第14章 只读光盘存储器
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14.1 CD简历
14.1.1 CD工业史上的几件大事
14.1.2 CD系列产品
14.2 CD的工作原理
14.3 CD-Audio
14.3.1,采用频率和样本大小
14.3.2,声道数
14.3.3,声音数据的通道编码
14.3.4,CD盘如何批量生产
14.4 DVD简介
14.5 DVD的规格
14.6 DVD的存储容量是怎样提高的
14.7 VCD与DVD播放机的结构
14.7.1 简介
14.7.2 VCD播放机的基本结构
14.7.3 DVD播放机的基本结构练习与思考题参考文献和站点
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如何记录“0”和“1”，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。
14.1 CD简历
14.1.1 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：① 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。② 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推向了市场，从此CD-ROM工业走上了康庄大道。
14.1.2 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14-01所示。
图14-01 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14-01所列的CD-G(Graphics)、CD-V(Video)、CD-ROM、CD-I(Interactive)、CD-I FMV(Full Motion Video)、卡拉OK(Karaoke)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：
CD-DA 存放数字化的音乐节目
CD-G 存放静止图像和音乐节目
CD-V 存放模拟的电视图像和数字化的声音
CD-ROM 存放数字化的文、图、声、象等
CD-I 存放数字化的文、图、声、象(静止的)、动画等
CD-I FMV 存放数字化的电影、电视等节目卡拉OK CD 存放数字化的卡拉OK节目
Video CD 存放数字化的电影、电视等节目
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14-01所示。
表14-01 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)
Video 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
5～6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
14.2 CD的工作原理
14.2.1 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、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成，如图14-02所示。
图14-02 CD盘片的结构
CD盘上有一层铝反射层，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14-03所示。
图14-03 CD盘的结构
14.2.2 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14-04(b)所示，磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV(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(位/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14-04(a)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(位数/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。
(a) CD盘的光道 (b) 磁盘的磁道图14-04 CD盘的光道是螺旋型光道
14.2.3 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14-05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14-05 原版盘制作示意图
14.2.4 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14-06所示。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14-06 光学读出头的基本结构
图14-07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”和“0”，不知有多少科学家和工程技术人员为之奋斗终生。
图14-07 CD盘的读出原理
从图14-06和图14-07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１和０，而是凹坑端部的前沿和后沿代表１，凹坑和非凹的长度代表０的个数。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“０”和“１”更有效。这种技术可用图14-07作进一步的说明。图中４个凹坑和非凹坑代表了３１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的同步脉冲信号。
14.2.5 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14-02中供查阅，下一章将进一步介绍激光唱盘的物理格式。
表14-02 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/s～1.4m/s (恒定线速度)
光道间距
1.6 μm
盘片直径
120 mm
盘片厚度
1.2 mm
中心孔直径
15 mm
记录区
46 mm～117 mm
数据信号区
50 mm～116 mm
材料
折射率为1.55的任何材料
最小凹坑长度
0.833 μm (1.2m/s)～0.972 μm (1.4m/s)
最大凹坑长度
3.05 μm (1.2 m/s)～3.56 μm (1.4 m/s)
凹坑深度
～0.11 μm
凹坑宽度
～0.5 μm
光学系统
激光波长
780 nm (7 800?)
聚焦深度
± 2 μm
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
EFM
