第 10讲 光盘的发展与制作第四章 光盘存储技术
4.1 光盘技术的发展与应用
4.2 CD_ROM光盘系统
4.2.1 光盘制作原理与方法
1.光盘驱动方式与光道结构
2.信息存储原理与调制编码
3.光盘制作的基本过程
4.2.2 CD_ROM的物理存储格式
1.CD_ROM盘片的物理结构
2.数据的扇区结构 和 帧结构
3.一组典型数据计算第四章 光盘存储技术多媒体硬件基础和核心技术；解决巨量数据存储的关键设备
4.1 光盘技术的发展与应用存储设备发展阶段：纸带,磁带,磁盘,光盘发展趋势：大容量,高速度,小型化,低价格
4.1.1 光盘技术的发展概况
1.发展梗概
① 1978年 12月,荷兰 Philips公司正式推出模拟激光视盘 LV
② 1982年 3月,Philips／日本 Sony推出数字音频光盘 CD_DA
③ 1985年,Philips & Sony推出紧凑只读光盘 CD_ROM
④ 1986年 4月,Philips & Sony推出交互式光盘系统 CD_I
⑤ 1987年 3月,RCA公司推出交互式数字视频系统 DVI
2,基本分类
4.1.2 光盘应用特征
(1)存储容量大：基本容量,播放时间,存储结构等
① CD_DA标准容量 550MB,单面,播放 60min
② CD_ROM标准容量 650MB,单面,播放 72min
③ DVD容量 =(8～ 30)倍 CD容量,可存 135～ 470分钟的视频单面单层 4.7G,单／双 8.6G,双／单 9.4G,双／双 17G
(2)传输速率高：数据传输速率遵从 P× 150Kbps规范；
150Kbps为基速,P为倍速参数 （ P = 1,2,… n）
DVD光驱速率在 1.3～ 10.7Mbps范围内可变,1.3Mbps为基速
(3)兼容性能好：可阅读符合 ISO9660标准格式的任何光盘数据
(4)性能价格比高：单位存储量的光盘制造成本远低于磁盘
(5)使用寿命长：信息保存时间长达 30～ 50年以上
4.2 CD_ROM光盘系统
4.2.1 光盘制作原理与方法
1.光盘驱动方式与光道结构盘旋转驱动方式,① 恒角速 CAV方式 （ 磁盘和早期 LV盘 ）
② 恒线速 CLV方式 （ CD_DA和 CD_ROM等 ）
(1)CAV盘特点,0光道在外圈,由外向内逐层标识；
扇区长度从内圈到外圈逐层增加,类似磁盘；
读盘从内到外,盘片旋转角速度保持不变
(2)CLV盘特点,光道起／止点由内向外；
扇区长度沿螺旋线均匀分布,
每 360° 一圈定义为一条物理光道,总长 20000条,约 5KM；
驱动器读盘从内到外,但盘转速与光头所处半径成反比,
即光头越远离盘中心则角速度越低
（ 充分利用存储空间,信息紧凑存放,存储容量大；
但数据结构很复杂 ）
CD_ROM光盘尺寸：
① 5英寸盘； ② 3英寸盘
2.信息存储原理与调制编码关键思路,① 用通道码来物理地记录数字化 （ 0,1） 信息
② 用信号调制编码方法实现原始数据与通道码间的转换
(1)调制编码方法
① 软磁盘采用改进调频制编码 MFM
② CD_ROM等大多数光盘采用 8到 14调制编码 EFM
③ DVD光盘采用 8到 16位调制编码 EFM+（ 调制效率更高 ）
通过调制编码后,原始数据变成通道码,以供刻录
(2)通道码结构,通过刻录机,在光盘表面进行烧蚀和刻槽,
形成凹坑和凸区 — 通道位串,用来记录原始信息
0的个数代表凹坑和凸区的长度 （ 0.278um的整数倍 ） ；
长度 L与倍数 T的约束关系为 3T ≤ L ≤ 11T
(3)调制编码与通道码的作用关系问题描述：记录信息的 1值之间,如何掺 0以区分信息表示状态
