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《微影碟技术-Video-CD》pdf

发布时间:2019-07-07 06:15 来源:未知 编辑:admin

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  微影碟技术一VideoCD 谭 悦 石建明 杨 骏 编 东南大学 出版社 内 容 简 介 微影碟机(VideoCD)是一种数字激光影碟系统,它不仅具有LD影碟机的所有功能, 且画面清晰度高,音域调整范围大,音质与CD唱片相同,能使普通小型扬声器产生惊人 音响和超重低音、环绕立休声。它采用图像数字压缩技术(MPEG),使与普通CD一样大 小的影碟既能保留原声重现效果,又能播放出70分钟以上高品质全屏动态影像,且价格 较低,是一般家庭买得起也用得起的高档娱乐设备。 本书主要以韩国三星电子株式会社的一代VCD产品为例系统地介绍微影碟(Video CD)技米。全书共分6章,一个附录。 本书不仅对从事CD及VCD技术、信息工程、光盘系统工作的工程技术人员有所稗 益,而且对有关专业的大专院校师生、微影碟机生产厂家和用户、无线电爱好者也具有一 定的参考价值。 微影碟技术— VideoCD 谭 悦 石建明 杨 骏 编 东南大学出版社出版发行 (南京四牌楼2号 邮编210018) 江苏省新华书店经销 南京邮电学院印刷厂印刷 关 开本787X1092毫米1/16 印张 16.125 字数382千 1996年5月第1版 1996年5月第 1次印刷 印数:i一6000册 ISBN 7一81050一138一0/TN ·15 定价:19.50元 (凡因印装质童问题,可直接向承印厂调换) 、 ...曰 . . 曰 前 七二二 微影碟机在国际上自90年代初被研制出来后,由于它弥补了激光唱机(CD)只有音 乐没有图像的缺陷,且具有音像清晰、操作简单、成本低廉、碟片制作容易、能与电脑多媒 体联用、配上功率放大器即可成为“家庭影院”等诸多优点,因此它立即受到世界各大电子 厂商的垂青,如韩国三星、日本索尼等公司相继推出自已的VCD产品。国内的无线电厂 家也纷纷看好这一市场,正积极准备参与开发此项产品。1995年,北京、南京等地已多次 举办VCD产品演示会。据报道,我国电子工业 “九五”期间将大力发展的新一代数字技术 八大音像产品中,就有激光视盘机和数字影碟机。国内目前已有数十家生产厂家正在或准 备上马该产品。可以确信,微影碟机将会取代家用录像机而大规模地进入普通百姓家庭, 一种廉价的 “家庭影院”的蓬勃兴起,已为时不远。 在这样的背景下,作者编著了《微影碟技术— VideoCD》一书,全面系统地介绍这 一世界最新科技成果,既有深入浅出的理论分析,也有通俗易懂的实用知识的阐述。相信 影碟机的设计生产者、管理人员以及用户读了本书后,定会有所裨益。 在本书的编著过程中,东南大学微电子中心、韩国三星电子株式会社半导体部门上海 办事处、先锋电子产品公司南京办事处等单位的各位老师、主管人员及工程技术人员均对 作者给予了极大的帮助并提出了宝贵的意见和建议,作者的亲属及好友在编写过程中也 给予了生活和精神上的关心和支持。值此出版之际,向他们致以衷心的感谢! 作者于1996年3月 目 录 I绪言 ·····························································································…… 1 1.1光盘存储技术 ···········································································…… 1 1.2CD技术发展概况 ·············、·······················································……7 1.3VideoDisc与VideoCD ················································.·······.·.……。9 2VideoCD技术 ··············································································…… 11 2.1数字音响技术,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,·,,,,,,,,,,,,,,,,口·,,,,·,,,··,,·,,,,“..·········…·… 儿 2.2CD制数字音频唱片系统 ····························································……11 2.2.1PCM调制方式 ····················································································”·…12 2.2.2 数字音频唱片的进展 ······················································一· ,·········“····“……13 2.2.3CD制数字音频唱片 ························,··························“···········“············……14 2.2.4CD制数字音频唱片系统原理 ························,······································二‘,二18 2.2.5CD制数字音频唱机技术流派 ·····································”·············.·..……。..