第10章光盤存儲器匯總

1、第 10章 光盤存儲器如何記錄“0”和“1”，如何提高單位面積上的記錄密度是計算機工業(yè)中的一個非常重要的技術(shù)研究和開發(fā)課題。在半個世紀中，科學(xué)家和工程技術(shù)人員開發(fā)了許多的記錄技術(shù)，從電子管到半導(dǎo)體存儲器，從磁記錄到光記錄都取得了輝煌的成就。光記錄是20世紀 70 年代的重大發(fā)明，是80 年代世界上的重大技術(shù)開發(fā)項目，是90 年代得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)。本章將從 CD到DVD勺發(fā)展過程中所采用的一些技術(shù)作一個介紹。10.1 CD 簡歷10.1.1 CD 工業(yè)史上的幾件大事20 世紀 70 年代初期，荷蘭飛利浦(Philips) 公司的研究人員開始研究利用激光來記錄和重放信息，并于1972 年 9 月

2、向全世界展示了長時間播放電視節(jié)目的光盤系統(tǒng)，這就是 1978 年正式投放市場并命名為LV(Laser Vision) 的光盤播放機。從此，利用激光來記錄信息的革命便拉開了序幕。它的誕生對人類文明進步的影響，不亞于紙張的發(fā)明對人類的貢獻。大約從 1978 年開始，把聲音信號變成用“1 ”和“0”表示的二進制數(shù)字，然后記錄到以塑料為基片的金屬圓盤上，歷時4年，Philips 公司和Sony公司終于在1982年成功地把這種記錄有數(shù)字聲音的盤推向了市場。由于這種塑料金屬圓盤很小巧，所以用了英文 Compact Disc 來命名，而且還為這種盤制定了標準，這就是世界聞名的“紅皮書 (RedBook)標準

3、”。這種盤又稱為數(shù)字激光唱盤(Compact Disc-Digital Audio , CD-DA溫。由于CD-DA能夠記錄數(shù)字信息，很自然就會想到把它用作計算機的存儲設(shè)備。但從CD-DA過渡到CD-ROMt兩個重要問題需要解決：計算機如何尋找盤上的數(shù)據(jù)，也就是如何劃分盤上的地址問題。因為記錄歌曲時是按一首歌作為單位的，一片盤也就記錄20首左右的歌曲，平均每首歌占用30 多兆字節(jié)的空間。而用來存儲計算機數(shù)據(jù)時，許多文件不一定都需要那么大的存儲空間，因此需要在CD盤上寫入很多的地址編號。把CD盤作為計算機的存儲器使用時，要求它的錯誤率(10-12)遠遠小于聲音數(shù)據(jù)的錯誤率(10 -9) ，而用當

4、時現(xiàn)成的 CD-DA技術(shù)不能滿足這一要求，因此還要采用錯誤校正技術(shù)。于是就開發(fā)了“黃皮書 (Yellow) 標準” 。遺憾的是，這個重要標準只解決了硬件生產(chǎn)廠家的制造標準問題，也就是存放計算機數(shù)據(jù)的物理格式問題，而沒有涉及邏輯格式問題，也就是計算機文件如何存放在CD-ROM上，文件如何在不同的系統(tǒng)之間進行交換等問題。為此，在多方努力下又制定了一個文件交換標準，后來國際標準化組織(International Standards Organization , ISO)把它命名為 ISO 9660 標準。經(jīng)過科學(xué)技術(shù)人員以及各行各業(yè)人員的共同努力，終于在1985 年前后成功地把- 貳佰零陸-CD-R

5、O雌向了市場，從此 CD-ROME業(yè)走上了康莊大道。10.1.2 CD 系列產(chǎn)品自從1981年激光唱盤上市以來，開發(fā)了一系列CD產(chǎn)品，而且還在不斷地開發(fā)新的產(chǎn)品，VCDZ僅是其中的一個產(chǎn)品，如圖 10-01所示。CD-D 獻 1981)CD'G (1936)CD，Wl 無母圖10-01目前市場上的CD產(chǎn)品-貳佰零捌CD原來是指激光唱盤，即 CD-DA(Compact Disc-Digital Audio) ,用于存放數(shù)字化 的音樂節(jié)目，現(xiàn)在，通常把圖 10-01所列的CD-G(Graphics)、CD-V(Video)、CD-ROM CD-I(Interactive) 、CD-I FM

6、V(Full Motion Video) 、卡拉 OK(Karaoke)CD、Video CD 等通稱為CD盡管CD系列中的產(chǎn)品很多，但是它們的大小、重量、制造工藝、材料、制 造設(shè)備等都相同，只是根據(jù)不同的應(yīng)用目的存放不同類型的數(shù)據(jù)。它們之間的差別主要 是：(1) CD-DA存放數(shù)字化的音樂節(jié)目(2) CD-G存放靜止圖像和音樂節(jié)目(3) CD-V存放模擬的電視圖像和數(shù)字化的聲音(4) CD-ROM存放數(shù)字化的文、圖、聲、象等(5) CD-I存放數(shù)字化的文、圖、聲、象 (靜止的)、動畫等(6) CD-I FMV存放數(shù)字化的電影、電視等節(jié)目(7)卡拉 OK CD存放數(shù)字化的卡拉 OK 節(jié)目（8）

7、 Video CD存放數(shù)字化的電影、電視等節(jié)目（9） Photo-CD存放的主要是照片、藝術(shù)品為了存放不同類型的數(shù)據(jù)，制定了許多標準，這些標準如表 10-01所示。表10-01部分CD產(chǎn)品標準標準名稱盤的名稱二應(yīng)用目的播放時間顯示的圖像Red Book（紅皮書）CD-DA存儲音樂節(jié)目74分鐘Yellow Book（黃皮書）CD-ROM存儲義圖聲象等 多媒體節(jié)目存儲650 MB的數(shù)據(jù)動畫、靜態(tài)圖像、 動圖像Yellow Book（黃皮書）CD-ROM存儲文圖聲象等 多媒體節(jié)目存儲650 MB的數(shù) 據(jù)動畫、靜態(tài)圖像、 動圖像Green Book（綠皮書）CD-I存儲文圖聲象等 多媒體節(jié)目存儲多達7

