只讀光盤存儲器要點(diǎn)

1、第十四章 只讀光盤存儲器 14.1 CD簡歷 14.2 CD的工作原理 14.3 CD-Audio 14.4 DVD簡介 14.5 DVD的規(guī)格 14.6 DVD的存儲容量是怎樣提高的 14.7 VCD與DVD播放機(jī)的結(jié)構(gòu) 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn) 本章將從CD到DVD的發(fā)展過程中所采用 的一些技術(shù)作一個介紹。 14.1 CD14.1 CD簡歷簡歷 一、CD的發(fā)展 1978年推出光盤播放機(jī)(LV：L Laser V Vision)； 1982年P(guān)hilips公司和Sony公司推出數(shù)字激光唱 盤(Compact Disc-Digital Audio ，CD-DA)，制定了 “紅皮書(Red Book)標(biāo)

2、準(zhǔn)”； 采用很多地址編號和錯誤校正技術(shù)的“黃皮書 (Yellow Book)標(biāo)準(zhǔn)”； 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(I International S Standards O Organization，ISO)制定了文件交換標(biāo)準(zhǔn) -ISO 9660 標(biāo)準(zhǔn)； 1985年前后成功地推出CD-ROM。 14.1 CD14.1 CD簡歷簡歷 二、CD系列產(chǎn)品 標(biāo)準(zhǔn)名稱盤的名稱應(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、運(yùn)動圖像 Green Book (

3、綠皮書) CD-I存儲文圖聲象等 多媒體節(jié)目 存儲多達(dá)760 MB的數(shù)據(jù) 動畫、靜態(tài)圖 像 Orange Book (橙皮書) CD-R讀/寫入文圖聲 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)量 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(lán)皮書) LD (LaserDisc) 存儲影視節(jié)目200分鐘模擬電視圖像 14.2 CD的工作原

4、理 一、CD盤片結(jié)構(gòu) CD盤主要由保護(hù)層、反射激光的鋁反射層、刻 槽和聚碳酸脂襯墊組成，如圖所示 14.2 CD的工作原理 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) 14.2 CD的工作原理 二、CD盤的光道結(jié)構(gòu) 恒定角速度(CAV)和恒定線速度(CLV) 軟磁盤存放數(shù)據(jù)的磁道是同心環(huán)，如圖(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。 14.2 CD的工作原理 CD盤光道的結(jié)構(gòu)與磁盤磁道的結(jié)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

5、約為5公里，如圖(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(yùn)動的線速度是恒 定的，通常用 CLV(constant linear velocity)表示。 優(yōu)點(diǎn)：充分利用數(shù)據(jù)存儲容量 缺點(diǎn)：隨機(jī)存儲特性較差，控制也比較復(fù)雜 14.2 CD的工作原理 三、數(shù)據(jù)是怎樣寫入到CD盤上的 磁盤的記錄原理稱為磁記錄，它利用磁鐵的兩 個極性(南極和北極)來記憶“1” 和“0” 兩個二進(jìn)制 數(shù)的。 光盤的記錄原理雖然都稱為光記錄，但記錄方 式是不一樣的。 14.2 CD的工作原理 ?磁光盤(magneto optical disc ，MOD

6、)利用磁的記 憶特性，借助激光來寫入和讀出數(shù)據(jù) ?相變光盤(phase change disc ，PCD)利用反射率 不同來記憶“1” 和“0” ?激光唱盤利用在盤上壓制凹坑的機(jī)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 14.2 CD的工作原理 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(master disc)制成的。在制作原版盤 時，是用編碼后的二進(jìn)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。曝了光的地 方經(jīng)化學(xué)處理后就形成凹坑，沒有

