DVD影碟机的基本原理PPT课件

1 第4章DVD影碟机的基本原理 本章要点 DVD影碟机的产生与发展 DVD影碟机激光头的结构及信号读取原理 DVD影碟机的技术规格及光盘结构 DVD影碟机的组成及工作原理 2 采用MPEG2图像数据压缩技术的DVD DigitalVideoDisc 机被称为数字影碟机 它是为适应人们对高画质的要求而开发的 由于采用MPEG2压缩标准 其图像清晰度达500线以上 DVD光盘存储信息量大 可刻录多角度 多情节图像 特别适合体育比赛中不同角度 最多达9个 的观赏 其音频输出采用杜比AC 3 5 1声道 数码环绕声或MPEG2音频 本章将介绍DVD影碟机的基本原理 3 4 1DVD影碟机的产生与发展 DVD影碟机是20世纪90年代中期开发出来的新型激光视盘播放设备 它采用了650nm短波长激光技术 高密度刻录技术 MPEG2可变码率高效编码技术 以卓越的视频性能 巨大的存储容量和出色的音质 AC 3音频系统 受到世人青睐 4 4 1 1DVD的产生 MPEG2数据编码部分标准颁布后 一些生产厂商开始研制和开发基于MPEG2的高清晰度数字视盘机 DVD 1994年底 索尼公司和飞利浦公司公布了其多媒体MMCD 下一代高密度 数字视盘规格 并生产出样品于1995年1月的CES展览会上展出 同时东芝 时代华纳 汤姆逊 松下 日立 先锋和MCA等7家厂商联合推出SD超密度盘的多媒体数字视盘规格 这两种技术规格图像质量出色 但互不兼容 差异较大 经过一年的激烈争论 在众多软件公司的协调下 在1995年9月达成协议并将其命名为DVD 该统一标准包含的专利技术主要有松下 先锋公司发明的光盘粘合技术 松下公司发明的纠错技术 飞利浦公司发明的信号调制技术 统一后的DVD标准融合了MMCD和SD中的先进技术 5 4 1 2DVD的发展 随着DVD标准的统一 关键技术的成熟以及生产厂商与软件制作版权保护的进展 松下 东芝 先锋 飞利浦 三星 三洋等厂商纷纷推出各自的DVD样机与产品 东芝公司于1996年5月在美国纽约举行的立体音响视听展览会上展示了SD 3006 SD 1006DVD影碟机 并于同年11月在日本上市 松下公司于1997年推出PD2 将DVD DVD ROM DVD RAM三合一 放像机和内置DVD影碟机的电视机 与此同时 先锋公司推出平价的和高级的LD DVD两用播放机 索尼公司推出DVD CD播放机 松下公司还推出了DVD A100和DVD A300播放机 它们均兼容CD VCD光盘 且DVD A300内置AC 3解码器 6 我国是VCD机生产大国 厂家多达几百个 随着DVD影碟机的问世 一些知名厂家与科研院校 跨国公司合作 开发 生产出DVD影碟机 如国家计委与江苏江奎集团联合开发DVD机芯 深圳先科 江苏新科电子集团公司 福建实达集团 厦门共和电子公司 TCL集团公司纷纷推出各自品牌的DVD影碟机 1998年初 原电子工业部三所与美国依雅时公司 ESS 联合开发的DVD机研制成功 此外 厦新 蚬华 海信 长虹 步步高 万利达 宏图 旭光也相继生产出自己品牌的DVD机 7 由于DVD光盘从单面单层发展到单面双层 双面单层和双面双层 信息存储量由4 7GB扩展到17GB 使其不仅应用于家用视听娱乐设备 还越来越多应用于计算机领域 是可拆卸磁盘的理想替代物 得到了越来越多的软件制作商的支持 并取得了迅猛的发展 4 2DVD影碟机的技术规格及特点MPEG2是活动图像专家组于1994年制定的视频和音频数据压缩的技术规范和标准 其图像参数如表4 1所示 8 表4 1MPEG2技术规格图像参数 隔行扫描 9 4 2 1DVD光盘 DVD光盘的规格与VCD CD光盘一样 直径都是12cm 厚度为1 2mm 由两片粘合而成 由于采用高密度记录方式 改进了数据压缩和解压缩技术 其存储容量很大 一张与CD光盘一样大小的DVD光盘 有4 