数字光盘的检错与纠错机制 |
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张庆喜，康戈文(电子科技大学 自动化工程学院四川 成都610054)
摘 要：介绍应用CD，VCD光盘上的CIRC(Cross Interleaved Reed SolomonCode)纠错方法的原理和实现方法；并阐述了光盘为了实现数据检错与纠错而采用的刻录方式与数据结构。
关键词：光盘；解码；CIRC；EFM调制 Method of Errorcheck and Errorrectify on Digita l DiscsZHANG Qingxi，KANG Gewen(Automation Engineering College, University of Electronic
S cience and Technology of China (UESTC),Chengdu,610054,China)
Abstract：In this paper, the theory and realization method of CIRC(Cross Interleaved Reed SolomonCode) errorrectify which be used frequently on CD or VCD disc has been introduced, at the same time, the cha racter method and digital structure on disc which to realizeerrorcheck and errorrectify are expounded
Keywords：disc；decode； CIRC； EFM modulation
1引言
光盘是目前应用非常广泛的大容量、低成本存储设备。为了减小误码率，原始数据经过格式化编码和信道编码后，才能写入光盘片；在读取时，则需经过信道解码和格式化解码后，才能得到所需的原始数据。光盘数据的读写过程如图1所示。
光盘同其他存储器一样，经常遇到的错误有2种。一种是由于随机干扰造成的错误，这种错误称随机错误。他是随机的、孤立的，干扰过后再读一次光盘，错误有可能消失。另一种错误是连续多位出错，或连续多个讯符出错，如盘片的划伤、沾污或盘本身的缺陷都可能出现这种错误，这种错误称为突发错误。据统计，一片未使用过的只读光盘，原始误码率约为3×10-4,沾有指纹的盘约为6×10-4，有伤痕的盘约为5×10-3。 为了消除和减少误码，音视频CD，VCD在光盘制作的时候采用了EFM调制，在数据结构上采用了CIRC纠错码技术。使得解码器在解码时可以把误码率由10-4～10-5降到10-9以下，满足了音视频CD和VC D的要求。 2CIRC基本原理
功能强大的错误检测和纠正措施：CIRC纠错码综合了交插、延时交插、交叉交插等技术，不仅能纠正随机错误，而且对纠正突发错误特别有效。
CIRC是一种前向纠错（FEC）：发送端发送能纠正错误的编码，接收端根据接收到的编码和编码规则，能自动纠正传输中的错误。其特点是不需要反馈信道且实时性好。交叉交织的基本原理：在数据刻录到光盘之前，先将所要刻录的数据字按已定义的规则扰乱，重放时通过DSP将扰乱的数据字按相反的规则重新排列，使之恢复成原始的次序。
CIRC的基本纠错是通过“加总”的方式进行。比如有16个原始数据，并将他们排成4行4列如图2所示。
行列各进行相加，行的总和与列的总和是相同的。行和与列和，还有总和共9个数据一起刻录在光盘上。当CD光盘被读取时，数据重新累加并与“校验和”进行比较。假设图2的第3行第3列的数据2误码变成5，如图3所示。这样，总和变成了72，已经不同于刻在光盘上正确的原始数据的总和69，表明CD发生了误码；进一步检查行列值。可发现第3行的和值15、第3列的和值18都不同于刻在光盘上的原始的和值。这样就可以推断出第3行第3列的数据出错了，并可以由总和的差值（72-69）=3，将误码2纠正成5。
以上是单个数据出错的检、纠错原理。当随机错误很多时，可以通过采用上面冗余技术（re dundancy）纠正。然而对于由光盘上出现的比较大面积的划伤或脏物而引起的误码，就必须设法把时间连续的帧信息分散到不同的物理帧上去，即把可能出现的错误离散化。这样处理的好处是：在重放光盘时，若读到有大面积的信号失落，经CIRC的去交叉交织处理后，将不会是某个信息帧的全部信符的损坏。当出现多处错误时，如图4所示：（a）为原始数据，沿对角线从左下角按“Z”字形顺序刻录在光盘上；（b），如果光盘上第3行数 据全出错；如（c），在检错处理之前，先对这些数据进行交叉编码，成为（d）的形式。这时可以发现原先在同一行出错的数据被重新排列成单个出错数据且位于对角线。这样就 把出错数据分离开来，便于进行检错纠错。这就是CIRC的基本原理。这种纠错技术应用于二进制时，即为偶校验。3光盘格式数据的扇区结构
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CIRC被广泛地应用在CD和VCD光盘中。CD和VCD的MPEG数据记录格式是相同的，都采用CDROM的扩展结构，即CDROM /XA规格。光盘由导入区（leadin track）、导出区（leadout track）和用户数据区组成，用户数据的信息光道都要用扇区来构造，而一些物理光道则可以用来把信息区中的信息光道连接起来。由于每秒传送75个扇区，每个扇区由98个帧组成，所以帧传输的频率为7 350 Hz,而每帧由同步字、控制字、信号数据和CIRC纠错码共588个数据组成。故通道位的时钟频率应是7.35 kHz×588 =4.321 8 MHz。
