如何記錄“0”和“1”，如何提高單位面積上的記錄密度是計(jì)算機(jī)工業(yè)中的一個(gè)非常重要的技術(shù)研究和開發(fā)課題。在半個(gè)世紀(jì)中，科學(xué)家和工程技術(shù)人員開發(fā)了許多的記錄技術(shù)，從電子管到半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(jì)70年代的重大發(fā)明，是80年代世界上的重大技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，是90年代得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)。本章將從CD到DVD的發(fā)展過程中所采用的一些技術(shù)作一個(gè)介紹

11.1 CD簡(jiǎn)歷

11.1.1 CD工業(yè)史上的幾件大事

　　20世紀(jì)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，并于1972年9月向全世界展示了長(zhǎng)時(shí)間播放電視節(jié)目的光盤系統(tǒng)，這就是1978年正式投放市場(chǎng)并命名為L(zhǎng)V(Laser Vision)的光盤播放機(jī)。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(duì)人類文明進(jìn)步的影響，不亞于紙張的發(fā)明對(duì)人類的貢獻(xiàn)。
　　大約從1978年開始，把聲音信號(hào)變成用“1”和“0”表示的二進(jìn)制數(shù)字，然后記錄到以塑料為基片的金屬圓盤上，歷時(shí)4年，Philips公司和Sony公司終于在1982年成功地把這種記錄有數(shù)字聲音的盤推向了市場(chǎng)。由于這種塑料金屬圓盤很小巧，所以用了英文Compact Disc來命名，而且還為這種盤制定了標(biāo)準(zhǔn)，這就是世界聞名的“紅皮書(Red Book)標(biāo)準(zhǔn)”。這種盤又稱為數(shù)字激光唱盤(Compact Disc-Digital Audio，CD-DA)盤。
　　由于CD-DA能夠記錄數(shù)字信息，很自然就會(huì)想到把它用作計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備。但從CD-DA過渡到CD-ROM有兩個(gè)重要問題需要解決：① 計(jì)算機(jī)如何尋找盤上的數(shù)據(jù)，也就是如何劃分盤上的地址問題。因?yàn)橛涗浉枨鷷r(shí)是按一首歌作為單位的，一片盤也就記錄20首左右的歌曲，平均每首歌占用30多兆字節(jié)的空間。而用來存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，許多文件不一定都需要那么大的存儲(chǔ)空間，因此需要在CD盤上寫入很多的地址編號(hào)。② 把CD盤作為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器使用時(shí)，要求它的錯(cuò)誤率(10^-12)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲音數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率(10^-9)，而用當(dāng)時(shí)現(xiàn)成的CD-DA技術(shù)不能滿足這一要求，因此還要采用錯(cuò)誤校正技術(shù)。于是就開發(fā)了“黃皮書(Yellow)標(biāo)準(zhǔn)”。
　　遺憾的是，這個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)只解決了硬件生產(chǎn)廠家的制造標(biāo)準(zhǔn)問題，也就是存放計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的物理格式問題，而沒有涉及邏輯格式問題，也就是計(jì)算機(jī)文件如何存放在CD-ROM上，文件如何在不同的系統(tǒng)之間進(jìn)行交換等問題。為此，在多方努力下又制定了一個(gè)文件交換標(biāo)準(zhǔn)，后來國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standards Organization，ISO)把它命名為ISO 9660標(biāo)準(zhǔn)。
　　經(jīng)過科學(xué)技術(shù)人員以及各行各業(yè)人員的共同努力，終于在1985年前后成功地把CD-ROM推向了市場(chǎng)，從此CD-ROM工業(yè)走上了康莊大道。

11.1.2 CD系列產(chǎn)品

　　自從1981年激光唱盤上市以來，開發(fā)了一系列CD產(chǎn)品，而且還在不斷地開發(fā)新的產(chǎn)品，VCD僅僅是其中的一個(gè)產(chǎn)品，如圖11-01所示。

圖11-01 目前市場(chǎng)上的CD產(chǎn)品

　　CD原來是指激光唱盤，即CD-DA(Compact Disc-Digital Audio)，用于存放數(shù)字化的音樂節(jié)目，現(xiàn)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等通稱為CD。盡管CD系列中的產(chǎn)品很多，但是它們的大小、重量、制造工藝、材料、制造設(shè)備等都相同，只是根據(jù)不同的應(yīng)用目的存放不同類型的數(shù)據(jù)。它們之間的差別主要是：
　　1．CD-DA 存放數(shù)字化的音樂節(jié)目
　　2．CD-G 存放靜止圖像和音樂節(jié)目
　　3．CD-V 存放模擬的電視圖像和數(shù)字化的聲音
　　4．CD-ROM 存放數(shù)字化的文、圖、聲、象等
　　5．CD-I 存放數(shù)字化的文、圖、聲、象(靜止的)、動(dòng)畫等
　　6．CD-I FMV 存放數(shù)字化的電影、電視等節(jié)目
　　7．卡拉OK CD 存放數(shù)字化的卡拉OK節(jié)目
　　8．Video CD 存放數(shù)字化的電影、電視等節(jié)目
　　9．Photo-CD 存放的主要是照片、藝術(shù)品
　　為了存放不同類型的數(shù)據(jù)，制定了許多標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)如表11-01所示。

