Lch12_光盘存储器

多媒体技术教程第12章光盘存储器林福宗清华大学计算机科学与技术系[e-mail]2008年9月2020年1月21日第12章光盘存储器2/48第12章光盘存储器目录12.1CD光盘12.1.1CD工业史上的大事12.1.2CD盘的结构12.1.3数据是怎样写入到CD盘上的12.1.4数据是怎样从CD盘读出的12.1.5CD激光唱盘标准摘要12.2CD-Audio12.2.1采样频率和样本大小12.2.2声道数12.2.3声音数据的通道编码12.2.4CD盘如何批量生产12.3DVD光盘12.3.1DVD光盘是什么12.3.2DVD的规格12.3.3DVD的存储容量是怎样提高的12.4VCD与DVD播放机12.4.1VCD简介12.4.2VCD播放机的基本结构12.4.3DVD播放机的基本结构12.5HDDVD与BD光盘12.5.1HDDVD与BD光盘是什么12.5.2HDDVD与BD技术规范2020年1月21日第12章光盘存储器3/4812.1CD光盘12.1.1CD工业史上的大事模拟光盘系统的诞生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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(LaserVision)的光盘播放机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。2020年1月21日第12章光盘存储器4/4812.1CD光盘(续1)数字激光唱盘的诞生大约从1978年开始，研究人员把声音信号变成用“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1982年Philips公司和Sony公司成功地把记录数字声音的盘推向了市场这种塑料金属圆盘很小巧，故用CompactDisc命名，而且还为这种光盘制定了标准，这就是世界著名的“红皮书(RedBook)标准”。这种盘又称为数字激光唱盘(CompactDisc-DigitalAudio，CD-DA)盘2020年1月21日第12章光盘存储器5/4812.1CD光盘(续2)CD-ROM的诞生由于CD-DA能够记录数字信息，自然就想到把它用作计算机的存储设备。但从CD-DA过渡到CD-ROM需要解决两个重要问题地址问题：计算机如何寻找盘上的数据，即如何划分盘上的地址。因为记录歌曲时是按一首歌作单位，一片盘也就记录20首左右的歌曲，每首歌平均占用30MB左右的空间。存储一个文件不一定都要那么大的存储空间，因此需在CD盘上写入很多的地址编号误码率：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1984年Sony和Philips发布了CD-ROM物理格式标准，称为黄皮书(YellowBook)标准2020年1月21日第12章光盘存储器6/4812.1CD光盘(续3)ISO9660标准的诞生黄皮书标准只解决了硬件生产厂家的制造标准问题，即存放计算机数据的物理格式，而没有涉及逻辑格式，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(ISO)把它命名为ISO9660标准2020年1月21日第12章光盘存储器7/4812.1CD光盘(续4)CD系列产品自1981年激光唱盘上市以后，开发了一系列CD产品，见图12-1，包括CD-DA(CompactDisc-DigitalAudio)CD-G(Graphics)CD-V(Video)CD-ROMCD-I(Interactive)CD-IFMV(FullMotionVideo)KaraokeCDVideoCDCD系列盘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而已2020年1月21日第12章光盘存储器8/4812.1CD光盘(续5)CD产品系列2020年1月21日第12章光盘存储器9/4812.1CD光盘(续6)12.1.2CD盘的结构盘片结构组成部分见图12-1保护层；反射层；刻槽；聚碳酸酯衬垫两种反射层铝反射层：银白色，称为“银盘”，只读的光盘金反射层：金色，称为“金盘”，可刻录的光盘，称为CD-R(CD-Recordable)盘外形尺寸见图12-2CD盘的外径为120mm，重约14～18g激光唱盘分为3个区：导入、导出和声音数据记录区2020年1月21日第12章光盘存储器10/4812.1CD光盘(续7)图12-1CD盘片的结构图12-2CD盘的结构2020年1月21日第12章光盘存储器11/4812.1CD光盘(续8)光道结构CD盘的光道结构与磁盘磁道的结构比较CD光盘磁盘记录道螺旋形同心环磁道数目很多只有一条，长约5km盘片转动速度CLV(恒定线速度)CAV(恒定角速度)记录密度里外记录区的密度相同里外记录区的密度不同光道形状2020年1月21日第12章光盘存储器12/4812.1CD光盘(续9)12.1.3-4数据是怎样写入和读出的数据记录原理磁光盘(magnetoopticaldisc，MOD)利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据相变光盘(phasechangedisc，PCD)利用激光特殊材料在加热前后的反射率不同记忆1和0只读CD光盘在盘上压制凹坑的机械办法记录数据，见图12-4凹坑的边缘记录的是1凹坑和非凹坑的平坦部分记录的是0使用激光读出，见图12-62020年1月21日第12章光盘存储器13/4812.1CD光盘(续10)激光束凹坑刻录设备(引自EncartaPremiumDVD2006)图12-4原版盘制作示意图图12-6CD盘的读出原理2020年1月21日第12章光盘存储器14/4812.1CD光盘(续