Громкоговорители

Громкоговорители – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в акустические колебания воздуха – слышимый звук. Громкоговорители входят в состав звуковоспроизводящей аппаратуры (магнитофоны, радиоприемники, телевизоры и т.п.), а также выпускаются в отдельном корпусе, в виде акустической системы (АС).

В связи с тем, что энергетические возможности колебаний при прочих равных условиях целиком зависят от частоты, технически невозможно изготовить громкоговоритель, одинаково хорошо воспроизводящий весь диапазон звуковых частот. Поэтому выпускается целый ряд громкоговорителей, каждый из которых предназначен для работы в своем ограниченном диапазоне частот.

Для обеспечения высокого качества воспроизведения звука в широком диапазоне частот применяют специальный комплект громкоговорителей (из двух и более) – акустическую систему. Каждый громкоговоритель системы работает в ограниченном диапазоне частот (рис. 135), что достигается применением специальных электрических фильтров.

Рис. 135. Типичный вид АЧХ трехполосной акустической системы

Низкочастотные громкоговорители воспроизводят диапазон частот от 20–50 Гц до 1000–2000 Гц. Они имеют значительные размеры и массу. Среднечастотные – предназначены для звуковоспроизведения в диапазоне от 500–1000 Гц до 3000–5000 Гц. Высокочастотные – работают в диапазоне от 3000–5000 Гц до 15 000–25 000 Гц. Мощность среднечастотных и высокочастотных головок меньше, чем низкочастотных. Это объясняется тем, что в реальном звуковом сигнале максимальную энергию несут звуки низких частот.

Электрическая (акустическая) мощность (англ. Power Handling)определяет уровень звукового давления и динамический диапазон (с учетом характеристической чувствительности), который потенциально может обеспечить АС в определенном помещении.

Используется несколько определяемых разными стандартами видов мощностей:

1) номинальная мощность (ГОСТ) громкоговорителя показывает, какую электрическую мощность можно длительное время подводить к громкоговорителю, не опасаясь его повреждения. Превышение номинальной мощности приводит к резкому увеличению нелинейных искажений;

2) паспортная (максимальная шумовая) мощность (ГОСТ) громкоговорителя показывает наибольшую мощность усилителя, с которым может работать данный громкоговоритель. Паспортная мощность в 1,3–2 раза больше номинальной;

3) характеристическая, при которой АС обеспечивает заданный уровень среднего звукового давления. Рекомендуемое значение этого уровня составляет не ниже 94 дБ на расстоянии 1 метр;

4) максимальная (предельная) шумовая, или паспортная (англ. Power Handling Capacity),– мощность, при которой акустическая система может длительное время работать без механических и тепловых повреждений при испытаниях специальным шумовым сигналом, близким по спектру реальным музыкальным программам. По методике измерений она совпадает с паспортной мощностью, определяемой в отечественных стандартах.

При выборе пары «усилитель + АС» желательно, чтобы максимальная мощность акустической системы превышала мощность усилителя приблизительно на 30 % и более. В этом случае вы будете застрахованы от выхода из строя акустики по причине подачи на нее сигнала недопустимо большого уровня, например с усилителем мощностью 50 Вт на канал можно использовать АС с паспортной мощностью 75 Вт.

Эффективный рабочий (эффективно воспроизводимый) диапазон частот (англ. Frequency response) – характеристика, в значительной степени определяющая естественность звучания акустики. Производители АС стремятся максимально приблизить значение этого параметра к максимальному диапазону воспринимаемому органами слуха человека (20–20 000 Гц). Типичные значения для полочной акустики – 100–20 000 Гц, для напольной – 40–20 000 Гц. За пределами эффективно воспроизводимого диапазона частот интенсивность звука резко снижается.

В каталогах производителей и руководствах пользователя часто приводится график звукового давления, развиваемого акустической системой (график АЧХ), по которому можно определить как эффективный рабочий диапазон частот, так и неравномерность АЧХ (рис. 140, а). Чем меньше звуковое давление зависит от частоты, тем качественнее громкоговоритель или акустическая система.

