Демодулятор. Система автоматического регулирования скорости вращения диска. Буферная память

Сформированный по уровням и по фронтам информационный сигнал в коде EFM далее поступает на демодулятор. Операции, которые производятся здесь, обратны тем, что ранее осуществлялись в модуляторе. Их можно интерпретировать как перевод данных, при этом первый символ в кадре - служебный, направляется в соответствующий блок, где содержащаяся в нем информация будет использована для управления работой проигрывателя. Оставшиеся 32 символа направляются в блок коррекции ошибок.

Чтобы правильно декодировать информацию, заключенную в каждом отдельном кадре, необходимо знать, где он начинается и где заканчивается, а также где начинается и где заканчивается каждый символ. В противном случае декодер может начать декодирование с середины кодового слова и тем самым будет фиксировать кодовые слова, не соответствующие действительным.

Начало каждого кадра отмечается путем введения в него специальной синхрогруппы, имеющей вполне определенную конфигурацию. Такой вид синхронизации в системах передачи данных называется цикловой синхронизацией и имеет важное значение, так как нарушение синхронизации по циклам приводит к полному искажению всей информации.

Структурная схема устройства цикловой синхронизации показана на рис. 1.

Рис. 1 - Структурная схема устройства цикловой синхронизации

Анализируемый поток двоичной информации вначале поступает на вход опознавателя синхрогруппы (ОС), в памяти которого хранится её конфигурация. Первый же момент дешифрирования комбинации, совпадающей по форме с синхрогруппой, фиксируется как возможное начало цикла (в системе CD - кадра, блока). Однако, из-за наличия выпадений в считанной информации, может получиться так, что за синхрогруппу будет ошибочно принята какая-то другая комбинация, ставшая похожей на неё в результате искажения. В этом случае устройство цикловой синхронизации должно сначала убедиться в том, что это действительно синхрогруппа, а не случайное сочетание единиц и нулей. Для этого служит блок для защиты от ложного фазирования (БЗЛФ), который проверяет наличие дешифрированной синхрокомбинации на той же самой позиции в одном или нескольких циклах. С этой целью он отсчитывает от предполагаемой позиции синхроимпульса столько тактов, сколько бит информации содержится в цикле (для CD число бит в кадре равняется 588). Если синхрокомбинация обнаруживается два или более раз подряд, то БЗЛФ принимает решение об истинности найденной позиции и устанавливает соответствующим образом формирователь синхроимпульсов (ФСИ). Число появлений синхрокомбинации на одной и той же позиции, необходимое для принятия решения об её истинности, называется коэффициентом по входу в синхронизм N_вх и определяется при разработке устройства цикловой синхронизации исходя из требований к его помехозащищенности. Обычно N_вх выбирают равным 2 или 3.

После того, как ФСИ сфазирован, он начинает вырабатывать синхроимпульсы уже самостоятельно на той позиции, которая ему была определена БЗЛФ даже в том случае, если синхрогруппа из-за искажений не будет зарегистрирована опознавателем ОС.

БЗЛФ в течении всей работы устройства постоянно проверяет и другие позиции в цикле, где по каким-то причинам сформировалась комбинация, дишифрированная опознавателем как синхрогруппа. И если она повторилась на одной и той же позиции N_вх раз, то ФСИ немедленно перестраивается, поскольку это будет означать, что произошел сбой цикловой синхронизации и предыдущая позиция уже не соответствует истинной.

Могут применяться и другие меры по повышению эффективности и помехозащищенности систем цикловой синхронизации.

По этому принципу построена не только систма кадровой синхронизации, но и система блочной синхронизации, т. е. система выделения сигнала синхронизации служебных данных, которые так же, как и звуковые данные, организованы в блоки по 98 символов в каждом.

Кроме своего основного назначения, сигнал блочной синхронизации используется ещё и для управления двигателем вращения диска. Схема формирователя сигнала управления показана на рис. 2, а диаграммы её работы - на рис. 3.

Рис. 2 - Схема регулирования скорости вращения диска

На один из входов фазового дискриминатора ФД, в качестве которого использован обычный элемент И, подается сигнал частоты следования блоков, который формируется на основе тактовой частоты, выделяемой из воспроизводимого потока информации. Поскольку этот сигнал нестабилен и зависит от скорости вращения диска, он обозначен буквой F^~_бл.

Рис. 3 - Временные диаграммы работы схемы регулирования скорости вращения диска

На другой вход ФД поступает сигнал блочной частоты F_бл = 75 Гц, полученный делением сигнала F_т = 4,3218 МГц, формируемого кварцевым генератором.

Система отрегулирована так, что F^~_т = F_т при сдвиге фаз между сигналами F^~_бл, и F_бл равном 90° (рис. 3. а, б, в). Тогда на его выходе будут формироваться импульсы шириной в четверть периода частоты F_бл.

Если двигатель начнет вращаться слишком быстро, то F^~_бл будет опережать F_бл больше, чем на 90°. При этом ширина импульсов на выходе ФД уменьшиться, что заставит двигатель снизить обороты (рис. 3. а, г, д).

Если скорость вращения станет слишком мала, то F^~_бл окажется сдвинутой относительно F_бл на угол меньший, чем 90°. Ширина импульсов на выходе ФД при этом увеличится и двигатель начнет вращаться быстрее (рис. 3. а, е, ж).

Согласующее устройство в соответствии со своим названием служит для согласовния выходного сигнала ФД с рабочими характеристиками используемого двигателя.