8、60 MB的數(shù)據(jù)動畫、靜態(tài)圖像Orange Book（橙皮書）CD-R讀/寫入義圖聲象 等多媒體節(jié)目White Book（白皮書）Video CD存儲影視節(jié)目70 分鐘（MPEG-1）數(shù)字影視（MPEG-1）質(zhì)魚Red Book + （紅皮書+）CD-Video存儲模擬電視 數(shù)字聲音56分鐘（電視）20分鐘（聲音）模擬電視圖像 數(shù)字聲音CD-BridgePhoto CD存儲照片靜態(tài)圖像Blue Book（藍皮書）LD（LaserDi sc）存儲影視節(jié)目200分鐘模擬電視圖像10.2 CD的工作原理10.2.1 CD盤片結(jié)構(gòu)激光唱盤、CD-ROM數(shù)字激光視盤等統(tǒng)稱為 CD盤。CD盤主要由保護層、

9、反射激光的鋁反射層、刻槽和聚碳酸脂襯墊組成，如圖10-02所示。保護層需反射層刻槽、栗碳型脂的墊圖10-02 CD盤片的結(jié)構(gòu)CD盤上有一層鋁反射層，看起來是銀白色的，所以人們把它稱為“銀盤”。還有一種正在大批量進入市場的盤稱為CD-R(CD-Recordable)盤，它的反射層是金，所以又這種盤稱為“金盤”。CD盤的外徑為120 mm,重量為14克18克。激光唱盤分 3個區(qū)：導(dǎo)入?yún)^(qū)、導(dǎo)出區(qū) 和聲音數(shù)據(jù)記錄區(qū)，如圖 10-03所示。 120 mm J17 iron 11 k|，導(dǎo)出區(qū)*- 51皿f, 46iiun -聲音數(shù)揖記錄區(qū)導(dǎo)入?yún)^(qū)f <圖 10-03 CD10.2.2 CD盤的光道結(jié)

10、構(gòu)許多讀者都可能聽說過以下兩個術(shù)語：恒定角速度(CAV)和恒定線速度(CLV)?，F(xiàn)在就首先來解釋它們。以我們現(xiàn)在用的軟磁盤為例，軟磁盤存放數(shù)據(jù)的磁道是同心環(huán)，如 圖10-04(b)所示，磁盤片轉(zhuǎn)動的角速度是恒定的，通常用CAV(constant angular velocity)表示，但在這一條磁道和另一條磁道上，磁頭相對于磁道的速度(稱為線速度)是不同的。采用同心環(huán)磁道的好處之一是控制簡單，便于隨機存取，但由于內(nèi)外磁道的記錄密度(比特/每英寸)不相同，外磁道的記錄密度低，內(nèi)磁道的記錄密度高，外磁道的存儲空間就 沒有得到充分利用，因而存儲器沒有達到應(yīng)有的存儲容量。CD盤光道的結(jié)構(gòu)與磁盤磁道的結(jié)

11、構(gòu)不同，它的光道不是同心環(huán)光道，而是螺旋型光道，CD唱盤的光道長度大約為5公里，如圖10-04(a)所示。CD盤轉(zhuǎn)動的角速度在光盤的內(nèi)外區(qū)是不同的，而它的線速度是恒定的，就是光盤的光學(xué)讀出頭相對于盤片運動的線速度 是恒定的，通常用 CLV(constant linear velocity) 表示。由于采用了恒定線速度，所以 內(nèi)外光道的記錄密度(比特數(shù)/每英寸)可以做到一樣，這樣盤片就得到充分利用，可以達 到它應(yīng)有的數(shù)據(jù)存儲容量，但隨機存儲特性變得較差，控制也比較復(fù)雜。在盤存儲器工業(yè)中，從CAV到CLV整整花了 30多年的時間才得以實現(xiàn)?，F(xiàn)在不僅CD-RO附儲器采用CLM而且磁光盤存儲器也開始采

12、用。圖10-04 CD盤的光道是螺旋型光道10.2.3 數(shù)據(jù)是怎樣寫入到 CD盤上的磁盤對大多數(shù)用戶來說并不生疏，它的記錄原理稱為磁記錄，是利用磁鐵的兩個極 性(南極和北極)來記憶“1”和“0”兩個二進制數(shù)的。光盤的記錄原理就不能一概而論， 都稱為光記錄，因為光盤這個名稱已經(jīng)很籠統(tǒng)了?，F(xiàn)在在市場賣的磁光盤(magnetooptical disc , MOD)口相變光盤(phase change disc , PCD也被許多人簡稱為光盤，前 者是利用磁的記憶特性，借助激光來寫入和讀出數(shù)據(jù)，后者是利用一種特殊的材料，這 種材料在激光加熱前和加熱后它們的反射率不同，利用它們的反射率不同來記憶“1”和

13、“0”，這是名副其實的光盤。激光唱盤既不同于磁光盤的記錄原理，也不同于相變光盤 的原理，而是利用在盤上壓制凹坑的機械辦法，利用凹坑的邊緣來記錄“1”，而凹坑和非凹坑的平坦部分記錄“ 0”，使用激光來讀出。用戶使用磁盤驅(qū)動器時，既可以把數(shù)據(jù)寫入到盤上，又可以從盤上讀出數(shù)據(jù)；磁光盤和相變光盤也同樣有寫入和讀出兩個功能，而且可以在同一臺磁盤驅(qū)動器上完成?？?是CD只讀光盤就不是這樣，用戶只能讀CD盤上的數(shù)據(jù)不能自己把數(shù)據(jù)寫到CD盤上。CD盤上的數(shù)據(jù)是用壓模(stamper)沖壓而成的，而壓模是用原版盤(masterdisc) 制成的。圖10-05是制作原版盤的示意圖。在制作原版盤時，是用編碼后的二進

