Per comprendere il funzionamento di un lettore DVD non c’è niente di meglio che una visita guidata all’interno dei suoi circuiti, partendo dal pick-up laser fino ad arrivare alle uscite audio e video. Allacciate le cinture!
Nel recente passato abbiamo pubblicato (vedi bibliografia) numerosi articoli sul DVD, alcuni dedicati espressamente al sistema di compressione video MPEG-2, altri a quelli di compressione audio Dolby Digital, MPEG·2 e DTS, altri ancora alla struttura fisica del disco.
Ora è giunto il momento di approfondire la nostra conoscenza dei lettori DVD, seguendo il percorso dei segnali al loro interno: come “cavia” abbiamo utilizzato l’ottimo Samsung DVD-909, il cui test è pubblicato sulle prossime pagine di questa stessa rivista.
Figura 1 – Schema a blocchi generale di un tipico lettore DVD, nella fattispecie il Samsung DVD-909.
In figura 1 è mostrato lo schema a blocchi del DVD-909, che utilizzeremo come mappa d’insieme per addentrarci nei blocchi circuitali principali: lettura, servocontrollo, correzione degli errori, decompressione audio e video, conversione D/A e codifica video, convers1one D/A audio.
Lettura e correzione degli errori
Analogamente a quanto avviene nei CD, anche nei DVD le informazioni assumono la forma di minuscole concavità (“pit”) che si succedono una dopo l’altra lungo una traccia continua a forma di spirale; la dimensione minima dei pit e la larghezza della traccia sono tuttavia assai più ridotte: rispettivamente 0,4 micron invece di 0,8 micron e 0,7 micron invece di 1,6 micron, così da raggiungere i 4700 megabyte per singolo strato previsti dallo standard DVD (1).
Anche nel caso del DVD la lettura avviene dall’interno verso l’esterno: se il DVD è a doppio strato la lettura passa al secondo strato cambiando la focalizzazione del pick-up e continuando quindi la lellura dall’esterno verso
l’interno.
Per quanto appena detto, la struttura del sistema di lettura di un DVD player è molto simile a quella di un CD player (2). La presenza dei pit sulla superficie del disco viene rilevata da un pick-up ottico che Invia un raggio laser sulla superficie stessa: se incontra un pit allora il raggio stesso non viene riflesso, mentre al contrario se incontra la superficie p1ana allora la riflessione è praticamente totale. In definitiva, le informazioni sono rappresentate dalla riflessione o meno del raggio laser e vengono quindi convertite in variazioni di tensione con l’ausilio di un fotodiodo.
In pratica, il diodo laser genera un raggio di luce coerente che viene frazionato in tre parti da una griglia ottica a diffrazione, così da facilitare (come vedremo tra poco) le operazioni di messa a fuoco e inseguimento traccia; questi tre fasci dapprima attraversano un prisma semiriflettente, un collimatore ed un filtro polarizzatore e quindi vengono focalizzati sulla superficie del disco da un micro-obiettivo.
I raggi riflessi dallo superficie liscia, dopo aver attraversato in senso inverso il pick-up, sono deviati dal prisma semiriflettente verso un gruppo di 6 fotodiodi (A, B, C, D, E, F) disposti secondo uno schema prefissato. Il raggio centrale (quello che ha il compito di rilevare i dati) colpisce i fotodiodi A, B, C e D, le uscite dei quali sono connesse in modo tale da formare sia un segnale pari alla somma A+B+C+D, denominato RF e corrispondente ai dati registrati sul DVD, sia un segnale “errore di messa a fuoco” (A+D)-(B+C), positivo se il pick-up è troppo vicino al disco (il raggio viene distorto e colpisce con maggiore intensità i diodi A e D), negativo se il p1ck-up è troppo lontano dal disco. I due raggi laterali E ed F, posti lateralmente, servono a mantenere perfettamente “in traccia” il raggio centrale quando si legge un CO: se il raggio principale è centrato allora i due raggi ausiliari incidono sul disco esattamente tra una traccia e l’altra, e quindi vengono interamente riflessi, generando così un segnale “errore di tracciamento” E-F perfettamente nullo; se invece il raggio centrale è spostato lateralmente, E-F avrà un valore positivo o negativo a seconda della direzione dello spostamento.
Quando si legge un DVD, invece, il segnale “errore di traccia” viene generato dalla differenza di fase tra A+C e B+D. In figura 2 è mostrato lo schema interno dell’integrato KS 1461, di produzione Samsung, che ha il compito
all’interno del lettore DVD-909 di trattare i segnali A, B, C, D, E, F provenienti dal pick-up e di generare i segnali errore di messa a fuoco ed errore di traccia.
Figura 2 – Il primo blocco incontra il segnale proveniente dal pick-up laser è costituito dall’amplificatore RF.
Il KS1461 opera in stretta collaborazione con il chip che si occupa dei servocontrolli, vale a dire il KS1452; insieme a pochi altri circuiti integrati (vedi fig. 3) controllano il corretto funzionamento del sistema di lettura, generando dei segnali che controllano la messa a fuoco del pick-up laser (tramite una bobina mobile solidale all’obiettivo, in grado di spostarlo sull’asse verticale), il tracciamento (un’ ulteriore bobina mobile sposta finemente l’obiettivo sull’asse orizzontale, mentre aggiustamenti più sostanziosi si ottengono spostando tutto il pick-up) e la velocità di rotazione del disco (il segnale di controllo agisce direttamente sul motore di rotazione).
