2020-07-08 17:30

光盘里究竟有什么?

#想法

这是一张过去的 CD,把它插入 CD 机,就能听到那时的爱情。



光盘是如何存储数据的?怎样提升光盘的容量?


光盘由无色透明的基板、记录层、纯银反射层、保护层、印刷层组成。



记录层的成分,是不同颜色的有机染料,可以使光盘表现出不同的颜色,而光盘的信息,都记录在这层有机染料上。


刻录机通过将激光束聚焦,可以永久性地在记录层以螺旋状轨迹由内而外刻上不同长度的坑,这些「凹坑」和原始的「平地」,就是数据。



在读取时,激光透过半反射棱镜,汇聚在物镜上。物镜将激光聚焦成为极其细小的光斑,照在光盘上,沿着螺旋轨迹前进。


光线被反射后,再次穿过物镜,通过半反射结构的棱镜反射,照在记录光信号的光电二极管上。



「凹坑」的深度为对应激光波长的四分之一。我们可以将照射在涂料上的激光看成两部分,在经过「凹坑」与「平地」的边缘时,其中一束光发生反射的位置变化,导致两束光重新汇合后,产生了半个波长的相位差。



相位差,使得反射后汇聚的两束光振幅相互抵消,亮度变暗。当两束光回到同一水平面上反射,相位差为零,重新变亮。


这种在「凹坑」边缘发生的短暂变暗,会以信号强度跳变的形式被记录。这些跳变,就是光盘中二进制数据里的 1,而「凹坑」和「平地」,代表若干个连续的 0。



所以,只要用二进制码表达信息,再一一对应地刻在光盘上,就能记录数据吗? 答案是不。


计算机常用的字符编码,一个字节包含 8 位二进制码,共有 256 种排列。但是,现有的技术不允许记录两个连续的 1。这是因为,1 只能出现在「凹坑」边缘,这就导致了两个 1 之间,必然有 0。 



同时,持续读取 0 也会因为长距离的「凹坑」或「平地」而失去方向,导致光头出轨。受制于这些条件,可用的字符编码远远不足 256 个。 于是,数据在写入光盘之前,需要对编码进行调制。 常见的调制规则,是 EFM(八比十四调制 Eight-to-Fourteen Modulation),将 8 位编码空间扩展到 14 位,可以表示 16384 个编码。 



接下来,规定 1 不能连续出现,连续的 0 只能有 2~10 个。这样就能剔除掉一万多个不能使用的码。


剩下的 256 个可用的 14 位码可以和原有的 256 个 8 位码一一对应,使数据能顺利读取。



为了防止相邻编码的 1 首尾相接,每个编码结尾还要再加入 3 位「耦合码」,并在读取时忽略掉。


最终, 8 位字符编码变成了 17 位,刻在了光盘上。 另外,为了防止在读取过程中,盘面的划痕、指纹印导致读取错误。每 2048 字节的数据都需要附加一段 288 字节的校验码,可以用于校验并纠正数据产生的错误。 



实现纠错的原理,就是我们在「二维码」这期节目中介绍的「里德-所罗门码」。


只读光盘,经过一次写入之后,数据就不能更改。而可擦写光盘,则采用如银铟锑碲合金和锗锑碲合金等相变材料作为记录层。 



相变材料具有两种稳定状态:晶态和非晶态。


在写入时,射出高功率的射线,使相变材料的温度超过「相变温度」,被照射区域的相变材料由晶态变为非晶态。而用中等功率的激光产生的温度,则可以将非结晶的组织还原成晶态。 



具有较高透光率的晶态相当于「平地」,较低透光率的非晶态则相当于「凹坑」。通过不同功率激光的切换,就能实现光盘数据的多次写入和擦除。



你的当代生活中已经很难见到光盘。


主要原因是光盘的容量太小了,为了在这张直径 12 cm 的塑料片上增大容量,首先要使用更小的坑道来记录信息。


为了读取更小的坑道,需要更短波长的光才能聚焦更小的光斑,单盘容量 25 GB 的蓝光光盘,通过使用波长 405 nm 的蓝紫色光,将物镜聚焦的光斑缩小到了 580 nm,已经接近光学极限。



其次,为了节约数据长度,蓝光采用的 17PP 调制码。相比八比十四调制,编码率从 47.06% 提升到了 66.67%。


另外,还可以在记录层上叠加记录层,只要改变激光的焦距,就能读取各层数据,目前常见的四层蓝光光盘将容量扩大到了 100 GB。



更大容量的只读光盘,只能在数据中心见到,以工业级蓝光光盘库为例,以 12 个 300 GB 只读蓝光光盘组成的盘匣为储存单位,可以在一个机柜中实现 1.92 PB 的数据存储。



光盘能让数据可靠存储超过 50 年,广泛应用于博物馆、科研单位等需要长期存储大量备份历史数据的机构。


只读光盘无法被篡改的特性决定了,数据被刻在这些塑料片上,即使过去半个世纪,只要它还能反光,就可以读取。



那些留在你记忆中的音乐、电影、游戏,会永远停在某个角落等你。

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