表11-01 部分CD產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

11.2 CD的工作原理

11.2.1 CD盤片結(jié)構(gòu)

　　激光唱盤、CD-ROM、數(shù)字激光視盤等統(tǒng)稱為CD盤。CD盤主要由保護(hù)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(jié)構(gòu)

　　CD盤上有一層鋁反射層，看起來是銀白色的，所以人們把它稱為“銀盤”。還有一種正在大批量進(jìn)入市場(chǎng)的盤稱為CD-R(CD-Recordable)盤，它的反射層是金，所以又這種盤稱為“金盤”。
　　CD盤的外徑為120 mm，重量為14克～18克。激光唱盤分3個(gè)區(qū)：導(dǎo)入?yún)^(qū)、導(dǎo)出區(qū)和聲音數(shù)據(jù)記錄區(qū)，如圖11-03所示。

圖11-03 CD盤的結(jié)構(gòu)

11.2.2 CD盤的光道結(jié)構(gòu)

　　許多讀者都可能聽說過以下兩個(gè)術(shù)語：恒定角速度(CAV)和恒定線速度(CLV)?，F(xiàn)在就首先來解釋它們。以我們現(xiàn)在用的軟磁盤為例，軟磁盤存放數(shù)據(jù)的磁道是同心環(huán)，如圖11-04(A)所示，磁盤片轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度是恒定的，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(duì)于磁道的速度(稱為線速度)是不同的。采用同心環(huán)磁道的好處之一是控制簡(jiǎn)單，便于隨機(jī)存取，但由于內(nèi)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(nèi)磁道的記錄密度高，外磁道的存儲(chǔ)空間就沒有得到充分利用，因而存儲(chǔ)器沒有達(dá)到應(yīng)有的存儲(chǔ)容量。
　　CD盤光道的結(jié)構(gòu)與磁盤磁道的結(jié)構(gòu)不同，它的光道不是同心環(huán)光道，而是螺旋型光道，CD唱盤的光道長(zhǎng)度大約為5公里，如圖11-04(B)所示。CD盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度在光盤的內(nèi)外區(qū)是不同的，而它的線速度是恒定的，就是光盤的光學(xué)讀出頭相對(duì)于盤片運(yùn)動(dòng)的線速度是恒定的，通常用CLV(constant linear velocity)表示。由于采用了恒定線速度，所以內(nèi)外光道的記錄密度(比特?cái)?shù)/每英寸)可以做到一樣，這樣盤片就得到充分利用，可以達(dá)到它應(yīng)有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，但隨機(jī)存儲(chǔ)特性變得較差，控制也比較復(fù)雜。
　　在盤存儲(chǔ)器工業(yè)中，從CAV到CLV整整花了30多年的時(shí)間才得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在不僅CD-ROM存儲(chǔ)器采用CLV，而且磁光盤存儲(chǔ)器也開始采用。

圖11-04 CD盤的光道是螺旋型光道

11.2.3 數(shù)據(jù)是怎樣寫入到CD盤上的

　　磁盤對(duì)大多數(shù)用戶來說并不生疏，它的記錄原理稱為磁記錄，是利用磁鐵的兩個(gè)極性(南極和北極)來記憶“1”和“0”兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的。光盤的記錄原理就不能一概而論，都稱為光記錄，因?yàn)楣獗P這個(gè)名稱已經(jīng)很籠統(tǒng)了?，F(xiàn)在在市場(chǎng)賣的磁光盤(magneto optical disc，MOD)和相變光盤(phase change disc，PCD)也被許多人簡(jiǎn)稱為光盤，前者是利用磁的記憶特性，借助激光來寫入和讀出數(shù)據(jù)，后者是利用一種特殊的材料，這種材料在激光加熱前和加熱后它們的反射率不同，利用它們的反射率不同來記憶“1”和“0”，這是名副其實(shí)的光盤。激光唱盤既不同于磁光盤的記錄原理，也不同于相變光盤的原理，而是利用在盤上壓制凹坑的機(jī)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(qū)動(dòng)器時(shí)，既可以把數(shù)據(jù)寫入到盤上 ，又可以從盤上讀出數(shù)據(jù)；磁光盤和相變光盤也同樣有寫入和讀出兩個(gè)功能，而且可以在同一臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)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(shù)據(jù)不能自己把數(shù)據(jù)寫到CD盤上。
　　CD盤上的數(shù)據(jù)是用壓模(stamper)沖壓而成的，而壓模是用原版盤(master disc)制成的。圖11-05是制作原版盤的示意圖。在制作原版盤時(shí)，是用編碼后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)去調(diào)制聚焦激光束，如果寫入的數(shù)據(jù)為“0”，就不讓激光束通過，寫入“1”時(shí)，就讓激光束通過，或者相反。在制作原版盤的玻璃盤上涂有感光膠，曝了光的地方經(jīng)化學(xué)處理后就形成凹坑，沒有曝光的地方保持原樣，二進(jìn)制信息就以這樣的形式刻錄在原版盤上。在經(jīng)過化學(xué)處理后的玻璃盤表面上鍍一層金屬，用這種盤去制作母盤(mother disc)，然后用母盤制作壓模，再用壓模去大批量復(fù)制。成千上萬的CD盤就是用壓模壓出來的，所以價(jià)格才這樣便宜(版權(quán)費(fèi)除外)。

