碟片 - 图文

碟 片

一.碟片的发展

20世纪70年代初期，荷兰飞利浦公司的研究人员开始研究利用激光来记录和重放信息，并于1972年9月展示了光盘系统，1978年诞生了LV(Laser Vision)的光盘播放机。

1978年，把声音信号变成用“1”和“0”表示的二进制数字，然后记录在塑料圆盘上，1982年，PHILIPS公司和SONY公司正式将这种圆盘推向市场，并命名为Compact Disc，而且还为这种盘定义了标准，此标准称为“红皮书”标准，这种光盘又称CD-DA（Compact Disc-Digital Audio）盘，中文名称为“数字激光唱盘”。

由于CD-DA记录数字信息，后来人们自然想将它用来作为计算机存储设备，即CD-ROM，要从CD-DA过流到CD-ROM有两个重要问题解决：A、计算机如何寻找盘上的数据，即如何划

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分盘上的空间，空间大小不同；B、误码率要求不同，存储用错误率10，音乐错误率10，要求不同，因此要采用错误校正技术，黄皮书的问世就是为解决这一问题，黄皮书仅解决了物理格式问题，而没有解决逻辑格式问题，为此又制定了文件交换标准，ISO作其称为ISO9660。

1985年，CD-ROM最终被正式推向市场。

1993年飞利浦公司和JVC公司制定了VCD标准。VCD全称为视频光盘(Video CD)，通常称为数字视盘或小影碟，VCD是利用MPEG-I压缩技术，对数字视音频信号进行压缩处理，然后记录在直径为12CM的光盘上，一张VCD光盘可记录74min的活动图像及立体声伴音。

目前，市场上CD的规格主要分为以下几种： ? CD-DA：存放数字化的音乐节目 ? CD-G：存放静止图像和音乐节目

? CD-V：存放模拟的电视图像和数字化的声音 ? CD-ROM：存放数字化的图、文、声、像等

? CD-I：存放数字化的图、文、声、像（静止的）、动画等 ? CD-I Fmv：存放数字化的电影、电视等节目 ? 卡拉OK：存放数字化的卡拉OK节目

? Video CD：存放数字化电影、电视等节目 ? Photo-CD：存放主要的照片、艺术品 部分CD标准及规格对照表： 标准名称 红皮书 黄皮书 绿皮书 橙皮书 白皮书 红皮书 盘的名称 CD-DA CD-ROM CD-I CD-R Video CD CD-Video 应用目的 74分钟 文图声像等多媒体 文图声像等多媒体 读/写 存储影视节目 模拟电视、数字、声音 存储照片 存储影视节目 播放时间 650MB 760MB 70分钟 5-6分钟（电视）20分钟（声音） 200分钟 显示的图像 动画、静止图像 动画、静态图像 数字影视MPEG-1 静态图像 模拟电视图像 CD-Bridge Photo CD 蓝皮书 LD DVD是继VHS、VCD、LD之后的最新一代影音存储媒介，最初诞生于电影行业，它是由美国的八大电影公司所组成的HDVA Group(Hollywood Digital Video Advisory Group)在一起讨论一种新的Video Disc之后所产生的。

目前DVD的规格主要分为以下几种：

? DVD-Audio：数字音响光碟，主要存储高质量音频资料 ? DVD-Video：数字影音光碟，主要存储影视类资料

? DVD-ROM: 只读DVD光碟，存放数字化的图、文、声、像 ? DVD±R：可读写数字多功能光碟（只能写一次） ? DVD±RW：可反复读写的数字多功能光碟 ? DVD-RAM：可重覆读写数字多功能光碟 与VCD碟片相比，DVD碟片主要有以下特点： ①清晰的画质