14.3 CD-Audio
14.3.1 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20～20 000 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16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
14.3.2 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，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5＋1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。
14.3.3 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位调制编码(eight to fourteen modulation，EFM)。这种编码的含义就是把一个8位(即1个字节)的数据用14位来表示。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位转换成14位。
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“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14-08所示。
图14-08 激光唱盘上声音数据编码的过程
14.3.4 CD盘如何批量生产激光唱盘(CD-DA)、数字激光视盘(V-CD)和CD-ROM的制作过程都相同，大致分成三个阶段。
1. 原版盘预制作(Premastering)，或者称为母盘预制作。对于激光唱盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA格式，而对于V-CD盘，把影视节目转换成V-CD标准记录格式，这个过程也叫做预处理。CD-DA格式在“红皮书”中有详细说明，V-CD的标准记录格式在Video CD 2.0标准(白皮书)中有详细说明，这项工作通常是由软件来完成，这种软件称为转换软件，或者称为编码器(Encoder)。
2. 原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作。原版盘制作包括：
(1) 把符合CD-DA或者V-CD标准格式的数据经过一个EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)编码器变成串行数据流，也就是在14.3.3中介绍的8到14调制，意思是把一个8位的数据变成14位的数据，再附加3位用来改善读/写信号的质量，这样8位的并行数据就转换成物理通道上的17位串行数据。
(2) 把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。参看图14-09，激光源发出的激光束通过激光调制器时受到串行数据的控制，例如，数据“0”就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让激光束通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃盘上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。激光调制器犹如一个开关。
图14-09 光刻系统示意图
(3) 对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。
(4) 对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成金属原版盘，称为父盘(father disc)，通过父盘再制作母盘(mother disc)，然后由母盘制作出子盘(son disc)，子盘就是压模(stamper)。
原版盘制作的整个过程如图14-10所示。
图14-10 V-CD盘的整个制作过程
3. 大批量复制。V-CD的盘基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机。聚碳酸脂加热之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却的塑料盘上，然后在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。
14.4 DVD简介
VCD和DVD都是光学存储媒体，但DVD的存储容量和带宽都明显高于CD。影视、声音、计算机和光学记录技术融合在一起将开发出下一代的CD产品。
DVD原名是Digital Video Disc的缩写，意思是“数字电视光盘(系统)”，这是为了与Video CD相区别。实际上DVD的应用不仅仅是用来存放电视节目，它同样可以用来存储其他类型的数据，因此又把Digital Video Disc更改为Digital Versatile Disc，缩写仍然是DVD，Versatile 的意思是多才多艺的意思。现在，当我们谈到DVD时，通常是指Digital Video Disc。
MPEG-1的电视质量是家用录象机的质量，MPEG-1技术的成熟促成了VCD的诞生、产业的形成和市场的成熟；MPEG-2的电视质量是广播级的质量，由于广播级数字电视的数据量要比MPEG-1的数据量大得多，而CD-ROM的容量尽管有近700多兆字节，但也满足不了存放MPEG-2 Video节目的要求。MPEG-2的技术已经相当成熟，为了解决MPEG-2 Video节目的存储问题，就促成了DVD的问世。
在1995年，一个由Sony和Philips Electronics DV公司领导的国际财团与另一个由Toshiba和Time Warner Entertainment公司领导的国际财团分别提出了两个不兼容的高密度CD(High Density Compact Disc，HDCD)规格。同年10月，两大财团终于同意盘片的设计按Toshiba/Time Warner公司的方案，而存储在盘上的数据编码则按Sony/Philips公司的方案。最终的单面单层DVD盘片应该能够存储4.7 GB(千兆字节)的数据，单面双层盘片的容量为8.5 GB；单面单层盘存储133分钟的MPEG-2 Video，其分辨率与现在的电视相同，并配备Dolby AC-3/MPEG-2 Audio质量的声音和不同语言的字幕。AC-3是Audio Code Number 3的缩写。
DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多，最高可达到17 GB。一片DVD盘的容量相当于现在的25片CD-ROM(650 MB)，而DVD盘的尺寸与CD相同。DVD所包含的软硬件要遵照正在由计算机、消费电子和娱乐公司联合制定的规格，目的是为了能够根据这个新一代的CD规格开发出存储容量大和性能高的兼容产品，用于存储数字电视和多媒体软件。