圖11-05 原版盤制作示意圖

11.2.4 數(shù)據(jù)是怎樣從CD盤讀出的

　　CD盤上的數(shù)據(jù)要用CD驅(qū)動(dòng)器來閱讀。CD驅(qū)動(dòng)器由光學(xué)讀出頭、光學(xué)讀出頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、CD盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制線路以及處理光學(xué)讀出頭讀出信號(hào)的電子線路等組成。
　　光學(xué)讀出頭是CD系統(tǒng)的核心部件之一，它由光電檢測(cè)器、透鏡、激光束分離器、激光器等元件組成，它的結(jié)構(gòu)如圖11-06所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過幾個(gè)透鏡聚焦后到達(dá)光盤，從光盤上反射回來的激光束沿原來的光路返回，到達(dá)激光束分離器后反射到光電檢測(cè)器，由光電檢測(cè)器把光信號(hào)變成電信號(hào)，再經(jīng)過電子線路處理后還原成原來的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

圖11-06 光學(xué)讀出頭的基本結(jié)構(gòu)

　　圖11-07是CD光盤的讀出原理簡(jiǎn)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(qiáng)度，要比從非凹坑部分反射的光的強(qiáng)度來得弱，光盤就是利用這個(gè)極其簡(jiǎn)單的原理來區(qū)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(zhǎng)度和非凹坑的長(zhǎng)度都代表有多少個(gè)“0”。記憶“1”和“0”的道理就這么簡(jiǎn)單，但在計(jì)算機(jī)工業(yè)中為了記錄“1”和“0”，不知有多少科學(xué)家和工程技術(shù)人員為之奮斗終生。

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(chǔ)器在工作時(shí)光學(xué)讀出頭與盤之間是不接觸的，因此您不必?fù)?dān)心頭和盤之間的磨損問題。
　　這里需要強(qiáng)調(diào)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后沿代表1，凹坑和非凹的長(zhǎng)度代表０的個(gè)數(shù)。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(jìn)制制數(shù)據(jù)的“0”和“1”更有效。這種技術(shù)可用圖11-06作進(jìn)一步的說明。圖中4個(gè)凹坑和非凹坑代表了31個(gè)通道位，這就更充分地利用了光盤表面積，使得存儲(chǔ)容量大大提高。此外，采用這種技術(shù)也很容易從讀出信號(hào)中提取有用的同步脈沖信號(hào)。

11.2.5 激光唱盤標(biāo)準(zhǔn)摘要

　　激光唱盤的標(biāo)準(zhǔn)定義在1982年發(fā)布的紅皮書(Red Book)中，它源于CD-Audio Book，后來成為IEC 908標(biāo)準(zhǔn)，這是所有其他CD產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)將它的部分內(nèi)容匯總在表11-02中供查閱，下一章將進(jìn)一步介紹激光唱盤的物理格式。

表11-02 激光唱盤標(biāo)準(zhǔn)摘要

11.3 CD-Audio

11.3.1 采用頻率和樣本大小

　　人耳朵(因人而異)能聽到的聲音信號(hào)頻率范圍是20～20 000 Hz，為了避免高于20 000 Hz的高頻信號(hào)干擾采樣，在進(jìn)行采樣之前，需要對(duì)輸入的聲音信號(hào)進(jìn)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倍頻率作為聲音信號(hào)的采樣頻率。但是，為了能夠與電視信號(hào)同步，PAL電視的場(chǎng)掃描為50 Hz，NTSC電視的場(chǎng)掃描為60 Hz，所以取50和60的整數(shù)倍，選用了44 100 Hz作為激光唱盤聲音的采樣標(biāo)準(zhǔn)。
　　激光唱盤音樂信號(hào)的樣本位數(shù)是16。實(shí)際上，樣本數(shù)的大小也表示信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。一位(bit)的動(dòng)態(tài)范圍約為20log₁₀2 ≌ 6.02 dB，所以16位的樣本能夠表達(dá)的動(dòng)態(tài)范圍就大于96 dB。
　　模擬聲音轉(zhuǎn)換成數(shù)字之后，需要占據(jù)巨大的存儲(chǔ)空間。在激光唱盤上一秒鐘的聲音需要占據(jù)的存儲(chǔ)空間為：
　　　1秒 ′ 44 100樣本/秒 ′ 2字節(jié)/樣本′2(左右兩個(gè)通道) = 176.4 千字節(jié)

11.3.2 聲道數(shù)

　　長(zhǎng)期以來，立體聲似乎就是兩個(gè)聲道(軌)，這是由于早期最重要的存儲(chǔ)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(hào)，這就使得后來的錄音機(jī)、調(diào)頻廣播、錄象機(jī)、甚至連數(shù)字激光唱盤都采樣兩個(gè)聲道的規(guī)格。@其實(shí)多聲道的設(shè)備早已開發(fā)和采用，現(xiàn)在的許多劇院一直都還采用4個(gè)以上的聲音通道。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲音轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，計(jì)算機(jī)很容易處理，例如，壓縮、偏移(Pan)、環(huán)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(jīng)在出現(xiàn)。例如，MPEG-2數(shù)字影視標(biāo)準(zhǔn)和杜比AC-3都采用5＋1個(gè)聲音通道，即左、中、右3個(gè)主聲道，左后、右后兩個(gè)環(huán)場(chǎng)聲道，以及一個(gè)次低音聲道。

