DVD影碟机的基本原理.ppt

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第4章DVD影碟机的基本原理本章要点*DVD影碟机的产生与发展*DVD影碟机激光头的结构及信号读取原理*DVD影碟机的技术规格及光盘结构*DVD影碟机的组成及工作原理采用MPEG2图像数据压缩技术的DVDn（DigitalVideoDisc）机被称为数字影碟机，它是为适应人们对高画质的要求而开发的。

由于采用MPEG2压缩标准，其图像清晰度达500线以上。

DVD光盘存储信息量大，可刻录多角度、多情节图像，特别适合体育比赛中不同角度（最多达9个）的观赏。

其音频输出采用杜比AC-3（5.1声道）数码环绕声或MPEG2音频。

本章将介绍DVD影碟机的基本原理。

4.1DVD影碟机的产生与发展nDVD影碟机是20世纪90年代中期开发出来的新型激光视盘播放设备，它采用了650nm短波长激光技术、高密度刻录技术、MPEG2可变码率高效编码技术，以卓越的视频性能、巨大的存储容量和出色的音质（AC-3音频系统）受到世人青睐。

4.1.1DVD的产生nMPEG2数据编码部分标准颁布后，一些生产厂商开始研制和开发基于MPEG2的高清晰度数字视盘机（DVD）。

1994年底，索尼公司和飞利浦公司公布了其多媒体MMCD（下一代高密度）数字视盘规格，并生产出样品于1995年1月的CES展览会上展出。

同时东芝、时代华纳、汤姆逊、松下、日立、先锋和MCA等7家厂商联合推出SD超密度盘的多媒体数字视盘规格。

这两种技术规格图像质量出色，但互不兼容，差异较大。

经过一年的激烈争论，在众多软件公司的协调下，在1995年9月达成协议并将其命名为DVD。

该统一标准包含的专利技术主要有松下、先锋公司发明的光盘粘合技术，松下公司发明的纠错技术，飞利浦公司发明的信号调制技术。

统一后的DVD标准融合了MMCD和SD中的先进技术。

4.1.2DVD的发展n随着DVD标准的统一、关键技术的成熟以及生产厂商与软件制作版权保护的进展，松下、东芝、先锋、飞利浦、三星、三洋等厂商纷纷推出各自的DVD样机与产品。

东芝公司于1996年5月在美国纽约举行的立体音响视听展览会上展示了SD-3006、SD-1006DVD影碟机，并于同年11月在日本上市。

松下公司于1997年推出PD2（将DVD、DVD-ROM、DVD-RAM三合一）放像机和内置DVD影碟机的电视机。

与此同时，先锋公司推出平价的和高级的LD/DVD两用播放机，索尼公司推出DVD/CD播放机。

松下公司还推出了DVD-A100和DVD-A300播放机，它们均兼容CD、VCD光盘，且DVD-A300内置AC-3解码器。

n我国是VCD机生产大国，厂家多达几百个。

随着DVD影碟机的问世，一些知名厂家与科研院校、跨国公司合作，开发、生产出DVD影碟机，如国家计委与江苏江奎集团联合开发DVD机芯，深圳先科、江苏新科电子集团公司、福建实达集团、厦门共和电子公司、TCL集团公司纷纷推出各自品牌的DVD影碟机。

1998年初，原电子工业部三所与美国依雅时公司（ESS）联合开发的DVD机研制成功。

此外，厦新、蚬华、海信、长虹、步步高、万利达、宏图、旭光也相继生产出自己品牌的DVD机。

n由于DVD光盘从单面单层发展到单面双层、双面单层和双面双层，信息存储量由4.7GB扩展到17GB，使其不仅应用于家用视听娱乐设备，还越来越多应用于计算机领域，是可拆卸磁盘的理想替代物，得到了越来越多的软件制作商的支持，并取得了迅猛的发展。

4.2DVD影碟机的技术规格及特点MPEG2是活动图像专家组于1994年制定的视频和音频数据压缩的技术规范和标准，其图像参数如表4.1所示。

表4.1MPEG2技术规格图像参数（隔行扫描）4.2.1DVD光盘nDVD光盘的规格与VCD、CD光盘一样，直径都是12cm，厚度为1.2mm（由两片粘合而成）。

由于采用高密度记录方式，改进了数据压缩和解压缩技术，其存储容量很大。

一张与CD光盘一样大小的DVD光盘，有4.7GB存储空间，相当于CD光盘的7倍，可以存储133min的高清晰度图像；若为双面双层，最多有17GB存储空间，可提供长达8h的节目。

