（交通信息工程及控制专业论文）基于FPGA技术的光存储备份芯片研究.pdf

摘要 高速公路收费系统的信息对于车辆、驾驶员及管理收费人员的有效监督和 管理，为智能交通系统提供长期的车辆、道路等交通历史信息，为高速公路运 营和管理提供有效的分析数据，为公安机关提供侦破案件及追查肇事逃逸所需 的信息等，有着非常重大的意义。 本文结合高速公路收费系统数据存储备份的信息容量大、可靠性高、易于 管理和维护等具体要求，提出了一种基于可编程逻辑阵列f p g a 技术的光存储备 份芯片的完整的设计方案。文中简要介绍了光存储备份技术的主要原理和组成 结构，着重分析了光存储备份芯片系统的写策略子系统和自动激光功率控制子 系统的功能、设计和仿真实现。 写策略子系统的设计既适合目前市场上使用最多的传统型l d 驱动芯片，也 适合集成了写策略功能的新型的l d 驱动芯片，该子系统根据光存储备份碟片和 刻录速度的不同，共设计了脉冲型和块型两种类型、十一种方式的写策略方案 设计，其设计功能全部在现场可编程逻辑门阵列芯片中完成，并通过仿真验证。 自动激光功率控制子系统采用全数字处理方法代替传统的模拟采样保持 电路的设计，采用一个模数转换芯片将模拟功率信号转换成数字功率信号，然 后在现场可编程逻辑门阵列芯片中对数字功率信号作处理，并将处理结果通过 一个p 删加模拟低通滤波器的设计结构，将数字功率调整信号转换成模拟激光 发射器的发射功率信号输出。新型全数字自动激光功率控制子系统除模数转换 和模拟低通滤波器外，其全部功能均在可编程逻辑门阵列内实现，并通过仿真 验证。 经过大量的仿真测试，基于f p g a 技术的写策略子系统和自动激光功率控制 子系统设计方案合理可行，性能稳定、可靠。 关键词：光存储备份 现场可编程逻辑门阵列写策略子系统 自动激光功率控制子系统 a b s t r a c t i n f o r m a t i o no fh i g h w a yt o l lc o l l e c t i o ns y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tt o e f f e c t i v e l ys u p e r v i s ea n dm a n a g ev e h i c l e s ，d r i v e r sa n dt e l i g a t h e r e r s ， p r o v i d ev e h i c l e sa n dh i g h w a y sh i s t o r i c a li n f o r m a t i o nf o ri n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e m ，p r o v i d eu s e f u ld a t af o rm a n a g e m e n to fh i g h w a y ，p r o v i d e c r i m i n a la n de s c a p ei n f o r m a t i o nf o rp o l i c e t os a t i s f yt h es p e c i f i cr e q u e s t s ，i n c l u d i n gh i g hs t o r a g ec a p a c i t y ， h i g hr e l i a b i l i t y ，e a s ym a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e ，o ft h eh i g h w a yt o l l c o l l e c t i o ns y s t e m ，an e wd e s i g no fo p t i c a ls t o r a g ea n db a c k u pc h i p ，b a s e d o nt h ef p g at e c h n o l o g y ，i sp r e s e n t e d t h i st h e s i sc o n c i s e l yi n t r o d u c e s t h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo fo p t i c a ls t o r a g ea n db a c k u ps y s t e ma n d m a i n l ya n a l y s e st h ef u n c t i o na n dt h ei m p l e m e n to ft h ew r i t es t r a t e g y s u b s y s t e ma n da u t ol a s e rp o w e rc o n t r o ls u b s y s t e m w r i t es t r a t e g ys u b s y s t e mc a nb ea p p l i e dt ot h en e wt y p eo fl dd r i v e r ， i n t e g r a t e dw r i t es t