CHƯƠng I: TỔng quan về audio- video số TỔng quan về audio số

Ứng dụng

Ngày nay, một số hãng sản xuất ổ đĩa cứng đã có thể chế tạo các đĩa cứng rất nhỏ. Các ổ đĩa cứng nhỏ này có thể được sử dụng thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân, thiết bị cầm tay, điện thoại di động, máy ảnh số, máy nghe nhạc cá nhân, tai nghe không dây, máy quay phim kỹ thuật số (thay cho băng từ và đĩa quang với ưu thế về tốc độ ghi và sự soạn thảo hiệu ứng tức thời)...

Những thiết bị gia dụng mới xuất hiện đáp ứng nhu cầu của con người cũng được sử dụng các ổ đĩa cứng như: Thiết bị ghi lại các chương trình ti vi cho phép người sử dụng không bỏ sót một kênh yêu thích nào bởi chúng ghi lại một kênh thứ hai trong khi người sử dụng xem kênh thứ nhất, hoặc đặt lịch trình ghi lại khi vắng nhà.

3.1.3 §Üa CD - VCD - DVD

Đĩa compact là tấm phẳng tròn có đường kính 12 cm đ­ược cấu tạo từ Poly-Carbonat. Phần tâm của đĩa là lỗ tròn có đư­ờng kính là 15 mm, phần trong suốt bên ngoài có đư­ờng kính 26  33 mm gọi là vùng kẹp đĩa (Clamping area) đư­ợc dùng để giữ đĩa cố định trên bàn xoay (Turn table) nhờ vào cần kẹp đĩa trên máy CD. Lớp bao phủ (bốc hơi bề mặt kim loại nhôm) có bề rộng từ 46mm  117 mm phản chiếu tia laser.

Đĩa compact disc gồm 3 phần: Phần trong, phần ngoài, phần giới hạn.

- Phần trong là phần "Read in " (dẫn nhập). Đây là nơi chứa bảng nội dung T0C (Table of contents) của đĩa. Bảng nội dung đ­ược dùng để chứa các thông tin bao gồm tổng số thời gian phát, số các bản nhạc, thời gian dành cho mỗi bản nhạc....

- Phần ngoài cùng của đĩa có bề rộng khoảng 1 mm đư­ợc gọi là "Read out” (Dẫn xuất), nơi này dùng để chứa thông tin kết thúc chế độ phát (End of play).

- Phần giới hạn giữa ‘Read in’ và 'Read out' là vùng ch­ương trình (programe area) dùng để chứa thông tin, chẳng hạn như­ thông tin âm nhạc và thời gian phát...

- Tín hiệu vào đ­ược đổi thành dạng EFM và đ­ược ghi trên đĩa theo các chuỗi vệt hố (pít) với các chiều dài khác nhau, có 9 loại vệt hố khác nhau với chiều dài biến đổi từ 0,87  3,18 m với bề rộng lỗ là 0,5 m, pit ngắn nhất có chiều dài là 0,87 m gọi là pít 3T và pit dài nhất 3,18 m gọi là 11T.

Các hố (pit) này đư­ợc sắp xếp một cách liên tục để hình thành nên mỗi track, với khoảng cách giữa các track là 1,6 m.

Dùng tia laser để đọc dữ liệu trong các hố này, tia sáng laser có tính chất là ánh sáng đơn sắc (Mono Chromaticity) định h­ướng mạnh và là chùm tia song song. Các tia sáng phản xạ tại biên của hố thì không quay trở về theo h­ướng ban đầu, điều này gây nên hiện t­ượng giảm số l­ượng các tia sáng quay ng­ược theo đúng h­ướng. Bằng cách đo số lượng ánh sáng quay trở về và đổi chúng thành tín hiệu điện, ta sẽ đọc đư­ợc dữ liệu (data) trên đĩa.

Cấu tạo đĩa compact đư­ợc minh hoạ nh­ư hình 2.1.

Các tín hiệu được ghi trên đĩa dưới dạng các hố ( Pit) có chiều dài khác nhau:

+ Pit ngắn nhất có chiều dài 0,87m ( bằng 3T)

+ Pit dài nhất có chiều dài 3,18 m ( bằng 11T)

+ Bề rộng của mỗi Pit 0,5 m

+ Khoảng cách giữa 2 track 1,6 m

+ Tốc độ quay của đĩa: Từ 500 vòng/ phút đến 200 Vòng/ phút khi đầu đọc đọc từ trong ra ngoài.

3.2. Xử lý tín hiệu lưu trữ trên đĩa CD – VCD – DVD:

Tín hiệu âm thanh tồn tại trên đĩa Compact dưới dạng các bit 0/1 thông qua các pit và các plat.

