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大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 叻光头是b d 影碟机的关键部件。在阴生产过程中，需要利用光头检查调整机 ( 简称为检调机) 对光头激光组件的姿态和多种参数进行检查和调整，以保证光头对b d 光盘正确可靠的读取。 肋检调机是一个集b d 影碟机技术和工业控制技术于一体的复杂系统。它主要由五 部分组成，包括信号模拟放大部分，伺服放大电路部分，计算机控制部分，j i t t e r 值检 测部分和机械结构部分等。进一步，其中的计算机控制部分按功能又可细分为硬件信号 采集及数据处理，软件启动程序，工作准备程序，工作辅助程序和工作程序等模块。 为了研制开发b d 光头检调机，本文首先深入分析了肋及d v d 影碟机原理；并以此 为基础，详细探讨了b d 光头检调机的系统组成和工作原理。同时，对其信号控制系统， 伺服控制系统和计算机软硬件系统等关键部分进行了全面深入的分析和研究，并给出了 这些部分的具体的设计方法，对于进一步的研制开发工作具有一定的意义。 关键词：光头；检调机；b d ；伺服系统；j it t e r b d 光头检查调整机的开发与研制 r e s e r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h eb do p u e x a m i n i n g - a d j u s t i n g m a c h i n e a b s t r a c t t h e0 p t i c a lp i c k - u pu n i t ( o p u ) i sak e ya s s e m b l yi nt h eb dp l a y e r i ti sn e c e s s a r yt o e x a m i n ea n da a j u s tt h es t a n c ea n dv a r i o u sp a r a m e t e r so ft h eo p ub yu s i n gt h eb d e x a m i n i n g a d j u s t i n gm a c h i n ei nt h ef a b r i c a t i o no ft h eb dp l a y e r , i no r d e r t oe n s u r et h a tt h e 0 p uc a nr e a dt h ei n f o r m a t i o no nt h eb dd i s cr e l i a b l ya n dc o r r e c t l y t h eb de x a m i n i n g - a d j u s t i n gm a c h i n ei sac o m p l i c a t e ds y s t e mw h i c hc o m b i n e st h e t e c h n i q u eo ft h eb dp l a y e ra n dt h et e c h n i q u eo ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o lt o g e t h e r , m a i n l y i n c l u d i n gt h es i g n a lr e l a ya n da m p l i f y i n gp a r t ，t h es e r v oa m p l i f y i n gp a r t ，t h ec o m p m e rc o n t r o l p a r t ，t h ej i t t e rv a l u em e a s u r i n gp a r t ，a n dt h em e c h a n i c a lp a r t t h ec o m p m e rc o n t r o lp a r tc a r l b ef u l - t h e rd i v i d e di n t ot h eh a r d w a r ef o rs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，t h es y s t e m m o n i t o r i n gp r o g r a m ，t h ep r e p a r a t i v ea n da u x i l i a r yp r o g r a ma n d t h ew o r k i n gp r o g r a m ，e t c 。 