14、制數(shù)據(jù)去 調(diào)制聚焦激光束，如果寫入的數(shù)據(jù)為“0”，就不讓激光束通過，寫入“1”時，就讓激光束通過，或者相反。在制作原版盤的玻璃盤上涂有感光膠，曝了光的地方經(jīng)化學(xué)處理 后就形成凹坑，沒有曝光的地方保持原樣，二進制信息就以這樣的形式刻錄在原版盤上。 在經(jīng)過化學(xué)處理后的玻璃盤表面上鍍一層金屬，用這種盤去制作母盤(mother disc),然后用母盤制作壓模，再用壓模去大批量復(fù)制。成千上萬的CDB就是用壓模壓出來的，所以價格才這樣便宜(版權(quán)費除外)。-貳佰壹拾圖10-05原版盤制作示意圖10.2.4 數(shù)據(jù)是怎樣從 CD盤讀出的CD盤上的數(shù)據(jù)要用 CD驅(qū)動器來閱讀。CD驅(qū)動器由光學(xué)讀出頭、光學(xué)讀出頭驅(qū)動

15、機 構(gòu)、CD盤驅(qū)動機構(gòu)、控制線路以及處理光學(xué)讀出頭讀出信號的電子線路等組成。光學(xué)讀出頭是 CD系統(tǒng)的核心部件之一，它由光電檢測器、透鏡、激光束分離器、激 光器等元件組成，它的結(jié)構(gòu)如圖10-06所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過幾個透鏡聚焦后到達光盤，從光盤上反射回來的激光束沿原來的光路返回，到達激光束分離器后反射到光 電檢測器，由光電檢測器把光信號變成電信號，再經(jīng)過電子線路處理后還原成原來的二 進制數(shù)據(jù)。圖10-06光學(xué)讀出頭的基本結(jié)構(gòu)圖10-07是CD光盤的讀出原理簡化圖。光盤上壓制了許多凹坑，激光束在凹坑部分 反射的光的強度，要比從非凹坑部分反射的光的強度來得弱，光盤就是利用這個極其簡 單的原理來

16、區(qū)分“ 1”和“ 0”的。凹坑的邊緣代表“ 1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表 “0”，凹坑的長度和非凹坑的長度都代表有多少個“0”。記憶“ 1”和“0”的道理就這么簡單，但在計算機工業(yè)中為了記錄“1”和“ 0”，不知有多少科學(xué)家和工程技術(shù)人員為之奮斗終生。貳佰壹拾貳數(shù)字信息CD即 凹坑圖10-07 CD盤的讀出原理從圖10-06和圖10-07可以看到，CD存儲器在工作時光學(xué)讀出頭與盤之間是不接觸 的，因此您不必擔心頭和盤之間的磨損問題。這里需要強調(diào)的是，凹坑和非凹坑本身不代表“1”和“0”，而是凹坑端部的前沿和后沿代表“1”，凹坑和非凹的長度代表“0”的個數(shù)。這些位就是前面介紹的“通道位”利用

17、這種方法比直接用凹坑和非凹坑代表原始二進制制數(shù)據(jù)的“0”和“ 1”更有效。這種技術(shù)可用圖10-07作進一步的說明。圖中 4個凹坑和非凹坑代表了 31個通道位，這就 更充分地利用了光盤表面積，使得存儲容量大大提高。此外，采用這種技術(shù)也很容易從 讀出信號中提取有用的同步脈沖信號。10.2.5 激光唱盤標準摘要激光唱盤的標準定義在1982年發(fā)布的紅皮書（Red Book）中，它源于 CD-Audio Book,后來成為IEC 908標準，這是所有其他 CD產(chǎn)品標準的基礎(chǔ)?，F(xiàn)將它的部分內(nèi)容匯總在表 10-02中供查閱，下一章將進一步介紹激光唱盤的物理格式。表10-02激光唱盤標準摘要:名稱技術(shù)指標r播

18、放時間74分鐘二旋轉(zhuǎn)方向順時針（從讀出表回看）旋轉(zhuǎn)速度1.2m/s1.4m/s （恒定線速度）光道間距1.6 mr盤片直徑120 mmp盤片厚度1.2 mmr中心孔直徑15 mmt己錄區(qū)46 mm 117 mm數(shù)據(jù)信號區(qū)50 mm 116 mm材料折射率為1.55的任何材料:最小凹坑長度0.833 (1 m (1.2m/s)0.972 m (1.4m/s)最大凹坑長度 凹坑深度3.05 m (1.2 m/s) 3.56 m (1.4 m/s)0.11 m凹坑寬度0.5 m光學(xué)系統(tǒng)1激光波長780 nm (7 800 埃)P聚焦深度±2 m信號格式通道數(shù)2個量化 r采樣頻率16位線，性

19、量化 _44.1 kHz通道位速率4.3218 Mb/s_數(shù)據(jù)位速率1.9409 Mb/s一數(shù)據(jù)：通道位8:17二錯誤校正碼CIRC調(diào)制方式EFM10. 2. 6 CDDA采用頻率和樣本大小人耳朵（因人而異）能聽到的聲音信號頻率范圍是2020 000 Hz ,為了避免高于 20000 Hz的高頻信號干擾采樣，在進行采樣之前，需要對輸入的聲音信號進行濾波?？紤] 到濾波器在20 000 Hz的地方大約有10%勺衰減，所以可以用 22 000 Hz的2倍頻率作為貳佰壹拾肆聲音信號的采樣頻率。但是，為了能夠與電視信號同步，PAL電視的場掃描為50 Hz, NTSC電視的場掃描為 60 Hz,所以取50