11.3.3 聲音數(shù)據(jù)的通道編碼

　　聲音轉(zhuǎn)換成用“1”和“0”表示的數(shù)字信號(hào)之后，并不是直接把它們記錄到盤上。物理盤上記錄的數(shù)據(jù)和真正的聲音數(shù)據(jù)之間需要做變換處理，這種處理統(tǒng)稱為通道編碼。通道編碼不只是光盤需要，凡是在物理線路上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)都需要進(jìn)行通道編碼。采用通道編碼的目的主要是兩個(gè)，一是為了改善信號(hào)質(zhì)量，使得讀出信號(hào)的頻帶變窄.。其次是為了為了在接收端能夠從信號(hào)本身提取自同步信號(hào)。大家所熟悉的磁盤、磁帶、數(shù)字電話等都使用了不同算法的通道編碼技術(shù)。
　　激光唱盤使用的通道編碼叫做8到14比特調(diào)制編碼(eight to fourteen modulation，EFM)。這種編碼的含義就是把一個(gè)8個(gè)比特(即1個(gè)字節(jié))的數(shù)據(jù)用14比特來表示。這里有兩個(gè)問題要回答，一是為什么要做通道編碼，二是為什么把8比特轉(zhuǎn)換成14比特。
　　1.為什么要做通道編碼
　　在數(shù)字記錄中要做通道編碼的主要原因有兩個(gè)，一是為了改善讀出信號(hào)的質(zhì)量，二是為了在記錄信號(hào)中提取同步信號(hào)。例如，有連續(xù)多個(gè)字節(jié)的全”0”信號(hào)或者全“1”信號(hào)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(shí)的輸出信號(hào)就是一條直線，電子線路就很難區(qū)分有多少個(gè)“0”或者多少個(gè)“1”信號(hào)。而對(duì)于沒有規(guī)律的數(shù)字信號(hào)，讀出時(shí)的信號(hào)幅度和頻率的變化范圍都很大，電子線路很難把“0”和“1”區(qū)分開，讀出的信息就很不可靠。因此通俗說來，通道編碼實(shí)際上就是要在連續(xù)的“0”插入若干個(gè)“1”，而在連續(xù)的“1”之間插入若干個(gè)“0”，并對(duì)“0”和“1”的連續(xù)長(zhǎng)度數(shù)目即“行[游]程長(zhǎng)度”加以限制。
　　2.為什么要把8位數(shù)轉(zhuǎn)換成14位數(shù)
　　理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，根據(jù)70年代的技術(shù)水平，把“0”的游程長(zhǎng)度最短限制在2個(gè)，而最長(zhǎng)限制在10，光盤上的信號(hào)就能夠可靠讀出。這條規(guī)則的意思是，2個(gè)“1”之間至少要有2個(gè)“0”最多不超過10個(gè)“0”。我們知道，8位數(shù)據(jù)有256種代碼，14位通道位有16 384種代碼。通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算，在這16 384種代碼中有267種代碼能夠滿足“0”游程長(zhǎng)度的要求。在這267種代碼中，其中有10種代碼在合并通道代碼時(shí)限制游程長(zhǎng)度仍有困難，再去掉一個(gè)代碼，這樣就得到了與8位數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的256種通道碼。
　　此外，當(dāng)通道碼合并時(shí)，為了滿足游程長(zhǎng)度的要求，在通道碼之間再增加了3位來確保讀出信號(hào)的可靠性，于是在激光唱盤中8位的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成了17位的通道代碼。在DVD光盤技術(shù)中，把3位合并位改成2位，并把它們直接插入到重新設(shè)計(jì)的碼表中，這樣一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成16位的通道位，這也就提高了DVD的存儲(chǔ)容量。
　　激光唱盤上的聲音數(shù)據(jù)編碼過程如圖11-08所示。

圖11-08 激光唱盤上聲音數(shù)據(jù)編碼的過程

11.3.4 CD盤如何批量生產(chǎn)

　　激光唱盤(CD-DA)、數(shù)字激光視盤(V-CD)和CD-ROM的制作過程都相同，大致分成三個(gè)階段。
　　1. 原版盤預(yù)制作(Premastering)，或者稱為母盤預(yù)制作
　　對(duì)于激光唱盤，把制作好的音樂節(jié)目轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的CD-DA格式，而對(duì)于V-CD盤，把影視節(jié)目轉(zhuǎn)換成V-CD標(biāo)準(zhǔn)記錄格式，這個(gè)過程也叫做預(yù)處理。CD-DA格式在“紅皮書”中有詳細(xì)說明，V-CD的標(biāo)準(zhǔn)記錄格式在Video CD 2.0標(biāo)準(zhǔn)(白皮書)中有詳細(xì)說明，這項(xiàng)工作通常是由軟件來完成，這種軟件稱為轉(zhuǎn)換軟件，或者稱為編碼器(Encoder)。
　　2. 原版盤制作(Mastering)，或者稱為母盤制作。
　　原版盤制作包括：
　　(1) 把符合CD-DA或者V-CD標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個(gè)EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)編碼器變成串行數(shù)據(jù)流，也就是在11.3.3中介紹的8到14調(diào)制，意思是把一個(gè)8比特的數(shù)據(jù)變成14比特的數(shù)據(jù)，再附加3比特用來改善讀/寫信號(hào)的質(zhì)量，這樣8比特的并行數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成物理通道上的17比特串行數(shù)據(jù)。
　　(2) 把一片涂有光敏電阻的玻璃盤在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上進(jìn)行光刻。參看圖11-09，激光源發(fā)出的激光束通過激光調(diào)制器時(shí)受到串行數(shù)據(jù)的控制，例如，數(shù)據(jù)“0”就不讓激光束通過，光敏電阻就不曝光；數(shù)據(jù)“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(zhǎng)短不同的曝光區(qū)和非曝光區(qū)。激光調(diào)制器猶如一個(gè)開關(guān)。

