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1、数字视频技术及应用数字视频技术及应用光盘基础知识光盘基础知识及及视频光盘数据信号的视频光盘数据信号的形成与处理形成与处理第三节第三节本本 节节 目目 录录一、光盘的基础知识一、光盘的基础知识1.光盘技术的发展光盘技术的发展2.光盘的分类光盘的分类3.光盘的结构光盘的结构4.光盘记录前音视频信号的处理过程光盘记录前音视频信号的处理过程二、视频光盘数据信号的形成与处理二、视频光盘数据信号的形成与处理1.音频信号的脉冲编码调制音频信号的脉冲编码调制2.数码的数码的CIRC纠错纠错3.音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.CD唱机的基本组成唱机的基本组成第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识1、光盘技术的
2、发展、光盘技术的发展1960年，世界上诞生了红宝石激光器，为激光光盘的实用年，世界上诞生了红宝石激光器，为激光光盘的实用化创造了条件。化创造了条件。1972年美国年美国RCA公司与荷兰飞利浦公司联合开发并发表了公司与荷兰飞利浦公司联合开发并发表了激光视盘（激光视盘（LD）系统，从此开创了以激光和高密度记录为）系统，从此开创了以激光和高密度记录为前提的光盘时代。前提的光盘时代。1982年推出了年推出了CD唱机，此后以唱机，此后以CD为基础的各种为基础的各种CD媒体大媒体大量涌现。量涌现。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识VCD的图像信号采用的图像信号采用MPEG-1标准，标准，120mm直径光
3、盘上记直径光盘上记录录74min的音视频节目。的音视频节目。DVD视盘机是按现代视听要求设计的一种新的光盘视听系视盘机是按现代视听要求设计的一种新的光盘视听系统，采用了统，采用了MPEG-2标准数据压缩技术，可在标准数据压缩技术，可在120mm直径直径的光盘上记录的光盘上记录135min的音视节目。的音视节目。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识2、光盘的分类、光盘的分类光盘有磁光盘与光盘之分光盘有磁光盘与光盘之分磁光盘是用光学（激光）方式在磁性介质上记录和读取信磁光盘是用光学（激光）方式在磁性介质上记录和读取信息的盘片，这是利用激光束加热盘片上的磁层，使其磁距息的盘片，这是利用激光束加热盘片
4、上的磁层，使其磁距产生翻转而达到记录、拾取、抹除信息的目的；产生翻转而达到记录、拾取、抹除信息的目的；光盘是用光学方式在非磁性介质上记录和读写信息的盘片。光盘是用光学方式在非磁性介质上记录和读写信息的盘片。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识2、光盘的分类、光盘的分类世界上第一张光盘是在世界上第一张光盘是在1971年由美国年由美国IBM公司与其他公司公司与其他公司合作研制成功的。合作研制成功的。1980年出了年出了CD标准标准1982年正式面市年正式面市1990年后在全世界流行年后在全世界流行第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识2、光盘的分类、光盘的分类1.激光视盘激光视盘LD2.音频光盘音频
5、光盘CD3.视频光盘视频光盘VCD4.中国视频光盘中国视频光盘CVD5.超级视频光盘超级视频光盘VCD(SVCD)6.数字视频光盘数字视频光盘DVD7.微型光盘微型光盘MD8.可录可抹光盘可录可抹光盘MO第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识3.光盘的结构光盘的结构CD . VCD. DVD属于激光只读光盘。属于激光只读光盘。3.1.其基本结构如下图所示：其基本结构如下图所示：3.2.代表信息的坑与岛代表信息的坑与岛3.3.坑与岛对激光的反射情况坑与岛对激光的反射情况第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识4.光盘记录前音频信号的处理光盘记录前音频信号的处理在制作光盘前，音频信号需要做一系列处理才能
6、符合激光在制作光盘前，音频信号需要做一系列处理才能符合激光系统制作的要求，其处理过程分以下五步：系统制作的要求，其处理过程分以下五步：4.1.做调制，形成音视频信号位流做调制，形成音视频信号位流调制目的是把音频模拟信号转换成二进制（调制目的是把音频模拟信号转换成二进制（.）数据流。数据流。以为例，它要记录左右声道信号，这二路信号的以为例，它要记录左右声道信号，这二路信号的码串接在一起，以左声道数据在前，右声道在后，形成码串接在一起，以左声道数据在前，右声道在后，形成一串左右声道数据交替输出的音频数据流。一串左右声道数据交替输出的音频数据流。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识码并不能作为光盘直
