第14章只读光盘存储器 水水水水*水水水水冰水水水水水水水水水水水客水水水水水水冰水水水水冰水水水水水水水水水水水水水冰水水水冰水水水水水水水水*水水冰水水水冰水 14.1CD简历 4.1.1CD工业史上的几件大事 acing 14.1.2CD系列产品 14.2CD的工作原理 14.3 CD-Audio 14.3.1.采用频率和样本大小 14.3.2.声道数 4 声音数据的通道编码 14.3.4.CD盘如何批量生产 0.83um 14.4DVD简介 14.5DVD的规格 0.74 14.6DVD的存储容量是怎样提高的 spacing 14.7VCD与DVD播放机的结构 14.7.1简介 dVD 14.7.2VCD播放机的基本结构 14.7.3DVD播放机的基本结构 练习与思考题 04u 参考文献和站点 半*水水水水水水水本水水客水客水冰客客水半*客水水水*冰冰水水水水水水客水冰本*客水水水水冰水事水水水水水水水水冰本水水水水水水水客水*冰*客 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。本章将 从CD到DWD的发展过程中所采用的一些技术作一个介绍 14.1CD简历 14.1.1CD工业史上的几件大事 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,并于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( Laser vision)的光盘播放机。从此,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 大约从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 Compact Disc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( Red book)标准” 这种盘又称为数字激光唱盘( Compact disc- Digital audio,CD-DA)盘。 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CDDA 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。因为记录歌曲时是按一首歌作为单位的,一片盘也就记录20首左右的歌曲, 平均每首歌占用30多兆字节的空间。而用来存储计算机数据时,许多文件不一定都需要那么 大的存储空间,因此需要在CD盘上写入很多的地址编号。②把CD盘作为计算机的存储器使 用时,要求它的错误率(102)远远小于声音数据的错误率(10°),而用当时现成的CDDA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
第14章 只读光盘存储器 *************************************************************************** 14.1 CD简历 14.1.1 CD工业史上的几件大事 14.1.2 CD系列产品 14.2 CD的工作原理 14.3 CD-Audio 14.3.1. 采用频率和样本大小 14.3.2. 声道数 14.3.3. 声音数据的通道编码 14.3.4. CD盘如何批量生产 14.4 DVD简介 14.5 DVD的规格 14.6 DVD的存储容量是怎样提高的 14.7 VCD与DVD播放机的结构 14.7.1 简介 14.7.2 VCD播放机的基本结构 14.7.3 DVD播放机的基本结构 练习与思考题 参考文献和站点 *************************************************************************** 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。本章将 从CD到DVD的发展过程中所采用的一些技术作一个介绍。 14.1 CD简历 14.1.1 CD工业史上的几件大事 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，并于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(Laser Vision)的光盘播放机。从此，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。 大约从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Compact Disc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(Red Book)标准”。 这种盘又称为数字激光唱盘(Compact Disc-Digital Audio，CD-DA)盘。 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。因为记录歌曲时是按一首歌作为单位的，一片盘也就记录20首左右的歌曲， 平均每首歌占用30多兆字节的空间。而用来存储计算机数据时，许多文件不一定都需要那么 大的存储空间，因此需要在CD盘上写入很多的地址编号。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