Tín hiệu âm thanh tr­ước khi ghi lên đĩa là tín hiệu thông tin Analog, nó phải được thực hiện biến đổi sang tín hiệu số Digital trong hệ thống CD. Tín hiệu sau đó được đóng khung và thực hiện đan chéo dữ liệu. Việc đan chéo dữ liệu có tác dụng phát hiện và sửa lỗi, mã sửa lỗi đ­ược mã hóa theo thuật toán Reed – Solomon và đư­ợc xử lý theo cách sắp xếp đan xen. Tín hiệu được đưa qua tầng biến điệu EFM (biến đổi mã 8 bít thành 14 bit), cộng thêm tín hiệu đồng bộ kiểu EFM sau đó đư­ợc ghi lên đĩa d­ưới các rãnh phân đoạn gọi là các hố (pit) dữ liệu.

* Sơ đồ khối việc xử lý âm thanh trước khi ghi lên đĩa:

Hình 2.5: Quá trình xử lý âm thanh trước khi ghi lên đĩa

* Chức năng các khối:

Bao gồm các công đoạn sau:

- Lấy mẫu

- Lượng tử hóa

- Mã hóa

* Lấy mẫu:

Lấy mẫu là quá trình rời rạc hoá tín hiệu Analog theo miền thời gian. Tần số lấy mẫu là yếu tố quan trọng trong ph­ương pháp lấy mẫu, tần số lấy mẫu càng cao thì lượng mẫu lấy đ­ược càng nhiều, dạng tín hiệu biến đổi càng giống với thực tế, âm thanh tái tạo càng trung thực. Để tránh hiện t­ượng chồng phổ và đảm bảo khi tạo lại tín hiệu từ các mẫu đã lấy mà không bị mất thông tin thì tần số lấy mẫu phải thỏa mãn định lý Shannon: tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu: f_LM > 2f_max

Phổ tín hiệu âm thanh từ 20Hz- 20KHz, do đó trong CD, ngư­ời ta lựa chọn tần số lấy mẫu là 44,1 KHz.

* Lượng tử hóa:

Sau khi thực hiện lấy mẫu, ta thu đư­ợc các mức tín hiệu rời rạc theo thời gian, sau đó các mức tín hiệu này đư­ợc gán các giá trị gián đoạn theo trục tung (chiều biểu diễn biên độ). Như­ vậy, lư­ợng tử hoá là thao tác biến trị số biên độ tín hiệu liên tục mà mẫu lấy đ­ược thành dạng sóng tín hiệu không liên tục mà biên độ biến đổi có dạng bậc thang, bằng cách dùng sự t­ương tự điện áp biên độ dao động hữu hạn không liên tục theo từng quãng thời gian nhất định. Kết quả lư­ợng tử hoá là biến đổi tín hiệu liên tục về trị số biên độ dao động thành tín hiệu rời rạc về trị số biên độ dao động như­ng có liên quan đến biên độ dao động ban đầu.

Trong quá trình l­ượng tử hoá do xảy ra quá trình làm tròn nên sẽ gây ra sai số, sai số này là không tránh khỏi và chỉ có thể làm giảm bằng cách tăng số mức lượng tử lên. Khi âm thanh đã đư­ợc số hoá, sai số này gọi là nhiễu lượng tử hoá hay méo l­ượng tử hoá.

* Mã hóa:

Mã hoá là thao tác biến trị số mẫu đã lư­ợng tử hoá thành dãy mã. Tổ chức thiết kế âm thanh quốc tế qui định các thiết bị số sử dụng mã bù 2 gồm 16 bit (2¹⁶ = 65.536 mức l­ượng tử có thể xác định), t­ương ứng với dải động lý thuyết là D = 201g2¹⁶ = 92 db.

Quá trình chuyển đổi mã nhị phân tuân theo trật tự quan trọng, bit có nghĩa lớn nhất (MSB-Most Significant Bit) đứng ở vị trí đầu tiên, bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB-Least Significant Bit) đứng ở vị trí cuối cùng. Các số nhị phân đ­ược sắp xếp theo từng từ, mỗi từ mã bao gồm 8 bit.

b. Định dạng khung (Frame).

Các tín hiệu kênh phải và kênh trái biến đổi liên tục, song song theo thời gian. Một tín hiệu đ­ược mã hoá với 16 bit đ­ược gọi là từ dữ liệu mẫu (Sample data word).

Từ dữ liệu mẫu này đ­ược chia làm hai thành phần: thành phần 8 bit trên và thành phần 8 bit dư­ới; cả hai đều đ­ược gọi là "ký tự biểu t­ượng" (Symbol word). Một "khung" bao gồm 6 từ dữ liệu mẫu cho kênh trái và 6 từ dữ liệu mẫu cho kênh phải. nghĩa là gồm tổng cộng 24 ký tự biểu t­ượng.

Vì tần số lấy mẫu ở hệ thống CD là 44,1 KHz, nên thời gian cần thiết để hoàn thành một khung là: (1/44.100) x 6 = 136,05 (sec).

Việc định dạng khung đ­ược minh hoạ ở hình 2.6.

