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4、 ”，如何提高单位面积上的记录密度是计算机工业中的一个非常重要的技术研究和开发课题。在半个世纪中，科学家和工程技术人员开发了许多的记录技术，从电子管到半导体存储器，从磁记录到光记录都取得了辉煌的成就。光记录是 20 世纪 70年代的重大发明，是 80 年代世界上的重大技术开发项目，是 90 年代得到广泛应用的技术。本章将从 CD 到 DVD 的发展过程中所采用的一些技术作一个介绍。11.1 CD 简历11.1.1 CD 工业史上的几件大事20 世纪 70 年代初期，荷兰飞利浦(Philips)公司的研究人员开始研究利用激光来记录和重放信息，并于 1972 年 9 月向全世界展示了长时间播放电视
5、节目的光盘系统，这就是 1978年正式投放市场并命名为 LV(Laser Vision)的光盘播放机。从此，利用激光来记录信息的革命便拉开了序幕。它的诞生对人类文明进步的影响，不亚于纸张的发明对人类的贡献。大约从 1978 年开始，把声音信号变成用“1”和“0”表示的二进制数字，然后记录到以塑料为基片的金属圆盘上，历时 4 年，Philips 公司和 Sony 公司终于在 1982 年成功地把这种记录有数字声音的盘推向了市场。由于这种塑料金属圆盘很小巧，所以用了英文Compact Disc 来命名，而且还为这种盘制定了标准，这就是世界闻名的“红皮书(Red Book)标准”。这种盘又称为数字激
6、光唱盘(Compact Disc-Digital Audio，CD-DA)盘。由于 CD-DA 能够记录数字信息，很自然就会想到把它用作计算机的存储设备。但从 CD-DA过渡到 CD-ROM 有两个重要问题需要解决： 计算机如何寻找盘上的数据，也就是如何划分盘上的地址问题。因为记录歌曲时是按一首歌作为单位的，一片盘也就记录 20 首左右的歌曲，平均每首歌占用 30 多兆字节的空间。而用来存储计算机数据时，许多文件不一定都需要那么大的存储空间，因此需要在 CD 盘上写入很多的地址编号。 把 CD 盘作为计算机的存储器使用时，要求它的错误率(10 -12)远远小于声音数据的错误率(10 -9)，而
7、用当时现成的 CD-DA 技术不能满足这一要求，因此还要采用错误校正技术。于是就开发了“黄皮书(Yellow)标准”。遗憾的是，这个重要标准只解决了硬件生产厂家的制造标准问题，也就是存放计算机数据的物理格式问题，而没有涉及逻辑格式问题，也就是计算机文件如何存放在 CD-ROM 上，文件如何在不同的系统之间进行交换等问题。为此，在多方努力下又制定了一个文件交换标准，后来国际标准化组织(International Standards Organization，ISO)把它命名为 ISO 9660 标准。经过科学技术人员以及各行各业人员的共同努力，终于在 1985 年前后成功地把 CD-ROM 推向
8、了市场，从此 CD-ROM 工业走上了康庄大道。11.1.2 CD 系列产品自从 1981 年激光唱盘上市以来，开发了一系列 CD 产品，而且还在不断地开发新的产品，VCD 仅仅是其中的一个产品，如图 11-01 所示。图 11-01 目前市场上的 CD 产品CD 原来是指激光唱盘，即 CD-DA(Compact Disc-Digital Audio)，用于存放数字化的音乐节目，现在，通常把图 11-01 所列的 CD-G(Graphics)、CD-V(Video)、CD-ROM、CD-I(Interactive)、CD-I FMV(Full Motion Video)、卡拉 OK(Karao
9、ke)CD、Video CD 等通称为 CD。尽管 CD 系列中的产品很多，但是它们的大小、重量、制造工艺、材料、制造设备等都相同，只是根据不同的应用目的存放不同类型的数据。它们之间的差别主要是：1. CD-DA 存放数字化的音乐节目 2. CD-G 存放静止图像和音乐节目 3. CD-V 存放模拟的电视图像和数字化的声音 4. CD-ROM 存放数字化的文、图、声、象等 5. CD-I 存放数字化的文、图、声、象( 静止的)、动画等 6. CD-I FMV 存放数字化的电影、电视等节目 7. 卡拉 OK CD 存放数字化的卡拉 OK 节目 8. Video CD 存放数字化的电影、电视等节目
