高级CD转盘、音频解码器、CD播放器项目 [复制链接]

年底有点时间，想做高级CD转盘、高级音频解码器、高级CD播放器来玩玩。由于CD PRO2的性能有限（具体请参看《极品数码音源系统设计与制作详解》，《无线电与电视》2006年1、3、4、5、6、12期），准备从头做起。光头准备用飞利浦的VAM1250、VAM1254。伺服电路、DSP电路准备用飞利浦（NXP）的SAA7824、SAA7826。数字滤波器准备用TI的TMS320C6720或FPGA来做，DAC打算用CS4398、WM8741、PCM1794。时钟电路准备用NS、ONSEMI的基站芯片来做。DIR接口电路准备用FPGA或WM8804、WM8805、DIR9001来做。由于TI的芯片一般出来的声音都比较干（这不是TI的错，他们是根据客户的要求故意这样处理的，音色一般由客户自己来调。），照顾到一般发烧大众，采用WM8741比较合适。工作的难点是数字滤波器和后端模拟电路。数字滤波器采用新型的DSP或FPGA来实现，可以把性能做得很好，但是并不能保证听感就好。数字滤波器的基本参数包括：阻带衰减率、通带不平度、群延时。但是根据经验，滤波器的Q值、相位特性等细节对听感的影响更大。而这些细节一般都是工程师秘而不宣的独门秘诀。成名的公司对这些细节更加是讳莫如深，绝口不会谈细节问题的。这也难怪，要想在音响行业里摸索出点门道，没有浸淫其间十年、二十年的经历是很难有心得的。一般的数字滤波器基本上都是采用线性相位的FIR型数字滤波器。从FIR型数字滤波器的结构上我们可以明显地看出，FIR型数字滤波器是有局限的。特别是高阶数的FIR滤波器，由于节点太多，响应慢、延时长而不均匀、瞬态响应不理想。因此不宜无限地加大FIR滤波器的阶数。这种不足可以适当地采用模拟滤波器来弥补。飞利浦最成功的就是因为他们的模拟技术很好，与数字技术想配合，可以达致很高的性能。模拟电路采用电子管+输出变压器的方法可以获得非常好的效果，但是成本实在太过昂贵了。
做过CD、VCD、DVD、HD DVD、蓝光DVD伺服的人可能很容易明白，影响信号数据性能的主要是这二点。一是机芯（主要是光头pick up）的Jitter，类似于LP转盘的抖晃率。二是EFM变换、去交叉交织、纠错等后端处理电路。请注意这二点，1.机芯光头出来的RF信号是模拟信号，可不是数字信号。2.机芯光头的Jitter是后端电路没有办法处理的，换句话来说，机芯光头的jitter是先天性的，没有办法处理的。Jitter性能的好坏决定了机芯的基本性能。机芯jitter的概念与数据精度、纠错处理的概念是不一样的。Jitter性能的好坏与读盘、伺服能力的好坏也是不一样的。一定范围内的机芯jitter，并不影响机芯对光盘的数据进行读出，亦不影响对数据和时钟的恢复，同时亦不影响数据的精度。但是机芯jitter偏偏对听感产生致命的影响。由于音乐是一种与灵魂沟通的艺术形式，音乐是实时、有情感的一种思想载体。作为传输音乐的，数字音频领域里采用的IIS接口，偏偏成了行业标准，用在此有其局限。因此针对上面的说明，要想做出好的CD转盘、音频解码器、CD播放器，首要的是先要找到jitter比较小的光头pick up，然后再去找伺服、DSP性能比较好的后端电路。一般来说，作为CD的鼻祖，飞利浦、汤姆逊的光头jitter都比较小。飞利浦有自己的独门技术，飞利浦的技术可以让他们合成一体化的光路，其它公司则没有这种技术。这种光路系统的动量很小，它所引起的本体jitter很小，这是其它公司的技术所望尘莫及的。测试光头的jitter有专用的jitter仪，价格在人名币30多万。一般比较规范、比较大型的机芯公司都会有jitter仪的。可惜在目前的商业社会，好的东西并不一定就能成功。飞利浦也没有例外，飞利浦在06年初就把光存储部分卖给了台湾华进了，也就是Arima，Arima主要是做DVD刻录光头和蓝光光头，量少的CD光头基本不做了。同样的，汤姆逊也把光存储部分卖给了台湾的富士康。往后想找好的CD光头更困难了。
以上是抛砖引玉，目标成本在5000元以下，希望是2000元。有一定的人数后我将开工。
有兴趣的发烧友、音乐爱好者等，请踊跃讨论、发言。只要不是人身攻击，尽管抛砖。想单独聊聊或过来一起听音乐的话也可以联系我。
我的联系资料：
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目前在东莞大朗打工，试音室在东莞塘厦

