第11章 只讀光盤存儲器
如何記錄“0”和“1”，如何提高單位面積上的記錄密度是計算機工業中的一個非常重要的技術研究和開發課題。在半個世紀中，科學家和工程技術人員開發了許多的記錄技術，從電子管到半導體存儲器，從磁記錄到光記錄都取得了輝煌的成就。光記錄是20世紀70年代的重大發明，是80年代世界上的重大技術開發項目，是90年代得到廣泛應用的技術。本章將從CD到DVD的發展過程中所採用的一些技術作一個介紹
11.1 CD簡歷
11.1.1 CD工業史上的幾件大事
20世紀70年代初期，荷蘭飛利浦(Philips)公司的研究人員開始研究利用激光來記錄和重放信息，並於1972年9月向全世界展示了長時間播放電視節目的光盤系統，這就是1978年正式投放市場並命名爲LV(Laser Vision)的光盤播放機。從此，利用激光來記錄信息的革命便拉開了序幕。它的誕生對人類文明進步的影響，不亞於紙張的發明對人類的貢獻。
大約從1978年開始，把聲音信號變成用“1”和“0”表示的二進制數字，然後記錄到以塑料爲基片的金屬圓盤上，歷時4年，Philips公司和Sony公司終於在1982年成功地把這種記錄有數字聲音的盤推向了市場。由於這種塑料金屬圓盤很小巧，所以用了英文Compact Disc來命名，而且還爲這種盤制定了標準，這就是世界聞名的“紅皮書(Red Book)標準”。這種盤又稱爲數字激光唱盤(Compact Disc-Digital Audio，CD-DA)盤。
由於CD-DA能夠記錄數字信息，很自然就會想到把它用作計算機的存儲設備。但從CD-DA過渡到CD-ROM有兩個重要問題需要解決：① 計算機如何尋找盤上的數據，也就是如何劃分盤上的地址問題。因爲記錄歌曲時是按一首歌作爲單位的，一片盤也就記錄20首左右的歌曲，平均每首歌佔用30多兆字節的空間。而用來存儲計算機數據時，許多文件不一定都需要那麼大的存儲空間，因此需要在CD盤上寫入很多的地址編號。② 把CD盤作爲計算機的存儲器使用時，要求它的錯誤率(10-12)遠遠小於聲音數據的錯誤率(10-9)，而用當時現成的CD-DA技術不能滿足這一要求，因此還要採用錯誤校正技術。於是就開發了“黃皮書(Yellow)標準”。
遺憾的是，這個重要標準只解決了硬件生產廠家的製造標準問題，也就是存放計算機數據的物理格式問題，而沒有涉及邏輯格式問題，也就是計算機文件如何存放在CD-ROM上，文件如何在不同的系統之間進行交換等問題。爲此，在多方努力下又制定了一個文件交換標準，後來國際標準化組織(International Standards Organization，ISO)把它命名爲ISO 9660標準。
經過科學技術人員以及各行各業人員的共同努力，終於在1985年前後成功地把CD-ROM推向了市場，從此CD-ROM工業走上了康莊大道。
11.1.2 CD系列產品
自從1981年激光唱盤上市以來，開發了一系列CD產品，而且還在不斷地開發新的產品，VCD僅僅是其中的一個產品，如圖11-01所示。
圖11-01 目前市場上的CD產品
CD原來是指激光唱盤，即CD-DA(Compact Disc-Digital Audio)，用於存放數字化的音樂節目，現在，通常把圖11-01所列的CD-G(Graphics)、CD-V(Video)、CD-ROM、CD-I(Interactive)、CD-I FMV(Full Motion Video)、卡拉OK(Karaoke)CD、Video CD等通稱爲CD。儘管CD系列中的產品很多，但是它們的大小、重量、製造工藝、材料、製造設備等都相同，只是根據不同的應用目的存放不同類型的數據。它們之間的差別主要是：
1．CD-DA 存放數字化的音樂節目
2．CD-G 存放靜止圖像和音樂節目
3．CD-V 存放模擬的電視圖像和數字化的聲音
4．CD-ROM 存放數字化的文、圖、聲、象等
5．CD-I 存放數字化的文、圖、聲、象(靜止的)、動畫等
6．CD-I FMV 存放數字化的電影、電視等節目
7．卡拉OK CD 存放數字化的卡拉OK節目
8．Video CD 存放數字化的電影、電視等節目
9．Photo-CD 存放的主要是照片、藝術品
爲了存放不同類型的數據，制定了許多標準，這些標準如表11-01所示。
表11-01 部分CD產品標準
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標準名稱 |
盤的名稱 |
應用目的 |
播放時間 |
顯示的圖像 |
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Red Book |
CD-DA |
存儲音樂節目 |
74分鐘 |
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Yellow Book |
CD-ROM |
存儲文圖聲象等 |
存儲650 MB的數據 |
動畫、靜態圖像、動態圖像 |
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Green Book |
CD-I |
存儲文圖聲象等 |
存儲多達760 MB的數據 |
動畫、靜態圖像 |
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Orange Book |
CD-R |
讀/寫入文圖聲象等 |
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White Book |
Video CD |
存儲影視節目 |
70分鐘 |
數字影視 |
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Red Book + |
CD-Video |
存儲模擬電視 |
5～6分鐘(電視) |
模擬電視圖像 |
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CD-Bridge |
Photo CD |