Рис. 140. Частотная характеристика (а) и характеристика направленности громкоговорителя (б)

Характеристика направленности позволяет оценить пространственное распределение излучаемых акустической системой звуковых колебаний и оптимально расположить акустические системы в различных помещениях. Об этом параметре позволяет судить диаграмма направленности АС, представляющая собой зависимость уровня звукового давления от угла поворота АС относительно его рабочей оси в полярных координатах, измеренная на одной или нескольких фиксированных частотах (рис. 140, б).

Характеристическая чувствительность (англ. Sensitivity Efficiency) – отношение среднего звукового давления, развиваемого акустической системой в заданном диапазоне частот (обычно 100–8000 Гц) на рабочей оси, приведенное к расстоянию 1 м и подводимой электрической мощности 1 Вт. В большинстве моделей АС уровень характеристической чувствительности составляет 86–90 дБ. Этот параметр определяет, какой динамический диапазон, т. е. отношение максимального звукового давления к минимальному, выраженное в децибелах, способна обеспечить АС. Широкий динамический диапазон позволяет с большой достоверностью воспроизводить сложные музыкальные произведения, особенно джазовую, симфоническую, камерную музыку, а также звуковое сопровождение кинофильмов.

Коэффициент нелинейных искажений (англ. Distortion Total Harmonic – THD) характеризует появление в процессе преобразования отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих, искажающих его структуру, и как результат – точность воспроизведения. Это очень важный параметр, так как вклад АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего тракта звуковоспроизведения, как правило, является максимальным. Например, коэффициенты нелинейных искажений современного усилителя мощности проигрывателя компакт-дисков составляет сотые доли процента и ниже, в то время как типичное значение этого параметра для акустики – единицы процентов. С увеличением мощности воспроизводимого сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.

Важным параметром громкоговорителя является импеданс (номинальное электрическое сопротивление, определяемое на частоте 400 Гц). Необходимо выбрать акустическую систему с сопротивлением, соответствующим указанному в технических характеристиках усилителя (наиболее распространенные значения – 4, 8 или 16 Ом). Такое решение будет обеспечивать идеальное согласование характеристик акустики и усилителя. Подключение громкоговорителя с меньшим электрическим сопротивлением может вывести усилитель или АС из строя. Допустимо подключение громкоговорителя с большим электрическим сопротивлением, но это приводит к снижению выходной мощности.

Громкоговорители звуковоспроизводящей аппаратуры следует располагать приблизительно на уровне головы слушателя. Для стереофонической аппаратуры большое значение имеет расстояние между громкоговорителями – стереобаза. Оптимальное значение стереобазы составляет 1,5–3 м. При меньшем расстоянии ослабляется стереоэффект. При большем – различаются два отдельно звучащих источника звука.

3.1.3. Аналоговый способ записи-воспроизведения звука
(на примере магнитной записи)

В природе звук имеет аналоговый характер. Звуковой сигнал периодически изменяется, причем эти изменения происходят непрерывно. Звуковой сигнал может быть преобразован в электрический сигнал звуковой частоты, например при помощи микрофона. Важно, чтобы частота и характер изменения электрического сигнала точно соответствовали частоте и характеру изменения звуковой волны, неся о ней полную информацию. Аппаратура, способная записать и воспроизвести непрерывную аналоговую информацию, называется аналоговой.

Принцип магнитной записи звука основан на свойстве ферромагнитных материалов намагничиваться пропорционально силе внешнего магнитного поля и сохранять это состояние после прекращения воздействия этого поля в течение длительного времени.

В настоящее время в качестве носителя аудио- и видеоинформации при магнитном способе записи применяют тонкую ленту, покрытую слоем ферромагнетика.

Для того чтобы упрощенно показать механизм магнитной записи необходимо представить, что рабочий слой магнитной ленты состоит из множества мельчайших магнитиков – доменов (рис. 142). В исходном состоянии эти магнитики ориентированы произвольно (рис. 142, а). Проходя мимо рабочего зазора записывающей головки, магнитики подвергаются воздействию переменного магнитного поля, которое ориентирует их в зависимости от своего направления (рис. 142, б). При этом толщина слоя ориентированных магнитиков пропорциональна величине магнитного поля.

Рис. 142. Упрощенный механизм магнитной записи: а) исходное состояние рабочего слоя (нет записи); б) изменение рабочего слоя в результате записи; 1 – основа пленки; 2 – рабочий слой пленки; 3 – элементарные магнитные частицы (домены); 4 – переменное магнитное поле

Аппарат, предназначенный для записи и воспроизведения звука на магнитном носителе, называется магнитофоном.