7GB存储空间 相当于CD光盘的7倍 可以存储133min的高清晰度图像 若为双面双层 最多有17GB存储空间 可提供长达8h的节目 10 4 2 2DVD激光头 DVD机是在CD机 VCD机的基础上 通过改进光盘物理结构和读取机构来提高记录密度 存储容量和传输速度的 由于DVD光盘与VCD CD光盘外观和尺寸一致 为了实现高密度记录 必然要缩短坑槽长度和轨迹间距 与VCD CD光盘相比 DVD光盘的轨道间距为0 74 m VCD为1 6 m 坑槽长度为0 4 m 2 m VCD最短为0 83 m 为了准确读取DVD光盘信息 DVD机激光头采用635nm 650nm CD为680nm 的较短波长 物镜数值孔径加大到0 6 CD为0 45 使其对激光束会聚后的焦点尺寸更小 更易准确找到信号轨迹 11 4 2 3MPEG2图像信号压缩技术 DVD光盘采用高密度记录方式 其最低存储量为CD光盘的7倍 如果仅靠改变光盘轨迹间距和坑槽的长度 将图像信号经A D转换后直接记录在DVD光盘上 一张光盘最多只能记录几分钟的活动图像信号 MPEG2是在MPEG1的基础上 通过改进实现的 它对图像信号的处理主要分为两个过程 首先确定图像的复杂程度 对于复杂的频繁的活动图像 采用高比特流传输来提高图像质量 对于简单图像 在不影响图像质量的前提下 降低比特流量 减少数据冗余量 从而在单位时间内传送更多的图像信号 其次 MPEG2压缩技术采用了可变比特率 VBR 传输方案 对于简单图像 用1 5Mb s传输 对复杂图像采用11Mb s传输 比特率越高 图像质量越高 但比特率太高 占据光盘的存储空间越大 理论证明 MPEG2的平均视频传输率以3 5Mb s为宜 这样既可确保得到高画质 又可获得高数据压缩率 为了获得高质量的图像效果 DVD在采用MPEG2压缩图像信号时 其数据压缩率为1 70 比目前VCD机采用的MPEG1压缩率 1 140 低1倍 12 4 2 4MPEG2和杜比AC 3数字音频压缩标准 MPEG音频有MPEG1音频和MPEG2两个标准 MPEG1是1993年推出的音频国际化标准 它将输入信号分割成32个子带 根据人类听觉特性适当分配比特流 将立体声音频信号编码并压缩到原信号的1 6 MPEG2音频是为高清晰度电视 HDTV 和高质量数字音频广播推出的一种音频压缩编码方式 它增加了5 1声道功能和8通道多语音功能 可以重放5通道全频域的音频 即L 左 R 右 C 中置 LS 左环绕 LR 右环绕 此外 它还增加了8通道语音功能和DOLBY向后兼容性 MPEG2音频还增加了24kHz 22 05kHz 16kHz的低采样频率 可提高低比特率时的压缩率 AC 3是杜比数字环绕声的简称 它支持5 1通道 L R C LS LR及SW 量化精度为20bit 每通道的采样频率分别为32kHz 44 1kHz 48kHz 其声音数据规格与MPEG1 MPEG2音频规格的参数比较如表4 2所示 杜比数字环绕声 AC 3 也是利用人的听觉特性压缩声音的 13 表4 2三种音频规格参数标准对照表 14 4 3DVD激光头及其工作原理 DVD与VCD一样 都是以光盘作为存储图像和声音的载体 采用激光扫描光盘的信息表面来实现重放 如图4 1所示 DVD光盘采用MPEG2压缩编码标准 其信息轨迹间距0 74 m 信息面的深度0 6 m 信息坑的最小长度仅0 4 m 刻录密度远大于VCD光盘 这就决定了只能用波长更短 实际用650nm 的激光头来读取 考虑到DVD机向下兼容CD VCD SVCD光盘 因而出现了多种DVD激光头 15 图4 1DVD激光头读取光盘信息示意图 16 为了使DVD机兼容CD VCD SVCD光盘 开发了双镜头式激光头 双焦点式激光头和液晶快门式激光头 1 双镜头式激光头双镜头式激光头的结构示意图如图4 2所示 双镜头式激光头组件中的物镜有两个 一个焦距较短 