7、接刻录的信号，因为系统码并不能作为光盘直接刻录的信号，因为系统中激光投射在光盘上的聚焦点直径约，因此光盘上中激光投射在光盘上的聚焦点直径约，因此光盘上的凹坑长度不能小于光点直径的一半，即的凹坑长度不能小于光点直径的一半，即.，否则，否则激光无法检测出光盘上的信息。激光无法检测出光盘上的信息。考虑到激光信号的误码率。光盘上凹坑的实际长度为考虑到激光信号的误码率。光盘上凹坑的实际长度为.，宽，宽.。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识如果光盘转速每秒如果光盘转速每秒.，则读取信息的最短时，则读取信息的最短时间为间为.，这相当于刻录信号的频率不能超过，这相当于刻录信号的频率不能超过.，而系统音频数据
8、的传输速率为，而系统音频数据的传输速率为.可见，信号不能直接刻录，必须对码进行变可见，信号不能直接刻录，必须对码进行变换，以满足激光刻录的要求。换，以满足激光刻录的要求。在这里采用的是调制，即调制，就是将在这里采用的是调制，即调制，就是将码变换成码的一种变换技术。码变换成码的一种变换技术。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识4.光盘记录前音频信号的处理光盘记录前音频信号的处理4.2.应用码形成数据位流应用码形成数据位流等光盘系统中均采用的纠错等光盘系统中均采用的纠错原理来提高信息的纠错能力。原理来提高信息的纠错能力。这种交叉交织码应用信息系列的组合方法，使由于划伤、这种交叉交织码应用信息系列的
9、组合方法，使由于划伤、灰尘、污斑等引起误码率很高的随机性群误码得到很好的灰尘、污斑等引起误码率很高的随机性群误码得到很好的纠正，而对那些频繁出现但码长较短的群误码，可以由交纠正，而对那些频繁出现但码长较短的群误码，可以由交叉交织的编码来纠正，对于码长较长的群误码，则用另外叉交织的编码来纠正，对于码长较长的群误码，则用另外准备好的交织来解决。准备好的交织来解决。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识4.光盘记录前音频信号的处理光盘记录前音频信号的处理4.3.加入奇偶检验、控制及显示信息加入奇偶检验、控制及显示信息经调制后的音频数据位流，在变换后，需经调制后的音频数据位流，在变换后，需加入奇偶检测、
10、控制及显示信息，形成一个新的数据位流。加入奇偶检测、控制及显示信息，形成一个新的数据位流。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识4.光盘记录前音频信号的处理光盘记录前音频信号的处理4.4.调制，形成通道位流调制，形成通道位流经等处理后的数据位流需经调制，再加入经等处理后的数据位流需经调制，再加入同步位，即形成通道位流。同步位，即形成通道位流。调制是位了满足刻录或者拾取的要求，这一数码规调制是位了满足刻录或者拾取的要求，这一数码规则中不能有连续的二个，二个一之间最少有二个，但则中不能有连续的二个，二个一之间最少有二个，但是不能超过个。是不能超过个。第一、光盘基础知识第一、光盘基础知识4.光盘记录前
11、音频信号的处理光盘记录前音频信号的处理4.5.开启刻录机中激光束开启刻录机中激光束用此激光束将旋转着的光盘盘基表面的光刻胶刻蚀成一系用此激光束将旋转着的光盘盘基表面的光刻胶刻蚀成一系列螺旋形排列的凹凸纹迹，这些凹坑与岛（凸起）即真实列螺旋形排列的凹凸纹迹，这些凹坑与岛（凸起）即真实地记录了音视频的全部信息。地记录了音视频的全部信息。重放时，光盘信号应作相反过程的变换。重放时，光盘信号应作相反过程的变换。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理视频信号和音频信号一样，在采样量化之后的数字信号视频信号和音频信号一样，在采样量化之后的数字信号码，还不能作为刻录光盘之用。码
12、，还不能作为刻录光盘之用。这主要有三方面的原因：这主要有三方面的原因：.码需要加纠错信号和加密信号，以防止信号在传码需要加纠错信号和加密信号，以防止信号在传输处理、存储过程中受到干扰和防止盗版复制。输处理、存储过程中受到干扰和防止盗版复制。.为了满足激光对光盘正确聚焦、停留时间长短、岛坑变为了满足激光对光盘正确聚焦、停留时间长短、岛坑变换等的具体情况要求。换等的具体情况要求。.要加入同步信号、显示信号、各标记等信息，以便播放要加入同步信号、显示信号、各标记等信息，以便播放时激光能正确的拾取信息。时激光能正确的拾取信息。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理信号的形