·……34 2.3VideoCD系统 ·········································································一 35 2.3.1 系统概况 ·····························································································…… 35 2.3.2系统原理及标准 ··························································“··········”·“·········一· 37 2.3.3 纠错方式 ·····························································································…… 56 3MPEG-1标准及其应用 ············,·····················································……64 3.1数据压缩与MPEG-l·64 3.1.1数据压缩技术 ············-·,···········································”·············“············……64 3.1.2.MPEG标准的诞生与概况············。············“··································.··········……71 3.2MPEG-1压缩标准 ························,··························,····.·.·······……73 3.2.1MPEG流结构·····,·······,································································”······……73 3.2.2帧间画面编码 ···························一· ,··········································.····。·····……75 3.2.3 帧内画面(变换)编码 ·······,···························································”·········……77 3.2.4 同步 ···········…… ‘···········,·······……,············……,····。····。········”·”·············…… 77 3.2.5音频压缩标准 ··········……,····································································“·“…78 3.3MPEG-1的应用MPEG系统译码器CL480 ······························……83 3.3.1CL48。简介 ··········································································,……,·······……83 3.3.2CL48。的主要特点和应用········,·······························,·,·················.····…·…,…84 3.3.3硬件,r·······“·······················,·············································…·…”、··,·····,“…86 3.3.4 软件 ····················································”······································。···…… 136 3.3.5CL48。设计指南 ··································,······················。····……。···········……143 4 VideoCD成品机 ····························,···············································一· 144 4.1系统构成及特性 ·················、·············,·························.·.·.·····..。.·… 144 4.1.1 方框图 ··························································”··················”·.··。········…… 144 4.1.2 电学特性 ··························································································…… 144 4.1.3 系统特性 ··························································································…… 145 4.1.4 内部调整 ··········································…… “·’““····…… ‘·······················…… 146 4.1.5 内部连线和讯号连接 ····················································…… 147 4.2 部件 ····················································································…… 149 4.2.1 硬件组成 ··························································································…… 149 4.2.2 单片机特性 ·······················································································……154 4.2.3 MPEG-1主件 ····················································································…… 161 4.2.4 现场可编程门阵列(FPGA)161 4.2.5 微处理单元(MPU)164 4.2.6 CD-ROM译码器 ·········································································...