第 4 章 DVD 影碟机的基本原理

1. 第4章 DVD影碟机的基本原理 本章要点* 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

2. 采用MPEG2图像数据压缩技术的DVD • （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。DVD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（最多达9个）的观赏。其音频输出采用杜比AC-3（5.1声道）数码环绕声或MPEG2音频。本章将介绍DVD影碟机的基本原理。

3. 4.1 DVD影碟机的产生与发展 • 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。

4. 4.1.1 DVD的产生 • MPEG2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）。1994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。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。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。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。

5. 4.1.2 DVD的发展 • 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。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。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。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。

6. 我国是VCD机生产大国，厂家多达几百个。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。1998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。此外，厦新、蚬华、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。我国是VCD机生产大国，厂家多达几百个。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。1998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。此外，厦新、蚬华、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。

7. 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。4.2 DVD影碟机的技术规格及特点MPEG2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，其图像参数如表4.1所示。

8. 表4.1 MPEG2技术规格图像参数（隔行扫描）

9. 4.2.1 DVD光盘 • DVD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。

10. 4.2.2 DVD激光头 • DVD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。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。与VCD，CD光盘相比，DVD光盘的轨道间距为0.74(m（VCD为1.6(m），坑槽长度为0.4(m～2(m（VCD最短为0.83(m）。为了准确读取DVD光盘信息，DVD机激光头采用635nm～650nm（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。

11. 4.2.3 MPEG2图像信号压缩技术 • DVD光盘采用高密度记录方式，其最低存储量为CD光盘的7倍。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。MPEG2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：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。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。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。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。

12. 4.2.4 MPEG2和杜比AC-3数字音频压缩标准 • MPEG音频有MPEG1音频和MPEG2两个标准。MPEG1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。MPEG2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。MPEG2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。AC-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4.2所示。杜比数字环绕声（AC-3）也是利用人的听觉特性压缩声音的。

13. 表4.2 三种音频规格参数标准对照表

14. 4.3 DVD激光头及其工作原理 • DVD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4.1所示。 • DVD光盘采用MPEG2压缩编码标准，其信息轨迹间距0.74(m，信息面的深度0.6(m，信息坑的最小长度仅0.4(m，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。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

15. 图4.1 DVD激光头读取光盘信息示意图

16. 4.3.1 DVD激光头的分类 • 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4.2所示。 • 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4.3所示。

17. 图4.2 双镜头式激光头结构示意图

18. 图4.3 双镜头式激光头读盘原理图

19. 2. 双焦点式激光头 • 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4.4所示。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。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。这种光头读取VCD光盘时，光利用率较低，可采用宽范围集光的方法来抑制光通量的下降。

20. 3. 液晶快门（光圈）式激光头 • 液晶快门式激光头如图4.5所示。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。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。

21. 图4.4 双焦点激光头原理图

22. 图4.5 液晶快门式激光头原理图

23. 4.3.2 DVD激光头的组成 • DVD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4.6所示。 • 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，有M型、P型和N型三种封装形式，如图4.7所示。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）。

24. 图4.6 DVD激光头组成示意图

25. 图4.7 DVD激光管封装形式

26. 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。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。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。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。

27. 4.3.3 DVD激光头信息读取原理 • 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。DVD的坑长0.6(m～1.6(m，轨迹间距0.74(m，坑槽的表面镀有高反射的铝膜，用来反射激光束。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”）；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”）。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”。

28. 4.3.4 常见DVD激光头参数 • 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4.3所示。表4.3 常见DVD机芯、激光头及其参数

29. 表4.3 常见DVD机芯、激光头及其参数

30. 4.4 DVD光盘的结构、数据格式及刻录原理 • DVD光盘是90年代中期，索尼与飞利浦公司发表的MMCD（下一代高密度多媒体CD）与东芝、华纳、时代等几家公司发表的SD（超密度盘）两种数字视盘规格相争后达成统一标准的产物，并于1995年12月发表了DVD的全部统一规格。CD，DVD，MMCD，SD光盘的参数及规格如表4.4所示。 • 4.4.1 DVD光盘结构1. 宏观结构DVD光盘的宏观结构如图4.8所示。与CD，VCD光盘一样，其直径为120mm，内孔直径为15mm。数据起始记录区从46mm开始，最大结束于116mm处。DVD光盘的厚度为1.2mm，由两片（每片0.6mm厚）粘合而成。DVD盘片有4种结构，如图4.9所示。

