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[推荐] 是什么在影响CD与DVD光盘的质量?

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发表于 2011-9-28 17:54:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 babykiss 于 2011-9-29 00:09 编辑

两大根源:盘片与刻录机
在这里要首先指出的是,所谓的C1错误、PI错误都是经光驱读取后进行解码时发现的问题。按理,在编码过程中,是不可能出现错误的,如果按照原数据原原本本的刻录,不可能出现问题。因此,当我们看到光盘读取时的数据错误很多时,就要考虑在刻录或读取过程中可能出现的问题,而并不是C1、C2、PI、PO在影响着刻录质量,它们是弥补刻录质量不足的最后一道防线。

重温光盘刻录原理
CD-R与DVD±R光盘都是染料为存储介质的。在刻录时,刻录激光高强度照射染料以破坏它们的透光度从而形成所谓的Pit(凹坑,其实没有坑,只是类比于CD/DVD-ROM上压制出的凹坑),没有被破坏的就是Land,或者我们可以说光盘刻录之后,与光盘原始状态不同的区域是Pit,没有变化的地方是Land。这样在读取时光盘的反射率也就会有所不同,反射率强弱(Pit变Land)的突变点就是1,其他的就都为0。
CD-RW与DVD±RW/DVD-RAM一样,都是以相变材料为存储介质。当刻录时,刻录激光高强度照射结晶相变材料,破坏其结晶结构,从而达到改变光透射/反射率的目的。
光盘刻录时的激光电平的表现,只有在电平高低翻转时才代表1,其他时候无论高低都代表0!


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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:55:24 | 显示全部楼层
质量因素——最佳的刻录功率(BETA测试)

当我们了解了光盘的刻录原理之后,就能想像得到,对染料和相变材料的“破坏程度”就对刻录的质量有相当大的影响,这也是为什么很多刻录机都在宣传所谓的OPC(Optimum Power Control,最佳功率控制)技术,它可以根据盘片的介质响应水平来调节刻录时的功率,以保证最佳的刻录质量(满足相关的数据错误标准)。

其实,OPC这都是相关光盘规范中所规定的,并且有详细的技术原理介绍,因此可以说这是必须要做的事情。但是,如何具体的使用OPC就看各自厂商的设计了。标准的OPC会在刻录正式开始时对光盘的媒质进行设定速度(如4X、或8X等等)下的试刻,检测的方面主要有两个:

光盘记录层对指定的波长的激光功率的敏感程度

当激光波长改变时光盘记录层敏感度的改变程度

OPC控制器将通过相应的比较算法以找出最佳的功率水平,此时介质的响应水平也是最佳的,之后就以这个功率进行真正的数据写入。但是,刻录功率是与单位面积激光照射的单位时间相关的,随着刻录速度的提升,单位介质面积的激光照射单位时间也相应缩短,因此在内圈适用的功率在外圈就可能不适用了,如果仍以最早的OPC设定将会影响刻录质量。另外,还有两个因素也将对介质的刻录效果产生影响,需要OPC来加以解决:

激光二极管会随着工作温度的改变而使激光波长发生变化

光盘在物理上出现的问题,如盘面不平、保护层厚度不均、出现散焦以使照射功能出现偏差

因此,理论上最佳的方法就是在刻录过程中实时的进行OPC,至少也要在每次变换刻录速度时重新进行OPC以保证更佳的刻录质量(如果不能满足倍速要求,则控制主轴转速以低倍速水平刻录以保证质量)。由于OPC的策略不同,也诞生了不少新的名词,如Walking OPC、ROPC等等,其实都大同小异。

有人可能会说,厂商只要用最大功率刻录不就行了吗,还用什么OPC?其实,功率越大不见得效果越好,它会涉及到读取电平的高低匹配度,这将在下文进一步予以说明。

如何反映OPC的质量?