13、成和变换，决定着光盘机的整机系统电路的结构信号的形成和变换，决定着光盘机的整机系统电路的结构与组成。电路是为信号的流通和变换服务的，信号不同，与组成。电路是为信号的流通和变换服务的，信号不同，变换不同，所用的电路与设备也就不同。变换不同，所用的电路与设备也就不同。在讨论电子设备时，了解设备处理信号的特征、形态及形在讨论电子设备时，了解设备处理信号的特征、形态及形成过程是非常有用的。成过程是非常有用的。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理1. 音频信号的脉冲编码调制音频信号的脉冲编码调制音频模拟信号转换成数字信号需经转换，即对模拟音频模拟信号转换成数字信号需经转换
14、，即对模拟信号进行采样、量化和编码处理，最后得到信号。信号进行采样、量化和编码处理，最后得到信号。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理1. 音频信号的脉冲编码调制音频信号的脉冲编码调制1.1.采样频率、数据传输速率及信号带宽采样频率、数据传输速率及信号带宽对双通道立体声而言，光盘音频信号的采样频率为对双通道立体声而言，光盘音频信号的采样频率为.，量化等级为，即每以声道的数据传，量化等级为，即每以声道的数据传输速率为输速率为两个声道的数据传输速率为两个声道的数据传输速率为.第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理1. 音频信号的脉冲编码
15、调制音频信号的脉冲编码调制由数据传输速率，可以得到信号所专用的频道宽度。由数据传输速率，可以得到信号所专用的频道宽度。每一声道信号的带宽为：每一声道信号的带宽为：（.）.两个声道信号的带宽为：两个声道信号的带宽为：（.）.第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理1. 音频信号的脉冲编码调制音频信号的脉冲编码调制1.2.时钟频率及信噪比时钟频率及信噪比左右声道信号是一前一后串行输出的，所以需要加入同步左右声道信号是一前一后串行输出的，所以需要加入同步信号，并按一定的频率传输，这个传输频率称为时钟频率。信号，并按一定的频率传输，这个传输频率称为时钟频率。时钟频率的高低与
16、采样频率及数据的量化位数有关，双声时钟频率的高低与采样频率及数据的量化位数有关，双声道立体声信号的传输速率为道立体声信号的传输速率为.，所以，所以数据流的时钟频率也应该为数据流的时钟频率也应该为.。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理1. 音频信号的脉冲编码调制音频信号的脉冲编码调制在信号量化比特取时，数字编码信号的信噪比为：在信号量化比特取时，数字编码信号的信噪比为：量化比特每增加，信号的信噪比动态范围将增量化比特每增加，信号的信噪比动态范围将增加，但是量化比特的增加，会使信号的频道宽度增加，但是量化比特的增加，会使信号的频道宽度增加，数据传输速率也大大提高，
17、成本和技术难度也会随这加，数据传输速率也大大提高，成本和技术难度也会随这增加。增加。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理2. 数码的数码的CIRC纠错纠错光盘在录制过程中，经常会产生随机误码或者数据丢失；光盘在录制过程中，经常会产生随机误码或者数据丢失；光盘在使用过程中，也会出现划伤或者破损，是数据丢失，光盘在使用过程中，也会出现划伤或者破损，是数据丢失，严重时光盘就不能正常播放。严重时光盘就不能正常播放。因此必须用一种方法对上述问题进行自动检查、校正。因此必须用一种方法对上述问题进行自动检查、校正。在在CD/VCD等光盘系统中，常采用等光盘系统中，常采用CIR
18、C方法。方法。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理2. 数码的数码的CIRC纠错纠错2.1.CIRC （交叉交织里德（交叉交织里德索罗门编码）纠错原理索罗门编码）纠错原理CIRC纠错就是讲纠错就是讲PCM字符数据按规律将其打乱、延时、分字符数据按规律将其打乱、延时、分散到各帧的预定位置上，在做其它处理后，将它刻录到光散到各帧的预定位置上，在做其它处理后，将它刻录到光盘上。播放时，解码电路做相反变换，将分散的数据在集盘上。播放时，解码电路做相反变换，将分散的数据在集中起来，还原出原理的中起来，还原出原理的PCM数据。（如下图所示）数据。（如下图所示）2.1.CIR