① 光驱中物镜透射孔径为 0.45um,而 0值区长度为 0.278um；
故分辨出正负跳沿至少要在两个连续 1值之间掺入两个 0值
② 考虑调制信号同步,算出两个通道位 1之间不超过 10个 0位
③ 调制编码长度约束条件是,2个,0”码 ≤ RL ≤ 10个,0”码解决方案：
① 8位数据的二进制编码种数为 28＝ 256
② 14位通道位的编码种数为 214= 16384，
其中满足 0行程要求的有 267种
③ 在合并通道位时,267种码中有 10种不满足 0行程限制,
故剔除,得 257种
④ 任选一种码不用,就筛选出表示 8位数据的 256种通道码结论,① 在满足通道位插 0行程限制的条件下,
表示 8位数据编码的最少通道位是 14；
这就是 8-14调制编码 （ EFM） 算法
② 为保证两个 14位通道码相连时的 0行程和位串同步要求,
可在两个通道码之间插入 3位合并位 （ 17位通道码表示 ）
3.光盘制作的基本过程
(1)数据准备,待刻录数据转存到磁盘等存储器中,供预制模
(2)原版盘预制模,对物理扇区进行数据组织,过程
① 数据分块,Mode1＝ 2048 Byte； Mode2＝ 2336 Byte
② 块前加标识位：同步码,地址码,数据类型选择方式码
③ 块后加纠错码,Mode1块 + 检错码 EDC + 校正码 ECC
④ EFM调制：产生通道位串数据流,以供激光刻录机使用
(3)原版盘制模,逻辑记录格式转化为物理记录格式,过程
① 激光刻录：在主盘上涂感光胶；刻数据,形成螺线光道
② 金属电镀：盘面腐蚀得凹凸阳模；镀银使盘导电得父盘
③ 电镀分离：对父盘进行再电镀和再分离,以制作母盘
④ 制作压模：对母盘再电镀和再分离,得到子盘 （ 压模 ）
(4)复制盘模压,复制光盘 —— 进行批量生产,过程
① 聚碳酸脂塑料经注塑机加热形成盘基的背板层 （ 基底 ）
② 基底通过真空容器镀银等,形成反射层 （ 信号层 ）
③ 在反射层用聚碳酸脂材料加造一个透明保护层,形成衬底层
④ 在背板层的反面涂漆作保护,并印制存储内容和厂标等信息
4.2.2 CD_ROM的物理存储格式物理存储格式：信息在光盘上的物理结构,
包括扇区结构和帧结构
—— 各种光盘最有特色的部分
1.CD_ROM盘片的物理结构设计思想：
① 采纳 CD_DA标准,以保持相互兼容性
② 扩充帧结构存放的数据类型 （ 音频 → 视频 ）,
因而用户数据结构不同
③ 增加一层错误检测与校正,
使误码率从 10-9降低到 10-12～ 10-16
(1)物理光道,每 360° 一圈为一条物理光道,
沿螺旋线等长均匀分布；共 20000条,划分为三个盘区：
① 导入区存放版权等说明信息
② 用户数据区存放实际内容
③ 导出区存放结束信息或静音
(2)信息光道,用于存放各种信息；最多 99条,编号为 1-99
(3)存储格式：
① 高层为扇区结构 (可寻址单元 )；
数据光道必须用扇区来构造
② 低层为帧结构 （ 数据存储单元 ） ； ISO标准定义三种帧：
F1＝ 24Byte,F2＝ 32Byte,F3＝ 33Byte
③ 扇区由帧组成,1扇区＝ 98个 F2帧,帧由字节组成
2.数据的扇区结构
(1)同步头 sync,提供扇区同步码；由 12个字节的特定码串组成
(2)扇区头 Header,4字节组成；其中 3个字节用作扇区地址码,
一个字节用作定义扇区方式,比较：
磁盘扇区地址 ∷ =（ 面号,磁道号,扇区号 ）
光盘扇区地址 ∷ =（ 分,秒,分数秒 ） ；
编址格式 ∷ = 分 ∶ 秒 ∶ 扇区号即：光盘扇区地址以标准扫描时间作地址；
其中,分为 0～ 74共 75分,秒为 0～ 59共 60秒,