存儲照片 |
靜態圖像 |
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Blue Book |
LD |
存儲影視節目 |
200分鐘 |
模擬電視圖像 |
11.2 CD的工作原理
11.2.1 CD盤片結構
激光唱盤、CD-ROM、數字激光視盤等統稱爲CD盤。CD盤主要由保護層、反射激光的鋁反射層、刻槽和聚碳脂襯墊組成，如圖11-02所示。
圖11-02 CD盤片的結構
CD盤上有一層鋁反射層，看起來是銀白色的，所以人們把它稱爲“銀盤”。還有一種正在大批量進入市場的盤稱爲CD-R(CD-Recordable)盤，它的反射層是金，所以又這種盤稱爲“金盤”。
CD盤的外徑爲120 mm，重量爲14克～18克。激光唱盤分3個區：導入區、導出區和聲音數據記錄區，如圖11-03所示。
圖11-03 CD盤的結構
11.2.2 CD盤的光道結構
許多讀者都可能聽說過以下兩個術語：恆定角速度(CAV)和恆定線速度(CLV)。現在就首先來解釋它們。以我們現在用的軟磁盤爲例，軟磁盤存放數據的磁道是同心環，如圖11-04(A)所示，磁盤片轉動的角速度是恆定的，通常用CAV(constant angular velocity)表示，但在這一條磁道和另一條磁道上，磁頭相對於磁道的速度(稱爲線速度)是不同的。採用同心環磁道的好處之一是控制簡單，便於隨機存取，但由於內外磁道的記錄密度(比特/每英寸)不相同，外磁道的記錄密度低，內磁道的記錄密度高，外磁道的存儲空間就沒有得到充分利用，因而存儲器沒有達到應有的存儲容量。
CD盤光道的結構與磁盤磁道的結構不同，它的光道不是同心環光道，而是螺旋型光道，CD唱盤的光道長度大約爲5公里，如圖11-04(B)所示。CD盤轉動的角速度在光盤的內外區是不同的，而它的線速度是恆定的，就是光盤的光學讀出頭相對於盤片運動的線速度是恆定的，通常用CLV(constant linear velocity)表示。由於採用了恆定線速度，所以內外光道的記錄密度(比特數/每英寸)可以做到一樣，這樣盤片就得到充分利用，可以達到它應有的數據存儲容量，但隨機存儲特性變得較差，控制也比較複雜。
在盤存儲器工業中，從CAV到CLV整整花了30多年的時間才得以實現。現在不僅CD-ROM存儲器採用CLV，而且磁光盤存儲器也開始採用。
圖11-04 CD盤的光道是螺旋型光道
11.2.3 數據是怎樣寫入到CD盤上的
磁盤對大多數用戶來說並不生疏，它的記錄原理稱爲磁記錄，是利用磁鐵的兩個極性(南極和北極)來記憶“1”和“0”兩個二進制數的。光盤的記錄原理就不能一概而論，都稱爲光記錄，因爲光盤這個名稱已經很籠統了。現在在市場賣的磁光盤(magneto optical disc，MOD)和相變光盤(phase change disc，PCD)也被許多人簡稱爲光盤，前者是利用磁的記憶特性，藉助激光來寫入和讀出數據，後者是利用一種特殊的材料，這種材料在激光加熱前和加熱後它們的反射率不同，利用它們的反射率不同來記憶“1”和“0”，這是名副其實的光盤。激光唱盤既不同於磁光盤的記錄原理，也不同於相變光盤的原理，而是利用在盤上壓制凹坑的機械辦法，利用凹坑的邊緣來記錄“1”，而凹坑和非凹坑的平坦部分記錄“0”，使用激光來讀出。
用戶使用磁盤驅動器時，既可以把數據寫入到盤上 ，又可以從盤上讀出數據；磁光盤和相變光盤也同樣有寫入和讀出兩個功能，而且可以在同一臺磁盤驅動器上完成。可是CD只讀光盤就不是這樣，用戶只能讀CD盤上的數據不能自己把數據寫到CD盤上。
CD盤上的數據是用壓模(stamper)衝壓而成的，而壓模是用原版盤(master disc)製成的。圖11-05是製作原版盤的示意圖。在製作原版盤時，是用編碼後的二進制數據去調製聚焦激光束，如果寫入的數據爲“0”，就不讓激光束通過，寫入“1”時，就讓激光束通過，或者相反。在製作原版盤的玻璃盤上塗有感光膠，曝了光的地方經化學處理後就形成凹坑，沒有曝光的地方保持原樣，二進制信息就以這樣的形式刻錄在原版盤上。在經過化學處理後的玻璃盤表面上鍍一層金屬，用這種盤去製作母盤(mother disc)，然後用母盤製作壓模，再用壓模去大批量複製。成千上萬的CD盤就是用壓模壓出來的，所以價格才這樣便宜(版權費除外)。
圖11-05 原版盤製作示意圖
11.2.4 數據是怎樣從CD盤讀出的
CD盤上的數據要用CD驅動器來閱讀。CD驅動器由光學讀出頭、光學讀出頭驅動機構、CD盤驅動機構、控制線路以及處理光學讀出頭讀出信號的電子線路等組成。
光學讀出頭是CD系統的核心部件之一，它由光電檢測器、透鏡、激光束分離器、激光器等元件組成，它的結構如圖11-06所示。激光器發出的激光經過幾個透鏡聚焦後到達光盤，從光盤上反射回來的激光束沿原來的光路返回，到達激光束分離器後反射到光電檢測器，由光電檢測器把光信號變成電信號，再經過電子線路處理後還原成原來的二進制數據。
圖11-06 光學讀出頭的基本結構
圖11-07是CD光盤的讀出原理簡化圖。光盤上壓制了許多凹坑，激光束在凹坑部分反射的光的強度，要比從非凹坑部分反射的光的強度來得弱，光盤就是利用這個極其簡單的原理來區分“1”和“0”的。凹坑的邊緣代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑的長度和非凹坑的長度都代表有多少個“0”。記憶“1”和“0”的道理就這麼簡單，但在計算機工業中爲了記錄“1”和“0”，不知有多少科學家和工程技術人員爲之奮鬥終生。
圖11-07 CD盤的讀出原理
從圖11-06和圖11-07可以看到，CD存儲器在工作時光學讀出頭與盤之間是不接觸的，因此您不必擔心頭和盤之間的磨損問題。
這裏需要強調的是，凹坑和非凹坑本身不代表1和0，而是凹坑端部的前沿和後沿代表1，凹坑和非凹的長度代表０的個數。這些位就是前面介紹的“通道位”。利用這種方法比直接用凹坑和非凹坑代表原始二進制制數據的“0”和“1”更有效。這種技術可用圖11-06作進一步的說明。圖中4個凹坑和非凹坑代表了31個通道位，這就更充分地利用了光盤表面積，使得存儲容量大大提高。此外，採用這種技術也很容易從讀出信號中提取有用的同步脈衝信號。
