NB2 光存储技术zheng.docx

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NB2光存储技术zheng

光存储技术浅析

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

11.1CD简历

11.1.1CD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（LaserVision）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CompactDisc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（RedBook）标准”。

这种盘又称为数字激光唱盘（CompactDisc-DigitalAudio，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”。

　　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（InternationalStandardsOrganization，ISO）把它命名为ISO9660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。

11.1.2CD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11-01所示。

图11-01目前市场上的CD产品

　　CD原来是指激光唱盘，即CD-DA（CompactDisc-DigitalAudio），用于存放数字化的音乐节目，现在，通常把图11-01所列的CD-G（Graphics）、CD-V（Video）、CD-ROM、CD-I（Interactive）、CD-IFMV（FullMotionVideo）、卡拉OK（Karaoke）CD、VideoCD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-IFMV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．VideoCD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11-01所示。

表11-01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

RedBook

（红皮书）

CD-DA

存储音乐节目

74分钟

YellowBook

（黄皮书）

CD-ROM

存储文图声象等

多媒体节目

存储650MB的数据

动画、静态图像、动态图像

GreenBook

（绿皮书）

CD-I

存储文图声象等

多媒体节目

存储多达760MB的数据

动画、静态图像

OrangeBook

（橙皮书）

CD-R

读/写入文图声象等

多媒体节目

WhiteBook

（白皮书）

VideoCD

存储影视节目

70分钟

（MPEG-1）

数字影视

（MPEG-1）质量

RedBook+

（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

PhotoCD

存储照片

静态图像

BlueBook

（蓝皮书）

LD

（LaserDisc）

存储影视节目

200分钟

模拟电视图像

11.2CD的工作原理

11.2.1CD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、刻槽和聚碳脂衬垫组成，如图11-02所示。

图11-02CD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11-03所示。

图11-03CD盘的结构

11.2.2CD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11-04（A）所示，磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV（constantangularvelocity）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（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。

　　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11-04（B）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（constantlinearvelocity）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。

　　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。

图11-04CD盘的光道是螺旋型光道

11.2.3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（magnetoopticaldisc，MOD）和相变光盘（phasechangedisc，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（masterdisc）制成的。

图11-05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（motherdisc），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）。

图11-05原版盘制作示意图

11.2.4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11-06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11-06光学读出头的基本结构

　　图11-07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。

图11-07CD盘的读出原理

　　从图11-06和图11-07可以看到，CD存储器在工作时光学读出头与盘之间是不接触的，因此您不必担心头和盘之间的磨损问题。

　　这里需要强调的是，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，凹坑和非凹的长度代表０的个数。

这些位就是前面介绍的“通道位”。

利用这种方法比直接用凹坑和非凹坑代表原始二进制制数据的“0”和“1”更有效。

这种技术可用图11-06作进一步的说明。

图中4个凹坑和非凹坑代表了31个通道位，这就更充分地利用了光盘表面积，使得存储容量大大提高。

此外，采用这种技术也很容易从读出信号中提取有用的同步脉冲信号。

11.2.5激光唱盘标准摘要

　　激光唱盘的标准定义在1982年发布的红皮书（RedBook）中，它源于CD-AudioBook，后来成为IEC908标准，这是所有其他CD产品标准的基础。

现将它的部分内容汇总在表11-02中供查阅，下一章将进一步介绍激光唱盘的物理格式。

表11-02激光唱盘标准摘要

名称

技术指标

播放时间

74分钟

旋转方向

顺时针（从读出表面看）

旋转速度

1.2m/s～1.4m/s（恒定线速度）

光道间距

1.6μm

盘片直径

120mm

盘片厚度

1.2mm

中心孔直径

15mm

记录区

46mm～117mm

数据信号区

50mm～116mm

材料

折射率为1.55的任何材料

最小凹坑长度

0.833μm（1.2m/s）～0.972μm（1.4m/s）

最大凹坑长度

3.05μm（1.2m/s）～3.56μm（1.4m/s）

凹坑深度

～0.11μm

凹坑宽度

～0.5μm

光学系统

激光波长

780nm（7800Å）

聚焦深度

±2μm

信号格式

通道数

2个

量化

16位线性量化

采样频率

44.1kHz

通道位速率

4.3218Mb/s

数据位速率

1.9409Mb/s

数据：

通道位

8:

17

错误校正码

CIRC

调制方式

EFM

11.3CD-Audio

11.3.1采用频率和样本大小

　　人耳朵（因人而异）能听到的声音信号频率范围是20～20000Hz，为了避免高于20000Hz的高频信号干扰采样，在进行采样之前，需要对输入的声音信号进行滤波。

考虑到滤波器在20000Hz的地方大约有10%的衰减，所以可以用22000Hz的2倍频率作为声音信号的采样频率。

但是，为了能够与电视信号同步，PAL电视的场扫描为50Hz，NTSC电视的场扫描为60Hz，所以取50和60的整数倍，选用了44100Hz作为激光唱盘声音的采样标准。

　　激光唱盘音乐信号的样本位数是16。

实际上，样本数的大小也表示信号的动态范围。

一位（bit）的动态范围约为20log102≌6.02dB，所以16位的样本能够表达的动态范围就大于96dB。

　　模拟声音转换成数字之后，需要占据巨大的存储空间。

在激光唱盘上一秒钟的声音需要占据的存储空间为：

　　　1秒⨯44100样本/秒⨯2字节/样本⨯2（左右两个通道）=176.4千字节

11.3.2声道数

　　长期以来，立体声似乎就是两个声道（轨），这是由于早期最重要的存储声音的媒体是接触式的唱片，唱片上的V形刻槽只能记录最多两条声道的模拟信号，这就使得后来的录音机、调频广播、录象机、甚至连数字激光唱盘都采样两个声道的规格。

