音响技术与家庭影院(3)

音响技术与家庭影院（三）CD以及其编码楼东武2009.10.16记录“0”和“1”如何记录“0”和“1”，如何提高单位面积上的记录密度是计算机工业中的一个非常重要的技术研究和开发课题。在半个世纪中，科学家和工程技术人员开发了许多的记录技术，从电子管到半导体存储器，从磁记录到光记录都取得了辉煌的成就。光记录是20世纪70年代的重大发明，是80年代世界上的重大技术开发项目，是90年代得到广泛应用的技术。CD简历从1978年开始，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，历时4年，Philips公司和Sony公司终于在1982年成功地把这种记录有数字声音的盘推向了市场。由于这种塑料金属圆盘很小巧，所以用了英文CompactDisc来命名，而且还为这种盘制定了标准，这就是世界闻名的“红皮书(RedBook)标准”。CD作为存储设备由于CD-DA能够记录数字信息，很自然就会想到把它用作计算机的存储设备。但从CD-DA过渡到CD-ROM有两个重要问题需要解决：①计算机如何寻找盘上的数据，也就是如何划分盘上的地址问题。②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。于是就开发了“黄皮书(Yellow)标准”。CD的物理结构CD盘主要由保护层、反射激光的铝反射层、刻槽和聚碳脂衬垫组成CD盘的光道结构CAV到CLV整整花了30多年的时间才得以实现数据是怎样写入到CD盘上的激光唱盘既不同于磁光盘的记录原理，也不同于相变光盘的原理，是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。CD盘上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压模是用原版盘(masterdisc)制成的。（价格便宜）数据是怎样从CD盘读出的它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成，激光器发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电检测器，由光电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。需要强调的是，凹坑和非凹坑本身不代表１和０，而是凹坑端部的前沿和后沿代表１，凹坑和非凹的长度代表０的个数。CD存储器在工作时光学读出头与盘之间是不接触的，因此您不必担心头和盘之间的磨损问题。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20～20000Hz，为了避免高于20000Hz的高频信号干扰采样，在进行采样之前，需要对输入的声音信号进行滤波。考虑到滤波器在20000Hz的地方大约有10%的衰减，所以可以用22000Hz的2倍频率作为声音信号的采样频率。但是，为了能够与电视信号同步，PAL电视的场扫描为50Hz，NTSC电视的场扫描为60Hz，所以取50和60的整数倍，选用了44100Hz作为激光唱盘声音的采样标准。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。通道编码不只是光盘需要，凡是在物理线路上传输的数字信号都需要进行通道编码。采用通道编码的目的主要是两个，一是为了改善信号质量，使得读出信号的频带变窄.。其次是为了为了在接收端能够从信号本身提取自同步信号。为什么要把8位数转换成14位数根据70年代的技术水平，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。这条规则的意思是，2个“1”之间至少要有2个“0”最多不超过10个“0”。我们知道，8位数据有256种代码，14位通道位有16384种代码。通过计算机的计算，在这16384种代码中有267种代码能够满足“0”游程长度的要求。在这267种代码中，其中有10种代码在合并通道代码时限制游程长度仍有困难，再去掉一个代码，这样就得到了与8位数据相对应的256种通道码。声音数据编码过程CD盘的整个制作过程DVD简介DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多，最高可达到17GB。一片DVD盘的容量相当于现在的25片CD-ROM(650MB)，而DVD盘的尺寸与CD相同。