14.5 DVD的规格当我们提到DVD时，首先想到的是播放影视节目的DVD-Video。其实DVD和CD一样，除了DVD-Video之外还将会有4个成员，它们的标准文件用Book A，Book B，...,Book E来标识，如表14-03所示。
表14-03 DVD和CD系列
DVD(Digital Versatile Disc)
CD(Compact Disc)
Book A,DVD-ROM
CD-ROM
Book B,DVD-Video
Video CD
Book C,DVD-Audio
CD-Audio
Book D,DVD-Recordable
CD-R
Book E,DVD-RAM
CD-MO
Toshiba/Time Warner公司定义的DVD规格是SD(Super Density Digital Video Disc)，而Sony/Philips公司定义的DVD规格是MMCD(Multimedia CD)，这两种高密度盘规格的统一是扩充光盘存储容量的一个里程碑。在理论上来说，DVD的存储容量如表14-04所示。
表14-04 DVD的存储容量
DVD盘的类型
存储容量(GB)
MPEG-2 Video的播放时间(分钟)
单面单层(只读)
4.7
133
单面双层(只读)
8.5
240
单层双面(只读)
9.4
266
双层,双面(只读)
17
单层双面(DVD-R)
6.6
215
单层双面(DVD-RAM)
5.2
147
DVD-Video的规格如表14-05所示。DVD盘上的电视都采用MPEG-2的电视标准。NTSC的声音采用Dolby AC-3标准，MPEG-2 Audio作为选用；PAL和SECAM的声音采用MPEG-2 Audio标准，Dolby AC-3作为选用。
表14-05 电视图像规格技术内容
技术规格
数据传输率
可变速率，平均速率为4.69 Mb/s(最大速率为10.7 Mb/s)
图像压缩标准
MPEG-2标准
声音标准
NTSC：Dolby AC-3或LPCM,可选用MPEG-2 Audio
PAL,MPEG MUSICAM* 5.1或LPCM,可选用Dolby AC-3
通道数
多达8个声音通道和32个字幕通道
*MUSICAM(Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing)
14.6 DVD的存储容量是怎样提高的如何提高存储器的存储容量和传输速率是存储工业中永恒的研究课题，许多科学家和工程技术人员一直献身于这个领域。
一片DVD盘要能够存储多达17 GB的信息，需要采用许多新的技术。DVD所采用和将要采用的技术归纳在表14-06。
表14-06 HDCD技术摘要
DVD
CD
容量增益
盘片直径
120 mm
120 mm
盘片厚度
0.6 mm /面
1.2 mm /面
减小激光波长
635/650 nm
780 nm
4.486 =
加大N.A.(数值孔径)
0.6
0.45
(1.6*0.83)/
减小光道间距
0.74 μm
1.6 μm
(0.74*0.40)
减小最小凹凸坑长度
0.4 μm
0.83 μm
减小纠错码的长度
RSPC
CIRC
修改信号调制方式
8-16
8-14 加 3
1.0625 = 17/16
加大盘片表面的利用率
86.6平方厘米
86 平方厘米
1.019 = 86.6/86
减小每个扇区字节数
2048/2060字节/扇区
2048/2352字节/扇区
1.142 = 2352/2060
从外观和尺寸方面来看，DVD盘与现在广泛使用的CD盘没有什么差别，直径均为120 mm(4.75英寸)，厚度为1.2 mm；新的DVD播放机能够播放现在已经有的CD激光唱盘上的音乐和VCD节目。但不同的是DVD盘光道之间的间距由原来的1.6(m缩小到0.74(m，而记录信息的最小凹凸坑长度由原来的0.83(m缩小到0.4(m，这是DVD盘的存储容量可提高到4.7 GB的主要原因，它的容量是CD的7倍，它们之间的差别如图14-11所示。
图14-11 DVD盘和CD盘之间的差别
常规的CD播放机和CD-ROM驱动器采用波长为780 nm的不可见红外光来读出盘上的信息。为了把光道距离和信息记录凹凸坑的长度和宽度做得更小，DVD刻录机和播放机就需要采用波长更短的激光源，这是因为光学读出头的分辨率和激光波长成正比。近年来有许多有关蓝色激光器的报道，但是要把它用到DVD上还有漫长的路要走。更现实的技术是使用波长为635/650 nm的激光源来代替在CD驱动器中使用的780 nm红外光激光源。光学读出头的数值孔NA(Numerical Aperture)也比较大，这样可以产生直径比较小的聚焦激光束。
常规的CD播放机和CD-ROM驱动器的光学读出头的数值孔径为0.45。为了提高接收盘片反射光的能力，也就是提高光学读出头的分辨率，在DVD中就需要把NA由现在的0.45加大到0.6。使用短波长的激光源和数值孔径比较大的光学元件之后，最小凹凸的长度可以从0.83 (m减小到0.4 (m，而光道间距从1.6 (m 减小到0.74 (m，总的容量可以提高到4.486倍。
加大盘的数据记录区域也是提高记录容量的有效途径。DVD盘的记录区域从CD盘的86 cm2提高到86.6 cm2，如图14-12所示，这样记录容量也就提高了1.9%。
图14-12 增加盘的数据记录面积
提高DVD存储容量的另一个重要措施是使用盘片的两个面来记录数据，以及在一个面上制作好几个记录层，这无疑会大大增加DVD盘的容量。在IBM工作的科学家于1994年就声称他们能够制作10层的盘片。为了从最里面的记录层反射回足够强的光，一种称为CLC(cholesteric liquid crystal)的记录媒体可能被采用。
常规的CD盘只使用一个面，并且只制作一个记录层来记录信息，它的结构如图14-13所示。为了提高存储容量，出现了另一种规格的DVD盘，称为单面双层光盘，它的结构如图14-14所示。单面双层盘的表层称为第0层，最里层称为第1层。第0层采用了一种新的半透明(semi-transmissive)薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第1层。开始工作时，激光束首先在第1层上聚焦和光道定位。当从第0层上读出信息过渡到从第1层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲存储器可确保从第0层到第1层的平稳过渡，而不会使信息中断。单面双层DVD盘的容量可达到8.5 GB，而双面双层DVD盘的容量可达到17 GB。
图14-13 单面单层光盘的结构
图14-14 单面双层光盘的结构
DVD信号的调制方式和错误校正方法也做了相应的修正以适应高密度的需要，CD存储器采用8-14(EFM)加3位合并位的调制方式，而DVD则采用效率比较高的8-16＋(EFM PLUS)的方式，这是为了能够和现在的CD盘兼容，也为了和将来的可重写的光盘兼容而采用的方式；CD存储器采用的错误校正系统是里德-索洛蒙码(Cross-Interleaved Read-Solomon Code,CIRC)，而DVD采用里德-索洛蒙乘积码(Reed-solomon Product－like Code，RSPC)系统，它比CIRC更可靠。
