De werking van een CD speler

Men is reeds zeer lang bezig met registratie van audiosignalen. Edison was de eerste in de geschiedenis die dit lukte. In 1877 registreerde hij zijn stem op een wasrol. Ruim 100 jaar later werd de compact disk ontwikkeld. Sinds de introductie van de CD in 1982 tot vandaag de dag is er veel veranderd t.o.v. de conventionele platenspeler met de o zo kwetsbare vinyl langspeelplaat. Tot ongeveer 2010 kocht men zijn favoriete muziek op CD. Vandaag de dag zijn de CD's vervangen door USB apparaten met b.v. MP3 Audio bestanden.

Ik wil het de komende hoofdstukken over de technische achtergronden van de CD en CD speler hebben, verdeeld in diverse hoofdstukken, beginnend met "De CD plaat". U komt hier door dit hoofdstuk in het linker venster aan te klikken.

Zaken als de focus en tracking zijn ook van toepassing op andere toepassingen van de CD zoals gegevensdrager voor computerdata.

De CD plaat heeft een diameter van 12 cm en is gemaakt van een transparante drager van 1,2 mm dikte. Hier worden putjes in geperst d.m.v. een persstempel. Deze bevat de muziekinformatie. De zijde met de putjes wordt bedekt met een zeer dunne reflecterende laag en afgedicht met een harde beschermlaag waar eventueel een label op afgedrukt kan worden. De informatie wordt dus vanaf de onderzijde van de plaat gelezen. De putjes vanaf deze kant worden herkend als bultjes dammetjes genoemd en de niet ingeperste gedeeltes worden herkend als kuiltjes putjes genoemd .



Het is niet zo ,zoals vele denken, dat de dammetjes een digitale "1" vertegenwoordigen en de putjes een digitale "0", maar dit zit iets anders, nl.: Elke overgang van put >dam of dam >put vertegenwoordigt een logische "1" en alle andere toestanden een logische "0" ! Deze putjes en dammetjes bevinden zich in een spiraalvormig spoor dat begint aan de binnenkant van de plaat en eindigt aan de buitenkant. Om precies te zijn tussen een diameter van 46 mm en 117 mm. Deze spiraal wordt door een laser met een constante snelheid van ongeveer 1.25 meter/sec. uitgelezen. De CD moet dus aan de binnenkant harder draaien dan aan de buitenkant. Het toerental van de plaat varieert hierdoor van ongeveer 500 toeren/min. tot ongeveer 200 toeren/min. Een put heeft een lengte variërend tussen 0,9 en 3,3 micron en is 0,6 micron breed en 0,12 micron diep.


Pictures by Philips

Omdat deze minuscule afmetingen u waarschijnlijk weinig zullen zeggen, zullen we de maten met 1000 vermenigvuldigen. Nu is de 12 cm CD plaat een schijf met een diameter van maar liefst 120 meter !, met een dikte van 1,2 meter. Op deze 1,2 meter komt nu de 1 mm dunne laserstraal de transparante schijf binnen om op de bodem "zandkorrels" waar te nemen waarvan de ene 0,12 mm ! dieper ligt dan de andere (putjes en dammetjes). Deze zandkorreltjes zijn 0,6 mm breed en hebben een lengte van 0,9 mm tot 3,3 mm. De zandkorrels van het spoor ernaast liggen er maar 1,6 mm vandaan. Hoezo nauwkeurigheid nodig !. Hoe dit allemaal gerealiseerd wordt zien we in het volgende hoofdstuk. Hier zien we wat er allemaal precies op een CD staat en hoe.

In het vorige hoofdstuk hebben we gezien hoe een CD-plaat fysiek is opgebouwd. Hier zien we wat er gebeurd tussen de diameters 46 en 117 mm van de CD-plaat. Om er voor te zorgen dat het internet niet drukker wordt dan noodzakelijk zal ik de bitjes en byetjes een beetje beknopt beschrijven. Hierdoor is het misschien nodig dit artikel een paar maal door te lezen om alles op een rijtje te zetten of houden. Allereerst gaat de laser naar de binnenzijde van de CD, want hier is immers het begin van het ongeveer 5,5 km. lange spiraalvormige spoor! Als we er van uitgaan dat de CD een speelduur heeft van ongeveer 74 minuten. De informatie staat in 16 bits formaat op de CD. Bij elk monster hebben we 32 bits (linker + rechter kanaal). Het CD-systeem werkt met een bemonsteringsfrequentie van 44.1 KHz. Dit betekent dat er elke seconde 44.100 x 32 bits = 1.411.200 audiobits ontstaan. Deze bits hebben stuk voor stuk de waarde "0" of "1". Veel mensen denken nu dat de bits die een "0" vertegenwoordigen, een putje of een "1" een dammetje op de CD-plaat zijn. Dit is echter niet het geval. Eerst worden de audiobits helemaal verpakt en maakt nu o.a. de foutcorrectie, tijdmelding en vele andere gebruikersvriendelijke en technische handelingen mogelijk.