t ob e g i n 、蕊也t h ed e v e l o p m e n to ft h eb de x a m i n i n g - a d j u s t i n gm a c h i n e ，t h i st h e s i s i n v e s t i g a t e sd e e p l yt h ed e s i g nm e t h o da n dw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h eb ds y s t e m ，b a s e do nt h e r e s e a r c ho nt h eb da sw e l la sd v d p l a y e r s a n dt h e n ，t h ep r i n c i p l ea n dc o n s t r u c t i o no ft h e b de x a m i n i n g a 由u s t i n gm a c h i n ea r ea n a l y z e da n dp r e s e n t e d ，f i n a l l y ，t h i st h e s i se s p e c i a l l y f o c u s e st h es t u d i e so nt h es i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，t h es e r v oc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ec o m p m e r c o n t r o ls y s t e mo ft h eb de x a m i n i n g - a d j u s t i n gm a c h i n e ，a n dt h e i rd e s i g nm e t h o d sa l eo u t l i n e d o b v i o u s l y ，s u c hs t u d i e sa n da n a l y s e sa r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tf o r t h eb de x a m i n i n g a d j u s t i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：o p u ；e x a m i n i n g - a d j u s t i n gm a c h i n e ；b t u 。r a y ；s e r v os y s t e m ；j i t t e r ； 一i i 大连理工大学专业学位硕士论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：壁旦丝塾丝重型塑丝盘堕丝丑丛壹丝幽 作者签名： 型i 盎锥日期：4 年月! - 上日 导师签名： 知錾蛆日期：坐叟旱年月三l 日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 里旦羞甚捡查迥整扭鲍匠发生珏剑 作者签名：中斜l日期：崞年上月逍日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 己l吉 ji#习 1 课题研究的背景 从l d 到今天的b d ( b l u - r a yd i s c ) ，光碟机的发展可以说经过了一段漫长的路。 7 0 年代出现了l d ，并在8 0 年代大量生产。l d 使用了当时最先进的波长为0 7 8 0 8 n m 的半导体激光器，使直径3 0 c m 的l d 盘单面记录容量提高到l 小时，真正达到实用化水 平。随后，1 9 8 1 年制定了c d - d a 规格，用于数字音响；1 9 8 4 年制定了c d g 规格，它利 用c d - d a 的辅助数据来重放简单的静止图象；1 9 8 5 年又制定了存储各种数字数据用的 c d r o m 规格，从这个c d - r o m 进一步又派生出许多新的数字数据光盘格式。 c d - r o m 与个人电脑所用的基本软件( 操作系统：o s ) 的规格有关，使其互换范围就 受到了限制，同时c d - r o m 驱动器又是以个人电脑作为主体，所以很难把c d - r o m 盘放在 家中的c d 唱机上使用的。这样，在1 9 8 6 年又制定了c d - i 规格，这种c d i 盘可以用专 用的光盘机，以交互的方式很方便地对其所记录的数字音响、图象与文字等加以利用。 1 9 9 1 年，采用特殊的数字压缩技术，又制定了让c d - i 能重放简单的活动图象的c 沪i f m v 规格，它成为最早实现了商品化的数字视盘。 1 9 9 2 年从c d - i 规格派生出一种卡拉o k 的规格，它采用了与c d - i f m v 所不同的、 称为m p e g l 的数字活动图象压缩技术。这个卡拉o k c d 规格于1 9 9 3 年经过部分补充而 成为v i d e o - c d ( 1 1 版) 的规格，这就是在我国被简称为v c d 的光盘。随后的第二年又 出现了v c d 的2 0 版，追加了交互功能和高清晰度静止图象，对画质也进行了相当的改 进n 1 。 