光碟机基本原理seminar.docx
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光碟机基本原理seminar
第2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（datatransferrate）及数据存取时间（accesstime）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MPEGⅡDECODER，强调画质分辨率（resolution）及DOLBYAC-35.1-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780nm之CD及650或635nm之DVD两大类，
2.1DVD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。
DVD
CD
Diskdiameter
120mm
120mm
Diskthickness
0.6mm×2
1.2mm
Dataareainnerdiameter
48mm
50mm
Dataareaouterdiameter
116mm
116mm
Doublelayers
Yes
No
Doubleside
Yes
No
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1.6μm缩小到0.74μm，最小记录蚀刻长度由CD之0.83μm缩小到0.4μm，如下图所示。
（2.1）
λ:
雷射光波长
NA:
物镜（ObjectLens）之数值口径（NumericalAperture）
图2.2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2.2CD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。
另外加上高速缓存（CACHEBUFFER），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
光驱在光学机械方面可分成四个部分:
（a）学光读取头（pickuphead）:
负责读取数据及控制讯号之重要组件。
（b）光学头传动机构（sledmechanism）:
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（spindlemotor）:
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（loadermechanism）:
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:
●RFSignalProcessor（RFSP）
●DigitalSignalProcessor（DSP）
●ServoSignalProcessor（SSP）
●Tracking/FocusPowerDriver
●Sled/TrayMotorDriver
●SpindleMotorDriver
●CenterProcessingUnit（CPU）
●ReadOnlyProgramMemory（ROM）
●PowerSupply
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），能接受来自电控部分之电器讯号，将物镜（objectivelens）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（laserdiode）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（photodiode），检测出数据讯号与聚焦误差（focuserror）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（focuserror）及循轨误差（trackingerror）讯号送给电控部分之SSP，SSP既是控制系统之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（powerdriver），对读取头上致动器作聚焦及循轨之定位伺服控制（servocontrol），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2.5PICKUPHEAD部分
图2.6DSP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
●Focusservo
●Trackingservo
●Seekservo
●Spindleservo
由于主轴马达之轴垂偏角（shaftangle）、光盘片无法理想之平坦（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（externalshock），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（focusservo）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（trackingservo）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（seekservo）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（averageaccesstime）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,constantlinearvelocity）或角速度恒定（CAV,constantanglevelocity），二者皆须有主轴伺服（spindleservo）系统来控制。
各个系统之动作流程为:
首先必须FOCUSSERVO先锁上，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TRACKINGSERVO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SPINDLESERVO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，TRACKINGSERVO之循轨工作暂时停止、FOCUSSERVO必须依然保持锁上状况下，SEEKSERVO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TRACKINGSERVO及SPINDLESERVO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（focusservosystem）
2.3.1受控厂（plant）
PICKUPHEAD内之聚焦致动器（focusactuator）大多使用音圈马达（voicecoilmotor）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、聚焦、远焦时，反射回四个感光二极管（photodiodeABCD）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（focuserror）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，FE<0。
当聚焦远焦时，光点呈横椭圆形，A、C感光二极管输出量较大，FE>0。
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（leadlagcompensator），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（phasemargin），提高系统稳定度。
下图为一光驱聚焦控制器之波得图（bodediagram）。
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，PICKUPHEAD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PICKUPHEAD而异，记载于PICKUPHEAD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。
CD
DVD
Max.vert.wobble
±500μm
±300μm
Maxvert.acceleration
10m/s2
8m/s2
Allowedfocuserror
±1μm
±0.3μm
表2.3聚焦系统设计规格
图2.14聚焦系统设计规格
（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（phasemargin）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、
、ωg为增益交越频率。
因
，令
令闭回路转移函数规格为
→
，ω=ωg
→
，ω=ωg
→
，ω=ωg
→
，ω=ωg
由相位边限定义知
，ω=ωg
→
，ω=ωg
→
，ω=ωg（2.8）
2.4寻轨伺服系统（trackingservosystem）
2.4.1受控厂（plant）
PICKUPHEAD内之循轨致动器（trackingactuator）与聚焦致动器相同使用音圈马达（voicecoilmotor）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-beammethod），DVD因轨距更小，大多使用相差法（DifferencePhaseDetection）。
（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，Ｅ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，Ｅ、F反射量相同，TE=0。
如下图中（b）所示，当雷射光打在轨道偏右边时，由于Ｆ光束落在轨道与右邻轨道之间，Ｆ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，TE<0，当物镜在轨道偏右时，TE>0，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DVDSpecificationsforRead-OnlyDiscPart1PhysicalSpecification。
2.4.3控制器（controller）
与聚焦系统所使用相位领先落后补偿器（leadlagcompensator）相同。
2.4.4系统方块图
由于光盘片上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PICKUPHEAD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PICKUPHEAD循着轨道缓慢向外圈移动。
综合上面三小节之讨论，可以绘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PICKUPHEAD而异，记载于PICKUPHEAD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。
CD
DVD
Max.eccentricity
±70μm
±50μm
Maxradialacceleration
0.4m/s2
1.1m/s2
Allowedtrackingerror
±0.1μm
±0.022μm
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。
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