CD光盘的编码与纠错

CD光盘的数据结构

本文是《有多少错误可以忍耐？CD与DVD光盘质量深入探讨》专题的一部分

可以说，CD光盘是人类信息化历史上的一个重要的突破。CD最早于1982年10月份诞生，虽然距今已经有20多年的历史，但它的相关设计在今天看来，仍是非常先进的，而且生命力仍然旺盛，即使是在DVD日益盛行的今天，也是重要的数据载体（媒介）。

要想了解CD光盘的纠错原理，就不能不先了解CD光盘的数据结构，确切的说就是CD光盘上数据的编码原理，它几乎囊括了当时最先进的编码技术，DVD与之相比，也并没有本质的变化。

CD光盘最早的产品是CD-Audio，其技术规范被称为红皮书（Red Book)，应用于唱片领域，所以即使有了日后的其他扩展规范，也都是以它为基础制定的。

在CD光盘中，数据的最小的可访问存储单位是Block（块），在CD-ROM规范中则称之为Sector(扇区）。在Red Book规范中规定，它们由若干个子块组成，这个子块就是比较难于理解的帧（Frame)。什么叫帧呢？我们可以理解为CD光盘编码的单位。从下面这张CD光盘的数据流程图中，我们可以了解帧与块的关系和概念。

CD光盘的数据流程，以CD-Audio为例（点击放大）

我们现在可以反向的来理解CD-Audio的数据结构的设计原理。由于CD-Audio分为左右立体声道，每个声道的取样精度为16bit，取样频率为44.1KHz，也就是说每秒取样44100次。CD-Audio规定，每一秒钟所读取的块数为75个，每个块又包含98个帧，那么采样数分摊下来是多少呢？44100÷75÷98=6，也就是说每一帧的取样次数为6次，每次两个声道，每声道的取样精度为16bit，因此一帧的容量就是6×2×16=192bit=24字节。这就是一帧数据为什么是24字节的来历（请注意图中红圈的部分，那就是决定CD光盘纠错的重要部分，也将是下文中着重介绍的内容）。

我们现在知道了CD光盘一个块的容量就是2352字节，这也是所有CD规范的通用块容量。但是，后来出现的CD-ROM规范中则将扇区的内部设计进行了更改，

CD-ROM的几种扇区格式（点击放大）：Mode 1就是我们常用的CD-ROM电脑数据光盘的格式，Mode 2则是CD-I、VCD、CD-ROM XA等光盘的格式（其中Form 1也是电脑数据光盘格式）。其中ECC代表额外的错误纠正码，EDC为错误检测码（CRC校验）

注意，上图只是扇区（块）的格式图，不要将它与上面的CD数据流程图弄混了，尤其是ECC部分，与图1中的“校验”是两码事，这一点我们将在下文会进一步讲到。