Важнейшими параметрами магнитофона являются номинальный диапазон частот, коэффициент нелинейных искажений и коэффициент детонации.

Динамический диапазон звуковоспроизводящей аппаратуры – разница между максимальным и минимальным уровнями передаваемого сигнала. Максимальный уровень обычно ограничивается нелинейными искажениями, которые при превышении определенного порога резко возрастают. Минимальный уровень сигнала ограничивается уровнем шума аппаратуры и носителя информации. При аналоговой записи звука динамический диапазон составляет около 60 дБ. При использовании современных систем шумопонижения динамический диапазон аналоговой магнитной записи звука возрастает до 70 дБ.

Магнитная запись звука обеспечивает высокое качество фонограммы. Сразу после записи звука фонограмма готова к воспроизведению. Запись на магнитной ленте можно стереть, а затем записать новую фонограмму. Качество фонограммы практически не зависит от количества воспроизведений. Перечисленные достоинства магнитной записи определили ее широкое распространение. К недостаткам магнитной записи относится возможность повреждения фонограммы в результате воздействия внешних магнитных полей.

Рассмотрим работу магнитофона по блок-схеме, приведенной на рисунке 143. Магнитная лента перемещается с постоянной скоростью относительно блока магнитных головок. Каждый участок магнитной ленты сначала проходит мимо стирающей головки. В обмотку стирающей головки подается электрический сигнал частотой 40–100 кГц от генератора высокой частоты (ГВЧ). В результате этого магнитная лента многократно перемагничивается, что и приводит к уничтожению старой записи. Далее магнитная лента проходит мимо записывающей головки. В качестве источника сигнала будем рассматривать микрофон. Микрофон преобразует акустические колебания звуковой частоты в колебания электрического тока. Электрический сигнал усиливается и подается в головку записи, в которой происходит преобразование колебаний электрического тока в переменное магнитное поле. Магнитное поле записывающей головки намагничивает магнитную ленту пропорционально величине входного электрического сигнала. Для снижения нелинейных искажений в аналоговых магнитофонах применяют запись с высокочастотным подмагничиванием (ВЧП). Генератор тока стирания во многих случаях является и источником тока ВЧП для головки записи.

Рис. 2. Блок-схема магнитофона для аналоговой записи-воспроизведения звука: ГС – головка стирания, ГЗ – головка записи, ГВ – головка воспроизведения (в двухголовочных магнитофонах используют универсальную магнитную головку (ГУ), выполняющую функции головок записи и воспроизведения), ГСП – генератор тока стирания и подмагничивания, УЗ – усилитель записи, УВ – усилитель воспроизведения,
М – микрофон, Гр – громкоговоритель

Магнитная головка (рис. 144) представляет собой сердечник из ферромагнитного материала 1 с размещенной на нем обмоткой 3. Снаружи головка закрыта экранирующим материалом для защиты от внешних магнитных полей. Важную роль в работе магнитной головки играет немагнитный зазор 2. В записывающей головке магнитное поле в области немагнитного зазора намагничивает ленту. В воспроизводящей головке немагнитный зазор является зоной, где происходит воспроизведение сигнала, записанного на ленте. Качество работы магнитной головки определяется величиной зазора и его положением относительно магнитной ленты.

Рис. 3. Работа магнитной головки при записи (стирании) и воспроизведении:
1 – сердечник, 2 – рабочий зазор, 3 – катушки, 4 – силовые линии магнитного поля,
5 – рабочий слой ленты

Компакт-кассета (рис. 145) была разработана фирмой Philips в 1963 г. с первоначальной целью упростить обслуживание магнитофона, исключив операцию зарядки ленты в лентопротяжный тракт, и создать массовый переносной аппарат. В настоящее время кассетная запись стала не только самостоятельным, но и доминирующим направлением в технике магнитной записи звука. Применение компакт-кассет позволило существенно повысить оперативность и плотность записи на единицу массы и объема носителя.