≅其实多声道的设备早已开发和采用，现在的许多剧院一直都还采用4个以上的声音通道。

随着科学技术的发展，声音转换成数字信号之后，计算机很容易处理，例如，压缩、偏移（Pan）、环绕音响效果（SurroundSound）等等，更多的声道和更逼真的音响效果已经在出现。

例如，MPEG-2数字影视标准和杜比AC-3都采用5＋1个声音通道，即左、中、右3个主声道，左后、右后两个环场声道，以及一个次低音声道。

11.3.3声音数据的通道编码

　　声音转换成用“1”和“0”表示的数字信号之后，并不是直接把它们记录到盘上。

物理盘上记录的数据和真正的声音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。

采用通道编码的目的主要是两个，一是为了改善信号质量，使得读出信号的频带变窄.。

其次是为了为了在接收端能够从信号本身提取自同步信号。

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。

　　激光唱盘使用的通道编码叫做8到14比特调制编码（eighttofourteenmodulation，EFM）。

这种编码的含义就是把一个8个比特（即1个字节）的数据用14比特来表示。

这里有两个问题要回答，一是为什么要做通道编码，二是为什么把8比特转换成14比特。

　　1.为什么要做通道编码

　　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。

　　2.为什么要把8位数转换成14位数

　　理论分析和实验证明，根据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16384种代码。

通过计算机的计算，在这16384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11-08所示。

图11-08激光唱盘上声音数据编码的过程

11.3.4CD盘如何批量生产

　　激光唱盘（CD-DA）、数字激光视盘（V-CD）和CD-ROM的制作过程都相同，大致分成三个阶段。

　　1.原版盘预制作（Premastering），或者称为母盘预制作

　　对于激光唱盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA格式，而对于V-CD盘，把影视节目转换成V-CD标准记录格式，这个过程也叫做预处理。

CD-DA格式在“红皮书”中有详细说明，V-CD的标准记录格式在VideoCD2.0标准（白皮书）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（Mastering），或者称为母盘制作。

　　原版盘制作包括：

（1）把符合CD-DA或者V-CD标准格式的数据经过一个EFM（Eight-to-FourteenModulation）编码器变成串行数据流，也就是在11.3.3中介绍的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比特用来改善读/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11-09，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。

图11-09光刻系统示意图

　　（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（fatherdisc），通过父盘再制作母盘（motherdisc），然后由母盘制作出子盘（sondisc），子盘就是压模（stamper）。

　　原版盘制作的整个过程如图11-10所示。

图11-10V-CD盘的整个制作过程

　　3.大批量复制。

V-CD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。

11.4DVD简介

　　VCD和DVD都是光学存储媒体，但DVD的存储容量和带宽都明显高于CD。

影视、声音、计算机和光学记录技术融合在一起将开发出下一代的CD产品。

　　DVD原名是DigitalVideoDisc的缩写，意思是“数字电视光盘（系统）”，这是为了与VideoCD相区别。

实际上DVD的应用不仅仅是用来存放电视节目，它同样可以用来存储其他类型的数据，因此又把DigitalVideoDisc更改为DigitalVersatileDisc，缩写仍然是DVD，Versatile的意思是多才多艺的意思。

现在，当我们谈到DVD时，通常是指DigitalVideoDisc。

　　MPEG-1的电视质量是家用录象机的质量，MPEG-1技术的成熟促成了VCD的诞生、产业的形成和市场的成熟；MPEG-2的电视质量是广播级的质量，由于广播级数字电视的数据量要比MPEG-1的数据量大得多，而CD-ROM的容量尽管有近700多兆字节，但也满足不了存放MPEG-2Video节目的要求。

MPEG-2的技术已经相当成熟，为了解决MPEG-2Video节目的存储问题，就促成了DVD的问世。

　　在1995年，一个由Sony和PhilipsElectronicsDV公司领导的国际财团与另一个由Toshiba和TimeWarnerEntertainment公司领导的国际财团分别提出了两个不兼容的高密度CD（HighDensityCompactDisc，HDCD）规格。

同年10月，两大财团终于同意盘片的设计按Toshiba/TimeWarner公司的方案，而存储在盘上的数据编码则按Sony/Philips公司的方案。

最终的单面单层DVD盘片应该能够存储4.7GB（千兆字节）的数据，单面双层盘片的容量为8.5GB；单面单层盘存储133分钟的MPEG-2Video，其分辨率与现在的电视相同，并配备DolbyAC-3/MPEG-2Audio质量的声音和不同语言的字幕。

AC-3是AudioCodeNumber3的缩写。

　　DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多，最高可达到17GB。

一片DVD盘的容量相当于现在的25片CD-ROM（650MB），而DVD盘的尺寸与CD相同。

DVD所包含的软硬件要遵照正在由计算机、消费电子和娱乐公司联合制定的规格，目的是为了能够根据这个新一代的CD规格开发出存储容量大和性能高的兼容产品，用于存储数字电视和多媒体软件。

11.5DVD的规格

　　当我们提到DVD时，首先想到的是播放影视节目的DVD-Video。

其实DVD和CD一样，除了DVD-Video之外还将会有4个成员，它们的标准文件用BookA，BookB，...，BookE来标识，如表11-03所示。

表11-03DVD和CD系列

DVD（DigitalVersatileDisc）

CD（CompactDisc）

BookA:

DVD-ROM

CD-ROM

BookB:

DVD-Video

VideoCD

BookC:

DVD-Audio

CD-Audio

BookD:

DVD-Recordable

CD-R

BookE:

DVD-RAM

CD-MO

　　Toshiba/Ti