只读光盘存储器要点

1、第十四章 只读光盘存储器 14.1 CD简历 14.2 CD的工作原理 14.3 CD-Audio 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 本章要点本章要点 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 CD14.1 CD简历简历 一、CD的发展 1978年推出光盘播放机(LV：L Laser V Vision)； 1982年Philips公司和Sony公司推出数字激光唱 盘(Compact Disc-Digital Audio ，CD-DA)，制定了 “红皮书(Red Book)标

2、准”； 采用很多地址编号和错误校正技术的“黄皮书 (Yellow Book)标准”； 国际标准化组织(I International S Standards O Organization，ISO)制定了文件交换标准 -ISO 9660 标准； 1985年前后成功地推出CD-ROM。 14.1 CD14.1 CD简历简历 二、CD系列产品 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、运动图像 Green Book (

3、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 56分钟(电 视) 20分钟(声音) 模拟电视图像 数字声音 CD-BridgePhoto 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

4、理 一、CD盘片结构 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，如图所示 14.2 CD的工作原理 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 14.2 CD的工作原理 二、CD盘的光道结构 恒定角速度(CAV)和恒定线速度(CLV) 软磁盘存放数据的磁道是同心环，如图(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。 14.2 CD的工作原理 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

5、约为5公里，如图(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。 优点：充分利用数据存储容量 缺点：随机存储特性较差，控制也比较复杂 14.2 CD的工作原理 三、数据是怎样写入到CD盘上的 磁盘的记录原理称为磁记录，它利用磁铁的两 个极性(南极和北极)来记忆“1” 和“0” 两个二进制 数的。 光盘的记录原理虽然都称为光记录，但记录方 式是不一样的。 14.2 CD的工作原理 ?磁光盘(magneto optical disc ，MOD

6、)利用磁的记 忆特性，借助激光来写入和读出数据 ?相变光盘(phase change disc ，PCD)利用反射率 不同来记忆“1” 和“0” ?激光唱盘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 14.2 CD的工作原理 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。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。曝了光的地 方经化学处理后就形成凹坑，没有

7、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。 然后使用原版盘去制作母 盘(mother disc)，然后用 母盘制作压模，再用压模 去大批量复制。 14.2 CD的工作原理 四、数据是怎样从CD盘读出的 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，它的结构如图所示。 14.2 CD的工作原理 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

8、” 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” 。 14.3 CD-Audio 一、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2020 000 Hz，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。 同时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。 14.3 CD-Audio14.3 C

9、D-Audio 激光唱盘音乐信号的样本位数是 16。样本数的 大小也表示信号的动态范围， 16位的样本能够表达 的动态范围就大于96 dB 。 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 CD-Audio 二、声道数 早期的立体声采用两个声 道(轨)，当声音转换成数字信 号之后，计算机很容易处理多 声道信号。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 CD-Audio1

10、4.3 CD-Audio 三、声音数据的通道编码三、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。 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。 14.3 CD-Audio 1.为什么要做通道编码 ?为了改善读出信号的质量，使得读出信号的频带变 窄 ?为了在记录信号中提取同步信号 通俗说来，通道编码实际上就是要在连

11、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。 14.3 CD-Audio 2.为什么要把8位数转换成14位数 实验证明，当把“ 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。 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种代码能够满足上述 要求。 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。 14.3

12、 CD-Audio14.3 CD-Audio 14.3 CD-Audio14.3 CD-Audio 四、CD盘如何批量生产 CD盘的制作大致分成三个阶段。 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。 14.3 CD-Audio 2.原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作 (1) 把符合CD-DA或者V-CD标准格式的数据经过一个 EFM(Eight-to-FourteenModulation) 编码器变 成串行数据流； (2) 把一片涂

13、有光敏电阻 的玻璃盘在旋转平台 上进行光刻。 14.3 CD-Audio14.3 CD-Audio (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)。 3.大批量复制 V-CD的盘基是用聚碳酸脂塑料做的，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

14、 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。 14.3 CD-Audio DVD原名是Digital Video Disc 的缩写，意思是 “数字电视光盘(系统)” ，后又把Digital Video Disc更改为Digital VersatileDisc。 MPEG-2的技术成熟，促成了DVD的问世。 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。 14.4 DVD14.4 DVD简介简介 14.5 DVD的规

15、格 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的规格 DVD的存储容量 DVD盘的类型存储容量 (GB) MPEG-2 Video的播放 时间(

16、分钟) 单面单层(只读)4.7133 单面双层(只读)8.5240 单层双面(只读)9.4266 双层,双面(只读)17 单层双面(DVD-R)6.6215 单层双面(DVD-RAM)5.2147 14.5 DVD的规格 DVD-Video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

17、道 14.6 DVD 的存储容量是怎样提高的的存储容量是怎样提高的 盘片直径：均为120 mm 盘片厚度：均为1.2 mm ， 双面DVD，0.6mm/面 光道间距：1.6?m0.74?m 最小凹凸坑长度： 0.83?m0.4?m 14.6 DVD 的存储容量是怎样提高的的存储容量是怎样提高的 加大盘的数据记录区域： DVD盘的记录区域从CD盘的 86 cm 2提高到86.6 cm2 14.6 DVD 的存储容量是怎样提高的的存储容量是怎样提高的 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 。 单面单层 单面双层 14.6 DVD 的存储

18、容量是怎样提高的的存储容量是怎样提高的 调制方式 ： ?CD存储器采用8-14(EFM)加3位合并位的调制方式 ?DVD则采用效率比较高的8-16(EFM PLUS)的方式 错误校正方法： ?CD存储器采用里德-索洛蒙码(Cross-Interleaved Reed-Solomon Code, CIRC) ?DVD采用里德-索洛蒙乘积码(Reed-solomonReed-solomon Productlike Code，RSPC) 采用新的算法之后错误检测码和错误校验码的信 息位的数目可以减小，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 一、简介 1992年10月Karaoke(卡拉OK)CD规格 1993年10月Video CD 1.1 1994年7月Video CD 2.0 14.7 VCD与DVD播放机的结构 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： 物理格式 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