DVD所包含的软硬件要遵照正在由计算机、消费电子和娱乐公司联合制定的规格，目的是为了能够根据这个新一代的CD规格开发出存储容量大和性能高的兼容产品，用于存储数字电视和多媒体软件。DVD的存储容量错误检测和校正(1)错误检测：采用CRC(CyclicRedundancyCode)检测读出数据是否有错。(2)错误校正码：采用里德－索洛蒙码(Reed－SolomonCode)，简称为RS码，进行纠错。RS码被认为是性能很好的纠错码。(3)交叉交插里德－索洛蒙码CIRC(CrossInterleavedReed－SolomonCode),这个码的含义可理解为在用RS编译码前后，对数据进行交插处理和交叉处理。常见的校验方法（1）奇偶校验1010110010101111常见的校验方法CRC把这块数据读出时，用同样的CRC码生成多项式去除这块数据，相除后得到的两种可能结果是：①余数为0，表示读出没有出现错误；②余数不为0，表示读出有错。常见的纠错码（1）海明码1＝12＝23＝1＋24＝45＝1＋46＝2＋47＝1＋2＋48＝89＝1＋810＝2＋8101011(原始数据)1010111111010011（红色的为校验位）交插技术光盘存储器和其它的存储器一样，经常遇到的错误有两种。一种是由于随机干扰造成的错误，这种错误称随机错误。它的特点是随机的、孤立的，干扰过后再读一次光盘，错误就可能消失。另一种错误是连续多位出错，或连续多个符号出错，如盘片的划伤、沾污或盘本身的缺陷都可能出现这种错误，一错就错一大片。这种错误称为突发错误。交插技术对纠错来说，分散的错误比较容易得到纠正，但出现一长串的错误时，就较麻烦。正如我们读书看报，如果文中在个别地方出错，根据前后文就容易判断是什么错。如果连续错好多字，就很难判断该处写的是什么。如“独在异乡XXX，每逢佳节倍思亲”交插技术连续排列：a2a1a0P1P0b2b1b0Q1Q0c2c1c0R1R0交插排列：a2b2c2a1b1c1a0b0c0P1Q1R1P0Q0R0连续错3个：a2b2c2a1b1c1a0XXXQ1R1P0Q0R0读出后重新排列：a2a1a0XP0b2b1XQ1Q0c2c1XR1R0交叉交插技术交叉交插(cross－interleaving)编码是交插的一种变型。（就是交叉之后再加校验码，再交插。）在实际应用中，也是一种重要的技术。重要成果：CIRC能纠正在2.2mm光道上连续存放的448个错误符号!相当于连续224个汉字错误可以得到纠正。常见的纠错码（2）RS编码和纠错算法比较复杂，在课堂上就不介绍了。有兴趣的同学可以看电子版教材（ftp上有）CD盘上的音乐节目是如何组织的激光唱盘上的有许多首歌曲，一首歌曲安排在一条光道上。一条光道由许多节(section)组成，一节由98帧(frame)组成。帧是激光唱盘上存放声音数据的基本单元扇区的数据结构CD盘上的98帧组成一个扇区(sector)。光道(track)上1个扇区有3234字节，即2352个声音数据＋2×392个EDC/ECC字节＋98个控制字节＝3234字节它的结构如下：激光唱盘上声音数据的采样频率为44.1kHz，每次对左右声音通道各取一个16位的样本，因此1秒钟的声音数据率就为44.1×1000×2×(16÷2)=176400字节/秒由于1帧存放24字节的声音数据，所以1秒钟所需要的帧数为176400÷24＝7350帧/秒98帧构成1节，也可以说成1个扇区，所以1秒钟所需要的扇区数为7350÷98＝75扇区/秒CD-ROM是用计时系统中的分、秒，以及特地为CD-ROM规定的分秒(1/75秒)来表示。CD-ROM标准——黄皮书(YellowBook)YellowBook是Philips和Sony公司为CD-ROM(CompactDisc-ReadOnlyMemory)定义的标准，CD工业从此进入了第二个阶段。CD-ROMMode1把RedBook中的2352字节的用户数据重新定义为：ISO9660的重要性CD-ROM物理格式的标准化意味着所有CD-ROM生产厂家都应遵循这种标准化格式，这也就意味着，CD-ROM上的信息可以在不同的信息处理系统之间交换，但只能在这个物理层上实现交换。由于CD-ROM面对用户的是文件，如文本文件、图像文件、声音文件、执行文件等等，这就需要一个文件系统来管理，这样就可使用户把CD-ROM当成一个文件集来看待，而不是让用户从物理层上去看待CD-ROM盘。因此，仅有物理格式标准化还不够，还需要有一个如何把文件和文件目录放到CD-ROM盘上的逻辑格式标准，也就是文件格式格式。