Рис. 145. Магнитофонная кассета

На магнитной ленте находятся 4 дорожки записи, каждая шириной 0,6 мм. Две дорожки (1-я и 2-я) для работы в одном направлении и две дорожки (3-я и 4-я) – для работы в обратном направлении (рис. 146). При монофонической записи на дорожках 1, 2 и 3, 4 фонограммы идентичны.

Рис. 146. Расположение дорожек на ленте: а – при монофонической записи, б – при стереофонической записи (размеры в мм)

В аналоговой записи звука шум носителя магнитной записи проявляется как «шероховатость», шипение и потрескивание при воспроизведении звука и характеризуется шумом паузы и шумом намагниченного носителя. Для борьбы с этим явлением применяют различные системы шумопонижения, способствующие улучшению качества записи.

3.1.4. Цифровой способ записи-воспроизведения звука
(на примере системы «Компакт-диск»)

Цифровая запись звука – способ записи, при котором непрерывный аналоговый звуковой сигнал преобразуется и записывается на носитель информации в цифровой форме. Преобразование звукового сигнала в цифровую форму заключается в измерении мгновенных значений его амплитуды через равные промежутки времени и представлении полученных значений, называемых отсчетами, в виде последовательности чисел в двоичной системе исчисления, т. е. в виде комбинации двух цифр – 0 и 1. Эта процедура называется аналогово-цифровым преобразованием, а устройство для ее реализации – аналогово-цифровым преобразователем (АЦП).

Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность его мгновенных значений называется дискретизацией (рис. 149).

Рис. 1. Аналого-цифровое преобразование

Определение численного значения величины отсчета называется квантованием. Для этого весь диапазон возможных изменений амплитуды преобразуемого сигнала делится на множество уровней квантования, количество которых определяется разрядностью используемого при этом двоичного кода. Чем больше число разрядов квантования, тем меньше шаг квантования и выше точность преобразования.

В процессе квантования за величину отсчета принимается номер ближайшего уровня квантования (рис. 149).

В большинстве существующих цифровых звуковых форматов используется 16-разрядное квантование. Это позволяет получить точность преобразования 1/2¹⁶ = 1/65536.

С числом разрядов квантования N физически связан динамический диапазон звукового сигнала D:

Следовательно, для цифровых систем звукозаписи с 16-разрядным квантованием динамический диапазон составит:

Скорость следования отсчетов в секунду называется частотой дискретизации, а расстояние между двумя соседними отсчетами – периодом дискретизации.

Выбор частоты дискретизации в общем случае определяется теоремой Котельникова (теоремой отсчетов):

«Если наивысшая частота в спектре функции S(t) меньше, чем f_m, то функция S(t) полностью определяется последовательностью своих значений в моменты, отстоящие друг от друга не более чем на 1/2×f_m секунд».

Под функцией S (t) понимаем непрерывный аналоговый звуковой сигнал, а под частотой f_m – наивысшую частоту требуемого звукового диапазона.

На практике частота дискретизации выбирается из соотношения:

F _Д = (2,1–2,4)× f_m.

Верхняя граница диапазона звуковых частот ограничивается 20 кГц, а соответствующая частота дискретизации выбирается равной 44,1 кГц.

Воспроизведение цифровой фонограммы – процесс, обратный записи. Процесс преобразования последовательности отсчетов в аналоговый звуковой сигнал называется цифроаналоговым преобразованием, а устройство – цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).

Для широкого внедрения цифрового способа записи-воспроизведения звука необходимо было разработать носитель цифровой информации.

В процессе исследований были предложены различные конструкции аппаратуры для цифровой записи звука. Наиболее совершенной оказалась система с оптическим диском, разработанная совместно фирмами Sony и Philips. Небольшие размеры диска и использование полупроводникового лазера позволили создавать малогабаритную высококачественную аппаратуру с невысокой стоимостью. К маю 1982 г. был подготовлен проект международного стандарта на систему оптической звукозаписи «Компакт-диск». К сентябрю того же года контракты на производство проигрывателей компакт-дисков и самих компакт-дисков подписали уже 44 фирмы-производители. В октябре 1982 г. стандарт на систему «Компакт-диск» был принят на конференции Международной электротехнической комиссии. В это же время были завершены работы по созданию необходимых полупроводниковых лазеров и специализированных больших интегральных схем цифровой обработки сигнала.

