CN101308691A - 高清光盘信号质量检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高清光盘信号质量检测设备，属于光盘存储及其信号检测技术，包括：运算放大器，抗混低通滤波器，模数转换器，脉宽调制电路，现场可编程门阵列，中央处理器；其中，运算放大器、抗混低通滤波器和模数转换器依次相连，模数转换器的输出端与FPGA的输入端相连，脉宽调制电路连接在运算放大器的输入端与FPGA的输出端之间，FPGA与中央处理器双向连接；还包括分别与FPGA和中央处理器相连的辅助部件。本发明不但实现用部分响应信噪比作为高清光盘信号质量评价的参数，还可实现光盘读出信号的抖晃值测试，并且自动识别光盘信号类型，产生相应的测量参数，从而使本发明保持最大的兼容性。

Description

高清光盘信号质量检测设备

技术领域

本发明属于光盘存储及其信号检测技术，特别涉及高清光盘信号质量检测方法及其设备。

背景技术

光盘系统是一个复杂的光、机、电一体化系统，激光头形成的聚焦光斑受到记录层信息的调制后，反射到激光头中的光电探测器上，通过检测光电探测器的信号得到光盘记录的原始信息。该原始信息经过信号处理、时钟恢复、数字解调、数字解码、检纠错等一系列处理以后形成适合播放格式要求的音视频格式数据，输入到电视机接口最终实现光盘信息的播放。

基于信道特点，光盘采用了游长调制的存储技术，在物理表现上，就用不同长度的记录符(坑/岸)表征信息。因此在盘片物理面积一定的情况下，要提高光盘的存储容量，传统的方法就是不断减小记录符的尺寸。从CD→DVD→HD-DVD/Blu-ray，光盘的发展就是沿用了这样一条技术路线，通过缩短半导体激光器波长，提高聚焦物镜的数值孔径，以获得更小的聚焦光斑，用于读取盘片上不断缩小的记录符信息，其中也包括最新提出的中国蓝光高清光盘格式CBHD。

由于受到衍射极限的限制，聚焦光斑的尺寸不能无限制减小，也就意味着盘片记录符的尺寸不能无限减小，依靠这种技术路线发展的光盘技术至Blu-ray光盘已经发挥到了极限。为了突破光盘发展的限制，国际上也进行了许多扩展技术的研究，如近场光存储、全息光存储、多阶技术等。

在播放机工作过程中，激光头的光电探测器反馈回来的高频(HF：High Frequency)信号是对盘片记录信号的原始反映，光盘系统通过良好的光路、精密的机械结构、可靠的伺服系统等，最大限度地保证读出信号的稳定性和可靠性。光盘信号的检测一般采用两种方式，一种为二值化位检测方式(BT：Bit Detection)，另一种为部分响应最大似然检测技术(PRML：Partial Response Maximum Likelihood)，其中二值化位检测适用于传统的CD、DVD光盘以及EVD、FVD、NVD等一些中国高清光盘，而对于HD-DVD、BD以及中国格式的HRD、CBHD等高清光盘格式则不再适用，必须采用先进的PRML检测技术。

光盘信号的评价方式与指标同对应的检测方式是密切相关的，除了信号幅值，信号调制度等一些信号基本物理量的描述存在共性以外，与光盘数字信号核心评价指标原始误码率(BER：Bit Error Rate)相对应的指标参数有所区别。需要强调的是，这里所说的信号评价指标是针对于光盘原始高频HF信号而提出的，但是在实际操作中，人们更希望能够发现原始信号的部分参数与信号恢复的原始误码率之间存在的对应关系，也就是说，希望只需要对原始读出信号的部分参数进行测试，就可以判定该信号是否能够满足实际应用的需要，不必依赖于最终的误码率检测，这对于规模量产时产品合格性的验证是至关重要的，尤其对于高清光盘来说，检测方式的改变需要有新型的检测方法和检测设备相适应。

