27156

Канальное кодирование (модуляция)

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Канал Q Канал Q содержит данные хронирования содержимого диска и нужен для обеспечения функций поиска заданного фрагмента повтора воспроизведения по программе а также обеспечивает возможность индикации текущего времени как на диске в целом так и на каждой дорожке в отдельности. Одновременно с этим в графе Начало музыкального фрагмента записывается время соответствующее началу – в минутах секундах и блоках одна секунда 75 блокам номера от 00 до 74 по шкале времени исчисляемому от начала программной зоны диска начало первого...

Русский

2013-08-19

137 KB

4 чел.

PAGE  4

Лекция 2

Канальное кодирование (модуляция)

Для модуляции в формате «Компакт-диск» используется канальный код EFM (Eight to Fourteen Modulation – модуляция 8-14), разработанный специалистами фирмы PHILIPS специально для лазерной звукозаписи.

В соответствии с правилами кодирования EFM, каждый 8-разрядный символ заменяется однозначно ему соответствующим 14-разрядным символом из специальной таблицы преобразования.

Количество исходных 8-разрядных символов, очевидно, равно 28=256. А 14-разрядных символов может быть 214=16384. Но их этого множества 14-разрядных комбинаций подобрано 256 таких, у которых между двумя соседними единицами не меньше двух, но не больше 10 «нулей». На самом деле, символов, удовлетворяющим таким требованиям на ограничение последовательности «нулей», чуть больше – 267, но 11 оказались уже лишними.

Кроме того, к каждому полученному в результате преобразования 14-разрядному символу добавляются еще 3 соединительных разряда. Эти соединительные разряды никакой информации не несут и нужны только для того, чтобы при сопряжении двух символов, один из которых заканчивается «единицей», а другой с нее начинается, создать между ними интервал в три бита, а в случае, если при сопряжении возникнет последовательность «нулей» больше десяти, вставить в один из них «единицу».

После этого полученная последовательность преобразуется по способу NRZI (Non Return to Zero Inverted – без возвращения к нулю инвертированный). При этом каждая «единица» соответствует изменению уровня сигнала, а «нуль» - его отсутствию.

 

Таким образом, минимальная длина последовательности одного уровня для кода EFM составляет три канальных разряда или 8/17·3 = 1,41 исходного разряда. Эта величина в канальном кодировании называется минимальной длиной пробега (Tmin) и характеризует степень повышения плотности записи за счет применения данного кода. В самом деле, если раньше самый короткий пит содержал в себе одну единицу информации, то теперь, за счет применения кода EFM, такой пит может содержать в себе уже 1,41 единицы этой информации. Плотность записи при этом повышается в 1,41 раза и объем информации, которую можно разместить на единице площади (или длины) носителя увеличивается в 1,41 раза. Ограничение длины последовательности одного уровня сверху (до 11 канальных разрядов), необходимо для того, чтобы обеспечить самосинхронизируемость кода. Синхронизирующая информация при воспроизведении записи извлекается из перепадов уровня, и если их долго не будет, то система тактовой синхронизации может выйти из полосы удержания.

С величиной минимальной длины пробега связана величина минимальной длины волны записи λmin. Она равна длине совокупности минимальной длины пробега одного уровня и другого уровня и характеризует длину волны первой гармоники такой совокупности. Для кода EFM минимальная длина волны записи равна 6Ткан, а частота Fmax, соответствующая ей,

Fmax = 4,3218 МГц/6 = 720 кГц.

Соответственно, максимальная длина волны записи λmax равна 22Ткан и минимальная частота Fmin в спектре сигнала записи

Fmin = 4,3218 МГц/22 = 196 кГц.

                                         

Если посмотреть на спектр мощности информационной последовательности, модулированной по правилам EFM, то видно, что основная энергия находится в промежутке между двумя этими частотами.

Однако в области низких частот наблюдается довольно высокий уровень составляющих спектра, которые могут затруднить работу сервосистем проигрывателя – автофокусировки и автотрекинга. Текущие изменения в спектре информационного сигнала могут быть восприняты как ошибки позиционирования оптической головки.

