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 (T_min) 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 λ_min. 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 6Т_кан, а частота F_max, соответствующая ей,

F_max = 4,3218 МГц/6 = 720 кГц.

Соответственно, максимальная длина волны записи λ_max равна 22Т_кан и минимальная частота F_min в спектре сигнала записи

F_min = 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.