圖11-09 光刻系統(tǒng)示意圖

　　(3) 對(duì)光刻的玻璃盤進(jìn)行化學(xué)處理，盤上曝了光的區(qū)域被腐蝕掉形成凹坑，沒有曝光的區(qū)域就被保留下來，“0”、“1”信號(hào)就以凹坑和非凹坑的形式記錄在螺旋形光道上。
　　(4) 對(duì)經(jīng)過化學(xué)處理的玻璃盤進(jìn)行化學(xué)電鍍生成金屬原版盤，稱為父盤(father disc)，通過父盤再制作母盤(mother disc)，然后由母盤制作出子盤(son disc)，子盤就是壓模(stamper)。
　　原版盤制作的整個(gè)過程如圖11-10所示。

圖11-10 V-CD盤的整個(gè)制作過程

　　3. 大批量復(fù)制。V-CD的盤基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多數(shù)大批量復(fù)制設(shè)備是用塑料注射成型機(jī)。聚碳酸脂加熱之后注入盤模里，壓模就把它上面的數(shù)據(jù)壓制到正在冷卻的塑料盤上，然后在盤上濺射一層鋁，用于讀出數(shù)據(jù)時(shí)反射激光束，最后涂一層保護(hù)漆和印制標(biāo)牌。

11.4 DVD簡(jiǎn)介

　　VCD和DVD都是光學(xué)存儲(chǔ)媒體，但DVD的存儲(chǔ)容量和帶寬都明顯高于CD。影視、聲音、計(jì)算機(jī)和光學(xué)記錄技術(shù)融合在一起將開發(fā)出下一代的CD產(chǎn)品。
　　DVD原名是Digital Video Disc的縮寫，意思是“數(shù)字電視光盤(系統(tǒng))”，這是為了與Video CD相區(qū)別。實(shí)際上DVD的應(yīng)用不僅僅是用來存放電視節(jié)目，它同樣可以用來存儲(chǔ)其他類型的數(shù)據(jù)，因此又把Digital Video Disc更改為Digital Versatile Disc，縮寫仍然是DVD，Versatile 的意思是多才多藝的意思。現(xiàn)在，當(dāng)我們談到DVD時(shí)，通常是指Digital Video Disc。
　　MPEG-1的電視質(zhì)量是家用錄象機(jī)的質(zhì)量，MPEG-1技術(shù)的成熟促成了VCD的誕生、產(chǎn)業(yè)的形成和市場(chǎng)的成熟；MPEG-2的電視質(zhì)量是廣播級(jí)的質(zhì)量，由于廣播級(jí)數(shù)字電視的數(shù)據(jù)量要比MPEG-1的數(shù)據(jù)量大得多，而CD-ROM的容量盡管有近700多兆字節(jié)，但也滿足不了存放MPEG-2 Video節(jié)目的要求。MPEG-2的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，為了解決MPEG-2 Video節(jié)目的存儲(chǔ)問題，就促成了DVD的問世。
　　在1995年，一個(gè)由Sony和Philips Electronics DV公司領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際財(cái)團(tuán)與另一個(gè)由Toshiba和Time Warner Entertainment公司領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際財(cái)團(tuán)分別提出了兩個(gè)不兼容的高密度CD(High Density Compact Disc，HDCD)規(guī)格。同年10月，兩大財(cái)團(tuán)終于同意盤片的設(shè)計(jì)按Toshiba/Time Warner公司的方案，而存儲(chǔ)在盤上的數(shù)據(jù)編碼則按Sony/Philips公司的方案。最終的單面單層DVD盤片應(yīng)該能夠存儲(chǔ)4.7 GB(千兆字節(jié))的數(shù)據(jù)，單面雙層盤片的容量為8.5 GB；單面單層盤存儲(chǔ)133分鐘的MPEG-2 Video，其分辨率與現(xiàn)在的電視相同，并配備Dolby AC-3/MPEG-2 Audio質(zhì)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(diǎn)是存儲(chǔ)容量比現(xiàn)在的CD盤大得多，最高可達(dá)到17 GB。一片DVD盤的容量相當(dāng)于現(xiàn)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(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子和娛樂公司聯(lián)合制定的規(guī)格，目的是為了能夠根據(jù)這個(gè)新一代的CD規(guī)格開發(fā)出存儲(chǔ)容量大和性能高的兼容產(chǎn)品，用于存儲(chǔ)數(shù)字電視和多媒體軟件。

