光碟机基本原理_seminar

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1、第二章 光驱基本原理光驱如以产品的应用领域来分，可以分成：消费性电子产品的CD拨放机(CD-PLAYER)、VCD放影机(VCD-PLAYER)、DVD放影机(DVD-PLAYER) 、DVD录放机(DVD-RECORDER) 和DVD摄影机(DVD-CAMERA)，以及信息产品的CD-ROM、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RW和DVD-RAM等，其中依照产品之不同有不同之应用电路，及要求之设计规格，例如：往往信息产品着重速度性能与兼容性；消费性电子产品着重功能与质量，属于计算机外设之光驱一直在俗称倍数之数据传输率(data transfer rate)及数据存取时间(access ti

2、me)上推陈出新；消费性产品之光驱如DVD-PLAYER架构上就内含了影像及声音之MPEG DECODER，强调画质分辨率(resolution)及DOLBY AC-3 5.1-CHANNEL 声音输出，虽然不同产品有不同之设计规格及应用电路，但对于光学读取头之伺服系统有着相同的控制器设计方法，2.2节将以最基本之VCD-PLAYER、CD-ROM为例，介绍其系统架构，2.3节将详细讨论各项所须之伺服系统，及其控制器设计方法。如以产品规格来区分，可分成雷射光波长780 nm之CD及650或635 nm之DVD两大类， 2.1 DVD与CD光盘片规格CD与DVD光盘片在外观尺寸上是完全相同的，最

3、大直径同为120mm中心开一直径15mm之圆孔，虽然DVD光盘片记录厚度只有CD之一半0.6mm，但一片DVD是允许有正反两面(side) 记录，所以DVD光盘片之厚度也与CD相同为12mm，而且DVD为能容纳下更多的数据，除了记录密度更高，在同一记录面中，也允许有两层(layer)记录，利用不同距离之聚焦，正确读到所要读取之记录层，当然内部数据之记录格式与编码(encoder)及调变(modulation)方式也与CD是完全不同的。DVDCDDisk diameter120mm120mmDisk thickness0.6mm21.2mmData area inner diameter48mm

4、50mmData area outer diameter116mm116mmDouble layersYesNoDouble sideYesNo表2.1 光盘片尺寸图2.1 光盘片数据记录区DVD光盘片所以能够记录更多数据的原因，除了允许双面双层记录外，最大的原因是使用了635或650nm更短波长之雷射光读取，由2.1式知可以得到更小之雷射点，因此比CD可以读取更高之记录密度，其轨距由CD之1.6m缩小到0.74m，最小记录蚀刻长度由CD之0.83m缩小到0.4m，如下图所示。 (2.1): 雷射光波长NA :物镜(Object Lens)之数值口径(Numerical Aperture)图2

5、.2 光盘片记录密度上述记录密度之物理规格再配合调变(modulation)及错误改正(ECC)之编码(encoder)方式，我们可以各别算出CD与DVD之数据容量，CD是采用EFM调变方式及CIRC错误改正，最大容量约是750MB，而DVD采用8/16调变方式及RS-PC错误改正，最基本之单面单层最大容量既可达到4.7GB，约是CD之六倍，其它双面或双层之容量如表2.2所示。表2.2 CD与DVD之数据容量2.2 光驱系统架构无论消费性电子产品的光驱(如VCD -PLAYER)，或信息产品的光驱(如CD-ROM、DVD-ROM)，虽然系统架构不同，但皆有一相似之光学机械结构及伺服控制系统，如

6、果是影音拨放机(PLAYER)，由于为得到良好之影像分辨率及声音音质，光盘片在录制时有将数据以MPEG技术压缩，因此光盘拨放机需有MPEG影像及声音之解压缩芯片组，将压缩数据还原，以及数字模拟转换器(DAC)将储存之数字数据转换成原始影像声音之模拟讯号。信息产品之只读型光驱(CD-ROM)，为了满足计算机对于数据正确性之要求，光盘片储存计算机数据前需加上错误更正(ECC)及错误检知(EDC)编码，因此只读型光驱需将数据作错误更正，以降低错误率，对于无法错误更正之数据，也能检测出加以重新读取，如果实在无法解出正确的数据，宁可回复计算机“ERROR”，也不可将不正确的数据传给计算机。另外加上高速缓

7、存(CACHE BUFFER)，在计算机读取一笔数据而尚未读取下一笔数据时，预先将后面连续之数据读到内存，如果猜中计算机下一次要求之数据时，既可省去发动光学头机械性之运动去读取数据，以满足计算机快速读取数据要求。CD-ROM是提供计算机数据储存之外围装置，需接受计算机透过接口所下之命令，以及透过接口传输计算机所须之数据，这个接口可为SCSI、IDE/ATAPI、USB等现今光驱大多为IDE/ATAPI接口，为减少光驱之CPU负担，需有接口芯片提供上述之功能。以最基本之VCD-PLAYER、CD-ROM为例，其系统架构如图2.2所示。图2.3光驱系统架构2.2.1机械及伺服控制模块光驱在光学机械