10、 9. Photo-CD 存放的主要是照片、艺术品为了存放不同类型的数据，制定了许多标准，这些标准如表 11-01 所示。表 11-01 部分 CD 产品标准标准名称 盘的名称 应用目的 播放时间 显示的图像Red Book(红皮书)CD-DA 存储音乐节目 74 分钟 Yellow Book(黄皮书)CD-ROM 存储文图声象等多媒体节目存储 650 MB 的数据动画、静态图像、动图像Green Book(绿皮书)CD-I 存储文图声象等多媒体节目存储多达 760 MB的数据动画、静态图像Orange Book(橙皮书)CD-R 读/写入文图声象等多媒体节目White Book(白皮书)Vi
11、deo CD 存储影视节目 70 分钟(MPEG-1)数字影视(MPEG-1)质量Red Book +(红皮书 +)CD-Video 存储模拟电视数字声音56 分钟(电视)20 分钟(声音)模拟电视图像数字声音CD-Bridge Photo CD 存储照片 静态图像Blue Book(蓝皮书)LD(LaserDisc)存储影视节目 200 分钟 模拟电视图像11.2 CD 的工作原理11.2.1 CD 盘片结构激光唱盘、CD-ROM、数字激光视盘等统称为 CD 盘。CD 盘主要由保护层、反射激光的铝反射层、刻槽和聚碳脂衬垫组成，如图 11-02 所示。图 11-02 CD 盘片的结构CD 盘上
12、有一层铝反射层，看起来是银白色的，所以人们把它称为“银盘”。还有一种正在大批量进入市场的盘称为 CD-R(CD-Recordable)盘，它的反射层是金，所以又这种盘称为“金盘”。CD 盘的外径为 120 mm，重量为 14 克18 克。激光唱盘分 3 个区：导入区、导出区和声音数据记录区，如图 11-03 所示。图 11-03 CD 盘的结构11.2.2 CD 盘的光道结构许多读者都可能听说过以下两个术语：恒定角速度(CAV)和恒定线速度(CLV)。现在就首先来解释它们。以我们现在用的软磁盘为例，软磁盘存放数据的磁道是同心环，如图 11-04(A)所示，磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用 C
13、AV(constant angular velocity)表示，但在这一条磁道和另一条磁道上，磁头相对于磁道的速度(称为线速度)是不同的。采用同心环磁道的好处之一是控制简单，便于随机存取，但由于内外磁道的记录密度(比特/每英寸)不相同，外磁道的记录密度低，内磁道的记录密度高，外磁道的存储空间就没有得到充分利用，因而存储器没有达到应有的存储容量。CD 盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同，它的光道不是同心环光道，而是螺旋型光道，CD唱盘的光道长度大约为 5 公里，如图 11-04(B)所示。CD 盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的，而它的线速度是恒定的，就是光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是
14、恒定的，通常用 CLV(constant linear velocity)表示。由于采用了恒定线速度，所以内外光道的记录密度(比特数/每英寸)可以做到一样，这样盘片就得到充分利用，可以达到它应有的数据存储容量，但随机存储特性变得较差，控制也比较复杂。在盘存储器工业中，从 CAV 到 CLV 整整花了 30 多年的时间才得以实现。现在不仅 CD-ROM存储器采用 CLV，而且磁光盘存储器也开始采用。图 11-04 CD 盘的光道是螺旋型光道11.2.3 数据是怎样写入到 CD 盘上的磁盘对大多数用户来说并不生疏，它的记录原理称为磁记录，是利用磁铁的两个极性(南极和北极)来记忆“1”和“0”两个二
15、进制数的。光盘的记录原理就不能一概而论，都称为光记录，因为光盘这个名称已经很笼统了。现在在市场卖的磁光盘(magneto optical disc，MOD)和相变光盘(phase change disc，PCD)也被许多人简称为光盘，前者是利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据，后者是利用一种特殊的材料，这种材料在激光加热前和加热后它们的反射率不同，利用它们的反射率不同来记忆“1”和“0”，这是名副其实的光盘。激光唱盘既不同于磁光盘的记录原理，也不同于相变光盘的原理，而是利用在盘上压制凹坑的机械办法，利用凹坑的边缘来记录“1”，而凹坑和非凹坑的平坦部分记录“0”，使用激光来读出。用户使用磁