31. 如图4.9

32. 表4.4 CD、DVD、MMCD、SD光盘的参数及规格

33. 图4.8 DVD光盘的宏观结构

34. 图4.9 4种DVD光盘结构示意图

35. 2. 微观结构 • DVD光盘以二进制数字信号的方式来记录信息。这些信息在记录时，从内圈到外圈连接成螺旋状的轨迹。数据信号在光盘上以坑槽和镜平面来表示。二进制信号的“1”对应于光盘上的镜平面位置，二进制的“0”对应于光盘表面的坑槽位置。由于DVD光盘坑槽微观尺寸较小（都是微米数量级），故用肉眼无法直接观察其轨迹排列，只能看到一圈圈七彩光芒。用放大镜仔细观察DVD光盘表面，可看到坑槽一圈圈排列在光盘上，这些坑槽的不同排列，构成了DVD光盘的信息轨迹。DVD光盘的微观结构及尺寸如图4.10所示。

36. 图4.10 DVD光盘的微观结构图

37. 4.4.2 DVD光盘的数据格式 • DVD采用ISO9660+MIRO UDF数据格式，视频信号采用MPEG2编码方式压缩，编码率可变。这种编码方法对图像的复杂程度加以区别，对复杂图像采用高比特率，对简单图像采用低比特率，编码率的平均值为3.5Mb/s，最高可达10Mb/s。视频信号的调制采用EFM+（8-16）方式，编码纠错采用RS-PC（里德所罗门乘积码方式），其字符串的误码允许光盘上有4mm～5mm划伤。音频采用AC-3方式（对NTSC制）或MUSICAM多通道音频编码方式（对PAL制或SECAM制）。

38. 4.4.3 DVD光盘的刻录原理 • 1. DVD光盘的信号记录原理与VCD光盘刻录过程一样，DVD光盘信号在刻录时也要经过取样、量化、编码、纠错和调制，如图4.11所示。 • DVD图像信号首先经过取样和量化，将模拟信号转变成数字信号，再经预测性编码，以减少数据在时间和空间上的相关性，DCT（离散余弦）变换将图像的光强矩阵（时域信号）变换到系数空间（频域）后再进行处理，最后经矢量量化编码（可变尺度编码VLC）使图像信号有效压缩。与此同时，将量化信号、图像信号、运动矢量的数据经多路复用器合在一起，经数据量检测形成数据包（打包）。 • 音频信号经数字化处理和AC-3编码后形成音频数据包，副图像信号经编码后也形成相应的数据包，这三种数据包都加入同步信息（系统时钟参考和显示时间标记）并组合后送到RS-PC纠错和EFM+调制，最后刻录在光盘上。

39. 图4.11 DVD系统信号记录原理

40. 2. RS-PC纠错 • RS-PC（里德所罗门乘积）纠错编码是DVD采用的纠错方式。它是在RS编码基础上发展起来的。RS-PC码具有32K字节，容量很大。即使纠错前的误码为1%，纠错后的误码率可下降到10(20以下，同等条件下VCD采用CIRC纠错只能降到10(6，因而DVD的纠错能力远大于VCD，它允许光盘有4mm～5mm的物理损伤。DVD与VCD/CD的误码纠错能力比较如图4.12所示。

41. 图4.12 DVD与VCD误码纠错能力的比较

42. 3. EFM+（8(16）调制 • 为使传输或存储数字化信息达到高质量和更经济的效果，减少因相邻轨道间的低频干扰而降低激光头的性能，DVD光盘在信息刻录时采用了EFM+（8(16）调制。EFM+调制是在VCD刻录所采用的EFM调制基础上发展起来的。EFM+仍遵循3T-11T（T为1位信号占有的时间）规则，但不需要EFM调制的3位结合字符，每个字节（8位代码）对应EFM+代码只有16位，比EFM调制（17位）降低了6%的通道码，提高了信息记录密度和物理存储空间。

43. 4.5 DVD影碟机的组成与原理 • DVD机是在CD/VCD机的基础发展起来的，其结构与VCD机相似，都是由机芯和电路两大部分组成，其组成框图如图4.13所示。 • 4.5.1 DVD机芯 • 因DVD机要实现向下兼容CD、VCD、超级VCD，这就决定了DVD机芯的机械部分和机芯电路要采用全兼容性设计。DVD机芯中的光盘装卸机构、旋转机构、托盘进出盒机构和进给机构的原理与VCD机芯相似。由于DVD光盘采用高密度记录技术，只能采用波长更短（(=650nm）、物镜数值孔径（NA=0.6）更大的激光点来识读，这就决定了DVD激光头只能采用物镜数值孔径可变技术，从而产生了全兼容的DVD激光头。在我国，常见的有松下机芯、索尼璐KHM-210AAA机芯、华录DU3机芯、东芝机芯和三洋机芯等。

