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光存储原理
在光存储技术中，利用光盘上的凹坑或变性来保存数据，用带激光头的光驱来读写数据。光盘用带金属反射层的塑料聚合物制成，轻便又结实，而且防磁、防水和防摔。
为了充分利用盘面空间，光盘采用了螺旋线光道和恒定线速度电机，这与采用同心环磁道和恒定角速度电机的普通磁盘有着很大的不同。
为了能正确并有效地读取光盘中的数据，在光盘的数据存储上，采用了位调制型通道编码和错误检测与校正技术。
只读型光盘采用母盘压制的方法来进行批量生产；一次性刻录盘（±R）和可反复擦写盘（±RW）则采用激光加热相变的方法，来改变介质的光反射率，达到擦写数据的目的。
CD、DVD和BD与HD DVD等光盘，都采用了同样的光存储原理，只是它们所用的激光波长不同，在具体的参数和技术细节上也有所差别。
2.1  光盘工作原理
CD、DVD、HD DVD和BD等光盘（Optical disc），都采用了类似的盘片与光道结构，以及数据表示与读写方法。

l     盘片结构与读取
（只读）光盘主要由保护层、反射激光的（铝、银、金等）金属反射层、刻槽层和（聚碳酸脂）塑料基衬垫组成。
光盘的外径一般为120毫米（4.75英寸）（也有80 毫米即3.15英寸外径的小型盘片）、内径15毫米、厚1.2毫米，重量为14克～18克。CD-DA（激光唱盘）分3个区：导入区、导出区和声音数据记录区，如
光盘在驱动马达的带动下高速旋转，光头发射的激光束经透明的塑料基后被金属反射层反射，反射的光经棱镜分光后被光头所接收。存储的数据用光盘刻槽层上的凹坑（pit）和岸台（land）表示，光驱利用坑台交界处反射光强的突变来读取数据。

l     光道结构
光盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同：磁盘存放数据的磁道是多个同心环，而光盘的光道则是一条螺旋线（CD盘的光道长度大约为5公里。
磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV (Constant Angular Velocity，恒定角速度)表示。但在不同的磁道上，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(比特/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。
光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，就是光头相对于盘片运动的线速度是恒定的，通常用CLV(Constant Linear Velocity，恒定线速度)表示。由于采用了恒定线速度，所以内外光道的记录密度(比特数/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（从CAV到CLV，业界花了30多年的时间才得以实现）。

l     数据的表示和读写
1．数据表示
磁盘利用磁铁的两个极性(南极和北极)来记录“1”和“0”这种二进制数据，使用磁头来读取数据。光盘则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”、而用凹坑和岸台的平坦部分记录“0”，使用激光来读出。
附注：除了普通的光盘外，还有磁光盘(Magneto Optical Disc，MOD)和相变光盘(Phase Change Disc，PCD)，它们记录和读写数据的方式与普通光盘不同。MOD利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据；PCD则是利用一些特殊的材料，这些材料在激光加热前后的反射率不同，利用它们的反射率不同来记忆“1”和“0”。
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具有写入和读出两个功能，而且可以在同一台驱动器上完成。可是只读光盘，则只能读光盘上的数据，而不能自己把数据写到光盘上。当然，我们也可以利用光盘刻录机和-R/RW型光盘来一次性写入/反复擦写数据。

2．数据写入
只读型光盘（如CD-DA、CD-ROM、DVD-Video、DVD-ROM等）上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压模是用原版的主盘(master disc)制成的。
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（一般一张盘的生产成本才几角钱，当然版权费除外）。
对刻录盘的数据读写原理，将在后面的18.2.5中介绍。

3．数据读出
光盘上的数据要用光驱来阅读。光驱由光学读出头、光学读出头驱动机构、光盘驱动机构、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。
光学读出头是光盘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18-15所示。激光器（一般采用激光二极管）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二极管检测器，由其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。
光盘上压制了许多凹坑，激光束在跨越凹坑的边缘时，反射的光的强度有突变，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”，凹坑和岸台的平坦部分代表“0”，一定长度的凹坑和岸台都代表着若干个“0”。