在上世纪交替之际，利用9 0 年代中期信息技术的最新成就短波长激光器、高密 度记录、超大规模集成电路和m p e g 2 高效率编码，新一代全数字化激光视盘d v d 被开发 出来。与v c d 不同的是d v d 没有沿用c d 的基础技术一一0 7 8 n m 波长的红外激光和6 5 0 m b 的c d 记录容量，而是充分利用了9 0 年代中期最先进的技术成果短波长激光器和1 2 c m 盘单层4 7 g b ( 为c d 的7 倍) 的高密度，以及按照m p e g 2 标准开发的压缩和解压缩芯片。 这种第一代d v d 视盘机和d v d r o m 驱动器在1 9 9 6 年被推出眵1 。 在存储的密度及读写速度方面，当前d v d 和往日的c d 相比都有了长足的进步。但 它们都采用红色激光波段进行数据的读取和刻写，已使得光存储的密度以及读写速度提 高的步伐受到了限制。2 0 0 2 年初，d v d 论坛的主要成员再也忍受不了可擦写d v d 标准之 争给业界引起的混乱和争执。由d v d 论坛指导委员会的9 个成员经过一周时间的激烈讨 论之后，最终宣布支持采用蓝色激光d v d 存储技术制定出新的高密度d v d 标准 b d 光头检查调整机的开发与研制 b l u - r a yd i s c ( b r d ) ，这就是现在被人称之为的蓝光，作为当前采用红色激光存储技 术的各类d v d 标准的取代者。 蓝光d v d 的发起，除了被希望用以结束可擦写d v d 标准之争的局面之外，其更强大 的市场推动力是高清晰度数字电视( h d t v ) 业务在全球范围内的陆续启动( 例如美国在 2 0 0 3 年率先开通h d t v 的有线网，中国也确立了几年内h d t v 逐渐全面取代传统电视网的 计划) 。因为高清晰电视的数据传输率至少为2 3 m b p s ，如果要录制1 3 3 分钟的高清晰电 视节目，光盘的可用空间势必超过2 0 g b ，传统d v d 的容量是无法满足要求。而新一代蓝 光d v d 技术采用全新的蓝色激光波段进行工作，存储容量在原来的d v d 的基础上翻了5 倍，使得光存储的容量有了很大的突破。随着高清视频技术的发展，蓝光技术已成为新 一代高密度存储技术的代表。 肋光头作为蓝光d v d 光驱中的最重要部件，其制造难度相当高，由于b d 光头良品 率比较低，因此价格比较昂贵，这也是蓝光播放机价格居高不下的一个原因。目前蓝光 产业发展还处于初级阶段，国外企业对我国也实行技术封锁，肋光驱的生产、b d 光头 的的生产和调整等生产技术将是是阻碍我国蓝光产业发展的主要原因。尤其是b d 光头 的生产技术，由于其生产工艺复杂，调整参数难度大，并与设备技术和产品技术密切相 关，使得b d 光头的生产将成为我国生产厂家望而却步的难题。 因此，研制和开发b d 光头检调机对促进我国b d 光头生产具有重要意义。本文根据 研制开发具有自主知识产权的b d 光头检调机的任务，对b d 光头检调机进行了全面深入 的理论、原理研究，给出了完整的技术路线和设计方法，为进一步的研制开发奠定基础。 2 本文的主要工作 本文首先研究了b d 光头的原理、b d 光头在b d 播放机中的作用，各种信号的意义及 规格，以及信号的处理方法等；以此为基础，运用电子电路技术对b d 光头的各种信号 进行了分析，并结合电路原理研究了测量电路中各点的波形；进一步，通过分析计算机 的工作程序，明确了检调机的工作过程和控制原理；并通过计算机的硬件接口电路、中 继放大电路和伺服放大电路的深入分析，给出了检调机的工作原理。即利用计算机模拟 肋播放机机的工作状态，对b d 光头进行输入输出信号控制及处理，同时对检测光头的 设备进行控制；并根据电路中的有关光头信号采样分析计算结果，调整光头的相关参数， 对调整的结果进行实时监控；利用实时显示调整时的光头数据，指导调整人员按照数据 或图形进行调整，以保证调整结果的准确性。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 激光头及信息读取原理 1 1 光盘及其信息 根据光盘所记录的信息内容不同，可将光盘分为很多品种。如记入电视节目的视频 光盘( l d ) ，记录音乐信号的c d 光盘，以及v - c d 、c d - r o m 和现如今b d 盘。尽管光盘 中有的是模拟信号( f m 调频信号) ，有是数字编码信号，但在光盘上表示信息的形式都是 相似的。也就是说，都是用光盘上螺旋形排列的一圈圈的坑槽来表示的，激光头读出的 脉冲信号是与光盘上的坑槽相对应。对于数字信号来讲，激光头输出的脉冲相当于二进 制数字信号的”0 ”或”1 ”；对于模拟信号来讲，激光头输出的脉冲信号其中的频率分量是 与视频调频( f m ) 信号和伴音调频( f m ) 信号相对应的，即脉冲信号中包含视频和音频调频 信号的分量。在播放不同的光盘时，只要施以相应的解调或解码处理方法就能将光盘上 的信息取出来n 。 1 2 激光头及其光学系统 在光盘上用坑槽的不同长度和间隔表示信息内容，光盘机的激光头就是用激光束照 射的方法来拾取信息。激光头位于光盘的下面，在电机的驱动下从光盘内侧到外侧滑动。 在拾取信号时，激光头中的激光发光管所产生的激光束通过镜头照到光盘上，光盘再将 光束反射回来照到光敏二极管组件上。