…… 164 4.2.7 RGB编码器 ·······················································································…… 165 4.2.8 CDP大规模集成电路 ·······························,·······················…… 166 4.3 功能 ····················································································…… 166 4.3. VCD单片机功能概况 166 4.3.2 VCD机功能 ·····…… 170 5 故障处理 171 VideoCD机故障特点 171 5.1.1视频图像故障 172 5.1.2音频故障 172 5.1.3伺眼控制部分故障 173 5.1.4机械部分故障 175 5.1.5 信号处理系统故障 176 5.1.6 电源部分故障 ···················································……“·················..·.·…… 176 5.2VideoCD机主要部分的清洁和调整···············……177 5.2.1 光学头的清洁 177 5.2.2 机内部件的清洁和润滑 178 5.2.3 检测调整 178 5.3 故障处理 184 5.3.1维修仪器及工具 184 5.3.2 选购及使用常识 185 5.3.3 维修方法及注意事项 190 5.3.4 维修前的检查 191 5.3.5 简单故障处理方法 192 5.3.6 故障处理流程图 201 6 挑战与展望 208 6.1视听技术 208 6.1.1音响革命 208 6.1.2视颇技术革命 210 6.2MPEG-2标准及其应用 214 6.2.1 视频体系 215 II 6.2.2 分级编码 ··························································································…… 216 6.2.3 音频编码 ··························································································…… 216 6.2.4 应用 ································································································…… 217 6.3 光盘存储技术 ········································································…… 218 6.3.1可擦重写光盘存储系统 ·······························································,··.·……218 6.3.2 新型光存储材料 ·················································································……221 6.3.3VideoCD光盘 .·:227 6.4 VCD市场 ··············································································…… 230 6.4.1 推广策略 ·230 6.4.2 市场预测 ·················································································“·········一 230 6.5 结束语 ················································……,·························…… 230 附录 1三星CD-ROM译码器方框图 ········································。·······“···…·…232 2 三星CD-DA印刷电路板图 ·························································……233 3 三星VCD样机印刷电路板图 ······················································…… 234 4 三星VCD样机载片盘 ·······························································……235 5三星VCD驱动单元 ····························································“····……236 6 三星CDG框图 ············。···························································…… 237 7三星第一代CDP框图··························。········,······························……237 8三星第二代CDP框图·······················。··········································……238 9三星第三代CDP框图··································································……238 10三洋VCD播放控制 ·································································.……239 11三洋VCD机功能 ········。