用来读取DVD光盘 一个焦距较长 用来播放VCD CD光盘 两个物镜安装在一个可旋转的圆盘上 当播放VCD或DVD光盘时 通过控制电路带动固定物镜的圆盘旋转 分别切换到相应的镜头来读取信号 其读盘示意图如图4 3所示 4 3 1DVD激光头的分类 17 图4 2双镜头式激光头结构示意图 18 图4 3双镜头式激光头读盘原理图 19 2 双焦点式激光头 双焦点式激光头是采用全息照相方式的物镜 使激光束有两个焦点 如图4 4所示 全息镜头从镜头中心向外制成一圈圈同心圆沟槽 其间距为数十微米到数百微米 全息镜头的表面为一平面镜 播放VCD或CD光盘时 利用平面镜的1次回折光读取信息 播放DVD光盘时 激光管发射的激光直接通过物镜的0次光读取信息 这种光头读取VCD光盘时 光利用率较低 可采用宽范围集光的方法来抑制光通量的下降 20 3 液晶快门 光圈 式激光头 液晶快门式激光头如图4 5所示 这种激光头在物镜的前面安装了一个液晶光圈 光圈大小随光圈外加电压的大小而变化 使激光经可变光圈物镜聚焦后的焦点发生变化 播放DVD光盘时 环形液晶板透光 物镜有效数值孔径增大到0 6 NA 0 6 激光束聚焦后的焦点落在DVD光盘信息面上 播放VCD光盘时 控制电压使液晶阀门关闭 物镜的有效数值孔径减小到0 45 NA 0 45 激光束会聚后的焦点落在VCD光盘信息面上 21 图4 4双焦点激光头原理图 22 图4 5液晶快门式激光头原理图 23 4 3 2DVD激光头的组成 DVD激光头与VCD激光头在构成上相似 都由激光发射系统 激光传播系统 光路 激光接收系统组成 如图4 6所示 激光发射系统由激光二极管和衍射光栅组成 和VCD激光管一样 DVD激光管的内部也有一个激光发射二极管LD和一个光敏检测管PD 有M型 P型和N型三种封装形式 如图4 7所示 激光头加电后 LD发射出单一波长 相位一致的激光 波长为650nm 780nm 激光功率为5mW左右 PD用来检测LD发射激光的强弱 实现激光自动功率 APC 控制 衍射光栅将LD发出的单束激光分成三束激光 一条主光束和两条辅助光束 24 图4 6DVD激光头组成示意图 25 图4 7DVD激光管封装形式 26 激光光路传播系统主要由分光棱镜 准直透镜 1 4波长片 物镜和柱面透镜组成 其中分光棱镜 准直透镜 1 4波长片和物镜组成入射光传播系统 物镜 1 4波长片 准直透镜 分光棱镜和柱面 圆柱 透镜组成反射光传播系统 激光接收系统主要由光敏接收二极管组件组成 它能将光盘的反射光信号转变为电信号 并送到RF射频电路进行处理 27 4 3 3DVD激光头信息读取原理 由光盘的微观结构知 DVD光盘是以椭圆形的坑槽和镜平面来记录信号的 信号的轨迹按螺旋形状由内圈向外圈排列 DVD的坑长0 6 m 1 6 m 轨迹间距0 74 m 坑槽的表面镀有高反射的铝膜 用来反射激光束 当激光束照射到光盘上时 在没有坑槽的地方 反射面为一平面 垂直照射到光盘的激光束产生100 的反射 反射光经物镜 1 4波长片到分光棱镜与入射光分开 经柱面透镜后照射到光敏检测器 此时检测到的激光束很强 对应于数字信号 1 当激光照射到坑槽上时 激光束照射其背面小凸起的地方 反射光与入射光光程相差 2 根据光的干涉原理 入射光与反射光将相互抵消 反射光只有30 按原路返回到光敏检测器 此时光敏检测器检测到的激光很弱 对应于数字信号 0 光敏接收器根据光信号的强弱判断光盘上记录的信号是 1 还是 0 28 4 3 4常见DVD激光头参数 我国生产的DVD影碟机采用的机芯和激光头主要有索尼机芯 松下机芯 第一代 第二代 第三代 日立机芯 三星机芯 蛇口三洋机芯等 激光头型号及其参数如表4 3所示 表4 3常见DVD机芯 激光头及其参数 29 表4 3常见DVD机芯 激光头及其参数 30 4 4DVD光盘的结构 数据格式及刻录原理 DVD光盘是90年代中期 