光盤基礎(chǔ)知識(shí)資料

數(shù)字視頻技術(shù)及應(yīng)用光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)及視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理第三節(jié)本節(jié)目錄一、光盤的基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)1.光盤技術(shù)的發(fā)展2.光盤的分類3.光盤的結(jié)構(gòu)4.光盤記錄前音視頻信號(hào)的處理過(guò)程二、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理1.音頻信號(hào)的脈沖編碼調(diào)制2.數(shù)碼的CIRC糾錯(cuò)3.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.CD唱機(jī)的基本組成第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)1、光盤技術(shù)的發(fā)展1960年，世界上誕生了紅寶石激光器，為激光光盤的好用化創(chuàng)建了條件。1972年美國(guó)RCA公司與荷蘭飛利浦公司聯(lián)合開發(fā)并發(fā)表了激光視盤（LD）系統(tǒng)，從今開創(chuàng)了以激光和高密度記錄為前提的光盤時(shí)代。1982年推出了CD唱機(jī)，此后以CD為基礎(chǔ)的各種CD媒體大量涌現(xiàn)。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)VCD的圖像信號(hào)接受MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)，120mm直徑光盤上記錄74min的音視頻節(jié)目。DVD視盤機(jī)是按現(xiàn)代視聽要求設(shè)計(jì)的一種新的光盤視聽系統(tǒng)，接受了MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，可在120mm直徑的光盤上記錄135min的音視節(jié)目。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)2、光盤的分類光盤有磁光盤與光盤之分磁光盤是用光學(xué)（激光）方式在磁性介質(zhì)上記錄和讀取信息的盤片，這是利用激光束加熱盤片上的磁層，使其磁距產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)而達(dá)到記錄、拾取、抹除信息的目的；光盤是用光學(xué)方式在非磁性介質(zhì)上記錄和讀寫信息的盤片。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)2、光盤的分類世界上第一張光盤是在1971年由美國(guó)IBM公司與其他公司合作研制成功的。1980年出了CD標(biāo)準(zhǔn)1982年正式面市1990年后在全世界流行第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)2、光盤的分類1.激光視盤LD2.音頻光盤CD3.視頻光盤VCD4.中國(guó)視頻光盤CVD5.超級(jí)視頻光盤VCD(SVCD)6.數(shù)字視頻光盤DVD7.微型光盤MD8.可錄可抹光盤MO第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)3.光盤的結(jié)構(gòu)CD.VCD.DVD屬于激光只讀光盤。3.1.其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：3.2.代表信息的坑與島3.3.坑與島對(duì)激光的反射狀況第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)4.光盤記錄前音頻信號(hào)的處理在制作光盤前，音頻信號(hào)須要做一系列處理才能符合激光系統(tǒng)制作的要求，其處理過(guò)程分以下五步：4.1.做ＰＣＭ調(diào)制，形成音視頻信號(hào)位流ＰＣＭ調(diào)制目的是把音頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制（０.１）數(shù)據(jù)流。以ＣＤ為例，它要記錄左右聲道信號(hào)，這二路信號(hào)的ＰＣＭ碼串接在一起，以左聲道數(shù)據(jù)在前，右聲道在后，形成一串左右聲道數(shù)據(jù)交替輸出的音頻數(shù)據(jù)流。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)ＰＣＭ碼并不能作為光盤干脆刻錄的信號(hào)，因?yàn)椋茫南到y(tǒng)中激光投射在光盤上的聚焦點(diǎn)直徑約１ｕｍ，因此光盤上的凹坑長(zhǎng)度不能小于光點(diǎn)直徑的一半，即０.５ｕｍ，否則激光無(wú)法檢測(cè)出光盤上的信息?？紤]到激光信號(hào)的誤碼率。光盤上凹坑的實(shí)際長(zhǎng)度為０.９～３.３ｕｍ，寬０.５ｕｍ。