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DVD影碟机的基本原理冯庆胜2008.5.18* DVD影碟机的产生与发展* DVD影碟机激光头的结构及信号读取原理* DVD影碟机的技术规格及光盘结构* DVD影碟机的组成及工作原理主要内容:采用MPEG2图像数据压缩技术的DVD n(Digital Video Disc)机被称为数字影碟机,它是为适应人们对高画质的要求而开发的。由于采用MPEG2压缩标准,其图像清晰度达500线以上。nDVD光盘存储信息量大,可刻录多角度、多情节图像,特别适合体育比赛中不同角度的观赏。n其音频输出采用杜比AC-3(5.1声道)数码环绕声或MPEG2音频。一、 DVD影碟机的产生与发展 n DVD影碟机是20世纪90年代中期开发出来的新型激光视盘播放设备,它采用了650nm短波长激光技术、高密度刻录技术、MPEG2可变码率高效编码技术,以卓越的视频性能、巨大的存储容量和出色的音质(AC-3音频系统)受到世人青睐。1 DVD的产生nMPEG2数据编码部分标准颁布后,一些生产厂商开始研制和开发基于MPEG2的高清晰度数字视盘机(DVD)。n1994年底,索尼公司和飞利浦公司公布了其多媒体MMCD(下一代高密度)数字视盘规格,并生产出样品于1995年1月的CES展览会上展出。n同时东芝、时代华纳、汤姆逊、松下、日立、先锋和MCA等7家厂商联合推出SD超密度盘的多媒体数字视盘规格。n这两种技术规格图像质量出色,但互不兼容,差异较大。经过一年的激烈争论,在众多软件公司的协调下,在1995年9月达成协议并将其命名为DVD。n该统一标准包含的专利技术主要有松下、先锋公司发明的光盘粘合技术,松下公司发明的纠错技术,飞利浦公司发明的信号调制技术。统一后的DVD标准融合了MMCD和SD中的先进技术。2 DVD的发展n随着DVD标准的统一、关键技术的成熟以及生产厂商与软件制作版权保护的进展,松下、东芝、先锋、飞利浦、三星、三洋等厂商纷纷推出各自的DVD样机与产品。n东芝公司于1996年5月在美国纽约举行的立体音响视听展览会上展示了SD-3006、 SD-1006 DVD影碟机,并于同年11月在日本上市。n松下公司于1997年推出PD2(将DVD、DVD-ROM、DVD-RAM三合一)放像机和内置DVD影碟机的电视机。n与此同时,先锋公司推出平价的和高级的LD/DVD两用播放机,索尼公司推出DVD/CD播放机。松下公司还推出了DVD-A100和DVD-A300播放机,它们均兼容CD、VCD光盘,且DVD-A300内置AC-3解码器。n随着DVD影碟机的问世,一些知名厂家与科研院校、跨国公司合作,开发、生产出DVD影碟机,如国家计委与江苏江奎集团联合开发DVD机芯,深圳先科、江苏新科电子集团公司、福建实达集团、厦门共和电子公司、TCL集团公司纷纷推出各自品牌的DVD影碟机。n1998年初,原电子工业部三所与美国依雅时公司(ESS)联合开发的DVD机研制成功。n此外,厦新、海信、长虹、步步高、万利达、宏图、旭光也相继生产出自己品牌的DVD机。我国发展:n由于DVD光盘从单面单层发展到单面双层、双面单层和双面双层,信息存储量由4.7GB扩展到17GB,使其不仅应用于家用视听娱乐设备,还越来越多应用于计算机领域,是可拆卸磁盘的理想替代物,得到了越来越多的软件制作商的支持,并取得了迅猛的发展。二 DVD影碟机的技术规格及特点nMPEG2是活动图像专家组于1994年制定的视频和音频数据压缩的技术规范和标准n其图像参数如表1所示。表1 MPEG2技术规格图像参数(隔行扫描) MPEG1图像参数电视制式PAL:625行/50场NTSC:525行/60场行频15.625kHz15.734kHz取样频率亮度:6.75MHz色度:3.75MHz每行亮度取样点432点/行429点/行色度有效区像素176像素/行 144行/帧176像素/行 120行/帧亮度有效区像素352像素/行 288行/帧352像素/行 240行/帧 像素传输速度3.8016兆像素/秒(每像素8bit)码率(每像素8bit)30.4128Mb/s码率为4Mb/s时压缩比7.6码率为1.5Mb/s时压缩 比20.281 DVD光盘nDVD光盘的规格与VCD、CD光盘一样,直径都是12cm,厚度为1.2mm(由两片粘合而成)。