如果光盘无坑槽，则激光全部反射回来。如果激 光束照到坑槽内，则激光束被散射，不能反射回来，这样反射回来的激光束就被光盘上 的坑槽所调制，即反射回来的激光束就变成了脉冲式，这种脉冲式的激光束就包含了光 盘上所录制的信息内容。光敏二极管组件将光盘信息变成电信号，就完成了光盘信息的 拾取。 激光头的光路示意图如图1 1 所示。光源是一只半导体激光发光二极管。过去曾使 用氦氖激光器作光源，由于气体激光器体积大、笨重、价格高，因而目前光盘机中几乎 不再使用了。激光头读取光盘信息时，半导体激光二极管发射的激光束经过光栅( 分束 镜) 、半反射镜、1 4 波长板、平行光镜、反射镜和物镜，然后照射到光盘盘面上。光盘 反射的激光束再经过物镜、反射镜、平行光镜、1 4 波长板、半反射镜、透镜、柱面透 镜，最后照射到光敏二极管组件上，由光敏二级管组件接收光盘反射回来的激光束。 光栅又称为分束镜，将一束光分裂成三束光( 实际上分裂成多束光，其余的光束能 量很低，不起作用) ，中间的一条为当主光束，两侧为辅助光束。主光束用于声、像信 息的拾取和聚焦误差信号的检测，辅助光束则用于循迹控制。半反射镜滤出平行光束， b d 光头检查调整机的开发与研制 阻止垂直极化的光束，1 4 波长的板片使光束产生9 0 度的相位延迟，变成圆形极化的光 束，再经反射镜和物镜镜头，激光束照射到光盘上。在聚焦伺服和循迹伺服的控制下， 激光束准确地照射到光盘的信息纹上。 图1 1 激光头光路示意图 f i g 1 1 o p uo p t i c a ls y s t e md i a g r a m 激光束照射到光盘再反射回来，又穿过物镜镜头、反射镜及1 4 波长极片，再次产 生9 0 度相位延迟。同入射的激光相比，则差1 8 0 度，仍为平行光束。反射回来的光束经 半反射镜折射后通过柱面透镜照射到光敏二极管组件上。光敏二极管是将光信号变成电 信号的器件，其输出电流则包含了图像和伴音的信息内容，同时也包含有循迹误差信息 和聚焦误差信息。 1 3 激光二极管及其特性 激光器件的应用是各种光盘机得以发展的基础，由于激光束比其他光有无可比拟的 优越特性，才使光盘有可能向着高密度的方向发展。光盘的密度取决于激光束聚焦光点 的最小尺寸。激光具有单一波长的光谱，色度纯，方向性好，易于聚焦，其聚焦特性比 其它光好，如图1 2 所示。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 “)擞光柬 n ) 发光二扳管及 娥光等+ 物蔑 蜊 图1 2 聚焦特性对比图 f i g 1 2 f o c u sc h a r a c t e r i s t i cc o n t r a s td i a g r a m 看起来激光二极管与普通二极管相似，都是由p n 结构成的，由于材料的不同和工 艺的差异，它所发出的激光束的波长有一定的不同。作为读取光盘信息的光源，它必须 具有单一的波长，而且在较长的时间里保持频率和幅度的稳定性。 当发光二极管两端施加一定电压时，在p n 结的交界处光子被激发出来，即能量以 光的形式释放出来，这种光的光谱不是单一波长。而激光二极管在p n 结的交界处设有u 层、p 层和激活层，这样就形成了光的谐振系统从而发出了激光。将这种激光二极管芯 制作在金属壳内，引线接在下面，管壳的上部开一圆形窗口，以便射出激光束。为了检 测激光二极管的发光强度，在管壳内还设有一个光敏二极管，这是为了检测激光强度， 以便控制供给激光二极管的电源。因此一般激光二极管有三个引线脚：一个激光二极管 供电端，个光敏二极管的输出端，一个接地端。普通激光二极管所发激光的波长约为 0 7 8l am 近红外光。即机由于光盘上的坑槽尺寸更小，其激光二极管的波长要求更短 ( 0 4 u1 1 1 ) ，一般为蓝色激光。 1 4 光盘信息的读取原理 在影碟机中光盘信息的读取多采用三光束方式，所谓三光束就是使激光二极管所发的光 在投射到光盘时，变成三束激光。在激光头里面设有一个光栅透镜，当激光二极管所发 的光束经过光栅后，就形成了三个光束，这三个光束中有一个较强的主光束位于中间， 两个相等的辅助光束位于两侧，如图1 3 所示。主光束射到光盘的信息纹上用于读取信 息，两个辅助光束也射到同一信息纹上，只是一个在主光束之前，一个在主光束之后。 这两个辅助光束用于检测循迹误差，通过循迹伺服实现自动跟踪信息纹汹】。 b d 光头检查调整机的开发与研制 光盘 ：1 主 循迹( 半导体激光 “二极管 图1 3 三光束光路图 f i g 1 3 t h i e eb e a md i a g r a m 镜 影碟机的激光头几乎都采用三光束系统进行循迹误差检测。但在c d 光盘机中有些 采用三光束方法，也有一些光盘机采用单光束的方法。单光束系统的结构比三光束系统 简单。所谓单光束就是在激光头中激光二极管发射的激光束只有一束光射到光盘盘面。 这样这个单一的光束既要检测信息，又要检测循迹误差，它是利用反射回来的光束的光 通量的不均匀性进行检测，如图1 4 所示。 