11.5 DVD的規(guī)格

　　當(dāng)我們提到DVD時(shí)，首先想到的是播放影視節(jié)目的DVD-Video。其實(shí)DVD和CD一樣，除了DVD-Video之外還將會(huì)有4個(gè)成員，它們的標(biāo)準(zhǔn)文件用Book A，Book B，... ，Book E來標(biāo)識(shí)，如表11-03所示。

表11-03 DVD和CD系列

　　Toshiba/Time Warner公司定義的DVD規(guī)格是SD(Super Density Digital Video Disc)，而Sony/Philips公司定義的DVD規(guī)格是MMCD(Multimedia CD)，這兩種高密度盤規(guī)格的統(tǒng)一是擴(kuò)充光盤存儲(chǔ)容量的一個(gè)里程碑。在理論上來說，DVD的存儲(chǔ)容量如表11-04所示。

表11-04 DVD的存儲(chǔ)容量

　　DVD-Video的規(guī)格如表11-05所示。DVD盤上的電視都采用MPEG-2的電視標(biāo)準(zhǔn)。NTSC的聲音采用Dolby AC-3標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-2 Audio作為選用；PAL和SECAM的聲音采用MPEG-2 Audio標(biāo)準(zhǔn)，Dolby AC-3作為選用。

表11-05 電視圖像規(guī)格

　　DVD-Video的規(guī)格如表11-05所示。DVD盤上的電視都采用MPEG-2的電視標(biāo)準(zhǔn)。NTSC的聲音采用Dolby AC-3標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-2 Audio作為選用；PAL和SECAM的聲音采用MPEG-2 Audio標(biāo)準(zhǔn)，Dolby AC-3作為選用。

表11-05 電視圖像規(guī)格

*MUSICAM(Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing)

11.6 DVD的存儲(chǔ)容量是怎樣提高的

　　如何提高存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量和傳輸速率是存儲(chǔ)工業(yè)中永恒的研究課題，許多科學(xué)家和工程技術(shù)人員一直獻(xiàn)身于這個(gè)領(lǐng)域。
　　一片DVD盤要能夠存儲(chǔ)多達(dá)17 GB的信息，需要采用許多新的技術(shù)。DVD所采用和將要采用的技術(shù)歸納在表11-06。

表11-06 HDCD技術(shù)摘要

　　從外觀和尺寸方面來看，DVD盤與現(xiàn)在廣泛使用的CD盤沒有什么差別，直徑均為120 mm(4.75英寸)，厚度為1.2 mm；新的DVD播放機(jī)能夠播放現(xiàn)在已經(jīng)有的CD激光唱盤上的音樂和VCD節(jié)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(zhǎng)度由原來的0.83mm縮小到0.4mm，這是DVD盤的存儲(chǔ)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(guī)的CD播放機(jī)和CD-ROM驅(qū)動(dòng)器采用波長(zhǎng)為780 nm的不可見紅外光來讀出盤上的信息。為了把光道距離和信息記錄凹凸坑的長(zhǎng)度和寬度做得更小，DVD刻錄機(jī)和播放機(jī)就需要采用波長(zhǎng)更短的激光源，這是因?yàn)楣鈱W(xué)讀出頭的分辨率和激光波長(zhǎng)成正比。近年來有許多有關(guān)藍(lán)色激光器的報(bào)道，但是要把它用到DVD上還有漫長(zhǎng)的路要走。更現(xiàn)實(shí)的技術(shù)是使用波長(zhǎng)為635/650 nm的激光源來代替在CD驅(qū)動(dòng)器中使用的780 nm紅外光激光源。光學(xué)讀出頭的數(shù)值孔NA(Numerical Aperture)也比較大，這樣可以產(chǎn)生直徑比較小的聚焦激光束。
　　常規(guī)的CD播放機(jī)和CD-ROM驅(qū)動(dòng)器的光學(xué)讀出頭的數(shù)值孔徑為0.45。為了提高接收盤片反射光的能力，也就是提高光學(xué)讀出頭的分辨率，在DVD中就需要把NA將由現(xiàn)在的0.45加大到0.6。使用短波長(zhǎng)的激光源和數(shù)值孔徑比較大的光學(xué)元件之后，最小凹凸的長(zhǎng)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(shù)據(jù)記錄區(qū)域也是提高記錄容量的有效途徑。DVD盤的記錄區(qū)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(shù)據(jù)記錄面積

　　提高DVD存儲(chǔ)容量的另一個(gè)重要措施是使用盤片的兩個(gè)面來記錄數(shù)據(jù)，以及在一個(gè)面上制作好幾個(gè)記錄層，這無疑會(huì)大大增加DVD盤的容量。在IBM工作的科學(xué)家于1994年就聲稱他們能夠制作10層的盤片。為了從最里面的記錄層反射回足夠強(qiáng)的光，一種稱為CLC(cholesteric liquid crystal)的記錄媒體可能被采用。
　　常規(guī)的CD盤只使用一個(gè)面，并且只制作一個(gè)記錄層來記錄信息，它的結(jié)構(gòu)如圖11-13所示。為了提高存儲(chǔ)容量，出現(xiàn)了另一種規(guī)格的DVD盤，稱為單面雙層光盤，它的結(jié)構(gòu)如圖11-14所示。單面雙層盤的表層稱為第0層，最里層稱為第1層。第0層采用了一種新的半透明(semi-transmissive)薄膜涂層，可讓激光束透過表層到達(dá)第1層。開始工作時(shí)，激光束首先在第1層上聚焦和光道定位。當(dāng)從第0層上讀出信息過渡到從第1層上讀出信息時(shí)，激光讀出頭的激光束立即重新聚焦，電子線路中的緩沖存儲(chǔ)器可確保從第0層到第1層的平穩(wěn)過渡，而不會(huì)使信息中斷。單面雙層DVD盤的容量可達(dá)到8.5 GB，而雙面雙層DVD盤的容量可達(dá)到17 GB。