由于采用高密度记录方式,改进了数据压缩和解压缩技术,其存储容量很大。一张与CD光盘一样大小的DVD光盘,有4.7GB存储空间,相当于CD光盘的7倍,可以存储133min的高清晰度图像;若为双面双层,最多有17GB存储空间,可提供长达8h的节目。2 DVD激光头nDVD机是在CD机、VCD机的基础上,通过改进光盘物理结构和读取机构来提高记录密度、存储容量和传输速度的。n由于DVD光盘与VCD,CD光盘外观和尺寸一致,为了实现高密度记录,必然要缩短坑槽长度和轨迹间距。nDVD光盘的轨道间距为0.74um(VCD为1.6um),坑槽长度为0.4um2um(VCD最短为0.83um)。n为了准确读取DVD光盘信息,DVD机激光头采用635nm650nm(CD为680nm)的较短波长,物镜数值孔径加大到0.6(CD为0.45),使其对激光束会聚后的焦点尺寸更小,更易准确找到信号轨迹。3 MPEG2图像信号压缩技术nDVD光盘采用高密度记录方式,其最低存储量为CD光盘的7倍。n如果仅靠改变光盘轨迹间距和坑槽的长度,将图像信号经A/D转换后直接记录在DVD光盘上,一张光盘最多只能记录几分钟的活动图像信号。nMPEG2是在MPEG1的基础上,通过改进实现的。它对图像信号的处理主要分为两个过程:n首先,确定图像的复杂程度。对于复杂的频繁的活动图像,采用高比特流传输来提高图像质量;对于简单图像,在不影响图像质量的前提下,降低比特流量,减少数据冗余量,从而在单位时间内传送更多的图像信号。n其次,MPEG2压缩技术采用了可变比特率(VBR)传输方案。对于简单图像,用1.5Mb/s传输;对复杂图像采用11Mb/s传输。比特率越高,图像质量越高,但比特率太高,占据光盘的存储空间越大。n理论证明,MPEG2的平均视频传输率以3.5Mb/s为宜,这样既可确保得到高画质,又可获得高数据压缩率。n为了获得高质量的图像效果,DVD在采用MPEG2压缩图像信号时,其数据压缩率为1/70,比目前VCD机采用的MPEG1压缩率(1/140)低1倍。4 MPEG2和杜比AC-3数字音频压缩标准nMPEG音频有MPEG1音频和MPEG2两个标准。nMPEG1是1993年推出的音频国际化标准,它将输入信号分割成32个子带,根据人类听觉特性适当分配比特流,将立体声音频信号编码并压缩到原信号的1/6。nMPEG2音频是为高清晰度电视(HDTV)和高质量数字音频广播推出的一种音频压缩编码方式,它增加了5.1声道功能和8通道多语音功能,可以重放5通道全频域的音频,即L(左),R(右),C(中置),LS(左环绕),LR(右环绕)。此外,它还增加了8通道语音功能和DOLBY向后兼容性。nMPEG2音频还增加了24kHz、22.05kHz、16kHz的低采样频率,可提高低比特率时的压缩率。nAC-3是杜比数字环绕声的简称,它支持5.1通道(L、R、C、LS、LR及SW),量化精度为20bit,每通道的采样频率分别为32kHz、44.1kHz、48kHz,其声音数据规格与MPEG1、MPEG2音频规格的参数比较如表2所示。n杜比数字环绕声(AC-3)也是利用人的听觉特性压缩声音的。表2 三种音频规格参数标准对照表三 DVD激光头及其工作原理nDVD与VCD一样,都是以光盘作为存储图像和声音的载体,采用激光扫描光盘的信息表面来实现重放,如图1所示。nDVD光盘采用MPEG2压缩编码标准,其信息轨迹间距0.74um,信息面的深度0.6um,信息坑的最小长度仅0.4um,刻录密度远大于VCD光盘,这就决定了只能用波长更短(实际用650nm)的激光头来读取。