光盘生产中的常用检测仪－电信号检测仪

1 引言

光盘检测是光盘质量控制中的重要环节，是产品分级，市场准入的重要判别手段。光盘检测包括在线检测和离线检测，在线检测是光盘生产过程中不可或缺的重要环节，伴随着光盘生产的每个工艺步骤；离线检测是光盘工艺调整、光盘质量评判的重要手段。光盘检测仪按其使用方式可分为在线检测仪和离线检测仪，按其检测参数可分为电信号检测仪和光学信号检测仪。

电信号检测仪通常为离线检测仪，主要检测完成盘的播放性能，通常以国际工业标准（例如CD-Audio的红皮书）为依据，电信号检测仪也包括Master检测仪，Stamper检测仪，以及ECC校验等检测仪。本文所指电信号检测仪具有普遍意义，仅指完成盘的电信号检测仪。

光学信号检测仪主要用于控制光盘生产中各个工艺环节，分为在线检测和离线检测两种：在线检测仪一般称为在线扫描仪（In-line scanner），包括空白盘扫描仪，染料扫描仪，溅镀后盘片扫描仪，粘结层扫描仪等，可在线监视盘片生产工艺，检测盘片自身的物理缺陷。离线光学检测仪不但具有在线扫描仪的检测功能，并能给出更全面的盘片质量及工艺性能的评价。

光盘电信号检测仪又可分为：只读光盘检测仪，可写光盘检测仪（包括变功率检测仪），二者的结构、原理类似。本文主要介绍只读光盘电信号检测仪的检测原理、硬件结构、软件功能。

2 光盘信号读出及参数检测原理

光盘工业自上世纪80年代以来迅速发展，得益于光盘工业所依赖的标准和格式。这些标准和格式为CD/DVD在信息交换领域成为低成本高可靠度的传播媒介开通了道路。各类光盘，如CD-Audio，CD-ROM/Vedio，CD-R/RW，DVD-Audio/ROM/Vedio，DVD±R/RW，DVD-RAM，DVR，都有其工业标准。

2.1 光盘信号读出原理

以CD-Audio为例，其工业标准为红皮书。红皮书中详细描述了CD-Audio的物理规格、信号参数、编码、调制、纠错。图1给出了CD-Audio的信号流程和参数检测原理。

图1 光盘信号读出及电信号参数检测原理图

其中A1，A2，A3，A4是4象限探测器，B=A1+A2+A3+A4；C= (A1+A4)-(A2+A3)；D=ΔΦ[(A1+A4)-(A2+A3)]；聚焦伺服采用差分相位DPD法跟踪。

只读光盘检测参数（以CD-Audio/CD-ROM为例）可分为光学参数，机械参数，电信号参数。光学参数包括反射率、翘曲、双折射等参数，可利用光学信号检测仪检测；机械参数包括起始导入、数据区起始、起始导出，可利用光学头上的径向位置传感器（专用光驱上配备）来确定；电信号参数的检测原理在图1中给出。

电信号参数可分为：伺服参数，高频信号参数，抖晃参数，误码参数。电信号检测仪的检测原理与普通商业光驱的读出原理近似，盘片信息面上的信息经光通道和电通道后复原：物镜出射的聚焦光束，穿过透明PC基片，在盘片的信息面（紧邻反射层）上发生衍射，衍射后返回物镜的光功率按照编码后的音频信息调制，调制后的光电流被称为高频信号HF，经半透半反镜反射，被四象限或六象限探测器接收；信号经前置放大器AMP预放大；由于光通道的光学传递函数具有高通特性，因而需要均衡器Equalizer抑制高频分量（如I3），以降低误码率，并提高信噪比；限幅器Slicer产生二值化分割信号（0、1信号）；解调器Demodulator对二值化信号（EFM信号）进行8-14解调；解码器Decoder对信号进行CIRC双层解码纠错后，得到了复原信号；对于CD-Audio，在数模转换后，输出到扬声器中就可再现录制前的音乐；而对于VCD，需经过MPEG2解码，就能得到录制前的影音节目。