19、C 纠错原理图纠错原理图第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理2. 数码的数码的CIRC纠错纠错编码方法编码方法在音频信号中，通常取左右两声道个在音频信号中，通常取左右两声道个6个采样点数据做为一个采样点数据做为一帧，没点由帧，没点由A/D转换成转换成16bit二进制数据，则每帧内含有二二进制数据，则每帧内含有二进制的音频字节数为：进制的音频字节数为：2*6*16bit=24*8bit=24B在进行在进行CIRC编码前，先将同一帧内的编码前，先将同一帧内的24个音频字符经扰码个音频字符经扰码器处理，将相邻的字符按预定的规定分隔，进行有规律的器处理，将相邻的字符按预
20、定的规定分隔，进行有规律的位置变换、即交叉交织处理。并插入位置变换、即交叉交织处理。并插入8个校验符，是输入的个校验符，是输入的24个字符转化成个字符转化成32个。（如下图所示）个。（如下图所示）编码方法原理图编码方法原理图第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理3. EFM调制调制意为意为8bit数码转至数码转至14bit的调制的调制PCM码中每帧的码中每帧的24个音频字符经过个音频字符经过CITC交叉交织处理后，交叉交织处理后，附加了附加了4个个C2纠错字符，可使成群成片的误码变为分散的纠错字符，可使成群成片的误码变为分散的单个误码，在单个误码，在28个字符的基
21、础上，有附加了个字符的基础上，有附加了4个个C1纠错字纠错字符及一个表示曲目、时间、数据控制与显示的字符（符及一个表示曲目、时间、数据控制与显示的字符（C和和D），最后形成了每帧含有），最后形成了每帧含有33个字符的数码信息流个字符的数码信息流第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理3. EFM调制调制3.1EFM调制调制就是要将每个字符由就是要将每个字符由8bit转换成转换成14bit，使每帧的数据由，使每帧的数据由33*8bit=264bit增加至增加至33*14bit。做做EFM调制是为了增加记录密度，减少因光盘相邻轨迹上调制是为了增加记录密度，减少因光盘相邻
22、轨迹上光点重合而产生的码间干扰，既保证时间的准确性，又可光点重合而产生的码间干扰，既保证时间的准确性，又可以削弱音频的低频成分对放送机伺服系统正常运行的干扰。以削弱音频的低频成分对放送机伺服系统正常运行的干扰。P137第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理3. EFM调制调制3.2.插入插入3bit结合码结合码8bit数码转换成数码转换成14bitEFM码后，满足了码后，满足了“数码中不可有连数码中不可有连续两个续两个1，其间应存在，其间应存在2-10个个0”的要求，但两个的要求，但两个14bit码相码相连时，这一要求难以实现，在两组连时，这一要求难以实现，在两组
23、14bit码间插入码间插入3bit结合结合码，使整个码流符合码，使整个码流符合EFM码的规则。码的规则。也称不归零（也称不归零（NRZI）调制）调制4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.1.音频信号帧的结构示意图音频信号帧的结构示意图第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构1）帧同步信号，是做重放系统伺服机构的控制信息，这一）帧同步信号，是做重放系统伺服机构的控制信息，这一信号的丢失或受到干扰时，将会造成数据流的混乱与错误。信号的丢失或受到干扰时，将会造成数据流的混乱与错误。2）控制与显示信号，）控制与显示信号，8bit数码
24、，依次为数码，依次为P Q R S T U V W，也称子码信息。，也称子码信息。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理P通道码，携带曲目的编辑信号，用于记录乐曲起始的位置，通道码，携带曲目的编辑信号，用于记录乐曲起始的位置，采用采用P码可以迅速准确地找到乐曲的起点码可以迅速准确地找到乐曲的起点Q通道位携带了曲目的时间及控制信号，还附加纠错信号通道位携带了曲目的时间及控制信号，还附加纠错信号CIRC，可用来控制重放信息。，可用来控制重放信息。播放时，以播放时，以Q位来确定激光头的当前位置，再计算激光头到位来确定激光头的当前位置，再计算激光头到待选曲目间所需移动的音
25、轨（轨迹）数目，然后由微处理待选曲目间所需移动的音轨（轨迹）数目，然后由微处理机发出指令，指使伺服系统做滑行跟踪，直至能进行选取机发出指令，指使伺服系统做滑行跟踪，直至能进行选取读入位置读入位置。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理R S T U V W通道位，提供了图像、文字等显示信息，也称通道位，提供了图像、文字等显示信息，也称图形显示码。它表示了电视图像或线路图形及颜色种类图形显示码。它表示了电视图像或线路图形及颜色种类（共有（共有8种颜色）。每张种颜色）。每张CD光盘可容纳光盘可容纳1500-2000幅性能幅性能良好、具有多种灰度和色彩的文字与图像。良好