分数秒即扇区号标识为 0～ 74（ 单位为 1／ 75秒 ）
扇区方式,Mode0用作光道信息匹配,如导入区和导出区
Mode1存放对纠错性能要求高的数据,如程序和数值
Mode2存放对纠错无特殊要求的数据,如图像和声音
(3) 用户数据,提供用户数据存放区；
Mode1为 2048 Byte,Mode2为 2336 Byte
(4) 错误校验,错误检测码 EDC采用循环冗余码 CRC
来检测所读数据是否有错若出错,则执行 ECC；否则跳过 ECC
错误校正码 ECC分为 P校验和 Q校验,
采用 Reed-Soloman码纠错
P校验采用 （ 26,24） RS码算法,检验码含 2个检验符
Q校验采用 （ 45,43） RS码码块长度 信息代码长度
3.数据的帧结构
CD_ROM盘的帧结构：
1帧 = 588个通道位 = 27个同步位 + 561个数据位
(1)同步位,占 3个字节,本身就是通道码,不必经 EFM调制变成通道位时,直接插入 3位合并位
(2)子通道控制码,记录盘地址信息；经 EFM调制有 17个通道位
(3)用户数据,沿用 CD-DA帧,故有子通道控制和左右通道概念
CD-DA采用 2通道立体声,
用 16位 （ ２ Byte） 采样精度按左右通道分 6次采样,
故每个通道的有效数据为 6× 2 = 12Byte.经 EFM调制后有
12× 2× （ 14+3） ＝ 408个通道位其中,F1 = 24 Byte（ 左右通道数据 ） ；
F2 = 32 Byte (+校验码 )； F3 = 33 Byte (+子码 )
1扇区 = 98个 F2帧,编号从 0～ 97；
1节 = 98个 F3帧,包含一个完整的控制字节表
(4)校验码：
P校验码 ∷ =(32,28)RS码；
码块长度为 32个符号,信息长度为 28,4个校验符
Q校验码 ∷ =（ 28,24） RS码经 EFM调制后有,4× 2× （ 14 + 3） = 136个通道位
(5)总通道位：
（ 3× 8 + 3） + 33× (14 + 3) = 588
或,27 + 17 + 408 + 136 = 588
4.一组典型数据计算
(1)扇区数据容量 SDC,反映帧与扇区之间的关系
1扇区 =98帧,1帧 =24字节；故一个扇区可存放的字节数为
SDC = 24× 98 = 2352 (Byte)
(2)帧速率 FR,反映 1秒钟所传送的帧数；与音频位速率有关根据,a.采样定理有 fc≥ 2fsmax；
其中,采样频率为,44.1KHz
b.采样精度为 16位,按左右通道分成 2个 8位的字节则推出音频位率 AR为
AR = 2× （ 2× 44.1× 103） = 176400 Byte／ s
因 1帧 = 24字节,故帧速率 FR为
FR = AR／帧 = 176400÷ 24 = 7350帧／秒
(3)扇区速率 SR,反映帧速率与扇区的关系,1扇区 =98帧,故
SR = 7350÷ 98 = 75扇区／秒
(4)CD_ROM读盘速度,反映扇区速率与扇区数据容量的关系
SMode1 = 2048× 75 = 153.6 kb／ s
SMode2 = 2336× 75 = 175.2 kb／ s
将常规应用 Mode1方式的读盘速度 153.6 ≈ 150 KB／ s
定义为光盘数据传输的基速,这就是单倍速的来历
(5)光盘存储容量,每扇区存放用户数据 2048字节,
每秒钟可读取 75扇区,一分钟 60秒；
一张 CD_DA盘标准输出为 60分钟,CD_ROM盘为 72分钟,故：
CD_DA盘容量 = 2048× 75× 60× 60 = 553 ≈ 550 MB
CD_ROM盘容量 = 2048× 75× 60× 72 = 663 ≈ 650 MB