采用修改的数据编码和调制算法都可以减少DVD盘上的冗余位，从而为用户提供更多的存储空间。现在的CD需要用17位来表示一个8位的数据(14个通道位和3个用于改善读出信号的合并位)。新的算法将使用16位来表示一个8位的数据，这样也增加了DVD的容量。
此外，在CD盘上有许多EDC(Error Detection Code)和ECC(Error Correction Code)信息位，采用新的算法之后这些信息位的数目可以减小，也就相当于增加用户数据的容量。采用RSPC纠错码之后，纠错码的数据传输率也将从25%减小到13%。
14.7 VCD与DVD播放机的结构
14.7.1 简介激光视盘和激光唱盘的成功，很自然地促使人们产生把数字电视放到光盘上的想法。从理论上说，放置的方法可以是多种多样的。早在1992年10月，JVC和Philips公司就介绍了Karaoke(卡拉OK)CD规格，1993年3月，它们制定了CD Karaoke规格1.0，1993年10月改名为Video CD 1.1，并沿用传统的CD规格命名法，把它称为White Book(白皮书)。1994年7月完成了Video CD规格2.0的制定工作。
把数字电视放到盘上与计算机把数据放到CD-ROM盘上一样，也涉及两个基本概念，一个是物理格式，另一个是逻辑格式。物理格式是规定信息存到CD盘上的方法，例如盘区的划分、光道的划分、扇区的大小、寻址的方法、错误的检测和校正等等。逻辑格式又称为文件格式，它是规定数据文件在盘上应如何组织和排列的方法，例如文件大小、目录结构等的处理方法。VCD(Video CD)标准就是综合了过去制定的CD物理格式和逻辑格式，以及通用的MPEG-1(Moving Pictures Expert Group)逻辑格式，是介于CD-ROM和CD-I之间的一种格式。
现在我们都知道，VCD是用来播放影视节目的，因此当我们谈论Video CD时，通常是指VCD节目、VCD盘，或者是指播放系统，或者同时指三者。VCD盘上存储的影视图像和声音是采用MPEG-1算法压缩的数字信息，并按MPEG的格式交错存放在VCD盘上。
Video CD是三种高新技术结合的产物，第一种是Video(可通俗理解为数字影视)技术，第二种是激光记录技术，或者叫光盘存储器技术，第三种是计算机软硬件技术。如前所述，光盘技术始于70年代，进入80年代，CD技术促进录音带向数字激光唱盘过渡；进入90年代，MPEG标准的制定和CD技术的发展，促使录像带向VCD过渡。
目前使用最普遍的VCD播放系统有两种：① 使用PC机构成的播放系统。这种播放系统可以使用MPEG播放卡或者使用软件MPEG播放器。当使用软件MPEG播放器时，需要高档微机，② VCD播放机＋电视机。
14.7.2 VCD播放机的基本结构
VCD播放机主要由3个核心部件组成：① CD驱动器，或者叫做CD加载器，② MPEG解码器，③微控制器。CD加载器、MPEG-V解码器、微控制器等的品种和型号都很多，因此选择的余地也很大。就目前的情况来看，无论您采样什么样的模块，VCD播放机的基本结构都相差不大。图14-15是VCD播放机的典型结构，它是围绕C-Cube Microsystems公司的L482/484解码器构成的VCD播放机。
从VCD盘读出的位数据流(bit-stream)既包含有电视图像数据，又包含有声音数据，VCD解码器首先要从这种数据流中分离出电视图像数据流和声音数据流，然后“兵分两路”，一路从压缩的电视图像数据流中重构出电视图像数据，再用“图形菜单(屏幕)显示(On-Screen Display，OSD)”选择的图形去覆盖它，最后把解压缩后的数据和同步信息送给模拟电视信号编码器，产生NTSC或者PAL制格式的电视信号送给电视机显示；另一路从压缩的声音数据流中重构出声音数据，然后把它送给模数转换器(Digital to Analog Convertor，DAC)，它的输出送给麦克风回响电路，在那里和两个麦克风的输入信号进行混合之后送给立体声设备。
微控制器是一个8位微控制器，它用来控制VCD播放机的运行。它执行的主要功能是：
接收并解释来自控制面板上的按钮输入命令。
接收并解释来自红外遥控器的输入命令。
在真空荧光数码显示器(Vacuum Fluorescent Display，VFD)上显示播放信息。
控制CD加载器和数字信号处理器的运行。
控制CL482/484的解码。
处理VCD 2.0的交互播放。
图14-15 VCD播放机的典型结构[2]
14.7.3 DVD播放机的基本结构
DVD播放系统的结构如图14 16所示，它与VCD播放系统的结构相差不大。就播放机来说，DVD播放机主要有下列几个部件组成：
(1) DVD盘读出机构。它主要由马达、激光读出头和相关的驱动电路组成。马达用于驱动DVD盘作恒定线速度旋转；DVD激光读出头用于读光盘上的数据，使用的是红色激光，而不是CD播放机上使用的红外激光。
(2) DVD-DSP(Digital Signal Processor)。这块集成电路用来把从光盘上读出的脉冲信号转换成解码器能够使用的数据。
(3) 数字声音/电视图形解码器。这是一块由1百多万个晶体管集成的大规模集成电路，它的主要功能是：
① 分离来自DVD播放机芯数据流中的声音和电视图像数据，建立声音和电视图像的同步关系。
② 对压缩的电视图像数据进行解压缩(即译码)，重构出广播级质量的电视图像，并且按电视显示格式重组电视图像数据，然后送给电视系统。
③ 对压缩的声音数据进行解压缩，重构出CD质量的环绕立体声，并且按声音播放规格(如通道要求，Dolby格式等)重组声音数据，然后送给立体声系统。
④ 处理附属图形，以图形方式显示节目菜单供用户选择观看节目，在VCD和DVD播放系统中，这种功能叫做图形菜单(屏幕)显示OSD(On-Screen Display)。
(4) 微控制器。这快集成电路实际是一个微型计算机芯片，它用来控制播放机的运行；管理遥控器或者控制面板上的用户输入，把它们转换成解码器和DVD加载器能够识别的命令；DVD节目存取权限的管理等。
图14 16 DVD播放系统的基本结构[2]
练习与思考题只读光盘是如何记录“0”和“1”的？
CD DA的音乐信号的采样频率为什么选择44.1 kHz？
激光唱盘音乐信号的样本位数是16，它的信噪比是多少？如果样本位数提高到20，它的信噪比是多少？
为什么物理线路上传输的数字信号都需要采用通道编码？
CD盘中的EFM是什么意思？
激光唱盘播放机的声音数据传输率是多少？
从CD渡到DVD，科学家和工程技术人员采取了那些主要技术？
目前定义了几种DVD？
参考文献和站点
David R,Guenette,How High Density Can CD Get?,CD-ROM Professional,May 1996,pp82～88
http://www.c-cube.com/products/ (浏览日期：1998年12月)
C-Cube Microsystems,CL480 MPEG System Decoder User’s Manual,1995.
C-Cube Microsystems,CLM4700 MPEG-2 Video Encoder User’s Manual,1995.
林福宗,赵立人,Video-CD播放系统设计,小型微型计算机系统，1995,3,pp29～34.