第14章只读光盘存储 遗憾的是,这个重要标准只解决了硬件生产厂家的制造标准问题,也就是存放计算机数 据的物理格式问题,而没有涉及逻辑格式问题,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( International Standards Organization,ISO)把它命名为IS0960 标准 经过科学技术人员以及各行各业人员的共同努力,终于在1985年前后成功地把 CD-ROM 推向了市场,从此 CD-ROM工业走上了康庄大道。 14.1.2CD系列产品 自从1981年激光唱盘上市以来,开发了一系列CD产品,而且还在不断地开发新的产品 VCD仅仅是其中的一个产品,如图14-01所示 卡拉 OK-CD Video-CD (1992) (1993) CD-ROMI CD-I FM (1985) (1986 (1992) CDDA(1981) CDG(1986 CD(1989) 图14-01目前市场上的CD产品 CD原来是指激光唱盘,即CDDA( Compact Disc- Digital Audio),用于存放数字化的音 乐节目,现在,通常把图14-01所列的CDG( Graphics)、CDV( Video)、 CD-ROM、 CD-I( Interactive)、CD-IFM( Full motion video)、卡拉OK( Karaoke)CD、 Video cd等通 称为CD。尽管CD系列中的产品很多,但是它们的大小、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。它们之间的差别主要是 (1)CD-DA 存放数字化的音乐节目 (2)CD-G 存放静止图像和音乐节目 (3)CD-V 存放模拟的电视图像和数字化的声音 (4)CD-ROM存放数字化的文、图、声、象等 (5)CD-I 存放数字化的文、图、声、象(静止的)、动画等 6)CD-I FM 存放数字化的电影、电视等节目 (7)卡拉OKCD 存放数字化的卡拉OK节目 ( 8)Video CD 存放数字化的电影、电视等节目 (9) Photo-CD 存放的主要是照片、艺术品 为了存放不同类型的数据,制定了许多标准,这些标准如表14-01所示。 表14-01部分C产品标准 标准名称盘的名称 应用目的 播放时间 显示的图像 Red book 存储音乐节目 74分钟 (红皮书)
第14章 只读光盘存储器 2 遗憾的是，这个重要标准只解决了硬件生产厂家的制造标准问题，也就是存放计算机数 据的物理格式问题，而没有涉及逻辑格式问题，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(International Standards Organization，ISO)把它命名为ISO 9660 标准。 经过科学技术人员以及各行各业人员的共同努力，终于在1985年前后成功地把CD-ROM 推向了市场，从此CD-ROM工业走上了康庄大道。 14.1.2 CD系列产品 自从1981年激光唱盘上市以来，开发了一系列CD产品，而且还在不断地开发新的产品， VCD仅仅是其中的一个产品，如图14-01所示。 图14-01 目前市场上的CD产品 CD原来是指激光唱盘，即CD-DA(Compact Disc-Digital Audio)，用于存放数字化的音 乐 节 目 ， 现 在 ， 通 常 把 图 14-01 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 称为CD。尽管CD系列中的产品很多，但是它们的大小、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。它们之间的差别主要是： (1) CD-DA 存放数字化的音乐节目 (2) CD-G 存放静止图像和音乐节目 (3) CD-V 存放模拟的电视图像和数字化的声音 (4) CD-ROM 存放数字化的文、图、声、象等 (5) CD-I 存放数字化的文、图、声、象(静止的)、动画等 (6) CD-I FMV 存放数字化的电影、电视等节目 (7) 卡拉OK CD 存放数字化的卡拉OK节目 (8) Video CD 存放数字化的电影、电视等节目 (9) Photo-CD 存放的主要是照片、艺术品 为了存放不同类型的数据，制定了许多标准，这些标准如表14-01所示。 表14-01 部分CD产品标准 标准名称 盘的名称 应用目的 播放时间 显示的图像 Red Book (红皮书) CD-DA 存储音乐节目 74分钟
第14章只读光盘存储 Yellow Book CD-ROM 存储文图声象等存储650MB的数|动画、静态图像、 (黄皮书) 多媒体节目 动图像 Green Book CD-I 存储文图声象等存储多达760MB动画、静态图像 绿皮书) 多媒体节目 的数据 Orange Book CD-R 读/写入文图声象 (橙皮书) 多媒体节目 White Book Video CD 存储影视节目 70分钟 数字影视 (白皮书) (MPEG-1 (MPEG-1)质量 Red book CD-Video 存储模拟电视 5~6分钟(电视)模拟电视图像 (红皮书) 数字声音 20分钟(声音)数字声音 CD-Brid Photo cd 字储照片 静态图像 Blue book 存储影视节目 200分钟 模拟电视图像 (蓝皮书) 14.2cD的工作原理 14.2.1CD盘片结构 激光唱盘、CD-ROM、数字激光视盘等统称为CD盘。CD盘主要由保护层、反射激光的铝反 射层、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成,如图14-02所示 保护层 铝反射层 刻槽 聚碳酸脂衬垫 图14-02CD盘片的结构 CD盘上有一层铝反射层,看起来是银白色的,所以人们把它称为“银盘”。还有一种正 在大批量进入市场的盘称为CDR(CD- Recordable)盘,它的反射层是金,所以又这种盘称为 金盘 CD盘的外径为120mm,重量为14克~18克。激光唱盘分3个区:导入区、导出区和声音 数据记录区,如图14-03所示。 120 117mm 导出区 <50 mm 46mm→ 声音数据记录区 导人区 图14-03CD盘的结构