由于DVD影片采用MPEG-2的图像压缩技术，其分辨率可高达4800×720dpi，远远超过了VCD的2400×352dpi的分辨率。同时，DVD的扫描方式也是一个很重要的技术环节，我们知道传统的隔行扫描方式（interlaced Scanning）是把每格画面分行为480行，并以1/60秒的高速先扫描单数行（共240行），同样再以1/60秒的速度扫描余下的双数行（另外的240行），这样一幅完整的画面就是由2个场境的图像所构成。但DVD的逐行扫描技术则能把480行在1/60秒下全部扫描出来，也就是说一个画面只需一幅图像。这样图像细节损失少，消除了闪烁、拖尾、跳幀等缺陷，画面的连贯程度有了很大地加强，所以图像更加清晰。

②逼真的音质

自1992年杜比公司制定出杜比AC-3的环绕声场技术之后，在影院及碟片中的应用可说是相当广泛。它的六个完全独立的声道，彼此负责不同的声音效果，可以带给你一个逼真的声场环境，让你在欣赏影片时有身临其境的感觉。目前，还有种DTS的音效，它的作用类似于AC-3，只是他们彼此所采用的压缩方式不同而已。DVD规格支持多达8个音轨，每个音轨最多可支持8个声道，可以逼真地模拟出真实环境中的音响效果。

③丰富的内容

DVD本身就具有的海量存储，加上DVD所采用的MPEG-2压缩方式具有弹性调整视频图像读取速率的能力，这样可以在保持原画面品质的情况下，大量节省视频图像的储存空间。因此，我们除了在光盘中可以欣赏到影片之外，有时还能看到影片拍摄时的花絮及影片资料。同时，在一些DVD中你还可以找到里面的彩蛋（正版光盘才有）。这样除了欣赏影片之外，还给我们增添了一些乐趣。

二.光盘的结构

该部分谈讨论的碟片结构是从宏观意义上的，至于微观的碟片结构将在后面介绍碟片的数据存储时加以讨论。

碟片在宏观意义上又可以从横向和纵向两方面来讨论。横向意义上的CD光盘与DVD光盘结构相同：（1）内径φ15mm、外径φ8cm或φ12cm、厚度0.6*2mm；（2）夹持区（φ26mm～φ33mm）、引入区（φ46mm～φ48mm）和数据/节目区（φ48mm～φ117mm）。 120mm 117mm 116mm 导出区 50mm 导入区 声音数字记录区 46mm 48mm

纵向意义上，我们这里分别以CD-R光盘和DVD-RAM光盘为例加以介绍。 1.CD-R光盘的结构

下图即为CD-R光盘的纵向结构图，从纵向来看，CD-R光盘主要由保护层、反射层、记录层、基层和印刷层组成。

印刷层

保护层

反射层

记录层

基层

CD-R光盘的纵向结构图

基层：其作用是固定光盘的形状，整个光盘的大部分都由该层构成。它采用有特点的塑料材质做成（即PC板），硬度高、柔韧度强，在同一点上对其加压不容易产生变形。它在整个光盘中的体积最大，光盘在高速旋转时，基层将起到稳定作用。它可保持光盘整体平滑、不变形。如光盘在光驱中出现炸裂，多半是由于基层的材质不好，或是材质厚薄不均所造成的。

记录层：又称染料层，用来记录数据。它非常容易变形，即使很小的能量(约0.5nJ/bit)也可烧蚀出明显的小坑。目前我们说的绿盘、金盘、蓝盘就是根据记录层染料的不同来分类的，其区别是CD-R光盘分别使用了花菁、酞花青和金属化偶氮化合物三种不同颜色的有机染料，从而使光盘呈现出绿、金、蓝三种不同的颜色。

反射层：用来反射光驱或者刻录机的激光束，像镜子一样。低档的光盘可能用铁或者铝，而高档的光盘则采用金或银作为反射介质。

注：记录层和反射层的作用也非常重要。整个光盘中的数据就是通过这两个层反应出来的，是整个光盘中技术的精髓，其记录染料的性能直接决定最高记录速度。从这个角度讲，一定要选择品牌CD-R光盘，才能保证记录数据文件的可靠性。