11.2.5 激光唱盤標準摘要
激光唱盤的標準定義在1982年發佈的紅皮書(Red Book)中，它源於CD-Audio Book，後來成爲IEC 908標準，這是所有其他CD產品標準的基礎。現將它的部分內容彙總在表11-02中供查閱，下一章將進一步介紹激光唱盤的物理格式。
表11-02 激光唱盤標準摘要
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名稱 |
技術指標 |
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播放時間 |
74分鐘 |
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旋轉方向 |
順時針(從讀出表面看) |
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旋轉速度 |
1.2m/s～1.4m/s (恆定線速度) |
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光道間距 |
1.6μm |
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盤片直徑 |
120 mm |
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盤片厚度 |
1.2 mm |
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中心孔直徑 |
15 mm |
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記錄區 |
46 mm～117 mm |
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數據信號區 |
50 mm～116 mm |
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材料 |
折射率爲1.55的任何材料 |
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最小凹坑長度 |
0.833 μm(1.2m/s)～0.972 μm(1.4m/s) |
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最大凹坑長度 |
3.05 μm (1.2 m/s)～3.56 μm (1.4 m/s) |
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凹坑深度 |
～0.11 μm |
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凹坑寬度 |
～0.5 μm |
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光學系統 |
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激光波長 |
780 nm (7 800 Å) |
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聚焦深度 |
± 2 μm |
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信號格式 |
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通道數 |
2個 |
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量化 |
16位線性量化 |
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採樣頻率 |
44.1 kHz |
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通道位速率 |
4.3218 Mb/s |
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數據位速率 |
1.9409 Mb/s |
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數據：通道位 |
8:17 |
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錯誤校正碼 |
CIRC |
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調製方式 |
EFM |
11.3 CD-Audio
11.3.1 採用頻率和樣本大小
人耳朵(因人而異)能聽到的聲音信號頻率範圍是20～20 000 Hz，爲了避免高於20 000 Hz的高頻信號干擾採樣，在進行採樣之前，需要對輸入的聲音信號進行濾波。考慮到濾波器在20000 Hz的地方大約有10%的衰減，所以可以用22 000 Hz的2倍頻率作爲聲音信號的採樣頻率。但是，爲了能夠與電視信號同步，PAL電視的場掃描爲50 Hz，NTSC電視的場掃描爲60 Hz，所以取50和60的整數倍，選用了44 100 Hz作爲激光唱盤聲音的採樣標準。
激光唱盤音樂信號的樣本位數是16。實際上，樣本數的大小也表示信號的動態範圍。一位(bit)的動態範圍約爲20log102 ≌ 6.02 dB，所以16位的樣本能夠表達的動態範圍就大於96 dB。
模擬聲音轉換成數字之後，需要佔據巨大的存儲空間。在激光唱盤上一秒鐘的聲音需要佔據的存儲空間爲：
1秒 ´ 44 100樣本/秒 ´ 2字節/樣本´2(左右兩個通道) = 176.4 千字節