从图中可以看到，光驱在工作时，光学读出头与盘之间是不接触的，因此不必担心光头和盘之间的磨损问题。但是光盘与光头之间的缝隙是有要求的，如果盘面不平和倾斜，轻者会导致数据读取错误，重者会损坏光头。

l     双面和多层
CD是单层单面的，为了提高存储容量，除了缩短激光波长，增加盘面的数据密度外，DVD（双层）、HD DVD（三层）和BD（8层）光盘都采用了双面和多层技术。
使用盘片的两个面来记录数据，以及在一个面上制作好几个记录层，这无疑会大大增加光盘的容量。在IBM工作的科学家，于1994年就声称他们能够制作10层的盘片。为了从最里面的记录层反射回足够强的光，可采用一种称为CLC(cholesteric liquid crystal胆甾型液晶)的记录媒体。
常规的CD盘只使用一个面，并且只制作一个记录层来记录信息。

DVD光盘率先采用了单面双层、双面单层和双面双层的光盘结构。单面双层光盘的结构如图18-18所示，其（数据面）表层称为第0层，里层称为第1层。第0层采用了一种新型半透明(semi-transmissive)薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第1层。开始工作时，激光束首先在第1层上聚焦和光道定位。当从第0层上读出信息过渡到从第1层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲存储器可确保从第0层到第1层的平稳过渡，而不会使信息中断。

单面单层DVD盘的容量为4.7 GB（DVD-5）、单面双层DVD盘的容量为8.5 GB（DVD-9）、双面单层DVD盘的容量为9.4GB（DVD-10）、而双面双层DVD盘的容量可达到17 GB（DVD-18）。 不过由于制作成本和使用不便等原因，市面上很少有双面的DVD盘销售，而DVD-18盘则更是从未被生产过。

l     光盘转速
由于光驱采用机械式旋转方法来读取光盘中的数据，而当盘片的转速超过10000转／分时，过度的抖动会影响读盘的正确性，所以每分钟1万转成为光盘的转速上限。参见表18-9。
表19   光盘的转速和速率
速度与速率
CD
DVD
HD DVD
BD
单倍
线速度
1.2-1.4m/s
3.5m/s
5.6-6.1m/s
4.6-5.3m/s
数据率
0.15MB/s
1.385MB/s
4.569MB/s
4.5 MB/s
最高
倍速
52x
16x
8x
12x
数据率
7.8MB/s
22.16MB/s
36.55MB/s
54MB/s
2.2  只读光盘制作
各种只读光盘（如CD-DA、VCD、CD-ROM，DVD、DVD-Audio、DVD-ROM等）的制作过程都相同，大致分成如下三个阶段。

1．原版盘预制作
原版盘预制作(Premastering)，或者称为母盘预制作。对于音乐盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA或DVD-Audio格式；而对于视频盘，把影视节目转换成VCD/DVD标准记录格式，这个过程也叫做预处理。具体的格式在彩皮书和Book A~C中有详细说明，这项工作通常是由软件来完成，这种软件称为转换软件，或者称为编码器(Encoder)。

2．原版盘制作
原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作。原版盘制作包括：
(1) 把符合音视频光盘标准格式的数据经过一个EFM或EFM+编码器变成串行数据流，也就是前面介绍过的8到14调制，意思是把一个8比特的数据变成14比特的数据，再附加3或2比特用来分隔，以改善读/写信号的质量，这样8比特的并行数据就转换成物理通道上的17或16比特串行数据。
(2) 把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。参看图18-19，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，例如，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。激光调制器犹如一个开关。
(3) 对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。
(4) 对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成金属原版盘，称为父盘(father disc)，通过父盘再制作母盘(mother disc)，然后由母盘制作出子盘(son disc)，子盘就是压模(stamper)。

