数字音频与数字音响技术之CD激光唱盘多媒体播放技术

数字音响基础技术数字音响技术，包括取样、量化、编码等数字化技术。数字化音响彻底解决了模拟音响中存在的失真度大、信噪比低、动态范围小、容易被干扰等问题。数字化音视频信号具有高保真度、抗干扰能力强、动态范围大、信噪比高、重放信号流畅稳定、无抖晃的特点，数字音响信号在加工处理、传输、存储、编辑过程中灵活方便，稳定可靠。CD激光唱盘多媒体播放技术1.多彩的 CD激光唱盘标准20 世纪 70 年代初以前，图像和声音信号的记录播放都是采用模拟技术，如录像机、电唱机和录音机等。20 世纪 70 年代以后，数字音视频技术等到长足发展，其中以CD数字化为技术之先河。CD原先指激光唱盘，即 CD-DA ，用于存放数字化的音乐节目。实际上激光唱盘可以按 照不同的应用目的存放不同类型的数据而有不同的名称、标准， 但它们的大小、 重量制造工艺、材料、制造设备等方面都相同。表 常见的 CD标准标准名称盘的名称应用目的播放时间显示的图像红皮书CD-DA 存储音乐节目74min - 黄皮书CD-ROM 存储图文声像等多媒体节目存储 650MB 的数据动画、静态图像、活动图像绿皮书CD-I 存储图文声像等多媒体节目存储 760MB 的数据动画、静态图像橙皮书CD-R 读 /写入图文声像等多媒体节目白皮书VCD 存储影视节目70min(MPEG-1) 数字影视（ MPEG-1 ）质量红皮书CD-Video 存储模拟图像节目和数字音频2min6min 电视20min 声音模拟电视图像CD-Bridge Photo CD 存储照片静态图像蓝皮书LD 存储影视节目200min 模拟电视图像2.声音的数字化声音信号的转换声音是幅度随时间的变化的模拟量，数字化就是把声音用0 和 1 来表示的过程， 即模数转换 （Analog-to-Digital Converter ， ADC） 。 在需要收听时， 采用 DAC （Digital-to-Analog Converter ）技术即数模转换，将数字信号转成模拟信号。声音模拟信号变成数字信号需要两个过程，首先对模拟的声音信号进行（Sampling） ，然后将得到的连续幅度值进行量化（Quantization ） ，变成不连续的数值。取样（采样）取样时有两基本参数，采样频率 （fs:每秒钟采集多少个声音样本）和比特率 （BPS:Bit Per Sample，每个声音样本的比特数）。对振幅随时间连续变化的信号波形按一定的时间间隔取出样值，形成在时间上不连续的脉冲序列，称之为取样。采样频率一般为声音频率慕尼黑的2 倍以上。 比特率反映度量声音波形的精度，比特数越大将来恢复的声音质量越好，音乐动态范围越大，需要的存储空间越大。人耳朵能听到的声音频率范围在20Hz20kHz之间，而且这样的带通滤波器在20kHz 上已经开始有将近10%的衰减， 所以可以用22kHz 的两倍频率作为取样频率。但是为了能够和电视信号同步，PAL电视的声扫描频率为50Hz，NTSC电视的声扫描频率为60Hz，取 50 和60 的整数倍，所以采用44.1kHz 作为 CD唱盘声音的采样频率。量化将模拟信号的幅度动态范围划分为相等间隔的若干层次，把取样输出的信号电平按照四舍五入的原则归入最靠近的虾仁，称之为量化。 如果采用相等的量化间隔对采样得到的信号进行量化，这种量化叫做均匀量化。当输入信号的动态范围很大时，均匀量化的效率不高，此时可以采用非均匀量化。编码与纠错编码把量化所得的量值变换为二进制数码的过程称为编码。激光唱片在制作和使用过程中会发生超过容许范围的操作，使所读出的数字信号与原来所记录的信号有所差别，因此必须采取纠正的措施。