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)假如光盤轉(zhuǎn)速每秒１.２～１.４ｍ，則讀取信息的最短時(shí)間為１.５ｕｓ，這相當(dāng)于刻錄信號(hào)的頻率不能超過(guò)０.６７ＭＨＺ，而ＣＤ系統(tǒng)ＰＣＭ音頻數(shù)據(jù)的傳輸速率為１.４１１２Ｍｂｉｔ／ｓ．可見(jiàn)，ＰＣＭ信號(hào)不能干脆刻錄，必需對(duì)ＰＣＭ碼進(jìn)行變換，以滿足激光刻錄的要求。在這里接受的是ＥＦＭ調(diào)制，即８－１４調(diào)制，就是將８ｂｉｔ碼變換成１４ｂｉｔ碼的一種變換技術(shù)。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)4.光盤記錄前音頻信號(hào)的處理4.2.應(yīng)用ＣＩＲＣ碼形成數(shù)據(jù)位流ＣＤ．ＶＣＤ．ＭＤ等光盤系統(tǒng)中均接受ＣＩＲＣ的糾錯(cuò)原理來(lái)提高信息的糾錯(cuò)實(shí)力。這種交叉交織碼應(yīng)用信息系列的組合方法，使由于劃傷、灰塵、污斑等引起誤碼率很高的隨機(jī)性群誤碼得到很好的訂正，而對(duì)那些頻繁出現(xiàn)但碼長(zhǎng)較短的群誤碼，可以由交叉交織的編碼來(lái)訂正，對(duì)于碼長(zhǎng)較長(zhǎng)的群誤碼，則用另外準(zhǔn)備好的交織來(lái)解決。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)4.光盤記錄前音頻信號(hào)的處理4.3.加入奇偶檢驗(yàn)、限制及顯示信息經(jīng)ＰＣＭ調(diào)制后的音頻數(shù)據(jù)位流，在ＣＩＲＣ變換后，需加入奇偶檢測(cè)、限制及顯示信息，形成一個(gè)新的數(shù)據(jù)位流。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)4.光盤記錄前音頻信號(hào)的處理4.4.ＥＦＭ調(diào)制，形成通道位流經(jīng)ＣＩＲＣ等處理后的數(shù)據(jù)位流需經(jīng)ＥＦＭ調(diào)制，再加入同步位，即形成通道位流。ＥＦＭ調(diào)制是位了滿足刻錄或者拾取的要求，這一數(shù)碼規(guī)則中不能有連續(xù)的二個(gè)１，二個(gè)一之間最少有二個(gè)０，但是不能超過(guò)１０個(gè)０。第一、光盤基礎(chǔ)學(xué)問(wèn)4.光盤記錄前音頻信號(hào)的處理4.5.開啟刻錄機(jī)中激光束用此激光束將旋轉(zhuǎn)著的光盤盤基表面的光刻膠刻蝕成一系列螺旋形排列的凹凸紋跡，這些凹坑與島（凸起）即真實(shí)地記錄了音視頻的全部信息。重放時(shí)，光盤信號(hào)應(yīng)作相反過(guò)程的變換。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理視頻信號(hào)和音頻信號(hào)一樣，在采樣量化之后的數(shù)字信號(hào)ＰＣＭ碼，還不能作為刻錄光盤之用。這主要有三方面的緣由：１.ＰＣＭ碼須要加糾錯(cuò)信號(hào)和加密信號(hào)，以防止信號(hào)在傳輸處理、存儲(chǔ)過(guò)程中受到干擾和防止盜版復(fù)制。２.為了滿足激光對(duì)光盤正確聚焦、停留時(shí)間長(zhǎng)短、島坑變換等的具體狀況要求。３.要加入同步信號(hào)、顯示信號(hào)、各標(biāo)記等信息，以便播放時(shí)激光能正確的拾取信息。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理信號(hào)的形成和變換，確定著光盤機(jī)的整機(jī)系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)與組成。電路是為信號(hào)的流通和變換服務(wù)的，信號(hào)不同，變換不同，所用的電路與設(shè)備也就不同。在探討電子設(shè)備時(shí)，了解設(shè)備處理信號(hào)的特征、形態(tài)及形成過(guò)程是特殊有用的。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理1.音頻信號(hào)的脈沖編碼調(diào)制音頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)需經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼處理，最終得到ＰＣＭ信號(hào)。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理1.音頻信號(hào)的脈沖編碼調(diào)制1.1.采樣頻率、數(shù)據(jù)傳輸速率及信號(hào)帶寬對(duì)雙通道立體聲而言，ＣＤ光盤音頻信號(hào)的采樣頻率為４４.１ＫＨＺ，量化等級(jí)為ｎ＝１６，即每以聲道的數(shù)據(jù)傳輸速率為Ｒ＝４４．１＊１６＝７０５．６ｋｂｉｔ／ｓ兩個(gè)聲道的數(shù)據(jù)傳輸速率為Ｒ＝４４．１＊１６×２＝１.４１１２Ｍｂｉｔ／ｓ其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理1.音頻信號(hào)的脈沖編碼調(diào)制由數(shù)據(jù)傳輸速率，可以得到信號(hào)所專用的頻道寬度。