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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、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(cholesteri
10、c 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
11、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
12、 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
13、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
14、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(fath
15、er 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(R
16、ecordable，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
17、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
18、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。
19、 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（Ran
20、dom 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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
26、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
27、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。
28、 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
29、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
30、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-R
31、W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-
32、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
33、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
34、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 H
35、D 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
36、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
37、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
38、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
39、 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0.1
40、49μm，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
41、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“
42、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
43、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
44、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
45、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
46、 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。
47、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
48、 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
49、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
50、 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
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