····························································……240 12 三洋VCK33D1主电路清单 ·························································…… 241 13 三洋VCK33D1液晶显示器 ························································…·… 242 14 三洋VCK33D1OSD ·························································.·……,… 243 15三洋VCK33D1PWB ·······························································……244 16 三洋VCK33D1方框图 ·······························································…… 245 17 三洋VCK33D1走线图 ·······,·······················································…… 246 18 三洋VCK33D1遥控器 ·······························································…… 247 19万燕遥控器示意图·····································································……248 208一14转换表 ·…·…..:···························································.·...……249 参考文献 ··························································································…… 250 i 4忿_ 1 -- /ZI 当人类即将进入21世纪时,视听器材新技术的高速发展,将现代家用电器带入了一 个崭新的天地。自从50年代以磁记录为基础的录像机面世以来,视频(Video)、音频 (Audio)技术不断发展,先后出现了具有划时代意义的几项重大突破。一方面,LD(Laser Disc)或VideoDisc影碟的发明,被列为80年代世界电子科技十大开发项目之一[[I];另一 方面,CD制(CompactDisc)唱片的诞生,更为数字音响技术革命的爆发起了推波助澜的 作用。但是,CD唱片的不可视性以及激光影碟机和影碟价格的昂贵都成为其推广至普通 家庭的重大障碍。 90年代初,韩国三星电子株式会社 (SAMSUNG)、日本三洋公司、松下电器公司等 相继开发并推出新一代高技术视听器材— VideoCD,即数字激光微影碟系统。该系统 不仅具有LD影碟机的所有功能,画面清晰度高,音域调整范围大于LD影碟机,音质与 CD唱片相同,能使普通小型扬声器产生惊人音响和超重低音、环绕立体声,而且以采用 图象数字压缩技术为突破,使与普通CD一样大小的影碟既能保留原声重现效果,又能播 放出70分钟以上的高品质全屏动态影像,且价格较低,使这种数字激光影碟机真正成为 一般家庭买得起也用得起的高档娱乐设备。 本章将从VideoCD技术的基石— 光盘存储技术讲起,沿着CD技术的发展过程, 逐步向读者介绍VideoDis。和VideoCD的概况。 1.1 光盘存储技术E21 光盘存储技术是70年代发展起来的一门新型信息存储技术。至80年代,激光电视、 CD制音频唱片和唱机已形成工业化的大量生产,同时也开发出连接电子计算机应用的 只读式 (ReadOnlyMemory,ROM)和一次写入多次读出式 (WriteOnceandRead Many,WORM)数字光盘(OpticalDigitalDataDisk,OD)和光盘驱动器。80年代中 期,上述数字光盘和驱动器已联成系统,作为办公室自动化的主要设备,作文件、档案和资 料的海量存储和检索。与磁盘相比,当时的数字光盘虽然还不能擦洗,但是数据容量等方 面的性能已经远远超过磁盘。而可擦重写光盘也已进入实验室的研制阶段,成为当今世界 各先进国家研究、开发的重点。 数字光盘存储技术是涉及材料科学、光学和光电子学、精密机械、计算机控制和测试 技术等领域的高技术。简单地说,光盘存储技术是用具有很高相干性和单色性的激光束会 聚到光衍射极限的斑点上(一般在15m以下)。在这个微光斑区使某种存储介质产生物理 或化学变化,从而使该微区的某种光学性质(如折射率、反射率等)与四周介质有较大反衬 度。要存储的信息、模拟量或数字量用调制激光束载入(写入过程)。而用另一束激光来检 测光信号,经过解调取出信息(读出过程)。显而易见,与磁存储技术相比,光存储具有以下 优点: (1)存储密度高。光盘的道密度为600-1000道/mm,比磁盘高几十倍,因此一张直 径为120mm的光盘能存储1000MB(兆字节),为目前硬磁盘的几十倍,软磁盘的几百倍。 (2)存储寿命长。只要光盘存储介质稳定,寿命一般在10年以上,而磁存储的信息 一般只能保存2-3年。 (3)非接触式读写信息。光盘机中光学头与光盘间距约有1~2mm,光学头不会磨损 和划伤盘面,因此光盘可自由更换。而高密度的磁盘机,由于磁头飞行高度仅为几微米的 限制,工作中较难更换磁盘。 (4)信息的载噪比(CNR)高。载噪比为载波电平与噪声电平之比,以分贝((dB)表示。 光盘载噪比均能做到50dB以上,且多次读写后不降低。因此,光盘多次读出的音质和图 像清晰度是磁带和磁盘所无法比拟的。 (5)信息位价格低。鉴于光盘的存储密度高,而只读式光盘(如CD或LD碟片)可大 量复制,它的信息位价格比磁记录低几十倍。 光盘存储技术目前还存在一些不足之处,如光盘机(光盘驱动器)比磁带机或磁盘驱 动器要复杂一些,因此目前价格还较贵一些等。另外,光盘机的信息或数据的传输速率目 前比磁带机高,但低于磁盘机,平均数据存取时间在50^-100ms之间。 数字光盘存储技术已进入商品阶段的有三类: (1)只读存储(ROM), (2)一次写入存储 (WORM或叫DRAW,DirectReadAfterWrite); (3)可擦重写存储 (Erasable-DRAW,EDAW) 一次写入光盘存储系统是用于数据需要经常检查跟踪的场合,主要用来取代纸张和 缩微胶片进行文件密集记录,如文件存档、图文处理、彩色印刷和计算机辅助工作站等。