44. 图4.13 DVD影碟机组成框图

45. 4.5.2 DVD影碟机的电路结构 • DVD机的电路由机芯电路（RF放大、数字信号处理、机芯微处理器、数字伺服、驱动电路）、MPEG2/MPEG1音频解码电路（DRAM、ROM）、系统控制电路、操作/显示控制电路、视频编码电路、AC-3解码电路等组成。与VCD机电路不同的是，DVD机采用MPGE2解码和AC-3解码器。根据1995年DVD标准，MPEG2在定义上包含MPEG1，因而所有符合MPEG1标准的VCD光盘均能在DVD机上播放。

46. 4.5.3 DVD影碟机的工作原理 由图4.13所示的信号流程可知DVD机的工作原理如下：激光头读取光盘信息，经过RF前置放大、补偿、整形后输出二进制码流。输出的数字信号在DVD-DSP（数字信号处理）电路进行EFM+（8(16）解调，还原为8位二进制信号，再经过RS-PC纠错处理，以提高读盘能力。纠错处理后输出的信号送到MPEG2解码器进行图像信号的解压处理和AC-3音频解码及子画面图像信号处理，输出的子画面图像信号与MPEG2解压后的视频信号一起送入PAL/NTSC视频编码器，经编码输出视频信号（复合视频信号、S视频信号或色差分量视频）。经AC-3解码后输出的6声道数字音频经6路DAC转换后输出5声道全频域的音频信号和1路120Hz以下的超重低音信号。与此同时，RF前置放大和DSP输出的信号送至数字伺服电路，经伺服处理后产生的误差信号再经驱动放大后控制伺服机构，以保证激光头精确读盘。为了使DVD机各单元电路正常工作，还需要系统微处理器与机芯微处理器参与控制，以保证整机正常工作，实现完善的人机界面与控制。

47. 4.6 DVD影碟机的电路原理 • 不同厂家生产的DVD机功能各异，但电路构成基本相似。DVD机向下兼容VCD，CD，SVCD等光盘，其电路原理大部分与VCD相似。本节将讨论与VCD机不同部分的电路原理。 • 4.6.1 伺服电路工作原理 • DVD机的伺服电路和VCD机一样，都由聚焦伺服电路、循迹伺服电路、进给伺服电路和主轴伺服电路组成。其聚焦伺服、循迹伺服、进给伺服、主轴伺服原理与VCD基本一样，只是DVD的伺服电路要求更高，主轴转速更稳定，以实现准确读盘。4.6.2 视频信号处理电路DVD机中，视频信号处理电路的组成框图如图4.14所示。

48. 图4.14 DVD机视频信号处理电路

49. 由图可知，MPEG2解码电路是视频处理电路的核心，一般都由集成电路完成。DVD机常用的解码电路有L64020，L64021，MN67740，ZiVAD6，ZR36700等。视频信号处理电路的工作过程为：由DSP输出的数字信号首先经CSS解密电路，然后进行数据分离处理，分别送入MPEG2图像解码、子图像解码，输出信号混合后经D/A转换、PAL/NTSC制编码，输出复合视频信号或S-视频、色差分量。为了掌握MPEG2解码芯片的工作原理，下面介绍第二代DVD解码芯片。由图可知，MPEG2解码电路是视频处理电路的核心，一般都由集成电路完成。DVD机常用的解码电路有L64020，L64021，MN67740，ZiVAD6，ZR36700等。视频信号处理电路的工作过程为：由DSP输出的数字信号首先经CSS解密电路，然后进行数据分离处理，分别送入MPEG2图像解码、子图像解码，输出信号混合后经D/A转换、PAL/NTSC制编码，输出复合视频信号或S-视频、色差分量。为了掌握MPEG2解码芯片的工作原理，下面介绍第二代DVD解码芯片。

50. 1. L64021DVD解码电路L64021是美国LSI Logic公司开发的MPEG2单片AV解码电路，其内部组成框图如图4.15所示。它采用LSI的MPEG2和AC—3解码内核，内置MPEG2视频解码、AC—3解码、CSS解密（版权保护电路）、子图像解码和线性PCM解码，完全兼容MPEG1系统层的解码。还可将AC—3解码后输出的信号混合成两声道输出。可提供PCM直通通路。