7、曝光的地方保持 原樣，二進(jìn)制信息就以這樣的形式刻錄在原版盤上。 然后使用原版盤去制作母 盤(mother disc)，然后用 母盤制作壓模，再用壓模 去大批量復(fù)制。 14.2 CD的工作原理 四、數(shù)據(jù)是怎樣從CD盤讀出的 CD驅(qū)動器由光學(xué)讀出頭、光學(xué)讀出頭驅(qū)動機(jī)構(gòu)、 CD盤驅(qū)動機(jī)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)如圖所示。 14.2 CD的工作原理 光盤上壓制了許多凹坑，激光束在凹坑部分 反射的光的強(qiáng)度，要比從非凹坑部分反射的光的 強(qiáng)度來得弱，光盤就是利用這個極其簡單的原理 來區(qū)分“1” 和“0

8、” 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” 。 14.3 CD-Audio 一、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，考慮到濾波器在20 000 Hz的地 方大約有10%的衰減，所以可以用 22 000 Hz的2倍頻 率作為聲音信號的采樣頻率。 同時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 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(biāo)準(zhǔn)。 14.3 CD-Audio14.3 C

9、D-Audio 激光唱盤音樂信號的樣本位數(shù)是 16。樣本數(shù)的 大小也表示信號的動態(tài)范圍， 16位的樣本能夠表達(dá) 的動態(tài)范圍就大于96 dB 。 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 ? 44 100樣本/秒 ? 2字節(jié)/樣本 ? 2(左右兩 個通道) = 176.4 千字節(jié) 14.3 CD-Audio 二、聲道數(shù) 早期的立體聲采用兩個聲 道(軌)，當(dāng)聲音轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號之后，計(jì)算機(jī)很容易處理多 聲道信號。例如，MPEG-2數(shù)字 影視標(biāo)準(zhǔn)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。 14.3 CD-Audio1

10、4.3 CD-Audio 三、聲音數(shù)據(jù)的通道編碼三、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。 激光唱盤使用的通道編碼叫做 8到14位調(diào)制編碼 ( (eight to fourteen modulation ，EFM)。這種編碼 的含義就是把一個8位(即1個字節(jié))的數(shù)據(jù)用14位來 表示。 14.3 CD-Audio 1.為什么要做通道編碼 ?為了改善讀出信號的質(zhì)量，使得讀出信號的頻帶變 窄 ?為了在記錄信號中提取同步信號 通俗說來，通道編碼實(shí)際上就是要在連

11、續(xù)的“0” 插入若干個“ 1” ，而在連續(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 游程 長度”加以限制。 14.3 CD-Audio 2.為什么要把8位數(shù)轉(zhuǎn)換成14位數(shù) 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)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。 14位通道位有 16 384種代碼。通過計(jì)算機(jī)的計(jì) 算，在這16 384種代碼中有267種代碼能夠滿足上述 要求。 此外，當(dāng)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。 14.3

12、 CD-Audio14.3 CD-Audio 14.3 CD-Audio14.3 CD-Audio 四、CD盤如何批量生產(chǎn) CD盤的制作大致分成三個階段。 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(biāo)準(zhǔn)的CD-DA格式，而對于V-CD盤，把影視節(jié) 目轉(zhuǎn)換成V-CD標(biāo)準(zhǔn)記錄格式。 14.3 CD-Audio 2.原版盤制作(Mastering)，或者稱為母盤制作 (1) 把符合CD-DA或者V-CD標(biāo)準(zhǔn)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； (2) 把一片涂

13、有光敏電阻 的玻璃盤在旋轉(zhuǎn)平臺 上進(jìn)行光刻。 14.3 CD-Audio14.3 CD-Audio (3) 對光刻的玻璃盤進(jìn)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(jìn)行化學(xué)電鍍生成金 屬原版盤，稱為父盤 (father disc)，通過父盤再制 作母盤(mother disc)，然后由母盤制作出子盤 (son disc)，子盤就是壓模(stamper)。 3.大批量復(fù)制 V-CD的盤基是用聚碳酸脂塑料做的，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