抖晃是用来评价二值化位检测信号的一个关键指标。光盘采用游长受限调制编码技术，用抖晃来衡量不同长度记录符读出信号时间范围的精度。抖晃包括数据抖晃、长度偏差以及数据对锁相环PLL时钟的抖晃，记为JCL。这个参数表明数字化高频信号的下降沿或上升沿相对于PLL时钟上升沿的间距值的标准偏差。由于PLL时钟是从高频信号中再生的用以判定信号的长度，所以测量信号中的上升沿和下降沿与PLL时钟上升沿的时间间距可有效判定信号的一致性。如图1所示，高频信号表示光盘原始读出信号，将高频信号进行一个阈值电平切分以后就可以得到二值化的数据信号。数据对时钟抖晃的定义式为

$\mathrm{JCL}=\frac{\mathrm{Jt}}{\mathrm{Tw}},$

式中Jt是数据边沿(包括上升和下降沿)对于邻近PLL时钟上升沿的时间间隔Δt分布的标准偏差，Yw是PLL时钟的周期。JCL是两个具有相同量纲的量的比值，所以没有单位，常用百分比表示。

由于记录密度的提高和调制方式改变，使得码间串扰更加严重，该检测方式在蓝光等高清光盘中不再适用，而采用了性能更强的PRML检测技术，相应地，评价参数也需要做出调整。对于PRML检测技术误码的评价，一般用仿真误码率来间接表征实际误码率。令T是正确序列，F是错误序列，两个序列理想响应信号分别是PT和PF。另S为实际信号，如果S与F之间的欧氏距离小于S与T之间的欧氏距离，就会将S错误的判断成F，从而产生误检。通过大量统计计算各种序列对应的PT和PF之间的欧氏距离与误检发生的概率，可以获得信号质量的评价。然而，这种判断需要对大量的序列进行统计计算，在线实时性差，而且无法体现不同理想响应之间的欧氏距离对于检测性能的影响。

发明内容

本发明的目的是为满足各种类型的高清光盘格式信号质量在线实时检测的需要，提出了一种高清光盘信号质量检测设备，不但实现用部分响应信噪比作为高清光盘信号质量评价的参数，还可实现光盘读出信号的抖晃值测试，并且自动识别光盘信号类型，产生相应的测量参数，从而使本发明保持最大的兼容性。

本发明提出的一种高清光盘信号质量检测设备，其特征在于，该设备分成模拟部分和全数字部分两部分，其中，模拟部分包括：

运算放大器，用脉宽调制信号作为反馈输入，将输出信号幅值稳定在指定范围之间，用以补偿盘片发射率不同以及读取设备精度不足造成的信号幅值的不一致；

抗混低通滤波器，用于对运算放大器输出信号进行滤波处理；

模数转换器，将抗混低通滤波器输出信号采样成数字信号，用于后续的数字化处理；

脉宽调制电路，通过调整脉冲信号的频率和占空比实现电压值的调整，该电压值作为运算放大器放大倍数调整的反馈输入信号；

全数字部分包括：

现场可编程门阵列，用于将模数转换器输出的并行数字采样信号，并对该数字信号进行处理，得到被检测光盘的检测信号；

中央处理器，为设备总控部件，用于实现各种功能的配合和调度；

各器件的连接关系为：运算放大器、抗混低通滤波器和模数转换器依次相连，模数转换器的输出端与FPGA的输入端相连，脉宽调制电路连接在运算放大器的输入端与FPGA的输出端之间，FPGA与中央处理器双向连接；还包括分别与FPGA和中央处理器相连的辅助部件。

本发明的特点及效果：

本发明综合采用了增益自动控制、全数字逻辑处理、信号自适应判断和计算机集成等技术，实现了高清光盘读出信号的部分响应最大似然检测，通过计算信号处理中的噪声成分，用最可能检测出错的路径之间的欧氏距离与投影噪声方差之间的比值来表示设备的信噪比，即部分响应信噪比值作为判别高清光盘信号质量的依据。该发明基于同样的设备架构可以实现普通光盘读出信号的抖晃值测试，并且自动识别光盘信号类型(高清光盘、DVD光盘或CD光盘)，产生相应的测量参数，从而使本发明保持了最大的兼容性。