Наличие такой системы регулирования позволяет предельно снизить требования к двигателю. Никакой точности и стабильности от него не требуется, лишь бы подходил по габаритам и мощности. А тот факт, что считанный сигнал нестабилен во времени, никакой роли не играет, так как для борьбы с этим явлением используется очень эффективное средство - буферное запоминающее устройство или буферная память, которая реализуется на основе ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольной выборкой). В буферную память информация записывается по мере её поступления от демодулятора, т. е. с неравномерной скоростью, а считывается с помощью сигналов, сформированных кварцевым генератором - строго равномерно.

Благодаря наличию буферной памяти проигрыватель компакт-дисков (так же, впрочем, как и любой другой источник звуковых программ) избавлен от извечного недостатка аналоговой записи, связанного с неравномерностью вращения (перемещения) носителя - детонации, т. е. более или менее заметного на слух "плаванья" звука.

Принцип действия буферной памяти, рассмотрим на примере её организации на основе ЗУПВ объемом в 2 кБ, выполненной в виде 2048 ячеек по одному байту (рис. 4).

Рис. 4 - Пример организации буферной памяти на основе ЗУПВ объемом 2 кБ

Пусть в некоторый момент времени запись считанного с диска байта информации производится в ячейку 1. Система адресации ЗУПВ должна быть организована так, чтобы при равенстве скоростей записи и считывания информации обеспечить интервал между моментом записи в любую из ячеек и моментом считывания из неё равным времени, необходимому для того, чтобы заполнить половину общего объема памяти ЗУПВ. Поэтому, если запись производится в ячейку 1, то считывание при этом должно производиться из ячейки 1025, информация в которую была записана раньше.

Это происходит при равенстве скоростей записи и считывания, когда скорость вращения диска такова, что тактовая частота F_т, выделенная из потока воспроизводимой информации, в точности равна 4,3218 МГц. Если же скорость записи будет возрастать (из-за увеличения скорости вращения диска), то номер ячейки, в которую она производится, будет увеличиваться (2, 3, 4 и так далее) и приближаться к цифре 1024. Это максимально возможный номер ячейки, когда ещё не наступает переполнения памяти.

Условно примем некоторое статичное положение процесса записи в ячейки. На самом деле, конечно, адреса постоянно изменяются.

Однако, указанное выше сближение номеров ячеек записи и считывания, вызванное слишком высокой скоростью вращения диска, не останется без внимания системы регулирования этой скорости, и её реакция выразится в том, что она уменьшит число оборотов двигателя вращения диска так, чтобы заданный защитный интервал сохранился.

Если скорость вращения диска уменьшится, то уменьшится и скорость записи в ячейки ЗУПВ, номера которых начнут приближаться к цифре 1025 с другой стороны - 2048, 2047, 2046 и т. д. до 1026, когда возникнет угроза того, что все ячейки памяти окажутся пустыми. Однако, и в этом случае система регулирования скорости вращения диска отработает ошибку в направлении восстановления необходимого защитного интервала.

Запись и считывание в ЗУПВ осуществляется не одновременно, а попеременно. Один символ записали, потом другой считали. Записали в одну ячейку, считали из другой.Приведенная на рисунке 5 схема иллюстрирует этот процесс.

Рис. 5 - Структурная схема буферной памяти

ЗУПВ, используемые в проигрывателях компакт-дисков, чаще всего имеют восьмиразрядную входную шину, вход управления записью/считыванием и поразрядную адресную шину. Разрядность адресной шины зависит от объема памяти ЗУПВ. Если, скажем, объем памяти равен 2 кБ, то адресная шина 11-разрядная, если 4 кБ - то 12-разрядная и т. п. Вход упрвления служит для переключения режимов записи и считывания. Например, если на этом входе логический "0", то производится запись байта информации с входной шины в ячейку, адрес которой присутствует на адресной шине. Если "1", то производится считывание из ячейки с соответствующим адресом через одну и ту же шину.

Необходимо отметить, что вход и выход ЗУПВ могут быть организованы через одну и ту же шину с "третьим" состоянием. Современные процессоры для проигрывателей CD выполнены так, что и память, и сам процессор находятся на одном кристалле и все соединения между ними не видны. Тем не менее, для простоты восприятия удобнее рассматривать наглядный вариант схемы, как на рисунке 5.

Адреса ячеек, в которые должна производиться запись, формируются на основе тактовой частоты, выделенной из считанного с компакт-диска сигнала, а адреса ячеек, из которых производится считывание - с помощью сигнала, вырабатываемого высокостабильным кварцевым генератором.

Таким образом, как бы ни менялась скорость вращения диска, а вместе с ней и скорость воспроизведения информации, после ЗУПВ считанные символы будут следовать строго равномерно, обеспечивая тем самым точное соответствие временного масштаба воспроизводимой фонограммы тому оригинальному материалу, который некогда был записан на мастер-диск в студии звукозаписи.

Адреса записи и считывания подаются на переключающее устройство, которое так же как и ЗУПВ управляется сигналом записи/считывания. Поэтому, когда нужно произвести запись, к адресной шине ЗУПВ подключается формирователь адреса записи, а когда нужно информацию считать, то подключается формирователь адреса считывания. Вследствие того, что блок управления двигателем, вращающим диск, поддерживает скорость потока считанной с него информации вблизи 4,3218 Мбит/с, количество символов, поступающих на вход ЗУПВ, колеблется с некоторым рассогласованием вокруг величины, равной количеству символов, считываемых с его выхода. Допустимая величина рассогласования зависит от объема ЗУПВ. Чем больше объем памяти, тем большие отклонения скорости вращения от номинальной допустимы.