n考虑到DVD机向下兼容CD,VCD,SVCD光盘,因而出现了多种DVD激光头图1 DVD激光头读取光盘信息示意图n为了使DVD机兼容CD,VCD,SVCD光盘,开发了双镜头式激光头、双焦点式激光头和液晶快门式激光头。1). 双镜头式激光头双镜头式激光头的结构示意图如图2所示。 n双镜头式激光头组件中的物镜有两个:一个焦距较短,用来读取DVD光盘;一个焦距较长,用来播放VCD,CD光盘。两个物镜安装在一个可旋转的圆盘上。当播放VCD或DVD光盘时,通过控制电路带动固定物镜的圆盘旋转,分别切换到相应的镜头来读取信号,其读盘示意图如图3所示。1. DVD激光头的分类图2 双镜头式激光头结构示意图图3 双镜头式激光头读盘原理图2). 双焦点式激光头n双焦点式激光头是采用全息照相方式的物镜,使激光束有两个焦点,如图4所示。n全息镜头从镜头中心向外制成一圈圈同心圆沟槽,其间距为数十微米到数百微米。全息镜头的表面为一平面镜。n播放VCD或CD光盘时,利用平面镜的1次回折光读取信息;播放DVD光盘时,激光管发射的激光直接通过物镜的0次光读取信息。图4 双焦点激光头原理图3). 液晶快门(光圈)式激光头n液晶快门式激光头如图5所示。n这种激光头在物镜的前面安装了一个液晶光圈,光圈大小随光圈外加电压的大小而变化,使激光经可变光圈物镜聚焦后的焦点发生变化。n播放DVD光盘时,环形液晶板透光,物镜有效数值孔径增大到0.6(NA=0.6),激光束聚焦后的焦点落在DVD光盘信息面上;播放VCD光盘时,控制电压使液晶阀门关闭,物镜的有效数值孔径减小到0.45(NA=0.45),激光束会聚后的焦点落在VCD光盘信息面上。图5 液晶快门式激光头原理图2 DVD激光头的组成nDVD激光头与VCD激光头在构成上相似,都由激光发射系统、激光传播系统(光路)、激光接收系统组成,如图6所示。n激光发射系统由激光二极管和衍射光栅组成。和VCD激光管一样,DVD激光管的内部也有一个激光发射二极管LD和一个光敏检测管PD。n激光头加电后,LD发射出单一波长、相位一致的激光,波长为650nm(780nm),激光功率为5mW左右。PD用来检测LD发射激光的强弱,实现激光自动功率(APC)控制。衍射光栅将LD发出的单束激光分成三束激光(一条主光束和两条辅助光束)。图6 DVD激光头组成示意图n激光光路传播系统主要由分光棱镜、准直透镜、1/4波长片、物镜和柱面透镜组成,其中分光棱镜、准直透镜、1/4波长片和物镜组成入射光传播系统;物镜、1/4波长片、准直透镜、分光棱镜和柱面(圆柱)透镜组成反射光传播系统。n激光接收系统主要由光敏接收二极管组件组成,它能将光盘的反射光信号转变为电信号,并送到RF射频电路进行处理。3 DVD激光头信息读取原理n由光盘的微观结构知,DVD光盘是以椭圆形的坑槽和镜平面来记录信号的,信号的轨迹按螺旋形状由内圈向外圈排列。nDVD的坑长0.6um1.6um,轨迹间距0.74um,坑槽的表面镀有高反射的铝膜,用来反射激光束。n当激光束照射到光盘上时,在没有坑槽的地方,反射面为一平面,垂直照射到光盘的激光束产生100%的反射,反射光经物镜、1/4波长片到分光棱镜与入射光分开,经柱面透镜后照射到光敏检测器,此时检测到的激光束很强(对应于数字信号“1”);n当激光照射到坑槽上时,激光束照射其背面小凸起的地方,反射光与入射光光程相差/2,根据光的干涉原理,入射光与反射光将相互抵消,反射光只有30%按原路返回到光敏检测器,此时光敏检测器检测到的激光很弱(对应于数字信号“0”)。n光敏接收器根据光信号的强弱判断光盘上记录的信号是“1”还是“0”。4 常见DVD激光头参数n我国生产的DVD影碟机采用的机芯和激光头主要有索尼机芯、松下机芯(第一代、第二代、第三代)、日立机芯、三星机芯、蛇口三洋机芯等,激光头型号及其参数如表3所示。表3 常见DVD机芯、激光头及其参数四 DVD光盘的结构、数据格式及
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