其 规格分为直径为508mm,356mm,203mm和120mm。一张120mmWORM可以存储400 ~600MB的信息,而且容量还在不断扩展。一次写入光盘都是利用聚焦激光在介质上产 生不可逆的物理和化学变化写入信息,如在低熔点蹄(Te)合金上烧出孔穴或用有机材料 气化后起泡,或因热引起材料的相变。为增加记录点与周围介质的反射率差异,一般采用 多层结构,如图1.1所示。正衬底上增加一层金属铝膜,其作用是增强空穴的反射率,另一 方面使铝层反射光与介质表面反射相干起增透消反作用(图1.1(a))。也可用隔热层,防 止铝层的热扩散(图1.1(b))。有些光盘介质本身的折射率很高(如Te合金),因此,为了 减少表面反射率,在介质层上加一层低折射率的电介质层(如Si0:等)而起增透作用,同 时也起到了保护膜的作用(图1.1(c)), 一次写入光盘由于是数字存取,盘基必须有预刻槽和制式才能跟踪伺服和读写数据。 带预刻槽和制式盘基的制作方法与CD-ROM的母盘制造技术和复制技术相似(将在第 2.3节中详细介绍),但刻录预刻槽和制式的要求精度更高。高性能光盘盘基使用的是无 机玻璃,其目的是为了保证光盘的光、热稳定性和精密度。 图1.2示出了WORM光盘驱动器的结构,它也代表了诸如CD-ROM(CD制数字音 频唱机、LD激光影碟机和本书将重点介绍的VideoCD数字激光微影碟机)等其它光盘 机的主要构造。 2 ‘ U n U . 口 山 图1.1一次写入光盘结构 ca)有反射层;ch)有反射层和隔热层;(。)有反射层和保护层 1.衬底;2.反射层(Al膜);3.吸收介质膜;4.隔热层膜;5.保护层膜 光盘(1)由主轴电机(2)驱动,并用电机伺服(3)稳速和稳定转动。半导体激光器(4) 的激光经准直透镜(5)和分束棱镜(6)后,由反射镜(7)将一束激光经聚焦透镜((S)会聚在 光盘存储介质表面上。半导体激光器的电源控制器(9)可根据记录信号调制激光脉冲和从 输出功率探测器(10)的信号来稳定激光功率。从光盘表面反射的探测激光沿原光路折回 到探测器(11),电信号经前置放大器(12)后分别进入聚焦何服(13)、循迹伺服(14)和数据 处理系统(15)。光学头和光学系统装在一小车上,由直线电机及径向伺服控制系统(16)驱 动。 光学头和光学系统详见图1.3。聚焦伺服可以有不同方法,如刀刃法、临界角法和像 散法等。循迹伺服也可采用不同方法,如远场法、三点法和光摆动法等。本书第2章将会 3 图1.2一次写入光盘驱动器系统结构 1.光盘.2.主轴电机;3.电机伺服t4.半导体激光器s5.准直透镜t6.分束梭镜s7.反射镜s8.桑焦透镜; 9.半导休激光器电像控制t10.探测器;11.探测器.12.前盆放大器;13.聚焦伺服;14.循迹伺服。15.数 据处理系统;场.径向伺服控制系统 详细介绍。 综观上述各类光盘系统的发展,1990 年世界光盘总生产量为28.5万台,其中直 径为120mm的光盘占49.1%.120mm的 WORM 占33.3%,305m.m的WORM 占 16.2%,其它约占1.5%,总产值约为25 亿美元。表1.1列举的世界光盘机市场的 近况和预测都揭示了世界光盘机市场正在 健康地发展着。 光盘驱动器今后的发展是趋向多功 能,即一台驱动器可使用不同类型的光盘, 或者一张光盘具有不同的介质和功能。如 图1.3光学头示意图 先锋DE-07001光盘驱动器为磁光(MO) 1.光盘s2.物镜;3.1/4波片s4.偏光分束镜; 与一次写入(WORM)兼用,松下LF-7010 5.循迹、聚焦和信息探测器;6.准直透镜; 型是相变(PC)与WORM兼用,美国科罗 7.GaAIA。半导体激光器 拉多的光存储公司的产品为MO与WORM做在一张光盘上,三星、万燕的VideoCD影 碟机除可以使用PAL和NTSC两种制式的120mmVideoCD影碟外,还可兼容CD制唱 片、JVCDV影碟,CD-1的FMV碟片。但是,与磁存储产业相比,目前光盘产业还是比较 小的。 表1.1世界光盘机市场近况与预测 年 份 1989 1990 1991 1992 1993 1995 平均商业增长率 新发货量 千‘台) 460 883 3227 12000 71写 工厂年收入(百万美元) 442 750 2236 8000 64% 终端户年收入(百万美元) 1209 2048 6188 18000 54% 安装基础数(千台) 878 1745 6616 20000 74% 光盘存储技术正在与磁盘存储激烈竟争中前进。磁存储近年来的发展也很快。目前 日本电报电话公司生产的记录密度最高的GEMMY磁盘,其面密度达到62000b/mm, 约为磁光盘的1/10。他们还开发了50MB的大容量软磁盘。表1.2列举了目前磁盘和光 盘存储性能的比较。从中我们可以看到,光盘寿命长(光盘记录寿命大于10年,磁盘为2 年),可卸换,比特价格低(光盘为0.06美元/MB,0.27美元/帧图),这些都是磁记录所不 能比拟的。表 1.3列举了在索尼工作站News和Next计算机上用的磁带机、硬磁盘机和 磁光盘机价格的比较,光盘存储面密度大致高于硬磁盘10倍、软磁盘100倍。今后虽然两 者都会提高,但大体保持1:10的比例,而磁盘在存取时间和数据速率上的优势仍将比较 明显。这就迫使光盘存储技术必须要在这两方面赶上磁盘存储技术,也只有这样,才能作 为计算机系统中的主存储器使用。从近两年的磁光盘机的发展看,平均存取时间和数据传 输率有了长足的进步。1987年日本夏普公司第一台磁光光盘机的平均存取时间和数据速 率为183ms和2.3Mb/s;而在1990年,理光公司产品已达到61.lms和5.6Mb/s。目前实 验样机已做到10^-20ms和20^-40Mb/s。所以光盘系统的更新换代也是很快的。 表 1.2 光盘和磁盘的性能比较 项 目 磁 盘 光 盘 表1.3 可擦记录设备价格比较(美元) 型 News Next 磁带机 5300(60MB) 2000(330MB) 硬盘机 8800(156MB) 4000(660MB) 磁光盘机 3200 1500 通过各种单元技术的改进和革新,光盘和磁盘存储即将在存储密度、存取时间和数据 5 传输率上不断发展。作为适用于2000年计算机外存的第三代存储器,由于届时微杉咖小 型计算机的处理速度将达到每秒100万条指令(104MIPS),半导体随机存取的内存储器 容量将达到1Gb(6.45cmz面积,由64Mb或256Mb芯片组成),故外主存储器必须达到 lOGb,数据速率为100Mb/s。