每一聲道信號(hào)的帶寬為：Ｂ＝（０.５～１）Ｒ＝０.３５～０.７ｍｈｚ兩個(gè)聲道信號(hào)的帶寬為：Ｂ＝（０.５～１）Ｒ＝０.７～１.４ｍｈｚ其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理1.音頻信號(hào)的脈沖編碼調(diào)制1.2.時(shí)鐘頻率及信噪比左右聲道信號(hào)是一前一后串行輸出的，所以須要加入同步信號(hào)，并按確定的頻率傳輸，這個(gè)傳輸頻率稱為時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率的凹凸與采樣頻率及數(shù)據(jù)的量化位數(shù)有關(guān)，雙聲道立體聲信號(hào)的傳輸速率為１.４１１２ＭＨＺ／Ｓ，所以數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘頻率也應(yīng)當(dāng)為１.４１１２ＭＨＺ／Ｓ。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理1.音頻信號(hào)的脈沖編碼調(diào)制在信號(hào)量化比特取ｎ＝１６時(shí)，數(shù)字編碼信號(hào)的信噪比為：Ｓ／Ｎ＝６ｎ＋１．７５＝９８ｄＢ量化比特ｎ每增加１ｂｉｔ，信號(hào)的信噪比動(dòng)態(tài)范圍將增加６ｄＢ，但是量化比特的增加，會(huì)使信號(hào)的頻道寬度增加，數(shù)據(jù)傳輸速率也大大提高，成本和技術(shù)難度也會(huì)隨這增加。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理2.數(shù)碼的CIRC糾錯(cuò)光盤在錄制過(guò)程中，常常會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤碼或者數(shù)據(jù)丟失；光盤在運(yùn)用過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)劃傷或者破損，是數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)峻時(shí)間盤就不能正常播放。因此必需用一種方法對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)檢查、校正。在CD/VCD等光盤系統(tǒng)中，常接受CIRC方法。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理2.數(shù)碼的CIRC糾錯(cuò)2.1.CIRC（交叉交織里德—索羅門編碼）糾錯(cuò)原理CIRC糾錯(cuò)就是講PCM字符數(shù)據(jù)按規(guī)律將其打亂、延時(shí)、分散到各幀的預(yù)定位置上，在做其它處理后，將它刻錄到光盤上。播放時(shí)，解碼電路做相反變換，將分散的數(shù)據(jù)在集中起來(lái)，還原出原理的PCM數(shù)據(jù)。（如下圖所示）2.1.CIRC糾錯(cuò)原理圖其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理2.數(shù)碼的CIRC糾錯(cuò)2.2.CIRC編碼方法在音頻信號(hào)中，通常取左右兩聲道個(gè)6個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)做為一幀，沒(méi)點(diǎn)由A/D轉(zhuǎn)換成16bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)，則每幀內(nèi)含有二進(jìn)制的音頻字節(jié)數(shù)為：2*6*16bit=24*8bit=24B在進(jìn)行CIRC編碼前，先將同一幀內(nèi)的24個(gè)音頻字符經(jīng)擾碼器處理，將相鄰的字符按預(yù)定的規(guī)定分隔，進(jìn)行有規(guī)律的位置變換、即交叉交織處理。并插入8個(gè)校驗(yàn)符，是輸入的24個(gè)字符轉(zhuǎn)化成32個(gè)。（如下圖所示）2.2.CIRC編碼方法原理圖其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理3.EFM調(diào)制意為8bit數(shù)碼轉(zhuǎn)至14bit的調(diào)制PCM碼中每幀的24個(gè)音頻字符經(jīng)過(guò)CITC交叉交織處理后，附加了4個(gè)C2糾錯(cuò)字符，可使成群成片的誤碼變?yōu)榉稚⒌膯蝹€(gè)誤碼，在28個(gè)字符的基礎(chǔ)上，有附加了4個(gè)C1糾錯(cuò)字符及一個(gè)表示曲目、時(shí)間、數(shù)據(jù)限制與顯示的字符（C和D），最終形成了每幀含有33個(gè)字符的數(shù)碼信息流其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理3.EFM調(diào)制3.1EFM調(diào)制就是要將每個(gè)字符由8bit轉(zhuǎn)換成14bit，使每幀的數(shù)據(jù)由33*8bit=264bit增加至33*14bit。