光盘的伺服系统包括3部分：寻道伺服、聚焦伺服和主轴CLV伺服。寻道伺服（径向伺服）的主要目的是驱动光学头以最短的时间由现行轨道运行到目标轨道，并保持在轨道中心，避免信号间的串扰和信号电平的降低。检测跟踪误差可用单光束法和3光束法，推挽法属于单光束法，将光探测器分为2部分，在跟踪良好时两部分输出相等；若光点偏离轨道时两部分输出不相等。聚焦伺服（垂向伺服）系统的功能是使激光束的焦点准确落在光盘记录面上。并使光点随着光盘的转动与偏移，自动的跟踪记录面运动，使记录面保持在焦点的焦深范围内。CLV伺服（切向伺服）的目的是使读写光点的扫描速率与原记录的时基一致。

寻道伺服参数ECC、RN、RA从径向跟踪误差信号中获取。推挽信号PP和PPC在径向跟踪伺服开环情况下测量，偏心ECC的简化测量方法也在开环情况下进行。聚焦伺服参数DEV、VN、RA从聚焦跟踪误差信号中获取。图1中并没有给出伺服信号串扰XT，XT是在开环情况从高频信号中获得。

利用示波器观察均衡化前的高频信号（EFM随机信号），可在示波器屏幕上得到网眼图，观察网眼图中的信号轨迹，如清晰规则，表明误码率小。通过示波器的网眼图或者高频信号检测装置可确定高频信号I3，I11，Itop，Asy。利用时距分析仪TIA可测量高频信号的抖晃参数：盘片上信息坑和信息岸的扫描长度的标准偏差Jitter和长度偏差Length Dev，是对坑形结构分布的检测。

数字光盘在信号的编码和解码中为了有效的纠正随机误码和突发误码，采取以CIRC命名的两级误码修正系统，在编码时由C2和C1两个CIRC编码器组成，在解码时由C1和C2两个CIRC解码器组成。误码参数包括E11~E21、BLER、BERL，可由解码器的输出信号经处理后得到。

2.2 光盘电信号参数检测原理

光盘电信号参数的检测包括：高频信号的幅值特性、高频信号的脉宽特性、伺服信号、误码信号的测量和分析。以下仅对高频信号幅值特性、脉宽特性的检测原理作简单介绍。

2.2.1 高频信号的幅值特性检测

高频信号的幅值特性是指均衡化前的EFM信号的各个频率幅值特性。由于光学系统的光学传递函数MTF具有低通特性，使得HF信号中不同频率的信号幅值不同，这种幅值特性是光盘质量的重要衡量标准。依据CD和DVD盘片的信号频率和精度要求，采用不同的幅值特性检测方法。

对于CD系统，由于信号频率相对较低，分辨度较高，故幅值特性的检测主要是通过频率分离和双峰检测的办法，其结构如图2所示。

图2 CD光盘高频信号幅值特性检测原理图

在CD光盘高频信号幅值检测单元中，高频信号首先输入前置放大器，然后信号进入频率分离电路，该电路对高频信号的高频和低频分量进行分离。由于在光盘播放系统中的低频分量（I11）的幅值最高，所以在幅值测量中对于低频量的分离无特殊要求。但高频分量（I3）幅值最低，所以要获取准确的I3幅值，就必须对高频信号进行滤波，滤去其它频率分量。实际采用的是分离点在700kHz的四阶巴特沃斯滤波器，在频率分离后进入双峰检测模块。检波得到的正负峰值通过AD采集系统输入计算机，双峰值检波技术使检测信号的频率降低，因此可采用一般的AD采集系统，例如：12位AD采集卡，转换时间25ms，采集卡系统误差小于0.1%。输入计算机的数据需进行数字滤波以滤除干扰和噪音信号，使测量数据稳定。数字滤波可采用4阶有限冲激低通滤波器，截止频率100Hz。滤波后的数据通过运算，便可以得出盘片的Itop、I3/Itop、I11/Itop等反映盘片信号记录质量的技术指标。

对于DVD光盘，由于高频信号的频率更高，分辨度更小，所以采用脉宽触发，多点平均的办法。图3显示的是DVD光盘高频信号的网眼图，I3的幅值明显小于I14的幅值。这是因为在DVD盘片系统设计上，为了获得更高的存储密度，使3T的坑长更为接近空间截止频率，即DVD系统留有更小的余度。由此，DVD系统使用频率分离方法来检测幅值比较困难。比较精确的测量方法就是采用脉宽触发的方式，测量每一次脉宽的幅值，并对几次测量值进行平均。图4所示，利用数字示波器检测DVD信号I14H，示波器屏幕上图是高频信号，下图是二值化信号，触发方式为：大于500ns（14T脉宽为532ns）。当信号脉宽大于500ns时，则为DVD的14T信号，测量其幅值I14H。