3．大批量复制
只读光盘的盘基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机。聚碳酸脂加热之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却的塑料盘上，然后在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。
对于多层只读光盘（如DVD-9和多层BD、HD DVD等），还要添加各层之间的粘贴步骤。
除了只能读不能写的只读型-ROM（Read-Only Memory，只读存储器）光盘外，还有可写一次-R(Recordable，可记录)与反复擦写-RW (ReWritable，可重写)的光盘。它们除了可以被读取之外，还都能够写入数据。
CD-R/DVD±R与CD-RW//DVD±RW之间的差别是：±R只能写一次，不能擦掉后重写；而±RW则可以反复擦写。其实在±R与±RW出现之前，已经有另一种可擦写光盘技术问世，它就是CD-MO，类似的技术还有DVD-RAM，BD也有磁光盘。
CD光盘技术的橙皮书(Orange Book)标准定义了具有多段(multisession)刻写能力的可记录光盘CD-Recordable。其第一部分定义了可重写的磁光盘CD-MO (Magneto Optical)、第二部分定义了写一次的光盘CD-WO(Write Once)（现在一般改称为CD-R）、第三部分则定义了可重写光盘CD-RW (Rewritable)。DVD的可写入光盘也有类似的分类，只是与CD-MO对应的是DVD-RAM。
这三种光盘的记录原理与普通光盘是不一样的。磁光盘(magneto optical disc，MOD) 借助激光的精确定位与局部加热，利用磁的记忆特性来写入和读出数据；相变光盘(phase change disc，PCD)是利用某些特殊材料在激光加热前后的反射率不同来记忆“1”和“0”，若这种材料的相变是不可逆的则为±R，可逆的就是±RW；而普通的只读光盘则是利用在盘上压制凹坑的机械办法，利用凹坑(pit)和岸台(land)及它们的交界处(凹坑边缘)对激光的反射率不同来记录和读取“1”和“0”。
DVD的刻录技术被分成了两大阵营：以东芝和NEC等为首的DVD论坛（Forum）于1999年底推出的DVD-R/-RW和由Philips和Sony等公司组成DVD+RW联盟（Alliance）于2001年3月推出的DVD+R/+RW。
BD也有对应的可写入盘类型：可写一次的BD-R（Recorded）和可多次重写的BD-RE（RE-recorded）。HD DVD-R/RW也将在2006年底推出。
下面分别对-MO/-RAM、±R和±RW光盘技术进行简单的介绍。

1．CD-MO和DVD-RAM
磁光(Magneto-Optical)技术是一种使用磁结合光的方法的可重写光存储技术。利用激光和磁铁在MO盘上写入数据：激光将比特块加热到居里点（150~300℃），磁铁改变比特块的极性。

与相变驱动器不同，MO盘重写时不必先擦除（重新格式化），可以似硬盘般随机读写。CD-MO于1988年出现，被定义在橙皮书的第I部分（Orange Book I）中。磁光盘也用树脂做片基，用碳化硅作保护层，记录层则采用铽（或镝/钆）铁钴合金材料，反射层一般用铝合金。BD现在也有对应的磁光盘BD-MO技术。
DVD-RAM（Random Access Memory，随机存取存贮器），使用的是具有某些MO特性的相变技术，其标准由DVD论坛于1996年定义，放在Book E中。第一代DVD-RAM出现于1998年中，容量为2.6GB，可以双面；1999年10月推出的DVD-RAM 2.0版达到4.7GB；DVD-RAM一般带有保护盒，与DVD-ROM不兼容；首个兼容的DVD-RAM出现于1999年。图18-22是DVD-RAM光盘的盘片和结构图。
虽然CD-MO和DVD-RAM可以随机读写，使用起来更像硬盘（DVD-RAM甚至采用了与磁盘一样的同心圆轨道），比±R和±RW都方便。但是，由于MO和RAM盘的价格高，又存在兼容性问题，现在已经很少有人使用。MO现在主要用于数据存储领域，而DVD-RAM则主要应用于可携式摄像机。