Для борьбы с низкочастотными составляющими спектра в правилах кодирования EFM предусмотрена следующая процедура. Для ее реализации вводится понятие величины числовой суммы DSV (Digital Sum Value), которая равна разности между числом разрядов высокого уровня и числом разрядов низкого уровня. Каждый разряд высокого уровня вносит в нее +1, а каждый разряд низкого уровня –1.

При формировании соединительных разрядов между двумя последовательными канальными символами рассматриваются четыре варианта с разными значениями DSV. Один из них – когда «единица» в соединительные разряды не вставляется, и три варианта – с формированием «единицы» на одной из трех возможных позиций. Из них выбирается тот, при котором величина DSV минимальна. Из рассмотрения исключаются только те варианты, когда нарушаются требования на ограничение длины пробега снизу или сверху.

В примере на рисунке текущая величина DSV в конце предыдущего канального символа, закончившегося в момент времени t0 равна +3. Последний его разряд – низкого уровня. Следующий символ, расположенный во временном промежутке между t1 и t2, имеет DSV = +4. Если в соединительных разрядах, располагающихся между ними нет «единицы», то их DSV = -3. Общая числовая сумма такого варианта равна +3–3+4 = +4. Наглядно текущее изменение DSV от разряда к разряду показано на рисунке.

Следующий вариант, когда «единица» формируется в первом соединительном разряде, исключается, так как при этом длина последовательности «нулей» получается равной двум, что меньше минимально допустимой в три разряда.

А во второй соединительный разряд «единицу» вставлять можно. При этом их DSV будет равна +1, а величина DSV следующего за ними символа инвертируется и превратится из +4 в –4. Общая числовая сумма при этом станет равной +3+1-4 = 0.

Последний вариант – с «единицей» в третьем соединительном разряде – даст DSV = -2.

Очевидно, что минимальная абсолютная величина DSV, равная 0, получается при формировании «единицы» во втором соединительном разряде. Значит, именно этот вариант и будет использован.

Следует заметить, однако, что стратегия формирования соединительных разрядов по минимуму абсолютной величины DSV в конце рассматриваемого канального символа не является единственно возможной. Кроме нее могут использоваться и другие стратегии, например, по критерию максимального числа пересечений нулевой линии DSV. В этом случае вариант 1 был бы предпочтительнее, так как тут два пересечения против одного у остальных двух. Также может использоваться критерий минимального удаления изломов линии DSV от оси. Здесь предпочтительнее вариант 3, где наиболее удаленный от нулевой линии излом расположен на уровне +5, против +6 и +7 у первого и второго вариантов соответственно.

Эти и другие стратегии могут использоваться в различных сочетаниях друг с другом и с разными приоритетами. Как правило, так и делается, потому что одна стратегия в некоторых случаях может дать два одинаковых результата. Чтобы выяснить, какой из них предпочтительнее, прибегают к другой стратегии с более низким приоритетом.

Контроль DSV помогает устранить из спектра кода EFM постоянную составляющую и существенно снизить уровень примыкающих к ней низкочастотных компонент.

В процессе модуляции в начало каждого кадра вставляется кадровая синхрогруппа и сформированная таким образом последовательность подается на устройство оптической записи.

Служебная информация

Как отмечалось ранее, в каждый кадр информации при записи вставляется особый символ, не имеющий отношения к музыке, но играющий очень важную роль при воспроизведении записи. Этот символ называется служебным. Как и все прочие символы, он состоит из восьми двоичных разрядов. Каждый из этих разрядов обозначается определенной буквой – P, Q, R, S, T, V и W. Последовательности, состоящие из определенных разрядов служебного символа, представляют собой отдельные служебные каналы, в каждом из которых содержится своя информация. Последовательность служебных символов, а значит и все входящие в нее служебные каналы, делятся на блоки. В каждом блоке содержится по 98 последовательных символов. Таким образом, частота следования служебных блоков в 98 раз ниже частоты кадров, которая, как известно, равна 7,35 кГц.