20、和60的整數(shù)倍，選用了 44 100 Hz作為激光唱盤聲音 的采樣標準。激光唱盤音樂信號的樣本位數(shù)是16。 實際上，樣本數(shù)的大小也表示信號的動態(tài)范圍。一位（bit）的動態(tài)范圍約為 2010g 102弋6.02 dB，所以16位的樣本能夠表達的動態(tài)范圍 就大于 96 dB 。模擬聲音轉(zhuǎn)換成數(shù)字之后，需要占據(jù)巨大的存儲空間。在激光唱盤上一秒鐘的聲音需要占據(jù)的存儲空間為：1秒X 44 100樣本/秒X 2字節(jié)/樣本 X 2（左右兩個通道）=176.4 千字節(jié)10.3.2 聲道數(shù)長期以來，立體聲似乎就是兩個聲道（ 軌 ） ，這是由于早期最重要的存儲聲音的媒體是接觸式的唱片，唱片上的V 形刻槽只能記錄最

21、多兩條聲道的模擬信號，這就使得后來的錄音機、調(diào)頻廣播、錄象機、甚至連數(shù)字激光唱盤都采樣兩個聲道的規(guī)格。其實多聲道的設(shè)備早已開發(fā)和采用，現(xiàn)在的許多劇院一直都還采用4 個以上的聲音通道。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲音轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，計算機很容易處理，例如，壓縮、偏移（Pan）、環(huán)繞音響效果（Surround Sound）等等，更多的聲道和更逼真的音響效果 已經(jīng)在出現(xiàn)。例如，MPEG-激字影視標準和杜比AC-3都采用5+1個聲音通道，即左、中、右 3 個主聲道，左后、右后兩個環(huán)場聲道，以及一個次低音聲道。10.3.3 聲音數(shù)據(jù)的通道編碼聲音轉(zhuǎn)換成用“1 ”和“0”表示的數(shù)字信號之后，并不是直接把它們記

22、錄到盤上。物理盤上記錄的數(shù)據(jù)和真正的聲音數(shù)據(jù)之間需要做變換處理，這種處理統(tǒng)稱為通道編碼。通道編碼不只是光盤需要，凡是在物理線路上傳輸?shù)臄?shù)字信號都需要進行通道編碼。采用通道編碼的目的主要是兩個，一是為了改善信號質(zhì)量，使得讀出信號的頻帶變窄。其次是為了為了在接收端能夠從信號本身提取自同步信號。大家所熟悉的磁盤、磁帶、數(shù) 字電話等都使用了不同算法的通道編碼技術(shù)。激 光 唱 盤 使 用 的 通 道 編 碼 叫 做 8 到 14 比 特 調(diào) 制 編 碼 （eight to fourteen modulation , EFMb這種編碼的含義就是把一個8比特（即1個字節(jié)）的數(shù)據(jù)用14比特來表示。這里有兩個問

23、題要回答，一是為什么要做通道編碼，二是為什么把8 比特轉(zhuǎn)換成14比特。1 . 為什么要做通道編碼在數(shù)字記錄中要做通道編碼的主要原因有兩個，一是為了改善讀出信號的質(zhì)量，二是為了在記錄信號中提取同步信號。例如，有連續(xù)多個字節(jié)的全“0”信號或者全“1”信號要記錄到盤上，如果不作通道編碼就把它們記錄到盤上，讀出時的輸出信號就是一條直線，電子線路就很難區(qū)分有多少個“0”或者多少個“1 ”信號。而對于沒有規(guī)律的數(shù)字信號，讀出時的信號幅度和頻率的變化范圍都很大，電子線路很難把“0”和“1 ”區(qū)分開，讀出的信息就很不可靠。因此通俗說來，通道編碼實際上就是要在連續(xù)的“0”- 貳佰壹拾伍插入若干個“ 1”，而在連

24、續(xù)的“ 1”之間插入若干個“ 0”，并對“ 0”和“1”的連續(xù)長度 數(shù)目即“行防H程長度”加以限制。2 .為什么要把8位數(shù)轉(zhuǎn)換成14位數(shù)理論分析和實驗證明，根據(jù)70年代的技術(shù)水平，把“ 0”的游程長度最短限制在 2個，而最長限制在10,光盤上的信號就能夠可靠讀出。這條規(guī)則的意思是，2個“ 1”之間至少要有2個“0”最多不超過10個“0”。我們知道，8位數(shù)據(jù)有256種代碼，14位 通道位有16 384種代碼。通過計算機的計算，在這 16 384種代碼中有267種代碼能夠 滿足“ 0”游程長度的要求。在這267種代碼中，其中有10種代碼在合并通道代碼時限制游程長度仍有困難，再去掉一個代碼，這樣就得

25、到了與8位數(shù)據(jù)相對應(yīng)的256種通道碼。此外，當通道碼合并時，為了滿足游程長度的要求，在通道碼之間再增加了3位來確保讀出信號的可靠性，于是在激光唱盤中8位的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成了17位的通道代碼。在DVDt盤技術(shù)中，把3位合并位改成2位，并把它們直接插入到重新設(shè)計的碼表中，這樣一個字節(jié)的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成16位的通道位，這也就提高了DVD的存儲容量。激光唱盤上的聲音數(shù)據(jù)編碼過程如圖10-08所示。3 位數(shù)據(jù)jiiioioodiiioooio|n）iiwicj）14位調(diào)制數(shù)據(jù)foDOlD口 1叩口叩1。lODIQODIOOOOlol DOD1000010010D）,oio|oooionioaoooia ooa

26、10010001 oonoio ooi ooolooooiooido|od 加合并位OIOOOOIUOIOOOOOIOOOOLOOIOODIOOOOIOOOIOOOIOOOOIOOIOOIOO盤上的凹坑圖10-08激光唱盤上聲音數(shù)據(jù)編碼的過程4.2.8 CD盤如何批量生產(chǎn)激光唱盤（CD-DA）、數(shù)字激光視盤（V-CD）和CD-ROM勺制作過程都相同，大致分成三 個階段。1 .原版盤預(yù)制作（Premastering）,或者稱為母盤預(yù)制作。對于激光唱盤，把制作好的音樂節(jié)目轉(zhuǎn)換成標準的 CD-DA格式，而對于 V-CD盤，把影視節(jié)目轉(zhuǎn)換成 V-CD標準記 錄格式，這個過程也叫做預(yù)處理。CD-DA格式