图3 DVD级HF信号的网眼图

图4 DVDHF信号的测量

（DL1540示波器工作界面）

2.2.2 高频信号脉宽特性检测

脉宽特性实际上反应的是读出信号的时间长度特性，它是盘片中信息符长度特性的直接体现，通常用抖晃（Jitter）来衡量。抖晃的概念源于数字通信领域，反应信号相位或频率相对理想时钟的偏离程度。从数据探测原理可知，高频信号的脉宽变化对数据的探测非常关键。因此，如数据抖晃特性差，必导致高误码率。抖晃是HF信号评价的最为重要的参数之一，受到光盘读写过程中介质噪声、激光功率和光束宽度的波动、主轴转速的波动及码间干扰等因素的影响。读出信号的抖晃反应了信号质量，对于数据的正确恢复产生直接影响。基于盘片种类不同，抖晃的定义也不同。在CD光盘的规范中使用的是数据对数据抖晃（Data to Data Jitter）而DVD光盘使用的是数据对时钟抖晃（Data to Clock Jitter）。下面就两类抖晃的定义和检测进行介绍

CD光盘规范中定义了数据对数据抖晃，包括两个指标：长度偏差和数据抖晃，如图5。在CD光盘规范中定义为在参考扫描速度和设定的高频信号的限幅电平下，特定的3T～11T坑或岸的平均时间长度为作用长度，反应信息符长度的平均值，作用长度与理想长度的偏差就是长度偏差 Length DEV。数据抖晃Jitter是指特定的3T～11T坑或岸时间长度变化的标准偏差（1s值），表明被检测的N个脉宽的一致性。

图5 抖晃及长度偏差的定义

在检测脉宽时，采用时钟计数法，其原理如图6所示。用二值化的高频信号的上升、下降沿来控制计数器的开关，通过计算计数脉冲数目就可以得出高频信号的宽度，从而得到信息符的长度信息，判定信息符的质量。只要填充脉冲具有足够高的频率，就可保证这种检测方法具有足够高的精度，并利用软件处理数据，就可得到抖晃和长度偏差。

图6 高频信号脉宽检测原理

图7 脉宽检测模块框图

由于均衡器能改善读出信号的抖晃特性，为准确反应信息符质量，数据对数据抖晃所选用的信号应为均衡化前的高频信号。读出的高频信号是模拟信号，不能直接用于脉宽检测，应当先对信号进行二值化处理，将其转换成数字信号后再进行测量。脉宽检测模块的框图如图7。

滤波器主要用于去除高频信号中的直流分量，同时也去除高频噪声的影响。限幅器实际上是一个电平比较器，通过输入信号与判定电平比较，产生二值化信号。限幅器与电平判定反馈电路一起，组成自适应限幅器，根据输入的高频信号实时地调整判定电平。图8显示了电平转换前和转换后的HF信号。

图8 电平转换实测结果

（“1”是电平转换前的信号；“2”是电平转换后的信号）

二值化的高频信号进入计数器，就可进行脉宽测量。脉宽测量时采用标准高频时钟信号，在高频信号电平为高或低期间控制高频计数器计数，由计数器的输出即可得到高频信号脉宽的信息。其检测原理框图如图9所示。测量脉宽时可以选择测量高频信号的高电平或低电平脉宽（对应信息符的岸或坑）。

图9 HF信号脉宽测量电路原理框图

在DVD盘片中，抖晃主要指数据对高频信号再生锁相环（PLL）时钟的抖晃(JCL)。这个参数表示二值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。PLL时钟从二值化高频信号数据流中产生。PLL时钟从高频信号中再生，用以判定信号长度，所以测量信号的上升和下降沿与PLL 时钟上升沿的间距，即可有效判定信号一致性。如图10所示，数据对时钟抖晃的定义式为： ，式中Jt是数据边沿（上升或下降）对于邻近PLL时钟上升沿的时间间隔Dt分布的标准偏差s。Tw是PLL时钟的周期。由于JCL为两个具有相同量纲的量的比值，所以没有单位，常用百分比来表示。JCL不区分坑/岸以及nT值，表征综合的抖晃特性。