这些参数大概是目前水平的十多倍。表 1.4为磁盘和光盘 存储的预测技术数据。 表1.4 2000年光盘和磁盘存储技术的比较 性 能 { 磁 盘 } 光 盘 盘尺寸和数目 直径为88.9mmX8 直径为88.9mmX1 数据速率(Mb/s) 100 100 每通道数据速率(Mb/s) 6 6 磁头和光头数 目 1个磁头/面 1个光头/面 8通道/光头 位密度(b/mm) 4921 4547 道密度(道/mm) 276 2500 转速(r/min) 5000 5000 存储量(Gb/面) 0.7 5 记录方式 区域比特方式 区域比特方式 多磁通道,各面平行读 游程长度受限调制码 短波长激光器((0.45m)列阵光 飞行高度50nm,耐磨,光滑 关键技术 头,缩小道间距,飞行光头、t 盘基,高H。、M.、沁磁头 声偏转寻址 为提高记录密度,不论光盘和磁盘都将采用“区域比特(ZoneBit)记录法”,即逐节等 线速记录。提高数据速率采用每面多个光通道和多磁头方式。磁盘机中由于密度的提高, 磁头飞行高度约为50nm,因此要求磁盘盘片光滑、有耐磨层,用空气轴承稳速等。磁头也 要求用具有高矫顽力 (He)、高磁饱和强度 (M,)和高磁导率(5s)材料。 对光盘存储技术来说,提高存储密度的途径还有光道密度加倍法,即在 “台”和 “槽”上 记录,通过采用数字信号处理的多光束光学头技术,消除道间串扰,缩小信号坑间距(从目 前的1.65m缩小至1.25m),道密度可提高25%,因此很快将有2GB(120mm)的光盘出 现。为了进一步提高光盘存储密度,需要应用短波长半导体激光器。目前0.675m的半导 体激光器已进入市场,聚焦光斑可缩至。.65m,最近IBM公司将半导体激光((0.8565m) 用KNbO,晶体倍频,光电转换效率可达 10%,输出40mW,使光盘存储密度提高4倍。 在VideoCD数字激光影碟系统中,应用非线性物理学分形理论原理产生的图像数 字压缩技术,大大提高了光盘的存储容量,使与120mm普通CD唱片一样大小的影碟既 能保留原声重现效果,又能播放出70分钟以上的高品质动态影像,成为家庭娱乐设备的 新突破。 各种光盘系统的性能、特点及用途见表1.5Cs7o 表1.5各种光盘系统的性能比较 } 光 盘 ! 共同特点 一可以用计算机控制 一非接触方式,寿命长 只能播放,不能录制的 可以录制,不能消去的 可以反复录制和消去的 光盘(LD,CD,VCD) 光盘(WORM) 光盘(MO) 软 件 可 以 单独自行录制 一软件可以反复录制与消去 且 内 容 不 会被篡改 且内容可以修改 硬 件 约 为软 件 目 前 1-3万美元 一硬件3万美元以上 软 件 质 量 约200-500美元 一软件目前约为数百美元 采 用 合 金 保持100年以上 一保存时间略低于不可消者 变 金 相 方式,用激光改 一采用光磁垂直记录方式, 用激光照射后改变磁场 CD(12cm)I ILD(30cm) VCD(12cm) 模拟式 数字式 模拟式 数字式 一数字录音 -PAL/NTSC -CRV方式 一分量视频 -CD-MO 音盘 制视盘 一质量与 记录方式 计 算 机 -CD-ROM计 -HD高清晰 Betacam 92年后商 静 止存 储 器 图 算‘机存储器 度视盘 相当 品化 -CDI/CDV 一产品丰富 一可用于电 像 系 统 等音像兼 一可作珍贵 视节 目制 用 资料保存 作和编辑 1.2 CD技术发展概况 CD技术从诞生到现在,仅仅只有25年时间,而CD技术的发展,却可谓是日新月异。 从图1.4所示的CD技术发展史[[41可以知道,在70年代初出现CD技术到1985出现CD- ROM和CD-G这段时期内,由于光盘存储技术受到磁记录设备理论成熟和应用广泛以 及集成电路技术、微机械加工技术、材料科学技术和测试技术等方面发展水平的影响,没 有出现技术发展高潮,而停滞在仅有的理论和初步成果上。 80年代中期,通信、航空航天、海洋、计算机等领域数据、文件、档案、资料的海量存储 和检索提出了超大容量存储设备的要求,而磁记录存储设备基于其原理和材料等方面的 限制已不可能胜任这些要求,又由于电子、材料、精密仗器技术的高速发展,使光盘存储技 术有可能发展到一个新阶段。在这种背景下,只读式光盘存储系统诞生了。 这种系统只能用来播放已记录在光盘中的信息[[21,不能写入。如目前市场上的视频 光盘系统、数字音响光盘系统和VideoCD系统都属于这一类。作为计算机外部设备用的 存储器,称为CD-ROM,这是一种海量存储系统。盘片一般直径为120mm,每片可存储 500~600MB(双面)的信息。多片CD-ROM系统实际上是一个大数据库。CD-ROM主要 有以下三方面的应用:一是作为数据预记录介质,它可以用来存储声音、图像数据(CD唱 片和VCD影碟)、文本和数字数据,其内容包括百科全书、手册、年度报告、建筑图纸图 7 虐 }}VCCDDVIL-DV1VCDV2,0 PHOTO 一CD D 一ROM b CD CD 一G CDV 1970 1986 1987 1988 1989 1993 1994 图1.4CD技术发展史 样、影视听节目、计算机文件等参考资料和专用信息。CD-ROM已经在这个领域获得了巨 大成功,并正在吸引越来越多的用户。美国联邦政府仅在1989年的一年间即出版发行了 400多个项目;在我国,CD-ROM也是近年来使用得最广泛的光盘产品。CD-ROM的第二 个用途是用于大公司或大企业(集团)的数据分配。越来越多的大公司已经开始采用CD- ROM来对公司内部信息诸如技术说明书、零件样本进行分配,并日益认识到其潜在的能 力。该方面的应用将有力地推动CD-ROM市场的扩大。正在出现的CD-ROM的第三个 用途是CD-ROM光盘软件。这种软件在一张光盘上可以十分密集地存储十余种广泛使 用的参考文件或应用软件,并符合现有的信息交换标准,可以很容易地从任何一种个人计 算机文字处理程序中提取或用于个人计算机中。光盘软件的出现为CD-ROM开拓了更 加广阔的应用天地。例如,QuantaPres,公司正在销售的一种称为ProgrammersROM 的基于MS-DOS系统的CD-ROM软件就包括Ada,Assembly,Modula,C,dBase,Forth, Lotus,Basic,Pascal及其它语言,同时盘片还包括Microsoft等四家著名软件公司的C编 译程序的源码。