Компакт-диск обеспечивает очень высокие характеристики звуковоспроизведения:

– диапазон частот – 16–20000 Гц;

– динамический диапазон > 90 дБ;

– переходное затухание между каналами > 90 дБ;

– коэффициент нелинейных искажений < 0,03 %;

– шум определяется шумом аналоговой части канала воспроизведения;

– коэффициент детонации ниже порога чувствительности измерительной аппаратуры;

– долговечность КД при соблюдении правил хранения и эксплуатации практически не ограничена;

– оперативность – произвольный доступ в течение 2–3 с.

Рис. 150. Компакт-диск:
1 – пластмассовая прозрачная подложка; 2 – алюминиевая отражающая пленка;
3 – лаковый непрозрачный защитный слой с этикеткой; 4 – питы

Общий вид и размеры компакт-диска показаны на рисунке 150. Зона записи звука заключена в кольце с внутренним диаметром 50 мм и наружным – 116 мм. Вне ее находится зона, содержащая вспомогательную информацию, которая позволяет автоматизировать процесс воспроизведения. Информация записана на дорожке, расположенной на компакт-диске в виде спирали. Шаг витков спирали 1,6 мкм. Всего дорожка образует на компакт-диске около 20 000 витков общей протяженностью около 5 км и начинается у внутренней границы зоны записи. От начала до конца воспроизведения компакт-диска скорость его вращения снижается от 500 до 200 мин^–1 – это необходимо для обеспечения постоянной линейной скорости движения дорожки относительно лазерной головки (1,25 м/с, что обеспечивает скорость цифрового потока – 4,3218 Мбит/с) и максимального использования информационной емкости диска. Длительность звучания компакт-диска около 74 мин. Дорожка записи представляет собой цепочку продолговатых углублений, называемых питами (от англ. pits – углубления, ямки), и интервалов между ними, образующих дорожку записи. Все питы имеют глубину 0,1 мкм, ширину 0,5–0,8 мкм, длина питов изменяется в соответствии с записанным сигналом от 0,87 мкм до 3,18 мкм. Расстояние между питами 0,5 мкм, шаг записи – 1,5 мкм. Информационная емкость компакт-диска составляет около 5 млрд бит. Параметры кодирования информации компакт-диска соответствуют международному стандарту цифровой звукозаписи: частота дискретизации – 44,1 кГц, число разрядов квантования – 16.

На диске имеется три области записи: вводная, выводная и программной записи. В области вводной дорожки записываются управляющие сигналы, сигналы коррекции ошибок и другая служебная информация. При считывании «оглавления» диска выдается номер и время начала записанного музыкального произведения и обеспечивается непосредственный доступ к выбранному музыкальному произведению. В программной области, помимо самой фонограммы, в промежутках, записываются справочные данные, номера музыкальных произведений, время звучания (в минутах и секундах). В области выводной дорожки записываются управляющие сигналы на окончание цикла воспроизведения.

Запись фонограммы производится изготовителем компакт-диска на специализированном предприятии, потребитель получает диск с уже имеющейся на нем нестираемой записью и может только воспроизводить ее.

Для изготовления оригинала компакт-диска в качестве носителя записи первого оригинала используют прецизионный, отполированный стеклянный диск толщиной 1,0–1,5 мм с нанесенным на него слоем фоторезиста (светочувствительного материала) толщиной 0,1 мкм. На поверхность слоя фоторезиста фокусируется луч лазера, образуя на ней фокальное пятно диаметром 0,5–0,8 мкм. В процессе записи диск вращается, а модулируемое в соответствии с записываемым сигналом, который можно представить как последовательность импульсов двоичного кода, включающих и выключающих излучение лазера, фокальное пятно медленно перемещается по радиусу диска от начала записи к внешнему краю. В результате записи вдоль спирали дорожки на диске возникает последовательность микроскопических незасвеченных и засвеченных участков, превращаемая после проявления слоя фоторезиста в последовательность питов и интервалов между ними. Интервалы и питы различной протяженности представляют собой запись звукового сигнала в цифровой закодированной форме. Поверхность диска металлизируют и получают первый оригинал записи. Затем с помощью гальванопластики с него получают второй металлический оригинал, по которому изготавливают матрицу и с помощью которой прессуют пластмассовые заготовки – диск из поликарбоната с отпечатком микрорельефа записи на одной стороне. На завершающем этапе производства компакт-дисков эту сторону металлизируют для придания ей отражающей способности и покрывают сверху непрозрачным защитным слоем из прочной пластмассы.