27、在“紅皮書”中有詳細說明， V-CD的標準記錄格式在Video CD 2.0標準（白皮書）中有詳細說明，這項工作通常是由軟件來完成，這種軟件稱為轉(zhuǎn)換軟件，或者稱為編碼器（Encoder）。2 .原版盤制作(Mastering),或者稱為母盤制作。原版盤制作包括：(1)把符合 CD-DA或者V-CD標準格式的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個EFM(Eight-to-FourteenModulation)編碼器變成串行數(shù)據(jù)流，也就是在10.3.3中介紹的8到14調(diào)制，意思是把一個8比特的數(shù)據(jù)變成14比特的數(shù)據(jù)，再附加3比特用來改善讀/寫信號的質(zhì)量，這樣8 比特的并行數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成物理通道上的17比特串行數(shù)據(jù)。(2)把一

28、片涂有光敏電阻的玻璃盤在旋轉(zhuǎn)平臺上進行光刻。參看圖 10-09,激光源發(fā) 出的激光束通過激光調(diào)制器時受到串行數(shù)據(jù)的控制，例如，數(shù)據(jù)“0”就不讓激光束通過，光敏電阻就不曝光；數(shù)據(jù)“1”就讓激光束通過，光敏電阻就曝光，這樣在玻璃盤上就形成長短不同的曝光區(qū)和非曝光區(qū)。激光調(diào)制器猶如一個開關(guān)。計算機控制的光需 微調(diào)坡璃盤圖10-09光刻系統(tǒng)示意圖(3)對光刻的玻璃盤進行化學(xué)處理，盤上曝了光的區(qū)域被腐蝕掉形成凹坑，沒有曝 光的區(qū)域就被保留下來，“0”、“ 1”信號就以凹坑和非凹坑的形式記錄在螺旋形光道上。(4)對經(jīng)過化學(xué)處理的玻璃盤進行化學(xué)電鍍生成金屬原版盤，稱為父盤(fatherdisc),通過父盤再

29、制作母盤 (mother disc),然后由母盤制作出子盤(son disc),子盤就是壓模(stamper)。-貳佰壹拾柒電阻除層激光記錄化學(xué)沖洗化學(xué)電鍍嬖牌保護層-4圖10-10 V-CD盤的整個制作過程3 .大批量復(fù)制。V-CD的盤基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多數(shù)大批量復(fù)制設(shè)備 是用塑料注射成型機。聚碳酸脂加熱之后注入盤模里，壓模就把它上面的數(shù)據(jù)壓制到正 在冷卻的塑料盤上，然后在盤上濺射一層鋁，用于讀出數(shù)據(jù)時反射激光束，最后涂一層 保護漆和印制標牌。10.3 DVD 簡介VC/口 DVDtB是光學(xué)存儲媒體，但DVD的存儲容量和帶寬都明顯高于CD影視、聲音、計算機和光學(xué)記錄技術(shù)融合在一起

30、將開發(fā)出下一代的CD 產(chǎn)品。DVD原名是Digital Video Disc的縮寫，意思是“數(shù)字電視光盤（系統(tǒng)）”，這是為了與Video CD相區(qū)別。實際上 DVD勺應(yīng)用不僅僅是用來存放電視節(jié)目，它同樣可以用來存 儲其他類型的數(shù)據(jù)，因此又把 Digital Video Disc 更改為Digital Versatile Disc ,縮 寫仍然是DVD Versatile的意思是多才多藝的意思?，F(xiàn)在，當我們談到DVD寸，通常是指 Digital Video Disc 。MPEG-1的電視質(zhì)量是家用錄象機的質(zhì)量，MPEG-做術(shù)的成熟促成了 VCD的誕生、產(chǎn)業(yè)的形成和市場的成熟；MPEG-2的電視質(zhì)

31、量是廣播級的質(zhì)量，由于廣播級數(shù)字電視的數(shù) 據(jù)量要比MPEG-1的數(shù)據(jù)量大得多，而 CD-ROM勺容量盡管有近 700多兆字節(jié)，但也滿足 不了存放 MPEG-2Video節(jié)目的要求。MPEG-2勺技術(shù)已經(jīng)相當成熟， 為了解決 MPEG-2Video 節(jié)目的存儲問題，就促成了DVD勺問世。在1995年，一個由 Sony和Philips Electronics DV公司領(lǐng)導(dǎo)的國際財團與另一個由Toshiba和Time Warner Entertainment公司領(lǐng)導(dǎo)的國際財團分別提出了兩個不兼容的高密度 CD(High Density Compact Disc , HDCD規(guī)格。同年10月，兩大財團

32、終于同意 盤片的設(shè)計按 Toshiba/Time Warner公司的方案，而存儲在盤上的數(shù)據(jù)編碼則按Sony/Philips公司的方案。最終的單面單層DVDa片應(yīng)該能夠存儲 4.7 GB汗兆字節(jié))的數(shù)據(jù)，單面雙層盤片的容量為8.5 GB;單面單層盤存儲 133分鐘的MPEG-2 Video,其分辨率與現(xiàn)在的電視相同，并配備Dolby AC-3/MPEG-2 Audio 質(zhì)量的聲音和不同語言的字幕。AC-3 是 Audio Code Number 3 的縮寫。DVD的特點是存儲容量比現(xiàn)在的CD盤大得多，最高可達到17 GB。一片DVD盤的容量相當于現(xiàn)在的 25片CD-ROM(650 MB)而DV

33、D盤的尺寸與 CD相同。DVD所包含的軟硬 件要遵照正在由計算機、消費電子和娛樂公司聯(lián)合制定的規(guī)格，目的是為了能夠根據(jù)這 個新一代的CD規(guī)格開發(fā)出存儲容量大和性能高的兼容產(chǎn)品，用于存儲數(shù)字電視和多媒體軟件。10.3 . 1 DVD的規(guī)格當我們提到DVD寸，首先想到的是播放影視節(jié)目的 DVD-Video。其實DV/口 CD一樣， 除了 DVD-Video之外還將會有 4個成員，它們的標準文件用 Book A, Book B, . , Book E來標識，如表 10-03所示。表10-03 DVD和CD系列DVD(Digital Versatile Disc)CD(Compact Disc)Boo

