CD刻录机工作原理

2011-07-18 21:44:14来源: 互联网

CD刻录机工作原理

CD刻录机工作原理 CD基本知识:凸起 CD基本知识:轨迹 读取CD
写入CD 刻录CD:激光装置 刻录CD:写入激光 擦除CD
相变化合物 擦除激光 CD格式 数据编码
预告轨道 制作自己的CD:软件 制作自己的CD:音乐 制作自己的CD:刻录

CD刻录机工作原理

CD刻录机的出现标志着一次巨大的文化变迁。这项技术让普通人可以收集歌曲并制作自己的CD。一夜之间,世界各地的音乐合集制作者都投入到了音乐制作之中。

外置式可写CD驱动器(也称为CD刻录机):通过这种类型的驱动器,您可以从计算机中选取音乐或数据文件并制作自己的CD。
外置式可写CD驱动器(也称为CD刻录机):通过这种类型的驱动器,您可以从计算机中选取音乐或数据文件并制作自己的CD。

现在,可写CD驱动器(CD刻录机)已成为新PC的标准配置,并且越来越多的音乐爱好者都在各自的音响系统中添加了单独的CD刻录机。在不到五年的时间里,CD作为音乐精选合集媒介已让磁带相形见绌。

本文将介绍CD刻录机是如何将音乐和其他信息编码保存到空白光盘上的。本文还将介绍CD可重写技术、归并数据文件的方法以及如何使用CD刻录机制作自己的音乐合集。

CD基本知识:凸起


如果您已阅读过CD的工作原理,则应对CD技术的基本原理有所了解。CD以数字形式存储音乐和其他文件,也就是说,光盘上的信息由一系列1和0表示(有关更多信息,请参见模拟录音和数字录音工作原理)。在常规的CD中,这些1和0由光盘反射表面上的数百万个微小的凸起和凹槽来表示。这些凸起和凹槽排列在一个宽度约为0.5微米、长度约为5公里的连续轨道上。
读取这些信息时,CD播放机会用激光束扫过轨道。当激光束扫过轨道中的凹槽时,激光束将会直接反射到激光装置中的光学传感器上。CD播放机将此解释为1。当激光束扫过轨道中的凸起时,光则会反射到光学传感器之外。CD播放机将此解释为0。

CD有一条长长的螺旋形数据轨道。如果将这条轨道展开,其长度可达5公里。
CD有一条长长的螺旋形数据轨道。如果将这条轨道展开,其长度可达5公里。


CD播放机引导一小束激光扫描CD的数据轨道。在常规CD中,凹槽将光反射回激光装置。凸起使光发生散射而不会反射回激光装置。

CD基本知识:轨迹

凸起从光盘的中心开始沿一个螺旋形轨迹排列。在CD播放机旋转光盘的同时,激光装置从CD的中心向外移动。在恒定的转速下,凸起移过CD外缘的任何点的速度要快于它们移过靠近CD中心的任何点的速度。为了使激光装置以恒定速率移过凸起,播放器必须在激光装置向外移动时减慢光盘的旋转速度。

CD播放机在将激光装置从中间向外移动的同时旋转光盘。为使激光以恒定速度扫描数据轨道,播放机必须在激光装置向外移动时减慢速度。

这就是CD播放机的核心原理。由于必须对螺旋模式进行编码并且需要以极高的精度读取,因此这个想法实现起来仍相当复杂,不过基本过程还是非常简单的。

在下一节中,您将了解如何通过专业设备和家用CD刻录机将数据记录到CD上。

读取CD

在上一节中,我们已经了解到,常规CD是通过沿一条长长的螺旋轨道排列的凸起和凹槽的模式来存储数字数据。CD制造机器使用高能量激光在玻璃板上涂覆的感光性树脂材料中蚀刻出凸起模式。接着,经过一个精细的刻印过程,将此模式压印到丙烯酸树脂光盘上。然后,在光盘上涂覆一层铝(或其他金属)以制作成可读的反射表面。最后,再在光盘上涂覆一层透明塑料,用于保护反射金属以避免出现裂纹、划痕和碎片。