2．CD-R与DVD±R
1980年代晚期出现了WORM (Write Once/Read Many写入一次/读取多次)，1990年作为CD-WO(Write Once)标准写入橙皮书的第二部分(Orange Book II)，1993年Philps公司推出第一款采用WORM技术的CD-R产品。1995年成为国际标准ISO/IEC 13346的一部分。

1）光盘数据的写入方法
n     烧灼——利用激光的热效应，使光照点处的物质熔化并蒸发，留下凹坑，实现记录数据的目的。使用的材料有半导体合金、有机染料、金属氧化物等
n     起泡——利用激光的热效应，使光照点处的物质熔化并蒸发，使上一层的薄膜隆起，改变了光的反射率，实现记录数据的目的。材料如聚合物——高熔点金属膜
n     熔绒——利用激光的热效应，使光照点处的物质熔化成镜面，改变了光的反射率，实现记录数据的目的。材料如离子刻蚀过的硅
n     合金化——利用激光的热效应，使光照点处的物质熔化并形成合金，改变了光的反射率，实现记录数据的目的。材料如Pt-Si(铂-硅)、Rh-Si (铑-硅)
n     相变——利用激光的热效应，使光照点处的物质从非晶态转变成晶态（单向：非晶态→晶态），改变了光的反射率，实现记录数据的目的。材料如非结晶薄膜AsTe (碲化砷)

2）盘片结构与记录区
图18-23为CD-R的盘片结构。在CD-R中具有预先刻录凹槽，而且与只读CD相比，还在原来的衬底和反射层之间，添加一个吸收层（记录层），强热（≥250℃）会改变该层物质的结晶状态，从而改变其反射率，达到记录数据的目的。因此，光盘刻录机对激光的强度也有要求，如只读光盘的光头读出功率为0.5mW、CD-R光盘的写入功率则为5.5~6.5mW。

CD-R与普通CD盘的记录区域也有区别，CD-R在位于引导区内侧的中心孔旁的紧固区中增加了4mm的SUA（System Use Area，系统使用区），作用类似于磁盘的启动扇区(boot sector)。参见图18-24，可与图18-10比较。
SUA又被分成两个部分：
n     PCA（Power Calibration Area，功率校准区）——由于CD-R盘片所采用的记录介质不同，使得热烧灼的阈值也不同，另外激光的功率还与刻录速度和环境温度有关，所以每次刻录前必须校准功率以得到最佳刻录效果。办法是在PCA中以不同的功率写入某种固定的数据，然后再读入比较。PCA被分成99段，每次刻录时使用一段
n     PMA（Program Memory Area，程序存储区）——用于记录已经写入的光道个数以及每个光道的起始和终止时间(位置)
写入完成后，刻录程序会从PMA读出每个光道的起止位置信息，并按照一定格式写入导入区，最后做上一个不可再写的标记，以形成目录表TOC(table of contents)。因为SUA位于光盘的紧固区，不能被CD-ROM光驱读取。