De opbouw van een frame.

Aan de 1.411.200 audiobits wordt de foutcorrectie info toegevoegd. Het CD-systeem werkt volgens het CIRC ( Cross Interleaved Reed Salomon Code ). De audiobits van 6 achtereenvolgende bemonsteringen worden nu in groepjes van 8 bits verdeeld (dit worden symbolen genoemd). Dit maakt dus, 32 bits x 6 = 192 bits (192 gedeeld door 8 = 24 symbolen ). Hier wordt de CIRC-behandeling op los gelaten. Dit betekent niets anders dan kruiselings verweven. Dit wordt uitgevoerd in twee stappen. De 24 symbolen worden kruiselings omgezet ( ook wel scramblen genoemd ). Hier worden 4 pariteitsymbolen ( dus 4 x 8 bits ) aan toegevoegd. De nu gevormde 28 symbolen worden verweven met meerdere blokken van 28 symbolen, die de zelfde bewerking hebben ondergaan als de hierboven beschreven ( is dus van andere bemonsteringen). Dit wordt interleafen genoemd. Hier worden ook weer 4 pariteitsymbolen aan toegevoegd. Vervolgens wordt aan dit geheel nog 1 control & display symbool toegevoegd. Hier wordt o.a. het volgnummer en de tijd van de track in vastgelegd. De 33 symbolen die we nu hebben verkregen wordt een frame genoemd.

Zo, dat was even zweten met al die bitjes en framepjes, en nu maar persen! Dat hadden we dus gedacht, maar mooi niet!! De data stroom die we nu hebben gemaakt, een schijnbaar oneindige reeks van 33 symbolen-blokken, kan niet zonder meer in een CD geperst worden. De pariteits- symbolen en de control & display symbolen staan nl. in een zgn. "non return to zero" formaat. Omdat de bitklok in de CD-speler wordt afgeleid van de datastroom van de CD-plaat is dit niet bruikbaar. Ook kunnen de 33 symbolen reeksen een vervelende gelijkspanningscomponent bevatten die de servosystemen in de CD-speler in de war zou kunnen brengen. Hierom wordt de datastroom eerst nog gemoduleerd. Dit gaat volgens EFM ( Eight To Four- teen Modulation ). Zie volgende hoofdstuk EFM & TOC.

Vorige hoofdstuk waren we gebleven bij de EFM-omzetting. Voor we hier mee verder gaan moet ik eerst nog het een en ander uitleggen. Ik heb al verteld dat de bitklok in de CD-speler wordt afgeleid van de datastroom van de CD-plaat. Om dit goed te laten werken zijn er afspraken gemaakt over de lengtes van de putjes en de dammetjes op de CD-plaat. Deze lengtes worden uitgedrukt in kanaalbits. De minimale lengte van een dam of put is gesteld op 3 kanaalbits. Als dit bv. maar één kanaalbit was zou dit toch niet gedetecteerd worden. De maximale lengte van een dam of put is gesteld op 11 kanaalbits. Als dit langer zou zijn zou de bitklokgenerator niet goed meer werken. Nu we dit weten kunnen we verder met de EFM omzetting.

De 8 bits-symbolen waarvan er 33 in een frame zitten, worden naar 14 bits-symbolen vertaald door de EFM-modulator. Bij 8 bits kunnen we 256 binaire getallen maken, bij 14 bits is dit maar liefst 16.384!! Van deze 16.384 mogelijkheden voldoen er slechts 267 aan de bovengenoemde looplengte voorwaarden. Bij 8 bits hadden we 256 mogelijkheden, dus vertaald naar 14 bits worden 11 van de legale bits-symbolen niet gebruikt. Nu hebben we dus reeksen van 14 bits-symbolen verkregen en hebben nog een probleem. Namelijk bij de overgangen van het ene naar het volgende 14 bits-symbool kunnen de looplengte voorwaarden nog overschreden worden. Hierom worden de 14 bits-symbolen d.m.v. 3 koppelbits aan elkaar " geplakt ". Bij het invullen van de koppelbits wordt naar het volgende symbool gekeken en een zo gunstig mogelijke waarde ingevuld. Ten eerste voor de looplengte voorwaarden en vervolgens voor het zo klein mogelijk houden van de gelijkspanningscomponent, die de servo-systemen in de CD-speler in de war zou kunnen schoppen ( digital sum value ).



Eight to Fourteen Modulation.