CD的各层
CD的各层

正如您看到的,这是一个相当复杂精细的操作,需要涉及许多步骤和若干不同材料。与大多数复杂的制造过程(从报纸印刷到电视组装)一样,常规CD的制造对于家庭用途并不可行。此过程仅适用于生产数百、数千或数百万张CD的制造商。

因此,像LP或常规DVD一样,常规CD仍继续仍以“只读”存储介质的形式提供给普通消费者。对于习惯于可录制磁带的音乐爱好者以及可使用软盘的有限存储器容量的计算机用户而言,这一限制似乎是CD技术的一大缺点。在20世纪90年代初期,越来越多的消费者和专业人士开始寻求某种方式来制作自己的具有CD品质的数字录制内容。

写入CD

为了满足这一需求,电子制造商引入了一种替代类型的CD,这种CD可以通过几个简单的步骤进行编码。可刻录光盘或CD-R根本就没有任何凸起或凹槽。这种光盘在感光性染料层之上还有一个光滑的反射金属层。

当光盘是空白时,染料是透明的:光可以透射到金属层并进行反射。但是,如果用特定频率和强度的聚集光加热染料层,染料就会变成不透明的:染料变暗,使光线无法穿透。


CD-R没有与常规CD相同的凸起和凹槽,而是在光盘的光滑的反射表面下有一个染料层。在空白的CD-R光盘上,染料层完全是透明的,因此所有光都可以反射。写入激光会使一些在常规CD上应为凸起的位置点变暗,从而形成非反射区域。

通过有选择性地沿CD轨道使特定点变暗而使其他染料区域保持为透明,可以创建标准CD播放机可以读取的数字模式。来自播放机的激光束的光将只有在染料透明时才能反射回传感器,这与光只能从常规CD的凹槽区域反射回传感器的原理相同。因此,即便CD-R光盘完全没有压印的任何凸起,但其表现与标准光盘完全一样。

当然,CD刻录机的工作就是将数字图案刻录到空白CD上。在下一节中,将介绍刻录机的内部构造,让您了解刻录机是如何完成刻录任务的。

刻录CD:激光装置

在上一节中,我们已了解到,CD刻录机通过使CD-R光盘特定的细微区域变暗,从而记录可由标准CD播放机读取的反射区域和非反射区域的数字模式。由于必须在如此小的范围内对数据进行准确编码,因此刻录系统必须极为精确。不过,基本的工作过程还是相当简单的。

与普通CD播放机一样,CD刻录机有一个移动的激光装置。但是,除了标准的“读取激光”之外,CD刻录机还有“写入激光”功能。写入激光的功率比读取激光更大,因此它与光盘的交互方式有所不同:写入激光可改变表面而不仅仅是从表面反射光。由于读取激光的强度不足以使染料材料变暗,因此在CD驱动器中播放CD-R并不会毁坏其中的任何编码信息。

CD刻录机内部的激光装置
CD刻录机内部的激光装置

在下一页中,将介绍写入激光的工作方式。

刻录CD:写入激光

写入激光的移动方式与读取激光完全相同:写入激光在光盘旋转的同时向外移动。底部的塑料层具有预先印制好的纹路,可用于引导激光沿正确的轨迹移动。通过校准转速和激光装置的移动,刻录机能使激光沿轨道以恒定速度移动。为了记录数据,刻录机只需按照1和0的模式同步打开和关闭激光写入器。激光通过使材料变暗来编码数字0,而通过保留材料为透明来编码数字1。

CD刻录机的机械结构与任何CD播放机中的机械结构非常相似。其中,有一个机构用于旋转光盘,另一个机构用于移动激光装置。
CD刻录机的机械结构与任何CD播放机中的机械结构非常相似。其中,有一个机构用于旋转光盘,另一个机构用于移动激光装置。

大多数CD刻录机都可以多种速度制作CD。在1倍速度下,CD按照播放机读取它时的转速旋转。这意味着,需要大约60分钟的时间来记录时长为60分钟的音乐。在2倍速度下,需要大约30分钟的时间来记录时长为60分钟的音乐,以此类推。对于更快的刻录速度,就需要更高级的激光控制系统和计算机与刻录机之间更快的连接速度。此外,还需要可以按照此速度记录信息的空白光盘。