3）光盘的颜色
普通的只读光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”。而-R盘，它的反射层为不同的物质，有多种颜色：
n     绿盘——最早，橙皮书的依据，兼容性好，光敏感（夏日暴晒可能报废），写入功率5.5mW，保存时间≥50年
u       花菁染料Cyanine(青蓝色) + 24K金反射层(金色) = 绿色
u       ~ + 不易感光材料 = 金绿色
n     金盘——日本三井公司开发，较稳定，光不敏感，写入功率6.5mW，保存时间≥100年
u       基于酞菁染料Phthalocyanine(淡黄色) + 24K金反射层(金色) = 金黄色
u       基于酞菁染料Phthalocyanine(淡黄色) + 成本较低的银反射层(银白色) = 白黄色
n     蓝盘——日本三菱化学公司开发，稳定且便宜，光不敏感，保存时间≥100年
u       金属化AZO有机染料(深蓝色)+ 银反射层(银白色) = 蓝色
n     彩盘——性能和用法同蓝盘，有黑、粉红、蓝、黄、绿等颜色，渗透到盘片深处，色彩饱和，时髦
DVD-R(Recordable可记录)最早出现于1997年秋，容量为3.95GB。后来DVD论坛于2000年5月推出第2版，容量达到4.7GB。可被DVD播放器和DVD-ROM驱动器读取，采用的技术与CD-R类似。
2002初Verbatim造出了首个支持DVD+R的DVD+RW刻录机。2003年10月Philips公司与三菱Kagaku媒体公司(Verbatim品牌)展示了双面DVD+R技术，容量达到8.5GB，且与DVD光驱兼容。
BD也有对应的可写入盘类型：可写一次的BD-R（Recorded），HD DVD-R也将在2006年底推出。

3．CD-RW和DVD±RW
1）CD-RW
CD-RW光盘标准由Philips、Sony、HP、三菱和理光等五家公司于1996年10月共同推出。CD-RW的原理很直观：以可恢复的材料代替CD-R中的不可恢复的有机染料作为光盘的记录层，这种材料一般由Ag （银）、In （铟）、Sb（锑）、T e（碲）或再加上Ge（锗）等多种元素所构成。刻录时高强度的激光聚焦到记录层上，记录层受热后会在“晶态”与“非晶态”间反复转换，由此实现数据的多次写入和擦除。
与CD-MO的磁光技术完全不同，CD-RW和DVD±RW背后的技术是光学相变。与磁光盘和RAM盘可以随机读写也不同，±RW盘虽然可以多次写入，但是在写之前必须先擦除，而且擦写都必须顺序进行。
±RW盘片的基本结构似±R盘，但有着明显的细节差别。±RW盘的相变介质由一个被压模制成螺旋凹槽的聚碳酸酯层衬底（用于伺服制导、绝对时间信息和其它数据）上面堆积了一个通常5层的栈组成。记录层被夹在两个电介质层中间，电介质层用于在写入过程中从相变层吸走剩余的热量。由于所采用的介质不同，±RW盘的颜色为金属灰，可以很容易与±R盘区分开来。 

替代CD-R盘的基于染料(dye-based)的记录层，CD-RW通常使用由银、铟、锑和碲混合构成的结晶化合物。这种奇异的混合具有非常特别的性质：当它被加热到某一温度后再冷却就变成结晶，但是当它被加热到一个更高的温度后，再冷却时却又变成非结晶体。结晶区域允许金属化层更好的反射激光，而非结晶部分则吸收激光束，所以不反射。
CD-RW记录器使用了三种不同的激光功率：
n     高功率(写入功率)——在记录层生成非结晶(吸收)状态
n     中功率(擦除功率)——熔融记录层，将其转换成反射结晶状态
n     低功率(读取功率)——不改变记录层的状态，用于读取数据
一般CD-RW光盘的反射率只有15~25%，比CD-ROM的70%要小的多。所以普通的CD-ROM光驱是不能读取CD-RW数据的，需要更大功率的激光和更敏感的光头。不过目前的主流CD和DVD光驱，都支持对CD-RW和DVD±RW盘的读写。
市面上流行的所谓Combo（康宝/组合）光驱，就是DVD-ROM + CD-R/RW光驱，由韩国的三星公司于1999年底引入，现在已经成为光驱的主流。