林福宗,陆 达,多媒体与CD-ROM,北京：清华大学出版社,1995.3
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14.1 CD简历
14.1.1 CD工业史上的几件大事
14.1.2 CD系列产品
14.2 CD的工作原理
14.3 CD-Audio
14.3.1,采用频率和样本大小
14.3.2,声道数
14.3.3,声音数据的通道编码
14.3.4,CD盘如何批量生产
14.4 DVD简介
14.5 DVD的规格
14.6 DVD的存储容量是怎样提高的
14.7 VCD与DVD播放机的结构
14.7.1 简介
14.7.2 VCD播放机的基本结构
14.7.3 DVD播放机的基本结构练习与思考题参考文献和站点
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如何记录“0”和“1”，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。
14.1 CD简历
14.1.1 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：① 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。② 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推向了市场，从此CD-ROM工业走上了康庄大道。
14.1.2 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14-01所示。
图14-01 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14-01所列的CD-G(Graphics)、CD-V(Video)、CD-ROM、CD-I(Interactive)、CD-I FMV(Full Motion Video)、卡拉OK(Karaoke)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：
CD-DA 存放数字化的音乐节目
CD-G 存放静止图像和音乐节目
CD-V 存放模拟的电视图像和数字化的声音
CD-ROM 存放数字化的文、图、声、象等
CD-I 存放数字化的文、图、声、象(静止的)、动画等
CD-I FMV 存放数字化的电影、电视等节目卡拉OK CD 存放数字化的卡拉OK节目
Video CD 存放数字化的电影、电视等节目
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14-01所示。
表14-01 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)
Video 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
5～6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
14.2 CD的工作原理
14.2.1 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、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成，如图14-02所示。
图14-02 CD盘片的结构
CD盘上有一层铝反射层，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14-03所示。
图14-03 CD盘的结构
14.2.2 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14-04(b)所示，磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV(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(位/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14-04(a)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(位数/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。
(a) CD盘的光道 (b) 磁盘的磁道图14-04 CD盘的光道是螺旋型光道
14.2.3 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14-05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14-05 原版盘制作示意图
14.2.4 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14-06所示。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14-06 光学读出头的基本结构
图14-07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”和“0”，不知有多少科学家和工程技术人员为之奋斗终生。
图14-07 CD盘的读出原理
从图14-06和图14-07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１和０，而是凹坑端部的前沿和后沿代表１，凹坑和非凹的长度代表０的个数。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“０”和“１”更有效。这种技术可用图14-07作进一步的说明。图中４个凹坑和非凹坑代表了３１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的同步脉冲信号。
14.2.5 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14-02中供查阅，下一章将进一步介绍激光唱盘的物理格式。
表14-02 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/s～1.4m/s (恒定线速度)
光道间距
1.6 μm
盘片直径
120 mm
盘片厚度
1.2 mm
中心孔直径
15 mm
记录区
46 mm～117 mm
数据信号区
50 mm～116 mm
材料
折射率为1.55的任何材料
最小凹坑长度
0.833 μm (1.2m/s)～0.972 μm (1.4m/s)
最大凹坑长度
3.05 μm (1.2 m/s)～3.56 μm (1.4 m/s)
凹坑深度
～0.11 μm
凹坑宽度
～0.5 μm
光学系统
激光波长
780 nm (7 800?)
聚焦深度
± 2 μm
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