Elk 8 bits-symbool wordt dus eerst naar 14 bits omgezet en vervolgens worden er nog 3 koppelbits achter geplaatst, zodat er 17 kanaalbits ontstaan. Ieder frame ( 33 symbolen van 17 bits ) wordt voorafgegaan door een synchronisatie-patroon van 24 bits. Deze bestaat altijd uit twee blokken van de maximale looplengte voorwaarden zodat bit 1 en 12 is een " 1 ", bit 23 is ook " 1 ", en de overige bits zijn " 0 ". Dit 24 bits synchronisatieblok wordt aan een frame gekoppeld d.m.v..., juist !, 3 koppelbits. Nu valt er d.m.v. een simpel rekensommetje uit te rekenen hoeveel kanaalbits er in een frame zitten, namelijk: (33x17) + 24 + 3 = 588 kanaalbits met elk een " 1 " of een " 0 ".

Voor we eindelijk met persen kunnen beginnen blijft er nu slechts een ding over. Als we de lade van de CD-speler dicht doen, komen er binnen enkele seconden diverse dingen op het display te staan, namelijk het aantal tracks en totale tijd van de CD of eventueel een titel. Hiervoor hoeft de laser niet de hele CD af te scannen naar de lengtes van de tracks enz.. Helemaal aan het begin van het spoor ( binnenkant dus ), staat een tabel waar deze gegevens in opgeslagen zijn. Dit wordt de T.O.C. oftewel Tabel Of Contents genoemd . Deze tabel wordt bij elke CD-speler als allereerste ingelezen. Als de CD aan de binnenkant zodanig beschadigd is dat deze tabel niet meer in te lezen is, dan kan de gehele CD dus niet meer gebruikt worden ! Deze tabel is verwerkt in de eerder besproken control & display symbolen. Hoe dit precies in elkaar zit zal ik later bespreken.

Tot nu toe hebben we alles gezien over de opbouw van het CD-plaatje, maar eigenlijk nog niets over de CD- speler zelf. Hier beginnen we nu mee, en wel met het belangrijkste namelijk de laser (light amplified stimulated emission of radiation). De laser (GaAlAs) toegepast in CD-spelers is eigenlijk niets anders dan een diode! Nu bestaan er diodes en diodes. Hier gaat het om een speciale. Ik zal de hele natuurkundige werking en opbouw van de laser niet bespreken, want dan vliegen er allerlei lichtquanta valentiebanden en intrinisieke silicium stukken om je hoofd en ik ga er vanuit dat dit via een andere pagina opgezocht kan worden. Elke diode zendt licht uit. Echter bij de laserdiode wordt dit extra gestimuleerd op een zodanige wijze dat er een kegelvormige bundel van lineair gepolariseerd licht ontstaat met een golflengte van ongeveer 780 nm.(infrarood licht).

Kegel vormige bundel wordt gefocused op de CD plaat.

Deze bundel treedt uit aan de voorkant en achterkant van de eigenlijke diode. Dit zit in een speciale behuizing met een glaasje waardoor de bundel naar buiten treedt. In de behuizing zit nog een tweede diode. Deze meet constant de sterkte van het laserlicht Deze reageert dus op het licht van 780 nm. Deze geeft een signaal af en als door wat voor oorzaak dan ook de intensiteit van de laser afneemt (veroudering), wordt dit door een laserlicht regeling bijgeregeld. Op deze manier wordt er een laserbundel verkregen met een constante intensiteit.

Laser diode behuizing.

Het uitlezen van het puttenspoor berust op het natuurkundige principe "interferentie". De putten zijn zo gedimentioneerd dat de diepte hiervan overeenkomt met een kwart golflengte (lambda) van het gebruikte laser licht Het gedeelte van de gereflekteerde bundel dat op een dam valt (A) is zo in tegenfase met het gedeelte van de bundel wat in een put valt (B). Zie tekening. A - B

Picture by Philips

Hierdoor zal uitdoving van licht plaatsvinden (interferentie). Als het gereflekteerde licht nu wordt opgevangen door een lichtgevoelige diode kan het puttenspoor gedetecteerd worden. Er komt nog een tweede natuurkundig verschijnsel bij kijken. Als er licht in een putje valt treedt er afbuiging van dat licht op onder diverse hoeken (ordes). Dit verschijnsel wordt in de natuurkunde "diffractie" genoemd. Bij de nulde orde is de hoek van inval gelijk aan de hoek van uitval. Tussen de nulde orde en de eerste orde treedt ook weer inteferentie op. Van dit verschijnsel wordt ook gebruik gemaakt bij het "volgen" van het puttenspoor. De tweede en derde en volgende ordes nemen steeds meer aan intensiteit af. De ordes die niet bij de detectie-diode aankomen worden verstrooit. Deze lichtstralen worden omgezet in warmte (geabsorbeerd).