4.1 光盘技术的发展与应用
4.2 CD_ROM光盘系统
4.2.1 光盘制作原理与方法
1.光盘驱动方式与光道结构
2.信息存储原理与调制编码
3.光盘制作的基本过程
4.2.2 CD_ROM的物理存储格式
1.CD_ROM盘片的物理结构
2.数据的扇区结构 和 帧结构
3.一组典型数据计算第四章 光盘存储技术多媒体硬件基础和核心技术；解决巨量数据存储的关键设备
4.1 光盘技术的发展与应用存储设备发展阶段：纸带,磁带,磁盘,光盘发展趋势：大容量,高速度,小型化,低价格
4.1.1 光盘技术的发展概况
1.发展梗概
① 1978年 12月,荷兰 Philips公司正式推出模拟激光视盘 LV
② 1982年 3月,Philips／日本 Sony推出数字音频光盘 CD_DA
③ 1985年,Philips & Sony推出紧凑只读光盘 CD_ROM
④ 1986年 4月,Philips & Sony推出交互式光盘系统 CD_I
⑤ 1987年 3月,RCA公司推出交互式数字视频系统 DVI
2,基本分类
4.1.2 光盘应用特征
(1)存储容量大：基本容量,播放时间,存储结构等
① CD_DA标准容量 550MB,单面,播放 60min
② CD_ROM标准容量 650MB,单面,播放 72min
③ DVD容量 =(8～ 30)倍 CD容量,可存 135～ 470分钟的视频单面单层 4.7G,单／双 8.6G,双／单 9.4G,双／双 17G
(2)传输速率高：数据传输速率遵从 P× 150Kbps规范；
150Kbps为基速,P为倍速参数 （ P = 1,2,… n）
DVD光驱速率在 1.3～ 10.7Mbps范围内可变,1.3Mbps为基速
(3)兼容性能好：可阅读符合 ISO9660标准格式的任何光盘数据
(4)性能价格比高：单位存储量的光盘制造成本远低于磁盘
(5)使用寿命长：信息保存时间长达 30～ 50年以上
4.2 CD_ROM光盘系统
4.2.1 光盘制作原理与方法
1.光盘驱动方式与光道结构盘旋转驱动方式,① 恒角速 CAV方式 （ 磁盘和早期 LV盘 ）
② 恒线速 CLV方式 （ CD_DA和 CD_ROM等 ）
(1)CAV盘特点,0光道在外圈,由外向内逐层标识；
扇区长度从内圈到外圈逐层增加,类似磁盘；
读盘从内到外,盘片旋转角速度保持不变
(2)CLV盘特点,光道起／止点由内向外；
扇区长度沿螺旋线均匀分布,
每 360° 一圈定义为一条物理光道,总长 20000条,约 5KM；
驱动器读盘从内到外,但盘转速与光头所处半径成反比,
即光头越远离盘中心则角速度越低
（ 充分利用存储空间,信息紧凑存放,存储容量大；
但数据结构很复杂 ）
CD_ROM光盘尺寸：
① 5英寸盘； ② 3英寸盘
2.信息存储原理与调制编码关键思路,① 用通道码来物理地记录数字化 （ 0,1） 信息
② 用信号调制编码方法实现原始数据与通道码间的转换
(1)调制编码方法
① 软磁盘采用改进调频制编码 MFM
② CD_ROM等大多数光盘采用 8到 14调制编码 EFM
③ DVD光盘采用 8到 16位调制编码 EFM+（ 调制效率更高 ）
通过调制编码后,原始数据变成通道码,以供刻录
(2)通道码结构,通过刻录机,在光盘表面进行烧蚀和刻槽,
形成凹坑和凸区 — 通道位串,用来记录原始信息
0的个数代表凹坑和凸区的长度 （ 0.278um的整数倍 ） ；
长度 L与倍数 T的约束关系为 3T ≤ L ≤ 11T
(3)调制编码与通道码的作用关系问题描述：记录信息的 1值之间,如何掺 0以区分信息表示状态
① 光驱中物镜透射孔径为 0.45um,而 0值区长度为 0.278um；