16、盘驱动器时，既可以把数据写入到盘上 ，又可以从盘上读出数据；磁光盘和相变光盘也同样有写入和读出两个功能，而且可以在同一台磁盘驱动器上完成。可是 CD 只读光盘就不是这样，用户只能读 CD 盘上的数据不能自己把数据写到 CD 盘上。CD 盘上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压模是用原版盘(master disc)制成的。图 11-05 是制作原版盘的示意图。在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚焦激光束，如果写入的数据为“0”，就不让激光束通过，写入“1”时，就让激光束通过，或者相反。在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶，曝了光的地方经化学处理后就形成凹坑，没有曝光的地方保持原
17、样，二进制信息就以这样的形式刻录在原版盘上。在经过化学处理后的玻璃盘表面上镀一层金属，用这种盘去制作母盘(mother disc)，然后用母盘制作压模，再用压模去大批量复制。成千上万的 CD 盘就是用压模压出来的，所以价格才这样便宜(版权费除外)。图 11-05 原版盘制作示意图11.2.4 数据是怎样从 CD 盘读出的CD 盘上的数据要用 CD 驱动器来阅读。CD 驱动器由光学读出头、光学读出头驱动机构、CD盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。光学读出头是 CD 系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成，它的结构如图 11-06 所
18、示。激光器发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电检测器，由光电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。图 11-06 光学读出头的基本结构图 11-07 是 CD 光盘的读出原理简化图。光盘上压制了许多凹坑，激光束在凹坑部分反射的光的强度，要比从非凹坑部分反射的光的强度来得弱，光盘就是利用这个极其简单的原理来区分“1”和“0”的。凹坑的边缘代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑的长度和非凹坑的长度都代表有多少个“0”。记忆“1”和“0”的道理就这么简单，但在计算机工业中为了记录“1”
19、和“0”，不知有多少科学家和工程技术人员为之奋斗终生。图 11-07 CD 盘的读出原理从图 11-06 和图 11-07 可以看到，CD 存储器在工作时光学读出头与盘之间是不接触的，因此您不必担心头和盘之间的磨损问题。这里需要强调的是，凹坑和非凹坑本身不代表和，而是凹坑端部的前沿和后沿代表，凹坑和非凹的长度代表的个数。这些位就是前面介绍的“通道位”。利用这种方法比直接用凹坑和非凹坑代表原始二进制制数据的“”和“”更有效。这种技术可用图11-06 作进一步的说明。图中个凹坑和非凹坑代表了个通道位，这就更充分地利用了光盘表面积，使得存储容量大大提高。此外，采用这种技术也很容易从读出信号中提取有用
20、的同步脉冲信号。11.2.5 激光唱盘标准摘要激光唱盘的标准定义在 1982 年发布的红皮书(Red Book)中，它源于 CD-Audio Book，后来成为 IEC 908 标准，这是所有其他 CD 产品标准的基础。现将它的部分内容汇总在表 11-02中供查阅，下一章将进一步介绍激光唱盘的物理格式。表 11-02 激光唱盘标准摘要名称 技术指标播放时间 74 分钟旋转方向 顺时针(从读出表面看)旋转速度 1.2m/s1.4m/s (恒定线速度)光道间距 1.6 m盘片直径 120 mm盘片厚度 1.2 mm中心孔直径 15 mm记录区 46 mm117 mm数据信号区 50 mm116 m
21、m材料 折射率为 1.55 的任何材料最小凹坑长度 0.833 m (1.2m/s)0.972 m (1.4m/s)最大凹坑长度 3.05 m (1.2 m/s)3.56 m (1.4 m/s)凹坑深度 0.11 m凹坑宽度 0.5 m光学系统激光波长 780 nm (7 800 )聚焦深度 2 m信号格式通道数 2 个量化 16 位线性量化采样频率 44.1 kHz通道位速率 4.3218 Mb/s数据位速率 1.9409 Mb/s数据：通道位 8:17错误校正码 CIRC调制方式 EFM11.3 CD-Audio11.3.1 采用频率和样本大小人耳朵(因人而异)能听到的声音信号频率范围是