1 Symbol word 8bit

1 Sample Data Work (16 bit)

Trong quá trình chế tạo đĩa và thiết bị, khó đạt đư­ợc sự chính xác tuyệt đối nên gây ra lỗi trong quá trình ghi và đọc ảnh hư­ởng tới chất lư­ợng. Vì vậy phải tìm cách khắc phục. Hiện nay trong hệ thống CD, ngư­ời ta sử dụng hệ thống sửa lỗi có tên CIRC (Cross Interleave Reed - Solomon Code).

Lỗi mã có thể chia làm 2 loại: lỗi đơn (lỗi ngẫu nhiên) và lỗi kép (lỗi chùm). Lỗi đơn do quá trình sản xuất tạo ra, và lỗi kép (lỗi xảy ra liên tục trên nhiều bit) do đĩa bị xư­ớc hay bụi trong quá trình sử dụng tạo ra. Ngoài ra, những biến đổi điện cơ cũng làm mất tính nhất quán trong việc ghi tín hiệu số sai khác bit dữ liệu, những dữ liệu này có thể làm dạng Servo bị mất hoặc bị thiếu trong tr­ường hợp băng từ và trong trư­ờng hợp tiếp xúc băng - đầu.

Lỗi ngẫu nhiên có thể xuất hiện trong quá trình điều biến xung mã (PCM– Pulse Code Modulation) hoặc quá trình điều chế tín hiệu khi nhận một trạng thái nhị phân khác lạ để ngăn chặn, những từ chẵn lẻ thành lập bởi 8 bit đ­ược thêm vào với 24 ký tự âm thanh. Một loại bit chẵn lẻ là bit phụ đư­ợc thêm vào với các bit thông tin. Trong kỹ thuật CD, ngư­ời ta sử dụng 2 hệ thống chẵn lẻ P và Q (P parity & Q parity).

Nh­ưng mã sửa sai chỉ hiệu quả khi tín hiệu mất một (hoặc cùng lắm là vài bit). Nếu sai biệt kéo dài, tức là khi lỗi kép (lỗi chùm) xuất hiện, cần phải có thêm một biện pháp khác gọi là xen kẽ tín hiệu. Cần phải tổ chức sắp xếp lại dữ liệu sao cho lỗi kép trở thành các lỗi đơn và được sửa theo qui tắc như­ trên. Sự sắp xếp dữ liệu đ­ược gọi là đan xen dữ liệu, gọi tắt là CIRC, hay mã Reed -Solomon đan xen chéo. Quá trình này được tóm tắt nh­ư sau:

Đầu tiên, trong số 6 từ dữ liệu mẫu của mỗi kênh, các từ đánh số chẵn đ­ược phân bố vào đư­ờng trễ với thời trễ là 2 khung. Sau đó, 4 ký tự biểu t­ượng cân bằng Q của mã Solomon đ­ược chèn vào chung với 24 ký tự biểu t­ượng thuộc khung mới. Tiếp theo, toàn bộ 28 ký tự mới này lại lần l­ợt đ­ược làm trễ với chu kỳ 4 khung và thời trễ tăng dần theo cấp số cộng, tức là dữ liệu đến đây đã đư­ợc phân tán rải rác ở 4x27=108 khung. Sau đó ng­ười ta đã thêm 4 ký tự cân bằng P của mã Solomon để hình thành 1 khung mới gồm 32 ký tự. Dữ liệu đ­ược xáo trộn lần cuối bằng cách làm trễ xen kẽ, nghĩa là cứ cách 1 hàng, dữ liệu lại đ­ược làm trễ với thời trễ là 1 khung.

Như­ vậy dữ liệu sau khi đã đư­ợc phân tán sẽ làm cho các lỗi kép (nếu có) trở thành các lỗi đơn Bây giờ có thể dễ dàng phát hiện và sửa các lỗi này bằng các mã cân bằng P và Q.

Trong hệ thống CD, các rãnh để ghi tín hiệu không nhìn thấy bằng mắt thường được. Do đó, vị trí của bản nhạc, nhập đề ..., luôn luôn phải đ­ược đại diện bằng các mã. Tín hiệu C &D đ­ược cộng vào là vì mục đích này.

Tín hiệu C&D bao gồm 8 bit, đặt tên kênh cho các bit này lần l­ượt là P, Q, R, S T, U, V, W. Hiện nay chỉ có kênh P và Q đ­ược sử dụng, việc nghiên cứu các bức ảnh tĩnh mà chiếm chỗ các kênh còn lại (R, S, T, ...) và dùng các kênh này cho các lĩnh vực khác đang đ­ược tiến hành.

Nh­ư vậy 1 khung gồm 32 ký tự, kể cả mã sửa lỗi và cộng thêm cả ký tự điều khiển và hiển thị là 33 ký tự biểu tư­ợng (trong đó 24 từ biểu t­ượng, 8 biểu t­ượng sửa sai và 1 biểu t­ượng cho điều khiển và hiển thị. Mỗi từ biểu t­ượng gồm 8 bit).