Dan is het nu de beurt aan de laserunit. We onderscheiden de enkelstraals laserunit en de 3-straals laserunit. Het uitlezen van het puttenspoor berust bij beide units op het zelfde principe. De focus en spoorvolgregelingen werken echter op heel verschillende manieren. De 3-straals laserunit maakt bijv. gebruik van de laserlicht eigenschap " gelijke polarisatie ". De enkelstraals unit maakt hier geen gebruik van. Dit hoofdstuk tracht ik de werking van deze unit duidelijk te maken. De enkelstraals unit ziet er als volgt uit:



De laserbundel komt binnen in het prisma. Hierin zit een half doorlatende spiegel, die de helft van het laserlicht doorlaat. De andere helft wordt afgebogen onder een hoek van 45 graden t.o.v. de spiegel. Hier wordt verder niets mee gedaan. Het niet afgebogen gedeelte komt door de collimaterlens. Deze maakt van de divergerende bundel, een evenwijdige bundel. Hiermee wordt bereikt dat de afstand tot de volgende lens (focuslens) niet kritisch is. Deze focuslens focuseert de laserbundel tot een 1 micrometer kleine spot op de reflecterende laag van de CD-plaat. Hiervandaan gaat het laserlicht dezelfde weg terug, door de focuslens, collimatorlens en het prisma met de half-doorlatende spiegel. Hier wordt weer de helft afgebogen naar een wigvormig prisma, die de laserbundel splitst in 2 halve kegelvormige bundels. Deze hebben beide hun focuspunt op de laserdetector.

In het vorige hoofdstuk heeft u kunnen lezen hoe de enkelstraals laserunit met zijn lenzen, prisma's en laserdetector is opgebouwd. Dit hoofdstuk wil ik iets vertellen over het focusseren (scherp stellen) van de laserbundel op de CD-plaat. Als de laadde van uw CD-speler dichtgaat, wordt de CD in het midden vastgeklemd. De laserbundel wordt nu scherp gesteld op de CD-plaat door de focuslens. Dit is een objectief vastgemaakt aan een permanente magneet met hieromheen de focusspoel op z'n plaats gehouden door bladveren. Dit geheel is te vergelijken met de bevestiging van de conus van een luidspreker. Deze is op dezelfde manier ( naar voren en achteren ) beweegbaar. De CD gaat nu draaien. Slingerende bewegingen van de CD-plaat tot 2 micrometer hebben geen invloed op de scherpte instelling, maar omdat de CD-plaat slingeringen kan maken van wel 500 micrometer (bv. door toleranties in de mechanica of een iets vervormde CD-plaat), is een focusregeling nodig. Als de laserbundel in focus is, zijn de diode stromen van de laserdetector 1,2,3 en 4 vrijwel gelijk.



Picture by myself

De twee halve kegelvormige bundels hebben hun focuspunt precies midden op hun gedeelte van de laserdetector. Als nu de CD-plaat iets verder weg komt te liggen zal het focuspunt van de hoofdbundel voor de CD-plaat komen. De twee focuspunten van de 2 halve kegelvormige bundels uit het wigvormige prisma zullen nu ook voor de detector komen te liggen. De diodes 2 en 3 zullen nu meer signaal afgeven dan de diodes 1 en 4. Ligt het focuspunt van de hoofdbundel achter de CD-plaat dan geven 1 en 4 meer signaal af dan 2 en 3. De afwijking van het focuspunt is recht evenredig met de verschil signalen tussen de diodes van de laserdetector. Door nu de signalen van de diodes 1 en 2 van elkaar af te trekken, en ditzelfde bij de diodes 3 en 4, vervolgens beide verschil signalen bij elkaar op te tellen hebben we een totaal verschil verkregen. Dit signaal wordt het focus error signaal genoemd. Hiermee wordt de focusspoel ( dus focuslens )gestuurd. Met deze methode ( ook wel foucault methode genoemd ) wordt bepaald of het focusobjectief naar voren of naar achteren moet bewegen of precies goed staat. De spoorvolging is een stuk complexer. Klik snel naar het volgende hoofdstuk.

In het vorige hoofdstuk hebben we gezien hoe de scherpstelling (focusregeling) bij de enkelstraal laserunit werkt. Hier gaan we verder met de radiaal regeling. ( spoorvolging ). De laserunit is op een arm gemonteerd die scharniert om één punt. Dit scharnier bestaat uit een lineaire motor. Deze wordt gestuurd met een uit de laserdetector verkregen RE-signaal (=Radial Error). Dit gaat volgens de zogenaamde Push Pull methode. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het al eerder beschreven natuurkundige verschijnsel t.w. interferentie. Als de laserspot zich niet precies op het midden van het spoor bevindt, dan zal aan één kant van de laserbundel interferentie optreden met het terugkomende laserlicht (tussen de nulde en eerste orde). Het wigvormige prisma splitst de weerkaatste bundel, en het gevolg is dat bijvoorbeeld de detectordiodes 3 en 4 belicht worden (= niet interfererende deel ) en de detectordiodes 1 en 2 niet. De signalen van 3 en 4 worden opgeteld en verminderd met de som van de signalen van diodes 1 en 2. En voila, hier hebben we het RE-signaal.