8、方面可分成四个部分:(a) 学光读取头(pickup head): 负责读取数据及控制讯号之重要组件。(b) 光学头传动机构(sled mechanism): 负责承载光学读取头，并使之能在光盘片上运行，以能读取光盘片上任意位置数据。(c) 主轴马达(spindle motor): 负责光盘片旋转在正确之速度，使得轨道上之数据能循序不断及正确地被读出。(d) 光盘片承载机构(loader mechanism): 利用光盘片托盘(tray)，承载光盘片作进出光驱之机构。伺服控制模块依功能可分为下列几个部分:l RF Signal Processor (RFSP)l Digital Signal

9、Processor (DSP)l Servo Signal Processor (SSP)l Tracking/Focus Power Driverl Sled/Tray Motor Driverl Spindle Motor Driverl Center Processing Unit (CPU)l Read Only Program Memory (ROM)l Power Supply整个机械及伺服控制模块之基本动作有数据讯号之读取流程(下图中箭号由左向右)，及光机之控制流程(下图中箭号由右向左)，其原理为读取头有聚焦(focus)及循轨(tracking)致动器(actuator)，能接

10、受来自电控部分之电器讯号，将物镜(objective lens)作上下及水平两个方向之移动，以便能将雷射光正确的打在光盘片的轨道上；读取头上的雷射二极管(laser diode)发出雷射光，经物镜聚焦成功地打在光盘片轨道上后，物镜也同时接收反射回来的光线到数个光检测二极管(photo diode)，检测出数据讯号与聚焦误差(focus error)及循轨误差(tracking)讯号，送给电控部分之RFSP放大后，数据讯号送给DSP数字化以及解调变、译码得到数字串行数据输出，聚焦误差(focus error)及循轨误差(tracking error)讯号送给电控部分之SSP，SSP既是控制系统之

11、所谓控制器或补偿器(compensator)部分，补偿致动器等受控厂特性以满足设计规格，利用聚焦误差及循轨误差讯号经功率驱动器(power driver)，对读取头上致动器作聚焦及循轨之定位伺服控制(servo control)，这个伺服系统之设计既是本文讨论之主要部分。 图2.4机械及伺服控制模块图2.5 PICKUP HEAD部分图2.6 DSP方块图2.2.2机械及伺服控制模块光驱之机械及伺服控制模块可分成下列几个系统l Focus servol Tracking servol Seek servol Spindle servo由于主轴马达之轴垂偏角(shaft angle)、光盘片无法

12、理想之平坦(flatness)及轨道之偏心(eccentricity)，当主轴马达带动光盘片转动时将在物镜与光盘轨道间产生扰动(disturbance)，物镜与光盘轨道间的扰动也包含来自外部之振动(external shock)，为了抵抗各式各样的扰动，必须要有聚焦及循轨伺服系统，聚焦伺服(focus servo)系统可控制PICKUP中物镜上下方向运动，负责使PICKUP发射之雷射光正确聚焦在光盘片上；循轨伺服(tracking servo)系统可控制PICKUP中物镜于光盘片径向水平前后运动，负责使PICKUP发射之雷射光正确打在光盘片之轨道上；早期常用之磁带机是循序存取装置，要读出或写入

13、某一BLOCK，必须重头开始寻找直到目标所在，光驱与硬式磁盘驱动器同为直接寻轨装置，必须有寻轨伺服(seek servo)系统控制PICKUP于光盘片径向水平前后运动，负责使PICKUP正确在光盘片上移动到所要求之轨道，它的平均存取时间(average access time)可达数十毫秒(ms)；光驱读取数据时，不论光盘片的旋转是采用线速度恒定(CLV, constant linear velocity)或角速度恒定(CAV, constant angle velocity)，二者皆须有主轴伺服(spindle servo)系统来控制。各个系统之动作流程为: 首先必须FOCUS SERVO先

14、锁上，物镜与光盘片保持着固定的距离，无论光盘片如何地上下振动(wobble)，雷射光依然有正确之聚焦，使反射回来的光线最强；再来需将TRACKING SERVO锁上，使雷射光正确打在光盘片之轨道上，如此反射回来的光线已经随着轨道上记录数据而变化；最后SPINDLE SERVO锁上，有了正确的转速，盘片上的数据便可被读出；当系统要求存取某一BLOCK数据时，TRACKING SERVO之循轨工作暂时停止、FOCUS SERVO必须依然保持锁上状况下，SEEK SERVO开始动作，驱动SLED马达将PICKUP快速移到目标轨道上，重新依序启动TRACKING SERVO及SPINDLE SERVO