11.3.2 聲道數
長期以來，立體聲似乎就是兩個聲道(軌)，這是由於早期最重要的存儲聲音的媒體是接觸式的唱片，唱片上的V形刻槽只能記錄最多兩條聲道的模擬信號，這就使得後來的錄音機、調頻廣播、錄象機、甚至連數字激光唱盤都採樣兩個聲道的規格。@其實多聲道的設備早已開發和採用，現在的許多劇院一直都還採用4個以上的聲音通道。隨着科學技術的發展，聲音轉換成數字信號之後，計算機很容易處理，例如，壓縮、偏移(Pan)、環繞音響效果(Surround Sound)等等，更多的聲道和更逼真的音響效果已經在出現。例如，MPEG-2數字影視標準和杜比AC-3都採用5＋1個聲音通道，即左、中、右3個主聲道，左後、右後兩個環場聲道，以及一個次低音聲道。
11.3.3 聲音數據的通道編碼
聲音轉換成用“1”和“0”表示的數字信號之後，並不是直接把它們記錄到盤上。物理盤上記錄的數據和真正的聲音數據之間需要做變換處理，這種處理統稱爲通道編碼。通道編碼不只是光盤需要，凡是在物理線路上傳輸的數字信號都需要進行通道編碼。採用通道編碼的目的主要是兩個，一是爲了改善信號質量，使得讀出信號的頻帶變窄.。其次是爲了爲了在接收端能夠從信號本身提取自同步信號。大家所熟悉的磁盤、磁帶、數字電話等都使用了不同算法的通道編碼技術。
激光唱盤使用的通道編碼叫做8到14比特調製編碼(eight to fourteen modulation，EFM)。這種編碼的含義就是把一個8個比特(即1個字節)的數據用14比特來表示。這裏有兩個問題要回答，一是爲什麼要做通道編碼，二是爲什麼把8比特轉換成14比特。
1.爲什麼要做通道編碼
在數字記錄中要做通道編碼的主要原因有兩個，一是爲了改善讀出信號的質量，二是爲了在記錄信號中提取同步信號。例如，有連續多個字節的全”0”信號或者全“1”信號要記錄到盤上，如果不作通道編碼就把它們記錄到盤上，讀出時的輸出信號就是一條直線，電子線路就很難區分有多少個“0”或者多少個“1”信號。而對於沒有規律的數字信號，讀出時的信號幅度和頻率的變化範圍都很大，電子線路很難把“0”和“1”區分開，讀出的信息就很不可靠。因此通俗說來，通道編碼實際上就是要在連續的“0”插入若干個“1”，而在連續的“1”之間插入若干個“0”，並對“0”和“1”的連續長度數目即“行[遊]程長度”加以限制。
2.爲什麼要把8位數轉換成14位數
理論分析和實驗證明，根據70年代的技術水平，把“0”的遊程長度最短限制在2個，而最長限制在10，光盤上的信號就能夠可靠讀出。這條規則的意思是，2個“1”之間至少要有2個“0”最多不超過10個“0”。我們知道，8位數據有256種代碼，14位通道位有16 384種代碼。通過計算機的計算，在這16 384種代碼中有267種代碼能夠滿足“0”遊程長度的要求。在這267種代碼中，其中有10種代碼在合併通道代碼時限制遊程長度仍有困難，再去掉一個代碼，這樣就得到了與8位數據相對應的256種通道碼。
此外，當通道碼合併時，爲了滿足遊程長度的要求，在通道碼之間再增加了3位來確保讀出信號的可靠性，於是在激光唱盤中8位的數據就轉換成了17位的通道代碼。在DVD光盤技術中，把3位合併位改成2位，並把它們直接插入到重新設計的碼錶中，這樣一個字節的數據就轉換成16位的通道位，這也就提高了DVD的存儲容量。
激光唱盤上的聲音數據編碼過程如圖11-08所示。
圖11-08 激光唱盤上聲音數據編碼的過程
11.3.4 CD盤如何批量生產
激光唱盤(CD-DA)、數字激光視盤(V-CD)和CD-ROM的製作過程都相同，大致分成三個階段。
1. 原版盤預製作(Premastering)，或者稱爲母盤預製作
對於激光唱盤，把製作好的音樂節目轉換成標準的CD-DA格式，而對於V-CD盤，把影視節目轉換成V-CD標準記錄格式，這個過程也叫做預處理。CD-DA格式在“紅皮書”中有詳細說明，V-CD的標準記錄格式在Video CD 2.0標準(白皮書)中有詳細說明，這項工作通常是由軟件來完成，這種軟件稱爲轉換軟件，或者稱爲編碼器(Encoder)。
2. 原版盤製作(Mastering)，或者稱爲母盤製作。
原版盤製作包括：
(1) 把符合CD-DA或者V-CD標準格式的數據經過一個EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)編碼器變成串行數據流，也就是在11.3.3中介紹的8到14調製，意思是把一個8比特的數據變成14比特的數據，再附加3比特用來改善讀/寫信號的質量，這樣8比特的並行數據就轉換成物理通道上的17比特串行數據。
(2) 把一片塗有光敏電阻的玻璃盤在旋轉平臺上進行光刻。參看圖11-09，激光源發出的激光束通過激光調製器時受到串行數據的控制，例如，數據“0”就不讓激光束通過，光敏電阻就不曝光；數據“1”就讓激光束通過，光敏電阻就曝光，這樣在玻璃盤上就形成長短不同的曝光區和非曝光區。激光調製器猶如一個開關。
圖11-09 光刻系統示意圖
(3) 對光刻的玻璃盤進行化學處理，盤上曝了光的區域被腐蝕掉形成凹坑，沒有曝光的區域就被保留下來，“0”、“1”信號就以凹坑和非凹坑的形式記錄在螺旋形光道上。
(4) 對經過化學處理的玻璃盤進行化學電鍍生成金屬原版盤，稱爲父盤(father disc)，通過父盤再製作母盤(mother disc)，然後由母盤製作出子盤(son disc)，子盤就是壓模(stamper)。
原版盤製作的整個過程如圖11-10所示。
圖11-10 V-CD盤的整個製作過程
3. 大批量複製。V-CD的盤基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多數大批量複製設備是用塑料注射成型機。聚碳酸脂加熱之後注入盤模裏，壓模就把它上面的數據壓制到正在冷卻的塑料盤上，然後在盤上濺射一層鋁，用於讀出數據時反射激光束，最後塗一層保護漆和印製標牌。
11.4 DVD簡介
VCD和DVD都是光學存儲媒體，但DVD的存儲容量和帶寬都明顯高於CD。影視、聲音、計算機和光學記錄技術融合在一起將開發出下一代的CD產品。