当激光束跟踪光盘信息纹正确时，返回到二极管检测器的光是均匀的；当跟踪出现 偏差时，反射回n - 极管检测器感光面上的光通量就会变得不均匀，跟踪出现偏左或偏 右时，感光面左右的光会有明暗的不同。如将光敏二极管组件制成左右分割的，将左右 的二极管输出信号相减即可得到循迹误差信号。 激光头读取光盘信息时，激光束通过透镜射到光盘的信息坑槽上，如图1 5 所示。 由于光盘上有坑槽和无坑槽的部分对激光束的反射特性不同，即无坑槽的部分对激光束 的反射较强，而有坑槽的部分由于很多激光分量被散射，因而反射回来的激光束较弱， 如图1 6 所示。这样激光二极管发射的激光是连续的，而经过光盘反射后，反射回来的 光则变成了断续的，设在激光头中的光敏二极管组件是用来检测反射回来的激光束。返 回的激光束有强弱变化，则检测用光敏二极管的输出电流也会有相应的变化，实际上这 大连理工大学专业学位硕士学位论文 种电流的变化与光盘上的信号是相对应的，将这个信号进行放大处理，就读出了光盘信 息n 0 1 。 0 1 光检测器 唱片上的 坑和光点 光检弱器上 的光量分布 ( a ) ( b ) ( a ) + 循迹误差。( b ) o 信号( c ) 一 图1 4 单光束寻迹误差信号 f i g 1 4s i n g l eb e a mt r a c k i n ge r r o rs i g n a l 晰光柬 图1 5 激光束与光盘信息 f i g 1 5 l a s e rb e a ma n dd i s ci n f o r m a t i o n 7 b d 光头检查调整机的开发与研制 图1 6 光盘信息的读取原理 f i g 1 6 d i s ci n f o r m a t i o nr e a d i n gp r i n c i p l e 1 5 激光束的聚焦和循迹原理 从上面激光头读取光盘信息的原理可知，只有激光束的聚焦点准确地射到信息纹的 坑槽上，才能分辨出有坑槽还是无坑槽，如不能分辩出有坑还是无坑，便不能读出信息。 由于坑槽的尺寸很小，所以对激光束的聚焦和循迹要求很高。 1 5 1 聚焦伺服系统 光盘机在播放节目时，光盘在主轴电机的驱动下以恒角速或以恒线速高速旋转。由 于机芯精度和光盘本身的原因，盘面在旋转的过程中会产生上下摆动，使盘面到激光头 的距离发生变化。这个摆动量往往有几百微米，而激光束的聚焦点范围很小，只有几微 米。如果激光束的焦点偏离盘面，就不能正确地拾取信息，一般聚焦误差控制在2um 以 内，才能满足拾取信息的要求。 通常在光盘机中是通过微调激光头中的镜头来实现聚焦的。为此在镜头的外圆绕有 一组线圈，使线圈处在由永磁铁形成的磁场中，其结构有如一个动圈扬声器，如图1 7 所不。 给线圈送入电流则会使之在磁场中移动，电流的极性变化使镜头移动的方向也随之 变化。镜头变化，光束的焦点也就随之变化。这样就可使镜头相应于光盘盘面变化，实 现聚焦点的跟踪。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 爪 l 每 永久磁铁 b 示意图 图1 7 聚焦伺服的结构 f i g 。1 7 f o c u ss e r v os y s t e mc o n f i g u r a t i o n 盘面的变化是如何检测的呢? 这里可用图1 8 来说明。在播放光盘时，激光头发出 的光由盘反射回来，在返回的光路上设置一个柱面透镜，即可检测出焦点的偏离状态。 从图可见，当激光束的焦点正确时，反射回来的光照到感光面上是一个圆形光点，而焦 点有偏离的情况时，感光面上所呈的反射光点呈现椭圆形。而焦点偏离的方向不同时， 其椭圆的长轴方向是不同的。根据这个特性，在感光面上设置4 个光敏晶体管a 、b 、c 、 d ，将这4 个光敏二极管的输出两两合成后送到差动放大器中，对角线二极管的输出相 加，于是差动放大器的输出信号幅度和极性即表示焦点偏离的大小和方向。此信号即作 为聚焦控制的误差信号，经数字处理和d a 变换成模拟驱动信号，再经放大后送到聚焦 线圈中。系统不断地检测出焦点误差，又不断地通过驱动线圈去纠正这个偏差，使之保 证在很小的误差范围之内。 聚焦误差的形成过程如图1 8 所示。设在激光头中的光敏二极管组件，其中间有一 个田字形4 个光敏二极管的组合体，这4 个光敏二极管是各自独立的。由于设在光敏二 极管组件前面的柱面透镜的作用，使反回的激光束落在光敏二极管组件上的光点形状不 同。从图1 9 可见，当聚焦点正确时，光点形状为圆形；当焦点太近时，光点呈椭圆形， 长轴方向为4 5 度：当焦点太远时，光点也呈椭圆形，但长轴方向为1 3 5 度。根据这个 特点，对4 个光敏二极管的输出进行运算处理，就可以检测出聚焦误差信号( f e 信号) ， 同时还可以检出光盘信息。 b d 光头检查调整机的开发与研制 图1 - 8 聚焦误差信号的检测原理 f i g 。1 8 f o c u se r r o rs i g n a le x a m i n i n gp r i n c i p l e 困圈圈 图1 9 聚焦误差信号的形成 f i g 1 9 f o c u se r r o rs i g n a ld i a g r a m l o 大连理工大学专业学位硕士学位论文 从图1 9 的电路可见，将光敏二极管组件中两对角线二极管输出的信号相加，然后 再相减，即可得聚焦误差。