15、读写数据，如此之各个伺服系统关系及流程如下图所示。图2.7 各个伺服系统关系及流程光驱无论何种伺服系统皆有如下图所示之架构，只是不同的系统其受控厂(plant)不同，输出之物理量不同，感应器(sensor)也就不同，再加上每个系统各有设计规格，所以控制器(controller)之结构也将有异，但所用之基本之回授(feedback)控制理论是相同的。图2.8 伺服系统架构由于本文基因法则运用于QFT控制器设计将运用于光驱之聚焦及循轨伺服系统，因此针对此二系统作详细介绍于下二小节。2.3 聚焦伺服系统(focus servo system)2.3.1 受控厂(plant)PICKUP HEAD内之

16、聚焦致动器(focus actuator)大多使用音圈马达(voice coil motor)的机构来驱动，其作用力与通过线圈之电流成正比，如下式所示: (2.2)为磁路效率; 为磁通密度; 为线圈电流; 为线圈长度。聚焦致动器模型可表示为下图所示之二阶系统，其运动方程式为: (2.3)m为可动部份之等效质量; d为阻尼系数; k为弹性系数。对上式取拉式转换，并令初值为零，可得转移函数如下: (2.4)图2.9 聚焦致动器2.3.2 感应器(sensor)不论CD或DVD光驱聚焦系统在感应器部份，也就是聚焦误差信号检出方式大多使用像散法(astigmatism)，当雷射光打在光盘片上产生近焦、

17、聚焦、远焦时，反射回四个感光二极管(photo diode A B C D)之光点将呈现直椭圆、圆形、横椭圆之不同形状，如下图所示，如果令聚焦误差讯号FE(focus error)为:FE=(A+C)-(B+D)当聚焦良好时，光点呈 正圆形， 四个感光二极管输出量相等，FE=0。当聚焦近焦时，光点呈直椭圆形，B、D感光二极管输出量较大，FE0。图2.10 像散法之聚焦误差讯号如果将物镜由远而近，所产生之FE讯号如下图所示，当物镜尚在远处时由于雷射光反射回来的很少，FE讯号是由四个感光二极管输出所组成，FE几乎为0，随着物镜逐渐接近光盘片，开始增强反射光量，FE讯号逐渐加大，在达到聚焦点之前，因

18、焦点太近，FE为负值；当物镜接近聚交点，聚焦良好，FE趋近于零；同理当物镜远离聚交点继续向光盘片靠近，因焦点太远，FE为正值；当物镜过于接近光盘片时，由于没有聚焦功能，雷射光反射回来的很少，FE几乎为0，如此物镜无论由远而近、或由近而远，FE都将产生S-curve信号，而S-curve之零点既是物镜之聚焦点。图2.11 聚焦误差讯号2.3.3 控制器(controller)光驱大多采用相位领先落后补偿器(lead lag compensator)，以分频段设计方式，低频段以落后补偿器增加伺服系统之强硬性(stiffness)，以抑制外来的扰动(disturbance)，并决定所需之频宽，减低高

19、频增益以抑制噪声；高频段以领先补偿器增加相位，以增加相位边限(phase margin)，提高系统稳定度。下图为一光驱聚焦控制器之波得图(bode diagram)。图2.12 光驱控制器波德图2.3.4 系统方块图综合上面三小节之讨论，可以绘出完整聚焦系统方块图如下:图2.13 聚焦系统方块图2.3.5 设计规格(a)伺服系统强硬度(stiffness)规格聚焦伺服系统之目的在抑制外来垂直方向(轴向)之扰动(disturbance)，达到容许之偏差量，使雷射光能在光盘片上正确聚焦，PICKUP HEAD读取数据时能得到足够之雷射光反射在感光二极管上，理论上只要控制物镜在前述S-curve之线

20、性范围(如图2.11所示)，系统就可以锁上，反之则将发散失锁，但是这对需要得到足够雷射光反射之设计目标而言是不足的，一般容许之偏差量是因PICKUP HEAD而异，记载于PICKUP HEAD规格书，而扰动量是由光盘片及机构造成，最大之扰动量则于CD、DVD规格书上有规范，但应以实际机构及光盘片之面振量作为设计规格，因此一般设计规格的增益量将大于规格书上所订定之增益量。CDDVDMax. vert. wobble500m300mMax vert. acceleration10m/s28m/s2Allowed focus error1m0.3m表2.3 聚焦系统设计规格图2.14 聚焦系统设计规