Fбл = Fкадр/98 = 7,35 кГц/98 = 75 Гц

Для отделения одного блока от другого здесь также используются синхрогруппы – по две на каждый блок (S0 и S1). Они представляют собой 14-разрядные группы строго определенной конфигурации и располагаются на первых двух позициях в блоке (рис.2). После них так же, как и после всех прочих символов, преобразованных по правилам кодирования EFM, следуют по три соединительных разряда. Синхрогруппы не являются информационными символами и поэтому в восьмиразрядной форме не существуют, так же как и кадровая синхрогруппа. Информация содержится в оставшихся 96 символах.

В формате CD-Audio из всех служебных каналов используются только P и Q. Другие каналы используются в других разновидностях формата CD и заполнение их в каждом из вариантов свое.

Канал Р

Канал Р является по существу индикатором пауза/музыка. Во время паузы Р = 1, а когда на дорожке присутствует запись музыкального фрагмента, Р = 0.

Продолжительность паузы, когда Р = 1, должна быть, как минимум, 2 секунды. Если он больше, то и Р = 1 должно быть, соответственно, больше.

Кроме того, во время считывания вводной дорожки, где записано оглавление, также Р = 0, как и во время считывания музыкального фрагмента. После чего между вводной дорожкой и первым музыкальным фрагментом тоже должна быть пауза 2-3 секунды, когда Р = 1.

Завершает программу, записанную на диске, выводная дорожка, которая начинается сразу же после окончания последнего музыкального фрагмента. Канал Р за 2-3 секунды до начала выводной дорожки (когда музыка еще не закончилась) должен переключиться в 1, как при паузе, а в момент начала этой паузы снова стать нулем. Спустя еще 2-3 секунды канал Р должен начать периодически переключаться из 0 в 1 и обратно с частотой 2 Гц±2%. Таких циклов должно быть примерно 50 (±10%).

Всякое изменение уровня Р осуществляется только после синхронизирующих групп, т.е. в начале очередного блока.

Канал Q

Канал Q содержит данные хронирования содержимого диска и нужен для обеспечения функций поиска заданного фрагмента, повтора, воспроизведения по программе, а также обеспечивает возможность индикации текущего времени как на диске в целом, так и на каждой дорожке в отдельности. Кроме того, он содержит и другие данные о характере записанного материала. Структура блока канала Q, включая два разряда, занимаемые синхрогруппами, показана на рис.3.

Четыре бита «Управление» предназначены для характеристики записи на диске – числа каналов и наличия/отсутствия преимфазиса. Кодируются они следующим образом:

0000 – двухканальная запись без преимфазиса;

0001 – двухканальная запись с преимфазисом;

1000 – четырехканальная запись без преимфазиса;

1001 – четырехканальная запись с преимфазисом.

Эти данные используются управляющим процессором проигрывателя для автоматического включения соответствующего режима обработки данных и подключения, если это необходимо, цепей деимфазиса.

Четыре бита «Адрес» обозначают режим заполнения данных канала Q, т.е. содержимого той части блока, которая обозначена как «Данные» (72 бита).

И, наконец, последние 16 бит, обозначенные как CRC, представляют собой остаток от деления многочлена, коэффициентами которого являются все предыдущие биты блока, кроме двух, относящихся к синхрогруппам, на порождающий многочлен кода проверки на четность:

Р(Х) = Х16 + Х12 + Х5 + 1

Полученный остаток должен быть инвертирован.

Эта операция производится для того, чтобы при воспроизведении можно было проверить полученные данные на четность и определить, есть ли в них ошибки. Для этого воспроизведенные данные еще раз делятся на порождающий многочлен Р(Х) и полученный остаток после инвертирования сравнивается с тем, что содержится в принятом блоке. Если остатки совпадают, то ошибок нет. Если не совпадают, то ошибки есть и все данные блока игнорируются как неправильные. Исправления ошибок здесь не производится. В этом нет необходимости, так как блоки много раз повторяются с очень небольшими изменениями.

