拯救畸变中的知识 CD光学和电器基本工作原理复原文章 第一篇 到底什么代表0和1

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以前经常偶见一些“科普”文章，有说CD盘上有很多非常微小的凹坑来记录信息，一个凹坑代表1，一个平台代表0，另一些文章说“一个凹坑代表0，一个平台代表1”····云云。看得我目瞪口呆中！


也想跟大家说，我们玩的这些旧电器，旧破烂，一些工作原理，基本的技术细节知识，正在慢慢随着时光的流逝越来越变地畸形扭曲，离真实的实际客观情况越来越离谱。
    真实的知识怎么才能永久流传下去？我想这是个留个大家的问题。

现在叙述CD中数制系统，本“第一篇”文，仅叙述CD盘及其系统的情况，暂不探讨CD-R,CD-RW等系列延伸。

在CD盘格式当中，数字数据记录在材料为聚碳酸脂上所用铝离子蒸镀的反光材料层上，后面再覆盖一层保护膜，也就是说在这类规格中碟片中的反光层本身也是信息层。这点和后面文章即将讲到的CD-R CD-RW等有所不同。

最早的CD格式，坑的直径是比较粗大，工艺水平也比较粗糙，要想提高光盘存储密度，并容易从读出信号中提取同步信号，必须要把数据转换成适合在光盘介质上存储的简单的物理表达形式。所以就必然想到一些技术上解决矛盾的妥协的方案。
这个方案，就是无论是凹坑，还是平台，均代表数字0，而凹坑到平台那一段升起的斜坡，还有平台到凹坑的那一段降下去的斜坡才是代表1的。这种调制方式称为“EFM调制”。

CD的规格中，凹坑的长度不是随便的，凹坑只存在9种长度规格的可能性。分别称为I3~I11坑。长度从0.833微米到3.054微米之间。同样，前坑与后坑之间的距离也是0.833到3.054微米之间。多嘴讲一句，DVD里面多了一个I14坑，是用做同步用。为什么称为I3到I11呢？I3坑就代表此坑埋有3个数据0，I4就代表4个····同样，坑与坑之间的距离也相当与3到11个数据0.当然，这个I11比较特殊。

EFM调制的原理是，为了满足CD物理记录上的可识读性，要建立一套独特的数制体系规则---在两个1之间必须要有2个以上10个以下的0存在，因此红皮书规定要将原始的8位数据转换成14位数据之后才能用，为什么？解释一下：

数据在光盘上面存储，需要规矩，没有规矩不成方圆，CD用来标识一个数据的祯开头就必须要有一个同步码，红皮书规定同步码为24位的100000000001000000000010。也就是相邻1之间0的个数为10，8位原始数据一共有256个数据组合可能性，所以可以满足这一条件的并且组合码个数大于256种可能性的最小的位数只有14位数据。14位0101的组合一共有多少？16384个对吧，其中，可以达到“1和1之间必须有2个以上10个以下的0”这种严酷苛刻要求的数值组合一共有267个，其中256个用来表示8位主数据的表达，剩下11个码，有两个用来做显示和控制的同步，其它的9个因直流分量过多而未用。编码和解码要通过查表来实现。

还没有完，还有一个很严重的问题，一旦前一组14位数据和后一组数据连接起来之后，会不会出现两个1之间出现大等于10的0的个数呢？？这个问题不能忽略，咋办捏？？挠挠头？？
没办法啦！只能在两组14位数据之间，安插3个BIT的“合并位”，合并位除了让数据满足条件外，还可起到减少信号频谱中出现太多0或者太多1从而产生直流分量的可能性作用。


CD中一个“祯”是由36个字节组成，第一组就是3个同步字节，第二组是一个字节的子码，然后就是声音数据左声道12个字节后面跟一个Q校验码4个字节，再后面就是右声道12个字节，最后跟上P校验码。一共36个。同步头3个字节之后就是一组3位的“合并位”，之后每个数据字节之后都有个3位的“合并位”

这样一来，掐个指头算一下哈，同步24+3+子码14+3+左声道12 X（14+3）+Q校验4X(14+3)+右声道12 X（14+3）+P校验4X(14+3)=588.
没错吧

CD规格中，98个CD祯就组成一个扇区，而一整个扇区中所有的子码字节可以在系统的单片机当中连接起来一个完整的子码祯。就是说，一个子码祯是98个字节组成。可以完成CD所附属的一些功能。

这个就是CD用来代表0和1的真实状况。很复杂吧！没有想象中简单···还没完，EFM还仅仅是最底层的记录调制编码，在后面还有李德所罗门交织编码，这个以后再讲。



附加部分：
针对有EFM调制编码是否真的具备有“硬件压缩”能力，这个在度娘上面搜不到，但是我当年的老师的教材中明确有这一课纲，而且还是用试验证明，如果不对CD盘片启用EFM调制编码，也不对DVD和SACD起用EFMPlus调制编码的话，数据容量将只有35%，这个细节可是度娘上面查阅不到的知识。度娘真的能搜到一切？哈哈！
如果不采用EFM调制方式，一张CD盘将只有25.9分钟的记录时间，而不是现在的74分钟。