DVD原名是Digital Video Disc的縮寫，意思是“數字電視光盤(系統)”，這是爲了與Video CD相區別。實際上DVD的應用不僅僅是用來存放電視節目，它同樣可以用來存儲其他類型的數據，因此又把Digital Video Disc更改爲Digital Versatile Disc，縮寫仍然是DVD，Versatile 的意思是多才多藝的意思。現在，當我們談到DVD時，通常是指Digital Video Disc。
MPEG-1的電視質量是家用錄象機的質量，MPEG-1技術的成熟促成了VCD的誕生、產業的形成和市場的成熟；MPEG-2的電視質量是廣播級的質量，由於廣播級數字電視的數據量要比MPEG-1的數據量大得多，而CD-ROM的容量儘管有近700多兆字節，但也滿足不了存放MPEG-2 Video節目的要求。MPEG-2的技術已經相當成熟，爲了解決MPEG-2 Video節目的存儲問題，就促成了DVD的問世。
在1995年，一個由Sony和Philips Electronics DV公司領導的國際財團與另一個由Toshiba和Time Warner Entertainment公司領導的國際財團分別提出了兩個不兼容的高密度CD(High Density Compact Disc，HDCD)規格。同年10月，兩大財團終於同意盤片的設計按Toshiba/Time Warner公司的方案，而存儲在盤上的數據編碼則按Sony/Philips公司的方案。最終的單面單層DVD盤片應該能夠存儲4.7 GB(千兆字節)的數據，單面雙層盤片的容量爲8.5 GB；單面單層盤存儲133分鐘的MPEG-2 Video，其分辨率與現在的電視相同，並配備Dolby AC-3/MPEG-2 Audio質量的聲音和不同語言的字幕。AC-3是Audio Code Number 3的縮寫。
DVD的特點是存儲容量比現在的CD盤大得多，最高可達到17 GB。一片DVD盤的容量相當於現在的25片CD-ROM(650 MB)，而DVD盤的尺寸與CD相同。DVD所包含的軟硬件要遵照正在由計算機、消費電子和娛樂公司聯合制定的規格，目的是爲了能夠根據這個新一代的CD規格開發出存儲容量大和性能高的兼容產品，用於存儲數字電視和多媒體軟件。
11.5 DVD的規格
當我們提到DVD時，首先想到的是播放影視節目的DVD-Video。其實DVD和CD一樣，除了DVD-Video之外還將會有4個成員，它們的標準文件用Book A，Book B，... ，Book E來標識，如表11-03所示。
表11-03 DVD和CD系列
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DVD(DigitalVersatile Disc) |
CD(Compact Disc) |
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Book A: DVD-ROM |
CD-ROM |
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Book B: DVD-Video |
Video CD |
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Book C: DVD-Audio |
CD-Audio |
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Book D: DVD-Recordable |
CD-R |
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Book E: DVD-RAM |
CD-MO |
Toshiba/Time Warner公司定義的DVD規格是SD(Super Density Digital Video Disc)，而Sony/Philips公司定義的DVD規格是MMCD(Multimedia CD)，這兩種高密度盤規格的統一是擴充光盤存儲容量的一個里程碑。在理論上來說，DVD的存儲容量如表11-04所示。
表11-04 DVD的存儲容量
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DVD盤的類型 |
存儲容量(GB) |
MPEG-2 Video的播放時間(分鐘) |
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單面單層(只讀) |
4.7 |
133 |
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單面雙層(只讀) |
8.5 |
240 |
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單層雙面(只讀) |
9.4 |
266 |
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雙層,雙面(只讀) |
17 |
|
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單層雙面(DVD-R) |
6.6 |
215 |
|
單層雙面(DVD-RAM) |
5.2 |
147 |
DVD-Video的規格如表11-05所示。DVD盤上的電視都採用MPEG-2的電視標準。NTSC的聲音採用Dolby AC-3標準，MPEG-2 Audio作爲選用；PAL和SECAM的聲音採用MPEG-2 Audio標準，Dolby AC-3作爲選用。
表11-05 電視圖像規格
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技術內容 |
技術規格 |
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數據傳輸率 |