附图说明

图1为光盘抖晃信号定义示意图；

图2为本发明的高清光盘信号质量检测实现设备实施结构图；

图3为本发明的高清光盘信号质量检测方法流程框图；

具体实施方式

本发明提出的高清光盘信号质量检测设备结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的检测设备组成结构如图2所示，分成模拟部分和全数字部分两部分，其中，模拟部分包括：

运算放大器，用脉宽调制信号作为反馈输入，将输出信号幅值稳定在指定范围之间，用以补偿盘片发射率不同以及读取设备精度不足造成的信号幅值的不一致；

抗混低通滤波器，用于对运算放大器输出信号进行滤波处理；

模数转换器，将抗混低通滤波器输出信号采样成数字信号，用于后续的数字化处理，

脉宽调制电路，通过调整脉冲信号的频率和占空比实现电压值的调整，该电压值作为运算放大器放大倍数调整的反馈输入信号；

全数字部分包括：

现场可编程门阵列(FPGA：Field Programmable Gate Array)，用于将模数转换器输出的并行数字采样信号，并对该数字信号进行处理，得到被检测光盘的检测信号；

中央处理器，为设备总控部件，用于实现各种功能的配合和调度；

各器件的连接关系为：运算放大器、抗混低通滤波器和模数转换器依次相连，模数转换器的输出端与FPGA的输入端相连，脉宽调制电路连接在运算放大器的输入端与FPGA的输出端之间，FPGA与中央处理器双向连接；还包括分别与FPGA和中央处理器相连的辅助部件。

上述辅助部件可包括分别与FPGA相连的时钟振荡器和存储器，分别与中心处理器相连的扩展接口、信号输入接口和液晶显示器，设置在设备面板上的状态显示器、输入部件。所述的各辅助部件均为常规公知产品。

本发明根据维特比检测的原理，不同理想响应之间的欧氏距离对于检测性能有着重要影响。令Y表示某一给定的均衡信号矢量，B为与之对应的正确响应矢量，而C为与B非常接近的另一个理想响应，如果受到噪声的影响，使Y-B大于Y-C，那么维特比将输出与C对应的数据序列，从而导致检测错误。将B-C定义为误差矢量，显然，误差矢量越大，维特比检测出错的可能性越小。为了分析噪声N对信号检测的影响，可以计算它在误差矢量上的投影。定义均衡信号与理想响应之间的差值为均衡误差，那么均衡误差即为信号处理中的噪声成分。可以用最可能检测出错的路径之间的欧氏距离与投影噪声方差之间的比值来表示PRML系统的信噪比，选择最可能出错的几种序列进行计算，并选出其中最小的值作为评价光盘读出信号的评价参数。部分响应信噪比综合考虑了不同理想响应之间的欧氏距离对于检测性能的影响，而且选取特定序列作为信号质量检测样本，可以实现快速准确的测试，适合于在线实时检测应用。

本发明设备的主要组成部件的功能及采用的实施例分别说明如下：

模拟部分主要实现对输入光盘HF信号的预处理，获得幅值恒定的采样信号。本实施例的运算放大器选用增益可控的运算放大器VCA610，本实施例的抗混低通滤波器采用OPA680构造，实现截止频率为40MHz的二阶有源低通滤波器，截至频率的选取低于采样频率的1/2。本实施例的脉宽调制电路，采用频压转换电路，通过调整脉冲信号的频率和占空比实现电压值的调整，该电压值作为运算放大器放大倍数调整的反馈输入信号VCA610。经过幅值稳定控制和滤波后得到的信号幅值稳定在1.0V-2.0V之间，补偿由于盘片反射率差异和激光器功率差异引起的信号幅值波动，提高设备的适应能力和稳定性。本实施例的模数转换器采用高速并行AD(Anolog to Digital)转换器件，采用采样频率为100MHz的八位AD采样芯片ADS930E。