做EFM調(diào)制是為了增加記錄密度，削減因光盤相鄰軌跡上光點(diǎn)重合而產(chǎn)生的碼間干擾，既保證時(shí)間的精確性，又可以減弱音頻的低頻成分對(duì)放送機(jī)伺服系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾。P137其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理3.EFM調(diào)制3.2.插入3bit結(jié)合碼8bit數(shù)碼轉(zhuǎn)換成14bitEFM碼后，滿足了“數(shù)碼中不行有連續(xù)兩個(gè)1，其間應(yīng)存在2-10個(gè)0”的要求，但兩個(gè)14bit碼相連時(shí)，這一要求難以實(shí)現(xiàn)，在兩組14bit碼間插入3bit結(jié)合碼，使整個(gè)碼流符合EFM碼的規(guī)則。也稱不歸零（NRZI）調(diào)制4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.1.音頻信號(hào)幀的結(jié)構(gòu)示意圖其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)1）幀同步信號(hào)，是做重放系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)的限制信息，這一信號(hào)的丟失或受到干擾時(shí)，將會(huì)造成數(shù)據(jù)流的混亂與錯(cuò)誤。2）限制與顯示信號(hào)，8bit數(shù)碼，依次為PQRSTUVW，也稱子碼信息。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理P通道碼，攜帶曲目的編輯信號(hào)，用于記錄樂(lè)曲起始的位置，接受P碼可以快速精確地找到樂(lè)曲的起點(diǎn)Q通道位攜帶了曲目的時(shí)間及限制信號(hào)，還附加糾錯(cuò)信號(hào)CIRC，可用來(lái)限制重放信息。播放時(shí)，以Q位來(lái)確定激光頭的當(dāng)前位置，再計(jì)算激光頭到待選曲目間所需移動(dòng)的音軌（軌跡）數(shù)目，然后由微處理機(jī)發(fā)出指令，指使伺服系統(tǒng)做滑行跟蹤，直至能進(jìn)行選取讀入位置。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理RSTUVW通道位，供應(yīng)了圖像、文字等顯示信息，也稱圖形顯示碼。它表示了電視圖像或線路圖形及顏色種類（共有8種顏色）。每張CD光盤可容納1500-2000幅性能良好、具有多種灰度和色調(diào)的文字與圖像。其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.2.子碼幀的重復(fù)頻率及每幀總通道位數(shù)P/Q等8個(gè)子碼是以98幀為一個(gè)重復(fù)周期，故子碼幀的重復(fù)頻率為幀頻率7.35KHZ除以98，即75HZ其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.3.幀頻與幀周期音頻模擬信號(hào)做A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率通常為44.1KHZ，每幀中含有左、右聲道各6各采樣點(diǎn)，故幀頻為7.35HZ幀周期為136μs其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.4.通道位的周期及通道位的時(shí)鐘頻率通道位為每幀最小的數(shù)據(jù)單位，上面已求得每幀的周期為136μs，而每幀的通道位的總數(shù)為588bit,則通道位的周期為0.231μs通道位的時(shí)鐘頻率為4.329MHZ其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.5.數(shù)據(jù)傳輸速率已求得幀頻為7.35KHZ，而每幀有588個(gè)通道位，則數(shù)據(jù)速率（位時(shí)鐘頻率）為4.3218Mbit/s其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.6.光盤存儲(chǔ)容量以直徑120min,播放時(shí)間75min的光盤為例，其存儲(chǔ)容量的計(jì)算式為75*60*4.3218=19.448Gbit若制成CD，每聲道的每隔字符為（EFM調(diào)制后）17bit，則兩聲道的立體聲信號(hào)共為34位，由此得，CD可存儲(chǔ)的立體聲音頻信號(hào)總字節(jié)數(shù)為19.448/34\572MB其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.7.光盤刻錄速度與通道位的長(zhǎng)度光盤的刻錄與播放速度一般取1.25m/s,則依據(jù)通道位的頻率或通道位的周期，可求得一個(gè)通道位在光盤上所占的長(zhǎng)度，刻錄速度/通道位頻率=0.29μs故光盤上每個(gè)凹坑的最小長(zhǎng)度應(yīng)由此式確定其次、視頻光盤數(shù)據(jù)信號(hào)的形成與處理4.音頻數(shù)碼的幀結(jié)構(gòu)4.8.位時(shí)鐘與左右聲道時(shí)鐘位時(shí)鐘信號(hào)也即