第14章 只读光盘存储器 3 Yellow Book (黄皮书) CD-ROM 存储文图声象等 多媒体节目 存储650 MB的数 据 动画、静态图像、 动图像 Green Book (绿皮书) CD-I 存储文图声象等 多媒体节目 存储多达760 MB 的数据 动画、静态图像 Orange Book (橙皮书) CD-R 读/写入文图声象 等 多媒体节目 White Book (白皮书) Video CD 存储影视节目 70分钟 (MPEG-1) 数字影视 (MPEG-1)质量 Red Book + (红皮书+ ) CD-Video 存储模拟电视 数字声音 5～6分钟(电视) 20分钟(声音) 模拟电视图像 数字声音 CD-Bridge Photo CD 存储照片 静态图像 Blue Book (蓝皮书) LD (LaserDisc) 存储影视节目 200分钟 模拟电视图像 14.2 CD的工作原理 14.2.1 CD盘片结构 激光唱盘、CD-ROM、数字激光视盘等统称为CD盘。CD盘主要由保护层、反射激光的铝反 射层、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成，如图14-02所示。 图14-02 CD盘片的结构 CD盘上有一层铝反射层，看起来是银白色的，所以人们把它称为“银盘”。还有一种正 在大批量进入市场的盘称为CD-R(CD-Recordable)盘，它的反射层是金，所以又这种盘称为 “金盘”。 CD盘的外径为120 mm，重量为14克～18克。激光唱盘分3个区：导入区、导出区和声音 数据记录区，如图14-03所示。 图14-03 CD盘的结构
第14章只读光盘存储 14.2.2CD盘的光道结构 许多读者都可能听说过以下两个术语:恒定角速度(CAV)和恒定线速度(CLV)。现在就 首先来解释它们。以我们现在用的软磁盘为例,软磁盘存放数据的磁道是同心环,如图 14-04(b)所示,磁盘片转动的角速度是恒定的,通常用CAV( constant angular velocity) 表示,但在这一条磁道和另一条磁道上,磁头相对于磁道的速度(称为线速度)是不同的。采 用同心环磁道的好处之一是控制简单,便于随机存取,但由于内外磁道的记录密度(位/每英 寸)不相同,外磁道的记录密度低,内磁道的记录密度高,外磁道的存储空间就没有得到充 分利用,因而存储器没有达到应有的存储容量。 CD盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同,它的光道不是同心环光道,而是螺旋型光道 CD唱盘的光道长度大约为5公里,如图14-04(a所示。CD盘转动的角速度在光盘的内外区是 不同的,而它的线速度是恒定的,就是光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是恒定的 通常用CLV( constant linear velocity)表示。由于采用了恒定线速度,所以内外光道的记 录密度(位数/每英寸)可以做到一样,这样盘片就得到充分利用,可以达到它应有的数据存 储容量,但随机存储特性变得较差,控制也比较复杂 在盘存储器工业中,从CAV到CLV整整花了30多年的时间才得以实现。现在不仅 CD-ROM 存储器采用CLV,而且磁光盘存储器也开始采用 (a)CD盘的光道(b)磁盘的磁道 图14-04CD盘的光道是螺旋型光道 14.2.3数据是怎样写入到CD盘上的 磁盘对大多数用户来说并不生疏,它的记录原理称为磁记录,是利用磁铁的两个极性(南 极和北极)来记忆“1”和“0”两个二进制数的。光盘的记录原理就不能一概而论,都称为 光记录,因为光盘这个名称已经很笼统了。现在在市场卖的磁光盘( magneto optical disc MOD)和相变光盘( phase change disc,PCD)也被许多人简称为光盘,前者是利用磁的记忆特 性,借助激光来写入和读出数据,后者是利用一种特殊的材料,这种材料在激光加热前和加 热后它们的反射率不同,利用它们的反射率不同来记忆“1”和“0”,这是名副其实的光盘。 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,而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 用户使用磁盘驱动器时,既可以把数据写入到盘上,又可以从盘上读出数据:磁光盘 和相变光盘也同样有写入和读出两个功能,而且可以在同一台磁盘驱动器上完成。可是CD 只读光盘就不是这样,用户只能读CD盘上的数据不能自己把数据写到CD盘上 CD盘上的数据是用压模( stamper)冲压而成的,而压模是用原版盘( master disc)制成 的。图14-05是制作原版盘的示意图。在制作原版盘时,是用编码后的二进制数据去调制聚 焦激光束,如果写入的数据为“0”,就不让激光束通过,写入“1”时,就让激光束通过 或者相反。在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶,曝了光的地方经化学处理后就形成凹坑, 没有曝光的地方保持原样,二进制信息就以这样的形式刻录在原版盘上。在经过化学处理后 的玻璃盘表面上镀一层金属,用这种盘去制作母盘( mother disc),然后用母盘制作压模 再用压模去大批量复制。成千上万的CD盘就是用压模压出来的,所以价格才这样便宜(版权 费除外)