数字处理部分电路的核心器件由FPGA芯片和中央处理器组成，本实施例采用由Altera公司的ACEX1K30-208型的FPGA芯片和Atmel公司生产的AT91M40800ARM器件中央处理器；其中FPGA芯片用作高速数字信号处理，其实现的功能为，将模数转换器输出的并行数字采样信号，并对该数字信号进行预处理，经过该芯片中的一个无限冲击响应数字滤波器用以消除由于采样引入的高频噪声，以及一个数字增值控制器，对信号幅值进行调整，并对信号进行判断，判定该信号是采用传统位检测方式的光盘信号，还是采用最大似然部分响应PRML序列检测的高清光盘信号。对于传统的光盘信号采用抖晃值测试，计算信号的抖晃值，而对于高清光盘信号，则根据高清光盘的信道特性实现采样信号的时钟恢复，并根据高清光盘读取信道的冲击响应模型实现信号序列的最大似然(PRML：Partial Response Maximum Likelihood)检测。根据采用PRML检测技术的光盘信号，采用部分响应信噪比作为信号的评价参数，将检测信号的特定序列与参考序列相比较，计算两者的欧氏距离与投影噪声的方差比值。

本实施例中的ACEX1K30-208是一款30000典型门的低成本FPGA芯片，1728个逻辑单元(LE：Logic Element)，6个内迁阵列模块(EAB：Embedded Array Block)，总内存24576比特，用户可用I/O管脚数171个。由于SRAM的易失性，每次上电都需要对FPGA进行重新配置。ACEX1K30支持边界扫描的JTAG接口，可以用PC机对FPGA实现程序的上电加载。在本实施例中，给FPGA配置了一个扩展配置设备EPC2，用于程序的动态加载。EPC2具有Flash配置存储器，可用来配置5.0V、3.3V、2.5V器件。通过内置的IEEE Std.1149.1 JTAG接口，EPC2可以在5.0V和3.3V电压下进行在系统编程(ISP)。系统编程后，调入JTAG配置指令初始化ACEX 1K器件。EPC2的ISP能力使ACEX 1K器件的初始和更新更容易。

中央处理器ARM用作设备总控部件，实现各种功能的配合和调度，控制FPGA模块的工作流程，接收FPGA的测量结果，同时配合时钟振荡器，存储扩展设备，状态显示，操作按键输入，测试结果显示等模块，并且扩展USB、RS485和以太网接口功能，实现与外部计算机的远程连接控制，以及通过输出部分接口与外部示波器等测试设备连接。

本实施例采用的AT91M40800ARM是Atmel公司推出的AT91 16/32位微控制器系列中具有很高性价比的一款中央处理器芯片。它基于ARM7TDMI内核，内含高性能的32位RISC处理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可编程外部总线接口EBI，3通道16位计数器/定时器、32位可编程I/O口、中断控制器、2个USART(其中每个各带2个专用外部数据控制器)、可编程看门狗定时器、主时钟电路和DRAM时序控制电路，并配有高级节能电路；同时，可支持JTAG调试，主频可达到40MHz。AT91M40800负责与计算机的通信，接受来自计算机的指令，并对指令进行解析执行，同时也将设备的状态参数反馈给计算机，方便设备调试。

本实施例采用薄膜开关面板实现实时参数设置：盘片信息面探伤检测开启功能；信号上升沿、下降沿及综合抖晃值测试可选；检测CD(1×，2×)和DVD(1×)信号的抖晃值；检测高清光盘的部分响应信噪比值；以“％”和“ns”两种模式分别显示测试结果；高分辨率LCD液晶屏实时显示测试结果；检测模式一键切换；接受上位机电脑控制，实现功能扩展；盘片转速估计和判断；可以用作特定接口的嵌入式检测板。

