刻录光盘的结构及原理

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1、刻录光盘的结构及原理 市面上销售的计算机软件光盘或 CD、VCD 等各种格式光盘是压制的 CD-ROM 光盘 （Compact Disc-Read Only Memory） ，刻录机所使用的刻录盘是 CD-R 盘和 CD-RW 盘。 压制盘与刻录盘的制造方式不同，盘片结构略有差异，但数据存储原理是一样的。在着手 刻录光盘之前，我们需要了解不同格式的光盘需要遵循相应的标准，同时还需要了解光盘 有着不同的文件系统和不同的刻录方式以及 CD-R 和 CD-RW 有着本质的区别等知识。 一、盘片结构与信息记录原理 刻录盘片是由透明聚碳酸脂材料盘基和多层涂敷层构成，其中，染料层在激光的烧蚀作用 下记录了

2、数据信息。二进制的“0”和“1”是计算机记录信息的根本，光盘记录信息也不例外， 但不经过“调制编码”技术的处理，简单的“0”和“1”是不能正确记录数据的。下面以 CD-R 盘为例简单介绍盘片的结构和信息记录原理。 1.盘片物理结构 把印有图案、标签那面向上时，最下面的是聚碳酸脂盘基，盘基的上面有几个涂敷层，从 上至下的主要作用依次为： (1) 表面印刷层：就是印有文字图案的一面。 (2) 保护层：起到保护反射层的作用。 (3) 反射层：喷镀的金属膜，读取数据时用来反射激光。 刻录盘轴向剖面局部放大图 (4) 有机染料层：由不同的有机染料构成数据记录层，刻录时，激光就是在这一层进行烧 蚀。 (5

3、) 盘基：是透明聚碳酸脂材料。 和软、硬盘轨迹不同的是，光盘是一条由内圈向外圈的螺旋状轨迹而不是若干同心圆轨迹， 在轨迹对应的染料层上有一些特定宽度和深度而长短不一的所谓“凹坑”，这些“凹坑”是在 刻录过程中由刻录机的激光头将激光束聚焦并按照数据要求烧蚀出来的，这一层也就构成 了数据记录层。在 CD-ROM 盘上，是由压模制造出来的，而刻录盘是激光对染料层进行 烧蚀的。刻录盘的螺旋状轨迹是在 “凹坑” 盘片制造中形成的，称之为预刻沟槽，数据就是沿着沟槽进行刻录的。 2.信息记录的物理原理 由于光盘存在凹坑和非凹坑、烧蚀和没烧蚀部分，因此，当我们使用光盘读取数据时，激 光头就会得到不同的激光反射

4、率，由此而获得不同的信号。但光盘记录“0”或“1”的信息并 非是简单的以凹坑或非凹坑、烧0 和 1 信息记录原理 蚀与未烧蚀、可否反射激光来表示的，而是由凹坑的长度或非凹坑平面的长度（在一定范 围内）表示若干个“0”，由凹坑部分的边缘来表示“1”。也就是说，有没有反射光都代表若 干个“0”，而“1”是由激光的反射和不反射之间的信号跳变状态来表示的。 CD-RW 盘片与 CD-R 盘有所不同，CD-RW 盘片没有反射层，是通过相变结晶材料的非 结晶和固定结晶两种状态来记录信号的。 3.信息记录的逻辑原理 二进制的“0”和“1”是计算机记录信息的根本，这是因为在一个介质上如果记录只有“0”和“1”

5、 的“数字信号”要比记录多变的“模拟信号”容易得多。但是，在很多应用场合中，如果不加 以变换处理（即编码、解码）则难以直接使用。例如硬盘，假设简单地把有信号或没有信 号直接用“1”或“0”来表示就会出现问题。光盘同样如此。在写入数据时，当连续出现多个 “1”和“0”时，将会使激光束的发射处于频繁开通、关闭状态，以至凹坑的长度变得很短，这将使光盘的制造工艺变得复杂甚至难以实现。在读取数据时，很短的凹坑对于信号的识 别来说会产生不稳定的数据，频繁出现的“1”会引起伺服电路工作不稳定，频繁出现的“0” 会因为较长时间没有“1”的出现导致解码电路的压控振荡器光盘的 8 到 14 比特调制编码工作不稳

