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漫谈激光唱片

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发表于 2003-1-16 00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
以下是引用无心睡眠在2002-10-10 15:10:00的发言:
螺旋兄最好能介绍一下那些萝卜皮书的内容,要图文并茂,好让大家都能有个基本的概念。

写文章啊!很累的,呵呵!从CD诞生到现在已经20多年了,关于CD技术细节的文章已经多如牛毛,再写有点炒冷饭的味道了,这样吧,我把自己学习理解的体会说一下,供大家参考,如果有时间的哈,大家再理一理补充吧!

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其实在下是因为对多媒体编程和光盘加密解密感兴趣,才找相关资料仔细看过,另外,历年来数次与网上众辩友关于CD的问题口水大战,据理力争,也私下恶补了不少光盘知识。CD最早是由philips和sony在1980年以“红皮书”的标准确定下来的,后来在1987年被国际电工委员会确定为IEC908标准,十分详细地规范了CD的技术参数,看过IEC908标准,可以发现某些错误的概念在网上确实流传甚广,比如很多人认为光盘上的坑槽就是代表数字信号的01,平的是1,凹下的0,音频的PCM数据流就是这样记录在光盘上的,不幸的是,CD数据的记录远不是想象的这样简单,事实上,CD是以凹坑端部的前沿和后沿代表1,凹坑和非凹坑的长度代表0的个数,利用这种方法比直接用凹坑来代表原始二进制制数据的“0”和“1”更有效(容易被判别),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。

音频的PCM数据是不能直接记录在CD表面的,也许细心的网友已经发现,CD的这种记录方式是无法表现连续的1的,音频数据在记录前,要经过称为EFM(Eight to Fourteen Modulation)的编码,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。其实大家所熟悉的硬盘、数字磁带、数字电话等都使用了不同算法的通道编码技术。具体的EFM编码方法是很专业的领域,一般可简单认为EFM编码是把数据中连续的1分隔开来,比如:00000110 经过EFM编码后就成为 00010000100000

也许有人会叫,这不是反而使数据多起来了吗!原来8位的数字变成14位了!是的,为了减少CD的误码率,这是最好的方法,不仅如此,关键是CD中还采用了一种称为CIRC(Cross-Interleaved Reed-Solomon Code)的错误检测纠正编码技术,这个编码详细算法是研究生的课程,下面的贴图供参考,我们这里不作要求,呵呵!CD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,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。

简单说CIRC就是把数据打散写到光盘上,并附上纠错码,这样哪怕盘面上有连续错误,但解码以后连续的错误就被分散开来了,这样就更容易被纠错,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。

CD的音频信号的采样率为44.1kHz,而每次采样有两个16比特的数据,一个来自左声道,一个来自右声道,也就是有32比特数据,占4个字节。

为了纠正可能出现的错误,音频数据每6次采样共24个字节数据构成1帧,称为F1帧(F1-Frame)。用一个称为C2的编码器对这24个符号产生4个Q校验码。24个声音数据加上4个Q校验码共28个字节,再用称为C1编码器对这28个字节产生4个P校验码。28个字节加上4个P校验码共32个字节构成的帧称为F2帧(F2-Frame)。F2帧加上1个字节(即1个sub-code)的子码共33个字节构成的帧称为F3帧(F3-Frame)。F3帧加上同步信号3个字节就构成完整的一帧数据,经EFM编码后为588比特。

   /----------- 1帧数据结构 -------------\
   |                                |
|名称|同步信号|控制/显示|左声道数据|Q校验码|右声道数据|P校验码|
|字节|3个字节|1个字节 |12个字节|4个字节|12个字节|4个字节|
|位 |24位 |8位   |96位  |32位 |96位  |32位 |
|EFM |27位 |17位  |204位 |68位 |204位 |68位 |
   |                                |
   \____________588BIT______________/

说到这里,也许有人还不明白CD怎么能纠错呢?呵呵!前面已经解释过了,这一帧24字节的声音数据,并非按顺序写在光盘上的,而是离散分布在连续的109个帧当中,这样当物理上连续错误产生的时候,逻辑上是分散的,可以由P、Q校验码作同位检查和计算确保数据的正确性。理论上,CIRC能纠正在2.2mm光道上连续存放的448个错误字节! 相当于连续224个汉字错误可以得到纠正。不要问我这些数据怎么来的,因为这是CD规范上写明白的。这是不知有多少科学家和工程技术人员奋斗终生的成果。

看上去其实CD上面保存的真正有用数据只占到整个数据量的三成,够浪费的,呵呵!但是这样把CD的数据误码率从原始盘面的10^-4降低到了10^-9以下,大家可以算一下一张正常的CD究竟有几个误码,而CD-ROM规范则是在CD的基础上加入更多的错误校验码—RCPC码,使误码率下降到10^-12以下。