CD-R光盘的主要优点是可以适用于几乎所有的CD播放机和CD-ROM(这些是当今最为流行的媒体播放器)。除了广泛的兼容性之外,CD-R相对来说也便宜一些。

这种格式的主要缺点是无法重复使用光盘。在光盘中以数字模式刻录信息之后,则无法擦除信息并重新写入。在20世纪90年代中期,电子制造商引入了一种新的CD格式来解决这一问题。在下一节中,将介绍这些可重写CD光盘(通常称作CD-RW),了解这种光盘与标准的CD-R光盘有何不同。

擦除CD

在上一节中,我们已经了解了最流行的可写CD技术CD-R。CD-R光盘可以容纳大量数据,可以适用于大多数CD播放机,而且价格也相对便宜。但是,与磁带、软盘和许多其他数据存储介质不同,您不能在CD-R光盘中记录满内容之后再重新记录。
而CD-RW光盘则将可写CD的概念向前推进了一步,引入了擦除功能,这样您就可以记录新数据,以覆盖不再需要的旧数据。这些光盘基于相变技术。在CD-RW光盘中,相变元素是一种由银、锑、碲和铟构成的化合物。与任何物理材料一样,可以通过将此化合物加热到一定的温度来改变其形态。当该化合物被加热到其熔化温度(大约600摄氏度)以上时,它就会变成液体;在温度降至结晶温度(大约200摄氏度)时,它又会变成固体。

在CD-RW光盘中,常规CD中的反射凹槽和非反射凸起用一种特殊化合物的相变表示。当这种化合物处于结晶状态时,它是透明的,因此光可以透射到上面的金属层并反射回激光装置。当化合物熔化成非结晶状态时,它会变成不透明的,从而使相应的区域成为非反射区域。

相变化合物

在相变化合物中,这些形态转变可能“保持不变”:即使在材料再次冷却之后,也会保持原来的形态。如果将CD-RW光盘中的这种化合物加热到熔化温度并让其快速冷却,它将保持液体时的非结晶状态,即使在结晶温度以下也是如此。为了使化合物结晶,必须将其保持在结晶温度一段时间,以便其在再次冷却之前转变成固体。

在CD-RW光盘中使用的化合物中,结晶形态是透明的,而非结晶的液体形态将吸收大部分光。在新的空白CD上,可写区域的所有材料都处于结晶形态,因此光可以透过这一层照射到上面的反射金属表面并反射回光传感器。为了在光盘上对信息进行编码,CD刻录机将使用功率足以将该化合物加热到其熔化温度的写入激光。这些“熔化”点将起到与常规CD上的凸起和CD-R上的不透明点相同的作用:这些点可以阻止“读取”激光以使其不会从金属层反射。每一个非反射区域都表示数字代码中的0。而每一个保持结晶状态的点仍是可反射的,用于表示1。

擦除激光

与CD-R一样,读取激光的功率不足以改变记录层中的材料的状态,其功率比写入激光要小很多。擦除激光的功率则介于这二者之间:尽管它的功率不足以熔化该材料,但具有将该材料加热到结晶点的必要强度。于是可以通过将该材料保持在这一结晶温度,擦除激光就可以将化合物还原到结晶状态,从而有效地擦除编码的数字0。这样便可以清除光盘,对新的数据进行编码了。

CD-RW光盘不会像早期的CD格式一样反射那么多的光,因此大多数早期的CD播放机和 CD-ROM驱动器无法读取它们。一些较新的驱动器和播放器(包括所有的CD-RW刻录机)可以调节读取激光以适应不同的CD格式。但是,由于CD-RW在许多CD播放机上无法工作,因此它们并非音乐CD的上选。在很大程度上,这些光盘是用作计算机文件的备份存储设备的。

正如我们所见,CD上的反射图案和非反射图案都极其微小,需要使用高速激光束以极快的速度进行刻录和读取。在此机制下,数据出错的几率是相当高的。在下一节中,将介绍CD刻录机对各种编码问题进行补救的几种方式。