动态范围与存储空间激光唱盘音乐信号的样本位数为16 比特（ 2 字节） ，1 位（ bit）的动态范围为20log1026.02dB,16bit 的样本动态范围就要大于90dB。在激光唱盘上1 秒时间的声音在唱盘上占用的存储空间为1 秒× 44100（取样频率）×2 字节× 2 声道 176.4 千字节。EFM 调制 模拟信号转换成由1 和 0 表示的数字信号后，还要进行通道编码才能够刻录到光盘上。模拟音频信号经取样、量化、编码和CIRC纠错编码后形成的数字信号，还不宜直接记录在唱片上。 CD激光唱盘采用8 到 14 比特调制，即EFM（Eight to Fourteen Modulation ） 。在数字记录中需要通道编码的主要原因有两个，一是为了改善读出信号的质量，二是为了记录信号中提取的同步信号。例如，数字化的信号是16 位连续的 0 或 1，电子线路就无法区分而读出一条直线：读出的没规律的数字信号幅度和频率变化很大，电子线路难以区分0 和 1，因此读出信息不可靠。所以需要在连续的0 之间加入1 或连续 1 之间加入0，并对 0和 1 的连续长度数目 “行程长度 （流程长度）”加以限制。 根据 20 世纪 70 年代的技术水平，要求两个 1 之间至少有两个0，最多不超过十个0 才能可靠读出光盘信号。数字信号是以字符为单位的，若偏移 1 位，就会使该字符代表的信号电平发生变化。为此，必须把记录信号分割成很小的字组，并设法判断出各字组之间的分界线，这样的字组为帧。 帧是激光唱盘存放声音数据的基本单元，1 秒钟需要的帧数为176400÷247350 帧/秒，1 秒钟需要的扇区为7350÷9875 扇区 / 秒在激光唱盘上有许多歌曲，一首歌安排一条光道， 一个光道有许多世 （也叫扇区， Section）组成，一节包含98 帧（ Frame，1 帧存放 24 字节的声音数据） 。3.CD唱盘的物理结构与数据刻录数据刻录CD唱盘刻录的数据是沿着圆心方向螺旋线刻录的，螺旋线型刻录提高了存储空间利用率，但是控制复杂，随机存储特性变差，伺服机构采用恒线性速度技术读取光盘CD唱盘的数据采用在盘上压制凹坑的机械方法实现，凹坑的边缘为1，凹坑和非凹坑 的平坦部分为0，用激光来读取。批量制作唱盘之前，要先制作母盘。即在制作原版盘的玻璃盘上涂上感光材料，然后用编码后的数据调制激光发生器，数据为 1 时通过激光， 数据为0 时不通过激光，或者相反。在原版盘就形成了具有二进制信息的凹坑，再经过化学处理并镀上一层金属，用这种盘即父盘（Father Disc）去制作母盘（ Mother Disc ） ，然后用母盘制作子盘（ Son Disc ） ，子盘就是批量压制的模具即压模（Stamper） ，用压模就可以大批量复制唱盘了。4. CD唱盘的数据读取激光束照射到光盘上时会遇到凹坑、非凹搞边缘， 归到凹坑和非凹坑的平坦部分时的反射光的强度比凹搞边缘的反射光强度弱，凹坑和非凹坑的平坦部分相当于0，凹坑的前后边沿位置则为 1. 在激光头读出过程中，是一个光电信号转换的过程。从激光头组件输出的信号经过调制的原始的数字信号， 然后通过对这些数字信号进行解调得到模拟信号。激光头在读取数据时，激光头部件和CD唱盘是没有接触的，这点不像磁带读取时磁头存在磨损的问题，但是激光头工作过程中存在会因为污染和长时间工作的老化导致激光强度减弱而发生数据读出困难。另外，振动等原因造成激光头和唱盘之间对位过度不准，也会引起数据读出困难。本文摘自：姜卫忠汽车多媒体导航系统蓝皮书由汽车电子 网：http:/www.szaeia.com/整理