在性能参数方面：输入信号为未均衡的光盘的模拟读出信号；信号峰峰值在0.4-2.0V范围内可满足要求；输出信号：均衡后RF信号，同步时钟信号；供电电压：AC 220V(单相)；电压频率：50Hz；功率大小：＜10W；外扩接口：USB、RS485接口、IEEE 802.310BASE-T以太网接口。

采用上述设备的工作过程，如图3所示，包括以下步骤：

从被测光盘读取的原始HF模拟信号1首先进入模拟信号处理环节。模拟信号处理部分主要包括增益自动控制的运算放大电路、抗混低通滤波器和脉宽调制反馈三部分，其中增益自动控的运算放大电路采用脉宽调制信号作为反馈输入，将输出信号幅值稳定在指定范围之间，用以补偿盘片发射率不同以及读取设备精度不足造成的信号幅值的不一致，抗混滤波器为一个低通滤波器，用于采样前的信号预处理，根据Nyquist定理，低通滤波器的截止频率设置为采样频率的1/2以下。模拟信号处理得到的信号2采用八位并行AD转换器以高采样频率实现信号的模数转换，得到数字化信号3，并且信号由此进入全数字化处理阶段。对于采样得到的数字信号3需要进行数字信号的预处理，用以消除由于采样引入的高频噪声，以及对信号幅值进行调整，以满足后续信号处理得需要。数字信号预处理得到的信号4进入信号判断环节，用以判定该信号是采用传统位检测方式的光盘信号5(如CD、DVD等)，还是采用最大似然部分响应PRML序列检测的高清光盘信号6(如HRD、CBHD等)，并由此进入不同的检测通道。对于传统的光盘信号5的质量检测，仍然采用抖晃值测试，计算信号的抖晃值7。而对于高清光盘信号6，则根据高清光盘的信道特性实现采样信号的时钟恢复，并根据高清光盘读取信道的冲击响应模型实现信号序列的最大似然检测。根据采用PRML检测技术的光盘信号，采用部分响应信噪比作为信号的评价参数，将检测信号的特定序列与参考序列相比较，计算两者的欧氏距离与投影噪声的方差比值8。检测结果抖晃值7和部分响应信噪比8通过显示模块进行结果显示。

上面介绍的具体实施例，仅用以帮助理解本发明的内容和精神。本实施例所采用的器件并不能用以限定本发明的保护内容。对本实施例中内容所作出的任何变化构成的设备，即所有用到本发明内容和精神的具体实施例，都包含在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (2)

1、一种高清光盘信号质量检测设备，其特征在于，该设备分成模拟部分和全数字部分两部分，其中，模拟部分包括：

运算放大器，用脉宽调制信号作为反馈输入，将输出信号幅值稳定在指定范围之间，用以补偿盘片发射率不同以及读取设备精度不足造成的信号幅值的不一致；

抗混低通滤波器，用于对运算放大器输出信号进行滤波处理；

模数转换器，将抗混低通滤波器输出信号采样成数字信号，用于后续的数字化处理；

脉宽调制电路，通过调整脉冲信号的频率和占空比实现电压值的调整，该电压值作为运算放大器放大倍数调整的反馈输入信号；

全数字部分包括：

现场可编程门阵列，用于将模数转换器输出的并行数字采样信号，并对该数字信号进行处理，得到被检测光盘的检测信号；

中央处理器，为设备总控部件，用于实现各种功能的配合和调度；

各器件的连接关系为：运算放大器、抗混低通滤波器和模数转换器依次相连，模数转换器的输出端与FPGA的输入端相连，脉宽调制电路连接在运算放大器的输入端与FPGA的输出端之间，FPGA与中央处理器双向连接；还包括分别与FPGA和中央处理器相连的辅助部件。

2、如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述辅助部件包括分别与FPGA相连的时钟振荡器和存储器，分别与中心处理器相连的扩展接口、信号输入接口和液晶显示器，设置在设备面板上的状态显示器、输入部件。

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