迹），而出现聚焦误差、径向跟踪误差及切向跟踪误差。因此必须在光盘系统中设置能在以上3个方向上确保光点正确跟踪目标轨迹的伺服系统。

（2）托盘进出机构。作用：加载盘片，完成进出盒动作。

（3）光盘装卸机构。作用：将盘片装上／卸下光盘旋转机构。

（4）光盘旋转机构，又称转盘机构，或转盘平台，其作用是驱动光盘平稳高速旋转。它是一个摩擦力小，惯量大的精密转台。由空气轴承、直流电机、盘片夹持器、光学编码器等部件构成。

（5）光头进给机构。激光头进给机构用于使激光头组件水平移动，以读取光盘从内圈到外圈的信息。

5.系统控制电路

系统控制微处理器及其相关电路的方框图如图10－2所示。

图10－2 系统控制与被控制电路的关联

系统控制电路的核心是微处理器IC2，经常采用87／89C52芯片。当VCD接上电源后，处于待机状态，微处理器复位后进入工作状态。操作VCD的电源开关，开关信息送入操作显示微处理器IC1，再通过信息传输通道送给系统控制微处理器IC2，IC2发出一系列指令，使VCD开始进入正常工作状态。在正常工作过程中，一旦出现问题，微处理器便进行自动保护。

当操作光盘出入键时，IC1将信息送到IC2，IC2输出控制信号并将它送到加载驱动集成电路，加载驱动电路使加载电机旋转，将光盘托架推出或送入机仓。光盘到位后，加载机构的状态开关又将到位信息送到主控微处理器IC2，IC2又发出控制指令去控制进给驱动集成电路。同时启动伺服系统，搜索光盘。在搜索过程中伺服电路输出聚焦信号，读取光盘目录信息，再操作播放或选曲键，VCD进入播放状态。

VCD机的伺服系统在系统控制微处理器IC2的控制之下，数字信号处理电路、音视频解压缩处理电路、操作、显示等也都被系统控制微处理器IC2控制。

6.数字信号处理电路

VCD光盘在记录前对数字信号进行了8～14位的变换，或称为8～14位调制，即EFM调制，由激光头读出的信号即为EFM调制信号。数字信号处理 （DSP）的主要作用是将从光盘上读取的14位EFM调制信号的数字信号解调还原为8位的数字信号。

数字信号处理，DSP电路主要包括：EFM解调电路、CIRC纠错电路、恒线速度CLV伺服电路等，如图10－3所示。

7.MPEG－1解码系统

解码电路的主要作用是对音、视频信号进行解码处理，产生电视机要求的模拟音频、视频信号。MPEG－1解码电路的基本组成如图10－4所示。来自数字信号处理的音、视频数据通过信号分离器分离出视频数据、音频数据和同步数据，视频数据通过MPEG－1图像解码电路进行解码最后形成复合视频信号 （VIDEO）和S视频信号 （Y，C）输出；音频数据通过音频解码器解码最后输出L、R声道的模拟音频信号 （AUDIO）。

图10－3 数字信号处理器的组成

图10－4 MPEG－1解码电路的基本组成

（1）MPEG－1图像解码过程。

MPEG－1图像解码过程就是图像解压缩的过程，是图像编码的逆过程，由解压缩芯片完成。图10－5是MPEG－1图像解码原理框图。

图10－5 I、B、P帧图像解码器

（2）MPEG－1音频解码过程。

MPEG－1音频解码电路框图如图10－6所示，它是按编码器相反的处理过程来解压缩的音频信号，音频信号的解码是在解压缩电路中进行的。重放时，首先激光头从VCD光盘上读出的信号经过前端信号电路处理后，得到的音频数据是压缩的音频编码比特流，编码比特流经多路器进行比特流分离后，得到规模系数、比特流分配和抽样数据分别送到逆比例、逆量化和动态比特、比例因子解码，得到32个子带信号，并通过合成滤波器合成得到PCM音频信号，再进行D／A变换就可以还原变成声音信号。

图10－6 音频解码电路框图

8.电源电路

大多VCD、DVD机都采用开关电源进行供电。