可變速率，平均速率爲4.69 Mb/s(最大速率爲10.7 Mb/s) |
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圖像壓縮標準 |
MPEG-2標準 |
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聲音標準 |
NTSC：Dolby AC-3或LPCM, 可選用MPEG-2 Audio |
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通道數 |
多達8個聲音通道和32個字幕通道 |
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DVD盤的類型 |
存儲容量(GB) |
MPEG-2 Video的播放時間(分鐘) |
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單面單層(只讀) |
4.7 |
133 |
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單面雙層(只讀) |
8.5 |
240 |
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單層雙面(只讀) |
9.4 |
266 |
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雙層,雙面(只讀) |
17 |
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單層雙面(DVD-R) |
6.6 |
215 |
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單層雙面(DVD-RAM) |
5.2 |
147 |
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DVD(Digital Versatile Disc) |
CD(Compact Disc) |
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Book A: DVD-ROM |
CD-ROM |
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Book B: DVD-Video |
Video CD |
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Book C: DVD-Audio |
CD-Audio |
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Book D: DVD-Recordable |
CD-R |
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Book E: DVD-RAM |
CD-MO |
DVD-Video的規格如表11-05所示。DVD盤上的電視都採用MPEG-2的電視標準。NTSC的聲音採用Dolby AC-3標準，MPEG-2 Audio作爲選用；PAL和SECAM的聲音採用MPEG-2 Audio標準，Dolby AC-3作爲選用。
表11-05 電視圖像規格
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技術內容 |
技術規格 |
數據傳輸率
可變速率，平均速率爲4.69 Mb/s(最大速率爲10.7 Mb/s)
圖像壓縮標準
MPEG-2標準
聲音標準
NTSC：Dolby AC-3或LPCM, 可選用MPEG-2 Audio
PAL： MPEG MUSICAM* 5.1或LPCM, 可選用Dolby AC-3
通道數
多達8個聲音通道和32個字幕通道
*MUSICAM(Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing)
11.6 DVD的存儲容量是怎樣提高的
如何提高存儲器的存儲容量和傳輸速率是存儲工業中永恆的研究課題，許多科學家和工程技術人員一直獻身於這個領域。
一片DVD盤要能夠存儲多達17 GB的信息，需要採用許多新的技術。DVD所採用和將要採用的技術歸納在表11-06。
表11-06 HDCD技術摘要
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DVD |
CD |
容量增益 |
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盤片直徑 |
120 mm |
120 mm |
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盤片厚度 |
0.6 mm /面 |
1.2 mm /面 |
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減小激光波長 |
635/650 nm |
780 nm |
4.486 = |
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加大N.A.(數值孔徑) |
0.6 |
0.45 |
(1.6*0.83)/ |
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減小光道間距 |
0.74 μm |
1.6 μm |
(0.74*0.40) |
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減小最小凹凸坑長度 |
0.4 μm |
0.83 μm |