将四个光敏二极管的输出信号相加，即得光盘信息( r f 信号) 。 将聚焦控制系统构成一个环路，这就是聚焦伺服系统，如图1 1 0 所示。它是由聚 焦误差检测电路、伺服电路、聚焦线圈驱动电路和聚焦线圈等部分构成的。在光盘的播 放过程中，一旦出现激光束焦点偏离的情况，聚焦误差检测电路立即输出相应的误差信 号，误差信号在伺服电路中进行处理后，变成聚焦线圈的纠正信号，这个信号再经放大 后，送到聚焦线圈中，由于线圈的磁场作用，使聚焦镜头向正确的方向微调，向着消除 误差的方向变化，使敖焦得以纠正。光盘在播放过程中不断地出现新的误差，伺服环路 不断地纠正误差，使之达到允许的范围内，确保光盘的正常播放乜。 1 5 2 循迹伺服系统 图1 1 0 聚焦伺服框图 f i g 1 10f o c u ss e r v os y s t e md i a g r a m 上面所说的聚焦伺服是使激光束的焦点始终落在光盘盘面上，而循迹伺服则是使激 光束的光点始终射在光盘的信息纹上。光盘信息纹的宽度很小，这就对循迹伺服系统提 出了很高的要求。在光盘机中是通过微调激光头中镜头在进给方向上的位移来实现跟踪 的。在与聚焦线圈垂直的方向绕一循迹线圈，给线圈加入电流，在磁场的作用下循迹线 里旦鲞苎竺奎塑鳖垫堕堑垄量塑型 一 - i _ _ 一一 圈连同镜头一起会在水平方向移动。加到线圈中的电流方向和大小，与跟踪误差相对应 就能消除跟踪误差。 跟踪误差的检测如图1 1 1 所示。在激光头中激光二极管所产生的激光束经光栅后 分裂成三束光，并同时照射到光盘盘面上，又被反射后照到光敏二极管组件上。这三束 光中，中间的光束用来读取声像信息和聚焦误差信息。两侧的辅助光束专门用来检测跟 踪误差。 跟踪误差的检测是由设置在光敏晶体管组件两侧的两个光敏二极管e 、f 来完成的， e 、f 的输出分别送至l 差动放大器( 误差放大器) 的输入端。当跟踪正确时，主光束照射到 信息纹上，反射回来的光束照到聚焦伺服用的四个光敏二极管上，而辅助光束对称于主 光束照到信息纹上，两辅助光束偏离的量相等，于是反射后照到e 、f 上的光通量也相 等，误差放大器的输出为零，误差放大器的输出也就是寻迹误差信号( t e 信号) 。 _ 奠 i遮f ) _离 眄 一， 辫孵 文司：” 霸 i l 一。 i ： i 囝：。左馈输出负饭佳电压 i 检测 | a ， 差螂 一 c ：。跟踪正常输出- 误嫠电压为0 t 右馈误差电压为正极性 图1 1 l 寻迹误差检测原理 f 嘻i ii t r a c k i n ge r r o rs i g n a le x a m i n i n gp r i n c i p l e 压 大连理工大学专业学位硕士学位论文 如果跟踪信息纹的光束发生偏离，则e 、f 的输出就不相等，上图中为发生左偏 的情况，为发生右偏的情况。发生左偏时e - f 的输出为负极性( 误差信号) ，发生右偏 时e - f 的输出为正极性。此误差信号经数字处理和d a 变换，形成循迹线圈的驱动信 号，再经放大后送到循迹线圈中去校正跟踪误差。 循迹线圈与物镜的结构示意图如图1 1 2 所示，循迹线圈是绕在水平方向的磁芯架 上，物镜与永磁体构成一体，当线圈中有电流的时候。由于线圈磁场对镜头永磁体的作 用，会使物镜沿水平方向移动。电流的流向变化会使物镜移动的方向也变化。 扬透镜 瘩久徽谖 多 霪 j ； 喝 一 孑 爹 ， f r t 、r ! y 、镌 i ，z ，广， 物链移位 图1 1 2 寻迹伺服结构 f i g 1 12t r a c k i n gs e l w os y s t e mc o n f i g u r a t i o n 缀缀 瓣援 将循迹误差的检测和循迹线圈的驱动构成一个自动控制环路，这就是循迹伺服系 统。如图1 1 3 所示。 b d 光头检查调整机的开发与研制 毙敬二极镩 镢逑谡藏 棱戮赦太 图1 1 3 寻迹伺服框图 f i g 1 13t r a c k i n g $ e r v os y s t e md i a g r a m 在播放时，如果出现跟踪误差，设在光敏二极管组件中的两只循迹误差检测二极管 的输出电流就会不平衡。这两个二极管的输出经运算放大器就会检测出循迹误差信号， 并进行放大。误差信号经伺服电路的处理，然后转换成校正信号。校正信号经过驱动电 路进行功率放大，最后去驱动循迹线圈。由循迹线圈的磁场作用去微调物镜，使激光束 跟踪信息纹的误差减少，于是达到了自动控制的目的。光盘机在工作中会不断地发生误 差，伺服系统便会不断地检测误差，从而消除误差，由于它是一个动态的自动控制环路， 不断产生误差，又不断消除误差，使激光束达到允许的误差范围内，从而保证光盘机的 正常播放。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 b d 技术及b d 光头 2 1 b d 的基本技术指标 光存储技术的每一次革新都可以说是由更高要求的音频视频需求所推动的：c d 技 术的诞生满足了人们对高品质音乐的要求，d v d 技术满足了对高品质视频的要求；而蓝 光光盘的目的就是为了满足实时的h d t v 数字视频录像( d v r ：d i g i t a l v i d e o r e c o r d i n g ) 的要求。