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 光盘原理 

CD-ROM盘片
      标准的CD-ROM盘片直径为120毫米(4.72英寸),中心装卡孔为15毫米,厚度为1.2毫米,重量约为14~18克。
      CD-ROM盘片的径向截面共有三层:(1)聚碳酸酯(Polycarbonate)做的透明衬底;(2)铝反射层;(3)漆保护层。CD-ROM盘是单面盘,不做成双面盘的原因,不是技术上做不到,而是做一片双面盘的成本比做两片单面盘的成本之和还要高。因此,CD-ROM盘有一面专门用来印制商标,而另一面用来存储数据。激光束必须穿过透明衬底才能到达凹坑,读出数据,因此,盘片中存放数据的那一面,表面上的任何污损都会影响数据的读出性能。
编码
      为了在物理介质上存储数据,必须把数据转换成适于在介质上存储的物理表达形式。习惯上,把数据转换后得到的各种代码称为通道码。之所以叫通道码,是因为这些代码要经过通信通道。通道码并不是什么新概念,磁带、磁盘、网络都使用通道码。可以说,所有高密度数字存储器都使用0和1表示的通道码。如软磁盘,它就使用了改进的调频制(MFM , Modified Frequency Modulation)编码,通过MFM编码把数据变成通道码。
      CD-ROM和CD-DA一样,把一个8位数据转换成17位的通道码,称为8-17调制编码,记为EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)。根据通道码可以确定光盘凹坑和非凹坑的长度。
数据结构
      由于CD-ROM产生的技术背景是CD-DA,加上其螺旋形线型光道结构、以恒定线速度(CLV)转动、容量大等诸多因素,导致CD-ROM的数据结构比硬磁盘和软磁盘的数据结构复杂得多。
      CD-ROM盘区划分为三个区,即导入区(Lead-in Area)、用户数据区(User Data Area和导出区(Lead-out Area)。这三个区都含有物理光道。所谓物理光道是指360°一圈的连续螺旋形光道。这三个区中的所有物理光道组成的区称为信息区(Information Area)。在信息区,有些光道含有信息,有些光道不含信息。含有信息的光道称为信息光道(Information Track)。每条信息光道可以是物理光道的一部分,或是一条完整的物理光道,也可以是由许多物理光道组成。
      信息光道可以存放数字数据、音响信息、图像信息等。含有用户数字数据的信息光道称为数字光道,记为DDT(Digital Date Track);含有音响信息的光道称为音响光道,记为ADT(Audio Track)。一片CD-ROM盘,既可以只有数字数据光道,也可以既有数字数据光道,又有音响光道。
      在导入区、用户数据区和导出区这三个区中,都有信息光道。不过导入区只有一条信息光道,称为导入光道(Lead-in Track);导出区也只有一条信息光道,称为导出光道(Lead-out Track)。
      用户数据记录在用户数据区中的信息光道上。所有含有数字数据的信息光道都要用扇区来构造,而一些物理光道则可以用来把信息区中的信息光道连接起来。
错误检测与纠正
      激光盘同磁盘、磁带一类的数据记录媒体一样,受到盘的制作材料的性能、生产技术水平、驱动器以及使用人员水平等的限制,从盘上读出的数据很难完全正确。据有关研究机构测试和统计,一片未使用过的只读光盘,其原始误码率约为3×10-4;有伤痕的盘约为5×10-3。针对这种情况,激光盘存储采用了功能强大的错误码检测和纠正措施,采用的具体对策归纳起来有三种:
      (1) 错误检测码EDC(Error Detection Code)。采用CRC码(cyclic Redundancy Code)检测读出数据是否有错。CRC码有很强的检错功能,但没有开发它的纠错功能,因此只用它来检错。
      (2) 错误校正码或称为纠错码ECC(Error Correction Code)。采用里德-索洛蒙码,简称为RS码,进行纠错。RS码被认为是性能很好的纠错码。
      (3) 交差里德-索洛蒙码CIRC(Cross Interleaved Reed-Solomon Code)。这个码可以理解为在用RS编译码前后,对数据进行插值和交叉处理。
DVD类光盘
      从外观看,DVD光盘与CD光盘一样,盘片直径为120毫米(4.72英寸),中心装卡孔为15毫米,厚度为1.2毫米,但DVD是由两片厚度0.6毫米的碟片粘合而成。