Dit werkt perfect zolang we niet te maken hadden met stofjes, vingerafdrukken en krasjes op de CD-plaat. Als nu b.v. door een stofje ook uitdoving plaatsvindt, zal er een afwijkend RE-signaal ontstaan. Dit probleem wordt opgevangen door op het RE-signaal een laagfrequent signaal te supperponeren. Dit is het zogenaamde Wobble-signaal. Dit signaal heeft een frequentie van 650 Hz. De laserarm wordt met deze frequentie binnen de afstand van het spoor (= dus heel kleine amplitude), heen en weer bewogen. Zo wordt de eerder genoemde offset opgeheven.

Als u nu denkt dat u nu precies weet hoe de radiaal en focusregelingen werken moet ik u teleurstellen. Want we hebben namelijk nog te maken met de afwijking van de laserspot t.o.v. het spoor, veroorzaakt door de draaiing van de arm. Aan de rand van de CD is deze hoek 45 graden verdraaid t.o.v. het midden. Om dit te corrigeren zijn er in de regelingen een paar extra versterkerregelingen opgenomen. Ook is er nog extra electronica nodig om de bandbreedte van de radiaal- en focusregelingen constant te houden.

Omdat we te maken hebben met Servoregelingen, hebben we nog meer electronica nodig om er voor te zorgen dat deze regelingen niet onstabiel geraken ( Lead en Lag netwerken ). Ook zijn deze regelingen gekoppeld aan de microprocessor-stuursignalen (worden nog besproken ), want als er een CD-plaat ingeladen wordt, is er immers nog geen sprake van een Servo-regeling. Ook bij het zoeken naar een track stuurt de microprocessor de motoren, evenzo bij het passeren van b.v. een behoorlijke kras in de CD-plaat. Ik hoop in ieder geval dat u een beetje een idee heeft gekregen wat er zich zoal afspeeld betreffende de Servo- regelingen in een CD-speler.

Deze is complexer van opbouw en werking dan de enkel-straal laser unit. De laserbundel wordt door een rooster in 3 bundels verdeeld ( diffractie ). De hoofd bundel hieruit leest de informatie ( muziek ) van de CD-plaat. De andere 2 nemen de spoorvolging voor hun rekening. De intensiteit van de hoofdbundel is ongeveer drie maal zo sterk als de twee hulpbundels. De drie bundels komen door een polarisatie deelkubus (wollaston prisma) gevolgd door een collimatorlens en een 1/4 lambda plaatje. Deze verschuift de fase van het liniair gepolariseerde laser licht precies 1/4 golflengte. Vervolgens komen de stralen aan bij een spiegel die de stralen 90 graden afbuigen en doorsturen naar de objectief lens, die de bundels scherp stelt op de CD- plaat. Hiervandaan dezelfde weg terug. Het 1/4 lambda plaatje verschuift nu de fase van het laserlicht weer 1/4 golflengte zodat de totale faseverschuiving precies 180 graden bedraagt. Door deze verschuiving wordt het licht in de gepolariseerde deelkubus geheel afgebogen naar een cylindrische lens, waarachter de fotodetectoren zijn opgesteld.

De 3 straal laser unit.

Vier fotodiodes opgesteld in een vierkant voor detectie van de hoofdbundel met de muziek en focusinformatie. De twee hulpstralen komen terecht op 2 extra dioden. Iedere straal heeft zijn eigen detector. Deze zorgen voor de radiaal regeling.



Fotodetector van de drie straal laser unit.

De laserunit is op een slede gemonteerd. Zo kan de CD tangentaal afgetast worden. Dit mechanisme is echter niet zo snel om het spoor te volgen. Voor de snelle correcties wordt de spiegel voor de focuslens gebruikt. Deze is ook beweegbaar en is aangesloten op een eigen Radial Servo Circuit.

Nu de beide laserunits besproken zijn kunnen we eens naar de verschillen kijken. Het stroomverbruik van de eerder besproken enkelstraal laserunit is groter dan het stroomverbruik van de driestraals laserunit. De enkelstraal unit wordt met een spoel op zijn positie gehouden ( liniaire motor ). Dit neemt stroom op, terwijl de driestraals laserunit met een mechanisch wormwiel op zijn plaats wordt gehouden.