索尼与飞利浦公司发表的MMCD 下一代高密度多媒体CD 与东芝 华纳 时代等几家公司发表的SD 超密度盘 两种数字视盘规格相争后达成统一标准的产物 并于1995年12月发表了DVD的全部统一规格 CD DVD MMCD SD光盘的参数及规格如表4 4所示 4 4 1DVD光盘结构1 宏观结构DVD光盘的宏观结构如图4 8所示 与CD VCD光盘一样 其直径为120mm 内孔直径为15mm 数据起始记录区从46mm开始 最大结束于116mm处 DVD光盘的厚度为1 2mm 由两片 每片0 6mm厚 粘合而成 DVD盘片有4种结构 如图4 9所示 31 如图4 9 32 表4 4CD DVD MMCD SD光盘的参数及规格 33 图4 8DVD光盘的宏观结构 34 图4 94种DVD光盘结构示意图 35 2 微观结构 DVD光盘以二进制数字信号的方式来记录信息 这些信息在记录时 从内圈到外圈连接成螺旋状的轨迹 数据信号在光盘上以坑槽和镜平面来表示 二进制信号的 1 对应于光盘上的镜平面位置 二进制的 0 对应于光盘表面的坑槽位置 由于DVD光盘坑槽微观尺寸较小 都是微米数量级 故用肉眼无法直接观察其轨迹排列 只能看到一圈圈七彩光芒 用放大镜仔细观察DVD光盘表面 可看到坑槽一圈圈排列在光盘上 这些坑槽的不同排列 构成了DVD光盘的信息轨迹 DVD光盘的微观结构及尺寸如图4 10所示 36 图4 10DVD光盘的微观结构图 37 4 4 2DVD光盘的数据格式 DVD采用ISO9660 MIROUDF数据格式 视频信号采用MPEG2编码方式压缩 编码率可变 这种编码方法对图像的复杂程度加以区别 对复杂图像采用高比特率 对简单图像采用低比特率 编码率的平均值为3 5Mb s 最高可达10Mb s 视频信号的调制采用EFM 8 16 方式 编码纠错采用RS PC 里德所罗门乘积码方式 其字符串的误码允许光盘上有4mm 5mm划伤 音频采用AC 3方式 对NTSC制 或MUSICAM多通道音频编码方式 对PAL制或SECAM制 38 4 4 3DVD光盘的刻录原理 1 DVD光盘的信号记录原理与VCD光盘刻录过程一样 DVD光盘信号在刻录时也要经过取样 量化 编码 纠错和调制 如图4 11所示 DVD图像信号首先经过取样和量化 将模拟信号转变成数字信号 再经预测性编码 以减少数据在时间和空间上的相关性 DCT 离散余弦 变换将图像的光强矩阵 时域信号 变换到系数空间 频域 后再进行处理 最后经矢量量化编码 可变尺度编码VLC 使图像信号有效压缩 与此同时 将量化信号 图像信号 运动矢量的数据经多路复用器合在一起 经数据量检测形成数据包 打包 音频信号经数字化处理和AC 3编码后形成音频数据包 副图像信号经编码后也形成相应的数据包 这三种数据包都加入同步信息 系统时钟参考和显示时间标记 并组合后送到RS PC纠错和EFM 调制 最后刻录在光盘上 39 图4 11DVD系统信号记录原理 40 2 RS PC纠错 RS PC 里德所罗门乘积 纠错编码是DVD采用的纠错方式 它是在RS编码基础上发展起来的 RS PC码具有32K字节 容量很大 即使纠错前的误码为1 纠错后的误码率可下降到10 20以下 同等条件下VCD采用CIRC纠错只能降到10 6 因而DVD的纠错能力远大于VCD 它允许光盘有4mm 5mm的物理损伤 DVD与VCD CD的误码纠错能力比较如图4 12所示 41 图4 12DVD与VCD误码纠错能力的比较 42 3 EFM 8 16 调制 为使传输或存储数字化信息达到高质量和更经济的效果 减少因相邻轨道间的低频干扰而降低激光头的性能 DVD光盘在信息刻录时采用了EFM 8 16 调制 EFM 调制是在VCD刻录所采用的EFM调制基础上发展起来的 EFM 仍遵循3T 11T T为1位信号占有的时间 规则 但不需要EFM调制的3位结合字符 每个字节 8位代码 