具体计算是这样的，
EFM8-14结构的一个祯是：
同步24+3+子码14+3+左声道12 X（14+3）+Q校验4X(14+3)+右声道12 X（14+3）+P校验4X(14+3)=588. 由588个BIT数据组成。每3个BIT占用光盘长度为0.833微米（CD激光头所能识别最小单位就是3个BIT位），因此每个BIT的基数是0.27766微米··，588个BIT就是163.268微米。

如果不采用EFM编码的话，直接采用0.833微米坑仅仅代表一个0，的话，0.833微米的台仅仅代表一个1，用这种方式直接记录8位二进制数据的方法，显然难以让RF放大器工作在可以接受的稳定状态，因为8进制全码的话（什么叫全码？从00H,一直到FFH，8位0和1的所有可能性的排列都齐了就叫全码。）既然难以拾取和有可能破坏高增益RF放大器的平衡电平，所以就必须在每个字节之间加入同样8位的“合并码”，有兄弟就会问，为什么EFM调制里面人家只加入3个合并码，你全中说一张大嘴就一口加入8个合并码？这公平吗？
好，不急，分析下，EFM8-14编码中，14BIT数据字节一共有16384个组合，仅仅拿出256个符合规则的组合来用，这几个组合全都符合两个1之间的0小于10大于2，1的个数都很少，天然的原生态哇！！当然按照实际需求仅仅只要在两个14位字节中安插一个按照规格表所添加的，长度正好等于3T长度的字节，正好就是3个字节就可以隔离并且确保前后规则不被破坏。
那直接8进制码的情况一样吗？不一样，全码有可能出现00000000, 也可能出现11111111，而且激光头直接拾读坑为0，台为1，RF放大器碰上这样连续的极端值，多几个这样的字节RF高增益放大器马上偏离中心工作点饱和了，怎么办？每一个字节后面就必须安插一个合并字节，而且字节长度必须和前面字节相等，从而实现对称平衡，如果有可能出现8个0的话，合并字节就必须变成8个全1，以实现RF放大器的电器平衡。防止放大器以及金属传输导线的积分效应造成的干扰。也消除直流成分。所以必须是8个合并码位。

然后计算
直接8位结构：
同步24+8+子码8+8+左声道12X(8+8)+Q校验4X(8+8)+右声道12X(8+8)+P校验4X(8+8)=560 BIT。 每一个BIT占用光盘长度为0.833微米的坑，560个就是:
560X 0.833微米= 466.48微米
根据单个祯占用空间和音乐时间成反比的数学原理，我们建立以下公式。

163.268微米       25.9分钟
------------    =   ----------------
466.48微米         74分钟

从而计算出如果不采用EFM调制的话，CD光盘的实际容量为25.9分钟。

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最后补充一个重要的要点，这个14+3的EFM合并码并不是随便写3个数码进去，而是要根据前面一个14位代码末尾的情况以及后面一个14位代码前面的情况来决定，从而保证0,1出现的平衡性符合EFM规则，因此添加规则如下。

最后的码情况        添加的合并位    下一个码的开始情况
XXX1                          000                   1XXX
XX00                          100                   1XXX
XX10                          000                   1XXX
XXX1                          001                   00XX
XXX0                          010                   00XX
XXX1                          000                   01XX
XXX0                          010                   01XX

（首个代码前加100）

用做对比的8+8二进制码可不是俺全中书创的，这个是以前日本教材上根据计算机串行同步通讯再结合光盘的实际情况做修改之后制订的，是日本人搞的教学的东西用来做比对。8位实际数据后面再跟8个根据实际情况添加的合并码实现通讯中0和1的平衡,以防止RF放大器失常以及金属导线中的积分效应增长。

断肠人

深度好文，学习了，楼主辛苦了，还是最爱录像机！

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断肠人 发表于 2016-2-20 05:59
深度好文，学习了，楼主辛苦了，还是最爱录像机！

已经做好了第一款HIFI S-VHS 邓丽君 带子，封面还没完成，等有空时候排一下版，印出来就可以贴了上架啦，哈哈。

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顶好贴！

chenlifuyj

好文章，学习了。

2765483685

楼主真厉害！

Jew1812

普及知识，帮顶点赞！

hbk135

非常好文，记录收藏。

qinle

物理学家           

laojiaozhu

非常专业，学习了

renchiye

再看一遍

yeeypc

作为普通用户，根本不需要这种知识。

david-ease

这篇帖子还没有仔细看，
不过通常，知识如果没有被全中文说明书科普，是不会畸变的，
被他一拯救，就很可能畸变了