微型唱片与微型唱机

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(高雨春)九十年代初期推出的小型数字音频产品,称为新时代的小型音响系统,又称Mini Disk系统,简称MD。MD系统包括微型唱片和微型唱机两部分。

微型唱片

微型唱片结构形式如图1所示,外径为64mm,中心部位有作紧固之用的铁片,使用时唱机利用磁铁吸住它。外面装有72×68×5mm\(^{3}\)的塑制盘盒,既保护了盘,又便于携带。总体结构如图2所示,由上盖板①、下盖板②、插件③、窗口④、窗口锁⑤、唱片⑥、紧固铁片⑦和螺钉⑧组成。

图1
图1 🔍原图 (813×416)
图2
图2 🔍原图 (434×663)

一、两种形式

微型唱片有两种形式,各自的特点分别为:

1.预录音乐节目光盘:

光盘的截面如图3(a)所示,利用聚碳酸脂作基座,信号沿半径方向的分布状态如图4(a)所示,盒的上一面开窗口,下一面装光门供激光头读取信号,其拾音过程如图5所示。

图3
图3 🔍原图 (1180×368)
图4
图4 🔍原图 (1277×394)
图5
图5 🔍原图 (625×436)

2.可录、可抹磁光盘:

磁光盘截面如图3(b)所示,它由保护层、反射膜、介质膜、磁性膜(MO)和聚碳酸脂底座组成,信号分布状态如图4(b)所示。

二、工作原理

这里以可录、可抹磁光盘为例进行介绍。从信号分布图能看到它有信号导入区、信号记录区和导出区,并且唱片盒两面都开有窗口,一个窗口供激光束扫描,另一窗口使调制磁场作用到唱片上。由于其上记录信号的区域预先刻有按一定周期变化的如图5所示的弯曲蛇形沟槽,每个周期都记录有连续编序的地址码,可以非常方便地进行选址或快速搜索节目,蛇形槽还可用作放音循迹和主导轴伺服数据。

磁光盘的磁膜具有垂直磁化方向记录特性,采用多层结构来提高灵敏度、稳定性和可靠性。由于它属于无接触状态工作,可以反复使用百万次以上。

微型唱机

MD唱机典型结构如图6所示,在技术方面的主要特征是:

图6
图6 🔍原图 (1602×523)

一、双功能激光头拾、录音

该唱机使用高效率磁头,光学拾取器的外形结构如图7所示,它的核心是如图8所示的光学系统,其中又以三束渥拉斯吨棱镜(3Beam Wollaston Prism)最为重要。该棱镜由两个单轴石英或方解石粘合而成,拾录音时,由于激光偏转方向不同,X、Y、Z三个方向分开并分别聚焦在检拾器中央和元件I、J上,如图9所示。

图7
图7 🔍原图 (651×727)
图8
图8 🔍原图 (702×739)
图9
图9 🔍原图 (712×484)

输入磁光信号时,I、J反相,总信号为两者之差如图10(a)所示;拾录音时用小凸起信号,I、J同相,总的输出信号如图10(b)所示,而且偏振方向无变化。

图10
图10 🔍原图 (964×358)

光盘和磁光盘信号来源的不同,取决于I、J信号的和与差,以实现双功能拾音。

二、调制与纠错

MD通过数据分离器分离出各种数据流,将14通道以比特为单位的音频信号切取成EFM信号并按规定模式变换成8bit数据,并用14个输入端逻辑阵列。

纠错采用改进型交叉、交错里德—索罗门编码(Advanced Cross Interleave Read-Solomon Code即ACIRC),对记录数据进行交错处理,各种突发性误、错码都可以在短时间内纠正。

三、调制重写

录音采用覆盖磁场调制技术实现直接重写(本刊1992年第6期曾介绍过)。其磁场调制方式如图11所示,无论放音或录音时,激光束总是持续不断,磁场固定不变,记录精度高、稳定性好,光学机构简单,唱片上有微米级的尘埃,也不会影响记录的质量。

图11
图11 🔍原图 (1106×617)

它的其它优点是出错率低,调制性能好。

四、节目搜索

MD系统不论录、放什么节目,由于唱片周围刻有成型的地址,具有进行高速搜索节目的功能。

五、数字压缩编码

该机采用自适应变换听觉编码(Adaptive Trans-form Acoustic Coding缩写为ATRAC)技术,也称数字音频压缩编码技术,使记录密度提高5倍,将10ms的声音数据作一个组,通过正交频率变换,分解为500个频率轴的分量,用听觉心理学依次抽出重要的频率成分,按比特分配校准。不论是信号的有与无,强或弱,都一律转换为2ch×16bit×44kHz=1.4Mbit/s的信息量,然后压缩为五分之一,即大约300kbit/s。如果把量化的比特数从16bit简单地减少到3.4bit,虽然也是实现了压缩,但是声音将会是很难听。ATRAC技术是将模拟信号转换成1.4bit/s的数字信号以后,把最大约20ms的数据作为一个数据组块,将时间轴的波形按照傅立叶级数变换,抽取出约1000个频率进行分析。此步骤要以心理学为基础。如图12所示,利用“人耳最小可闻阈”即人耳听觉特性,当声音小到某一声压级以下时,就会听不到。特别是对高频段或低频段,这种现象就更为明显,所以对于某一声压级以下的声音在听觉上可以不予考虑。还利用“掩蔽效应”,即当频率接近的大音量的声音与小音量的声音同时存在时,小音量的声音就不易被听到,而更小音量的声音则会完全被掩蔽掉。因此,对于这样的小音量的声音在听觉上也可以不予考虑。在听觉上对最为敏感的频率成分顺序进行提炼,最终使信息量减少到300kbit/s。

图12
图12 🔍原图 (1142×790)

采用ATRAC的算法,要考虑到各种交流变换方式及组块的长度,从中选择出最佳的方法,这需要进行大量的演算。过去由于速度上的原因是不可能实现实时处理的。由于最近数字信号处理(DSP)技术和大规模集成电路的发展,目前已可以快速处理了。

六、防震动存储器

将光盘或磁光盘作为携带式音响设备的软件使用时,最大的问题就是设备受到震动时会造成声音跳音或哑音。MD系统利用半导体存储器唱片信号存取控制技术解决了这一问题,这个技术称为“防冲击存储”技术,也称为抗震动存储器。

MD放音时激光光学头即EFM/CIRC解码器从磁光盘上以1.4Mbit/s速率读取盘基上记录的音乐信号数据,并把它存入存储器,而同时ATRAC解码器的解码率仅为0.3Mbit/s,即每得到该码率的数据就解除一次压缩再传到解码器上,因而一方面从D/A转换器输出的信号属于不间断的,另一方面光学拾音器和解码器之间又存在着不同的数据处理速度。这时候就可以利用两者的速度差,在EFM/CIRC解码器与声音压缩解码器之间增设一个半导体数据缓冲器储存器,如图13所示。

图13
图13 🔍原图 (680×611)