r a t e g yf u n c t i o n ，a sw e l la st h ep o p u l a rc o n v e n t i o n a l l dd r i v e r a c c o r d i n gt ot h et y p eo fo p t i c a ld i s c sa n dr e c o r d i n gs p e e d ， t w ot y p e sa n de l e v e nm o d e sw r i t es t r a t e g ya r ed e s i g n e d w r i t es t r a t e g y s u b s y s t e mi sf u l l yi m p l e m e n t e di nf p g aa n ds i m u l a t e ds u c c e s s f u l l y a u t ol a s e rp o w e rc o n t r o ls u b s y s t e ma d o p t sd i g i t a ld e s i g nt or e p l a c e c o n v e n t i o n a la n a l o gs a m p i ea n dh o l dd e s i g n a na d cc o n v e r t st h ea n a l o g p o w e rs i g n a l st od i g i t a lp o w e rs i g n a l t h e nt h ed i g i t a lp o w e rs i g n a l s a r ep r o c e s s e di nt h ef p g ac h i p f i n a l l yt h eo u t p u t so ft h ef p g aa r e c o n v e r t e dt oa n a l o gp o w e rs i g n a l st h r o u g hap w mw i t ha n a l o gl o wp a s s f ii t e rd e s i g na n du s e da sl dd r i v ep o w e r s a u t ol a s e rp o w e rc o n t r o l s u b s y s t e mi si m p l e m e n t e di nf p g ae x c e p ta d ca n da n a l o gl o wp a s sf i i t e r d e s i g na n dt h ew h o l ea p cd e s i g ni ss i m u l a t e ds u c c e s s f u l l y ai a r g ea m o u n to fs i m u l a t i o n sr e v e a lt h a tw r i t es t r a t e g ys u b s y s t e m a n da u t ol a s e rp o w e rc o n t r o ls u b s y s t e m ，b a s e do nt h ef p g at e c h n o l o g y ， h a sac o m p a c ts t r u c t u r ea n dr e l a b l ec h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：o p t i c a ls t o r a g ea n db a c k u p f p g aw r i t es t r a t e g ys u b s y s t e m a u t o1 a s e rp o w e rc o n t r o ls u b s y s t e m 2 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表 的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：牙澈叙五耐年歹月彳日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及 申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：亓淑敏 导师签名： 款可 娜多年岁月节日 冽石年r 月矽日 1 1 引言 第一章绪论 随着高速公路的不断完善和投入运营，如何管理和使用好高速公路，充分 发挥其现代化交通基础设施的作用，成为最迫切的问题。征收高速公路通行费 是高速公路运营管理的重要任务之一，高速公路收费系统的建设和运营直接影 响到道路运行和管理的质量和经济效益。 我国的收费公路建设始于2 0 世纪7 0 年代的台湾省，1 9 7 8 年l o 月建成通车 的台湾南北高速公路，全长3 7 3 k m ，采用收费偿还方式，成为我国第一条收费的 高速公路。大陆方面自1 9 8 8 年1 0 月沪嘉高速公路收费以来，先后有广佛高速 公路、沈大高速公路、西i 临高速公路、莘松高速公路、京津塘高速公路等相继 开通并实施收费。