根h d t v 的规格，容纳一部完整的h d t v 影片( 按2 小时计算) ，需要光盘的 存储容量达到至少2 2 g b ，数据传输率达到2 4 3 5 m b p s ；如果还需要在播放一部影片的同 时记录另外一部影片，则需要存储容量至少达到4 0 g b ，数据传输率达到8 0 m b p s 乜糊1 。 为了在一张1 2 0 r i o n 的光盘上达到所需的存储容量和数据传输率，b d 采用了以下几 项主要的关键技术( 表2 1 中列出了c d 、d v d 和b d 具体技术指标的对比) ： 表2 1c d 、d v d 和肋技术指标 t a b 2 1c d 、d v da n db dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n 1 ) 缩短激光波长至4 0 5 n m 和增大物镜数值孔径即开口数n a ( n u m e r i c a la p e r t u r e ) 至o 8 5 ，这两项指标的变化直接减小了聚焦后的光点直径( 与波长入n a 成正比) ， 提高了光学系统的分辨能力，从而可以缩小记录点的直径和道间距；在同样直径的盘片 上可以记录更多的数据。但是，物镜数值孔径的增大也减小了光学系统的容差：焦深降 低( 与入n 成正比) ，提高了对伺服系统的要求；对盘片的倾斜更敏感( 与入n a 成正比) ，要求采用可消除倾斜误差的力矩器或者采用较薄的读出层结构：对盘片厚度 均匀度要求更高( 与入n a 4 成正比) ，需要采用更精密的盘片制造设备和更高的工艺。 b d 光头检查调整机的开发与研制 2 ) 在b d 系统中，为了避免采用更复杂的力矩器，同时保证对盘片倾斜误差的容差， 只能将盘基厚度变为1 1 m m ，记录层与保护层厚度变为0 1 m m ；激光不再是从盘基一侧 入射，而是直接从透明保护层一侧入射；同时各材料层的排列方式也与传统的c d - r 、 d v d r 等正好相反。盘的结构如图2 1 所示。 图2 1b d 的盘片结构 f i g 2 1 b dd i s cc o n f i g u r a t i o n 3 ) b d 系统采用了新的调制码：对可写格式盘采用1 7 p p 码；对只读格式盘采用e f m c c 码。这是由于蓝光光盘首先提出的是可写格式( r w ) 的规范，采用的材料为相变材料； 后来提出的只读格式( r o m ) 须采用深紫外波长的激光器制作母盘。这两种不同情况下 的信道特征相差较大，采用同一种调制码无法充分挖掘系统的潜力，因此设计了不同的 调制码。这两种编码的效率都有所提高，而且提供了更好的低频分量控帛l j 特性。b d 系统 还采用了新的纠错码p i c k e tc o d e ，与d v d 系统中采用的r s - p c 码相比较，在数据 冗余率基本相同的条件下，纠错能力更强h 1 。 2 2b d 白勺宝u 错码ojc k e tc o d e 由于用户数据首先经过纠错编码，再经过调制编码才记录到光盘上，这个过程中数 据要经过多次变换与交错，实际记录到盘片上的数据与原始的用户数据在内容、顺序和 位置都变化很大，且容易使人迷惑。 纠错系统的主要作用就是消除数据中的随机错误和突发错误。随机错误长度较短， 在盘片上的分布较为均匀。而突发错误一般由于灰尘、油污、指纹、划伤等引起，错误 大连理工大学专业学位硕士学位论文 长度较长，且容易形成集中分布。而与d v d 系统相比，b l u r a yd i s c 的光点更小，而 且读取层的厚度也有减小，造成光束落在盘片表面的光斑大为减小( 直径约0 1 4 m m ，面 积约0 0 1 5 m m z ) ，与d v d 系统光斑( 直径约0 5 0 m m ，面积约0 2 0 m m 2 ) 相对比，更容易 受到盘片缺陷的影响，更容易发生突发错误。因此，需要采用更为强有力的纠错系统。 下面首先介绍p i c k e tc o d e 的编码过程，再介绍p i c k e tc o d e 的性能。 2 2 1p ic k e tc o d e 的编码过程 在分析d v d 系统采用的r s p c 纠错码的实际作用后发现，r s p c 码中水平校验码 的主要作用是纠正随机错误和指出突发错误的位置，垂直校验码的作用就是根据已标记 的错误位置纠正突发错误；水平校验码的纠正能力略有剩余，而垂直校验码的纠错任务 较重。b d 系统中发展了这种纠错方法，取消了水平校验码，代之以垂直方向上的l d s ( l o n gd i s t a n c es u b c o d e ) 和b i s ( b u r s ti n d i c a t o rs u b c o d e ) 码。b i s 码具有高度 冗余的校验码，纠错能力非常强，用来放置重要的地址和控制信息；而b i s 纠错过程得 到的错误位置作为“警哨( p i c k e t ) ”，指示冗余能力较低的l d s 码更好的纠正数据中 的错误。