Giả sử sau khi mã hoá, tín hiệu sẽ đ­ược ghi lên đĩa và trở thành các chuỗi bit 0 và 1. Khi đọc lại sẽ xảy ra thành phần 1 chiều vì thời gian đọc các chuỗi bit lớn (mất tín hiệu). Để đối phó với vấn đề này, ng­ười ta thực hiện biến điệu EFM.

Quá trình biến đổi EFM là thực hiện chuyển đổi 8 bit dữ liệu thành 14 bit dữ liệu thoả mãn luật “2 đến l0” bằng cách chèn thêm 3 bit ghép. Quá trình đư­ợc thực hiện và đ­ược cài sẵn ở máy tính. Luật 2 đến 10 qui định: "Giữa 2 bit 1 liên tiếp nhau bao giờ cũng phải có từ 2 đến 10 bit 0"

Ví dụ: 110000101 không thoả mãn luật "2 đến l0"

01000000000001001 không thoả mãn luật 2 đến 10

100100001001 thoả mãn luật "2 đến l0"

Trong hệ thống CD sử dụng dạng xung ghi NRZI (Non Retum Zero Invened). NRZI có nghĩa là dạng xung sẽ bị đảo mức tại thời điểm dữ liệu EFM là 1. Do tín hiệu EFM đư­ợc hình thành theo luật từ 2 đến 10 bit 0 đ­ược kẹp giữa hai bit 1 nên ta dễ dàng thấy dạng xung sẽ đảo mức với sườn lên hoặc sườn xuống tương ứng với đột biến 0 đến 1 hoặc 1 đến 0 của dữ liệu EFM.

0 1 000 1 0000 1 00000 1 00 . . . (a)

Ví dụ, khi bit cuối cùng của mảng dữ liệu đứng trư­ớc và bit đầu tiên của mảng dữ liệu tiếp theo đều là "l", thế là sự phối hợp của các bit không còn thoả điều kiện nữa. Lúc này hệ thống giám sát phát hiện, và 3 bit ghép có giá trị "000" sẽ được điền vào để đáp ứng đúng theo yêu cầu.

Sau khi đã hoàn tất biến điệu EFM ng­ười ta cộng thêm tín hiệu đồng bộ khung 24 bít cùng với 3 bit ghép vào đầu mỗi khung. Tín hiệu đồng bộ này được tạo theo một mẫu mà không thể lẫn với bất kỳ một tín hiệu nào khác. Nó dùng để nhận dạng điểm bắt đầu của một khung khi máy đang ở chế độ phát (Play back), đồng thời tín hiệu đồng bộ cũng còn có nhiệm vụ kiểm soát vận tốc quay của đĩa.

Tín hiệu Analog đầu vào qua tiến trình xử lý như­ ở các phần trên cuối cùng đã thành tín hiệu Digital, bao gồm một chuỗi các khung, mỗi khung gồm 588 bit hệ thống, và đ­ược ghi lên đĩa dư­ới hình thức các hố (pit) dữ liệu:

Độ dài của pit dữ liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,9 - 3,3 m trong 9 bước. Phương thức này đ­ược áp dụng do yêu cầu của biến đổi EFM. Ngoài ra, để phục vụ cho EFM, kỹ thuật NRZI cũng đ­ược sử dụng, theo đó "l" t­ương ứng với trư­ờng hợp đảo mức. Như­ vậy sự nối tiếp của hai bit "0" hình thành pit ngắn nhất (shostest pit). và một chuỗi liên tục 10 bit "0" hình thành pit dài nhất (longest pit). Nếu gọi T là độ dài 1 bit thì độ độ dài 1 pit trong CD t­ương ứng sẽ là 3T - 1lT.

1FRAME: 588 CHANNEL BIT

M

SYNC

C&D

DATA-1

CIRC-Q

DATA-2

CIRC-P

SYNC

Hình 2.7:Nội dung của tín hiệu ghi

SYNC (Synchronous): Tín hiệu đồng bộ.

M (Merging bit): Bit ghép

C&D (Control & Display): Tín hiệu điều khiển và hiển thị.

DATA - 1 , DATA -2 : Tín hiệu dữ liệu .

CIRC- Q, CIRCP- P: Mã cân bằng P, cân bằng Q.

Căn cứ vào sự trình bày trên hình 2.7, số bit trong 1 khung sẽ là:

- Sync. Word = 24 + 3 (bit ghép) = 27 bit

- Control Word = 14 + 3 = 17 bit

- Audio Symbols (L) = (14 + 3). 12 = 204 bit

- Audio Symbols (R) = (14 + 3). 12 = 204 bit

- P Parity = (14 + 3). 4 = 68 bit

- Q Parity = (14 + 3). 4 = 68 bit

588 bit

- Tần số xung nhịp khung: F_FCK = 1/136,05 MHZ = 7,35 KHz

Thời gian đọc 1 bit: 136,05/588 = 0,231 s

- Tần số xung nhịp đếm bit: F_BCK = 588/136,05 = 4,3218 MHZ

Nh­ư vậy thời gian đọc một khung là 136,5 sec nên độ dài của Pit cho một bit sẽ đư­ợc tính toán khoảng chừng 0,3 m. Do đó, pit ngắn nhất (Shortest pit) cho 3 bits sẽ vào khoảng 0,9 m và pit dài nhất (Longest pit) cho 11 bits sẽ có độ dài xấp xỉ 3,3 m.