6、定，同时，长距离的凹坑或平面也会影响读取设备的跟踪能力。因此，为了正确记录并再 现数据，光盘采用了“8 到 14 比特调制编码”技术对源数据做通道编码（EFM 调制）处理。简单解释“8 到 14 比特调制编码”的原理就是将一个 8bit 的数据转换为 14bit 来表示。具体 讲，一个字节是 8 位，一个 8 位二进制的数应该表示 28=256 个代码。在这 256 个代码中， 由于上述种种原因造成两类代码不能直接使用，一类是现有的 CD 技术不允许连续记录两 个或更多个“1”，另一类是连续记录“0”的数量只能是 210 个。因此，一个 8 位的 256 个 代码中包含了上述两类不可以直接使用

7、的非法代码，换言之，8 位的合法代码数量不足 256 个。让我们再来看看 14 位二进制的数，一个 14 位二进制的数可以表示为 214=16384 个代 码，虽然其中也包括上述那些非法代码，但如果在 14 位的 16384 个代码中剔除这两类非法 代码，便可以得到 256 个合法代码，将其与 8 位二进制的 256 个代码建立一个精确对应关 系的“检查表”，并存放在驱动器的 ROM 中供编解码使用，这样就可以达到正确表示 8 位 的 256 个代码的目的。另外，为避免在码间产生非法码（比如上一码的结束和下一码的开 始都是“1”） ，又在码间增加三位“耦合位”（解码时再将其过滤掉） ，最终，8

8、 位数据编码为 17 位的代码。就是这样，我们才可以将数据正确地写入光盘，并顺利地读出并使用之。 我们再举个通俗点的例子就容易理解了，假设把十进制的 0 到 9 十个数字分配给十个人作 为代号，但由于有两个人认为 4 和 7 是不吉祥数字而拒不接受（4 和 7 是非法代码不能使 用） ，因此，在这里采用十进制显然不敷使用。如果采用十二进制的 00 到 0B 这 12 个数字 作为代号，并且去掉 04 和 07 不用，把剩下的十个合法代码与十进制 0 到 9 建立一个对应 关系后，再分配给那十个人就没有问题了。 二、光盘的标准与格式 我们常用的有数据光盘、VCD 视频光盘以及 CD 音乐光盘等不

9、同类型。如果是从市面上买 来的压制光盘，各种盘片从外表上看不出任何区别，如果是刻录所用空白光盘，同样的盘片可以刻录出不同类型的光盘。尽管不同数据类型光盘的结构与信息记录的基本原理是一 样的，但不同类型的光盘需要遵循相应格式标准来制造，不然光盘就不能正常使用。不同 的光盘标准决定了光盘的不同类型，刻录不同类型的光盘需要在刻录软件中选择不同的刻 录格式，例如，刻录视频文件如果选择了数据光盘格式，则刻录出来的盘片就不能在 VCD 播放机中播放。 1.光盘的标准 光盘标准定义了光盘的尺寸及其物理特性、编码标准、信息存储、错误校正等方面的技术 内容，主要标准有红皮书、黄皮书、绿皮书、白皮书、蓝皮书、橙皮

10、书。每个标准定义了 不同格式的光盘，例如，通常所说的 Audio CD(Digital Audio) 音乐光盘是遵照红皮书标准 所规定的 CD-DA 格式制造或刻录的，而计算机数据光盘是遵照黄皮书标准所规定的 CD- ROM 格式制造或刻录的。 红皮书规定的 CIRC(Cross-Interleaved Reed-Solomon Code) 基本错误校正方案可以满足 CD- DA 格式的音乐 CD 光盘的要求，但数据光盘相对于 CD 音乐光盘而言，前者对于数据正 确率有着较高的要求，CIRC 不能满足其纠错需要。因此，黄皮书在红皮书标准的基础上 增加了错误检测和错误校正。 黄皮书有“Mode

11、1”和“Mode 2”两种模式，其中， “Mode 1”指定了“错误检测码”（EDC）和 “错误校正码”（ECC） ，而“Mode 2”仍然沿用了红皮书的 CIRC 错误校正方案。黄皮书这一 标准的诞生为计算机 CD-ROM 的应用打开了方便之门，可存储任何计算机数据文件。但 在实际刻录工作中我们需要注意，为了保证数据的正确性，刻录普通数据光盘时要选择 “Mode 1”。黄皮书 CD-ROM Mode 2 的规格延伸是另一种格式，CD-ROM/XA ，这是介于 黄皮书和 CD-I 之间的格式，增加了声音与资料交错编排(Interleaving) 的存贮信息方式， 允许同一张光盘混合存放数据文件

