3 谁影响着光盘的品质

第1页：两大根源：盘片与刻录机刻录光盘离不开盘片与驱动器，因此有关光盘刻录质量也就要与它们双方都有关，我们不能简单的将质量问题归结于某一方。本文就将探讨影响光盘刻录质量的几个重要因素。在这里要首先指出的是，所谓的C1错误、PI错误都是经光驱读取后进行解码时发现的问题。按理，在编码过程中，是不可能出现错误的，如果按照原数据原原本本的刻录，不可能出现问题。因此，当我们看到光盘读取时的数据错误很多时，就要考虑在刻录或读取过程中可能出现的问题，而并不是C1、C2、PI、PO在影响着刻录质量，它们是弥补刻录质量不足的最后一道防线。●重温光盘刻录原理CD-R与DVD±R光盘都是染料为存储介质的。在刻录时，刻录激光高强度照射染料以破坏它们的透光度从而形成所谓的Pit（凹坑，其实没有坑，只是类比于CD/DVD-ROM上压制出的凹坑），没有被破坏的就是Land，或者我们可以说光盘刻录之后，与光盘原始状态不同的区域是Pit，没有变化的地方是Land。这样在读取时光盘的反射率也就会有所不同，反射率强弱（Pit变Land）的突变点就是1，其他的就都为0。CD-RW与DVD±RW/DVD-RAM一样，都是以相变材料为存储介质。当刻录时，刻录激光高强度照射结晶相变材料，破坏其结晶结构，从而达到改变光透射/反射率的目的。上图示意的是光盘刻录时的激光电平的表现，只有在电平高低翻转时才代表1，其他时候无论高低都代表0（可点击放大）。第2页：质量因素——最佳的刻录功率（BETA测试）当我们了解了光盘的刻录原理之后，就能想像得到，对染料和相变材料的“破坏程度”就对刻录的质量有相当大的影响，这也是为什么很多刻录机都在宣传所谓的OPC（OptimumPowerControl，最佳功率控制）技术，它可以根据盘片的介质响应水平来调节刻录时的功率，以保证最佳的刻录质量（满足相关的数据错误标准）。其实，OPC这都是相关光盘规范中所规定的，并且有详细的技术原理介绍，因此可以说这是必须要做的事情。但是，如何具体的使用OPC就看各自厂商的设计了。标准的OPC会在刻录正式开始时对光盘的媒质进行设定速度（如4×、或8×等等）下的试刻，检测的方面主要有两个：光盘记录层对指定的波长的激光功率的敏感程度当激光波长改变时光盘记录层敏感度的改变程度OPC控制器将通过相应的比较算法以找出最佳的功率水平，此时介质的响应水平也是最佳的，之后就以这个功率进行真正的数据写入。但是，刻录功率是与单位面积激光照射的单位时间相关的，随着刻录速度的提升，单位介质面积的激光照射单位时间也相应缩短，因此在内圈适用的功率在外圈就可能不适用了，如果仍以最早的OPC设定将会影响刻录质量。另外，还有两个因素也将对介质的刻录效果产生影响，需要OPC来加以解决：激光二极管会随着工作温度的改变而使激光波长发生变化光盘在物理上出现的问题，如盘面不平、保护层厚度不均、出现散焦以使照射功能出现偏差因此，理论上最佳的方法就是在刻录过程中实时的进行OPC，至少也要在每次变换刻录速度时重新进行OPC以保证更佳的刻录质量（如果不能满足倍速要求，则控制主轴转速以低倍速水平刻录以保证质量）。由于OPC的策略不同，也诞生了不少新的名词，如WalkingOPC、ROPC等等，其实都大同小异。有人可能会说，厂商只要用最大功率刻录不就行了吗，还用什么OPC？其实，功率越大不见得效果越好，它会涉及到读取电平的高低匹配度，这将在下文进一步予以说明。如何反映OPC的质量？我们可以想像，如果刻录时的功率不匹配，那么激光反射功率的最高点（Land）与最低点（Pit）相对于功率中间点就是不平衡的。因此，读取激光功率在Pit和Land区域相对于功率中间点的对称性就是一个重要衡量标准，业界称之为β，由于其发音同BETA，所以现在常用的表示就变为BETA了。显然，这种差别越小越能证明刻录时所使用的功能越接近最佳功率，也意味着光盘上的刻录点更容易被识别（意味与其他光驱的兼容性更高）。