保护层：类似于透明的薄膜，它的主要作用是保护记录层和反射层不会轻易变形而造成光盘报废。

印刷层：基本上属于整个光盘的外包装。它在光盘的最上层，通常印有商标和图案。 值得注意的是，CD－R光盘上被烧蚀熔化成的凹坑在物理形式上是不可逆的，即不可能将刻录后的CD－R光盘再恢复成原来的状态，因此CD－R光盘只可进行一次性的写入。CD－R光盘只要不遭受腐蚀和物理变形，其上的凹坑物理形态就不会发生变化，也就是说，上面记录的信息可被永久性地保存。 2.DVD-RAM光盘的结构

在光盘结构方面，DVD-RAM是目前所有DVD刻录盘中最复杂的，在0.6mm的厚度里一共有8层（还没有包括最上面的印刷层）材料，如下图所示：

反射层 光学补偿层 保护层 接口层 记录层 接口层 保护层 基层

DVD-RAM光盘的纵向结构图

三.光盘数据的存储（这里以DVD-RAM为例）

微观意义上，DVD-RAM光盘的存储结构如下图所示：

在介绍数据的存储之前，这里有必要先介绍一下光盘的读取原理：

当激光照射到光盘上的小坑（记录点）中时，只有很微弱的光反射回来，而当激光照射到光盘上的凸台上时，则有大量的光反射回去，这些反射光又照射在光头中的光敏二极管上。于是，光盘上的坑/台的变化引起了反射光强弱的变化，而反射光强弱的变化又决定了光敏二极管中电流的大小，电流的大小经电流—电压变换后即成了电压脉冲信号，于是光盘上的信息即被读出。

但是要注意的是，反射光强弱的变化不等同于反射率的变化，因此反射率的高低也就不能代表逻辑值1/0，只有在反射率进行高低转换时才是逻辑值1，而反射率在保持相对长时间的高或低时都表示逻辑值0。

根据以上光盘的读取原理，我们可以知道上图中凡是有坑槽的地方就意味着信息的存放，只是这些信息有的代表着地址，有的代表着数据。

从图中可以看出，在数据区中，DVD-RAM不仅在沟槽（Groove）处记录数据，也在岸台（Land）记录数据，因此DVD-RAM的基本存储方式被称为“岸/沟（Land/Groove）”式存储方式。在图中，我们还能发现还有一个地址区，这是DVD-RAM之所以能实现随机存储的重要保证，我们称之为浮雕式首标（Header），它为每一个存储扇区都设立了一个唯一的标识（ID）。

首标中的4个ID信息，两两一组（ID1/ID2、ID3/ID4），每个ID中包含有同步信息、物理扇区地址、地址错误检测信息等，分别对应位于其身后的处在岸台和沟槽的扇区。这里需要指出的是，DVD-RAM与CD-R一样，使用的也是一条螺旋形轨道，因此在每一圈中都要进行岸/沟之间的转换，此时ID1/2与ID3/4的位置也会随之改变。而所有的这一切（首标的信息、各ID的位置和岸/沟转换）在DVD-RAM光盘生产过程中就预制好了，无需用户操心。

DVD-RAM使用了ZCLV（Zoned Constant Linear Velocity，区域恒定线速度）旋转模式，在光盘的光盘上划分出多个数据区，每个数据区含有基本等量的存储轨道，每个转道扇区数量一致，在这一区域内光盘的转速是恒定的（因为是CLV方式，所以越外圈转速越低），而处于内圈的数据区的转速要高于处于外圈的数据区转速，而且DVD-RAM是从最内圈开始写入的。

DVD-RAM光盘的表面 DVD-RAM轨道的螺旋结构

DVD-RAM光盘上首标的组成

从中图可能有些读者发现轨道是呈波浪形抖动的，其实在CD-R与CD-RW光盘上的轨道也是“抖动”的，业界称之为Wobble。这个设计在于更好的对轨道进行跟踪，保持应有方向，配合上文讲到的岸/沟式存储技术，可以得到很高的跟踪精度。DVD-RAM将这种技术定义为的抖动岸/沟式轨道（Wobbled Land and Groove Tracks）。