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減小糾錯碼的長度 |
RSPC |
CIRC |
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修改信號調製方式 |
8-16 |
8-14 加 3 |
1.0625 = 17/16 |
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加大盤片表面的利用率 |
86.6平方釐米 |
86 平方釐米 |
1.019 = 86.6/86 |
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減小每個扇區字節數 |
2048/2060字節/扇區 |
2048/2352字節/扇區 |
1.142 = 2352/2060 |
從外觀和尺寸方面來看，DVD盤與現在廣泛使用的CD盤沒有什麼差別，直徑均爲120 mm(4.75英寸)，厚度爲1.2 mm；新的DVD播放機能夠播放現在已經有的CD激光唱盤上的音樂和VCD節目。但不同的是DVD盤光道之間的間距由原來的1.6mm縮小到0.74m m，而記錄信息的最小凹凸坑長度由原來的0.83mm縮小到0.4mm，這是DVD盤的存儲容量可提高到4.7 GB的主要原因，它的容量是CD的7倍，它們之間的差別如圖11-11所示。
圖11-11 DVD盤和CD盤之間的差別
常規的CD播放機和CD-ROM驅動器採用波長爲780 nm的不可見紅外光來讀出盤上的信息。爲了把光道距離和信息記錄凹凸坑的長度和寬度做得更小，DVD刻錄機和播放機就需要採用波長更短的激光源，這是因爲光學讀出頭的分辨率和激光波長成正比。近年來有許多有關藍色激光器的報道，但是要把它用到DVD上還有漫長的路要走。更現實的技術是使用波長爲635/650 nm的激光源來代替在CD驅動器中使用的780 nm紅外光激光源。光學讀出頭的數值孔NA(Numerical Aperture)也比較大，這樣可以產生直徑比較小的聚焦激光束。
常規的CD播放機和CD-ROM驅動器的光學讀出頭的數值孔徑爲0.45。爲了提高接收盤片反射光的能力，也就是提高光學讀出頭的分辨率，在DVD中就需要把NA將由現在的0.45加大到0.6。使用短波長的激光源和數值孔徑比較大的光學元件之後，最小凹凸的長度可以從0.83 mm減小到0.4 mm，而光道間距從1.6 mm 減小到0.74 mm，總的容量可以提高到4.486倍。
加大盤的數據記錄區域也是提高記錄容量的有效途徑。DVD盤的記錄區域從CD盤的86 cm2提高到86.6 cm2，如圖11-12所示，這樣記錄容量也就提高了1.9%。
圖11-12 增加盤的數據記錄面積
提高DVD存儲容量的另一個重要措施是使用盤片的兩個面來記錄數據，以及在一個面上製作好幾個記錄層，這無疑會大大增加DVD盤的容量。在IBM工作的科學家於1994年就聲稱他們能夠製作10層的盤片。爲了從最裏面的記錄層反射回足夠強的光，一種稱爲CLC(cholesteric liquid crystal)的記錄媒體可能被採用。
常規的CD盤只使用一個面，並且只製作一個記錄層來記錄信息，它的結構如圖11-13所示。爲了提高存儲容量，出現了另一種規格的DVD盤，稱爲單面雙層光盤，它的結構如圖11-14所示。單面雙層盤的表層稱爲第0層，最裏層稱爲第1層。第0層採用了一種新的半透明(semi-transmissive)薄膜塗層，可讓激光束透過表層到達第1層。開始工作時，激光束首先在第1層上聚焦和光道定位。當從第0層上讀出信息過渡到從第1層上讀出信息時，激光讀出頭的激光束立即重新聚焦，電子線路中的緩衝存儲器可確保從第0層到第1層的平穩過渡，而不會使信息中斷。單面雙層DVD盤的容量可達到8.5 GB，而雙面雙層DVD盤的容量可達到17 GB。
圖11-13 單面單層光盤的結構
圖11-14 單面雙層光盤的結構
DVD信號的調製方式和錯誤校正方法也做了相應的修正以適應高密度的需要，CD存儲器採用8-14(EFM)加3位合併位的調製方式，而DVD則採用效率比較高的8-16＋(EFM PLUS)的方式，這是爲了能夠和現在的CD盤兼容，也爲了和將來的可重寫的光盤兼容而採用的方式；CD存儲器採用的錯誤校正系統是裏德-索洛蒙碼(Cross-Interleaved Read-Solomon Code，CIRC)，而DVD採用裏德-索洛蒙乘積碼(Reed Solomon Product－like Code，RSPC)系統，它比CIRC更可靠。
採用修改的數據編碼和調製算法都可以減少DVD盤上的冗餘位，從而爲用戶提供更多的存儲空間。現在的CD需要用17比特來表示一個8比特的數據(14個通道位和3個用於改善讀出信號的合併位)。新的算法將使用16比特來表示一個8比特的數據，這樣也增加了DVD的容量。
此外，在CD盤上有許多EDC(Error Detection Code)和ECC(Error Correction Code)信息位，採用新的算法之後這些信息位的數目可以減小，也就相當於增加用戶數據的容量。採用RSPC糾錯碼之後，糾錯碼的數據傳輸率也將從25%減小到13%。
11.7 VCD與DVD播放機的結構
11.7.1 簡介
激光視盤和激光唱盤的成功，很自然地促使人們產生把數字電視放到光盤上的想法。從理論上說，放置的方法可以是多種多樣的。早在1992年10月，JVC和Philips公司就介紹了Karaoke(卡拉OK)CD規格，1993年3月，它們制定了CD Karaoke規格1.0，1993年10月改名爲Video CD 1.1，並沿用傳統的CD規格命名法，把它稱爲White Book(白皮書)。1994年7月完成了Video CD規格2.0的制定工作。
把數字電視放到盤上與計算機把數據放到CD-ROM盤上一樣，也涉及兩個基本概念，一個是物理格式，另一個是邏輯格式。物理格式是規定信息存到CD盤上的方法，例如盤區的劃分、光道的劃分、扇區的大小、尋址的方法、錯誤的檢測和校正等等。邏輯格式又稱爲文件格式，它是規定數據文件在盤上應如何組織和排列的方法，例如文件大小、目錄結構等的處理方法。VCD(Video CD)標準就是綜合了過去制定的CD物理格式和邏輯格式，以及通用的MPEG-1(Moving Pictures Expert Group)邏輯格式，是介於CD-ROM和CD-I之間的一種格式。