圖11-13 單面單層光盤的結(jié)構(gòu)

圖11-14 單面雙層光盤的結(jié)構(gòu)

　　DVD信號(hào)的調(diào)制方式和錯(cuò)誤校正方法也做了相應(yīng)的修正以適應(yīng)高密度的需要，CD存儲(chǔ)器采用8-14(EFM)加3位合并位的調(diào)制方式，而DVD則采用效率比較高的8-16＋(EFM PLUS)的方式，這是為了能夠和現(xiàn)在的CD盤兼容，也為了和將來的可重寫的光盤兼容而采用的方式；CD存儲(chǔ)器采用的錯(cuò)誤校正系統(tǒng)是里德-索洛蒙碼(Cross-Interleaved Read-Solomon Code，CIRC)，而DVD采用里德-索洛蒙乘積碼(Reed Solomon Product－like Code，RSPC)系統(tǒng)，它比CIRC更可靠。
　　采用修改的數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制算法都可以減少DVD盤上的冗余位，從而為用戶提供更多的存儲(chǔ)空間。現(xiàn)在的CD需要用17比特來表示一個(gè)8比特的數(shù)據(jù)(14個(gè)通道位和3個(gè)用于改善讀出信號(hào)的合并位)。新的算法將使用16比特來表示一個(gè)8比特的數(shù)據(jù)，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，采用新的算法之后這些信息位的數(shù)目可以減小，也就相當(dāng)于增加用戶數(shù)據(jù)的容量。采用RSPC糾錯(cuò)碼之后，糾錯(cuò)碼的數(shù)據(jù)傳輸率也將從25%減小到13%。

11.7 VCD與DVD播放機(jī)的結(jié)構(gòu)

11.7.1 簡(jiǎn)介

　　激光視盤和激光唱盤的成功，很自然地促使人們產(chǎn)生把數(shù)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(guī)格，1993年3月，它們制定了CD Karaoke規(guī)格1.0，1993年10月改名為Video CD 1.1，并沿用傳統(tǒng)的CD規(guī)格命名法，把它稱為White Book(白皮書)。1994年7月完成了Video CD規(guī)格2.0的制定工作。
　　把數(shù)字電視放到盤上與計(jì)算機(jī)把數(shù)據(jù)放到CD-ROM盤上一樣，也涉及兩個(gè)基本概念，一個(gè)是物理格式，另一個(gè)是邏輯格式。物理格式是規(guī)定信息存到CD盤上的方法，例如盤區(qū)的劃分、光道的劃分、扇區(qū)的大小、尋址的方法、錯(cuò)誤的檢測(cè)和校正等等。邏輯格式又稱為文件格式，它是規(guī)定數(shù)據(jù)文件在盤上應(yīng)如何組織和排列的方法，例如文件大小、目錄結(jié)構(gòu)等的處理方法。VCD(Video CD)標(biāo)準(zhǔn)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，是介于CD-ROM和CD-I之間的一種格式。
　　現(xiàn)在我們都知道，VCD是用來播放影視節(jié)目的，因此當(dāng)我們談?wù)揤ideo CD時(shí)，通常是指VCD節(jié)目、VCD盤，或者是指播放系統(tǒng)，或者同時(shí)指三者。VCD盤上存儲(chǔ)的影視圖像和聲音是采用MPEG-1算法壓縮的數(shù)字信息，并按MPEG的格式交錯(cuò)存放在VCD盤上。
　　Video CD是三種高新技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，第一種是Video(可通俗理解為數(shù)字影視)技術(shù)，第二種是激光記錄技術(shù)，或者叫光盤存儲(chǔ)器技術(shù)，第三種是計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)。如前所述，光盤技術(shù)始于70年代，進(jìn)入80年代，CD技術(shù)促進(jìn)錄音帶向數(shù)字激光唱盤過渡；進(jìn)入90年代，MPEG標(biāo)準(zhǔn)的制定和CD技術(shù)的發(fā)展，促使錄像帶向VCD過渡。
　　目前使用最普遍的VCD播放系統(tǒng)有兩種：
　?、?使用PC機(jī)構(gòu)成的播放系統(tǒng)。這種播放系統(tǒng)可以使用MPEG播放卡或者使用軟件MPEG播放器。當(dāng)使用軟件MPEG播放器時(shí)，需要高檔微機(jī)，
　　② VCD播放機(jī)＋電視機(jī)。