CD格式

在上几节中,我们已经了解了CD和CD刻录机技术的基本概念。通过使用精密的激光或金属铸模,可以标记出一个由反射较强的区域和反射较弱的区域构成的模式,用于表示1和0 序列。这是一个基本系统,您可以用来对任何类型的数字信息进行编码。这一系统对于您放置到光盘上的标记模式的类型没有任何内在限制。

但是,为了让这些信息可由其他CD驱动器(或播放器)访问,还必须用可以理解的形式对信息进行编码。已制定的音乐CD的格式(称为ISO 9660)是后来的CD格式的基础。这种格式是专为最大程度地减少数据错误而设计的。

雅马哈CDR-D651双托盘音响组件刻录机:利用这台刻录机,您可以从一张CD直接提取音轨,而不用通过硬盘。
雅马哈CDR-D651双托盘音响组件刻录机:利用这台刻录机,您可以从一张CD直接提取音轨,而不用通过硬盘。这类刻录机通常刻录速度快而且准确,不过一般只能用于制作音乐CD。

这是通过精心排列所记录的数据并混合大量额外的数字信息来实现的。在下一页中,您将会了解到有关在刻录的CD上编码的额外信息的知识。

数据编码

要使CD可以由CD播放机读取,需要涉及大量重要的工作:
CD轨道用一种时间码进行标记,时间码可以告诉CD播放机在任何特定时刻读取的是光盘的哪个部分。光盘中还编码有目录,目录位于轨道的开头(光盘的中心),可以告诉播放器将特定歌曲(或文件)写入到光盘上的位置。
数据轨道会由额外的填充符断开,因此没有很长的1和0的字符串。如果1很少变换为0,则会有大段区域的反射模式不会发生变化。这样将会导致读取激光在光盘上“迷路”。而填充符数据可以断开这些大段区域。
包含额外的数据位可以帮助播放器识别和修复错误。如果读取激光误读了一个位,那播放器将能够使用附加编码数据把它纠正过来。
记录的信息并不是按顺序进行编码,而是按照设定的模式交错编码。这种方式可以减少丢失整段数据的风险。如果由于出现划痕或破碎而导致部分轨道不可读,这将会损坏歌曲或文件的不同部分的个别数据位,并不会消除整段信息。由于每个文件段只有一小部分不可读,因此CD播放机可以比较容易地纠正错误或进行恢复。
信息在音乐CD上的实际排列极为复杂。CD-ROM(包含计算机文件而非歌曲轨道的压缩光盘)则具有甚至更多的错误纠正机制。这是因为计算机文件中的错误可能会损坏整个程序,而音乐CD上未纠正的小错误只是意味着少量模糊音或跳跃噪音。

对于一些可写CD格式,您在开始刻录之前需要准备好所有信息。这一限制是由CD的原始格式和光盘自身的物理设计决定的。毕竟,长长的轨道形成了一个连续的、由1和0连接在一起的字符串,而将其分解成不同的部分是很困难的。而对于较新的光盘格式,则可以在记录文件时一次记录一个“数据包”,在光盘填充满后再添加目录和其他统一结构。

CD刻录机是一项令人惊奇的技术,其内部工作原理自然也让人着迷。不过,对于一般计算机用户而言,刻录机最引人注目的方面是您可以使用它们做哪些工作。在下一节中,将介绍如何在工作中充分应用这项技术来制作自己的音乐合集。

预告轨道


CD-R和CD-RW有一个普通音乐CD没有的组件,这就是在CD开始处位于时间零点(00:00)之前的一小段额外轨道,它是CD播放机可以识别的起始点。此额外轨道空间包括功率记忆区域(PMA)和功率校正区域(PCA)。PMA存储已被部分记录的光盘上的各个数据包的临时目录。刻录完光盘后,刻录机会使用此信息创建最终的目录。
PCA有点类似于CD刻录机的测试场。为了确保将写入激光设定在正确的级别,刻录机将在轨道的PCA区域制作若干测试标记。然后刻录机将读取这些标记,检查标记区域的反射强度与未标记区域的反射强度的对比情况。根据上述信息,刻录机就可以确定用于写入到光盘的最佳激光设置。