Ook is het rendement van de laser in de enkelstraal laserunit veel lager dan die van de driestraals unit. De laserbundel wordt twee maal voor de helft doorgelaten door de half doorlatende spiegel op zijn weg naar de laserdetector. Bij de driestraals unit komt bijna al het laserlicht dat uit de diode komt aan bij de detectoren. Tegenwoordig wordt er ook vaak een combinatie van enkel- en driestraals unit principes toegepast. De driestraals laserunit wordt dan veranderd. In plaats van het polarisatie deelkubus wordt hier dan weer een prisma met een halfdoorlatende spiegel toegepast. Nu kan dus het 1/4 lambda plaatje komen te vervallen.

Hier zullen we eens bekijken wat er met het signaal gebeurd dat uit de fotodetector komt. Dit is het hoogfrequent somsignaal. Eerder hebben we gezien dat dit een optelling is van de afzonderlijke fotodetector-diodestroompjes(= putjes en dammetjes op de CD-plaat ). Dit signaal wordt aan een hoogfrequent versterker aangeboden. Deze versterkt de som van de diodestroompjes en maakt hier een spanning van. Dit is echter niet de enige taak van deze versterker. De hogere frequenties van het hoogfrequent somsignaal zijn namelijk van een minder nivo als de lagere frequenties van dit signaal. Deze versterker moet dus een frequentiekarakteristiek hebben die deze afwijking compenseert. Dit alles ook nog eens zonder fase afwijkingen.

In deze versterker worden de frequenties tot ongeveer 700kHz versterkt. De versterkingsfactor neemt dus toe naarmate de frequentie van het somsignaal hoger wordt. Het hoogfrequent versterkte signaal wordt zowel aan een hoogfrequent detector als aan een démodulator aangeboden. De hoogfrequent detector houdt het niveau van het hoogfrequent signaal in de gaten. Daalt dit niveau tot ongeveer 65% van zijn gemiddelde waarde, dan geeft de detector een waarschuwingssignaal af. Het hoogfrequent signaal neemt af als de laserspot iets van het spoor afwijkt door b.v. trillingen. Nu wordt de microprocessor ingeschakeld die vervolgens met zijn speciale stuursignalen de radiaalregeling bijstuurt. Vervolgens neemt de servoregeling het weer over. Als het hoogfrequentsignaal tot ongeveer 10% van zijn gemiddelde waarde daalt, genereert de hoogfrequentdetector een tweede signaal ( Drop Out Signaal ). Hiermee wordt een totaal verlies van het spoor aangegeven b.v. als gevolg van een krasje op de CD-plaat. De microprocessor neemt nu alle servoregelingen over en houdt deze op hun momentele waarden tot dat het spoor weer gevolgd kan worden. Deze twee signalen worden ook gebruikt tijdens de speciale functies van de speler zoals snel vooruit/achteruit zoeken en het begin van een volgend nummer (spoorovergangen worden geteld).

De démodulator, waar het hoogfrequentsignaal ook aankomt, zorgt ervoor dat hier weer digitale 8-bits symbolen ontstaan. Uit dit signaal wordt ook de bitklok gehaald. Dit gebeurt m.b.v. een zogenaamde Adaptive Data Slicer. Met diverse tellers en andere digitale elementen kan de enorme datastroom weer gesplitst worden in digitale muziek-, subcode- en correctie informatie.

We vervolgen we onze weg door de CD-speler en zijn na de hoogfrequent versterker aangeland bij het digitale gedeelte. De démodulator zorgt ervoor dat het HF-signaal gédemoduleerd wordt. De eight to fourteen gemoduleerde symbolen worden hier weer omgezet in 8-bits symbolen. Hier is dus dezelfde tabel opgeslagen zoals besproken in hoofdstuk drie. Tevens wordt hier de subcode- gescheiden van de muziekinformatie. De muziek gaat serieel naar het foutcorrectie gedeelte. ( De subcode informatie wordt apart gedécodeerd ). Het seriële data signaal van de démodulator wordt in blokken van 32 symbolen in een array geklokt. Hier worden de 8-bits symbolen geconverteerd naar 8- bits parallel symbolen die terecht komen in een Fifo ( first in, first out ) register (RAM). Control electronica zorgt ervoor dat dit register steeds half gevuld is met data. De stand van de pointer van dit register stuurt via een driver direct de snelheid van de rotatiemotor van de CD-speler. Als dit geheugen dus te vol loopt, dan zal de (plaataandrijf)motor langzamer gaan draaien. Als dit geheugen minder dan de helft gevuld is zal de motor dus harder gaan draaien. Met behulp van dit geheugen wordt ( in twee stappen ) ook de interleafing opgeheven. ( In een bepaald patroon adresseren ). Ook wordt in 2 stappen de data op fouten gecontroleerd. Nu kunnen ook de kleine foutjes en de parititeits symbolen " weggegooid " worden. Als er grotere fouten gedetecteerd worden wordt er een bit geset. Dit bit geeft aan het volgende foutcircuit door hoe de foute data behandeld moet worden. In dit tweede gedeelte wordt eerst de data gedéscrambled. Als er een monster ( links + rechts ) fout wordt aangegeven, wordt er door lineaire interpolatie een nieuwe waarde berekend voor dit monster. Als er meerdere monsters achter elkaar fout worden aangegeven wordt het signaal geleidelijk tot nul onderdrukt en weer geleidelijk op zijn oude waarde. Hierna wordt het linker en rechter kanaal gescheiden en zonder tijdverschuiving aangeboden aan de Digitaal/Analoog converter (DAC), of zoals we in het volgende hoofdstuk kunnen lezen, naar het digitaal filter (Oversampling en Noise shaping ).