EFM
14.3 CD-Audio
14.3.1 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20～20 000 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16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
14.3.2 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，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5＋1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。
14.3.3 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位调制编码(eight to fourteen modulation，EFM)。这种编码的含义就是把一个8位(即1个字节)的数据用14位来表示。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位转换成14位。
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“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14-08所示。
图14-08 激光唱盘上声音数据编码的过程
14.3.4 CD盘如何批量生产激光唱盘(CD-DA)、数字激光视盘(V-CD)和CD-ROM的制作过程都相同，大致分成三个阶段。
1. 原版盘预制作(Premastering)，或者称为母盘预制作。对于激光唱盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA格式，而对于V-CD盘，把影视节目转换成V-CD标准记录格式，这个过程也叫做预处理。CD-DA格式在“红皮书”中有详细说明，V-CD的标准记录格式在Video CD 2.0标准(白皮书)中有详细说明，这项工作通常是由软件来完成，这种软件称为转换软件，或者称为编码器(Encoder)。
2. 原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作。原版盘制作包括：
(1) 把符合CD-DA或者V-CD标准格式的数据经过一个EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)编码器变成串行数据流，也就是在14.3.3中介绍的8到14调制，意思是把一个8位的数据变成14位的数据，再附加3位用来改善读/写信号的质量，这样8位的并行数据就转换成物理通道上的17位串行数据。
(2) 把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。参看图14-09，激光源发出的激光束通过激光调制器时受到串行数据的控制，例如，数据“0”就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让激光束通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃盘上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。激光调制器犹如一个开关。
图14-09 光刻系统示意图
(3) 对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。
(4) 对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成金属原版盘，称为父盘(father disc)，通过父盘再制作母盘(mother disc)，然后由母盘制作出子盘(son disc)，子盘就是压模(stamper)。
原版盘制作的整个过程如图14-10所示。
图14-10 V-CD盘的整个制作过程
3. 大批量复制。V-CD的盘基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机。聚碳酸脂加热之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却的塑料盘上，然后在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。
14.4 DVD简介
VCD和DVD都是光学存储媒体，但DVD的存储容量和带宽都明显高于CD。影视、声音、计算机和光学记录技术融合在一起将开发出下一代的CD产品。
DVD原名是Digital Video Disc的缩写，意思是“数字电视光盘(系统)”，这是为了与Video CD相区别。实际上DVD的应用不仅仅是用来存放电视节目，它同样可以用来存储其他类型的数据，因此又把Digital Video Disc更改为Digital Versatile Disc，缩写仍然是DVD，Versatile 的意思是多才多艺的意思。现在，当我们谈到DVD时，通常是指Digital Video Disc。
MPEG-1的电视质量是家用录象机的质量，MPEG-1技术的成熟促成了VCD的诞生、产业的形成和市场的成熟；MPEG-2的电视质量是广播级的质量，由于广播级数字电视的数据量要比MPEG-1的数据量大得多，而CD-ROM的容量尽管有近700多兆字节，但也满足不了存放MPEG-2 Video节目的要求。MPEG-2的技术已经相当成熟，为了解决MPEG-2 Video节目的存储问题，就促成了DVD的问世。
在1995年，一个由Sony和Philips Electronics DV公司领导的国际财团与另一个由Toshiba和Time Warner Entertainment公司领导的国际财团分别提出了两个不兼容的高密度CD(High Density Compact Disc，HDCD)规格。同年10月，两大财团终于同意盘片的设计按Toshiba/Time Warner公司的方案，而存储在盘上的数据编码则按Sony/Philips公司的方案。最终的单面单层DVD盘片应该能够存储4.7 GB(千兆字节)的数据，单面双层盘片的容量为8.5 GB；单面单层盘存储133分钟的MPEG-2 Video，其分辨率与现在的电视相同，并配备Dolby AC-3/MPEG-2 Audio质量的声音和不同语言的字幕。AC-3是Audio Code Number 3的缩写。
DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多，最高可达到17 GB。一片DVD盘的容量相当于现在的25片CD-ROM(650 MB)，而DVD盘的尺寸与CD相同。DVD所包含的软硬件要遵照正在由计算机、消费电子和娱乐公司联合制定的规格，目的是为了能够根据这个新一代的CD规格开发出存储容量大和性能高的兼容产品，用于存储数字电视和多媒体软件。