現在我們都知道，VCD是用來播放影視節目的，因此當我們談論Video CD時，通常是指VCD節目、VCD盤，或者是指播放系統，或者同時指三者。VCD盤上存儲的影視圖像和聲音是採用MPEG-1算法壓縮的數字信息，並按MPEG的格式交錯存放在VCD盤上。
Video CD是三種高新技術結合的產物，第一種是Video(可通俗理解爲數字影視)技術，第二種是激光記錄技術，或者叫光盤存儲器技術，第三種是計算機軟硬件技術。如前所述，光盤技術始於70年代，進入80年代，CD技術促進錄音帶向數字激光唱盤過渡；進入90年代，MPEG標準的制定和CD技術的發展，促使錄像帶向VCD過渡。
目前使用最普遍的VCD播放系統有兩種：
① 使用PC機構成的播放系統。這種播放系統可以使用MPEG播放卡或者使用軟件MPEG播放器。當使用軟件MPEG播放器時，需要高檔微機，
② VCD播放機＋電視機。
11.7.2 VCD播放機的基本結構
VCD播放機主要由3個核心部件組成：
① CD驅動器，或者叫做CD加載器，
② MPEG解碼器，
③微控制器。
CD加載器、MPEG-V解碼器、微控制器等的品種和型號都很多，因此選擇的餘地也很大。就目前的情況來看，無論您採樣什麼樣的模塊，VCD播放機的基本結構都相差不大。圖11-15是VCD播放機的典型結構，它是圍繞C-Cube Microsystems公司的L482/484解碼器構成的VCD播放機。
從VCD盤讀出的位數據流(bit-stream)既包含有電視圖像數據，又包含有聲音數據，VCD解碼器首先要從這種數據流中分離出電視圖像數據流和聲音數據流，然後“兵分兩路”，一路從壓縮的電視圖像數據流中重構出電視圖像數據，再用“圖形菜單(屏幕)顯示(On-Screen Display，OSD)”選擇的圖形去覆蓋它，最後把解壓縮後的數據和同步信息送給模擬電視信號編碼器，產生NTSC或者PAL制格式的電視信號送給電視機顯示；另一路從壓縮的聲音數據流中重構出聲音數據，然後把它送給模數轉換器(Digital to Analog Convertor，DAC)，它的輸出送給麥克風迴響電路，在那裏和兩個麥克風的輸入信號進行混合之後送給立體聲設備。
微控制器是一個8位微控制器，它用來控制VCD播放機的運行。它執行的主要功能是：
1．接收並解釋來自控制面板上的按鈕輸入命令。
2．接收並解釋來自紅外遙控器的輸入命令。
3．在真空熒光數碼顯示器(Vacuum Fluorescent Display，VFD)上顯示播放信息。
4．控制CD加載器和數字信號處理器的運行。
5．控制CL482/484的解碼。
6．處理VCD 2.0的交互播放。
圖11-15 VCD播放機的典型結構[2]
11.7.3 DVD播放機的基本結構
DVD播放系統的結構如圖11-16所示，它與VCD播放系統的結構相差不大。就播放機來說，DVD播放機主要有下列幾個部件組成：
(1) DVD盤讀出機構。
它主要由馬達、激光讀出頭和相關的驅動電路組成。馬達用於驅動DVD盤作恆定線速度旋轉；DVD激光讀出頭用於讀光盤上的數據，使用的是紅色激光，而不是CD播放機上使用的紅外激光。
(2) DVD-DSP(Digital Signal Processor)。
這塊集成電路用來把從光盤上讀出的脈衝信號轉換成解碼器能夠使用的數據。
(3) 數字聲音/電視圖形解碼器。
這是一塊由1百多萬個晶體管集成的大規模集成電路，它的主要功能是：
① 分離來自DVD播放機芯數據流中的聲音和電視圖像數據，建立聲音和電視圖像的同步關係。
② 對壓縮的電視圖像數據進行解壓縮(即譯碼)，重構出廣播級質量的電視圖像，並且按電視顯示格式重組電視圖像數據，然後送給電視系統。
③ 對壓縮的聲音數據進行解壓縮，重構出CD質量的環繞立體聲，並且按聲音播放規格(如通道要求，Dolby格式等)重組聲音數據，然後送給立體聲系統。
④ 處理附屬圖形，以圖形方式顯示節目菜單供用戶選擇觀看節目，在VCD和DVD播放系統中，這種功能叫做圖形菜單(屏幕)顯示OSD(On-Screen Display)。
(4) 微控制器。
這塊集成電路實際是一個微型計算機芯片，它用來控制播放機的運行；管理遙控器或者控制面板上的用戶輸入，把它們轉換成解碼器和DVD加載器能夠識別的命令；DVD節目存取權限的管理等。
圖11-16 DVD播放系統的基本結構[2]
參考文獻和站點
1．David R. Guenette. How High Density Can CD Get?. CD-ROM Professional, May 1996, pp82～88
2．http://www.c-cube.com/products/ (瀏覽日期：1998年12月)
3．C-Cube Microsystems. CL480 MPEG System Decoder User's Manual. 1995.
4．C-Cube Microsystems. CLM4700 MPEG-2 Video Encoder User's Manual. 1995.
5．林福宗, 趙立人. Video-CD播放系統設計. 小型微型計算機系統，1995. 3, pp29～34.
6．林福宗, 陸 達. 多媒體與CD-ROM. 北京：清華大學出版社, 1995.3
練習與思考題
- 只讀光盤是如何記錄“0”和“1”的？
- CD-DA的音樂信號的採樣頻率爲什麼選擇44.1 kHz？
- 激光唱盤音樂信號的樣本位數是16，它的信噪比是多少？如果樣本位數提高到20，它的信噪比是多少？
- 爲什麼物理線路上傳輸的數字信號都需要採用通道編碼？
- CD盤中的EFM是什麼意思？
- 激光唱盤播放機的聲音數據傳輸率是多少？
- 從CD渡到DVD，科學家和工程技術人員採取了那些主要技術？
- 目前定義了幾種DVD？