这种纠错方案就被称为“警哨码( p i c k e tc o d e ) ”。 b d 系统中，数据按6 4 k b 为一组进行记录。在数据编码的过程中，需要经过以下阶 段：数据帧( d a t af r a m e ) 、数据扇区( d a t as e c t o r ) 、e c c 扇区( e c cs e c t o r ) 、 e c c 簇( e c cc l u s t e r ) 、b i s 簇( b i sc l u s t e r ) 、物理簇( p h y s i c a lc l u s t e r ) 和记 录帧( r e c o r d i n gf r a m e ) 。图2 2 展示了p i c k e tc o d e 最后形成的物理簇。 3 8 章2l d sl * 8b i ： 3 8 * 2l d s 【事8b i ：3 8 牢2l d 5【宰5b 11 3 8 * 2u ) s 码字 扯扩 秘弘弛弘 r 秘牢 妈卒 上0j0j jll3 8。1 3 8 l ， 3 8 纠步 3 8。 1 ， s d o a 马7既历8aad 5置马6aa 皿1 3且d l “ a 日5 l ，j 口，2aa 妇8 9岛毋9 0 a ， - 物理扇蜓o 二 ： “ 一o ，j 1 6 f7， 以行为擎位组成数撕淹存赫在斑片卜 ， ， t ， 3 ， 物鲤扇1 4， 。 0 一 物珲确i 1 5 图2 2p i c k e tc o d e 的物理簇 f i g 2 2 p i c k e tc o d ep h y s i c a lc l u s t e r b d 光头检查调整机的开发与研制 2 2 2pic k e tc o d e 的性能 与d v d 系统中采用的r s - p c 码相比较，p i c k e tc o d e 由于采用了新的编码方法： 冗余的校验数据全部放置在列方向上，由b i s 的高度冗余和纠错能力保证重要的地址和 控制数据能正确读出，并指示可能的错误位置；l d s 码根据已指示的纠错位置进行纠错。 因此，p i c k e tc o d e 的纠错能力大大提高。表2 2 是r s - p c 和p i c k e tc o d e 纠错能力 的比较。 表2 2r s - p c 与p i c k e tc o d e 比较 t a b 2 2r s - p ca n dp i c k e tc o d ec o m p a r a t i o n 系统dvdrs-pe b l u r a y ( p i c k e tc o d e ) ecc钐5率0。8660 8 5 2 簇大小 逻辚砌噬 戮构遗夯察 隅参数 3 2 l d 3 2 0 6 4 字繁 一2 泓8 字节用产数粼 - - 4 字节e d c 数糍 一1 2 字繁地缝、舨钗绦 护、缳锗字簿 鬃积璐 薹携【1 8 2 ，1 7 2 ，1 1 】x v , s 2 0 s ，1 9 2 ，1 7 3 6 4 婚 2 0 7 4 5 学谚 一2 0 4 8 字节搦产数搿 - - 4 宇繁e d c 数懿 - - 2 2 5 誓繁地娥、舨裰绦护、 稼戆宇簿 长鼢弱( 秘) s ) 十突发锈谖 攒累( b 筠 3 0 4 i l $ 2 4 5 ，21 酗3 + 2 4 r 9 1 6 2 ；3 0 ，3 3 】 援犬研熟i 突发镑谈长魔2 9 1 2e c c 字节9 9 2 0e c c 枣繁( 1 7 3 n n n ) w 绷突裳镶馔数 何纠突发镶漠数( 3 0 0 e c c 字节)5 9 1 6 3 3 ( 5 2 4 l , t n 研纠突霞锵谩毂( 6 0 0 e c c 字节) 3 4 1 0 1 6 1 0 4 7 l o n ) 从表2 2 中可以看出，由于b l u - r a y 将所有的校验码都安排在列方向上，与d v d 中 行与列方向上都有校验码相比，列方向上的校验码实际增加了1 倍；同时，d v d 中簇大 小为3 2 k b ，而b l u r a y 中大小为6 4 k b ，在同等e c c 冗余度的情况下，一个簇中可以得 到多1 倍的校验码。将这两者结合起来，即可以增大数据的交错长度和列方向上纠错码 的最小距离。这使得纠错码纠突发错误的能力提高了3 - - 4 倍。例如，若不考虑随即错 误，在b l u r a y 中，p i c k e tc o d e 可以纠正1 6 3 3 个3 0 0 个e c c 字节长( 对应轨道 大连理工大学专业学位硕士学位论文 长度约5 2 4 pm ) 的突发错误；而d v d 中的r s p c 码只能纠正5 9 个。并且，最大可 纠突发错误长度也提高到9 9 2 0e c c 字节。同时，p i c k e tc o d e 与r s - p c 码纠随机错误 的能力也相差无几。 p i c k e tc o d e 的纠错能力还可以用一个实验来说明。一张落满灰尘的光盘的原始( 字 节) 误码率大约为4 x1 0 一，其中包括各种长度的突发错误。实验结果发现，b i s 码可 以正确地获取地址信