34、k A: DVD-ROMCD-ROMBook B: DVD-VideoVideo CDBook C: DVD-AudioCD-AudioBook D: DVD-RecordableCD-RBook E: DVD-RAMCD-MOToshiba/Time Warner公司定義的DVD 規(guī)格是 SD(Super Density Digital VideoDisc),而Sony/Philips 公司定義的 DVDS格是 MMCD(Multimedia CD),這兩種高密度盤-貳佰壹拾玖規(guī)格的統(tǒng)一是擴充光盤存儲容量的一個里程碑。在理論上來說，DVD勺存儲容量如表10-04所示。表10-04 DVD的存

35、儲容量DVDa的類型存儲容量（GB）MPEG-2 Video的播放時間（分鐘）單面單層（只讀）4.7133單面雙層（只讀）8.5240單層雙面（只讀）9.4266雙層，雙面（只讀）17單層雙面（DVD-R）6.6215單層雙面（DVD-RAM）5.2147DVD-Video的規(guī)格如表10-05所示。DVD&上的電視都采用 MPEG-2的電視標準。NTSCW 聲音采用 Dolby AC-3標準，MPEG-2Audio作為選用；PAL和SECAM1聲音采用 MPEG-2Audio 標準，Dolby AC-3作為選用。表10-05電視圖像規(guī)格技術(shù)內(nèi)容技術(shù)規(guī)格數(shù)據(jù)傳輸率可變速率，平均速率為 4

36、.69 Mb/s（最大速率為10.7 Mb/s）圖像壓縮標準二MPEG-即準產(chǎn)曰標準NTSC Dolby AC-3 或 LPCM,可選用 MPEG-2 AudioPAL: MPEG MUSICAM* 5.1 或 LPCM,可選用 Dolby AC-3通道數(shù)多達8個聲音通道和32個字幕通道*MUSICAM(Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing)10.4 . 2 DVD的存儲容量是怎樣提高的如何提高存儲器的存儲容量和傳輸速率是存儲工業(yè)中永恒的研究課題，許多科學(xué)家 和工程技術(shù)人員一直獻

37、身于這個領(lǐng)域。一片DVDa要能夠存儲多達17 GB的信息，需要采用許多新的技術(shù)。DVD所采用和將要采用的技術(shù)歸納在表 10-06 。表10-06 HDCD技術(shù)摘要DVDCD容量增益盤片直徑120 mm120 mm盤片厚度0.6 mm / 面1.2 mm / 面減小激光波長635/650 nm780 nm4.486 =加大N.A.（數(shù)值孔徑）0.60.45(1.6*0.83)/減小光道間距0.74 科 m1.6 m(0.74*0.40)減小最小凹凸坑長度0.4 m0.83 科 m減小糾錯碼的長度RSPCCIRC式 方 制 調(diào) 號 西 修8-168-14 加 31.0625 = 17/16加大盤表

38、向的利用率86.6平方厘米86平方厘米1.019 = 86.6/86減小每個扇區(qū)字節(jié)數(shù)2048/2060 字節(jié) / 扇區(qū)2048/2352 字節(jié) / 扇區(qū)1.142 = 2352/2060從外觀和尺寸方面來看，DVD&與現(xiàn)在廣?使用的 CD&沒有什么差別，直徑均為120 mm（4.75英寸），厚度為1.2 mm；新的DVD播放機能夠播放現(xiàn)在已經(jīng)有的CD激光唱盤上的音樂和VCg目。但不同的是 DVDa光道之間的間距由原來的1.6 m縮小到0.74 pm,而記錄信息的最小凹凸坑長度由原來的0.83科m縮小到0.4科m,這是DVD盤的存儲容量可提高到4.7 GB的主要原因，它的容量是

39、 CD的7倍，它們之間的差別如圖10-11所示。圖10-11 DVD盤和CD盤之間的差別貳佰貳拾壹常規(guī)的CD播放機和CD-ROM區(qū)動器采用波長為 780 nm的不可見紅外光來讀出盤上的 信息。為了把光道距離和信息記錄凹凸坑的長度和寬度做得更小，DVD刻錄機和播放機就需要采用波長更短的激光源，這是因為光學(xué)讀出頭的分辨率和激光波長成正比。近年來 有許多有關(guān)藍色激光器的報道，但是要把它用到DVD上還有漫長的路要走。更現(xiàn)實的技術(shù)是使用波長為635/650 nm的激光源來代替在 CDB動器中使用的780 nm紅外光激光源。 光學(xué)讀出頭的數(shù)值孔 NA(Numerical Aperture)也比較大，這樣可

40、以產(chǎn)生直徑比較小的聚焦激光束。常規(guī)的CD播放機和CD-ROM區(qū)動器的光學(xué)讀出頭的數(shù)值孔徑為0.45。為了提高接收盤片反射光的能力，也就是提高光學(xué)讀出頭的分辨率，在DVD就需要把NA由現(xiàn)在的0.45加大到0.6。使用短波長的激光源和數(shù)值孔徑比較大的光學(xué)元件之后，最小凹凸的長度可以從0.83m減小到0.4 m,而光道間距從1.6 (im減小到0.74 m總的容量可以提高到4.486倍。加大盤的數(shù)據(jù)記錄區(qū)域也是提高記錄容量的有效途徑。DVD盤的記錄區(qū)域從CD盤的86 cm2提高到86.6 cm 2,如圖10-12所示，這樣記錄容量也就提高了1.9%。圖10-12增加盤的數(shù)據(jù)記錄面積提高DVD存儲容量