Как говорилось выше, содержание данных канала Q определяется кодом адреса.

Чаще всего присутствует адрес 0001, определяющий режим 1 заполнения данных. Но и внутри режима 1 возможны два варианта заполнения.

Один вариант используется на вводной дорожке. В нем отображается оглавление. Структура данных этого варианта режима 1 представлена на рис.4.

В этом варианте восемь бит номера музыкального фрагмента (дорожки) являются нулями, что означает вводную дорожку.

В графе «Точка» записываются по порядку номера всех музыкальных фрагментов, присутствующих на диске. Каждый номер повторяется трижды (в трех последовательных блоках).

Одновременно с этим в графе «Начало музыкального фрагмента» записывается время, соответствующее началу – в минутах, секундах и блоках (одна секунда + 75 блокам, номера от 00 до 74) по шкале времени, исчисляемому от начала программной зоны диска (начало первого музыкального фрагмента) до ее (зоны) конца (конец последнего музыкального фрагмента).

В графе «Текущее время на дорожке» отображается текущее время на вводной дорожке – минуты, секунды и блоки.

Все отображаемые числа в двоично-десятичном коде, т.е. восемь разрядов соответствуют двум десятичным числам от 00 до 99. Графа «0» заполняется нулями (00).

Таким образом, во время воспроизведения вводной дорожки управляющий процессор считывает с нее себе в память данные оглавления. После этого проигрыватель готов к работе в любом режиме, заданном пользователем. Он уже все о диске «знает».

Второй вариант режима 1 используется в программной зоне диска. Структура данных этого варианта показана на рис.5.

В этом варианте в графе «Номер дорожки» фиксируется номер той дорожки, которая воспроизводится в данный момент.

В графе «Индекс» фиксируется номер части музыкального фрагмента. Их может быть до 99.

В графе «Текущее время на дорожке» присутствует время, исчисляемое от начала каждой конкретной дорожки до ее конца.

В графе «0» - все нули.

В графе «Текущее время на диске» присутствует время, исчисляемое от начала программной зоны диска до ее конца.

Режим 1 заполнения данных должен присутствовать по крайней мере в каждых 9 из 10 блоков.

Режимы 2 (адрес 0010) и 3 (адрес 0011) используются для записи кодов диска в международной классификации, конкретной записи музыкального фрагмента, страны, владельца авторских прав, года записи, порядкового номера записи. Эти режимы присутствуют в канале Q, по крайней мере, один раз на 100 последовательных блоков.

Компакт-диск

Если посмотреть через микроскоп на зеркальную поверхность компакт-диска (которая и является информационной поверхностью) со стороны прозрачного слоя, то можно увидеть множество концентрических дорожек, состоящих из черточек различной длины. Черточки, которые носят название «пит» - это продолговатые выпуклости на поверхности металлизированного слоя компакт-диска, длина которых есть величина информативная и отражает длину последовательности двоичных единиц записанного на диск информационного сигнала. «Пит» - это, вообще говоря, углубление, которое образовалось на поверхности мастер диска при воздействии лазерного луча во время записи мастер-диска (диска-оригинала). Но после тиражирования углубления преобразуются в выпуклости, хотя название при этом остается от углубления – «пита». Длина промежутка между питами тоже величина информативная и отражает длину последовательности двоичных «нулей». Длина пит, а также промежутков между ними может изменяться от 0,9 до 3,3 мкм. Самый короткий пит соответствует тому самому минимальному интервалу между двумя соседними перепадами уровня, который содержит в себе три канальных единицы кода EFM. Таким образом, легко подсчитать, что один канальный разряд занимает на диске 0,3 мкм, а один кадр, состоящий из 588 канальных разрядов – 176,4 мкм длины дорожки. Общая же длина дорожки на компакт-диске – около 5 км.

Воспроизведение его начинается от центрального отверстия, а не от края, как было в случае винилового диска, и производится против часовой стрелки, если смотреть со стороны прозрачного слоя. Дорожка движется относительно считывающего луча с постоянной линейной скоростью. Виниловый диск вращается с постоянной угловой скоростью.