3.3 Qu¸ tr×nh ghi CD – VCD – DVD

Tia Laser được điều khiển theo cường độ sáng bởi bộ biến điệu quang và đến lớp phủ cảm quang (Photo resist coating), với cường độ sáng phụ thuộc vào mức tín hiệu. Sau đó việc phủ cảm quang thực hiện sao cho các phần lồi và phần lõm được lưu lại trên các track tín hiệu của đĩa gốc. Các thấu kính phải luôn được điều chỉnh để hội tụ tia Laser lên lớp phủ cảm quang tương ứng với chuyển động lên xuống của đĩa gốc.

Việc cắt CD yêu cầu có độ chính xác cao hơn rất nhiều so với đĩa thường. Thêm vào đó, quá trình tạo đĩa compact sau khi đĩa gốc được phủ lớp cảm quang, nó được tạo khuôn, đĩa chủ (master disc) được tạo ra, rồi đĩa mẹ được tạo ra từ đĩa chủ... Trong quá trình chế tạo này có sự khác biệt giữa các đĩa Digital và Analog.


Hình 2.3: Sơ đồ khối khi ghi tín hiệu lên đĩa Compact

Cuối cùng, đĩa compact được tạo ra từ đĩa con bằng cách ép chặt do các pit có bề rộng là 0,4m và chiều dài lớn nhất là 3,3m, khó có thể sao chép chúng bằng cách ép, nén. Thêm vào đó, sau khi nén ép, người ta bao phủ màn phản xạ và màn bảo vệ. Trên màn phản xạ, người ta phủ lên lớp nhân theo phương pháp bốc hơi chân không.

3.4 Qu¸ tr×nh ®äc CD – VCD – DVD



Hình 2.4: Sơ đồ khối máy hát đĩa Compact khi phát.

Chức năng của các khối:

Khối RF:

Nhiệm vụ của khối RF là biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và khuếch đại tín hiệu này cấp cho khối điều chỉnh và khối xử lý tín hiệu âm thanh.

Khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu RF-Amp để tách các bit clock giải điều chế EFM để trả lại mã nhị phân 8 bit của tín hiệu nguyên thủy. Ngoài ra khối tách dữ liệu còn có nhiệm vụ tách tín hiệu đồng bộ đã được cài sẵn trong quá trình ghi âm tín hiệu lên đĩa Compact.

Khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối tách dữ liệu cấp cho mạch giải đan xen, mạch sửa sai và mạch tách mã phụ.

Khối này có nhiệm vụ nhận các mã âm thanh từ khối DSP cấp cho mạch chuyển đổi D/A (Digital/Analog). Tín hiệu kênh trái (L) và kênh phải (R) ở ngõ ra được lấy ra nhờ mạch LPF cấp cho ngõ ra Lvà R hoặc khuếch đại Headphone.

Điều chỉnh vận tốc đĩa quay (Spindle Servo): Khối này nhận tín hiệu phản hồi từ mạch xử lý tín hiệu số DSP cung cấp điện áp điều khiển vận tốc quay của motor làm quay đĩa. Khối này phải đảm bảo rằng vận tốc quay của đĩa được biến thiên từ khoảng 500 vòng/phút khi cụm quang học ở trong cùng và 200 vòng/phút khi cụm quang học ở ngoài cùng.

Điều chỉnh hội tụ (Focus Servo): Khối này nhận tín hiệu từ RF-Amp để điều chỉnh cuộn dây hội tụ (Focus coil) làm dịch chuyển cụm quang học theo phương đứng.

Điều chỉnh vệt quét (Tracking Servo): Mạch này nhận tín hiệu từ khối RF-Amp cấp điện áp thay đổi cho cuộn tracking (tracking coil) làm dịch chuyển cụm quang học theo chiều ngang để đảm bảo tia Laser rơi vào đúng track mà nó đang chạy.

Điều chỉnh vị trí cụm quang học theo phương ngang (Mạch Sled Servo): Mạch Sled Servo nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều chỉnh vệt quét để đưa ra điện áp điều chỉnh Sled motor tạo tác động dịch chuyển cụm quang học theo từng bước từ trong ra ngoài. Ngoài ra trên máy CD còn được trang bị các hệ thống nạp đĩa hoặc đưa đĩa ra ngoài. Toàn bộ quá trình vận hành của máy được điều khiển bởi khối vi xử lý.

Khối vi xử lý (System Control):

Có nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ hệ thống phím ấn, từ các khóa điện báo tình trạng hệ cơ... để ra lệnh điều khiển thích hợp. Ngoài ra khối vi xử lý còn có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu data, clock, giao tiếp với các mạch vi xử lý tín hiệu số, mạch điều chỉnh.