14.5 DVD的规格当我们提到DVD时，首先想到的是播放影视节目的DVD-Video。其实DVD和CD一样，除了DVD-Video之外还将会有4个成员，它们的标准文件用Book A，Book B，...,Book E来标识，如表14-03所示。
表14-03 DVD和CD系列
DVD(Digital Versatile Disc)
CD(Compact Disc)
Book A,DVD-ROM
CD-ROM
Book B,DVD-Video
Video CD
Book C,DVD-Audio
CD-Audio
Book D,DVD-Recordable
CD-R
Book E,DVD-RAM
CD-MO
Toshiba/Time Warner公司定义的DVD规格是SD(Super Density Digital Video Disc)，而Sony/Philips公司定义的DVD规格是MMCD(Multimedia CD)，这两种高密度盘规格的统一是扩充光盘存储容量的一个里程碑。在理论上来说，DVD的存储容量如表14-04所示。
表14-04 DVD的存储容量
DVD盘的类型
存储容量(GB)
MPEG-2 Video的播放时间(分钟)
单面单层(只读)
4.7
133
单面双层(只读)
8.5
240
单层双面(只读)
9.4
266
双层,双面(只读)
17
单层双面(DVD-R)
6.6
215
单层双面(DVD-RAM)
5.2
147
DVD-Video的规格如表14-05所示。DVD盘上的电视都采用MPEG-2的电视标准。NTSC的声音采用Dolby AC-3标准，MPEG-2 Audio作为选用；PAL和SECAM的声音采用MPEG-2 Audio标准，Dolby AC-3作为选用。
表14-05 电视图像规格技术内容
技术规格
数据传输率
可变速率，平均速率为4.69 Mb/s(最大速率为10.7 Mb/s)
图像压缩标准
MPEG-2标准
声音标准
NTSC：Dolby AC-3或LPCM,可选用MPEG-2 Audio
PAL,MPEG MUSICAM* 5.1或LPCM,可选用Dolby AC-3
通道数
多达8个声音通道和32个字幕通道
*MUSICAM(Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing)
14.6 DVD的存储容量是怎样提高的如何提高存储器的存储容量和传输速率是存储工业中永恒的研究课题，许多科学家和工程技术人员一直献身于这个领域。
一片DVD盘要能够存储多达17 GB的信息，需要采用许多新的技术。DVD所采用和将要采用的技术归纳在表14-06。
表14-06 HDCD技术摘要
DVD
CD
容量增益
盘片直径
120 mm
120 mm
盘片厚度
0.6 mm /面
1.2 mm /面
减小激光波长
635/650 nm
780 nm
4.486 =
加大N.A.(数值孔径)
0.6
0.45
(1.6*0.83)/
减小光道间距
0.74 μm
1.6 μm
(0.74*0.40)
减小最小凹凸坑长度
0.4 μm
0.83 μm
减小纠错码的长度
RSPC
CIRC
修改信号调制方式
8-16
8-14 加 3
1.0625 = 17/16
加大盘片表面的利用率
86.6平方厘米
86 平方厘米
1.019 = 86.6/86
减小每个扇区字节数
2048/2060字节/扇区
2048/2352字节/扇区
1.142 = 2352/2060
从外观和尺寸方面来看，DVD盘与现在广泛使用的CD盘没有什么差别，直径均为120 mm(4.75英寸)，厚度为1.2 mm；新的DVD播放机能够播放现在已经有的CD激光唱盘上的音乐和VCD节目。但不同的是DVD盘光道之间的间距由原来的1.6(m缩小到0.74(m，而记录信息的最小凹凸坑长度由原来的0.83(m缩小到0.4(m，这是DVD盘的存储容量可提高到4.7 GB的主要原因，它的容量是CD的7倍，它们之间的差别如图14-11所示。
图14-11 DVD盘和CD盘之间的差别
常规的CD播放机和CD-ROM驱动器采用波长为780 nm的不可见红外光来读出盘上的信息。为了把光道距离和信息记录凹凸坑的长度和宽度做得更小，DVD刻录机和播放机就需要采用波长更短的激光源，这是因为光学读出头的分辨率和激光波长成正比。近年来有许多有关蓝色激光器的报道，但是要把它用到DVD上还有漫长的路要走。更现实的技术是使用波长为635/650 nm的激光源来代替在CD驱动器中使用的780 nm红外光激光源。光学读出头的数值孔NA(Numerical Aperture)也比较大，这样可以产生直径比较小的聚焦激光束。
常规的CD播放机和CD-ROM驱动器的光学读出头的数值孔径为0.45。为了提高接收盘片反射光的能力，也就是提高光学读出头的分辨率，在DVD中就需要把NA由现在的0.45加大到0.6。使用短波长的激光源和数值孔径比较大的光学元件之后，最小凹凸的长度可以从0.83 (m减小到0.4 (m，而光道间距从1.6 (m 减小到0.74 (m，总的容量可以提高到4.486倍。
加大盘的数据记录区域也是提高记录容量的有效途径。DVD盘的记录区域从CD盘的86 cm2提高到86.6 cm2，如图14-12所示，这样记录容量也就提高了1.9%。
图14-12 增加盘的数据记录面积
提高DVD存储容量的另一个重要措施是使用盘片的两个面来记录数据，以及在一个面上制作好几个记录层，这无疑会大大增加DVD盘的容量。在IBM工作的科学家于1994年就声称他们能够制作10层的盘片。为了从最里面的记录层反射回足够强的光，一种称为CLC(cholesteric liquid crystal)的记录媒体可能被采用。
常规的CD盘只使用一个面，并且只制作一个记录层来记录信息，它的结构如图14-13所示。为了提高存储容量，出现了另一种规格的DVD盘，称为单面双层光盘，它的结构如图14-14所示。单面双层盘的表层称为第0层，最里层称为第1层。第0层采用了一种新的半透明(semi-transmissive)薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第1层。开始工作时，激光束首先在第1层上聚焦和光道定位。当从第0层上读出信息过渡到从第1层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲存储器可确保从第0层到第1层的平稳过渡，而不会使信息中断。单面双层DVD盘的容量可达到8.5 GB，而双面双层DVD盘的容量可达到17 GB。
图14-13 单面单层光盘的结构
图14-14 单面双层光盘的结构
DVD信号的调制方式和错误校正方法也做了相应的修正以适应高密度的需要，CD存储器采用8-14(EFM)加3位合并位的调制方式，而DVD则采用效率比较高的8-16＋(EFM PLUS)的方式，这是为了能够和现在的CD盘兼容，也为了和将来的可重写的光盘兼容而采用的方式；CD存储器采用的错误校正系统是里德-索洛蒙码(Cross-Interleaved Read-Solomon Code,CIRC)，而DVD采用里德-索洛蒙乘积码(Reed-solomon Product－like Code，RSPC)系统，它比CIRC更可靠。