26、、具有多种灰度和色彩的文字与图像。第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.2.子码帧的重复频率及每帧总通道位数子码帧的重复频率及每帧总通道位数P/Q等等8个子码是以个子码是以98帧为一个重复周期，故子码帧的重复帧为一个重复周期，故子码帧的重复频率为帧频率频率为帧频率7.35KHZ除以除以98，即，即75HZ第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.3.帧频与帧周期帧频与帧周期音频模拟信号做音频模拟信号做A/D转换的采样频率通常为转换的采样频率通常为44.1K
27、HZ，每帧，每帧中含有左、右声道各中含有左、右声道各6各采样点，故帧频为各采样点，故帧频为7.35HZ帧周期为帧周期为136s第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.4.通道位的周期及通道位的时钟频率通道位的周期及通道位的时钟频率通道位为每帧最小的数据单位，上面已求得每帧的周期为通道位为每帧最小的数据单位，上面已求得每帧的周期为136s，而每帧的通道位的总数为，而每帧的通道位的总数为588bit,则通道位的周期则通道位的周期为为0.231s通道位的时钟频率为通道位的时钟频率为4.329MHZ第二、视频光盘数据信号的形成与处理
28、第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.5.数据传输速率数据传输速率已求得帧频为已求得帧频为7.35KHZ，而每帧有，而每帧有588个通道位，则数据速个通道位，则数据速率（位时钟频率）为率（位时钟频率）为4.3218Mbit/s第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.6.光盘存储容量光盘存储容量以直径以直径120min,播放时间播放时间75min的光盘为例，其存储容量的的光盘为例，其存储容量的计算式为计算式为75*60*4.3218=19.448Gbit若制成若制成CD，每声道的每隔字符为
29、（，每声道的每隔字符为（EFM调制后）调制后）17bit，则两声道的立体声信号共为则两声道的立体声信号共为34位，位，由此得，由此得，CD可存储的立体声音频信号总字节数为可存储的立体声音频信号总字节数为19.448/34572MB第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.7.光盘刻录速度与通道位的长度光盘刻录速度与通道位的长度光盘的刻录与播放速度一般取光盘的刻录与播放速度一般取1.25m/s,则根据通道位的频则根据通道位的频率或通道位的周期，可求得一个通道位在光盘上所占的长率或通道位的周期，可求得一个通道位在光盘上所占的长度，
30、度，刻录速度刻录速度/通道位频率通道位频率=0.29s故光盘上每个凹坑的最小长度应由此式决定故光盘上每个凹坑的最小长度应由此式决定第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理4. 音频数码的帧结构音频数码的帧结构4.8.位时钟与左右声道时钟位时钟与左右声道时钟位时钟信号也即位同步信号，它是为光盘重放时能正确读位时钟信号也即位同步信号，它是为光盘重放时能正确读出数据而设置的。出数据而设置的。位同步有两种含义：一是对正常状态下抖动的跟踪性能；位同步有两种含义：一是对正常状态下抖动的跟踪性能；二是当出现失落等一场现象而使信号长时间中断后重新使二是当出现失落等一场现象而使信号长
31、时间中断后重新使信号迅速进入同步状态的能力。信号迅速进入同步状态的能力。为了区别声道的类别等信息，除了设置位时钟外，还要设为了区别声道的类别等信息，除了设置位时钟外，还要设置左右声道信号利用它可以分离左右声道信号，然后分别置左右声道信号利用它可以分离左右声道信号，然后分别送往左右两声道的处理电路送往左右两声道的处理电路5. 1.CD唱机的组成唱机的组成第二、视频光盘数据信号的形成与处理第二、视频光盘数据信号的形成与处理5.2. CD唱机的任务唱机的任务CD唱机的任务是要用激光束从唱机的任务是要用激光束从CD上拾取已刻录的信息，上拾取已刻录的信息，然后对读出的信息作必要的处理与变换，最后送至左、右然后对读出的信息作必要的处理与变换，最后送至左、右两声道的扬声器发声，同时在显示屏上显示出相应的文字两声道的扬声器发声，同时在显示屏上显示出相应的文字或符号。或符号。