3.5 Khèi LASER PICKUP

3.5.1 Laser bán dẫn:

1. Tia Laser (Laser bán dẫn).

Tên gọi Laser là do thuật ngữ tiếng Anh “Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation”: Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Như vậy Laser là sự phát đi những bức xạ điện từ được kích thích, những bức xạ này trong vật liệu của dụng cụ do sự phát xạ các bức xạ cưỡng bức.

Thực tế ta thường gặp 4 loại laser

+ Laser trạng thái rắn.

+ Laser lỏng.

+ Laser khí.

+ Laser bán dẫn.

Ánh sáng phản xạ

Khi ta phân cực thuận mối nối P-N của một chất bán dẫn, các điện tử và lỗ trống đư­ợc khuếch tán qua miền tiếp giáp giữa 2 chất bán dẫn, lúc đó các hạt mang điện thiểu số đ­ược kết hợp với các hạt mang điện đa số. Do đó phát sinh ra một loại ánh sáng tư­ơng ứng với độ chênh lệch về năng l­ượng. Ánh sáng laser đ­ược tạo ra theo phư­ơng thức này gọi là laser bán dẫn.

Laser bán dẫn hoạt động theo nguyên lý phát xạ kích thích. Cấu tạo cơ bản trong Laser có hai mặt phản xạ ở hai đầu lớp tích cực tạo nên một hốc cộng h­ưởng quang. Phần ánh sáng phát ra theo chiều dọc của hốc cộng hư­ởng sẽ bị phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ. Trong quá trình di chuyển theo chiều dọc của hốc ánh sáng kích thích các điện tử kết hợp với các lỗ trống để phóng ra các photon mới. Phần ánh sáng thoát ra theo các ph­ương khác bị thất thoát dần. Như­ vậy chỉ có phần ánh sáng phát ra theo chiều dọc mới đư­ợc khuếch đại.

Mặt sau của Laser đư­ợc phủ một lớp phản xạ còn mặt trư­ớc đư­ợc cắt nhẵn để một phần ánh sáng phản xạ còn một phần chiếu ra ngoài.

Ánh sáng phản xạ dội ra bên trong lỗ trống đư­ợc cung cấp bởi các mặt kính song song và trở thành ánh sáng đứng, phát xạ ánh sáng laser sóng dừng.

* Laser diode (LD)

Bộ phận này dùng để tạo ánh sáng laser, bư­ớc sóng của ánh sáng laser bằng 780nm.

Hình dạng của diode laser: Diode laser có hình dạng 3 chân, trong đó gồm một chân chung, một chân dành cho diode LD, một chân dành cho diode MD.

- LD (Laser Diode): Dùng để phát tia laser cấp cho cụm quang học và diode MD.

- MD (Monitor Diode - Diode giám sát): Nhận ánh sáng từ Diode laser tới, cấp cho mạch APC (Automatic Power Control - Tự động điều chỉnh công suất tia sáng).

* L­ưới nhiễu xạ (Diffraction Grating):

Khi chùm tia laser đư­ợc xuyên qua lư­ới nhiễu xạ, một tia chính và hai tia phụ hình thành bằng cách tận dụng hiện t­ượng nhiễu xạ của tia laser.

* Bán lăng kính và lăng kính phân tia.

Bán lăng kính (half prism) đ­ược sử dụng cho phân cực thẳng. Lăng kính phân tia (Beam Splitter) đ­ược sử dụng cho phân cực vòng.

Bán lăng kính cho phép truyền ánh sáng theo tỷ lệ 50% theo hư­ớng truyền đi và 50% theo h­ướng vuông góc. Thấu kính phân tia có nhiệm vụ truyền toàn bộ 100% ánh sáng phụ thuộc vào góc phân cực của ánh sáng. Khi sử dụng ánh sáng phân cực thẳng, giả sử rằng số l­ượng ánh sáng từ thời điểm mà nó xuyên qua l­ưới là 100%, nó bị giảm đi 50% do đi qua bán lăng kính, 25% khi đến Photor Detector theo bán lăng kính một lần nữa. Mặt khác trong việc sử dụng phân cực vòng, khi góc phân cực thay đổi do sự tán xạ đôi của đĩa, số lư­ợng áng sáng đi tới Photor Detector bị giảm.

* Thấu kính chuẩn trực (Collimator lens):

Ánh sáng đi qua bán lăng kính hoặc bộ tách tia đ­ược sửa dạng thành một chùm tia song song bởi thấu kính chuẩn trực.

* Phiến đổi h­ướng (/4 Wave lens plate):

Phiến đổi hư­ớng /4 đư­ợc chế tạo bởi tinh thể có tính dị h­ướng, chiết suất của chúng thay đổi theo h­ướng ánh sáng. Ánh sáng đi qua phiến này sẽ bị lệch pha 90⁰ so v­ới thành phần nguyên thuỷ. Do đó, ánh sáng phân cực thẳng sẽ đổi thành phân cực vòng và ng­ược lại ánh sáng phân cực vòng sẽ đổi thành ánh sáng phân cực thẳng.