Постоянная линейная скорость обеспечивается благодаря изменению угловой скорости вращения диска. Когда считывание производится вблизи центрального отверстия диска, он вращается быстрее, а когда ближе к краю, то медленнее. Скорость движения дорожки относительно луча у разных дисков может колебаться в пределах от 1.2 до 1.4 м/с.

Несмотря на свою неприхотливость, компакт-диск является изделием, требующем в производстве соблюдения чрезвычайно строгих технологических норм. Его конструкция и размеры, также как и другие элементы системы CD, жестко определены Международным стандартом и не могут быть изменены произвольно. Иначе диск невозможно будет воспроизвести на стандартном проигрывателе или дисководе.

Внешний диаметр диска D = 120 мм. Диаметр центрального отверстия d = 15 мм. Толщина диска – 1,2 мм.

Вся поверхность диска разделена на зоны. Зона, где записана непосредственно музыка, называется программной зоной. Она располагается между внешним диаметром Dпр и внутренним dпр. Максимальное значение внешнего диаметра Dпр = 116 мм, внутреннего dпр = 50 мм. К внутреннему диаметру программной зоны примыкает зона вводной дорожки или зона ввода, ограниченна диаметром 46 мм. В этой зоне записано оглавление. К внешнему диаметру программной зоны примыкает зона выводной дорожки или зона вывода, которая должна иметь внешний диаметр не менее чем на 1 мм больше внешнего диаметра программной зоны.

Кроме того, диск имеет еще так называемую зону прижима, назначение которой ясно из ее названия. Поверхностью этой зоны компакт-диск соприкасается со шпинделем двигателя вращения и прижимной шайбой. Ее размеры: максимальный внутренний диаметр – 26 мм, минимальный внешний диаметр – 33 мм.

Информация, записанная на диск в виде спиральной дорожки из последовательности пит, располагается в программной зоне, а также в зонах ввода и вывода. Расстояние между соседними витками спирали равно 1,6 мкм. Для сравнения: шаг между дорожками у винилового диска – 160 мкм, т.е. в 100 раз больше. Ширина пит может колебаться от 0,6 до 0,8 мкм. Глубина – 0,1…0,13 мкм.

Основной материал компакт-диска – поликарбонат. Это прозрачная пластмасса, устойчивая к короблению и обладающая малым коэффициентом изменения размеров под воздействием влаги. Кроме того, поликарбонат обладает высокой теплостойкостью и высокой ударной вязкостью.


  0           1          1           0          0          1            0           0

0   1     0    0    0    1    0     0     1    0    0    0     1    0    Х   Х   Х

8-разрядный символ

14-разрядный символ

NRZ-представление

(Non Return to Zero)

NRZI-представление

(два варианта)

1/Fmax ~ λmin

1/Fmin = λmax

Связь минимальной длины волны записи с максимальной частотой в спектре сигнала

Связь максимальной длины волны записи с минимальной частотой в спектре сигнала

0,2  0,4   0,6  0,8  1,0  1,2   1,4       f

Спектр кода EFM

В

А

12  13 14   1    2   3    1   2    3    4    5   6    7    8   9   10  11  12  13  14

6

5

4

3

2

1

0

-1

-2

-3

-4

-5

+3

+3

+3

1) DSV = +3-3+4 = +4

2) DSV = +3+1-4 = 0

3) DSV = +3-1-4 = -2

    t0        t1                  2                                        t3

1

+4

0

-2

3

Разряд Р первый на выходе

Т

S

R

Q

P

U

V

W

Рис.1. Служебный символ

      P      Q    R     S     T      U     V    W

1

2

·

·

·

·

·

·

·

·

98

Синхрогруппа S0

Синхрогруппа S1

S0 = 00100000000001

S1 = 00000000010010

       1                        14

Рис.2.Расположение синхрогрупп S0 и S1 в структуре блока и их конфигурации

S0,S1      Управление       Адрес                                                   Данные                                                   CRC