Na het foutcorrectie-systeem kan de seriële data van het rechter- en linkerkanaal direct omgezet worden naar parallelle datawoorden en vervolgens door een DAC omgezet worden in een analoog signaal. Dit gebeurd met een snelheid van 44100 keer per seconde voor elk kanaal. Het analoge signaal uit de DAC bestaat dus uit 44100 trapjes die het oorspronkelijke analoge signaal benaderen. Deze trapjes brengen echter een vervelend nadeel met zich mee nl. HARMONISCHEN. Deze liggen op 2 x 44100 = 88200 Hz en 3 x 44100 = 132300 Hz enz.. Deze frekwenties liggen ruim boven het audiogebied, maar kunnen wel degelijk intermodulatie-produkten veroorzaken (= verstoring van het audiosignaal). Hierom moeten deze harmonischen onderdrukt worden. Dit kan met een analoog filter die boven ongeveer 20 KHz zeer stijl afvalt. Het verschijnsel wat hier weer bij komt kijken is dat we nu te maken krijgen met faseverschuivingen en amplitude verschillen tussen onderlinge frekwentiegebieden in het audiogebied. Om dit te omzeilen wordt hier digitaal gefilterd, wat deze verschijnselen niet heeft. Het heeft zelfs een extra voordeel, nl. dat door over-bemonstering de trapjes ( die het analoge signaal benaderen ) verfijnd worden. De stoorprodukten boven de 20 KHz kunnen nu met een simpel analoog filter weggewerkt worden.

Het digitale filter werkt als volgt: De seriële data van bijvoorbeeld het rechterkanaal wordt in een 16-bits parallel register geklokt. Er staat een aantal van deze registers parallel bijvoorbeeld 24 bij 4x oversampling. Deze 16- bits woorden worden steeds 4x vermenigvuldigd met een steeds verschillend 12 bits coëfficiënt. Dit gebeurt tegelijkertijd ook met de andere 23 16-bits woorden. Alle uitkomsten van deze produkten van 16+12=28 bits worden opgeteld. Dit is steeds een gemiddeld datawoord van dat moment. Deze wordt met 4x44100=176,4 kHz uitgeklokt. De 24x4=96 filter coëfficiënten zijn opgeslagen in een ROM gedeelte en zijn zo gekozen ( door de fabrikant ) dat de eerste, tweede en derde harmonischen onderdrukt worden. Deze coëfficiënten hebben dus dezelfde functie als een analoog filter echter zonder de nadelen van zo'n filter.

De 28 bitswoorden kunnen nu afgerond worden naar 16 bits en "vertaald" in een analoge spanning door een DAC. Het is echter ook mogelijk om hier tussen een noise shaper te plaatsen. Deze rondt de 28 bitswoorden af naar bijvoorbeeld 18 bits. Vervolgens worden deze 18 bits in 4 stappen afgerond naar 16 bits. De 2 bits worden steeds in tegenfase teruggekoppeld naar het volgende 18 bits woord. Dus door 4x oversampling en op een speciale manier schakelen van bit 16 krijgen we toch een resolutie van 18 bits!



Dit verklaart dus ook dat sommige fabrikanten een 18 bits of zelfs een 20 bits DAC gebruiken in hun CD-speler terwijl er niet meer dan 16 bits op het CD-plaatje geregistreerd zijn. Het zal u duidelijk zijn dat dit alles met de grootst mogelijke precisie moet gebeuren anders wordt het eindresultaat eerder slechter dan beter. Om deze reden maken vele fabrikanten hun eigen chip sets. Het digitaal filteren gebeurd op vele variaties van het hiervoor beschreven principe. Het laatste stuk op weg naar de versterker zal ik in het volgende hoofdstuk bespreken, namelijk de DAC en het analoge filter.