而日本先锋公司也已研制出在一张光盘上除声音和图像信号外还能记录 计算机软件的只读存储器LD-ROM,主计算机与LD-ROM用SCSI接口联接,图像送到 电视监控器,计算机数据送到主计算机监控器,两者互不相关。 随着CD-ROM用途的日益扩大,CD-ROM驱动器的技术也日益成熟,成本也随之下 降。例如 日本富士公司的Town个人计算机已用松下公司制造的CD-ROM驱动器作标 准设备,其OEM价格不到100美元。种种迹象表明,作为一种新兴的出版发行介质,CD- ROM具有巨大的应用潜力,并很有可能成为最成功的光盘产品。 与CD-ROM同时出现的视听领域的产品是CD-G。所谓CD-G,即CompactDisc- Graphic,这是一种带有静止图像的CD制唱片C[s]。它是利用CD唱片用户位中余下的6bit 记录图形控制信号,在屏幕上显示静止的图形、文字。图形呈288X192的点阵结构,因此 较为粗糙。例如在三星公司推出的卡拉OKCD-G碟片的“军港之夜”全曲过程中,屏幕上 8 只有一幅一位熟睡的海军战士的画面。 CD-G于1987年发展为CDV,即CompactDiscwithVideo。这种碟片直径与CD制 唱片相何,是一种集立体声音频信号和彩色图像于一体的碟片。在74mm直径圈之内,录 有20分钟与CD同质的数字音频信号;在78mm直径圈外,录有5分钟NTSC制彩色电 视模拟图像信号和数字音频伴音信号。CDV中的音频部分可以在普通CD唱机上播放, 而5分钟的视频部分必须用一台能兼容CD,CDV和LD的影碟机才能播放。这在当时成 为该产品的致命缺陷。 人们沿着CD-ROM的发展路径,于1988年发明了CD-I产品。CD-I(CompactDisc- Interactive)直译为“交互式CD,实际上是一种用于游戏、职业、教育及信息(文字、图片) 存储的新型多媒体系统。CD-I以当今流行的120mmCD为基础,把音响、文字、图形、影 像结合在一起,使用者可以直接参与及主动控制自己所喜爱的节目。 1989年,PHOTO-CD面市,这是一种利用CD记录图片的光盘系统,它的特点是清 晰度好、数据容量大、携带便利、兼容性好等。1993年,具有动态图像的CDI技术CDI-DV 出现了,该技术从根本上改善了CD的视频特性,将CD视频技术推进了一大步。同年,在 CD发展的主战场上,VCD(VideoCompactDisc)诞生了。VCD是根据国际标准化组织 (ISO)发布的数字影像压缩标准(MPEG),在120mm光盘上,记录70分钟以上活动画面 和立体声伴音的数字激光微影碟系统。由于其AN 信号都是利用数字方式记录的,因此 它具有数字动态影视图像和数码音响无懈可击的真正品质。VCD的出现,标志着视听技 术的一场革命,并将由此在视听领域引导最新潮流。 1.3 VideoDisc与VideoCD VideoDisc是我们通常所说的电视唱片或影碟。本节试图从视频领域向读者介绍通 常意义下的VideoDisc(影碟)和VideoCD的联系以及影碟在VCD发展过程中所起的 作用和贡献。 与音频唱片一样,影碟这种信息存储装置也采用圆盘形物体作为存储信息的介质,放 像时影碟作高速旋转。利用普通的电视机,就可以把预先记录在影碟上的视频节目呈现到 观众面前,而图像质量可以达到这台电视机的最好水平。此外,只有影碟的制造厂家才能 制作它,普通的使用者不管是在家里还是在工作单位,都不能用它来录像、录音。 下面先简要回顾一下影碟系统发展进程中的一些重大事件 〔〕‘,这将有助于理解影碟 与VCD技术的关系和正确预测其未来。 电视图像是由贝尔德于1925年在伦敦首次显示的,1927年,第一部影碟系统(蜡盘 唱片)诞生了。当时,该影碟仅仅是一种记录电视图像的方法。第二次世界大战之后,德国 的磁带录音技术传到美国,克罗斯比公司(Crosby)电子部在马林的领导下,根据磁记录技 术原理,于1951年 11月研制出第一台实用的磁带录像机。该机磁带是以254cm/s的速度 通过多磁迹磁头的。5年后,安派克斯(Ampex)公司通过哥伦比亚广播系统展示了4磁头 磁带录像机,该机装有4个录像磁头,每秒钟仅使用38cm磁带,而磁带与磁头的接触速 度(记录速度)却远远超出人们的预料,达到约3962cm/s。他们让磁头旋转,沿横向越过磁 9 带的宽度,因此得到如此之高的记录速度。1965年,n/1VR公司推出了具有静止图像和即, 时重放功能的磁带记录系统。到了1975年,德国的德律风根公司与英国的达卡公司联合 研制出一种被称为TeD(意为:电视唱片)的影碟系统,它沿袭了音频唱片的制造技术,与 普通音频唱片一样,该影碟也是由塑料压制而成,碟片上布满槽纹,槽纹内凹凸不平。当唱 针在槽纹内运动时,便可取出信号重放节目。1978年11月,北美飞利浦公司所属的Mag- navox公司展出了一种家用激光影碟系统。与此同时,MCA公司和日本先驱者公司根据 “宇宙一先驱者”合作计划,开始制造机关单位使用的影碟放像机。1979年,国际商业机器 公司(IBM)与MCA公司联合开展复制和销售影碟及生产放像机业务。从80年代开始, 影碟技术逐渐步入标准化和商业化。世界上从事影碟研制和生产的各大公司相继推出适 合商用、家用等普及型产品,影碟技术也趋向成熟。成品的影碟结构如图1.5所示。 麟 J . l { 何 尺 寸 影碟放大图 ︸ 恤 , 月 书 知 画 . 卜 、 、、令 、 几 丫 五 U 洲尸 画 十 、 ,,尹 . 引 1 , 卜 恤 — 290mm — 301.6mm/11.9in习 底材 图1.5影碟结构示意图 与其说VideoCD技术是影碟技术的扩展,还不如说是CD制唱片技术的扩展。因为 VCD盘片在结构上是完全类似于CD制唱片,如果没有数字图像压缩技术,VCD将仅是 CD唱片的简单改进。但是,无论怎样,影碟对VCD的贡献仍然是巨大的。首先,CD制唱 片是借助影碟的高密度记录技术而出现的;其次,VCD系统视频信号的传输、编译、数模 转换和输出等都借鉴了影碟技术的原有成果;第三,可擦重写的VCD技术也将以光盘 存储技术和影碟改写技术为支柱,在综合技术提高的前提下发展。 综上所述,VideoCD技术的出现,是人类利用电子技术、精密仪器技术、材料技术、微 机械加工技术等高技术成果在音频、视频领域的重大突破,其应用及发展也将对人类社会 产生重大影响。 2VideoCD技术 微影碟系统(VideoCD)是在CD唱片的基础上发展而来的,而CD唱片又是第五次 音响领域的技术革命— 数字音响技术发展的产物,因此,本章将从数字音响技术的革命 开始介绍CD制唱片,并进而引导出VideoCD技术。 