14、 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(hù)漆和 印制標(biāo)牌。 14.3 CD-Audio DVD原名是Digital Video Disc 的縮寫，意思是 “數(shù)字電視光盤(系統(tǒng))” ，后又把Digital Video Disc更改為Digital VersatileDisc。 MPEG-2的技術(shù)成熟，促成了DVD的問世。 DVD的特點(diǎn)是存儲容量比現(xiàn)在的 CD盤大得多，最 高可達(dá)到17 GB。一片DVD盤的容量相當(dāng)于現(xiàn)在的 25 片CD-ROM(650 MB)，而DVD盤的尺寸與CD相同。 14.4 DVD14.4 DVD簡介簡介 14.5 DVD的規(guī)

15、格 DVD和CD一樣，除了DVD-Video之外還將會有4個 成員，它們的標(biāo)準(zhǔn)文件用 Book A，Book B，. ， Book E來標(biāo)識，如表所示。 DVD(Digital Versatile Disc)CD(Compact Disc) Book A: DVD-ROMCD-ROM Book B: DVD-VideoVideo CD Book C: DVD-AudioCD-Audio Book D: DVD-RecordableCD-R Book E: DVD-RAMCD-MO 14.5 DVD的規(guī)格 DVD的存儲容量 DVD盤的類型存儲容量 (GB) MPEG-2 Video的播放 時間(

16、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)5.2147 14.5 DVD的規(guī)格 DVD-Video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4.69 Mb/s(最大速率為 10.7 Mb/s) 圖像壓 縮標(biāo)準(zhǔn) MPEG-2標(biāo)準(zhǔn) 聲音 標(biāo)準(zhǔn) NTSC：Dolby AC-3或LPCM, 可選用MPEG-2 Audio PAL：MPEG MUSICAM* 5.1或LPCM, 可選用 Dolby AC-3 通道數(shù)多達(dá)8個聲音通道和32個字幕通

17、道 14.6 DVD 的存儲容量是怎樣提高的的存儲容量是怎樣提高的 盤片直徑：均為120 mm 盤片厚度：均為1.2 mm ， 雙面DVD，0.6mm/面 光道間距：1.6?m0.74?m 最小凹凸坑長度： 0.83?m0.4?m 14.6 DVD 的存儲容量是怎樣提高的的存儲容量是怎樣提高的 加大盤的數(shù)據(jù)記錄區(qū)域： DVD盤的記錄區(qū)域從CD盤的 86 cm 2提高到86.6 cm2 14.6 DVD 的存儲容量是怎樣提高的的存儲容量是怎樣提高的 提高DVD存儲容量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 。 單面單層 單面雙層 14.6 DVD 的存儲

18、容量是怎樣提高的的存儲容量是怎樣提高的 調(diào)制方式 ： ?CD存儲器采用8-14(EFM)加3位合并位的調(diào)制方式 ?DVD則采用效率比較高的8-16(EFM PLUS)的方式 錯誤校正方法： ?CD存儲器采用里德-索洛蒙碼(Cross-Interleaved Reed-Solomon Code, CIRC) ?DVD采用里德-索洛蒙乘積碼(Reed-solomonReed-solomon Productlike Code，RSPC) 采用新的算法之后錯誤檢測碼和錯誤校驗(yàn)碼的信 息位的數(shù)目可以減小，糾錯碼的數(shù)據(jù)傳輸率也將從 25%減小到13%。 14.7 VCD與DVD播放機(jī)的結(jié)構(gòu) 一、簡介 1992年10月Karaoke(卡拉OK)CD規(guī)格 1993年10月Video CD 1.1 1994年7月Video CD 2.0 14.7 VCD與DVD播放機(jī)的結(jié)構(gòu) 把數(shù)字電視放到盤上與計(jì)算機(jī)把數(shù)據(jù)放到 CD- ROM盤上一樣，也涉及兩個基本概念： 物理格式 規(guī)定信息存到CD盤上的方法，例如盤區(qū)的劃分、 光道的劃分、扇區(qū)的大小、尋址的方法、錯誤的檢 測和校正等等。 邏輯格式 又稱為文件格式，它是規(guī)定數(shù)據(jù)文件在盤上應(yīng) 如何組