Cs. Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 488. A CD-játszó elektronikája – a fotodiódáktól a DA-átalakítókig

Az elektronikában nincs mozgó alkatrész, tehát egyszerű lehet.

Például amilyen az alábbi animáció szerinti.

cfd02a

Sajnos, ez közel sincs így; a következő rajz már jobban megközelíti a valóságot. Hozzáteszem, hogy ez is csak egy nagyon kevéssé részletes tömbvázlat, és nem is minden részletére fogok kitérni.

cfd03

Szerencsére a lemez mozgatásának és a lézeregység vezérlésének módszereit már ismered a sorozat 485-487. részeiből. Legalább ennyivel előrébb vagyunk. Viszont ahhoz, hogy a továbbiakat megértsd, érdemes ismét átfutnod a sorozat 466. részét, amelyben a CD-DA kódolásáról van szó.

A kódolás egyik szakasza az a csatornakódolás, amit EFM-mel rövidítettek. Most azt nézzük meg, mi ennek a szerepe a CD lejátszásakor. Ezzel a kódolási rendszerrel ügyesen valósíthatók meg a különféle adat-visszanyerési funkciók. Az EFM kódolásban a gödör és a felszín, vagyis a pit és a land nem tartalmazza közvetlenül a digitális adatokat. Ehelyett a gödörből a felszínbe vagy a felszínből a gödörbe való átmenet digitális egyet jelent, míg az összes többi felület (felszín vagy a gödör alsó része) digitális nullát jelent. Az EFM kódolás 8 bites szavakból indul ki, és azokat 14 bites szavakká alakítja át úgy, hogy e szavakban az 1-et legalább két, és legfeljebb 10 darab 0 választja el egymástól. A bitfolyam így egyesekből és nullákból álló sajátos mintát kap, amely kilenc különböző gödör- vagy felszínhosszt eredményez a lemezen. A legrövidebb gödör vagy felszínhossz három bitet kódol, míg a leghosszabb 11 bitet. A 14 bites szavakat zajcsökkentés céljából három kitöltő bit kapcsolja össze, ami 17:8 kódolási arányt jelent. Az EFM-nek más előnyei is vannak. Az egymást követő nullák beszúrásával a lemezről visszavert jel sávszélessége csökken. A CD-ről származó adatsebesség 4,3218 millió bit/másodperc (ebből a 4,3218 millió bit/másodpercből csak 1,4 millió bit az alapvető hang-adat, a többi redundáns adat, alkód adat és az EFM átkódolás eredménye), de az EFM jel sávszélessége csak 720 kHz. Az EFM jel szinkronizáló órajel is, amely többek között vezérli a lemezt forgató motor szervóját.

A lemezről visszaverődő lézersugár hullámhossza megegyezik a lézeregység által kibocsátott lézersugár hullámhosszával, de ezt a gödör- vagy felszínhossznak megfelelő hullámhosszúságú jelek modulálják. Kilenc ilyen moduláló jel van; ezeket T-vel jelölik.

cfd04

A legrövidebb hullámhosszú, tehát legnagyobb frekvenciájú komponens a T3, ehhez tartozik a legrövidebb felszín vagy gödör. A frekvenciája 720 kHz, a digitális adat 100. A legalacsonyabb frekvenciájú komponenst, a T11-et a leghosszabb gödör vagy felszín hossza állítja elő, és frekvenciája 193 kHz, a digitális adat 10000000000. Az EFM kódolt, a lemezről visszavert jelet RF vagy HF jelnek nevezik. A sorozat előző részéből kiderül, hogy ezt a jelet a négy fotodiódából álló szegmens jelének összegzésével állítja elő az elektronika.

cfd05A hullámok periódusai megfelelnek a különböző gödörhosszak leolvasásához szükséges időtartamoknak. Úgy tűnik, hogy a HF jel analóg, tehát nem olyan, amely digitális adatokat hordoz. A nullátmenetek azonban tartalmazzák a lemezen kódolt digitális információt. A HF jel amplitúdója is függ a gödrök hosszától.

cfd06

A fenti rajz utolsó sorában szem-ábrák láthatók. Na, ez már megint mi? Ha megfelelő erősítés után a kapott adatjelet egy oszcilloszkóp függőleges (Y) bemenetére vezetjük, a helyreállított órajellel pedig a vízszintes (X) bemenetet szinkronizáljuk, az oszcilloszkóp képernyőjén a legkülönbözőbb szint- és fázishibájú impulzusok egymásra rajzolódva jelennek meg. A kapott oszcillogram nyitott szemre hasonlít. A szem nyílása az átvitel minőségének jellemzésére használható. A szemnyílás függőleges nagysága a jel amplitúdójától függ, a fázishibák a vízszintes kiterjedést határozzák meg. Ha az egymás utáni jelek egyetlen vonalként jelennének meg, akkor a kiolvasás hibátlan lenne. Ez azonban a gyakorlatban szinte sohasem valósul meg.