目前，除西藏等少数省份外，大部分省份都已有数量不等的 收费高速公路。其中广东、辽宁、湖北、山东等省份收费道路较多。由于我国 高速公路建设任务重和资金短缺的矛盾较突出，因此在高速公路上建设收费系 统，收取车辆通行费将成为今后我国高速公路发展的主旋律。 高速公路收费系统首先是一个信息数据系统，高速公路的信息包括高速公 路人员信息、高速公路活动信息、高速公路数据信息三部分。高速公路人员信 息包括收费员、收费管理人员、维护人员、司乘人员和服务机构人员等的信息。 高速公路活动信息包括收费过程、与收费过程相关的操作和数据信息处理支持 业务活动的过程，比如收费监控、收费广场控制等信息。高速公路数据信息包 括收费过程中产生的数据，比如收费数据、交通量数据、视频信息等，以及收 费中心下发的数据，包括收费标准和基准时钟等信息。 高速公路收费系统的产生与发展的历史虽然不长，但随着电子技术、计算 机技术、通信技术、传感器技术、自动控制技术等的快速发展，收费系统已经 经历了人工收费、半自动收费和全自动收费的历程。我国早期高速公路收费系 统采用由人工判别车型、人工收费( 现金) 、人工发放收据、人工放行车辆等全 部操作过程均由人工完成的人工高速公路收费系统。这种收费方式虽然投资少、 造价低，但是由于收费人员工作量大、人员编制多、增加车辆在收费车道上的 延误，影响交通流畅、差错、作弊现象无法避免等缺点，基本上不再采用。在 人工收费的基础上，由于信息技术、传感器技术、计算机技术、智能控制技术 的发展及渗透产生了半自动收费方式的高速公路收费系统。半自动收费系统是 采用人工判别车型、人工收费、车辆检测器计数、计算机控制与管理、电视监 控等方式相结合的高速公路收费系统。半自动收费系统较好的解决了一些管理 上的闫题，是目前广泛应用的一种收费系统。随着各种技术的进一步发展，目 前，产生了一种更先进的高速公路收费系统全自动收费系统，也叫不停车收 费系统，或电子收费系统e t c s ( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ) 。全自动 收费系统是指高速公路收费的全过程都由机器完成，操作人员不需直接介入， 只需对设备进行管理、监督以及处理特殊事件。1 。技术的发展和进步带来了数据 的膨胀，高速公路收费系统从传统的、人工操作的、单一的纸张记录信息方式， 转变到目前由计算机控制存储的文本、音频、视频、图像、数据等多元信息记 录方式，信息的种类发生了巨大的变化，信息量的变化更是不可同日而语。比 如高速公路收费系统采集的图像信息，对于8 6 0 x 6 0 0 分辨率的一帧图像经压缩 后为3 0 k b ”，高速公路的日平均通行量为2 5 ，0 0 0 辆机动车左右，按照目前通常 每辆机动车经过高速公路收费站分别在入站、缴费、出站各拍一张照片的处理 情况计算，对于每一辆机动车需要存储三帧图像信息，那么高速公路收费站日 平均图像信息量将达到2 2 5 g b 。再加上收费信息，人员信息( 包括收费人员和 驾驶人员) 、音频信息、视频监控信息等，其数据量相当大。通常，高速公路收 费系统的文件、收费数据等信息是实时存储在高速公路收费站服务器的硬盘存 储器上的，并且，对硬盘的最少存储时间有相应的要求，其要求如表1 1 所示： 表1 1高速公路收费系统的文件、收费数据在硬盘保存的最少时间表 序号 文件、数据类型收费车道收费站收费中心 结算中心 l 收费原始数据4 0 天4 0 天 4 0 天 1 矩 2 班次报表4 0 天4 0 天4 0 天 1 年 3 日报表 1 年1 芷 1 年1 定 4 旬、月报表2 年2 年2 年2 芷 5 年报表 5 矩5 芷 5 芷5 矩 2 虽然，在规定的时间内用硬盘存储器存储数据，但是对于以下原因造成的数据 破坏，硬盘存储器是无法恢复的： 1 ) 自然灾害，如水灾、火灾、雷击、地震等造成计算机系统的破坏； 2 ) 系统管理员及维护人员的误操作； 3 ) 计算机设备故障，包括存储介质的老化、失效等； 4 ) 病毒感染造成的数据破坏； 5 ) i n t e r n e t 上“黑客”的侵入和来自内部网的蓄意破坏等啪”1 。 所以，在硬盘存储器存储信息的同时，还应该采用其他存储方式来对数据进行 备份。并且，当达到规定的硬盘存储时间后，这些信息仍然不宣被删除，这是 因为 1 ) 为了对不缴费车辆和收费人员进行有效的监督和管理，杜绝漏洞，应采 取永久性的存储备份。 2 ) 高速公路收费系统数据可以为智能交通系统提供长期的车流量、高速公 路运行状况等交通历史信息，为高速公路运营和管理提供有效的分析数据。 3 ) 目前，大量的违法、犯罪活动都需要使用交通工具，高速公路收费系统 的备份数据还可以为公安机关提供更多的侦破案件及追查肇事逃逸案件所需的 信息，对于黑名单车辆布控和报警以及事后追查等工作，也有着非常重大的意 义”。 因此，在对数据实时存储的同时还要定期进行数据备份，保证当数据被破 坏的情况下，能够快速、正确的恢复数据，并且备份数据易于保存、可靠性高、 经济性好。