Figura 3 – Circuiti di servocontrollo del Samsung DVD-909.
Per mettere in grado il sistema di lettura di svolgere correttamente il suo compito anche in presenza di graffi e/o impurità della superficie del DVD, il segnale digitale contenente l’informazione audio viene opportunamente codificato e modulato prima della sua registrazione sul disco. Il codice di rilevazione e correzione degli errori adottato nel sistema DVD è un evoluzione (dieci volte più efficiente, secondo i suoi ideatori) del Cross Interleave Reed-Solomon separati da uno stadio di “cross-interleaving” (interfogliamento incrociato: i dati appartenenti a campioni originariamente vicini vengono allontanati cosicché un grosso “buco” corrisponde in realtà a più “buchi” fisicamente separati e di monore entità, e quindi più facilmente correggibili).
Il flusso di dati passa inoltre attraverso un modulatore 8/16 che trasforma ogni parola a 8 bit in una da 16 bit con l’aiuto di una specifica tabella di equivalenza, realizzata in modo tale che nel segnale modulato non vi siano “1” consecutivi oppure lunghe sequenze di “0”, che potrebbero rendere difficoltoso l’inseguimento della traccia. Rispetto alla modulazione EFM (“eight to fourteen modulation”, vale a dire “modulazione otto a quattordici”) del sistema CD, il nuovo schema incrementa la densità dell’informazione del 7%.
Nel Samsung DVD-909 il compito di demodulare il segnale e correggere eventuali errori di lettura è affidato al chip “DVD data processor” KS1453 (fig. 4), che si avvale dell’aiuto di una memoria buffer da 4MB, necessaria anche per assorbire le differenze tra il “transfert rate” di lettura e quello richiesto dal circuito di decodifica audio/video.
Figura 4 – Schema a blocchi del chip “DVD data processor” KS1453.
Decodifica e conversione D/A
Dopo essere stato letto e demodulato, il segnale digitale dev’essere separato nelle sue componenti audio e video e quindi decodificato (com’è noto, la codifica video è la MPEG-2 mentre quella audio può essere Dolby Digital,
DTS, MPEG-2 o semplicemente PCM a due canali (3)(4), prima di poter essere convertito in analogico ed inviato alle uscite audio e video.
Nel Samsung DVD-909 la decodifica è affidata ad un circuito integrato dell’ultima generazione realizzato dalla specializzatissima C-Cube, lo ZIVA-3, il cui schema a blocchi è mostrato in figura 5.
Ficura 5 – Schema a blocchi del decoder audio/video ZiVa-3 di C-Cube, vero e proprio “cuore” dei lettori DVD che lo adottano.
Il segnale proveniente dal KS1453, dopo essere stato decriptato CSS (“Content Scrambling System”, un sistema di anticopia digitale che rende impossibile la lettura diretta dei ” file” dal DVD), viene separato nelle sue componenti audio e video. La porzione della componente video contenente le informazioni cinematografiche viene decodificata MPEG-2 e quindi miscelata al segnale video “subpicture” ed a quello contenente i menu video generati dal lettore stesso (OSO, “On Screen Display”).
L’ uscita, a 8 bit, del mixer video viene quindi inviata al codificatore PAL/NTSC SAA7128, che provvede anche a rendere impossibile la copia analogica (con l’aiuto del circuito Macrovision, che inserisce nel segnale dei burst
di colore che “disorientano” i circuiti di sincronizzazione e di regolazione automatica del livello di registrazione dei videoregistratori) ad innalzare a 10 bit la lunghezza dei campioni video e quindi ad effettuare la conversione in
analogico del segnale video con l’ausilio di convertitori D/A a 10 bit (vedi fig. 6).
Figura 6 – Schema a blocchi del codificatore video SAA7128.
Per quanto riguarda invece il percorso del segnale audio digitale, questo prende vie diverse a seconda che sia compresso o meno: nel primo caso lo ZiVA-3 provvede ad effettuare la decompressione Dolby Digital/MPEG-2 e
quindi ad inviarlo ai tre convertitori D/A a due canali AK4324 relativi alle sei uscite Front-L, Front-R, Surround-L, Surround-R, Center, Subwoofer; se il segnale è invece stereofonico (ovvero se proviene da un CD o da un DVD
con audio PCM a due canali) allora viene inviato al quarto convertitore AK4324, relativo all’uscita UR.
Figura 7 – Schema a blocchi del convertitore D/A audio duale AK4324.
Gli AK4324 (il cui schema a blocchi è visibile in fig. 7), di produzione AKM, sono dei convertitori sigma/delta a 24 bit/96 kHz con gamma dinamica pari a 105 dB e sovracampionamento 128x, dotati di filtro passa-basso del secondo ordine (probabilmente a capacità commutate) realizzato in modo tale da essere molto tollerante al jitter (l’oscillazione del clock sull’asse temporale che può gravemente inficiare le prestazioni di una sezione di conversione D/A), vera e propria “bestia nera” dei convertitori “a 1 bit”.
di Roberto Lucchesi
da Digital Video n. 5 settembre 1999