A lemezre írt információ kiolvasásakor a rendszer különböző hibái miatt a HF jel periódusainak hossza az előirt diszkrét időpont körül kisebb-nagyobb mértékben ingadozik, lötyög, amit az alábbi rajzon néhány eltérő hosszúságú 3T jel érzékeltet.

cfd07

Az ingadozás a HF jel vonalvastagságának kiszélesedését okozza. Minél nagyobb az ingadozás, annál vastagabbak a jelek az oszcilloszkóp ernyőjén. Az időbeli ingadozást jitternek hívjuk, és értéke rendkívül fontos a CD-játszó minősítése szempontjából. Ugyanis a túl nagy ingadozás, lötyögés, azaz a túl nagy jitter azt eredményezi, hogy a jel dekódolása bizonytalanná válik, és az elektronika hibás adatot olvas. Ha ez az ingadozás eléri az 1/2T értéket, a dekódoló áramkör pl. az eredetileg 3T jelet 4T jelként fogja dekódolni.

 fotodiódákról érkező jelek persze nem ideális, hanem elég torz szinuszok, és szinuszos jelekkel egyébként sem tudnak mit kezdeni a jelfeldolgozó áramkörök. Ezért e jeleket négyszögesíteni kell, és a négyszögjelsorozat amplitúdójának is ugyanakkorának kell lennie. Otto Herbert Schmitt 1938-ban szabadalmaztatta a róla elnevezett áramkört, a Schmitt-triggert.

cfd08

A Schmitt-trigger olyan két stabil állapotú (bistabil) billenőkör, melynek kimeneti jele a bemeneti jel amplitúdójának a nagyságától függ. A Schmitt-trigger a bemenő jel hatására két szélsőérték között kapcsolgat, úgy, hogy ha a bemenő jel elér egy bizonyos szintet, pozitív, ha a csökkenő jel ugyanazt a szintet éri el, negatív szélsőértékre vált. (Vagy fordítva, az alábbi animáción egy invertáló Schmitt-trigger látható.)

cfd09a

Pontosabban, a Schmitt-trigger nem ugyanannál a bemenő feszültségnél kapcsol az egyik szélsőértékre, mint amikor vissza a másikra; hiszterézise van, de ez most nem érdekes. Fontosabb, hogy a tényleges szem-ábra a CD lemez hibáinak következtében gyakori szintingadozásokat mutat, amelyek eltolják a jel középértékét.

cfd10

A négyszögjel létrehozásához tehát nem elegendő a jelet egyszerű Schmitt-triggerre vezetni, mert annak állandó kapcsolási referenciaszintjei a jelet meghamisítanák. Ehelyett egy olyan dinamikus Schmitt-triggert alkalmaznak, amely a szinuszjel középértékének ingadozását figyelembe véve, a kapcsolási szintet folyamatosan szabályozza. A kimeneti jel elvben már megfelel a vágólézert szabályzó EFM jelnek – ha létezne tényleges torzításmentesség.

A jitter olyan mértékben torzíthatja a hangképet, hogy érdemes vele még egy kicsit molyolni. Ugyanis az EFM jel lötyögése a hallható tartományban futásidő ingadozást hoz létre. A futásidő ingadozások megváltoztatják a jel fázisviszonyait, anélkül, hogy ennek a frekvenciamenetben észrevehető hatása lenne. Ha pontosabban határozzuk meg, akkor a jitter az esemény ideális időzítésétől az esemény tényleges időzítéséig való eltérés. Képzeld el, hogy egy rendszerbe "digitális"szinuszhullámot küldünk. Egy-egy négyzet egy-egy órajelnek felel meg; mivel a függőleges vonalak egyenlő távolságra vannak egymástól. A felbontás az egyszerűség kedvéért három bit. A periodikus jelleg miatt szép szinuszhullám az eredmény.

cfd11

Most képzeld el, hogy ezek a vonalak nincsenek egyenlő távolságra egymástól. Ez kevésbé periodikussá tenné az órajelet. Amikor ábrázoljuk az adatokat, azok nem azonos időközönként jelennek meg, és így nem tűnnek helyesnek.

cfd12

Persze, nincs ilyen "digitális" színusz, ezért nézd meg a jittert egy digitális jel szempontjából! Ne feledd, a jitter az esemény ideális időzítésétől az esemény tényleges időzítéséig való eltérés!

cfd13Több szubjektív vizsgálat is bizonyítja, hogy már 0,1 nanoszekundumnyi lötyögés is a hangkép megváltozását okozhatja. A jitterhiba kiküszöbölésére átmeneti közvetlen hozzáférésű memóriát, RAM-ot használnak pufferként, amelyből az adatokat nagyon stabil belső kvarcóra jelének ütemében olvassák ki. Ha a RAM kapacitása elég nagy, akkor a hordozható CD-játszók rázkódásából származó hibák is javíthatók. Az Aiwa PCD-810 sorozatú discman kütyüje pl. 2 percig bírja a gyűrődést.

cfd14

A további feldolgozás előtt a lemezen szétszórt adatokat össze kell fésülni (de-interleaving). Mivel az EFM jel nemcsak audió adatokat, hanem alkódokat és hibajavító CIRC adatokat is tartalmaz, következhet a hibajavítás és hibakompenzálás. A hibakompenzálásra akkor van szükség, ha a jel hibáit az összefésülés során nem lehet javítani. A legegyszerűbb esetben az előző kódszót használják fel a hiányzó információ pótlására. Ezt az eljárást “previous word hold” (előző szó tartása) eljárásnak nevezik. Amennyiben az előző adatszó is hibás, interpolációs eljárással kísérletezik a CD-játszó. Amennyiben a hibát interpolációval sem lehet elfedni, a hibajavító áramkör jelzést ad a folyamatvezérlő áramkör számára, ami letiltja a hangfrekvenciás kimenetet, azaz némít. A hibajavítás stratégiája a hibajavító áramkör hardver- és szoftverráfordításától függ. Ebben a tekintetben jelentős különbség van a különböző típusú CD játszók között. A komplex hibajavító áramkörök több tucat különböző stratégiával képesek hibajavításra.

Ha CD ROM meghajtóról van szó, akkor itt a folyamat vége, a többi már a számítógépen múlik, hacsak nem valami régi meghajtó kerül a kezedbe. Audió CD játszó esetén a következő áramkör két részre osztja az audió adatfolyamot. Az egyik rész a bal csatorna, a másik a jobb csatorna digitális-analóg átalakítójának bejáratára kerül.