图10 数据对时钟的抖晃定义示意图

图11 JCL分布图

DVD光盘的信号频率比CD更高，数据对时钟的抖晃由两信号之间的时间间隔差统计计算产生，为保证精度选用时距分析仪（TIA）来完成此项检测。图11选用的是横河电机的TA320型时距分析仪，测量分辨率和内部抖晃分别为100ps和300ps，都小于被测量JCL一个数量级（在标准扫描速度下，DVD光盘的Jt在4ns左右，而PLL时钟的周期Tw为38ns左右）,满足检测精度的要求。此外14MS/s的连续采样率，保证了足够大的连续测量区间。将均衡完的高频信号和再生的PLL信号输入TIA内，测量和统计每一次高频信号的边缘与相邻PLL时钟上升边缘的时距。其分布近似于一个正态分布（如图11），此正态分布的标准偏差s即Jt。同时，TIA测量PLL时钟的周期Tw，可得DVD抖晃JCL的值。

3 电信号检测仪的结构和工作原理

光盘电信号检测仪包括信号读出部分和信号测评两个部分。其中信号读出部分在前面已经给出（如图1所示）。信号测评部分主要是对HF信号的幅值特性、脉宽特性及伺服信号、误码信号的测量和分析。读出信号质量不仅与光盘的质量相关，也取决于光学读出系统波长、数值孔径、象差以及聚焦、跟踪和主轴伺服系统的精度。因此，为了更为准确的反映盘片特性，检测仪的信号读出部分需要更高的精度。检测仪主要硬件包括：光驱，时距分析仪（或时距分析板），数字示波器（或高频信号测试板），PC，打印机等设备。

光驱是检测仪读出信号的执行机构。CD电信号检测仪的光驱通常选用Philips公司精选的CDM系列光驱：CDM-4和CDM-12。CDM-4光驱采用单光束式光学系统，其特点为：抗指纹、污迹干扰能力强；容易受盘片倾斜和信号凹坑深度的影响；伺服电路复杂。Philips的CDM-12光驱采用三光束式光学系统。3光束中，主光束用于拾取主信号，两束辅助光束用于检测跟踪误差信号。其特点为：伺服电路简单、稳定；需要用衍射光栅分束，光学系统稍长；容易受光盘上指纹、污迹的影响。

DVD电信号检测仪的光驱通常选用 Pulstec公司生产的DVD光驱。Pulstec DVD驱动器用于DVD Forum组织进行测试和传播DVD标准，是DVD领域的标准和基准。Pulstec光驱同普通的光驱相比具有较高的重复性精度，并且有翘曲调整功能，在测量抖晃时需要调整光学头角度，以补偿盘片翘曲对测量的影响。Pulstec光驱主要包括DDU1000，SDP1000。DVD Forum的认证实验室使用DDU1000，DDU1000可对转轴上的角度调整平台作径向和切向的角度调整，分别为±1o。一般DVD检测仪使用SDP1000，SDP1000能作径向角度调整，可调整±1o。Pulstec光驱价格较高，造成检测仪的成本较高，使一般厂家难以接受。采用以下方法可以解决这一问题：在检测仪中使用1个Pulstec光驱和若干个 Philips精选DVD光驱，同时测量一条生产线的盘片，每个光驱测量盘片的一部分数据，并用Pulstec为基准修正检测结果。这样既可确保较高的检测精度和检测效率。

时距分析仪TIA用于抖晃和作用长度的检测、分布图的显示、统计和分析。TIA由计数器回路和可以记忆大量检测结果的内存构成，计数器用于检测周期和脉宽。衡量TIA检测功能的主要规格： 检测分辨率、 内部 Jitter、 采样率。TIA一般配有专门的软件用于光盘波形实用分析。数字示波器用于分析波形，要求具有高的数据采样率，和高的数据处理能力。时距分析仪和数字示波器不是必须的，为节省成本、压缩体积，检测仪的开发商通常采用高性能的信号处理板来替代。