在相关的业界标准中，红皮书（CD-Audio）规定BETA的限制为±0.08，橙皮书（CD-R/RW）中则规定BETA应控制在±2％以内。至于DVD，则在-10％～+5％之间。有关BETA的详细原理，以及它与OPC之间的关系，将在下文进一步详细讲述。但是，BETA只能说刻录时的功率控制达标，并不能代表数据本身的逻辑正确性。它只能保证刻录机想刻的数据在光盘上的易读性，但刻录机想刻的数据不见得就是用户的原始数据，这是为什么呢？第3页：质量因素——时间与长度的控制（Jitter）CD与DVD的刻录都是非常精密的，这主要反映在两个方面——刻录刻录点的精确程度与刻录功率的匹配程度。刻录功率的匹配程度上面已经讲了，现在就来看看刻录刻录点的精确程度了。什么是刻录点？就是一个信道脉冲体现在光盘上的点，光盘上的刻录点必然要有长度的，而在读取/刻录时，光盘在旋转过程中让激光扫过这个长度，肯定是需要时间的。OK，1bit刻录点的长度与时间也因此而确定下来，不能超出规定的范围！光盘上的信息刻录点都有精确的规定那么CD与DVD的刻录点的长度与时间各是多少呢？它们又是怎么怎么计算出来的呢？这里我就介绍一下，别嫌烦，看过之后你就能明白这种刻录点（Pit或Land）长度与时间的精确性是多么的重要了。第4页：CD的信道脉冲长度与时间我们现在知道CD在刻录时一帧的容量是36字节，这其中有3个同步字节，在经过EFM+3bit合并码（取8-17）调制之后，即变成了588bit的信道脉冲，计算公式是：32（24字节数据+8字节C1、C2校验码）×17（每字节转换成17bit）+1（控制码）×17（每字节转换成17bit）+24bit（3个同步字节，不用8-17转换）+3bit（合并码）我们知道CD一秒钟读取75个数据块（扇区），每块98帧，这样一来，一秒钟的总信道脉冲数量为：588×98×75=4321800，即4.3218Mbit/s（这里的1M=1000000），这就是CD光盘数据的调制频率，也称4.3218MHz，那么这些脉冲平均的用时是多少呢？1/4321800=231ns，这就是CD数据1bit刻录点所要用的时间，业界称之为信道脉冲单位时间，简写为大写的T（Time）。CD光盘在1倍速的旋转速度是1.2-1.4M/s，那么这些脉冲的平均占用的长度是多少呢？1.2或1.4/4321800M=0.277um或0.324um，我们称之为信道脉冲单位长度，简写为大写的L（Length）。好啦，现在我们就知道CD有关刻录点记录长度与时间上的要求了。但是，由于CD的EFM编码的RLL（2，10）规定和电平高低翻转代表逻辑1的设计，使其不可能有单独的刻录点出现。事实上，CD与DVD一样都采用了非归零倒置（NRZI，NonReturntoZeroInverted）脉冲编码的形式。它是在传统非归零NZR编码（一个电压代表1，一个电压代表0）基础上改进而来。由于只要识别电平翻转即可，所以具有更强的抗干扰能力，除了CD、DVD外，在网络通信领域也被大量采用。NRZI编码示意图从图中可以看出，NRZ就是我们平时所理解的那样逻辑电平表示法，而NRZI则在遇到1时将电平翻转，由于EFM编码后不可能有连续的1，所以1后面肯定就是0了。这样，在读取识别时就可以按下面的方法进行：若：低（高）电平持续时间/信道脉冲数量=N，那么所代表的信息就是1后面有N-1个0。比如，电平的持续时间为924ns，那么就意味着有924/231=4个信道脉冲，这4个脉冲的代码就是1000。所以，虽然EFM编码将0的个数限制在2至10个之间，但在实际的刻录中，0所占在的电平周期都要加上1。也就是说，在CD刻录时，可能出现的稳定电平时间就是3T-11T。这就意味着，CD上的一个刻录点至少将由3个信道脉冲组成，在光盘上所占据的长度就是0.83um（1.2M/s）或0.972um（1.4M/s），刻录点的用时在693ns（3T）至2541ns（11T）之间。