对应EFM 代码只有16位 比EFM调制 17位 降低了6 的通道码 提高了信息记录密度和物理存储空间 43 4 5DVD影碟机的组成与原理 DVD机是在CD VCD机的基础发展起来的 其结构与VCD机相似 都是由机芯和电路两大部分组成 其组成框图如图4 13所示 4 5 1DVD机芯因DVD机要实现向下兼容CD VCD 超级VCD 这就决定了DVD机芯的机械部分和机芯电路要采用全兼容性设计 DVD机芯中的光盘装卸机构 旋转机构 托盘进出盒机构和进给机构的原理与VCD机芯相似 由于DVD光盘采用高密度记录技术 只能采用波长更短 650nm 物镜数值孔径 NA 0 6 更大的激光点来识读 这就决定了DVD激光头只能采用物镜数值孔径可变技术 从而产生了全兼容的DVD激光头 在我国 常见的有松下机芯 索尼璐KHM 210AAA机芯 华录DU3机芯 东芝机芯和三洋机芯等 44 图4 13DVD影碟机组成框图 45 4 5 2DVD影碟机的电路结构 DVD机的电路由机芯电路 RF放大 数字信号处理 机芯微处理器 数字伺服 驱动电路 MPEG2 MPEG1音频解码电路 DRAM ROM 系统控制电路 操作 显示控制电路 视频编码电路 AC 3解码电路等组成 与VCD机电路不同的是 DVD机采用MPGE2解码和AC 3解码器 根据1995年DVD标准 MPEG2在定义上包含MPEG1 因而所有符合MPEG1标准的VCD光盘均能在DVD机上播放 46 4 5 3DVD影碟机的工作原理 由图4 13所示的信号流程可知DVD机的工作原理如下 激光头读取光盘信息 经过RF前置放大 补偿 整形后输出二进制码流 输出的数字信号在DVD DSP 数字信号处理 电路进行EFM 8 16 解调 还原为8位二进制信号 再经过RS PC纠错处理 以提高读盘能力 纠错处理后输出的信号送到MPEG2解码器进行图像信号的解压处理和AC 3音频解码及子画面图像信号处理 输出的子画面图像信号与MPEG2解压后的视频信号一起送入PAL NTSC视频编码器 经编码输出视频信号 复合视频信号 S视频信号或色差分量视频 经AC 3解码后输出的6声道数字音频经6路DAC转换后输出5声道全频域的音频信号和1路120Hz以下的超重低音信号 与此同时 RF前置放大和DSP输出的信号送至数字伺服电路 经伺服处理后产生的误差信号再经驱动放大后控制伺服机构 以保证激光头精确读盘 为了使DVD机各单元电路正常工作 还需要系统微处理器与机芯微处理器参与控制 以保证整机正常工作 实现完善的人机界面与控制 47 4 6DVD影碟机的电路原理 不同厂家生产的DVD机功能各异 但电路构成基本相似 DVD机向下兼容VCD CD SVCD等光盘 其电路原理大部分与VCD相似 本节将讨论与VCD机不同部分的电路原理 4 6 1伺服电路工作原理DVD机的伺服电路和VCD机一样 都由聚焦伺服电路 循迹伺服电路 进给伺服电路和主轴伺服电路组成 其聚焦伺服 循迹伺服 进给伺服 主轴伺服原理与VCD基本一样 只是DVD的伺服电路要求更高 主轴转速更稳定 以实现准确读盘 4 6 2视频信号处理电路DVD机中 视频信号处理电路的组成框图如图4 14所示 48 图4 14DVD机视频信号处理电路 49 由图可知 MPEG2解码电路是视频处理电路的核心 一般都由集成电路完成 DVD机常用的解码电路有L64020 L64021 MN67740 ZiVAD6 ZR36700等 视频信号处理电路的工作过程为 由DSP输出的数字信号首先经CSS解密电路 然后进行数据分离处理 分别送入MPEG2图像解码 子图像解码 输出信号混合后经D A转换 PAL NTSC制编码 输出复合视频信号或S 视频 色差分量 为了掌握MPEG2解码芯片的工作原理 下面介绍第二代DVD解码芯片 50 1 L64021DVD解码电路L64021是美国LSILogic公司开发的MPEG2单片AV解码电路 