98

 2                   4                       4                                                             72                                                          16

Рис.3. Структура блока данных канала Q

                                     Минуты   Секунды    Блоки                           Минуты   Секунды     Блоки

Номер         Точка                                                                   0

дорожки

                                      Текущее время на дорожке                              Начало музык. фрагмента

     8                  8               8                8                8                  8                 8                8                8

                                                                      72

Рис.4.Структура данных первого варианта режима 1 (вводная дорожка)

                                     Минуты   Секунды    Блоки                           Минуты   Секунды     Блоки

Номер        Индекс                                                                   0

дорожки

                                      Текущее время на дорожке                              Текущее время на диске

     8                  8               8                8                8                  8                 8                8                8

                                                                      72

Рис.5.Структура данных второго варианта режима 1 (программная зона)

D = 15+0,1

Ø26(max)

Ø33(min)

46

dпр = 50+0-0,2

Dпр ≤ 116

Dпр + 1

D = 120±0,3

Зона выводной дорожки

Программная зона

Зона вводной дорожки

Зона прижима

1,2

Этикетка

Защитный слой

Питы

Отражающий слой

а

б

Рис.4.2. Конструкция компакт-диска

а) вид со стороны прозрачного слоя; б) вид сбоку

1,6±0,1 мкм


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28396. Внутренняя и внешняя охрана дипломатических представительств 27 KB
  Всё зависит от посольства и от страны в которой оно находится. Больше всех защищаются конечно самые сильные страны США Израиль некоторые страны Евросоюза. : Есть страны со стабильной ситуацией а есть нет а отсюда и охрана. Территория посольства некоей страны территория данной страны.
28397. Венская конвенция о дипломатических сношениях 1961 г. (краткий анализ) 25 KB
  краткий анализ Венская конвенция о дипломатических сношениях один из основных нормативноправовых актов в области дипломатического права. Конвенция регламентирует все основные вопросы дипломатического права: регламентируются виды и функции дипломатических миссий процедура назначения главы дипломатического представительства классы глав таких представительств раскрывается понятие дипломатического иммунитета. Конвенция состоит из 53 статей и включает также два факультативных протокола: о приобретении гражданства сотрудниками...
28398. Краткий анализ Конвенции о привилегиях и иммунитетах специализированных учреждений ООН 1947 г. 27.5 KB
  105 Устава ГА ООН 13 февраля 1946 г. приняла Конвенцию о привилегиях и иммунитетах ООН в которой данные вопросы регламентируются более конкретно. ГА ООН утвердила Конвенцию о привилегиях и иммунитетах специализированных учреждений.
28400. Дипломатическое представительство (диппредставительство) 146.86 KB
  В основном служит для поддержания дипломатических отношений. Дипломатические отношения устанавливаются на основании соглашения между соответствующими государствами например Совместное заявление об установлении дипломатических отношений между РФ и ЮАР 1995 г. Могут также открываться отделения дипломатических представительств в различных городах. Основным международным нормативноправовым актом регулирующим виды и функции дипломатических представительств процедуры назначения главы дипломатического представительства классы глав...
28402. Сравнительный анализ ф-ций дип представительства и пост предст-ва 134.59 KB
  Их правовое положение определяется прежде всего положениями устава этой организации нормами Венской конвенции о представительстве государств в их отношениях с международными организациями универсального характера 1975 г. соглашениями о привилегиях и иммунитетах организации и другими документами. Представительство государства в международной организации включает в себя главу представительства членов дипломатического административнотехнического и обслуживающего персоналов.
28403. Венская конвенция 1961 года 98.47 KB
  Обязанности сотрудников дипломатического представительства состоят в том чтобы уважать законы и постановления государства пребывания и не вмешиваться в его внутренние дела. Дипломату запрещено заниматься в государстве пребывания профессиональной и коммерческой деятельностью в целях личной выгоды. ОБЯЗАННОСТИ ГОСУДАРСТВА ПРЕБЫВАНИЯ Статья 21 1.