制作自己的CD:软件

尽管CD-R可以存储所有类型的数字信息,但当前最为广泛的应用还是使用计算机来制作音乐合集CD。如果您对CD刻录机一无所知,这可能看起来是一项很棘手的任务。不过,只要您拥有合适的软件并了解了一般步骤,这项工作实际上是非常简单的。

如果您已经连接好CD刻录机,制作CD的第一步便是加载所需的软件。此音乐管理软件可实现以下几个方面的功能:

  • 将歌曲转换成适于刻录的正确格式。
  • 可让您安排合集的歌曲。
  • 控制用于写入到CD的编码过程。

当前,大多数刻录机都附带了一个或多个音乐程序,但您也可以购买这些程序或从互联网上下载。您在这一过程中可能需要不同的媒体应用程序来处理不同的元素,但有一些优秀的程序直接可以处理全部内容。

制作自己的CD:音乐

在您安装好所需的所有软件之后,接下来的工作便是收集歌曲了。您可能需要从您的CD收藏中直接获取一些歌曲。为此,您需要“翻录”音乐,也就是将音乐从CD中复制到计算机的硬盘上。这项任务需要由一个提取程序完成。若要复制某个曲目,请将相应的CD插入到内置的CD-ROM驱动器(或CD刻录机自身)中,然后通过提取程序选择所需的歌曲。本质上,提取程序会播放歌曲并将其重新记录为可用的数据格式。只要是将CD用于个人用途,制作自己拥有的歌曲的副本是合法的。

也可以通过互联网收集MP3。可以从付费下载音乐网站下载MP3或使用文件共享程序下载MP3。一些MP3是免费的,可以合法地下载和复制到CD上。不过,大多数MP3都是非法的副本,将它们下载并刻录到CD上将会侵犯版权。

MP3是压缩文件,您必须将其展开(解码)才能刻录到CD上。标准的音乐管理程序可以将这些文件解码。如果您没有合适的软件,则可以从互联网上的众多解码程序中选择下载。

收集完歌曲之后,您就可以使用音乐管理器按照所需的顺序来排列歌曲。需要记住的是,可以使用的光盘空间是有限的。不同的CD-R的容量会不同,容量的计算单位为MB和分钟。现在,大多数CD-R的容量为74或80分钟。所以在开始刻录CD之前,应首先确保合集的长度不会超过空白光盘的容量。

制作自己的CD:刻录

完成合集并加以保存之后,接下来所需的全部工作就是在刻录机中插入一张空白CD-R光盘,然后选择音乐管理软件中的“刻录”或“写入”选项。确保选择“音乐CD”而不要选择“数据CD”,否则将无法在普通CD播放机上播放刻录的光盘。此外,您还需要选择所需的刻录光盘的速度。通常,较慢的速度可以减少在写入过程中出现重大错误的几率。

在刻录CD时有很多环节可能会出错,因此,如果有些CD无法正常使用,不要感到奇怪。由于CD-R 法覆盖,任何不可恢复的错误都意味着您需要废弃整张光盘。在CD刻录领域中,这称作“刻飞”。对于刻坏的CD,您所能做的差不多也就是懊恼地将其扔到一边。

如果您在刻录CD时连续出现问题,则可能是您的驱动器出故障或音乐管理程序出错了。在将刻录机送回商家修理之前,您可以先尝试其他一些程序,看看是否能够获得好的结果。

对于制作CD-ROM,需要经历相似的步骤,不过这次是将光盘编码为数据CD而非音乐CD。有些较新的CD播放机和DVD播放机可以读取未转换的MP3数据文件,因此,您可以按照这种方式制作CD-ROM音乐合集。由于MP3是压缩文件,因此您可以将大量MP3歌曲放入到一张光盘中,这意味着可以制作一个音乐播放时间较长的合集。当然,这种光盘的缺点是在大多数CD播放机中都无法播放。

CD刻录机为普通计算机用户打开了一个全新世界。您可以记录差不多在任何人的CD播放机上都能播放的音乐,或者可以将照片、网页或影片一起存放到CD-ROM中。借助这个只有汽车音响那么大、价格相当于一辆便宜的自行车的设备,您就可以建立自己的多媒体制作公司了!

关键字:刻录机  工作  工作原理  原理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0718/article_10686.html
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