2）DVD-RW
DVD-RW是日本先锋公司从已有的CD-RW/DVD-R技术发展而来，于1999年底推出。DVD-RW使用相变技术来读写和擦除信息，采用了新的DVD-VR (Video Recording)记录格式，与现有DVD播放器不兼容（在物理层兼容，但在应用层不兼容）。
1997年夏天，Sony和Philips与HP宣布联合推出基于类似于CD-RW之相变技术的DVD+RW来与DVD论坛的DVD-RAM和DVD-RW标准作对。HP公司率先推出DVD+RW光驱与光盘，容量为3.0GB。2001年3月，DVD+RW联盟宣布推出DVD+RW全系列产品，容量达到4.7GB和8.5GB。图18-28是单面单层DVD+RW光盘的盘片结构。
与DVD-RW相比，DVD+RW的最大优势在于其与DVD光驱的兼容性好。不过现在主流的DVD刻录机都同时支持DVD-RW与DVD+RW。
BD也有对应的可擦写盘类型：可多次重写的BD-RE（RE-recorded），HD DVD-RW也将在2006年底推出。2002 年6 月份开始正式对外公布的BD 1.0 版，实际上就是可擦写型光盘的标准。

4．参数比较
只读光盘、磁光盘、R和RW光盘，采用了不同材料的存储介质和不同的读写技术，材料的反射率不同，所需的激光功率也不同。参见表18-10。
表10   各类光盘的参数与技术比较
比较项目
ROM
MO
RAM
R
RW
可写性
只读
可随机读写
可随机读写
只写一次
可重复擦写
反射率
70%

65%
15%~25%
激光功率
0.5mW

5~10mW
10~40mW
加热温度
--
150℃

250℃
400/600℃
记录方法
与方式
压制注塑
凹坑
加热磁化
磁极偏振
加热相变
加热
非晶态→晶态
加热
晶态←→非晶态
反射层金属
铝
铝

金或银
金或银
存储介质
聚碳酸脂塑料
铽铁钴合金

有机染料
合金结晶化合物
兼容ROM光驱
是
不
不
是
需
注：激光的写入功率与光盘的刻录速度有关，刻速越快，记录材料上的数据点被照射加热的时间就越短，所需的功率也就越大。
2.4  高密技术
DVD、BD与HD DVD盘都采用了与CD盘一样的尺寸和差不多的结构，它们数据容量的增加主要来自更高的盘面数据密度，而这又需要更短波长的激光来读写。参见表18-11和图18-29。
表11   光盘参数的比较
参数
CD
DVD
HD DVD
BD
激光波长
780nm
650nm
405nm
405nm
最小凹坑
0.83μm
04μm
0.204μm
0.149μm
光道宽
1.6μm
0.74μm
0.4μm
0.32μm
数值孔径
0.45
0.6
0.65
0.85
单层容量
0.65GB
4.7GB
15GB
25GB

从外观和尺寸方面来看，DVD盘与CD盘没有什么差别，直径均为120 mm(4.75英寸)，厚度为1.2 mm；新的DVD播放机能够播放现在已经有的CD激光唱盘上的音乐和VCD节目。但不同的是DVD盘光道之间的间距由原来的1.6μm缩小到0.74μm，而记录信息的最小凹坑长度由原来的0.83μm缩小到0.4μm，这是DVD盘的存储容量可提高到4.7GB（是CD的7倍）的主要原因，它们之间的差别如图18-30所示。

常规的CD播放机和CD-ROM驱动器采用波长为780 nm的不可见红外光来读出盘上的信息。为了把光道距离和信息记录凹坑的长度和宽度做得更小，DVD刻录机和播放机就需要采用波长更短的激光源，这是因为光学读出头的分辨率和激光波长成正比。DVD使用波长为635/650 nm的橙红色激光源来代替在CD驱动器中使用的780 nm红外光激光源。光学读出头的数值孔NA(Numerical Aperture)也比较大，这样可以产生直径比较小的聚焦激光束。
常规的CD播放机和CD-ROM驱动器的光学读出头的数值孔径为0.45。为了提高接收盘片反射光的能力，也就是提高光学读出头的分辨率，在DVD中就需要把NA由现在的0.45加大到0.6。使用短波长的激光源和数值孔径比较大的光学元件之后，最小凹凸的长度可以从0.83μm减小到0.4μm，而光道间距从1.6μm 减小到0.74μm，总的容量可以提高到4.486倍。
加大盘的数据记录区域也是提高记录容量的有效途径。DVD盘的记录区域从CD盘的86 cm2提高到86.6 cm2，如图18-31所示，这样记录容量也就提高了1.9%。DVD还将CD所采用的8到17的EFM通道编码（参见下一小节）改成8到16的EFM+通道编码，容量又提高6.25%。
表12  DVD技术摘要
参数
DVD
CD
容量增益
盘片直径
120 mm
120 mm

