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光盘存储系统设计原理

光盘存储系统利用激光在旋转盘片上读写数据，通过凹坑/平面编码二进制信息，结合伺服跟踪与纠错编码实现高密度存储，存储容量与激光波长成反

光盘存储系统的核心是盘片的物理结构,其设计直接影响存储密度和读写性能，典型光盘结构如下：

层级	功能描述	材料示例
基板层	保护盘片并提供刚性支撑	聚碳酸酯（PC）
记录层	存储数据的介质，通过物理/化学变化记录信息	CD：有机染料；DVD：金属合金；蓝光：无机化合物（如GeSbTe）
反射层	增强光信号反射率	铝（Al）或银（Ag）
保护涂层	防止氧化和划痕	紫外固化树脂或硬质涂层

不同格式光盘的物理参数对比：

参数	CD	DVD	蓝光（BD）
激光波长	780 nm	650 nm	405 nm
数值孔径（NA）	45	6	85
最小凹坑尺寸	83 μm	4 μm	16 μm
存储容量	700 MB（单层）	7 GB（单层）	25 GB（单层）

光盘通过凹坑（Pit）和平地（Land）的几何排列表示数据，需通过调制技术将原始数据转换为适合物理存储的代码。

调制方式
- CD：采用EFM（Eight-to-Fourteen Modulation），将8位数据扩展为14位通道码，同步信号并限制直流分量。
- DVD：使用抖动调制（Wobbled EFM），在EFM基础上引入频率抖动以抑制低频信号。
- 蓝光：支持更高阶调制（如1-7PP调制），适应更小的凹坑尺寸。
错误校正码（ECC）
- CD：采用CIRC（Cross-Interleaved Reed-Solomon Code），可纠正约2 mm的连续错误。
- DVD/蓝光：使用更高效的RS-PC（Reed-Solomon with Parity and Cross-interleave）码，纠错能力提升至数毫米。

光盘驱动器通过激光束聚焦到记录层,利用反射光差异读取数据，并通过热效应或相变写入数据。

光盘存储系统设计原理第1张

读操作
- 激光照射到盘片,凹坑和平地的反射率差异导致光强变化，光电探测器将其转换为电信号。
- CD/DVD：凹坑深度为波长的1/4，产生相位差；蓝光：利用更短波长提高分辨率。
写操作
- 一次性写入（如CD-R）：高功率激光加热记录层，使其永久变形或化学分解，形成凹坑。
- 可重写（如DVD-RW）：采用相变材料（如GeSbTe），激光加热使材料在晶态（反射率高）与非晶态（反射率低）间切换。

记录层材料
| 类型 | 特点 | 适用场景 |
|—————-|——————————————–|————————|
| 有机染料 | 低成本，易生产，但耐久性差 | CD-R |
| 金属合金 | 高反射率，适合多次写入 | DVD-RW |
| 无机相变材料 | 稳定性好，支持高密度存储 | 蓝光 |
镀膜工艺
- 溅射法沉积反射层（如铝膜），保证均匀性和低粗糙度。
- 旋涂法制备保护层,控制厚度以平衡抗划伤性与信号衰减。

聚焦伺服
- 通过检测反射光强度调整物镜位置,保持激光焦点在记录层（误差<±0.1 μm）。
- CD/DVD：单透镜系统；蓝光：采用更高折射率透镜或多层透镜组。
跟踪伺服
利用循轨信号（如推挽法）控制光头径向位置，确保激光始终对准轨道中心。
主轴电机控制
根据读写速度调整盘片旋转速率（如CD为1x=1.2 MB/s，蓝光1x=36 MB/s）。