当光学传感器识别经过首标时，一个推挽式（PP）式轨道跟踪探测器将开始工作，此时带通滤波器（Band Pass Filter）与判别电路（Discrimination Circuit）来获得并识别首标与轨道的信号，同时借助于锁相回路（PLL）生成与抖动信号同步的时钟信号，从而保证轨道的跟踪精度。

轨道抖动的频率是固定的（在DVD-RAM的Ver2.0版中，抖动的频率为141KHz），能给驱动器提供一个恒定的时间信息，因此，这个固定的抖动频率可以帮助读取头在连续读取扇区但读取下一个首标失败时，仍可以通过计算抖动周期找到下一个扇区的位置。松下公司声

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称这个技术可以将寻址的错误率降低到10以下。这里所讲的抖动只是为了更好地跟踪轨道（之所以轨道不是正规的圆形，是因为有规律的变动更容易识别并跟踪，如果是平直的一条线反而不容易判断），数据的记录仍是沿轨道的中线进行，而激光头是不会随之抖动的，激光刻录仍沿轨道中线平滑进行。在读取时，驱动器是不理会抖动信息的，这也是其他光刻录技术所惯用的手段，只是在细节上有所差异。

DVD-RAM的抖动

这里介绍一点光盘匣的知识。由于浮雕式首标是DVD-RAM得以工作的重要保证（存储着扇区的ID），所以为了保护光盘不被无谓的磨损，DVD-RAM从Ver1.0开始就规定了光盘匣的设计规范。共有三大系列9种类型（Type），在平时它就像是光盘盒一样保护着光盘，在使用时直接放入驱动器中即可。DVD-RAM光盘匣的类型见下表：

密封式光盘匣连同光盘一块出售，光盘被封死在盘匣内，不能拆卸；而可移除式光盘匣虽连同DVD-RAM一块出售，但可以拆卸，单独使用里面的光盘，比如放到其他可以读取DVD-RAM的驱动器中进行数据共享。

松下推出的4.7GB单面DVD-RAM光盘，使用的是Type2型可移除式光盘匣

松下推出的9.4GB双面DVD-RAM光盘，使用的是Type4型可移除式光盘匣

没有光盘匣时使用DVD-RAM 带有光盘匣时使用DVD-RAM

四.光盘数据的编码 1.CD光盘的编码与流程

CD光盘使用了两种编码来分别保证光盘的刻录质量，一个是从信息的逻辑正确性上保证，一个是从物理刻录的通道脉冲的识别可靠性上保证，它们分别是CIRC编码与EFM调制编码。

CD光盘编码的大致流程：

CD数据流程图（图中的编号就是CD刻录时数据生成的过程）

第一步，首先生成一个帧的原始数据，24字节，我们可以称之为初始帧（在相关标准中则叫Frame-1，简称F1）

第二步，加入CIRC编码，一共8个字节，我们可以称之为校验帧（在相关标准中则叫Frame-2，简称F2），总字节数为32个。所谓的C1与C2纠错码就是在这一阶段加进去的，C1与C2的C就是CIRC编码的缩写。

第三步，加入控制码，一个字节，我们可以称之为数据帧（在相关标准中则叫Frame-3，简称F3），此时帧的容量为33字节。

第四步，每个F3帧再加入3个字节的同步信息码就成为了最终用于刻录的帧，总容量为36字节。

第五步，最后经过EFM调制，基本上是以每字节8bit转换成每字节17 bit的方式生成最终的信道脉冲（Channel bit）以控制刻录激光的开与关。

（1）CIRC编码

CIRC的全称是交叉交错理德-所罗门编码（Cross Interleaved Read-Solomon Code），它的主旨是除了增加二维纠错编码外，还将源数据打散，根据一定的规则进行扰频和交错编码，使数据相互交叉交错，从而进一步提高纠错的能力，因为这样一来用户数据的错误将很难连续起来，有利于提高整体的纠错能力。