盘片厚度
0.6 mm /面
1.2 mm /面

减小激光波长
635/650 nm
780 nm

加大N.A.(数值孔径)
0.6
0.45
4.486 =
减小光道间距
0.74 μm
1.6 μm
减小最小凹坑长度
0.4 μm
0.83 μm
减小纠错码的长度
RSPC
CIRC

修改信号调制方式
8-14+2
8-14 + 3
1.0625 = 17/16
加大盘片表面的利用率
86.6平方厘米
86 平方厘米
1.019 = 86.6/86
减小每个扇区字节数
2048/2060字节/扇区
2048/2352字节/扇区
1.142 = 2352/2060
HD DVD和BD都采用了更短波长的蓝紫色激光——405nm。不过，HD DVD盘为了与DVD兼容，其数据层仍然在0.6mm处，数值孔径也只是稍微加大到0.65nm，所以其最小凹坑长度为0.204μm，光道宽度为0.4μm。而BD没有兼容的包袱，其数据层很浅在0.1mm处，数值孔径也只被加大到0.85nm，所以其最小凹坑长度可以更小，达到0.149μm，光道宽度也只有0.32μm。因此，在同样波长的激光下，BD盘的密度比HD DVD要大很多（67%）。
2.5  通道编码
用“1”和“0”表示的数字信号，并不是被直接记录到盘上。物理盘上所记录的数据和真正的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。大家所熟悉的磁盘、磁带、数字电话等都使用了不同算法的通道编码技术。
CD/DVD光盘所使用的通道编码叫做8到14比特调制编码(Eight to Fourteen Modulation，EFM)。这种编码的含义就是把一个8比特(即1个字节)的数据用14比特来表示。那么，为什么要进行通道编码，又为什么把8比特转换成14比特？

l     进行通道编码的原因
在数字记录中要做通道编码的主要原因有两个，一是为了改善读出信号的质量，二是为了在记录信号中提取同步信号。例如，有连续多个字节的全“0”信号或者全“1”信号要记录到盘上，如果不作通道编码就把它们记录到盘上，读出时的输出信号就是一条直线，电子线路就很难区分有多少个“0”或者多少个“1”信号。而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，电子线路很难把“0”和“1”区分开，读出的信息就很不可靠。因此通俗说来，通道编码实际上就是要在连续的“0”插入若干个“1”，而在连续的“1”之间插入若干个“0”，并对“0”和“1”的连续长度数目即“行（游）程长度”加以限制。

l     采用EFM的原因
理论分析和实验证明，根据当时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16 384种代码。通过计算机的计算，在这16 384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。
此外，当通道码合并时，为了满足游程长度的要求，在通道码之间再增加了3位来确保读出信号的可靠性，于是在激光唱盘中8位的数据就转换成了17位的通道代码。在DVD光盘的EFM+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，这样一个字节的数据就转换成16位的通道位，这也就提高了DVD的存储容量。
激光唱盘上的声音数据编码过程如图18-33所示。