我们可以想像,如果刻录时的功率不匹配,那么激光反射功率的最高点(Land)与最低点(Pit)相对于功率中间点就是不平衡的。因此,读取激光功率在Pit和Land区域相对于功率中间点的对称性就是一个重要衡量标准,业界称之为β,由于其发音同BETA,所以现在常用的表示就变为BETA了。

显然,这种差别越小越能证明刻录时所使用的功能越接近最佳功率,也意味着光盘上的刻录点更容易被识别(意味与其他光驱的兼容性更高)。在相关的业界标准中,红皮书(CD-Audio)规定BETA的限制为±0.08,橙皮书(CD-R/RW)中则规定BETA应控制在±2%以内。至于DVD,则在-10%至+5%之间。有关BETA的详细原理,以及它与OPC之间的关系,将在下文进一步详细讲述。

但是,BETA只能说刻录时的功率控制达标,并不能代表数据本身的逻辑正确性。它只能保证刻录机想刻的数据在光盘上的易读性,但刻录机想刻的数据不见得就是用户的原始数据,这是为什么呢?
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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:55:55 | 显示全部楼层
质量因素——时间与长度的控制(Jitter)

CD与DVD的刻录都是非常精密的,这主要反映在两个方面——刻录刻录点的精确程度与刻录功率的匹配程度。

刻录功率的匹配程度上面已经讲了,现在就来看看刻录刻录点的精确程度了。

什么是刻录点?就是一个信道脉冲体现在光盘上的点,光盘上的刻录点必然要有长度的,而在读取/刻录时,光盘在旋转过程中让激光扫过这个长度,肯定是需要时间的。OK,1bit刻录点的长度与时间也因此而确定下来,不能超出规定的范围!



光盘上的信息刻录点都有精确的规定

那么CD与DVD的刻录点的长度与时间各是多少呢?它们又是怎么怎么计算出来的呢?这里我就介绍一下,别嫌烦,看过之后你就能明白这种刻录点(Pit或Land)长度与时间的精确性是多么的重要了。
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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:56:17 | 显示全部楼层
CD的信道脉冲长度与时间

我们现在知道CD在刻录时一帧的容量是36字节,这其中有3个同步字节,在经过EFM+3bit合并码(取8-17)调制之后,即变成了588bit的信道脉冲,计算公式是:

32(24字节数据+8字节C1、C2校验码)×17(每字节转换成17bit)+1(控制码)×17(每字节转换成17bit)+24bit(3个同步字节,不用8-17转换)+3bit(合并码)

我们知道CD一秒钟读取75个数据块(扇区),每块98帧,这样一来,一秒钟的总信道脉冲数量为:588×98×75=4321800,即4.3218Mbit/s(这里的1M=1000000),这就是CD光盘数据的调制频率,也称4.3218MHz,那么这些脉冲平均的用时是多少呢?1/4321800=231ns,这就是CD数据1bit刻录点所要用的时间,业界称之为信道脉冲单位时间,简写为大写的T(Time)。

CD光盘在1倍速的旋转速度是1.2-1.4M/s,那么这些脉冲的平均占用的长度是多少呢?1.2或1.4/4321800M=0.277um或0.324um,我们称之为信道脉冲单位长度,简写为大写的L(Length )。

好啦,现在我们就知道CD有关刻录点记录长度与时间上的要求了。但是,由于CD的EFM编码的RLL(2,10)规定和电平高低翻转代表逻辑1的设计,使其不可能有单独的刻录点出现。事实上,CD与DVD一样都采用了非归零倒置(NRZI,Non Return to Zero Inverted)脉冲编码的形式。它是在传统非归零NZR编码(一个电压代表1,一个电压代表0)基础上改进而来。由于只要识别电平翻转即可,所以具有更强的抗干扰能力,除了CD、DVD外,在网络通信领域也被大量采用。



NRZI编码示意图

从图中可以看出,NRZ就是我们平时所理解的那样逻辑电平表示法,而NRZI则在遇到1时将电平翻转,由于EFM编码后不可能有连续的1,所以1后面肯定就是0了。这样,在读取识别时就可以按下面的方法进行:

若:低(高)电平持续时间/信道脉冲数量=N,那么所代表的信息就是1后面有N-1个0。

比如,电平的持续时间为924ns,那么就意味着有924/231=4个信道脉冲,这4个脉冲的代码就是1000。

所以,虽然EFM编码将0的个数限制在2至10个之间,但在实际的刻录中,0所占在的电平周期都要加上1。也就是说,在CD刻录时,可能出现的稳定电平时间就是3T-11T。这就意味着,CD上的一个刻录点至少将由3个信道脉冲组成,在光盘上所占据的长度就是0.83um(1.2M/s)或0.972um(1.4M/s),刻录点的用时在693ns(3T)至2541ns(11T)之间。

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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:56:38 | 显示全部楼层
CD的Jitter标准

现在我们就能明白时间与长度精确性是非常重要的,而且它们是相辅相承的,用时超出了规定范围,长度也肯定会超出范围。如果误差大到一定的程度将会影响NRZI解码时的判断,比如将4个T的电平周期识别成5个T,就肯定会出现错误的数据了,进面影响后面的C1、C2解码的错误率。严重时,如果是CD-ROM将出现数据错误,如果是CD-Audio则甚至会改变声音的特性。

因此,业界对刻录时产生的时间误差非常关注,并设定了相关的检测标准,这就是Jitter。由于相对于刻录长度,时间更容易测量,因此Jitter就是指刻录的数据周期与标准数据周期(时钟)之间的误差。





在读取时光盘刻录点的时间与长度由RF控制信号表示(点击放大)

在读取时,经过激光的扫描,CD将会生成RF(射频,Radio Frequency)信号,它也称为高频信号(HF,High Frequency),从上图中可以看出,RF信号用波长的半周来对应一个刻录点,那么对3T的刻录点来说,RF频率就是(4321800÷3)÷2=720300Hz,对于11T的刻录点来说,RF频率就是(4321800÷11)÷2=196445Hz。因此,业界标准也就规定RF的频率上限为720KHz,下限为196KHz,有可能在一个周期内,上半周的频率为720KHz,下半周的频率为196KHz。此外,RF针对不同周期的信号振幅也不一样,T3时以I3表示,T11时以I11表示,它们的高低代表了反射峰值电平。



RF信号示意图(点击放大),红色的数字表示下半周的可能长度,因为RF信号的上下半周将各自针对Pit(或Land)的长度,频率很可能不会一样,图中的I3与I11则表示了3T与11T时的信号振幅

CD-ROM规范中规定,RF信号的最高电平为ITOP,那么I3/ITOP应该在30%至70%之间,I11/ITOP应该在60%以上。它们将是正确识别信号的关键,因为RF信号将经过A/D转换成EFM编码,因此识别的正确性必将关系到数据的正确性。

  

左图为Jitter较小的RF信号,右为Jitter较大的RF信号,可见右边的信号较为模糊, 由于模拟/数字转换时,以信号的逻辑识别电平为脉冲的翻转点,所以信号越模糊,脉冲翻转的误差也就越大

显然,Jitter的存在将影响RF信号的精度。Jitter的出现,是有多方面原因的,说白了Jitter就是指刻录点的位置偏差,上面讲到的BETA也会对Jitter产生影响。为什么呢?如果OPC设计不良,将造成Pit与Land之间的边缘不清晰,从而影响RF信号的识别波形,如果刻录点的边缘锐利,那么RF信号也就更为锐利清晰。另外,假如刻录的功率不足,也将影响RF信号的振幅,从而给识别造成影响。

由于T3是最常见的刻录点长度,因此Jitter的测试也大多以3T为单位进行,并且分为Pit 3T和Land 3T两部分。面向CD-R/RW的橙皮书最早对CD光盘的Jitter做出了规定,后来相关的标准也加入到新版的红皮书中,而且在黄皮书中也有相关的规定。前两者规定Jitter误差比不能超过15%,即约为35ns,如果达到115ns(50%),则肯定会发生错误,后者则规定Jitter的峰值不能超过50ns。