Схема воспроизведения компакт-диска показана на рисунке 151. Компакт-диск установлен прозрачным слоем вниз. Лазерная головка расположена под компакт-диском. Луч лазера через прозрачный слой сфокусирован на дорожку записи. В процессе воспроизведения компакт-диск вращается против часовой стрелки (если смотреть со стороны прозрачного слоя), а фокальное пятно лазера медленно перемещается по радиусу компакт-диска от центра к периферии.

Рис. 151. Схема воспроизведения компакт-диска: а) оптическая схема лазерной головки: (луч фокусируется линзой и прозрачным покрытием): 1 – защитный слой компакт-диска; 2 – дорожка записи компакт диска; 3 – прозрачный слой компакт-диска; 4 – микро объектив; 5 – четвертьволновая пластина; 6 – коллимирующая линза; 7 – поляризационный расщепитель;8 – призма; 9 – полупроводниковый лазер; 10 – лазерная головка; 11 – светоприемники; 8 – пылинка; 9 – царапина на поверхности диска; б) считывание информации с компакт-диска –луч лазера падает в пит – свет рассеивается и не попадает на светоприемники (слева); в отсутствии питов на поверхности диска, отраженный свет возвращается в объектив и попадает на светоприемники; в) влияние небольших механических помех на считывание информации

Лазерная головка – один из основных элементов аппаратуры лазерной записи-воспроизведения звука, непосредственно осуществляет запись-воспроизведение информации остросфокусированным лучом лазера. Конструктивные особенности лазерной головки зависят от ее назначения (для записи или воспроизведения) и выбранного способа управления положением фокального пятна лазера. Во всех случаях лазерная головка содержит полупроводниковый лазер мощностью 1–10 мВт с длиной волны около
780 нм (инфракрасный диапазон), оптическую систему для фокусировки и управления положением фокального пятна лазера, светоприемники.

Светоприемники в лазерной головке записи служат для управления положением фокального пятна, а в лазерной головке воспроизведения наряду с этим выполняют основную функцию – воспринимают отраженное от носителя излучение лазера и преобразуют его в электрический сигнал.

На рисунке 151, а показан вариант оптической схемы лазерной головки. Излучение полупроводникового лазера проходит через поляризационный расщепитель, линзу коллиматора, четвертьволновую пластинку и фокусируется объективом на отражающем слое компакт-диска.

Отраженное излучение, промодулированное питами на компакт-диске, через расщепитель и призму поступает на светоприемники.

Линза коллиматора служит для заполнения входного зрачка фокусирующего объектива, что необходимо для полного использования его апертуры и, следовательно, получения минимального фокального пятна.

Поляризационный расщепитель пропускает линейно поляризованное излучение лазера к диску и блокирует идущее к лазеру излучение, отраженное от диска, поляризация которого перпендикулярна исходной. Перпендикулярность поляризаций прямого и отраженного излучений достигается с помощью четвертьволновой пластины. В результате почти все отраженное диском излучение от расщепителя попадает на светоприемники. Когда луч попадает в пит, излучение почти полностью рассеивается и не улавливается светоприемником, на выходе которого формируется сигнал логического 0 (рис. 151, б, слева). В отсутствии питов, луч лазера почти полностью отражается и улавливается светоприемником, на выходе которого формируется сигнал логической 1 (рис. 151, б, справа).

Таким образом питы модулируют отраженное излучение: на выходе светоприемника возникает импульсный электрический сигнал, который с помощью ЦАП преобразуется в аналоговый звуковой сигнал.

Воспроизведение компакт-диска бесконтактно, поэтому он не изнашивается, а мелкие дефекты и пылинки на его поверхности не влияют на качество звуковоспроизведения. Это обеспечивается тем, что на информационном слое диска диаметр сфокусированного луча составляет около 1 мкм, а на наружной поверхности диска – около 1 мм. Таким образом, мелкие дефекты на поверхности диска не оказывают влияния на фокусировку луча – это достаточно эффективная система коррекции ошибок (рис. 151, в).