故分辨出正负跳沿至少要在两个连续 1值之间掺入两个 0值
② 考虑调制信号同步,算出两个通道位 1之间不超过 10个 0位
③ 调制编码长度约束条件是,2个,0”码 ≤ RL ≤ 10个,0”码解决方案：
① 8位数据的二进制编码种数为 28＝ 256
② 14位通道位的编码种数为 214= 16384，
其中满足 0行程要求的有 267种
③ 在合并通道位时,267种码中有 10种不满足 0行程限制,
故剔除,得 257种
④ 任选一种码不用,就筛选出表示 8位数据的 256种通道码结论,① 在满足通道位插 0行程限制的条件下,
表示 8位数据编码的最少通道位是 14；
这就是 8-14调制编码 （ EFM） 算法
② 为保证两个 14位通道码相连时的 0行程和位串同步要求,
可在两个通道码之间插入 3位合并位 （ 17位通道码表示 ）
3.光盘制作的基本过程
(1)数据准备,待刻录数据转存到磁盘等存储器中,供预制模
(2)原版盘预制模,对物理扇区进行数据组织,过程
① 数据分块,Mode1＝ 2048 Byte； Mode2＝ 2336 Byte
② 块前加标识位：同步码,地址码,数据类型选择方式码
③ 块后加纠错码,Mode1块 + 检错码 EDC + 校正码 ECC
④ EFM调制：产生通道位串数据流,以供激光刻录机使用
(3)原版盘制模,逻辑记录格式转化为物理记录格式,过程
① 激光刻录：在主盘上涂感光胶；刻数据,形成螺线光道
② 金属电镀：盘面腐蚀得凹凸阳模；镀银使盘导电得父盘
③ 电镀分离：对父盘进行再电镀和再分离,以制作母盘
④ 制作压模：对母盘再电镀和再分离,得到子盘 （ 压模 ）
(4)复制盘模压,复制光盘 —— 进行批量生产,过程
① 聚碳酸脂塑料经注塑机加热形成盘基的背板层 （ 基底 ）
② 基底通过真空容器镀银等,形成反射层 （ 信号层 ）
③ 在反射层用聚碳酸脂材料加造一个透明保护层,形成衬底层
④ 在背板层的反面涂漆作保护,并印制存储内容和厂标等信息
4.2.2 CD_ROM的物理存储格式物理存储格式：信息在光盘上的物理结构,
包括扇区结构和帧结构
—— 各种光盘最有特色的部分
1.CD_ROM盘片的物理结构设计思想：
① 采纳 CD_DA标准,以保持相互兼容性
② 扩充帧结构存放的数据类型 （ 音频 → 视频 ）,
因而用户数据结构不同
③ 增加一层错误检测与校正,
使误码率从 10-9降低到 10-12～ 10-16
(1)物理光道,每 360° 一圈为一条物理光道,
沿螺旋线等长均匀分布；共 20000条,划分为三个盘区：
① 导入区存放版权等说明信息
② 用户数据区存放实际内容
③ 导出区存放结束信息或静音
(2)信息光道,用于存放各种信息；最多 99条,编号为 1-99
(3)存储格式：
① 高层为扇区结构 (可寻址单元 )；
数据光道必须用扇区来构造
② 低层为帧结构 （ 数据存储单元 ） ； ISO标准定义三种帧：
F1＝ 24Byte,F2＝ 32Byte,F3＝ 33Byte
③ 扇区由帧组成,1扇区＝ 98个 F2帧,帧由字节组成
2.数据的扇区结构
(1)同步头 sync,提供扇区同步码；由 12个字节的特定码串组成
(2)扇区头 Header,4字节组成；其中 3个字节用作扇区地址码,
一个字节用作定义扇区方式,比较：
磁盘扇区地址 ∷ =（ 面号,磁道号,扇区号 ）
光盘扇区地址 ∷ =（ 分,秒,分数秒 ） ；
编址格式 ∷ = 分 ∶ 秒 ∶ 扇区号即：光盘扇区地址以标准扫描时间作地址；
其中,分为 0～ 74共 75分,秒为 0～ 59共 60秒,
分数秒即扇区号标识为 0～ 74（ 单位为 1／ 75秒 ）