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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:56:57 | 显示全部楼层
DVD的信道脉冲长度与时间

与CD的计算方法一样,DVD的调制频率也与1秒钟的数据传输相关。在DVD编码与纠错一节中,我们已经明白了DVD一个扇区的结构,一共13行,每行182个字节。按理应该是2366字节,但是在真正写入时,每91个字节要加入32bit的同步脉冲,因此,一个扇区最终会被分解为26个同步帧。



一个DVD扇区最终刻录时的结构,32与1456都是指信道脉冲数量

DVD规定,在一倍速时,1秒钟要传输同步帧17580个(约676个扇区),每一帧的信道脉冲数为91×16+32=1488bit,这样DVD的调制频率就约为26.16Mbit/s(精确值为26.15625 Mbits/s),此时我们可以计算出对于DVD的信道脉冲时长为38.23ns,而DVD每秒的转速为3.49米(一倍速时),那么每个信道脉冲的空间长度就是133nm。

这里需要指出,虽然DVD与CD一样同为RLL(2,10)+NRZI调制编码方式,理论上刻录点的长度与CD一样,同为3T-11T,但由于DVD的同步信息中会出现13个连续的0,因此DVD的最短刻录点为3T,而最长刻录点则为14T,因此DVD的刻录点的最小长度就399nm,约为0.4um,最大长度约为1.87um。
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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:57:19 | 显示全部楼层
DVD的Jitter标准

这里的Jitter含义,大家应该都明白了,它与CD的Jitter一样,在此不再解释了。不过,与CD不同的时,在测试Jitter的时候,由于DVD的标准规定是将数据信号与带PLL锁像回路的系统时钟进行对比,因此没有明确的误差标准,而是以百分比加以判定。



DVD的Jitter标准是指数据信号相对于系统时钟的误差

需要指出的是,DVD的Jitter标准因不同的光盘规范而标准不一,见下表。

DVD标准 DVD-ROM DVD-R/RW/RAM DVD+R/RW
Jitter标准 8% 8% 9%

 
可见,DVD论坛下属相关规范的标准统一为8%,而DVD+R/RW由于是DVD+RW联盟开发的,所以标准与DVD论坛不太一样,为9%。也就是说Jitter的误差范围要控制在3.058ns(8%)和3.44ns(9%)。



DVD的HF读取信号示意图(点击放大)

在读取时,DVD也是与CD一样,采用了HF信号进行读取时的识别,并且也对相应长度的刻录点识别电平进行了规定。I14H相当于CD规范中的ITOP,I14与I3分别是14T与3T刻录点的信号电平。

DVD规范规定I14/I14H≥60%,I3/I14≥15%(DVD-ROM规范要求,DVD-9、DVD-18的I3/I14≥20%)。
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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:57:35 | 显示全部楼层
其他影响刻录质量的因素

前文说过,刻录是光盘与驱动器双方的事情,驱动器为了达到最好的刻录质量而竭尽所能地来顺从光盘的特性,而反过来光盘也不能做得太差了,否则就会被大多数驱动器所抛弃。下面,我们就来说说有关光盘的质量因素对刻录质量的影响。

介质:刻录介质(染料与相变材料)的均匀性与材料的响应能力都将影响刻录机的调校,如果一张介质质量不佳,涂抹不均匀的光盘遇到一个OPC控制简陋的刻录机,其结果可想而知。事实上,刻录机厂商一直在关注市场上光盘新品,并会记录下其产品识别代码与介质代码,然后实际测量它们的性能,并根据测试的结果将相应的OPC控制代码(也可以说是定制的刻录策略)添加进刻录机的Firmware中。拥有刻录机的朋友应该清楚,刻录机Firmware的更新内容主要就是增加对盘片的支持范围,以适合更多的盘片,从而也更会得到用户的满意。因此,光盘的质量好坏,介质是第一重要因素。