采用修改的数据编码和调制算法都可以减少DVD盘上的冗余位，从而为用户提供更多的存储空间。现在的CD需要用17位来表示一个8位的数据(14个通道位和3个用于改善读出信号的合并位)。新的算法将使用16位来表示一个8位的数据，这样也增加了DVD的容量。
此外，在CD盘上有许多EDC(Error Detection Code)和ECC(Error Correction Code)信息位，采用新的算法之后这些信息位的数目可以减小，也就相当于增加用户数据的容量。采用RSPC纠错码之后，纠错码的数据传输率也将从25%减小到13%。
14.7 VCD与DVD播放机的结构
14.7.1 简介激光视盘和激光唱盘的成功，很自然地促使人们产生把数字电视放到光盘上的想法。从理论上说，放置的方法可以是多种多样的。早在1992年10月，JVC和Philips公司就介绍了Karaoke(卡拉OK)CD规格，1993年3月，它们制定了CD Karaoke规格1.0，1993年10月改名为Video CD 1.1，并沿用传统的CD规格命名法，把它称为White Book(白皮书)。1994年7月完成了Video CD规格2.0的制定工作。
把数字电视放到盘上与计算机把数据放到CD-ROM盘上一样，也涉及两个基本概念，一个是物理格式，另一个是逻辑格式。物理格式是规定信息存到CD盘上的方法，例如盘区的划分、光道的划分、扇区的大小、寻址的方法、错误的检测和校正等等。逻辑格式又称为文件格式，它是规定数据文件在盘上应如何组织和排列的方法，例如文件大小、目录结构等的处理方法。VCD(Video CD)标准就是综合了过去制定的CD物理格式和逻辑格式，以及通用的MPEG-1(Moving Pictures Expert Group)逻辑格式，是介于CD-ROM和CD-I之间的一种格式。
现在我们都知道，VCD是用来播放影视节目的，因此当我们谈论Video CD时，通常是指VCD节目、VCD盘，或者是指播放系统，或者同时指三者。VCD盘上存储的影视图像和声音是采用MPEG-1算法压缩的数字信息，并按MPEG的格式交错存放在VCD盘上。
Video CD是三种高新技术结合的产物，第一种是Video(可通俗理解为数字影视)技术，第二种是激光记录技术，或者叫光盘存储器技术，第三种是计算机软硬件技术。如前所述，光盘技术始于70年代，进入80年代，CD技术促进录音带向数字激光唱盘过渡；进入90年代，MPEG标准的制定和CD技术的发展，促使录像带向VCD过渡。
目前使用最普遍的VCD播放系统有两种：① 使用PC机构成的播放系统。这种播放系统可以使用MPEG播放卡或者使用软件MPEG播放器。当使用软件MPEG播放器时，需要高档微机，② VCD播放机＋电视机。
14.7.2 VCD播放机的基本结构
VCD播放机主要由3个核心部件组成：① CD驱动器，或者叫做CD加载器，② MPEG解码器，③微控制器。CD加载器、MPEG-V解码器、微控制器等的品种和型号都很多，因此选择的余地也很大。就目前的情况来看，无论您采样什么样的模块，VCD播放机的基本结构都相差不大。图14-15是VCD播放机的典型结构，它是围绕C-Cube Microsystems公司的L482/484解码器构成的VCD播放机。
从VCD盘读出的位数据流(bit-stream)既包含有电视图像数据，又包含有声音数据，VCD解码器首先要从这种数据流中分离出电视图像数据流和声音数据流，然后“兵分两路”，一路从压缩的电视图像数据流中重构出电视图像数据，再用“图形菜单(屏幕)显示(On-Screen Display，OSD)”选择的图形去覆盖它，最后把解压缩后的数据和同步信息送给模拟电视信号编码器，产生NTSC或者PAL制格式的电视信号送给电视机显示；另一路从压缩的声音数据流中重构出声音数据，然后把它送给模数转换器(Digital to Analog Convertor，DAC)，它的输出送给麦克风回响电路，在那里和两个麦克风的输入信号进行混合之后送给立体声设备。
微控制器是一个8位微控制器，它用来控制VCD播放机的运行。它执行的主要功能是：
接收并解释来自控制面板上的按钮输入命令。
接收并解释来自红外遥控器的输入命令。
在真空荧光数码显示器(Vacuum Fluorescent Display，VFD)上显示播放信息。
控制CD加载器和数字信号处理器的运行。
控制CL482/484的解码。
处理VCD 2.0的交互播放。
图14-15 VCD播放机的典型结构[2]
14.7.3 DVD播放机的基本结构
DVD播放系统的结构如图14 16所示，它与VCD播放系统的结构相差不大。就播放机来说，DVD播放机主要有下列几个部件组成：
(1) DVD盘读出机构。它主要由马达、激光读出头和相关的驱动电路组成。马达用于驱动DVD盘作恒定线速度旋转；DVD激光读出头用于读光盘上的数据，使用的是红色激光，而不是CD播放机上使用的红外激光。
(2) DVD-DSP(Digital Signal Processor)。这块集成电路用来把从光盘上读出的脉冲信号转换成解码器能够使用的数据。
(3) 数字声音/电视图形解码器。这是一块由1百多万个晶体管集成的大规模集成电路，它的主要功能是：
① 分离来自DVD播放机芯数据流中的声音和电视图像数据，建立声音和电视图像的同步关系。
② 对压缩的电视图像数据进行解压缩(即译码)，重构出广播级质量的电视图像，并且按电视显示格式重组电视图像数据，然后送给电视系统。
③ 对压缩的声音数据进行解压缩，重构出CD质量的环绕立体声，并且按声音播放规格(如通道要求，Dolby格式等)重组声音数据，然后送给立体声系统。
④ 处理附属图形，以图形方式显示节目菜单供用户选择观看节目，在VCD和DVD播放系统中，这种功能叫做图形菜单(屏幕)显示OSD(On-Screen Display)。
(4) 微控制器。这快集成电路实际是一个微型计算机芯片，它用来控制播放机的运行；管理遥控器或者控制面板上的用户输入，把它们转换成解码器和DVD加载器能够识别的命令；DVD节目存取权限的管理等。
图14 16 DVD播放系统的基本结构[2]
练习与思考题只读光盘是如何记录“0”和“1”的？
CD DA的音乐信号的采样频率为什么选择44.1 kHz？
激光唱盘音乐信号的样本位数是16，它的信噪比是多少？如果样本位数提高到20，它的信噪比是多少？
为什么物理线路上传输的数字信号都需要采用通道编码？
CD盘中的EFM是什么意思？
激光唱盘播放机的声音数据传输率是多少？
从CD渡到DVD，科学家和工程技术人员采取了那些主要技术？
目前定义了几种DVD？
参考文献和站点
David R,Guenette,How High Density Can CD Get?,CD-ROM Professional,May 1996,pp82～88
http://www.c-cube.com/products/ (浏览日期：1998年12月)
C-Cube Microsystems,CL480 MPEG System Decoder User’s Manual,1995.
C-Cube Microsystems,CLM4700 MPEG-2 Video Encoder User’s Manual,1995.
林福宗,赵立人,Video-CD播放系统设计,小型微型计算机系统，1995,3,pp29～34.
林福宗,陆 达,多媒体与CD-ROM,北京：清华大学出版社,1995.3