22、2020 000 Hz，为了避免高于 20 000 Hz的高频信号干扰采样，在进行采样之前，需要对输入的声音信号进行滤波。考虑到滤波器在 20 000 Hz 的地方大约有 10%的衰减，所以可以用 22 000 Hz 的 2 倍频率作为声音信号的采样频率。但是，为了能够与电视信号同步，PAL 电视的场扫描为 50 Hz，NTSC 电视的场扫描为 60 Hz，所以取 50 和 60 的整数倍，选用了 44 100 Hz 作为激光唱盘声音的采样标准。激光唱盘音乐信号的样本位数是 16。实际上，样本数的大小也表示信号的动态范围。一位(bit)的动态范围约为 20log102 6.02 dB，所以 1
23、6 位的样本能够表达的动态范围就大于96 dB。模拟声音转换成数字之后，需要占据巨大的存储空间。在激光唱盘上一秒钟的声音需要占据的存储空间为：1 秒 44 100 样本/秒 2 字节/样本 2(左右两个通道) = 176.4 千字节11.3.2 声道数长期以来，立体声似乎就是两个声道(轨)，这是由于早期最重要的存储声音的媒体是接触式的唱片，唱片上的 V 形刻槽只能记录最多两条声道的模拟信号，这就使得后来的录音机、调频广播、录象机、甚至连数字激光唱盘都采样两个声道的规格。其实多声道的设备早已开发和采用，现在的许多剧院一直都还采用 4 个以上的声音通道。随着科学技术的发展，声音转换成数字信号之后，
24、计算机很容易处理，例如，压缩、偏移(Pan)、环绕音响效果(Surround Sound)等等，更多的声道和更逼真的音响效果已经在出现。例如，MPEG-2 数字影视标准和杜比 AC-3 都采用 51 个声音通道，即左、中、右 3 个主声道，左后、右后两个环场声道，以及一个次低音声道。11.3.3 声音数据的通道编码声音转换成用“1”和“0”表示的数字信号之后，并不是直接把它们记录到盘上。物理盘上记录的数据和真正的声音数据之间需要做变换处理，这种处理统称为通道编码。通道编码不只是光盘需要，凡是在物理线路上传输的数字信号都需要进行通道编码。采用通道编码的目的主要是两个，一是为了改善信号质量，使得读
25、出信号的频带变窄.。其次是为了为了在接收端能够从信号本身提取自同步信号。大家所熟悉的磁盘、磁带、数字电话等都使用了不同算法的通道编码技术。激光唱盘使用的通道编码叫做 8 到 14 比特调制编码(eight to fourteen modulation，EFM)。这种编码的含义就是把一个 8 个比特(即 1 个字节)的数据用 14 比特来表示。这里有两个问题要回答，一是为什么要做通道编码，二是为什么把 8 比特转换成 14 比特。1.为什么要做通道编码在数字记录中要做通道编码的主要原因有两个，一是为了改善读出信号的质量，二是为了在记录信号中提取同步信号。例如，有连续多个字节的全”0” 信号或者全
26、“1”信号要记录到盘上，如果不作通道编码就把它们记录到盘上，读出时的输出信号就是一条直线，电子线路就很难区分有多少个“0”或者多少个“1”信号。而对于没有规律的数字信号，读出时的信号幅度和频率的变化范围都很大，电子线路很难把“0”和“1”区分开，读出的信息就很不可靠。因此通俗说来，通道编码实际上就是要在连续的“0”插入若干个“1”，而在连续的“1”之间插入若干个“0”，并对“0”和“1”的连续长度数目即“行游程长度”加以限制。2.为什么要把 8 位数转换成 14 位数理论分析和实验证明，根据 70 年代的技术水平，把“0”的游程长度最短限制在 2 个，而最长限制在 10，光盘上的信号就能够可靠
27、读出。这条规则的意思是，2 个“1”之间至少要有 2 个“0”最多不超过 10 个“0”。我们知道，8 位数据有 256 种代码，14 位通道位有16 384 种代码。通过计算机的计算，在这 16 384 种代码中有 267 种代码能够满足“0”游程长度的要求。在这 267 种代码中，其中有 10 种代码在合并通道代码时限制游程长度仍有困难，再去掉一个代码，这样就得到了与 8 位数据相对应的 256 种通道码。此外，当通道码合并时，为了满足游程长度的要求，在通道码之间再增加了 3 位来确保读出信号的可靠性，于是在激光唱盘中 8 位的数据就转换成了 17 位的通道代码。在 DVD 光盘技术中，把 3 位合并位改成 2 位，并把它们直接插入到重新设计的码表中，这样一个字节的数据就转换成 16 位的通道位，这也就提高了 DVD 的存储容量。激光唱盘上的声音数据编码过程如图 11-08 所示。