对于交通信息的存储量大、信息准确性要求高、存储可靠性、经济 性要求高等特点，采用何种存储备份技术成为高速公路收费系统设计的关键之 一6 1 2 数据存储备份技术 数据存储备份技术源于上世纪7 0 年代的终端主机模式，当时由于数据集 中在主机上，因此，易管理的海量存储设备磁带库是当时必备的设备。8 0 年代以后，由于p c 的发展，尤其是9 0 年代应用最广的客户机n 务器模式的普 及以及互联网的迅猛发展，使得存储容量、存储模式和存储要求都发生了根本 性的变化，一些新兴的数据存储备份技术迅速崛起，为构建一个更安全的信息 时代提供了更多的选择。 i 2 ，1 当前主流的海量数据存储备份技术 目前，主流的海量数据存储备份技术有三种：磁盘数据存储备份、磁带数 据存储备份及光存储备份技术。 1 ) 磁盘数据存储备份技术 海量数据的磁盘存储备份方式主要采用磁盘阵列技术。 磁盘阵列又叫r a i d ( r e d u n d a n t h r a yo fi n e x p e n s i v ed i s k s 廉价磁 盘冗余阵列) ，是指将多个类型、容量、接口，甚至品牌一致的专用硬磁盘或普 通硬磁盘连成一个阵列，使其能以某种快速、准确和安全的方式来读写磁盘数 据，从而达到提高数据读取速度和安全性的一种手段。磁盘阵列的最大特点是 数据存取速度特别快，磁盘阵列还能够免除单块硬盘故障所带来的灾难后果。 2 ) 磁带数据存储备份技术 海量数据的磁带存储各份方式主要采用磁带库。 广义的磁带库产品包括自动加载磁带机和磁带库。自动加载磁带机和磁带 库实际上是将磁带和磁带机有机结合组成的。自动加载磁带机是一个位于单机 中的磁带驱动器和自动磁带更换装置，它可以从装有多盘磁带的磁带匣中拾取 磁带并放入驱动器中，或执行相反的过程。自动加载磁带机能够支持例行备份 过程，自动为每日的备份工作装载新的磁带。磁带库是像自动加载磁带机一样 的基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但 同时具有更先进的技术特点。它的存储容量可达到数百p b ( 1 p b = 1 0 0 万g b ) ， 可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢 复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。 3 ) 光盘数据存储备份技术 海量数据的光盘存储备份方式主要有两种：光盘塔和光盘库。 光盘塔由几台或十几台光盘驱动器并联构成，可通过软件来控制某台光驱 的读写操作。光盘塔可以同时支持几十个到几百个用户访问信息。 光盘库也叫自动换盘机，它利用机械手从机柜中选出一张光盘送到驱动器 进行读写。它的库容量极大，机柜中可放几十片甚至上百片光盘。光盘库的特 点是：安装简单、使用方便，并支持几乎所有的常见网络操作系统及各种常用 通信协议。 光盘数据存储备份不仅存储容量巨大，而且成本低、制作简单、体积小， 更重要的是其信息可以保存1 0 0 年“1 。 1 2 2 数据存储备份技术比较 1 ) 磁盘阵列是基于硬盘的存储设备，优点在于存取速度快，可支持的并发 请求数量多。缺点是容量相对小，如要达到光盘库的容量，那么硬盘的价格将 是天文数字；硬盘的损坏几率较高，抗震动能力差；要交换数据时必须用其他 介质进行备份后才易于携带；数据容易被篡改；硬盘的寿命较短，一般3 到5 年。 2 ) 磁带是传统的数据存储媒质，具有存储容量大的特点，但是随着对数据 管理的即时性要求和数据安全性的要求，磁带已经不能再适应对海量信息数据 的存储和管理。 首先，磁带对保存环境的要求高。过高的温湿度和不正确的摆放方法会使 磁带变形、变脆或发生复印效应及生霉，从而造成重放信号的丢失或失真；长 时间的强光( 特别是紫外线) 照射、加速了磁带的老化：尘土会使记录有信息 的磁层磨损，重放时出现信号跌落、噪音增大；同时激烈的碰击和外强磁场都 会使磁带中的磁性分子的排列发生变化，从而影响记录在磁带上的信号；即使 在正常保存环境中( 温度为1 8 _ + 1 、相对湿度为4 0 ) 每间隔3 5 年也需要倒 带一次。 其次，磁带访问速度慢。由于只能对磁带内容进行顺序查询，大大降低了 数据检索的速度。 最后，磁带格式不兼容。 3 ) 光盘是数字化信息存储的理想载体。其优点有： a 产品多样化。 b 高容量：每张单面单层d v d 盘片的容量可达4 7 g b ，即将问世的蓝光碟 片单面单层容量高达2 5 g b ； c 高可靠性：光盘的寿命为一百年。 d 高性能价格比的存储介质：光盘的存取速度几乎接近硬盘的速度，可 更换的介质可使光盘的容量达到无限大，同时，可选用多个驱动器和利用双盘 传送来提高存取的性能； e 兼容性好，可以应用于w i n d o w s ，u n i x ，l i n u x 等系统。 f 安装简便：直接与服务器连接，s c s i 接口。 g 使用方便：客户端无需安装任何软件，直接访问。 h 易于管理：管理员专业管理。 i 可靠性高：平均无故障时间2 5 0 万次。 j 对环境要求低：全封闭式机柜，内部自净化可滤系统。 k 检索速度快：支持跨盘检索。1 。 硬盘阵列、磁带库和光盘库三种存储备份技术的存储容量价格曲线如图 1 1 所示。 