好了!说了半天数字头都大了,下面聊点轻松的,谈谈CD的一些小秘密,在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(Laser Vision)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Compact Disc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(Red Book)标准”。这种盘又称为数字激光唱盘(Compact Disc-Digital Audio,CD-DA)盘。从此掀起了一场音频世界的数字革命,CD几乎打败了所有对手,牢牢占据了音频媒体的头把交椅,关于CD还有许多有趣的传说,比如CD的74分钟时间是怎么来的,据说原来philips最初的长度的60分钟,后来和Sony公司共同商讨CD标准的时候,sony的大贺典雄(指挥家,Sony总裁)坚持要把时间扩展为70分钟以上,理由是贝多芬的第九交响曲在68分钟左右,一张CD要能放下整部曲子而不被打断。还有据说大贺典雄和卡拉扬交情不错,CD试制的时候,样片请卡拉扬听,结果被卡拉扬大加赞扬,后来为CD的推广也说了不少好话。

好了!关于CD其实怎么也说不完,大家补充。

附图:CIRC编码



**原创,转载请事先联系:lxcwq@163.com
**本文资料来源:《IEC908》、清华大学林福宗教授《多媒体技术基础与应用》
发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
六块钱一本。
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
把螺旋测微器老兄的帖子加精华啊,另外那楼上捣乱的小鸡鸡给剪掉,以免良家妇女遭殃
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 楼主| 发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
以下是引用peng7788在2002-10-11 17:16:00的发言:
六块钱一本。


你也买了?啥时候的事情,也不吭一声
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
正在研究,希望能在1个月之内吃透,哈哈

看来你是把书啃烂了的,^_^

数字电路确实是通过变化感知的。
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
螺旋是老学究,其话可以拿来研究研究的
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
以下是引用螺旋测微器在2002-10-11 17:24:00的发言:
你也买了?啥时候的事情,也不吭一声


吭~~~~~~~
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匿名  发表于 2002-10-11 00:00
怎么让我赶上了......
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
螺旋兄的科普讲座非常好,深入浅出,消除了很多误解,俺现在明白了60%了。
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
俺可是倒退了20%。:)
问题是,如果CD发现读取的数据有错误,是立刻按照上面的编码方案进行“纠正”,还是回去再读一次?或者重新读几次后再进行“纠错”?
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
哪儿有标准CD测试碟?


[此贴子已经被作者于2002-10-11 20:53:18编辑过]
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
千分尺啊,问你个问题咯,我看见有的电脑声卡上带了光纤和同轴输出端子,那么这个光纤和同轴是输出所有声音信号的数字方式,(就是在电脑音响里能听到的所有的声音)还是有选择的来输出呢??比如说电脑播放MP3时她就没有信号输出呢?
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
千分尺vs螺旋测微器
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
游标测微器、螺旋卡尺、波段水平仪......
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
以下是引用peng7788在2002-10-11 20:53:00的发言:
千分尺啊,问你个问题咯,我看见有的电脑声卡上带了光纤和同轴输出端子,那么这个光纤和同轴是输出所有声音信号的数字方式,(就是在电脑音响里能听到的所有的声音)还是有选择的来输出呢??比如说电脑播放MP3时她就没有信号输出呢?

我帮朋友录过MP3到MD上,MP3的数据还是要转化成WAV波形文件在播放的,那光纤输出的就是44.1KHz的PCM数据流,游戏的音乐没试过
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发表于 2002-10-11 00:00 | 显示全部楼层
另一头如果不是光纤,就只有模拟信号工作了,我在CD随身听上试过。
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 楼主| 发表于 2002-10-12 00:00 | 显示全部楼层
以下是引用无心睡眠在2002-10-11 20:22:00的发言:
俺可是倒退了20%。:)
问题是,如果CD发现读取的数据有错误,是立刻按照上面的编码方案进行“纠正”,还是回去再读一次?或者重新读几次后再进行“纠错”?


这个是由激光唱机的设计来决定的,理论上应该可以设计成重复读取,只要有足够大的缓冲内存,但是好象所有的激光唱机都是设计成单倍速工作,这样就不太可能重复读取的。

CIRC的纠错解码方式决定CD唱机至少是把一批数据读到内部缓存,再通过CPU运算进行纠错的,所以CD娼妓里面至少要有一块小的RAM,呵呵。

另外,我做了个测试碟初步试验了一下,高速重复读取的思路有点小问题,主要是光驱在高速情况下读盘能力是大大下降了,看来从读盘能力来讲,单倍速是理想的,而且对正常CD来说,误码率之低其实可以忽略。
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 楼主| 发表于 2002-10-12 00:00 | 显示全部楼层
以下是引用甩袖汤在2002-10-11 20:53:00的发言:
哪儿有标准CD测试碟?


测猫眼?不知道。。。。
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发表于 2002-10-12 00:00 | 显示全部楼层
以下是引用螺旋测微器在2002-10-12 0:26:00的发言:

另外,我做了个测试碟初步试验了一下,高速重复读取的思路有点小问题,主要是光驱在高速情况下读盘能力是大大下降了,看来从读盘能力来讲,单倍速是理想的,而且对正常CD来说,误码率之低其实可以忽略。


我就知道这个结果的,光驱都给我玩没劲了,老不坏,恨死它们了,我准备向你的领域进军!
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发表于 2002-10-12 00:00 | 显示全部楼层
以下是引用螺旋测微器在2002-10-12 0:29:00的发言:
[quote]以下是引用甩袖汤在2002-10-1120:53:00的发言:
哪儿有标准CD测试碟?


测猫眼?不知道。。。。
[/quote]

我也不知道内容。很早前看到那个杂志社有卖。无线电杂志社有音响产品主观评价用碟,100元,不知什么内容。
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