2.1 数字音响技术C61 1877年爱迪生发明了留声机,这种以纵向振动方式将声音信号刻录在圆筒形“唱片” 上的技术揭开了人类音响时代的帷幕。10年后,伯利纳发明了以横向振动方式将声音信 号刻录在圆盘上的类似于今天的唱片的技术,这就是继爱迪生之后音响领域的第二次技 术革命。1925年,美国贝尔研究所的马克斯菲尔德等人以“电气灌片”方式录音,大大促进 了录音技术的进步,并最终导致了电唱机的出现。第四次技术革命开始于1948年,以美国 哥伦比亚广播系统研究所的戈德马克研制出密纹唱片为标志,随后的20多年中,密纹唱 片技术的成熟和磁带录音机的诞生(1970年,荷兰飞利浦公司)也对其后的数字音响技术 革命产生了巨大的推动作用。 1977年,市场出现了世界上第一台 “PCM-1”型能够用数字录音和重放的数字磁带 录音机,同时又有几家公司发表了数字唱机的样机,后来通过该系统的标准化、数字电路 的大规模集成化及改善唱片生产等过程,数字音响的时代到来了。 数字音响技术就是将整个音响系统中由于磁带录音机和唱机的动态范围最小而导致 的薄弱环节,用通讯中早已应用的PCM(PulseCodeModulation,脉冲编码调制)等方式 代替,从而完成音响技术的数字化改革。 与此同时,数字音频唱片(DigitalAudioDisc)也几经变迁,终于在 1980年5月确定 了索尼和飞利浦两家公司共同提出的CD制式(CompactDisc),并于1982年面市。由此, 数字技术开始进入实用领域。 2.2CD制数字音频唱片系统[[61 人们之所以把数字音响称为技术革命,主要是因为出现了数字唱片。以前的密纹唱片 (LP唱片)是直径为30cm的圆盘,单面仅能记录20-25分钟的音乐节目。而CD制数字 音频唱片的直径仅为12cm,却可重放一个多小时的节目,且音质与录音室制作的原版磁 带完全一样,动态范围为密纹唱片的10倍,失线, 利用PCM方式记录时,带宽必须为原信号带宽的30倍。尽管如此,借助视频唱片 (影碟,VideoDisc)中发展起来的高密度记录技术,人们实现了唱片的高密度化。对于激 光唱片,其轨迹间距可减少到1.65m,约为密纹唱片的1/600 11 2.2.1 PCM调制方式 PCM方式是里夫斯(A.H.Reevs)于1939年发明的,现在已广泛应用于电话传输和 宇宙通讯。在发明PCM时,尚未出现晶体管之类的小型、高性能元器件,因此未能立即用 于通讯等高技术领域。PCM ,即脉冲编码调制,它是把模拟信号转换成码并在此基础上 再转换成二值或多值数字信号的方法。由图2.1和图2.2可知,这里使用脉冲两字是因为 转换后的数字信号成为脉冲tf;式 U 门 0 1 0 1 0 1 去 输 线 、 岁 * * 一 一 一 净 人 B c 图2.1 二值码串行传输电压波形 传输线三值码串行传输电压波形 使用PCM的装置与处理模拟信号的装置相比,需要更多的高性能元器件。仅从把模 拟信号转换成数字信号的转换器来看,就必须使用几十至几百只晶体管。若再加上数字信 号的运算处理,就需要更多的元器件了。因此,PCM方式的真正研究和使用是从出现IC (IntegratedCircuit)的60年代才开始的,随着半导体技术的进步,IC又发展至 LSI (LargeScaleIntegratedCircuit),VLSI(VeryLargeScaleIC)和ULSI(UltraLargeScale IC),使PCM方式逐渐在各个方面得到广泛的应用。 调制是一种对信号的变换处理手段,在信号的传输和录放过程中,通过调制可将信号 变为适合于传输线路传输和记录媒质记录的信号。在调制方式中,除PCM外,还有广播 电台常用的AM(振幅调制),FM(频率调制),以及PM(相位调制),PWM(脉冲宽度调 制),PPM(脉冲位置调制),PAM(脉冲幅度调制),PNM(脉冲个数调制)等方式。 PCM方式是对原模拟信号先进行采样(Sampling),然后量化(Guantization,即通过 “四舍五入”的方法将模拟信号转换成一种数字信号的过程),再将其转换成离散的脉冲组 A 口 0 传输和录放信号时,最重要的是怎样才能忠实地重现出原信号,因此,就必须采用抗 干扰能力强的调制方式。另外,还必须考虑线性问题,因为传输线路和录放过程中的非线 性将直接表现为信号的波形失真。调制虽然具有减小噪声和非线性失真的效果,但是调制 后信号的频带被展宽了。表2.1是各种调制方式的特性比较情况,从中我们可以看出, PCM方式在噪声、非线性和时间轴变动等特性方面性能优异,再加上其所需频带比 PNM方式窄,因此在传输和录放信号等领域中得到广泛应用。 表2.1各种调制方式的比较 调制方式 频带 噪声改善 非线性改善 时间轴变动改善 AM 窄 无 无 无 FM 较宽 良好 优 成为振幅变化 PM 较宽 良好 优 成为振幅变化 PAM 无 无 良好 PWM 良好 优 成为振幅变化 PPM 良好 优 成为振幅变化 PNM 很宽 优 优 优 PCM 宽 优 优 优 2.2.2 数字音频唱片的进展 数字音频技术的优点很多,概括起来大致有如下几种:动态范围较宽,可高达12odB, 能适应各种现场环境记录;记录频带宽,频响特性好,记录低频下限可到几个Hz,高频上 限在20kHz以上,且整个频带内响应曲线平坦;无调制噪声和磁带噪声,几乎无抖晃失 真;数字复制在理论上可达无限次;由于只记录 “0”和 “1”两种状态,可用高度非线性磁带 记录,无须加偏磁使之线性化;声道之间无相移,立体声通道隔离度好;由于待录信号状态 简单划一,不需模拟系统中那种繁琐的参数调整;串扰抑制能力强,不会产生“渗印”现象 等。正是基于这些优点,再加上CD唱片系统的寿命较长、抗灰尘和划伤能力强及操作简 便、功能丰富等令其它音响器材无法相比的优势,数字音频唱片在世界各地取得了飞速的 进展。 1977年秋,以索尼公司为首的三个集团相继展示了应用视频唱片技术研制出来的数 字音频唱片。由于各个集团都是直接利用了视频唱片,所以使用的都是直径为30cm的圆 盘和视频唱机。三菱和 日立两个集团原封不动地采用了视频唱片的格式,重放时间为30 分钟。而索尼公司的样机可以说是现在的数字音频唱片系统的雏形,它采用了直接记录方 式和纠错码,重放时间可达60分钟。 1978年3月,激光视频唱片主要制造商飞利浦公司发表了CD制数字音频唱片的产 品设想。该唱片的直径为11.5cm,可重放1

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