轨道:CD与DVD±RW都是将信息写入预制的螺旋的沟槽中,DVD-RAM则是利用了沟槽与岸台两种轨道。CD-R空白盘上的预刻槽就是一条从内向外连续的摆动螺旋线,它确定了光盘的物理信道轨迹,也就是说,光盘的记录符要刻写在与预刻槽位置对应的记录层内。CD光盘的摆动频率为22.05KHz,摆动周期为54~64μs,摆动幅度为25~43nm。DVD+R/RW的轨道摆频率则为817KHz,DVD-R/RW/RAM的摆动频则为141KHz。如果预制轨道质量不佳,那么刻录机将会付出额外的努力来锁定轨道,但如果超出了刻录机的能力,那么就意味着刻录质量将不能保证。而且,在CD光盘中,使用了绝对时间预制沟槽技术(ATIP,Absolute Time In Pre-groove)来指示地址信息,DVD+R/RW则使用了类似的地址预制沟槽技术(ADIP,ADdress In Pre-groove)来给出地址信息。它们都是将信息码调制在预制沟槽的抖动中,因此如果轨道制作的有问题,那么ATIP与ADIP的信息也将不能被正确识别。

业界将ATIP与ADIP的错误率分别定义为ATER(ATIP Error Rate)和ADER(ADIP Error Rate)。CD相关标准中规定,每10秒钟,ATER不能超过10%(换算成错误数,就是要控制在75个以下),至于ADER,笔者没有找到相关的业界标准。

平面倾斜:如果说ATER与ADER考验的是刻录机锁定轨道的能力,那么如果刻录介质层并不是一个绝对平整的表面,考查的就是刻录机的激光的聚焦能力。事实上,不可能存在绝对平面的介质层,我们将不平整的光盘表面称为“平面倾斜”,业界称之为Tilt。一些劣制光盘从侧面看就能看出明显的倾度,在高速旋转时(目前最高CAV方式16X DVD刻录时,转速约为9300rpm),如果再遇到介质层薄厚不均,对刻录机显然是一个重大的考验。激光如果聚焦不准,就将影响刻录时的功率,因此当光盘的平面倾斜幅度大于刻录机所能适应的范围时,刻录质量也就不能保证了。

刻录时的操作:在光盘刻录时,用户的操作也是非常重要的,而且所选用的刻录软件也将对刻录的结果产生影响。现在的刻录机虽然都具备了缓存欠载保护技术,但不要认为这个技术是万能的。很多用户觉得有这个技术的保护,就无所顾忌了,比如在刻录时做拷贝文件、BT下载等对硬盘占用率大的操作。虽然缓存欠载会在数据断流时暂停操作,但重新进行刻录时仍要先进行重新定位,而这个定位精度肯定不及一气呵成式刻录来得精确。若欠载次数非常多,欠载时间过长,可以想像最终的刻录质量。所以,在进行光盘刻录时,尤其是高速光盘刻录时(40X的CD刻录相当于4倍的DVD刻录,每秒数据量将近6MB,而8倍的DVD刻录就相当于72倍的CD刻录,每秒数据量约10MB,对硬盘的传输要求也不低了),最好不要进行其他占用硬盘的操作,并保证系统的CPU占用率处于安全的水平。

另外,刻录软件有时也非常重要。笔者有一次无意中发现,自己所用的某一品牌的刻录机在使用Ulead的Movie Factory 3.0的数据光盘制作功能时,质量要比Nero Burning ROM明显得好,这应该与软件对刻录机的支持是否优良有很大的关系,所以当发现在自己读取环境中,光盘的质量不佳时,不妨换用其他的刻录软件试试,也许会有出人意料的效果。
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 楼主| 发表于 2011-9-28 17:57:53 | 显示全部楼层
总结:正确看看待刻录质量 寻找满意的组合