办 黯万 坤“ 2 s 糟群黛窖麟 图1 1 硬盘阵列、磁带库和光盘库的存储容量价格曲线图 从图中可以看出，随着存储备份数据量的增加，光盘存储备份技术显示出远远 高于硬盘阵列和磁带库存储备份技术的价格优势，其性价比最高。因此，对于 高速公路收费系统的存储容量高、可靠性、经济性高等要求，适宜于采用光存 6 储备份技术对整个系统数据进行存储备份。 1 3 问题的提出 光盘数据存储备份系统主要由两部分组成：光盘和光盘读写驱动器。“。其 组成结构图如图1 2 所示： 图1 2d v d 光盘数据存储备份系统结构图 光盘是数据信息的载体。其基本记录原理是根据光盘存储介质层上不同物 理状态，即“凹坑”和“平台”来代表所存储的数字信息的两种状态“l ”和0 。 对于不同的光盘存储系统，由于光盘的规格( 如物理尺寸，层结构，记录层材 料、信迹分布格式等) 不同，因此由不同的标准规范来定义。光盘读写驱动器 由读写光学拾取单元、伺服系统、信号处理系统、整机控制系统、供电系统、 机械系统等功能模块构成。其中伺服系统和信号处理系统的精确度要求最高， 也是光盘驱动器的刻录芯片的主要组成部分。对于光存储备份系统，其性能的 好坏主要取决于存储备份芯片的性能，因此，基于高速公路收费系统对于信息 存储备份的具体要求及光存储备份技术的优点，本文提出了采用现场可编程逻 辑门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 技术的光存储备份芯片设计方 案。 现场可编程门阵列f p g a 是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的 “。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a 的规模比较大，它可以替代几十甚至几 千块通用i c 芯片。f p g a 所具有的可编程i 0 单元、基本可编程逻辑单元、嵌入 式b l o c kr a m 、布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用内核等丰富的资源，可 以大大缩短设计周期，提高芯片工作性能，并且设计灵活性，可移植性强“， 本设计采用的现场可编程逻辑门阵列f p g a 采用3 0 0 m m ( 1 2 英寸) 晶圆技术，9 0 n m c m o s 铜工艺制造，以及三栅极氧化层技术将进一步提高光存储芯片的性能，增 加存储备份的可靠性，降低设计、生产成本，是作为基于高速公路收费系统的 光存储备份芯片设计的新型理想载体“。 1 4 论文结构安排 本文以目前使用最广泛的d v d 光盘数据存储备份系统为例，介绍基于现场 可编程逻辑门阵列技术的光盘数据存储备份芯片的设计。主要论述了写策略子 系统和自动激光功率控制子系统的设计过程，并对设计原理和仿真结果进行了 详细的论述。 本论文主要分为六大部分，具体安排如下： 第一部分：绪论。介绍课题的背景、研究对象及论文结构安排等。 第二部分：以d v d 光存储备份技术为例介绍了光存储备份芯片的总体方 案、光学拾取单元、光盘结构及其存储备份、光盘数据结构等相关原理。 第三部分：光盘存储备份系统的写策略子系统设计。 第四部分：光盘存储备份系统的自动激光功率控制子系统设计。 第五部分：写策略及自动激光功率控制子系统的f p g a 仿真及验证。 第六部分：对论文的总结及对课题的展望。 第二章光存储备份相关技术概述及芯片总 体方案设计 本章以目前使用最广泛的d v d 光盘数据存储备份系统为例，介绍光存储备 份技术相关原理及基于f p g a 技术的高速公路收费系统光盘数据存储备份芯片的 总体设计方案。 光盘存储备份系统是光学、电子、机械、控制相结合的综合系统，由于欧 洲计算机制造协会e c m a ( e u r o p e a nc o m p u t e rm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 对各种不同种类的光盘制定了相应的标准，因此，光盘存储备份芯片的设计必 须符合光学、光盘物理结构、材料、数据结构等的要求。 2 1 光学拾取单元 光学拾取单元o p u ( o p t i c a lp i c k u pu n i t ) ，即我们俗称的光学头是光存储 备份技术的光学基础，也是光盘数据存储备份系统的关键部件之一，它的基本 结构如图2 1 所示。光学拾取单元主要是由： 1 ) 半导体激光二极管l d ( l a s e rd i o d e ) ； 2 ) 准直透镜( c o l l i m a t o rl e n s ) ； 3 ) 偏光分光棱镜( p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r ) ； 4 ) 1 4 波长板( q u a r t e r w a v ep l a t e ) ； 5 ) 对物透镜( o b j e c t i v el e n s ) ； 6 ) 分光棱镜( b e a ms p l i t t e r ) ； 7 ) 反射镜； 8 ) 圆柱面透镜； 9 ) 四分割光电二极管( 4q u a d r a n tp h o t od e t e c t o r ) ： 1 0 ) 光电二极管p d ( p h o t od i o d e ) ： l1 ) 伺服机构( s e r v o ) 等构成的。 