4.2.2DVD激光头nDVD机是在CD机、VCD机的基础上，通过改进光盘物理结构和读取机构来提高记录密度、存储容量和传输速度的。

由于DVD光盘与VCD，CD光盘外观和尺寸一致，为了实现高密度记录，必然要缩短坑槽长度和轨迹间距。

与VCD，CD光盘相比，DVD光盘的轨道间距为0.74（m（VCD为1.6（m），坑槽长度为0.4（m2（m（VCD最短为0.83（m）。

为了准确读取DVD光盘信息，DVD机激光头采用635nm650nm（CD为680nm）的较短波长，物镜数值孔径加大到0.6（CD为0.45），使其对激光束会聚后的焦点尺寸更小，更易准确找到信号轨迹。

4.2.3MPEG2图像信号压缩技术nDVD光盘采用高密度记录方式，其最低存储量为CD光盘的7倍。

如果仅靠改变光盘轨迹间距和坑槽的长度，将图像信号经A/D转换后直接记录在DVD光盘上，一张光盘最多只能记录几分钟的活动图像信号。

MPEG2是在MPEG1的基础上，通过改进实现的。

它对图像信号的处理主要分为两个过程：

首先确定图像的复杂程度。

对于复杂的频繁的活动图像，采用高比特流传输来提高图像质量；对于简单图像，在不影响图像质量的前提下，降低比特流量，减少数据冗余量，从而在单位时间内传送更多的图像信号。

其次，MPEG2压缩技术采用了可变比特率（VBR）传输方案。

对于简单图像，用1.5Mb/s传输；对复杂图像采用11Mb/s传输。

比特率越高，图像质量越高，但比特率太高，占据光盘的存储空间越大。

理论证明，MPEG2的平均视频传输率以3.5Mb/s为宜，这样既可确保得到高画质，又可获得高数据压缩率。

为了获得高质量的图像效果，DVD在采用MPEG2压缩图像信号时，其数据压缩率为1/70，比目前VCD机采用的MPEG1压缩率（1/140）低1倍。

4.2.4MPEG2和杜比AC-3数字音频压缩标准nMPEG音频有MPEG1音频和MPEG2两个标准。

MPEG1是1993年推出的音频国际化标准，它将输入信号分割成32个子带，根据人类听觉特性适当分配比特流，将立体声音频信号编码并压缩到原信号的1/6。

MPEG2音频是为高清晰度电视（HDTV）和高质量数字音频广播推出的一种音频压缩编码方式，它增加了5.1声道功能和8通道多语音功能，可以重放5通道全频域的音频，即L（左），R（右），C（中置），LS（左环绕），LR（右环绕）。

此外，它还增加了8通道语音功能和DOLBY向后兼容性。

MPEG2音频还增加了24kHz、22.05kHz、16kHz的低采样频率，可提高低比特率时的压缩率。

AC-3是杜比数字环绕声的简称，它支持5.1通道（L、R、C、LS、LR及SW），量化精度为20bit，每通道的采样频率分别为32kHz、44.1kHz、48kHz，其声音数据规格与MPEG1、MPEG2音频规格的参数比较如表4.2所示。

杜比数字环绕声（AC-3）也是利用人的听觉特性压缩声音的。

表4.2三种音频规格参数标准对照表4.3DVD激光头及其工作原理nDVD与VCD一样，都是以光盘作为存储图像和声音的载体，采用激光扫描光盘的信息表面来实现重放，如图4.1所示。

nDVD光盘采用MPEG2压缩编码标准，其信息轨迹间距0.74（m，信息面的深度0.6（m，信息坑的最小长度仅0.4（m，刻录密度远大于VCD光盘，这就决定了只能用波长更短（实际用650nm）的激光头来读取。

考虑到DVD机向下兼容CD，VCD，SVCD光盘，因而出现了多种DVD激光头图4.1DVD激光头读取光盘信息示意图n为了使DVD机兼容CD，VCD，SVCD光盘，开发了双镜头式激光头、双焦点式激光头和液晶快门式激光头。

1.双镜头式激光头双镜头式激光头的结构示意图如图4.2所示。

n双镜头式激光头组件中的物镜有两个：

一个焦距较短，用来读取DVD光盘；一个焦距较长，用来播放VCD，CD光盘。

两个物镜安装在一个可旋转的圆盘上。

当播放VCD或DVD光盘时，通过控制电路带动固定物镜的圆盘旋转，分别切换到相应的镜头来读取信号，其读盘示意图如图4.3所示。

4.3.1DVD激光头的分类图4.2双镜头式激光头结构示意图图4.3双镜头式激光头读盘原理图2.双焦点式激光头n双焦点式激光头是采用全息照相方式的物镜，使激光束有两个焦点，如图4.4所示。