图12所示为清华大学光盘国家工程研究中心独立开发完成的DVD光盘信号检测系统 JMY2000 2.0版，并投入使用。光驱采用Pulstec SDP 1000，示波器采用横河电机DL1540，时距分析仪采用横河电机TA320，信号处理板具有两个作用：提取盘片旋转圆周位置信号，为数字示波器提供触发信号；信号选通作用。计算机担任人机交互、测试控制作用，并向显示器或者打印机上输出测试报告。其工作原理为：计算机通过串口（RS232）1控制SDP 1000驱动器，使其执行预定的动作；误码信号通过串口1返回计算机；高频信号HF，和伺服信号切向推挽TPP、径向推挽RPP、差分信号DPD、串扰信号TCS、径向跟踪误差信号TES、聚焦跟踪误差信号FES输入到信号处理板，信号处理板进行处理后通过BNC输入到数字示波器；计算机通过串口2控制信号处理板上的选通开关，选择输入到示波器的信号；均衡化后的高频信号和再生PLL时钟信号，通过BNC输入到时距分析仪，测试DVD的抖晃JCL；计算机通过GPIB接口对数字示波器和时距分析仪进行控制，并接收、处理测试结果，得到DVD电信号参数。在图12所示的系统中，借助SDP 1000驱动器的径向位置传感器，也可测试盘片的机械参数，例如起始导入、层0信息区起始等。

图12 DVD光盘信号检测系统

4 检测仪软件及检测仪的校准

光盘检测仪应具有功能强大的软件部分。

光盘媒体的高速发展和综合性趋势需要强有力的工具进行精确、严谨的分析。检测软件的设计原则是：确保最大限度的开发检测仪各部分硬件配置的综合功能。检测软件应具有高度的适应性、灵活性和人机交互性，最大限度的方便用户使用；对现有各种光盘媒体类型应具有高度的兼容性；对于光存储技术的发展，包括高速驱动器读出、新媒体类型的出现等都需要检测仪软件具有升级的能力。

一般电参数检测仪的检测类型可分为：完全检测、局部检测、快速检测、分离检测。完全检测：检测整个盘。检测时间等于总的播放时间加上另外的用于测量机械参数、伺服参数和抖晃参数的时间。局部检测：对比较明确的区域进行检测。操作者能够指定明确的检测区域以及每个区域检测时间长度，并可以定义几个区域。快速检测：能迅速给出盘片质量的一个充分的概观。不提倡使用多倍速检测，因为无法保证检测结果的准确性和可比性。分离检测：当检测仪具有两个或更多的光驱时，可以同时对具有相同内容表的几个盘片进行高速检测或局部检测，以提高检测速度。

检测结果以数据表格，图形曲线，柱状图，表面演示化（Surface Presentation，表面演示化是图表和数值的有效叠加，以盘片的几何图形为背景，在上面描绘出参数的分布图。不同的参数值用不同的颜色或不同的灰度表示，通过研究参数变化产生的图案可以很容易的检测许多工艺特性）的形式表达出来。对于高频信号、误码信号、抖晃参数可在盘片上连续的读出检测。对于伺服信号，一般在盘片上选择若干点进行检测。

光盘检测仪一般采用模块化设计，依据检测仪软件的兼容性，在一个主系统上可以挂上多个功能模块。实现多个/种盘片的检测。

检测仪必须具有校准功能。每一台播放器单元都是一套非常精密的检测仪器，必须定时进行校准。检测仪出厂前必须进行校准。校准的原因：光学系统的机械偏差，影响信息层的光点位置和波前方位；激光二极管的老化，影响高频信号；悬臂的机械参数，光学－机械传感器和伺服电路的偏差，影响伺服信号和其他机械信号。

为了消除在不同检测仪中检测结果中可能出现的差异，降低检测仪的系统误差，检测仪应用基准盘校准。预定义基准盘的参数，通过基准盘的检测结果修正检测仪的检测。校准盘和校准程序是保证检测系统稳定性及良好复现性的重要手段。校准盘是系统的基准，应是权威认定的，并要精心保存。CD类光盘的校准盘选用Philips公司的系列标准校准盘。DVD类光盘的校准盘可选用Sony公司的一套校准盘（经DDU 1000检测）。校准完成后，检查校准指标是否超出允许范围，更新校准系数文件。03-5（作者：清华大学光盘国家工程研究中心 岳宏达）

1. 影视制品出版
2. 音像教材出版
3. 软件出版

1. 电子教材出版
2. 图书出版
3. 光盘生产中的常用检测仪－电信号检测仪