9 图2 1 光学拾取单元结构图 7 1 0 其基本工作原理是：激光二极管( 1 ) 射出的发散p 线性偏振激光通过准直透 镜( 2 ) ，成为平行光，再通过1 4 波长片( 4 ) 时，偏振方向旋转4 5 度，变为圆偏 光，这束平行的圆偏光被对物透镜聚焦到光盘的信息面，再反射回来( 根据盘 面的凸凹对光的反射不同) ，通过1 4 波长片时，再一次偏振方向被旋转4 5 度， 成为s 线性偏振光，在偏光分光棱镜( 3 ) 处被反射到误差检出系和信号系，反射 光再一次被分为两路，误差系的一路通过凸透镜、圆柱透镜( 8 ) ，投影到四分割 的光电二极管( 9 ) 上，模拟前端a f e ( a n a l o gf r o n t e n d ) 芯片根据各象限光量 的大小，进行运算，得到低频的伺服控制需要的误差信号以及高频的d v d 数据 信号r f 信号，另一路信号系的光束由凸透镜会聚到光电二极管( 1 0 ) 把光信号变 为电信号，用于检测激光二极管( 1 ) 的读、写时候的工作情况。 2 2d v d 光盘结构及其存储备份 d v d 光盘按照可记录的次数分为一次记录型和可重复记录型，一次写入型 d v d 数据存储备份光盘有两种类型：d v d r 、d v d + r 。可重写型d v d 数据存储备份 1 0 光盘有三种类型：d v d r a m 、d v d r w 和d v d + r w 。 2 2 1 一次写入型d v d 数据存储备份光盘 一次写入型数据存储备份光盘的记录层所使用的材料是染料( d y e ) 。以单 面单层一次写入型d v d 数据存储备份光盘为例，图2 2 为其层结构“3 。 图2 2 一次写入型d v d 数据存储备份光盘的层结构 该光盘是由两片0 6 m m 的片基黏合而成。一片是空白片基，而另一片是有预刻 槽的片基。预刻槽的片基上涂上记录层( 染料层) ，然后再喷镀反射层。记录层 用来写入数据，并具有记忆功能，能将写入的信息长期保存下来”。 当激光发射器发出高功率的射线，射线的能量使被照射的染料气化，形成 “凹坑”；当激光发射器发出低功率的射线，射线的能量不能使染料发生任何变 化，未变化的区域，形成“平台”。对于一次写入型d v d 数据存储备份光盘，记 录层的染料一旦形成凹坑，就无法恢复原状，也就是只能写入一次。如图2 3 所示为次写入型光盘激光发射功率、记录数据和光盘记录层材料变化之间的 关系。 激光功率 记录数据 图2 3 一次写入型光盘激光功率、记录数据和光盘记录层材料变化关系图 2 2 2 可重写型d v d 数据存储备份光盘 可重写型数据存储备份光盘的记录层使用的是相变( p h a s ec h a n g e ) 材料， 即可逆变结晶材料，这种材料有两种状态，即结晶( c r y s t a l l i n e ) 与非结晶 ( a m o r p h o u s ) 状态，这两种状态对激光有不同的反射特性，并且这两种状态可 以在相应温度下( 通过控制激光的照射功率来实现) 进行转换，所以可以删除 并重新写入数据。1 。 可重写型d v d 光盘的层结构如图2 4 所示。除了片基层、黏合层、反射层 与一次写入型d v d 光盘一样，其在相变材料的记录层上下各有一层热保护层。 热保护层的主要作用是防止高能量改变相变记录层的状态，因此，热保护层又 叫热隔离层或热绝缘层。 图2 4 可重写型d v d 光盘层结构 可重写型d v d 光盘出厂前经过初始化使相变记录层处于结晶状态。在写入 数据时，当激光照射功率迅速提升至最大，使写入区域的相变材料的温度迅速 超过其熔点，之后，立刻停止照射进行冷却，该区域就变为非结晶状态，形成 “凹坑”“”，如图2 5 所示。 时闭 图2 5 可重写型d v d 光盘相变材料记录层非结晶状态图 当用中等功率的激光对非结晶状态的区域进行相对长时间的照射，当该区域超 过结晶温度时，调低功率，之后该区域就恢复为结晶状态，形成“平台”，如图 2 6 所示。 蛄品桃态 ( 高反射宰) 图2 6 可重写型d v d 光盘相变材料记录层结晶状态图 因此，对于记录过的可重写型d v d 光盘，通过改变照射激光的强度，就可以改 变记录层的结晶、非结晶状态，即可以通过改变照射激光强度来改变记录的数 据，这也是d v d 光盘可重复记录的原理。对于相变材料，晶态与非晶态对激光 的反射率不一样：晶态有较高的透光率，可让射线通过到达反射层，非晶态则 很难让光线通过“。可重写型数据存储备份光盘正是利用这个特性保存数据。 图2 7 为可重写型光盘激光功率、记录数据和光盘记录层材料变化关系图。 激光功率 腰记录数据 新记录数据 01001001 0 _ 口00 000 。10 0q0 。100 0 0 0100 00 凹哀平台 图2 7 可重写型光盘激光功率、记录数据和光盘记录层材料变化关系图 2 3 光盘数据结构 数据要记录在d v d 盘片上，必须先经过一系列的编码、调制过程，变成待 刻录的数据，即通道码。通道码是由二进制“1 ”和0 按照某一规则组成的 数字信号序列，每一位通道码称为通道位( c h a n n e lb i t ) ，通道位的长度记为t 。 