CD的CIRC的编码过程如下：
（1） 在每帧的时间内，对音频6次采样，每次采样有2个16 b的样本，一个来自左声道，一个来自右声道，各有2个字。即每帧包括有24个8 b的数据，称为F1帧(F1－Frame)。
（2） 用一个称为C2的编码器对这24个字节数据产生4个Q校验字节。24个声音数据加上4个Q校验符号共28个字节数据，称为F2帧(F2－Frame)。
（3） 这28个字节数据再经过一个称为C1编码器产生4个P校验字节。共32个字节，称为F3帧(F3－Frame)。
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经过C2和C1后共有32个字节的数据，这些数据打乱了原来的排列顺序，实现了数据的交叉和交织，解码系统便是在把这个基础上进行纠错和插补的。这些音频数据加上一个控制字（控制通道中的字码信息），先经过EFM调制，得到33个14 b的数据字。然后在这些刻录到光盘上的一帧时，数据前面还要加一个24帧同步字。最后，在这34个数据中，还得加34个3 b的连接耦合位。至此，同步位、控制位、音频数字位、纠错位、耦合位等构成一个完整的信息帧，如图5所示。
EFM调制即Eight Fourteen Modulation的缩写，即先把8 b数据扩展到14 b，比如00000000 用01001000100000，11111111用00100000010010表示，再刻录到光盘上去。这样做的理由是：光盘上的数据是由一连串的凹坑和凸岛组成，他们的长度跟数字“1”的出现有关，而数字“0”不直接刻录在光盘上，他是由激光重放机的再生电路产生的，如图6所示。如果数据连续为“1”，则激光束的通断频率升高，光强不稳定；坑的长度变得很短，频繁的“1”的出现可能会被积分而产生变化的直流电平，从而引起侍服不稳定；除此之外，坑的密度受工艺的限制也不能太密。相反，如果数据连续为“0”，则可能导致重放机压控震荡不稳定，光头 跟踪侍服能力下降。所以，EFM调制的好处是：使得坑岛的分布均匀，从而更容易从数据流中分离出位时钟信号；尽可能减少低频成分对侍服系统的干扰。8 b数据扩展到14 b，可以从14 b数据的16 364种组合中，找出满足以下标准的267种14 b的组合：
①没有两个连续“1”出现。
②两个“1”之间0的个数不少于2，不多于10。
同时注意到，数据是串行刻录和拾取的，当一个14 b数据字以“1”结尾，而下一个数据字又以“1”开始时，两组数据字的连接处便不满足刻录要求。为此，在每两个14b数据字之间插入了3个附加位，称之为耦合位。 4纠错的实现与处理
在实际应用中，交叉交织通过一组延时器来实现，延时器的延时量是取样周期的整数倍，由 DR AM构成。延时交插之后还可用交叉技术，称为延时交叉交插技术。CDROM中的CIRC编码器采用了4×F1帧的延时交插方案。1帧延时交插可纠正连续4×F1帧的突发错误。4×F2帧的延时交插可纠正连续16×F1帧突发错误，1帧经过EFM编码后产生588位通道位。若1位通道位的长度折合成0.3 μm的光道长度：
就是说，CIRC能纠正在2.4 mm光道上连续存放的448个错误字节。
在音视频CD-ROM解码过程中，当从光盘中读到的数据发生差错并被识别出来时，有的可以被纠错；而如果被损坏的程度比较严重，被识别出来的差错数据就不能被全部纠错。对这些差错数据有以下几种处理方式：
（1）解码器电路将在出差错的这一点上使扬声器无声，显像管无图，即静噪来解决。应该注意，静噪方式通常是在连续发生差错又无法纠错的情况下采用的。
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（2）CDROM重放机内部有大量的存储器，用于处理音视频数据，能对这些数据字进行一个短暂时间的连续记忆。这样，当发现有可疑的数据时，便可用靠近他的前一个数据字来代替。以音频信号为例，对原始的模拟音频信号取样时，每一个取样都被变成一个16 b的数据字。16 b数据共有65 536种不同的组合。这样，当发生差错时，用前面的数据来代替有错误的数据字，其结果与未发生差错的数据字相比，误差仅为1/65 000，人是听不出声音有何不良的。因此，这种纠错的方法是合理的。
（3）还有一种处理方法就是用出错数据字前一个与后一个数据字的平均值来代替出错字，即所谓的线性内插。 5结语
对于CD和VCD来说，CIRC纠错已经足够了。但对DVD（数字通用光盘 Digital Versatile D isc）和用于计算机文件的CDROM数据，必须要求误码率为10-12以下，必须采用二次纠错处理,通过EDC(Error Detection Code)和ECC(Error Correction Code)校验，DVD最大的可纠错长度为2 800 B，对应于DVD光盘上的物理长度为6mm左右。参考文献［1］蔡艾，姜小仪， 康慧斌.数字处理技术与多媒体液晶电视［M］. 北京：人民邮电出版社，2003
［2］精英科技.视频压缩与音频编码技术［M］.北京：中国电力出版社，2003.
［3］刘东华.Turbo. 码原理与应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2004.现代电子技术
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