全息镜头从镜头中心向外制成一圈圈同心圆沟槽，其间距为数十微米到数百微米。

全息镜头的表面为一平面镜。

播放VCD或CD光盘时，利用平面镜的1次回折光读取信息；播放DVD光盘时，激光管发射的激光直接通过物镜的0次光读取信息。

这种光头读取VCD光盘时，光利用率较低，可采用宽范围集光的方法来抑制光通量的下降。

3.液晶快门（光圈）式激光头n液晶快门式激光头如图4.5所示。

这种激光头在物镜的前面安装了一个液晶光圈，光圈大小随光圈外加电压的大小而变化，使激光经可变光圈物镜聚焦后的焦点发生变化。

播放DVD光盘时，环形液晶板透光，物镜有效数值孔径增大到0.6（NA=0.6），激光束聚焦后的焦点落在DVD光盘信息面上；播放VCD光盘时，控制电压使液晶阀门关闭，物镜的有效数值孔径减小到0.45（NA=0.45），激光束会聚后的焦点落在VCD光盘信息面上。

图4.4双焦点激光头原理图图4.5液晶快门式激光头原理图4.3.2DVD激光头的组成nDVD激光头与VCD激光头在构成上相似，都由激光发射系统、激光传播系统（光路）、激光接收系统组成，如图4.6所示。

n激光发射系统由激光二极管和衍射光栅组成。

和VCD激光管一样，DVD激光管的内部也有一个激光发射二极管LD和一个光敏检测管PD，有M型、P型和N型三种封装形式，如图4.7所示。

激光头加电后，LD发射出单一波长、相位一致的激光，波长为650nm（780nm），激光功率为5mW左右。

PD用来检测LD发射激光的强弱，实现激光自动功率（APC）控制。

衍射光栅将LD发出的单束激光分成三束激光（一条主光束和两条辅助光束）。

图4.6DVD激光头组成示意图图4.7DVD激光管封装形式n激光光路传播系统主要由分光棱镜、准直透镜、1/4波长片、物镜和柱面透镜组成，其中分光棱镜、准直透镜、1/4波长片和物镜组成入射光传播系统；物镜、1/4波长片、准直透镜、分光棱镜和柱面（圆柱）透镜组成反射光传播系统。

激光接收系统主要由光敏接收二极管组件组成，它能将光盘的反射光信号转变为电信号，并送到RF射频电路进行处理。

4.3.3DVD激光头信息读取原理n由光盘的微观结构知，DVD光盘是以椭圆形的坑槽和镜平面来记录信号的，信号的轨迹按螺旋形状由内圈向外圈排列。

DVD的坑长0.6（m1.6（m，轨迹间距0.74（m，坑槽的表面镀有高反射的铝膜，用来反射激光束。

当激光束照射到光盘上时，在没有坑槽的地方，反射面为一平面，垂直照射到光盘的激光束产生100%的反射，反射光经物镜、1/4波长片到分光棱镜与入射光分开，经柱面透镜后照射到光敏检测器，此时检测到的激光束很强（对应于数字信号“1”）；当激光照射到坑槽上时，激光束照射其背面小凸起的地方，反射光与入射光光程相差（/2，根据光的干涉原理，入射光与反射光将相互抵消，反射光只有30%按原路返回到光敏检测器，此时光敏检测器检测到的激光很弱（对应于数字信号“0”）。

光敏接收器根据光信号的强弱判断光盘上记录的信号是“1”还是“0”。

4.3.4常见DVD激光头参数n我国生产的DVD影碟机采用的机芯和激光头主要有索尼机芯、松下机芯（第一代、第二代、第三代）、日立机芯、三星机芯、蛇口三洋机芯等，激光头型号及其参数如表4.3所示。

表4.3常见DVD机芯、激光头及其参数表4.3常见DVD机芯、激光头及其参数4.4DVD光盘的结构、数据格式及刻录原理nDVD光盘是90年代中期，索尼与飞利浦公司发表的MMCD（下一代高密度多媒体CD）与东芝、华纳、时代等几家公司发表的SD（超密度盘）两种数字视盘规格相争后达成统一标准的产物，并于1995年12月发表了DVD的全部统一规格。

CD，DVD，MMCD，SD光盘的参数及规格如