11.7.2 VCD播放機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

　　VCD播放機(jī)主要由3個(gè)核心部件組成：
　　① CD驅(qū)動(dòng)器，或者叫做CD加載器，
　?、?MPEG解碼器，
　?、畚⒖刂破?。
　　CD加載器、MPEG-V解碼器、微控制器等的品種和型號(hào)都很多，因此選擇的余地也很大。就目前的情況來看，無論您采樣什么樣的模塊，VCD播放機(jī)的基本結(jié)構(gòu)都相差不大。圖11-15是VCD播放機(jī)的典型結(jié)構(gòu)，它是圍繞C-Cube Microsystems公司的L482/484解碼器構(gòu)成的VCD播放機(jī)。
　　從VCD盤讀出的位數(shù)據(jù)流(bit-stream)既包含有電視圖像數(shù)據(jù)，又包含有聲音數(shù)據(jù)，VCD解碼器首先要從這種數(shù)據(jù)流中分離出電視圖像數(shù)據(jù)流和聲音數(shù)據(jù)流，然后“兵分兩路”，一路從壓縮的電視圖像數(shù)據(jù)流中重構(gòu)出電視圖像數(shù)據(jù)，再用“圖形菜單(屏幕)顯示(On-Screen Display，OSD)”選擇的圖形去覆蓋它，最后把解壓縮后的數(shù)據(jù)和同步信息送給模擬電視信號(hào)編碼器，產(chǎn)生NTSC或者PAL制格式的電視信號(hào)送給電視機(jī)顯示；另一路從壓縮的聲音數(shù)據(jù)流中重構(gòu)出聲音數(shù)據(jù)，然后把它送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Convertor，DAC)，它的輸出送給麥克風(fēng)回響電路，在那里和兩個(gè)麥克風(fēng)的輸入信號(hào)進(jìn)行混合之后送給立體聲設(shè)備。
　　微控制器是一個(gè)8位微控制器，它用來控制VCD播放機(jī)的運(yùn)行。它執(zhí)行的主要功能是：
　　1．接收并解釋來自控制面板上的按鈕輸入命令。
　　2．接收并解釋來自紅外遙控器的輸入命令。
　　3．在真空熒光數(shù)碼顯示器(Vacuum Fluorescent Display，VFD)上顯示播放信息。
　　4．控制CD加載器和數(shù)字信號(hào)處理器的運(yùn)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(jī)的典型結(jié)構(gòu)[2]

11.7.3 DVD播放機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

　　DVD播放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖11-16所示，它與VCD播放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相差不大。就播放機(jī)來說，DVD播放機(jī)主要有下列幾個(gè)部件組成：
　　(1) DVD盤讀出機(jī)構(gòu)。
　　它主要由馬達(dá)、激光讀出頭和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路組成。馬達(dá)用于驅(qū)動(dòng)DVD盤作恒定線速度旋轉(zhuǎn)；DVD激光讀出頭用于讀光盤上的數(shù)據(jù)，使用的是紅色激光，而不是CD播放機(jī)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沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成解碼器能夠使用的數(shù)據(jù)。
　　(3) 數(shù)字聲音/電視圖形解碼器。
　　這是一塊由1百多萬個(gè)晶體管集成的大規(guī)模集成電路，它的主要功能是：
　　?、?分離來自DVD播放機(jī)芯數(shù)據(jù)流中的聲音和電視圖像數(shù)據(jù)，建立聲音和電視圖像的同步關(guān)系。
　　?、?對(duì)壓縮的電視圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮(即譯碼)，重構(gòu)出廣播級(jí)質(zhì)量的電視圖像，并且按電視顯示格式重組電視圖像數(shù)據(jù)，然后送給電視系統(tǒng)。
　　?、?對(duì)壓縮的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，重構(gòu)出CD質(zhì)量的環(huán)繞立體聲，并且按聲音播放規(guī)格(如通道要求，Dolby格式等)重組聲音數(shù)據(jù)，然后送給立體聲系統(tǒng)。
　　?、?處理附屬圖形，以圖形方式顯示節(jié)目菜單供用戶選擇觀看節(jié)目，在VCD和DVD播放系統(tǒng)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(shí)際是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)芯片，它用來控制播放機(jī)的運(yùn)行；管理遙控器或者控制面板上的用戶輸入，把它們轉(zhuǎn)換成解碼器和DVD加載器能夠識(shí)別的命令；DVD節(jié)目存取權(quán)限的管理等。

圖11-16 DVD播放系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[2]

參考文獻(xiàn)和站點(diǎn)

　　1．David R. Guenette. How High Density Can CD Get?. CD-ROM Professional, May 1996, pp82～88
　　2．http://www./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(tǒng)設(shè)計(jì). 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1995. 3, pp29～34.
　　6．林福宗, 陸 達(dá). 多媒體與CD-ROM. 北京：清華大學(xué)出版社, 1995.3

練習(xí)與思考題

• 只讀光盤是如何記錄“0”和“1”的？
• CD-DA的音樂信號(hào)的采樣頻率為什么選擇44.1 kHz？
• 激光唱盤音樂信號(hào)的樣本位數(shù)是16，它的信噪比是多少？如果樣本位數(shù)提高到20，它的信噪比是多少？
• 為什么物理線路上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)都需要采用通道編碼？
• CD盤中的EFM是什么意思？
• 激光唱盤播放機(jī)的聲音數(shù)據(jù)傳輸率是多少？
• 從CD渡到DVD，科學(xué)家和工程技術(shù)人員采取了那些主要技術(shù)？
• 目前定義了幾種DVD？