扇区方式,Mode0用作光道信息匹配,如导入区和导出区
Mode1存放对纠错性能要求高的数据,如程序和数值
Mode2存放对纠错无特殊要求的数据,如图像和声音
(3) 用户数据,提供用户数据存放区；
Mode1为 2048 Byte,Mode2为 2336 Byte
(4) 错误校验,错误检测码 EDC采用循环冗余码 CRC
来检测所读数据是否有错若出错,则执行 ECC；否则跳过 ECC
错误校正码 ECC分为 P校验和 Q校验,
采用 Reed-Soloman码纠错
P校验采用 （ 26,24） RS码算法,检验码含 2个检验符
Q校验采用 （ 45,43） RS码码块长度 信息代码长度
3.数据的帧结构
CD_ROM盘的帧结构：
1帧 = 588个通道位 = 27个同步位 + 561个数据位
(1)同步位,占 3个字节,本身就是通道码,不必经 EFM调制变成通道位时,直接插入 3位合并位
(2)子通道控制码,记录盘地址信息；经 EFM调制有 17个通道位
(3)用户数据,沿用 CD-DA帧,故有子通道控制和左右通道概念
CD-DA采用 2通道立体声,
用 16位 （ ２ Byte） 采样精度按左右通道分 6次采样,
故每个通道的有效数据为 6× 2 = 12Byte.经 EFM调制后有
12× 2× （ 14+3） ＝ 408个通道位其中,F1 = 24 Byte（ 左右通道数据 ） ；
F2 = 32 Byte (+校验码 )； F3 = 33 Byte (+子码 )
1扇区 = 98个 F2帧,编号从 0～ 97；
1节 = 98个 F3帧,包含一个完整的控制字节表
(4)校验码：
P校验码 ∷ =(32,28)RS码；
码块长度为 32个符号,信息长度为 28,4个校验符
Q校验码 ∷ =（ 28,24） RS码经 EFM调制后有,4× 2× （ 14 + 3） = 136个通道位
(5)总通道位：
（ 3× 8 + 3） + 33× (14 + 3) = 588
或,27 + 17 + 408 + 136 = 588
4.一组典型数据计算
(1)扇区数据容量 SDC,反映帧与扇区之间的关系
1扇区 =98帧,1帧 =24字节；故一个扇区可存放的字节数为
SDC = 24× 98 = 2352 (Byte)
(2)帧速率 FR,反映 1秒钟所传送的帧数；与音频位速率有关根据,a.采样定理有 fc≥ 2fsmax；
其中,采样频率为,44.1KHz
b.采样精度为 16位,按左右通道分成 2个 8位的字节则推出音频位率 AR为
AR = 2× （ 2× 44.1× 103） = 176400 Byte／ s
因 1帧 = 24字节,故帧速率 FR为
FR = AR／帧 = 176400÷ 24 = 7350帧／秒
(3)扇区速率 SR,反映帧速率与扇区的关系,1扇区 =98帧,故
SR = 7350÷ 98 = 75扇区／秒
(4)CD_ROM读盘速度,反映扇区速率与扇区数据容量的关系
SMode1 = 2048× 75 = 153.6 kb／ s
SMode2 = 2336× 75 = 175.2 kb／ s
将常规应用 Mode1方式的读盘速度 153.6 ≈ 150 KB／ s
定义为光盘数据传输的基速,这就是单倍速的来历
(5)光盘存储容量,每扇区存放用户数据 2048字节,
每秒钟可读取 75扇区,一分钟 60秒；
一张 CD_DA盘标准输出为 60分钟,CD_ROM盘为 72分钟,故：
CD_DA盘容量 = 2048× 75× 60× 60 = 553 ≈ 550 MB
CD_ROM盘容量 = 2048× 75× 60× 72 = 663 ≈ 650 MB
