漫谈激光唱片

螺旋测微器

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　－－－－－－－－－－－－－＼
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｜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　｜
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　　　＼＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿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



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**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》