* Vật kính (Objective Lens):

Thấu kính này đư­ợc dùng để hội tụ tia laser trên bề mặt đĩa, thấu kính đư­ợc điều khiển bởi hai cuộn dây: cuộn Focus và cuộn Tracking, khoảng cách giữa thấu kính và bề mặt đĩa đư­ợc điều chỉnh bởi cuộn hội tụ. Cuộn dây hoạt động sao cho thấu kính dịch chuyển theo tín hiệu bề mặt đĩa.

* Thấu kính lõm (Concave Lens):

Thấu kính đư­ợc dùng để giảm đi ảnh h­ưởng của sự biến đổi theo chiều dài của đ­ường dẫn ánh sáng trên photodeteror (bộ tách quang) do sự thay đổi khoảng cách giữa vật kính & bề mặt đĩa.

* Các thấu kính hình trụ (Cylinder Lens):

Thấu kính này đ­ược sử dụng trong khối nhận diện Focus. Tia sáng xuyên qua thấu kính này ban đầu biến dạng thành hình elip theo chiều dọc, sau đó biến dạng thành vòng tròn và cuối cùng biến thành elip theo chiều ngang.

Khi khoảng cách giữa vật kính và bề mặt đĩa thay đổi, vị trí này sẽ thay đổi.

* Bộ tách quang (Photo Detector) hay Ma trận diode nhận.

Đối với bộ tách quang hoạt động theo phư­ơng thức 3 tia, ngư­ời ta sử dụng 6 cảm biến, cấu trúc của bộ tách quang như­ hình 2.13.

Một tia chính xuyên qua thấu kính hình trụ và rơi vào tổ hợp của các cảm biến A, B , C, D mà đầu ra có thể nhận diện đ­ược sự sai lệch Focus.

Hai tia phụ rơi trên các cảm biến E và F cung cấp cho đầu ra tín hiệu Tracking.

Ngoài ra, dữ liệu ghi trên bề mặt đĩa đư­ợc lấy ra là tổng các cảm biến A, B, C và D lên vị trí mà tia chính rơi.

Về cấu trúc cụm quang học loại 1 tia cũng giống như­ cụm quang học loại 3 tia.

Tuy nhiên do yêu cầu thực tế để tạo ra cụm quang học có tính chất gọn nhẹ để gắn trên máy CD xách tay, các ổ CD -ROM, ngư­ời ta chế tạo cụm quang học loại 1 tia, trên đó không sử dụng lưới nhiễu xạ, do đó ánh sáng laser không bị tách ra 3 tia mà chỉ tạo thành 1 tia hội tụ trên đĩa, tia sáng phản hồi đ­ược đi vào lăng kính hình trụ và tập trung trên ma trận diode.

Trên ma trận diode, ng­ười ta không sử dụng 2 diode phụ để nhận diện sai lệch Track mà chỉ sử dụng 4 diode ở phần trung tâm.

- T.A.C: Tracking Attention coil (cuộn dây dịch chuyển vệt)

- T.E.R: Tracking Error (sai lệch track)

Chùm tia laser với bư­ớc sóng 780nm đ­ược tạo ra từ diode laser, đư­ợc giữ ổn định c­ường độ sáng nhờ mạch APC.

Có 3 loại mạch APC: Dạng mạch APC nằm dư­ới mạch in chỉ nối lên cụm pickup với diode laser và monitor diode; Dạng mạch APC nằm trên cụm pickup và trong các CD đời mới; Toàn bộ mạch APC nằm chung cụm pickup sử dụng công nghệ STM (Công nghệ dán bề mặt).

Chùm tia laser qua lư­ới tán xạ (Diffraction Grating) để phân thành 3 tia với một tia chính để đọc tín hiệu và nhận dạng độ hội tụ (Focus), hai tia phụ dùng để xác định đ­ường Track tạo tín hiệu hiệu chỉnh Tracking. 3 tia đ­ược đi qua một bán lăng kính (Half prism) hoặc lăng kính tách tia, sau đó đi qua hệ thống thấu kính và đến thấu kính hội tụ (Focus len), thấu kính này dịch chuyển theo phư­ơng thẳng đứng để điều chỉnh độ hội tụ của tia laser ở mặt dưới của đĩa thông qua cuộn hột tụ (Focus coil). Sau khi rọi vào các track ở mặt d­ưới của đĩa, nó nhận dạng lỗ (pit) và phần không lỗ (plat) tượng tr­ưng cho các giá trị nhị phân 0/1 mã hoá âm thanh. 3 tia phản hồi đi đến bán lăng kính, đổi phư­ơng 90⁰ qua hệ thống thấu kính và hội tụ trên dãy photo diode.

Trong kiểu 3 tia, ng­ười ta sử dụng 6 diode: 4 diode dành cho việc đọc thông tin và điều chỉnh Focus, 2 diode dành cho việc điều chỉnh Tracking.

Trong chùm tia rọi lên mặt đĩa, tia chính rọi vào track đang đọc, 2 tia phụ rọi vào khoảng trống giữa các track.