      DVD光盘依结构的不同可分单面单层DVD-5、单面双层DVD-9、双面单层DVD-10及双面双层DVD-18。目前市面上应用最多的为DVD-9形式。
      以DVD-9为例其径向截面共有六层:(1)第一层聚碳酸酯(Polycarbonate)的透明盘基(包含信息);(2)半反射层(多为镀银);(3)粘胶层(4)全反射层(多为镀铝);(5)第二层聚碳酸酯的透明盘基(包含信息);(6)印刷层。
      由于碟片结构发生变化,DVD光盘的读取设备也产生了相应的改造。原先光盘只有一层,光驱的发射设备的焦距恒定,DVD光盘由双层组成,在读取的时候,当一层读取完毕后,激光检拾器改变激光发射设备的焦距,将光线聚焦在另一层的上读取信息。由于这两层之间厚度相差很小,所以一般采用一个激光发射器便可以读取分别存储在两层上的信息。由于焦距调整的过程需要的时间很短,所以可能根本感觉不到这种转换,对您欣赏节目不会有任何影响。但是这个差别却注定了CD-ROM和其它早期的光盘读取设备无法读取DVD光盘上的信息。
编码及逻辑结构
      DVD和CD-相似,把一个8位数据转换成16位的通道码,称为8-16调制编码。
      DVD光盘上的数据是按何种逻辑结构安排的。一张DVD盘总是包含一个逻辑卷。对于多层DVD盘,卷被分成与层数相对应的分区。一个逻辑卷里的基本逻辑单元是一个逻辑扇区,它包含2048个字节,与一个物理扇区相对应。一个卷主要包含卷及文件结构、DVD-Video区和非DVD-Video区(该区是可选的)。视频文件放在DVD-Video区内,计算机数据放在非DVD-Video区内,这样就可在同一张DVD盘上存放影视节目和计算机游戏节目。
数据结构
      与CD/VCD盘相似,每一层DVD盘上的数据均分为导入区(Lead-in Area)、数据区(Program Area)和导出区(Lead-out Area)三个区域。对双层OTP盘而言,还有一个中间区(Middle Area)。
DVD盘上的数据是按扇区(Sector)形式组织的。每个扇区由1024位数据组成,扇区之间没有间隙,并按如下方式连续地存放在盘上:
       1.对于单层盘,从导入区的开始处到导出区的结束处;
       2.对于双层盘的第0层,从导入区的开始处到中间区的结束处;
       3.对于双层盘的第1层,从中间区的开始处到导出区的结束处。
      对于采用OTP方式的双层盘,第1层中间区开始处的扇区号由第0层数据区的最后一个扇区号按位取反而得到,此后的扇区号就连续增加直至第1层导出区的结束处。
      各种结构DVD盘上数据区中的逻辑扇区和物理扇区的组织结构为:a.单层盘类型;b.PTP双层盘类型;c.OTP双层盘类型。
      有时称扇区为“数据扇区”、“记录扇区”或“物理扇区”,这主要取决于记录在盘上之前信号处理的状态。一个数据扇区由2048字节的主数据、12字节的标识和其它数据以及4个字节检错码组成。一个记录扇区是在编码纠错码后产生,并由一个数据扇区再加上外码奇偶校验OCP和内码奇偶校验ICP组成。物理扇区由一个扇区按8/16转换调制后得到,它就是记录在盘上的真实扇区。 导入区、数据区、导出区和中间区所含的扇区数是可变的,主要取决于程序内容的长度。一般来说,数据区的第1个扇区号总是指定为196608号(030000H)。导入区由参考码和控制数据组成。其中的参考码由32个扇区长的2个纠错块组成。控制数据由192个纠错块组成,主要包括盘的物理格式信息、盘的制造信息和节目提供者信息:
       * 盘的类型(只读/可重写/可记录)和版本号(0.9/1.0)
       * 盘的尺寸(8/12 cm)和最小读出速率(2.52/5.04/10.08 Mbps)
       * 盘的结构(层数/光道路径/层类型)
       * 记录密度(线密度和道密度)
       * 数据区的分配[起始位置(总是开始于030000H)和结束扇区号]
       * BCA描述符(突发切断区存在/不存在)
       数据区的数据是用户数据。中间区的所有主数据均置为0。导出区的所有主数据也均置为0。
错误检测与纠正
      DVD采用RS-PC(Reed Solomon Product Code)纠错编码方式和8/16信号调制方式,确保数据读取可靠。纠错码(ECC)块长为16个记录扇区长度(38688个字节),对应光道上82.5344mm长度;若原始误码率为10-3,经纠错后,误码率可小于10-20,远远低于计算机所需的误码率10-12。

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