上面已经讲过，每个24字节的原始数据帧都要附加上8字节的校验码以保证帧数据的可靠性，这就是CIRC编码，而这个校验码则分为以下两个步骤来生成。

第一步：交叉交错后生成C2校验码

在介绍CD数据生成过程的时候，CIRC编码处于F2生成阶段，因此要先导入F1原始数据帧，也就是24字节。之所以称为CIRC编码，是因为在编码的过程中，源数据有交叉和交错的过程。

首先，源数据要按两个字一组分成6个大组，偶数组进行两个字节的延迟，从而形成扰频交错编码。这里所谓两个字节的延迟意味着延迟两帧。也就是说，当进行交错之后，偶数组已经不再是原来F1帧中的源数据，而是当前帧的前两帧中的偶数组数据（相对于前两帧，当前帧就意味着两个字节的延迟），原始的偶数组将在后两帧的交错编码中出现。另外，字的顺序在交错后发生了很大不同，这种前后帧数据交叉并且顺序交错的过程就是扰频交错编码。

此后，扰频交错后生成的新数据进入C2编码器生成Q校验码。Q校验码为4字节，最后生成的新数据为28字节，因此C2也被称为（28，24）编码，意思是指输入24个字节，输出28个字节。

由此可见，C2编码并不是针对原始F1帧的数据进行，之所以要进行如此复杂的交叉交错的编码，主要是为了保证纠错效率而设计的，具体过程详见下文。

第二步：字节依次延迟4帧后生成C1编码

将C2编码完成后，将进行大规模的字节延迟交错编码，执行这个操作的就是延迟线，延迟单位为4字节，同样就是延迟4帧，操作单位是每个字中的单个字节。这个过程可以这样理解：C2编码后的的第一个字节不延迟，第二个字节则将延后4帧，第三字节将延后8帧??如此反复直至第28个字节，将被延后108帧。也就是说，C2编码后的28个字节，将被有规律的分散到109个帧中（第一个字节延后0帧，加上最后一个字节延后108帧，一共是109帧）。

延迟操作之后则进入了C1编码器，显然此时的数据与原始的F1帧数据差别更大了，C1编码器将在28个字节的基础上再生成4个字节的P校验码，从而完成了建立了F2帧的操作。由于输入28个字节，输出32个字节，因此C1也被称为（32，28）编码。从这个过程中不难看出，C1编码的对象中包含了C2编码，也承担了对Q校验码进行保护的任务。

现在的F2帧已经与F1帧有了很大不同，如果帧编号为n，那么F2-n帧中只有一个字节来自于F1-n帧。所以，严格的讲，C1、C2并不是对F1帧的校验编码，因为从C2编码开始，对象就已经不再是F1帧中的原始数据。

从上面可以看出，交叉交错的目的就在于防止一帧中出现连续大量的错误而无法纠正，如果原原本本地按原始F1——C2编码——C1编码的过程生成校验码，将是非常脆弱的，如果这一帧的24个字节中出现连续大量的错误码，仅凭CIRC的设计，纠错能力仍然有限。若将源数据分散到不同的数据帧中，然后再进行校验，将大大提供单个数据帧的纠错能力。理论上即使24个字节原始数据全有问题，但由于每个字节最终分布在间距为4的28个帧（跨度为109帧）中，也有可能被完全修复。显然，如果不进行交叉交错的话，这种可能性是不会存在的。

（2）EFM编码

EFM编码是Eight to Fourteen Modulation的缩写，即8至14调制。之所以使用这样的编码对源数据进行“修改”，这还要从光盘的读取原理说起。

光盘上的凹坑与平面并不直接代表0和1

从前面我们知道，如果是连续的逻辑值1，那么就意味着凹坑与平面要突变多次，会占用更多的刻录空间，从而将影响有效的数据容积（或者说是信息量）；而且，以电平的高低来代表1和0，如果连续的0或1很长，又很难判断有多少个1和0，0与1的转变也较难分辨，所以必须要加以一定的规则限制，这个规则可以借助某种编码方式来禁止连续的1，并且又能把连续的0的长度限制在某种范围之内以利于识别，这就是所谓的“游程限制（RLL，Run Length Limited）编码规则”。

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