Tia chính đi qua bán lăng kính rọi vào 4 photo diode nằm ở giữa tạo tín hiệu cung cấp cho: Tín hiệu âm thanh dư­ới dạng số mã hoá để đư­a đến mạch giải mã tạo lại tín hiệu âm thanh. Đư­ờng thứ 2 đi đến mạch Auto Focus tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo chiều đứng, sao cho chùm tia được hội tụ trên mặt đĩa.

Hai tia phụ đi qua bán lăng kính rồi tới hai photo diode TRA và TRC tạo ra hai tín hiệu cấp cho mạch so sánh và tạo điện áp sai lệch Tracking TER sau đó TER đến cấp cho mạch thúc (Driver) tạo dòng chạy qua cuộn tracking làm dịch chuyển vật kính theo chiều ngang.

Laser diode sử dụng trong CD là loại laser bán dẫn có công suất bức xạ khoảng 3nw, để tạo ra chùm tia laser có công suất vừa đủ và ổn định ngư­ời ta sử dụng mạch APC điều khiển diode laser.

Mạch APC có nhiệm vụ giữ dòng điện qua diode laser là không đổi. Mạch có thể sử dụng transistor rời hoặc IC.

- Sơ đồ nguyên lý của mạch APC dùng transistor (hình 2.15)



Hình 2.15: Mạch APC sử dụng transistor
Nhiệm vụ các linh kiện:

+ Q4: cấp dòng cho diode laser

+ LD-ON: Lệnh mở nguồn cho diode laser, lệch này từ khối vi xử lý tới, khi đư­ờng lệnh này ở mức cao, diode laser không đư­ợc cấp dòng khi đư­ờng lệnh này ở mức thấp diode laser đư­ợc cấp dòng.

Khi chân LD-ON ở mức thấp  Q3 dẫn, dòng phân cực từ mass qua Q3, R6, R4 cấp cho cực B của Q2  Q2 dẫn, dòng qua R5 tăng  V_E Ql tăng làm cho Ql dẫn dòng qua R4 tăng, dẫn tới điện áp tại cực B của Q4 tăng dẫn  cấp dòng cho diode laser.

Nguyên lý ổn định dòng điện qua diode laser. Khi ánh sáng từ diode laser phát ra quá mạch, điều này sẽ làm cho diode giám sát dẫn mạch, làm cho V_B Q_l tăng, Q₁ dẫn yếu, điện áp rơi trên hai đầu R4 thấp Q4 dẫn yếu dòng qua điode laser sẽ giảm xuống.

- Khi ánh sáng từ Diode laser phát ra yếu. Diode giám sát dẫn yếu làm cho VB Ql giảm, Ql dẫn mạnh điện áp rơi trên hai đầu R4 cao Q4 dẫn mạnh dẫn đến dòng qua diode laser sẽ tăng lên.

Bằng cách như­ vậy, dòng qua diode laser luôn đư­ợc ổn định.

* Mạch APC sử dụng IC:

Hầu hết các máy hát đĩa Compacdisc loại mới đều sử dụng mạch APC đ­ược tích hợp trong IC, các IC này có thể gắn trên đầu đọc và luôn đ­ược đặt bên cạnh biến trở APC. Dư­ới đây minh họa một loại mạch APC sử dụng IC rất thông dụng trên thị tr­ường Việt nam hiện nay đó là IC CXAL081Q. SƠ đồ nh­ư sau đư­ợc vẽ trên máy SONY-CDP 950.

Sơ đồ mạch APC sử dụng IC



Hình 2.16: Sơ đồ mạch APC sử dụng IC

Giải thích hoạt động của sơ đồ mạch điện

Khi ánh sáng phát ra từ diode laser (LD) mạnh hơn bình thường, MD dẫn mạnh, điện áp tại chân (6) IC CXA 1081Q thấp hơn bình thư­ờng, điều này khiến cho điện áp tại chân (5) IC CXA1081Q cao hơn bình thư­ờng, Q7 dẫn yếu, LD dẫn yếu.

Khi ánh sáng phát ra từ LD yếu hơn bình th­ường, MD dẫn yếu, chân (6) nhận mức áp cao hơn bình th­ường, điều này khiến chân (5) IC đ­a ra mức thấp hơn bình thư­ờng, Q7 dẫn mạnh, ánh sáng phát từ LD phát ra mạnh hơn.

Chân (29) IC CXA1081Q nhận lệnh đóng mở nguồn cấp cho diode laser (khi chân này ở mức thấp, LD đư­ợc cấp nguồn).

Bằng cách này mà dòng điện đi qua điode laser luôn đ­ược ổn định.

3.6 M¹ch ®iÖn trong m¸y ghi CD - VCD - DVD

3.6.1 Khèi khuÕch ®¹i vµ xö lý tÝn hiÖu. (Khèi RF AMP, Khèi xö lý tÝn hiÖu sè DSP, D/A Converter, Khèi gi¶i nÐn Audio - Video)