其内部组成框图如图4 15所示 它采用LSI的MPEG2和AC 3解码内核 内置MPEG2视频解码 AC 3解码 CSS解密 版权保护电路 子图像解码和线性PCM解码 完全兼容MPEG1系统层的解码 还可将AC 3解码后输出的信号混合成两声道输出 可提供PCM直通通路 51 图4 15L64021组成框图 52 L64021采用低功耗CMOS0 25 m工艺制造 160脚PQFP封装 3 3V供电 只需外接16Mbit的SDRAM即可进行解码 L64021各引脚功能如表4 5所示 表4 5见书第97页 53 2 ZiVAD6DVD解码电路ZiVAD6是美国C CUBE 斯高柏 公司生产的DVD专用单片解码电路 它继承了CL48X系列解码器的结构和特点 使其对VCD有很好的兼容性 ZiVAD6解码芯片内部组成框图如图4 16所示 它内置MPEG1 2视频解码 AC 3音频解码 子图像解码 线性PCM解码 OSD屏幕显示 图像4 3 16 9幅度转换 可直接输出5 1声道的音频信号 不需多路音频A D转换器 或混合输出两路立体声信号 54 图4 16ZiVAD6内部组成框图 ZiVAD6采用208脚PQFP封装 3 3V电源供电 外挂4只256 16Kbit的DRAM完成解码 ZiVAD6各引脚功能如表4 6所示 表4 6见书第101页 55 3 ZR36700DVD解码集成电路 ZR36700是美国ZORAN 卓然 公司生产的一种单片MPEG2解码集成电路 其组成框图如图4 17所示 其主要功能有MPEG1 MPEG2音视频解码 AC 3音频解码和PCM线性解码 子图像解码 屏幕OSD显示 图像幅形转换 4 3 16 9 CSS解密功能 ZR36700支持DVD VCD CD等多种格式解码 具有多种特技放像功能 在音频处理方面 ZR36700支持AC 3音频解码 可直接输出5 1声道音频或混成两声道输出 它支持MPEG2音频7 1声道解码 支持16bit 18bit 20bit 24bit两声道PCM音频输出 支持采样频率32kHz 44 1kHz 48kHz 96KHZ 可对话筒输入的信号作卡拉OK混响或3D声专场处理 ZR36700采用160脚LQFP封装 3 3V电源供电 TTLI O电平 支持5V输入电平 外部时钟为27MHz 它需外接一片16Mbit的DRAM作为系统解码的缓冲存储器 ZR36700的主要引脚功能参数如表4 7所示 56 图4 17ZR36700内部组成框图 57 ZR36700采用160脚LQFP封装 3 3V电源供电 TTLI O电平 支持5V输入电平 外部时钟为27MHz 它需外接一片16Mbit的DRAM作为系统解码的缓冲存储器 ZR36700的主要引脚功能参数如表4 7所示 表4 7见书第106页 58 4 6 3数字音频处理电路 由DVD机的组成框图可知 在DVD机中 音频信号处理的核心为AC 3解码电路 AC 3又叫杜比数字环绕声 它已成为DVD音频处理的一个标准 杜比AC 3音频处理系统是美国杜比实验室开发的数字环绕声 它不仅应用于ATV 美国下一代电视制式 标准 还用于DVD标准 也是今后环绕声发展的主流 AC 3系统采用感觉编码方式 利用人耳的阈值效应和频率掩蔽效应对原始6声道数字信号进行大幅度压缩 其采样频率为32kHz 44 1kHz 48kHz 它采用高效音频编码机制 不同的编码方式采用不同的编码速率 单声道方式采用32kb s 双声道立体声采用192kb s 5 1声道采用384kb s 其编码速率32kb s 640kb s 能适应不同场合的要求 AC 3系统编码的方框图如图4 18所示 图中MDCT为改进型离散余弦变换器 可将随时间变化的样本变化为频率成分 并对各成分配以适当比特后再进行编码 然后经多路复用以打包的方式编成线性脉冲调制数据流 PCM码流 刻录在光盘上 59 AC