2.6  错误检测和校正
由于制作材料的性能、制造生产技术水平的限制，驱动器的性能以及使用不当等诸多原因，从光盘、磁盘和磁带一类的数据记录媒体上，读出的数据不可能完全正确。据有关测试和统计，一片未使用过的只读光盘，其原始误码率约为3×10－4；沾有指纹的盘的误码率约为6×10－4；有伤痕的盘的误码率约为5×10－3。针对这种情况，激光盘存储器采用了功能强大的错误码检测和纠正措施。采用的具体对策有：
n     错误检测：采用CRC（Cyclic Redundancy Code, 循环冗余码）检测读出数据是否有错。
n     错误校正码：采用RS（Reed-Solomon里德－索洛蒙）码和CIRC（Cross Interleaved Reed-Solomon Code, 交叉交插里德－索洛蒙码）或RSPC（Read-Solomon Product-like Code, 里德-索洛蒙似乘积码），进行纠错。

CRC是非常通用的一种检错码；RS码则被认为是性能很好的纠错码；而CIRC是在用RS编译码前后，对数据进行交插和交叉处理，用于CD盘；RSPC则用于在DVD中替代CIRC。
下面逐个加以简单介绍：

l     CRC错误检测原理
在纠错编码代数中，把以二进制数字表示的一个数据看成一个多项式的系数序列。

如果一个k位的二进制信息代码多项式为M (x)，再增加(n－k)位的校验码，那么增加(n－k)位之后，信息代码多项式在新的数据块中就表示成xn-k M (x)。

称G (x)为校验码生成多项式。从该式中可以看到，代表新的代码多项式xn-k M (x)+R (x)是能够被校验码生成多项式G (x)除尽的，即它的余项为0。
例如，CD盘中的q通道和软磁盘存储器中使用的CRC校验码生成多项式是
G(x) = x16+x12+x5+1
        若用二进制表示，则为
G (x) = 100010000001000012 = 1102116
假定要写到盘上的信息代码M (x)为
M (x) = 4D6F746F16
由于增加了2个字节共16位的校验码，所以信息代码变成x16M (x)：4D6F746F000016。
用4D6F746F000016去除1102116，可得商49F99B1416和余数B99416。
对结果中的商可不必关心，其余数B99416就是CRC校验码。
把信息代码写到盘上时，将原来的信息代码和CRC码一起写到盘上。在这个例子中，写到盘上的信息代码和CRC码是4D6F746F16 B99416，即：
4D6F746F
B994
信息代码
CRC码
码是能被1102116除尽的。
从盘上把这块数据读出时，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。
CD-ROM中也采用了相同的CRC检错。CD-ROM扇区方式01中，有一个4字节共32位的EDC（Error Detection Code, 检错码）字域，它就是用来存放CRC码。不过，CD-ROM采用的CRC校验码生成多项式与软磁盘采用的生成多项式不同，它是一个32阶的多项式，
计算CRC码时用的数据块是从扇区的开头到用户数据区结束为止的数据字节，即字节0～2063共2064个字节。在EDC中存放的CRC码的次序如下：
EDC：
x31－x24
x23－x16
x15－x8
x7－x0
字节号：
2064
2065
2066
2067

l     RS编码和纠错算法
RS编码是在GF(Galois Field，伽罗华域)中运算的。CD-ROM中的数据、地址、校验码等都可以看成是属于GF (2 m) = GF (2 8)中的元素或符号。GF (2 8)表示域中有256个元素，除0，1之外的254个元素由本原多项式P(x)生成。

l     CIRC纠错技术
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。CIRC纠错码综合了交插、延时交插、交叉交插等技术，不仅能纠随机错误，而且对纠突发错误特别有效。

1．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。
这个道理很简单，把这种思想用在数字记录系统中对突发错误的更正也非常有效。在光盘上记录数据时，如果把本该连续存放的数据错开放，那么当出现一片错误时，这些错误就分散到各处，错误就容易得到纠正，这种技术就称为交插(interleaving)技术。例如，
3个(5, 3)码块：（每个码块都可纠正[(5-3)/2 = ]1个错误）
B1 = (a2，a1，a0，P1，P0)
B2 = (b2，b1，b0，Q