第14章 只读光盘存储器 4 14.2.2 CD盘的光道结构 许多读者都可能听说过以下两个术语：恒定角速度(CAV)和恒定线速度(CLV)。现在就 首先来解释它们。以我们现在用的软磁盘为例，软磁盘存放数据的磁道是同心环，如图 14-04(b)所示，磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV(constant angular velocity) 表示，但在这一条磁道和另一条磁道上，磁头相对于磁道的速度(称为线速度)是不同的。采 用同心环磁道的好处之一是控制简单，便于随机存取，但由于内外磁道的记录密度(位/每英 寸)不相同，外磁道的记录密度低，内磁道的记录密度高，外磁道的存储空间就没有得到充 分利用，因而存储器没有达到应有的存储容量。 CD盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同，它的光道不是同心环光道，而是螺旋型光道， CD唱盘的光道长度大约为5公里，如图14-04(a)所示。CD盘转动的角速度在光盘的内外区是 不同的，而它的线速度是恒定的，就是光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是恒定的， 通常用CLV(constant linear velocity)表示。由于采用了恒定线速度，所以内外光道的记 录密度(位数/每英寸)可以做到一样，这样盘片就得到充分利用，可以达到它应有的数据存 储容量，但随机存储特性变得较差，控制也比较复杂。 在盘存储器工业中，从CAV到CLV整整花了30多年的时间才得以实现。现在不仅CD-ROM 存储器采用CLV，而且磁光盘存储器也开始采用。 (a) CD盘的光道 (b) 磁盘的磁道 图14-04 CD盘的光道是螺旋型光道 14.2.3 数据是怎样写入到CD盘上的 磁盘对大多数用户来说并不生疏，它的记录原理称为磁记录，是利用磁铁的两个极性(南 极和北极)来记忆“1”和“0”两个二进制数的。光盘的记录原理就不能一概而论，都称为 光记录，因为光盘这个名称已经很笼统了。现在在市场卖的磁光盘(magneto optical disc， MOD)和相变光盘(phase change disc，PCD)也被许多人简称为光盘，前者是利用磁的记忆特 性，借助激光来写入和读出数据，后者是利用一种特殊的材料，这种材料在激光加热前和加 热后它们的反射率不同，利用它们的反射率不同来记忆“1”和“0”，这是名副其实的光盘。 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，而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。 用户使用磁盘驱动器时，既可以把数据写入到盘上 ，又可以从盘上读出数据；磁光盘 和相变光盘也同样有写入和读出两个功能，而且可以在同一台磁盘驱动器上完成。可是CD 只读光盘就不是这样，用户只能读CD盘上的数据不能自己把数据写到CD盘上。 CD盘上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压模是用原版盘(master disc)制成 的。图14-05是制作原版盘的示意图。在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚 焦激光束，如果写入的数据为“0”，就不让激光束通过，写入“1”时，就让激光束通过， 或者相反。在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶，曝了光的地方经化学处理后就形成凹坑， 没有曝光的地方保持原样，二进制信息就以这样的形式刻录在原版盘上。在经过化学处理后 的玻璃盘表面上镀一层金属，用这种盘去制作母盘(mother disc)，然后用母盘制作压模， 再用压模去大批量复制。成千上万的CD盘就是用压模压出来的，所以价格才这样便宜(版权 费除外)
第14章只读光盘存储 刻录设备 凹坑 激光束 图14-05原版盘制作示意图 14.2.4数据是怎样从CD盘读出的 CD盘上的数据要用CD驱动器来阅读。CD驱动器由光学读出头、光学读出头驱动机构、CD 盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。 光学读出头是CD系统的核心部件之一,它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器 等元件组成,它的结构如图14-06所示。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 盘 透镜 激光束 分离器 检测器 下光管 叫 图14-06光学读出头的基本结构 图14-07是CD光盘的读出原理简化图。光盘上压制了许多凹坑,激光束在凹坑部分反射 的光的强度,要比从非凹坑部分反射的光的强度来得弱,光盘就是利用这个极其简单的原理 来区分“1”和“0”的。凹坑的边缘代表“1”,凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”,凹坑 的长度和非凹坑的长度都代表有多少个“0”。记忆“1”和“0”的道理就这么简单,但在 计算机工业中为了记录“1”和“0”,不知有多少科学家和工程技术人员为之奋斗终生
第14章 只读光盘存储器 5 图14-05 原版盘制作示意图 14.2.4 数据是怎样从CD盘读出的 CD盘上的数据要用CD驱动器来阅读。CD驱动器由光学读出头、光学读出头驱动机构、CD 盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。 光学读出头是CD系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器 等元件组成，它的结构如图14-06所示。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。 图14-06 光学读出头的基本结构 图14-07是CD光盘的读出原理简化图。光盘上压制了许多凹坑，激光束在凹坑部分反射 的光的强度，要比从非凹坑部分反射的光的强度来得弱，光盘就是利用这个极其简单的原理 来区分“1”和“0”的。凹坑的边缘代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑 的长度和非凹坑的长度都代表有多少个“0”。记忆“1”和“0”的道理就这么简单，但在 计算机工业中为了记录“1”和“0”，不知有多少科学家和工程技术人员为之奋斗终生