呵呵，机箱是小意思了，开模或CNC都可以的，现成的。近五万平方米的大厂，配套厂家很多，给SONY等大厂做OEM、ODM，品质就不用说了。

www.chiamaw.com.cn

做好，计算成本后才定价，在成本的基础上加20％左右。打算把高级品做成可以定做的，比如用銣钟等高级零件。

高级品推荐用这个銣钟

http://www.thinksrs.com/products/PRS10.htm

进展情况


呵呵，已经做好了二个方案，机芯用三洋的DA11和索尼的213，伺服芯片用NXP的SAA7824.方案已经卖给工厂了。目前在做第三个方案，机芯用光驱来做，软件还在调试之中。
升频处理和数字滤波器用FPGA试验后了，听感还不理想，还在改进之中。
预计要到年中才能做好。

目前在调试软件，在FPGA上运行的软件已经调试好，但是FPGA太贵，目前正在试验移植到通用芯片上运行。纠错部分和光驱的做法一样，也是带有第三层纠错处理的。读碟和伺服部分，目前在参考飞利浦和MTK的做试验。这一部分，目前在世界上，也就是飞利浦和MTK做得最好了。
模具的图纸也已经设计好，SDK套件和成品机估计要到年中才可以做好，做好后打算在材料网上开铺子来卖。尽管目前已经有套件出来了，但是在没有调试好和没有通过IEC标准测试前，我不想卖东西。我是把它当作规范的工厂产品来做的。