现在大家应该对影响光盘刻录质量的因素有了一个全面的了解了。与我们使用内存不同,我们可以根据内存的特点去主动调整主板的BIOS以获得最佳的性能,但是当我们买回来的刻录机的刻录盘之间不能很好的匹配时,你可能就束手无策了,可能的解决方法无非是等待刻录机新Firmware能对手上的盘提供更好的支持,要不就是去买其他该刻录机点名支持光盘,或者换一台读盘能力更好的光驱。总之,用户无法自己通过简单的调试而将问题解决。

因此,若想避免出现刻录质量的问题就要在购机之前做好准备。在选择产品时,要多看看这些产品的Firmware的更新记录,那上面会记载着新增支持盘片的品牌与种类。有些厂商虽然很大牌,产品质量也很好,但可能由于公司所处的地理位置的原因,其所支持的盘片并不见得会是中国大陆市场所见的(或者说价格可接受的),此时就要三思了。如果盲目的买进来,很可能就要苦等新的Firmware或换用其他价格昂贵的刻录盘了。

某厂商的Firmware更新说明,主要内容就是新增光盘种类

显然,当我们了解了刻录质量在光盘与刻录之间的因果关系后,就不能将刻录质量不佳的罪名贸然地指向其中任何一方。很有可能会出现这种情况:A刻录机刻B盘不行,但刻录A盘没有问题,B刻录机刻A盘不行,但刻B盘没有问题。那么,你怎么去判断两者的好坏呢?如果在测试中A与B刻录机都用的是B盘,那么倒霉的肯定是A刻录机。

若刻录盘有100种,有10种A刻录机的刻录质量不佳,20种B刻录机刻录质量不佳,我们也只能说A刻录机的盘片兼容性更好,而不能说B刻录机的刻录质量不好(在两者刻得都好的范围内,则可以比较相对的刻录质量好坏)。这就好象经典的NVIDIA与ATI显卡的较量一样,你很难用一款游戏去评价它们性能高低,刻录机也是如此。所以,片面的追求所谓的刻录质量还不如追求刻录机的盘片兼容更有实际的意义,这也就是选购时最先要考虑的问题。只有当测试的盘片的种类足够多,而质量问题又普遍存在时,我们才能断定是刻录机的问题,对于盘片也是如此,只有当一种光盘在很多种刻录机上都出现刻录质量问题时,才能断定是光盘的质量原因。而且,这还是抛开测试时读取设备可能造成的影响所下的相对性结论。总之,单一的评测不足以说明问题!用户要明白这一点,介绍产品的媒体也更要注意这一点!

当然,这么说并不是意味着刻录机或盘片之间没有刻录质量的差别。当在可接受的质量范围内(BLER、PI/PF、Jitter、BETA等符合相关的标准),错误更少当然就越好,否则那些有技术实力的厂商也不会开发出多种多样的保证刻录质量的技术,但这些往往是以金钱为代价的。面对一台699元和1699元的刻录机或5元与15元的刻录盘时,你会怎么选择呢?不可否认有对质量追求十分苛刻,或者财力充裕的用户,但他们不是主流,就像他们所想买的产品一样,主流的普通用户则应该从务实的角度出发。

要想买到合意的产品,答案其实很简单,也很俗——就是多看看评测报告(包括相关论坛上网友公布的评测数据),虽然一家的评测的范围不会很广(先不要看测试的结论,我说过,小范围组合的测试并没有多大的说服力,要注意看的是评测中的具体表现),但多家测试报告综合在一起则可以起到相互弥补的作用,从中找出符合自己的标准(财力和对刻录质量的要求)的性价比最好的刻录机+光盘组合,就是比较保险的选购策略,我想用户一般也不会没事经常换用不同品牌的光盘吧。

总之,我们要正确看待光盘刻录质量的问题。用户肯定不可能将所有刻录机与所有的刻盘的组合测试一遍,但通过多方的评测报告,则能起到相似的作用。不要再拘泥那些枯燥的评测数据,选中一款产品和与之相匹配的几种光盘就已经足够用了,实惠才应该是广大用户的最大追求!
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