第5页：CD的Jitter标准现在我们就能明白时间与长度精确性是非常重要的，而且它们是相辅相承的，用时超出了规定范围，长度也肯定会超出范围。如果误差大到一定的程度将会影响NRZI解码时的判断，比如将4个T的电平周期识别成5个T，就肯定会出现错误的数据了，进面影响后面的C1、C2解码的错误率。严重时，如果是CD-ROM将出现数据错误，如果是CD-Audio则甚至会改变声音的特性。因此，业界对刻录时产生的时间误差非常关注，并设定了相关的检测标准，这就是Jitter。由于相对于刻录长度，时间更容易测量，因此Jitter就是指刻录的数据周期与标准数据周期（时钟）之间的误差。在读取时光盘刻录点的时间与长度由RF控制信号表示（点击放大）在读取时，经过激光的扫描，CD将会生成RF（射频，RadioFrequency）信号，它也称为高频信号（HF，HighFrequency），从上图中可以看出，RF信号用波长的半周来对应一个刻录点，那么对3T的刻录点来说，RF频率就是1/（4321800÷3）÷2=720300Hz，对于11T的刻录点来说，RF频率就是1/（4321800÷11）÷2=196445Hz。因此，业界标准也就规定RF的频率上限为720KHz，下限为196KHz，有可能在一个周期内，上半周的频率为720KHz，下半周的频率为196KHz。此外，RF针对不同周期的信号振幅也不一样，T3时以I3表示，T11时以I11表示，它们的高低代表了反射峰值电平。RF信号示意图（点击放大），红色的数字表示下半周的可能长度，因为RF信号的上下半周将各自针对Pit（或Land）的长度，频率很可能不会一样，图中的I3与I11则表示了3T与11T时的信号振幅CD-ROM规范中规定，RF信号的最高电平为ITOP，那么I3/ITOP应该在30％～70％之间，I11/ITOP应该在60％以上。它们将是正确识别信号的关键，因为RF信号将经过A/D转换成EFM编码，因此识别的正确性必将关系到数据的正确性。左图为Jitter较小的RF信号，右为Jitter较大的RF信号，可见右边的信号较为模糊，由于模拟/数字转换时，以信号的逻辑识别电平为脉冲的翻转点，所以信号越模糊，脉冲翻转的误差也就越大显然，Jitter的存在将影响RF信号的精度。Jitter的出现，是有多方面原因的，说白了Jitter就是指刻录点的位置偏差，上面讲到的BETA也会对Jitter产生影响。为什么呢？如果OPC设计不良，将造成Pit与Land之间的边缘不清晰，从而影响RF信号的识别波形，如果刻录点的边缘锐利，那么RF信号也就更为锐利清晰。另外，假如刻录的功率不足，也将影响RF信号的振幅，从而给识别造成影响。由于T3是最常见的刻录点长度，因此Jitter的测试也大多以3T为单位进行，并且分为Pit3T和Land3T两部分。面向CD-R/RW的橙皮书最早对CD光盘的Jitter做出了规定，后来相关的标准也加入到新版的红皮书中，而且在黄皮书中也有相关的规定。前两者规定Jitter误差比不能超过15%，即约为35ns，如果达到115ns（50％），则肯定会发生错误，后者则规定Jitter的峰值不能超过50ns。第6页：DVD的信道脉冲长度与时间与CD的计算方法一样，DVD的调制频率也与1秒钟的数据传输相关。在DVD编码与纠错一节中，我们已经明白了DVD一个扇区的结构，一共13行，每行182个字节。按理应该是2366字节，但是在真正写入时，每91个字节要加入32bit的同步脉冲，因此，一个扇区最终会被分解为26个同步帧。一个DVD扇区最终刻录时的结构，32与1456都是指信道脉冲数量DVD规定，在一倍速时，1秒钟要传输同步帧17580个（约676个扇区），每一帧的信道脉冲数为91×16+32=1488bit，这样DVD的调制频率就约为26.16Mbit/s（精确值为26.15625Mbits/s），此时我们可以计算出对于DVD的信道脉冲时长为38.23ns，而DVD每秒的转速为3.49m（倍速时），那么每