21、格 (2.5) (2.6)(b)伺服系统稳定度(stability)规格为使系统避免振荡、有稳定之响应，增加刮伤(scratch)、污损(defect)光盘片之读取能力，我们也必须制定系统稳定度规格，一般以相位边限(phase margin)大于35度为基本要求，再考虑系统之不确定性，设计皆在40度以上才安全。一般情况下相位边限可转变成闭回路转移函数规格，考虑某一单一回授系统，为开回路转移函数，其闭回路转移函数如下: (2.7)令相位边限为PM、 、g为增益交越频率。因，令令闭回路转移函数规格为，=g，=g，=g，=g由相位边限定义知，=g，=g ，=g (2.8)2.4 寻轨伺服系统(tra

22、cking servo system) 2.4.1 受控厂(plant)PICKUP HEAD内之循轨致动器(tracking actuator)与聚焦致动器相同使用音圈马达(voice coil motor)的机构来驱动，所不同的是:聚焦致动器其动作方向为上下之轴(axial)向，而循轨致动器其动作方向为水平之径(radial)向，其转移函数与聚焦系统相同，如2.2-2.4式所示。图2.15 聚焦致动器2.4.2 感应器(sensor)CD或DVD光驱循轨系统在感应器部份，也就是循轨误差信号检出方式各有不同方法，CD大多使用三光束法(3-beam method)，DVD因轨距更小，大多使用相

23、差法(Difference Phase Detection)。(a) 三光束法除了读取数据、聚焦误差检测之主光束外，在增加两光束于主光束之左右两边，如下图所示，因为雷射光E与F打在轨道上与轨道间之反射量不同，正确的轨道上由于有纪录用之坑洞(pit)，当盘片旋转时反而反射量较轨道间低，藉由分别反射回感光二极管E与F之雷射光大小，以E、F感光二极管输出之差，作为循轨误差讯号。TE=E-F如下图中(a)所示，当雷射光打在轨道偏左边时，由于E光束落在轨道与左邻轨道之间，反射较强，TE 0。如下图中(b)所示，当雷射光打在轨道中间时，由于E、F光束相同落在轨道上，、F反射量相同，TE = 0。如下图中(

24、b)所示，当雷射光打在轨道偏右边时，由于光束落在轨道与右邻轨道之间，反射较强，TE 0。图2.16 三光束法之循轨误差讯号下图说明物镜在不同的径向距离所产生之TE讯号，无论在那一轨道附近，皆有一线性区，当物镜在轨道偏左时，TE0，当物镜在轨道中间时，TE=0，图2.17 循轨误差讯号(b) 相差法请参阅DVD Specifications for Read-Only Disc Part 1 Physical Specification。2.4.3 控制器(controller)与聚焦系统所使用相位领先落后补偿器(lead lag compensator)相同。2.4.4 系统方块图由于光盘片上

25、纪录数据之轨道是以螺旋方式由内而外刻录，因此在循轨系统中除了循轨致动器外，负责长程寻轨(seek)之SLED马达，此时也必须肩负承载PICKUP HEAD 循着轨道缓慢向外圈移动之任务，循轨致动器负责径向之外来扰动抑制，让物镜追得上光盘片之扰动，由于循轨致动器之工作范围仅有左右偏摆数百轨，物镜循着轨道往外圈以致循轨致动器无法跟上时，致动器内之弹簧因拉扯及挤压产生一作用力于物镜，循轨误差将产生一直流误差量，以抵消此作用力，利用循轨误差讯号TE，经过低通滤波器LPF，可用来作为SLED系统之误差讯号，用以控制SLED马达驱动PICKUP HEAD循着轨道缓慢向外圈移动。综合上面三小节之讨论，可以绘

26、出完整循轨系统方块图如下:图2.20 循轨系统方块图2.4.5 设计规格(a)伺服系统强硬度(stiffness)规格循轨伺服系统之目的在抑制外来水平径向之扰动(disturbance)，达到容许之偏差量，使雷射光能正确打在轨道上，并循着轨道循序读取数据，不因为外来的扰动而失误地跳到邻轨，理论上只要控制物镜在前述S-curve之线性范围(如图2.17所示)，系统就可以锁上，反之则将发散失锁，但是对读取数据而言，需要有良好地循轨质量，一般容许之偏差量是因PICKUP HEAD而异，记载于PICKUP HEAD规格书，而扰动量是由光盘片及机构造成，最大之扰动量则于CD、DVD规格书上有规范，但应以实际机构及光盘片之偏心量作为设计规格，因此一般设计规格的增益量将大于规格书上所订定之增益量。CDDVDMax. eccentricity 70m50mMax radial acceleration0.4m/s21.1m/s2Allowed tracking error0.1m0.022m表2.4 循轨系统设计规格 (2.10) (2.11)(b)伺服系统稳定度(stability)规格循轨系统稳定度与聚焦系稳定度分析相同，但如同系统强硬度性能，循轨系统规格比聚焦系统规格要严格，除了允许的误差要小外，另有轨距很小的限制，使线性区之范围也较小，如果循轨超过线性区则有发散至邻轨之失误。