12、、音频和图像（视频）等数据，可用来制作游戏光盘、 多媒体光盘等。 随后出现的是绿皮书标准，该标准定义了 CD-I 格式的光盘，这是一种集成文字、图形、 影音、动画、照片等数据的交互式多媒体光盘，该标准涉及到硬件播放设备，可在特定音 视频消费电子产品上播放。绿皮书还定义了 CD-ROM Mode 2 下的“Form 1”和“Form 2”两 种方式， “Form 1”每扇区有 2048 字节用户数据，有 EDC 和 ECC ，可用于存储数据;每扇 区有 2324 字节的用户数据， “Form 2”无 EDC 和 ECC ，可用于存储音像资料。 白皮书定义了 VCD 光盘的格式标准，在日常刻录中应

13、用较为广泛，例如录像带转 VCD 格式光盘，动态或静态电子相册制作 VCD 格式光盘等。VCD 格式光盘是一种在 CD- ROM/XA 格式光盘上记录 CD-I 信息的方式，且只能以“Mode 2”或以 CD-DA 格式来作记 录。 橙皮书是定义 CD-MO 、CD-WO 、CD-R 、CD-RW 光盘存储设备的系统格式标准，盘 片和设备都要遵循这个标准。 蓝皮书标准定义了 CD Extra 格式光盘，该格式的第一区段为音频轨道，第二个区段为数 据轨道，在音响设备中可以播放音频，在计算机中可以播放音频或读取其后的数据文件。 对于一般刻录用户来说，不必深入掌握光盘标准技术细则，简单了解上述概念就

14、可以了， 这是因为在实际刻录工作中，我们面临的选择是光盘格式，而不是光盘标准。 2.常见的光盘格式与类型 较为常见的光盘格式有以下几种，有些是由单一标准所定义，有些属于多标准混合模式或 扩展模式。 CD-ROM：这是普遍所见的计算机数据光盘，其上存放的是各种格式的电脑数据文件。这 种格式光盘主要在第四、五、九、十章加以介绍。CD-DA：音乐 CD 格式，就是人们通常所说的 CD 唱片，其上存放的是音频格式的数据。 这种格式光盘主要在第八、十二章加以介绍。 CD-ROM/XA：这是 CD-ROM 的扩展，允许数据文件和音频、视频数据在一张光盘上共存， 也称为混合模式光盘。这种格式光盘以及其他特殊

15、格式将在第十二章加以介绍。 以上是两种基本格式与一种扩展模式，由此可派生多种模式光盘。 Video CD：就是人们通常所说的 VCD 格式影碟，是一种多轨道光盘，第一轨是数据轨道， 主要是存放视频光盘的系统文件，第二轨以后是视频轨道。第一轨也可添加用户数据文件， 制作多媒体光盘。这种格式光盘主要在第五、六、七、十二章加以介绍。 Mixed Mode CD：这是单区段多轨道混合模式光盘，在同一区段中，数据轨道在前，音频 轨道在后，常用于带 CD 音轨的游戏光盘或多媒体光盘。这种格式光盘将在第十二章加以 介绍。 CD Extra：这是具有多区段的扩展模式 CD 光盘，包含第一区段音频轨道和第二区段

16、计算 机数据文件，可用于 CD 播放机或电脑一般应用于音乐多媒体光盘，市面上比较少见。这 种格式光盘也将在第十二章加以介绍。 其他还有一些并不常见的格式类型就不一一介绍了。 3.用于刻录光盘的文件格式 CD-ROM 格式光盘存储的是各类计算机文件，浏览、使用其中的文件与浏览、使用硬盘上 的文件是完全相同的，但其他格式光盘可能有所不同。例如，虽然 CD-DA 格式的音乐光 盘存储了数百兆字节、几十分钟长度的音频数据，但浏览光盘却只是 Track01.cda 、Track02.cda 等 1kB 大小的快捷方式文件名。我们在刻录 CD 音乐光盘时也会发现，若 干个几十兆字节的 WAV 文件在刻录后将变成 1kB 大小的 Trackxx.cda，这是因为 CD-DA 格式音乐光盘中的 Trackxx.cda 不是实实在在的存储音频数据的文件，原来的 WAV 文件 中的音频数据将转换为音频轨道（简称音轨）存储在光盘中，当我们播放时，音频数据就 从这些音轨中读取。一般情况下，音轨是不可见的，这一点与数据光盘截然不同。如果我 们把 WAV 文件按照 CD-ROM 格式刻录时，