基于光驱的高性能音源系统

黄宗祥

长期以来，笔者一直在准备着要设计、制作一套基于光盘驱动器的CD、DVD播放器。这其中没有什么特别的原因，只是对高性能、高音质的一种追求罢了。想必大家都知道，发烧友对音质的追求是无所不用其极的，也是没有止境的。
由于生产工艺的问题，一般光盘的原始误码率大约在10ˉ4到10ˉ6之间，在一些对品质控制不严格的光盘生产线上生产出来的光盘，光盘的原始误码率比这还要高得多。这也正是同样的母带同样的节目，在不同的地方压碟时，音质不一样的最主要原因。对于计算机数据存储系统来说，真正实用的误码率要求低于10ˉ10到10ˉ12之间，也就是说要求一万亿位（10的12次方）个存储位中才允许有一个不可校正的误码位。在CD-ROM系统中，采用的误码纠错系统是交叉交织里德所罗门误码校正技术，采用这种简称为CIRC的误码校正技术后，一般可以使得数据的误码率降低到10ˉ11左右。而在DVD-ROM系统中，采用的误码纠错系统是功能更加强大的RS-PC误码校正技术。也正是因为采用了这些功能强大的误码校正技术之后，才使得光盘驱动器的误码率得以成指数倍地降低，而这些有时还往往给我们造成这样的一个错觉，那就是我们在使用光盘时，感觉到它好像不是那么精密的设备似的，对于有一般性的污迹或划伤的光盘，它照读不误。在纠错技术配合上其他技术以后的光盘系统，从宏观的效果上面来看，CD-ROM光盘上如果有2毫米的污迹或划伤，这是不会影响数据的读出的，对于DVD-ROM系统来说，这一个范围可以扩大到达到4毫米左右。
在CD-DA系统中，把帧作为存储声音数据的基本单位，每帧的数据由32个字节组成，再加上由4个字节所组成的同步和控制头文件，一共是36个字节。表1是CD-DA帧的数据结构示意图。在CD-DA系统中一般只是进行第一层和第二层纠错处理，也就是进行C1和C2解码。CD-DA的声音数据或者更准确地说CD-DA的声音数据帧，一般是先输入进C1解码器中去进行纠错处理。在C1不能对其进行纠错处理的时候，对每个字节设定一个出错标志，同时将其直接旁路出去，在这同时C1解码器也输出一个未能纠错的标志。这些未能被C1纠错的误码字节被打散成随机误码字节后，输入到C2解码器中进行纠错处理。C2解码器一般最多只能校正16帧的声音数据帧，超出了C2解码器纠错能力的声音数据帧，一般也是由C2解码器直接旁路出去，同时送出出错标志，由出错标志通知CD播放器的后续电路去采取补救的措施，比如将输出信号进行插补或进行平滑处理。经过了C1和C2解码器进行纠错处理之后，声音数据的误码率一般都可以降低到10ˉ9以下。而在CD-ROM系统中，在进行了第一层和第二层纠错处理之后，还要进行ECC/EDC分层纠错处理，也就是第三层纠错处理。经过了第三层误码校正处理后，使得数据的误码率进一步地降低，从而达到了计算机系统对数据存储的使用要求。
由于光盘驱动器比一般的CD、DVD电路增加有分层纠错电路，因此从道理上来说，光盘驱动器输出信号的误码率要比一般的CD、DVD电路为低。同时，由于在光盘驱动器和后面的接口电路之间，采用了高可靠性、高稳定性的ATAPI协议，一般也不会出现掉帧的现象。因此采用光盘驱动器时，信号的纯度要比一般采用CD、DVD机芯的电路要好得多。也正是由于这个缘故，笔者一直以来都在准备着要将光盘驱动器改为CD播放器或者DVD播放器。事有凑巧，笔者有一次到华强电子世界去逛电子市场时，在四楼的一个柜台里竟然看到只卖35元，存仓全新的40倍速索尼CD-ROM。笔者当时就买下了二台来作为改机试验之用。主要的光盘驱动器问题解决之后，陆陆续续地在二个月内终于将所有的材料备齐了，2006年暑假的时候开始进行了试验工作。
以前，笔者也曾经见到过一些发烧友，用CD-ROM来当作CD播放器或当作CD转盘来使用。一些改造得不错的CD转盘，播放出来的效果给人的感觉起初也还不错。不过当与高级CD播放器比较起来时，差距还是很明显的。在听感上给人不足的感觉主要是声音不够流畅顺滑，比较机械化。有一些直接从CD-ROM引出数字音频信号的改造机，或许是由于没有处理好接口电路和MCU控制电路的缘故吧，在听感上乏善可陈，有时还容易出现故障。
笔者这一次改机有别于这些改造方法，其实与其说改机还不如说造机来得更加真实。
图1是一般CD-ROM主要的功能方框图。
图2是整机—基于光盘驱动器音源系统的功能方框图。
表2是光盘驱动器IDE/ATAPI接口的引脚功能说明。
图3是主机与IDE/ATAPI外设之间的协议栈。
表3是CD-ROM驱动器支持的ATA、ATAPI命令集。
由于目前通用的可读写存储器的数据宽度一般为8位、16位、32位、64位这几种，尽管可以用FPGA来构造适用的可读写存储器，但是由于大门数的FPGA太过于昂贵，采用这种构造可读写存储器的方法并不经济。相反的，通用的特别是用于电脑的可读写存储器几乎是随处可见，价钱并不贵，同时价格在一天天地降低。因此在这里采用了2片三星或东芝的512M SRAM来作为数据缓存。之所以采用容量那么大的SRAM来作为数据缓冲，其目的也是要进一步地降低数据的误码率，进一步地提高数据的纯度，把各种干扰尽可能地降到最低点。
我们都知道，在CD-ROM中有各种不同的光、机、电元件。CD-ROM在读盘、读出数据时，特别是在高倍速读盘、读出数据时，主轴马达在高速旋转，激光头也在不停、不断地调整。在这个时候，CD-ROM里面可以说是各种信号杂陈，因此在一边读盘一边播放的情况之下，输出的数据信号并不是最纯粹的。为此，笔者借助电脑中读盘或下载数据的方法，设计成先将整个数据读出，然后再播放的工作模式。读盘速度可以人工调整成1倍、2倍和其他的偶数倍，机器起初则默认成40倍速来读盘。在数据传输到SRAM中的时候，笔者借助了互联网上的数据传输协议TCP/IP，在数据传输出错、中断时，可以重新发送，直到传输出完整无误的数据为止。TCP/IP协议的实现可以采用软件或硬件的方法来实现，也可以用FPGA来配置。在一二年前，韩国曾经有一家公司推出过实现TCP/IP协议的IC芯片，用在这里比较经济。要是想降低设计复杂性的话，也可以不使用这一种功能，使用TCP/IP协议，只是增加第二层保险而已。对于对网络协议，对底层编程、Windows编程、网络编程不熟悉的开发人员来说，使用的难度比较大。当CD-ROM将全部的数据读出之后，CD-ROM就进入待机或停机状态，如果在2分钟内主机没有访问CD-ROM之话，主机将关闭CD-ROM的工作电源，同时将ATAPI接口设置到高阻状态。此时对曲目的读取转移到对SRAM的数据访问之中。在SRAM中开辟一个数据栈来虚拟仿真对CD-ROM中数据的读取。由于采用高倍速来读盘，所以用不了几分种就可以将数据全部写进SRAM里，因此实际使用光头的时间并不长，CD-ROM的寿命可以大大地延长了。
类似地，在前不久，TI公司也曾经推出过一个用于车载音响的解决方案。由于音乐光盘的数据格式不同于电脑的二进制文件格式，TI是采用类似于电脑中抓轨的方法来提取音乐光盘中的声音数据。不过，笔者觉得还是采用最原始的方法来读取音乐光盘中的声音数据为好，采用这种原始的方法更直接更地道，数据的误码率更加低。采用TI的方法还会引入新的不确定性因素、新的有可能对音质产生劣化的因素，比如：在抓轨中产生的数据，数据在进行格式转化中产生的新误码率，和由此引入的一些新的不确定性因素，以及对音质有可能由此产生新的劣化倾向。不过TI作为大公司，它也是无奈的，它当然知道有这些不利因素，凭借它自身那雄厚的财力和技术实力，解决这些问题简直就是易如反掌。它之所以要这样做，主要是出于音乐版权保护的问题。呵呵，想必搞技术的发烧友都知道，当采用笔者的这种处理方法之后，再加上其他的一些处理电路以后，要拷贝一张一模一样的音乐CD，同时将一些限制的信息去掉之后，用它来当作自己的母带或作为自己的音乐素材，那简直是不费吹灰之力。更加令唱片公司感到可怕的是，你可以对其进行编辑、修整，甚至对其重新混音。由于有这些可能，那唱片公司当然不干了。话说回来，用在专业场合倒是挺合适的。
由于免除了机械部分引入的各种不良因素，从而使得信号的纯度得以大大地提高，因此声音的品质只取决于时钟电路和DAC电路、模拟电路、电源电路的品质了。由于时钟电路和DAC电路、模拟电路的功耗都比较小，因此采用了锂电池组来为其供电。最好时钟电路和DAC电路采用一组锂电池组来供电，模拟电路采用另外一组锂电池组来给其进行供电。要是模拟电路喜欢采用电子管电路之话，则另外用一组电源电路来为其独立供电。
时钟电路除了采用笔者去年介绍的TCXO、OCXO之外，在这里，笔者再给各位发烧友介绍几种廉价经济又实惠的处理方法，和几种高烧的处理方法，以及他们的选择方法。