Из-за технологических проблем при изготовлении, например попадание пыли на информационную дорожку при прессовании, в цифровой записи компакт-диска могут появиться ошибки. Чтобы они не влияли на качество записи, предусмотрено помехоустойчивое кодирование информации.

Наиболее сложной сферой всей системы компакт-диска является метод модуляции, обнаружения и коррекции ошибок, способ комплектования пакетов сигналов для записи и воспроизведения. Эти задачи решаются путем использования различных математических кодов. Один из них способен корректировать ошибки в виде разрывов, когда часть сигнала потеряна. При этом малые ошибки исправляются, а крупные корректируются путем синтезирования наиболее вероятной формы колебания, которую можно ожидать в районе ошибки (потерь информации). Другие коды позволяют минимизировать вероятность ошибок при записи и воспроизведении информации.

Луч лазера, проходя через фокусирующую линзу, падает на отражающий слой, отраженный луч попадает в фотоприемник, где происходит определение питов и промежутков, а также проверка качества фокусировки пятна на дорожке и его ориентации по центру дорожки.

При нарушении фокусировки объектива лазерной головки происходит перемещение линзы, работающей по принципу диффузора громкоговорителя (voice coil – звуковая катушка), при отклонении от центра дорожки – перемещение всей головки по радиусу диска. В сущности, системы управления линзой, лазерной головкой и двигателем привода являются системами автоматического регулирования (САР) и находятся в режиме постоянного слежения за дорожкой записи.

За один оборот компакт-диска фокальное пятно лазера должно перемещаться по его радиусу на 1,6 мкм. Смещение фокального пятна по радиусу компакт-диска на 0,1 мкм может привести к ошибке воспроизведения, поскольку 0,1 мкм соответствует глубине пита. Неизбежный эксцентриситет и осевое биение компакт-диска много больше вышеприведенных величин. Поэтому в устройствах лазерной записи и воспроизведения предусмотрены следящие системы, поддерживающие положение фокального пятна относительно дорожки записи компакт-диска.

При тиражировании компакт-дисков неизбежно возникают некоторые отклонения записи – эксцентриситет. Предельная величина эксцентриситета, в соответствии со стандартом, не должна превышать ±70 мкм. Для воспроизведения информации с дорожки шириной 0,5–0,8 мкм нужно, чтобы сфокусированный луч лазера удерживался на ней с точностью ±0,1 мкм. Поэтому требуется применение системы автоматического слежения за дорожкой, называемой автотрекингом. Исполнительный механизм такой системы должен перемещать объектив (или всю оптическую систему) в радиальном направлении, компенсируя влияние эксцентриситета.

Существует несколько способов реализации систем автоматического слежения, применяемых в аппаратуре для воспроизведения компакт-дисков.

Рассмотрим работу системы на примере способа трех лучей. Для его реализации, кроме основного считывающего луча, необходимо иметь еще два дополнительных, которые формируются путем расщепления основного луча. Для формирования дополнительных лучей в качестве светоделителя с равным успехом могут быть использованы полупрозрачное зеркало, поляризационная призма, фазовая дифракционная решетка или оптические клинья. Расположение основного и дополнительных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга показано на рисунке 152.

Рис. 4. Положение фокальных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга

Основной луч А располагается посередине, а дополнительные В и С – по обеим стронам от него вдоль оси дорожки на расстоянии Y. Кроме того, дополнительные лучи смещены перпендикулярно оси дорожки на некоторую величину Х. Один (В) смещен влево, другой (С) – на такую же величину вправо. Каждому из трех лучей соответствует свой датчик светоприемника.

Когда основной луч А следует точно по центру дорожки, дополнительные лучи В и С только слегка захватывают ее каждый со своей стороны. Сигналы с фотоприемников дополнительных лучей одинаковы, а разность их соответственно равна нулю. Если основной луч А смещается в ту или иную сторону, то один из фотоприемников дополнительных лучей начинает получать больше света, а другой – меньше. При их вычитании получается определенная разность, которая и будет характеризовать величину и знак сигнала ошибки.

Из-за простоты и устойчивости в работе способ трех лучей получил наиболее широкое распространение в проигрывателях компакт-дисков.

Дата добавления: 2014-01-03