41、的另一個重要措施是使用盤片的兩個面來記錄數(shù)據(jù)，以及在一個面上制作好幾個記錄層，這無疑會大大增加DVDa的容量。在 舊M工作的科學(xué)家于1994年就聲稱他們能夠制作 10層的盤片。為了從最里面的記錄層反射回足夠強的光，一種稱 為CLC(cholesteric liquid crystal)的記錄媒體可能被采用。常規(guī)的CD盤只使用一個面，并且只制作一個記錄層來記錄信息，它的結(jié)構(gòu)如圖10-13所示。為了提高存儲容量，出現(xiàn)了另一種規(guī)格的DVD盤，稱為單面雙層光盤，它的結(jié)構(gòu)如圖10-14所示。單面雙層盤的表層稱為第0層，最里層稱為第1層。第0層采用了一種新的半透明(semi-transmissive)薄膜

42、涂層，可讓激光束透過表層到達第1層。開始工 作時，激光束首先在第 1層上聚焦和光道定位。當從第 0層上讀出信息過渡到從第 1層 上讀出信息時，激光讀出頭的激光束立即重新聚焦，電子線路中的緩沖存儲器可確保從第0層到第1層的平穩(wěn)過渡，而不會使信息中斷。單面雙層DVDa的容量可達到 8.5 GB而雙面雙層DVD&的容量可達到17 GB。樹墊雙加疑0. 6周加用陶圖10-13單面單層光盤的結(jié)構(gòu)反射層O加由砥)圖10-14單面雙層光盤的結(jié)構(gòu)DVD信號的調(diào)制方式和錯誤校正方法也做了相應(yīng)的修正以適應(yīng)高密度的需要，CD存儲器采用8-14(EFM)加3位合并位的調(diào)制方式，而DVD則采用效率比較高的8-1

43、6+(EFMPLUS)的方式，這是為了能夠和現(xiàn)在的CD盤兼容，也為了和將來的可重寫的光盤兼容而采用的方式；CD存儲器采用的錯誤校正系統(tǒng)是里德-索洛蒙碼(Cross-InterleavedRead-Solomon Code, CIRC),而 DVD采用里德-索洛蒙乘積碼(Read-Solomon Product like Code , RSPC源統(tǒng)，它比CIRC更可靠。采用修改的數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制算法都可以減少DVD盤上的冗余位，從而為用戶提供更多的存儲空間。現(xiàn)在的CD需要用17比特來表示一個8比特的數(shù)據(jù)(14個通道位和3個用 于改善讀出信號的合并位)。新的算法將使用16比特來表示一個 8比特的數(shù)據(jù)

44、，這樣也 增加了 DVD勺容量。此外，在 CD上有許多 EDC(Error Detection Code)和 ECC(Error Correction Code) 信息位，采用新的算法之后這些信息位的數(shù)目可以減小，也就相當于增加用戶數(shù)據(jù)的容 量。采用RSPCt錯碼之后，糾錯碼的數(shù)據(jù)傳輸率也將從25%M小到13%-貳佰貳拾叁10.5 CD盤上的物理格式CD格式包含邏輯格式和物理格式。邏輯格式實際上是文件格式的同義詞，它規(guī)定如 何把文件組織到光盤上以及指定文件在光盤上的物理位置，包括文件的目錄結(jié)構(gòu)、文件 大小以及所需盤片數(shù)目等事項；物理格式則規(guī)定數(shù)據(jù)如何放在光盤上，這些數(shù)據(jù)包括物理扇區(qū)的地址、數(shù)據(jù)

45、的類型、數(shù)據(jù)塊的大小、錯誤檢測和校正碼等。CD格式詳細記載在標準文件中，如圖10-15所示。這些標準文件包括紅皮書、黃皮書、ISO 9660、綠皮書、橙皮書和白皮書等，而且還在不斷推出。CD的標準文件是用彩色封面包裝的，所以又稱為彩書標準。理解CD格式對于設(shè)方f和使用 CD產(chǎn)品都有很大幫助。圖10-15 CD標準系列10.5.1 激光唱盤標準一一紅皮書 (Red Book)Red Book 是 Philips 和 Sony 公司為 CD-DA(Compact Disc Digital Audio)定義的標準，也就是我們常說的激光唱盤標準。這個標準是整個CD工業(yè)的最基本的標準，所有其他的CD標準

46、都是在這個標準的基礎(chǔ)上制定的。1. CD盤上的音樂節(jié)目是如何組織的通常，激光唱盤上的有許多首歌曲，一首歌曲安排在一條光道上。一條光道由許多 節(jié)(section)組成，一節(jié)由98幀(frame)組成。幀是激光唱盤上存放聲音數(shù)據(jù)的基本單元， 它的結(jié)構(gòu)如圖10-16所示。(1)同步(SYNC)每幀的開頭都有 24位同步位。這24位同步位不經(jīng) EFM調(diào)制，本身就是通道碼。具 體的碼字是1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0任何數(shù)據(jù)經(jīng)EFM調(diào)制后都不會出現(xiàn)與同步碼字相同的碼。(2)子碼(Subcode)每幀都有這樣的一字節(jié)。在 CD-DA中稱為子碼

47、/控制和顯示(subcode/control and display);在CD-ROM稱為控制字節(jié)(Control Bytes) 。這字節(jié)的內(nèi)容主要提供盤地址 信息。同步信號3個字節(jié)控制，顯示小字節(jié)聲音數(shù)獴左)12個字節(jié)Q校雕碼4個字節(jié)聲音數(shù)據(jù)由)12小字節(jié)P校盍碼4小字節(jié);：究字節(jié)24位8&池名位臨煙W位11i1:|_|i：5蕊不通道位:314314311314314 3幀 _3幀口幀L幀971 節(jié)'(Section)圖10-16激光唱盤聲音數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)(3)聲音數(shù)據(jù)(Audio Data)在CD-DA中，立體聲有兩個通道， 每次采樣有2個16位的樣本，左右通道的每個16