由于不少朋友在询问机芯情况，现在说明如下：飞利浦以前的CD机芯是在中山代工，中山火炬工业区，裕兴集团下面的盛帮强点。买机芯的话可以找盛帮强点的丁经理或李先生，量少的话找深圳的代理商游先生，机芯架是佳彩在做，也可以配小机芯，爱商也做过一些。不过由于音响行业不景气，专业的机芯产线已经搬到波兰去了。找DAISY购买比较好，DAISY毕竟一直做这个专业市场。量很大的话可以找飞利浦上海公司或飞利浦香港公司，找飞利浦香港公司购买更合适。
目前已经订购VAM1202、VAM1250、VAM1254光头，估计小机芯要自己来做。已经在用三洋的DA11、DA23和索尼的213机芯在做试验。伺服芯片用合帮的和ALI的M5671、M5673。呵呵，一位做伺服的朋友说这些都是垃圾机芯，劝我不用试验了，呵呵，十几二十几块的机芯性价比高呀，试试也无妨，毕竟从01年做了R&D经理以后，我主要转做系统设计和培训、技术指导了，具体的东西摸得少了。自己正儿八经地做个项目也算是复习功课吧。

最新进展

目前在试验采用光驱来做播放器。这是第一种光驱，韩国DVS（上海方圆）的720A，英国之宝售价5万的CD机也是采用这个光驱。处理芯片在用MTK的1389和ZORAN的芯片来做，可以播放SACD、DVD Audio碟。另外也在采用信亿的IDE控制器在试验，采用信亿的IDE控制器只能做成纯转盘。