在d v d 数据存储备份系统中，通道码的两个“l ”之间“0 ”的个数最少是2 个， 最多是1 3 个。这组由“1 ”和2 1 0 、1 3 个0 组成的数据便可以形成开关方 波，“0 ”的个数决定保持某一个状态的时间长短，“l ”则是开关转换信号。开 关方波控制激光学拾取单元的激光照射开和关。在“开”的状态，激光发射器 发出高功率的射线，射线的能量使光盘记录层材料被烧蚀或变成非结晶状态， 形成凹坑；在“关”的状态，激光发射器发出( 较) 低功率的射线，射线的能量 使记录层材料重结晶或不发生任何变化，形成“平台”。由于凹坑透光率低，经 反射层反射回来的光较弱，而岸台具有较好的透光性，反射回来的光较强。因 此，通过检测反射回来的光的强度就可以读回光盘上的数据。相应的当“凹坑” 到“平台”转变或“平台”到“凹坑”转变时，记录的数据为二进制数据“l ”， 其他均为二进制数据“o ”。 由用户数据转换成通道码，即编码、调制的过程，实际是d v d 的数据结构 的转化过程，即由原始的用户数据( 主数据) 按照数据帧，扰频后数据帧，e c c 块，记录帧，物理扇区，记录单元数据形式顺序转换的过程。下面将详细说明 4 d v d 数据编码、调制转换的过程。 2 3 1d v d 的数据转换过程 首先，由主机传过来的数据称为主数据或用户数据，主数据由2 0 4 8 个原始 数据字节组成。在主数据的开头加上4 个字节的标识码i d ( i d e n t i f i c a t i o n d a t a ) 用于标识扇区格式、轨道方式、反射率、扇区所处区域、数据种类、层 数、扇区数等信息，2 个字节用于i d 误码探测i e d ( i de r r o rd e t e c t i o nc o d e ) ， 以及6 个字节的r s v 码，并在结尾处加上4 个字节的错误检测码e d c ( e r r o r d e t e c t i o nc o d e ) 就构成了一个2 0 6 4 字节的数据，将这2 0 6 4 字节的数据排列 成1 2 行，1 7 2 列的结构，此结构称为数据帧或数据扇区，图2 8 为数据帧结构 图。 r 舛i用户数据( 0 1 5 9 ) 用户数据【i n 3 3 1 ) 图2 8 数据帧结构 将数据帧中的2 0 4 8 字节主数据进行扰频编码后，得到扰频编码后的数据帧。 连续1 6 个扰频编码后的数据帧组合在一起，形成一个1 9 2 ( 行) 1 7 2 ( 列) 的 数据块，然后对该数据块进行里德所罗门误码校正编码，即对该数据块1 7 2 列 的每一列数据计算出一个1 6 字节的外部奇偶里德所罗门校验码( o u t e r p a r i t y r e e d s o l o m o nc o d e ，简称p o ) ，在e c cb l o c k 底部形成1 6 行新增p o 行，形成 2 0 8 ( 行) 1 7 2 ( 列) 的数据块，然后对2 0 8 行数据的每一行，经计算得到一 个1 0 个字节的内部奇偶里德所罗门校验码( i n n e r p a r i t yr e e ds o l o m o nc o d e ， 简称p i ) ，这样得到一个2 0 8 1 8 2 的数据阵列，称为误码校正块e c cb l o c k ( e r r o r c o r r e c tc o d eb l o c k ) 。一个完整的e c cb l o c k ，可保证至少在每行上可纠正5 个字节的错误，每列上可纠正8 个字节的错误。如图2 9 所示为e c cb l o c k 结 构图。 i bo obo1boi *b - i ：ib i b 口1 b 1 b1i b11 ：。 b 1 ：1bi bl - b ：eb ：ib ：1 *b ：t ：1b ：b2 1 b 口，b _ ，ib4 ，l *bmmb 口，l ob _ 蚺1 bmob ”ib o i *b 小i ：ib 踟i b 1 f b ”lebn 1ib ”i i b 口i 1 7 1b ”i i b ”i 1 i i b 1 5 2nb ”：1b # ：- *b _ ：i ：ib o ；蝴b 搬1 b ：o ：b2 ：1b ：口： b ：i ：1b ：7 i =b ：o ：1 图2 9e c cb l o c k 结构图 图中b m ，1 1 代表m 行n 列字节。 将e c cb l o c k 以行为单位进行交叉排列，按顺序每隔1 2 行数据插入一行p 0 ， 将1 6 行p o 分别插入到数据行中形成新的数据结构记录帧。即每个记录帧 有1 3 行( 包括1 2 行数据和1 行p o ) 和1 8 2 列，一个e c cb l o c k 将生成1 6 个记 录帧。这种将p o 行分插到各个扇区的方式有利于纠错特征的进一步发挥。 将每个记录帧的1 3 1 8 2 阵列共2 3 6 6 字节的数据以列的中心为界，分为两 部分，即每部分为1 3 9 1 阵列数据块。在每个数据块的每一行开头加上2 个字 节的同步字，成为1 3 9 3 的数据阵列，然后对数据阵列进行8 1 6 调制变换， 将8 比特字节变成1 6 比特，形成1 3 1 8 6 的数据块，称为同步帧。