11)12.1.5CD激光唱盘标准摘要名称技术指标光盘播放时间74分钟旋转方向顺时针(从读出表面看)旋转速度1.2～1.4m/s(恒定线速度)光道间距1.6µm盘片直径120mm盘片厚度1.2mm中心孔直径15mm记录区46mm～117mm数据信号区50mm～116mm材料折射率为1.55的材料最小凹坑长度0.833µm(1.2m/s)～0.972µm(1.4m/s)最大凹坑长度3.05µm(1.2m/s)～3.56µm(1.4m/s)凹坑深度～0.11µm凹坑宽度～0.5µm2020年1月21日第12章光盘存储器15/4812.1CD光盘(续12)光学系统激光波长780nm(7800Å)聚焦深度±2µm信号格式通道数2个量化16位线性量化采样频率44.1kHz通道位速率4.3218Mb/s数据位速率1.9409Mb/s数据：通道位8:17错误校正码CIRC调制方式EFM2020年1月21日第12章光盘存储器16/4812.2CD-Audio12.2.1采用频率和样本大小采样频率为44100Hz普通人耳朵能听到的声音信号的频率范围为20～20000Hz对频率高于20000Hz的信号进行滤波。考虑到滤波器在20000Hz处约有10%的衰减，故用22000Hz的2倍作为采样频率考虑与电视信号场扫描频率同步以避免相互干扰，PAL电视的场扫为50Hz，NTSC为60Hz，取50和60的整数倍，选用44100Hz样本精度为16位样本位数表示信号的动态范围。一位(bit)的动态范围约为20lg26.02dB，16位能够表达的动态范围大于96dB在激光唱盘上1秒钟的声音需要占据的存储空间为1秒44100样本/秒2字节/样本2(左右两个通道)=176.4千字节2020年1月21日第12章光盘存储器17/4812.2CD-Audio(续1)12.2.2声道数立体声有两个声道长期以来，立体声就是两个声道(轨)。早期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个声道的模拟信号，这就使后来的录音机、调频广播、录像机、甚至连数字激光唱盘都采用两个声道的规格环绕声有多个声道多声道设备早已开发和采用，许多剧院一直采用4个以上的声音通道。声音转换成数字信号后，计算机很容易处理，如压缩、偏移(Pan)、环绕音响效果(surroundsound)等，更多的声音通道和更逼真的音响效果已经出现例如，MPEG-2数字影视标准和杜比数字(DolbyDigital)都采用5＋1个声音通道，即左、中、右3个主声道，左后、右后两个环场声道和一个次低音声道2020年1月21日第12章光盘存储器18/4812.2CD-Audio(续2)12.2.3声音数据的通道编码将用户数据转换成适合存储或传输媒体的代码的过程1.为什么要做通道编码从信号本身提取自同步信号例如，有要记录连续多个字节的全“0”或全“1”信号，如不做通道编码就记录到盘上，读出的信号是一条直线，电子线路就很难区分有多少个“0”或“1”使读出信号的频带变窄例如，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，电子线路就很难把“0”和“1”区分开通道编码的本质在连续“0”(或“1”)之间插入若干个“1”(或“0”)对“0”和“1”的连续长度数目即“行[游]程长度”加以限制凡在物理设备上存储或传输的数字信号都要通道编码2020年1月21日第12章光盘存储器19/4812.2CD-Audio(续3)为什么要把8位转换成14位/17位理论分析和实验证明根据20世纪70年代的技术水平，把“0”的游程长度最短为2个而最长不超过10个，即2个“1”之间的“0”至少要有2个而最多不超过10个，光盘上的信号就能够可靠读出从8位到14位，EFM(eighttofourteenmodulation)8位数有256种代码，14位通道位有16384种代码，其中有267种代码能够满足“0”游程长度的要求。在267种代码中有10种代码在合并通道代码时限制游程长度仍有困难，再去掉一个就得到与8位数相对应的256种通道码从14位到17位为满足游程长度的要求，在通道码之间增加3位以确保读出信号的可靠性，于是8位数据就转换成17位注：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，于是1字节的数据就转换成16位的通道位，提高了DVD的存储容量2020年1月21日第12章光盘存储器20/4812.2CD-Audio(续4)图12-8激光唱盘上声音数据编码的过程2020年1月21日第12章光盘存储器21/4812.2CD-Audio(续4)12.2.4CD盘如何批量生产激光唱盘(CD-DA)、数字激光视盘(VCD)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)或称母盘预制作对于激光唱盘，把音乐节目转换成标准的CD-DA格式,在“红皮书”中有详细说明对于VCD盘，把影视节目转换成VCD标准记录格式，在VideoCD2.0标准(白皮书)中有详细说明这项工作由转换软件或称编码器(encoder)来完成2.原版盘制作(Mastering)或称为母盘制作通道编码：把符合CD-DA或VCD格式的数据经过EFM编码器编码，再附加3位用来改善读/写信号的质量，于是8位并行数据就转换成物理通道上的17位串行数据2020年1月21日第12章光盘存储器22/4812.2CD-Audio(续5)光刻：把涂有光敏电阻的玻璃盘放在旋转平台上光刻。见图12-9，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，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。化学处理：对光刻的玻璃盘进行化学处理。盘上曝了光的区域被腐蚀后形成