48、位數(shù)據(jù)分別組成2個8位字節(jié)，6次采樣共24字節(jié)組成一幀。CD盤上的98幀組成一個扇區(qū)(sector)。光道(track)上1個扇區(qū)有3234字節(jié)，即 2352個聲音數(shù)據(jù)+2X 392個EDC/EC方節(jié)+98個控制字節(jié)=3234字節(jié)它的結(jié)構(gòu)如下:-貳佰貳拾伍3234字節(jié)用戶數(shù)據(jù)2352=98 X (2 X 12)字節(jié)第二層 EDC/ECC392個字層 EDC/ECC392個字控制字節(jié)98字節(jié)前面已經(jīng)介紹，激光唱盤上聲音數(shù)據(jù)的采樣頻率為44.1 kHz ,每次對左右聲音通道各取一個16位的樣本，因此1秒鐘的聲音數(shù)據(jù)率就為44.1 X 1 000 X2X(16 +8) = 176 400 字節(jié)/秒由

49、于1幀存放24字節(jié)的聲音數(shù)據(jù)，所以1秒鐘所需要的幀數(shù)為176 400 +24=7 350 幀/秒98幀構(gòu)成1節(jié)，也可以說成1個扇區(qū)，所以1秒鐘所需要的扇區(qū)數(shù)為7 350 +98= 75 扇區(qū)/秒記住這些最基本的參數(shù)，對理解整個CD系列和DVD系列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是非常有幫助的。(4) P, Q 錯誤校驗碼由于CD-DA盤的原始誤碼率較高(約10-4),須要采用糾錯能力很強的交叉交插里德 / 索洛蒙碼(Cross-Interleaved Read-Solomon Code, CIRC)進行糾錯。因此，每幀有 2X4 字節(jié)的錯誤校正碼分別放在中間和末端，稱為Q校驗碼和P校驗碼，P校驗是由(32 ,28)

50、RS碼生成的校驗碼；Q校驗是由(28, 24)RS碼生成的校驗碼。(5) 一幀數(shù)據(jù)的通道位數(shù)見表10-07。表10-07 一幀數(shù)據(jù)的通道位數(shù)編R字段名稱通道位數(shù)合計(1)同步位(SYNC)24+327(2)子碼(Subcode)1X (14+3)17(3)數(shù)據(jù)(Data)12 X (14+3)204(4)Q校驗碼4X (14+3)68(5)數(shù)據(jù)(Data)12 X (14+3)204(6)P校驗碼4X (14+3)68合計588(6)激光唱盤的光道在CD-DA中的物理光道是螺旋形，因此可以說一片CD-DA盤只有一條物理光道。而這里所指的CD-DA光道應(yīng)該理解成邏輯光道比較合適。 一條CD-DA

51、光道有多個扇區(qū)組成， 扇區(qū)的數(shù)目可多可少，而光道的長度可長可短，通常一首歌就組織成一條光道。2. CD-DA 的通道：P-WCD-DA中定義了一個控制字節(jié) (Control Bytes),或者叫做子碼(Subcode)。如前所述， 一幀有一個8位的控制字節(jié)，98幀組成8個子通道，分別命名為 P、Q R S T、U、V-貳佰貳拾陸-和W子通道。一條光道上所有扇區(qū)的子通道組成CD-DA的P、。、W通道。98個控制字節(jié)(98 X 8位)組成8個子通道的結(jié)構(gòu)如下：位P子通道Q子通道R子通道S子通道T子通道U子通道V子通道W子通道(b8)(b7)(b6)(b5).(b4)(b3)(b2)(b1)98字節(jié)

52、的b8組成P子通道，98字節(jié)的b7組成Q子通道，依此類推。通道 P含有一 個標志，它用來告訴 CD播放機光道上的聲音數(shù)據(jù)從什么地方開始；通道Q包含有運行時間信息，CD播放機使用這個通道中的時間信息來顯示播放音樂節(jié)目的時間。Q通道的98位的數(shù)據(jù)排列成如下的形式：98位2位口4位| 4位|72位16位其中，2位：控制字節(jié)的部分同步位4位：控制標志，定義這條光道上的數(shù)據(jù)類型4位：說明后面72位數(shù)據(jù)的標志72位： Q通道的數(shù)據(jù)。在盤的導(dǎo)入?yún)^(qū)(Lead In),含有盤的內(nèi)容表TOC(Table OfContents);在其余的盤區(qū)，含有當前的播放時間16位： CRC (Cyclic Redundancy

53、 Code) 用于錯誤檢測，CRCS:有錯誤校正功能3. CD-G(CD+Graphics)是什么Red Book不僅定義了如何把聲音數(shù)據(jù)放到CD盤上，而且還定義了一種把靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)放到CDa上的方法。如果把圖像數(shù)據(jù)放到通道Rw這種盤通常就稱為 CD+ G盤,簡稱為CD-G盤。在目前的國內(nèi)市場上，使用RW通道的CD節(jié)目不多，能播放這種盤的CD播放機也不多。CD-G節(jié)目在普通的 CD播放機上播放時，音樂節(jié)目可以照常欣賞，僅 僅是沒有圖像而已。如果使用能播放CD-G節(jié)目的VCD®放機，在播放 CD-G盤時要和電視機連接才能同時有音樂和圖像。10.4.2 CD-ROM 標準黃皮書(Yell

54、ow Book)Yellow Book 是 Philips 和 Sony 公司為 CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory) 定義的標準，CD工業(yè)從此進入了第二個階段。 Yellow Book在Red Book的基礎(chǔ)上增力口了 兩種類型的光道，加上 Red Book的CD-DA光道之后，CD-RO花有三種類型的光道：CD-DA光道，用于存儲聲音數(shù)據(jù)。CD-ROM Mode 1用于存儲計算機數(shù)據(jù)。CD-ROM Mode 2用于存儲聲音數(shù)據(jù)、靜態(tài)圖像或電視圖像數(shù)據(jù)。Yellow Book 和Red Book相比，它們的主要差別是Red Book中2352字節(jié)的用戶數(shù) 據(jù)作了重新定義，解決了把 CD用作計算機存儲器中的兩個問題，一個是計算機的尋址問 題，另一個是誤碼率的問題， CD-RO雨準使用了一部分用戶數(shù)據(jù)當作錯誤校正碼，也就 是增加了一層錯誤檢測和錯誤校正，使 CD盤的誤碼率下降到10-12以下。1. CD-ROM Mode 1CD-ROM Mode 1把R