这样，一个 记录帧将生成两个同步帧，两个同步帧又进一步构成一个物理扇区。物理扇区 是将记录扇区记录到d v d 光盘上的数据结构。一个物理扇区共有4 8 3 6 个字节、 3 8 6 8 8 个数据通道位，相当于调制前的2 4 1 8 字节。物理扇区的数据一行接一行 变成通道数据输出记录到d v d 光盘上。 图2 1 0 为d v d 光盘数据存储备份数据编码、调制流程。 1 6 图2 1 0d v d 光盘数据存储备份数据编码、调制流程图 在d v i ) 数据中，附加的误码检测和纠正信息在数据上增加了约1 3 的数据 量，即在每个扇区的2 3 6 6 字节中有3 0 8 个字节用于误码探测和校正。其中6 个 ( 2 + 4 ) 误码探测字节包含在扇区数据中，另外3 0 2 个字节用于r s ( 里德所罗 门) 奇偶校验( 1 2 行中有1 2 0 个，1 7 2 列中有1 7 2 个，另外1 0 个在第1 3 行列 末) 。d v d 采用这种里德所罗门产品纠错码( r s p c ) 方式可将信号随机出错率从 2 1 0 1 ( 二百分之一) 降到1 1 0 1 5 ( 一千万亿分之一) 以下。d v d 最大的可纠 错长度为2 8 0 0 字节，对应于d v d 光盘上的物理长度为6 m m 左右( 对于第二层约 为6 5 m m 左右) 。 在d v d 光盘数据存储备份系统的数据编码、调制过程中，应用了两种技术 决定了d v d 光盘存储备份数据的基本形式，这两种技术是8 一1 4 增强型调制e f m + ( e i g h tt of o u r t e e nm o d u l a t i o np i u s ) 技术和n r z ( n o nr e t u r nt oz e r o i n v e r t e d ) 变换技术。 2 3 2e f m + 调制 e f m + 是8 - 1 4 增强型调制( e i g h tt of o u r t e e nm o d u l a t i o np l u s ) 的简称“”。 光盘存储系统中，采用e f m + 调制的目的是使待存储的数据转换成适合于在介质 上存储的物理表达形式，即将一字节8 b i t 的数据转换成1 4 b i t 的通道码，变换 时从2 “种码型中选出2 8 种码型，选出的码型应满足：在通道码的相邻两个l 之 间必须至少有2 个以上1 0 个以下的0 ，同时为了在读出信号中提取出同步信号， e f m + 中同步信号采用1 4 t - 1 4 t 码型。因而e f m + 遣g 循3 t 1 i t ，1 4 t 规则，即凹坑 平台的宽度存在3 t 1 1 t 以及1 4 t 这1 0 种可能的选择。 之所以采用e f m + 调制方式是因为在写入数据时，当连续出现多个“1 ”和 0 时，将会使激光束的发射处于频繁开通、关闭状态，以至凹坑的长度变得 很短，这将使光盘的制造工艺变得复杂甚至难以实现。在读取数据时，由于通 道码凹坑平台的分辨率受读出激光波长及聚焦透镜的n a 的限制，若凹坑平台 的长度太短，它们的边缘检出有困难；很短的凹坑对于信号的识别来说会产生 不稳定的数据，频繁出现的1会引起伺服电路工作不稳定，频繁出现的“0 ” 会因为较长时间没有“1 ”的出现导致解码电路的压控振荡器工作不稳定，同 时，长距离的凹坑或平面也会影响读取设备的跟踪能力。 2 3 3n r z i 变换 数据在数据存储备份到光盘之前还要采用n r z i 变换，使待存储备份的数据 变成只有在数据“1 ”出现时才发生跳变，而数据“0 ”时，则保持前一个状态。 如图2 1 1 为n r z i 转换原理图。 图2 1 1n r z i 转换原理图 这样，就使待存储备份的数据与d v d 的凹坑和平台相对应，在d v d 光盘上从凹 坑到平台或从平台到凹坑的变换代表二进制的数据“l ”，不变换代表二迸制数 据“0 ”。如图2 1 2 为n r z i 转换时序图。 e f m + 调制后i 6 _ b i t 数据 n r z 转换庙数据 n r z i 转换后数据 。1 1 f o l o f l 什l o | 1f 0 i o 什f 。i 厂厂厂厂 厂 厂 图2 1 2n r z i 转换时序图 2 4 光存储备份芯片设计总体方案 光盘存储备份芯片是光盘存储备份系统的主要组成部分，其结构如图2 1 3 所示： l 旦壁苎! 芝婴婴j 图2 1 3 光盘数据存储备份芯片结构图 1 9 d v d 光盘数据存储备份芯片主要由以下8 个子系统组成，分别是： 1 ) o p c o p t i m u mp o w e rc o n t r o l 最优功率控制子系统； 2 ) a p c a u t ol a s e rp o w e rc o n t r o l 自动激光功率控制子系统； 3 ) w r i t es t r a t e g y 写策略子系统； 4 ) e n c o d e m o d u l a t i o n 编码及调制子系统： 5 ) p l l p h a s el o c k e dl o o p 锁相环子系统： 6 ) s e r v o 伺服予系统； 7 ) r e a dc h a