Het meest besproken onderdeel in de CD-speler is wel de DAC (Digital to Analog Converter). De eerste CD-spelers waren uitgerust met een 14 bits DAC. De rede hiervoor was dat er destijds nog geen 16 bits DAC's van goede kwaliteit gemaakt werden. Hier is overigens het oversamplen uit voortgevloeid, om toch een 16 bits resolutie te bereiken. Dankzij de huidige technologien is men tegenwoordig is staat om zelfs redelijke 20 bits DAC's te produceren. Door de diverse fabrikanten werden steeds weer nieuwe trucs bedacht om de digitaal/ analoog omzetting te verbeteren (super lineair lambda, accubit, extern afregelbare MSB's en diverse modulatie technieken). Vandaag de dag concenteren velen zich op de zogenaamde 1 bitters. Deze techniek was uiteindelijk mogelijk door de steeds snellere electronica (chips). De snelheden die bereikt worden bij deze 1 bits techniek kunnen wel oplopen tot ongeveer 45 MHz (45000000 Hz).

Ik beperk mij echter tot het bespreken van de 16 bits DAC. Dit stukje electronica (meestal slechts één chip) doet niets anders dan een signaal bestaande uit twee niveaus om zetten naar een signaal dat alle niveaus aan kan nemen (uiteraard binnen de beschikbare symmetrische voedings spanning). De DAC krijgt digitale woorden van 16 bits aangeboden. In de eenvoudigste vorm (zonder oversampling) zijn dit er 44100/seconde per kanaal. Hoe kort deze tijden tussen deze 16 bits woorden ook zijn, er moeten maatregelen getroffen worden tussen deze tijden. In de uitgang van de DAC is een "hold" schakeling opgenomen. Deze houdt de uitgangsspanning vast totdat er een nieuw datawoord aangeboden wordt. Nu is ook het begrip quantiserings ruis gemakkelijk uit te leggen. Dit is namelijk het verschil signaal tussen de constant gehouden uitgangs waarde en het orginele analoge signaal.

De een voudigste vorm van een DA converter bestaat uit weerstanden (R-2R netwerk). Bij een 16 bits converter behoort het LSB (least significant bit) precies 32768 maal zo klein te zijn als het MSB (most significant bit). Zouden we een tolerantie van maximaal 10% van het LSB willen bereiken, moeten de weerstanden in de converter een afwijking van maximaal 0/32768 * 100%=0,0003% hebben. één stootje op een verbinding of een kleine temperatuurs verandering en het is uit met de pret. Zelfs weerstanden etsen op een chip geeft niet de gewenste kwaliteit. De MSB's zijn in deze het belangrijkst. In de praktijk ziet men dan ook dat de paar laatste LSB's bestaan uit een weerstands netwerk en de rest uitgevoerd is met actieve stroomverdelers (tweedelers). Ook hier kunnen de verdeelde stromen een kleine afwijking vertonen. Dit is als volgt opgelost; De verdeelde stromen worden met behulp van electronische shakelaars en een clock signaal periodiek gekruist. Zo worden de kleine afwijkingen uitgemiddeld.



De uitgang van de DAC kan niet zondermeer gekoppeld worden met de ingang van een versterker. Bij b.v. 4 maal oversampling is er nog een stoorproduct van een te hoog niveau dat ligt bij 176,4 KHz (44100*4). De eerste harmonischen zijn reeds onderdrukt door het digitaal filter. Hierom kan een relatief eenvoudig filter gebruikt worden. We zien hier meestal een besselfilter. Deze valt na de audioband (22 KHz) langzaam af en filtert de hogere harmonischen weg. Door zijn eenvoud tast dit filter de signalen in het audiogebied minimaal aan. Over dit filter moet echter ook weer niet te eenvoudig gedacht worden. Uiteindelijk moet het uitgangssignaal hier wel doorheen. Dat er verbetering mogelijk is door gebruik te maken van goede komponenten in het uitgangsfilter zien we in de praktijk (Eringa, J.K. PQuené ...).

Voor het uigangsfilter zit nog een speciaal netwerkje. Dit is de dé-emphasis schakeling. Sommige CD's worden opgenomen met pré-emphasis. Hier worden de hoge tonen harder opgenomen dan de lage (boven 3,2 KHz). In de dé-emphasis schakeling worden deze hoge tonen weer verzwakt. Omdat ruis hoge tonen betreft worden deze ook meeverzwakt. De dé-emphasis schakeling wordt geactiveerd door een speciaal bit uit de subcode informatie van de betreffende CD plaat.

Tenslotte heb ik nog een paar hoofdstukken over de opvolger van de Compact Disk de DVD (Digital Video Disk). Omdat de DVD ook voor andere doelen gebruikt wordt dan alleen Video wordt deze ook wel Digital Versatile Disk genoemd.