不才做光盘的-说说JITTER

googoodos · 发表于 2008-4-7 13:37:35

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首先明确，jitter产生于数模转换过程，即使是CD to PC，也是模拟转数字，不过与数字音频转波形音频不一样，Why？

先说明JITTER定义：
CD与DVD的刻录都是非常精密的，这主要反映在两个方面——刻录刻录点的精确程度与刻录功率的匹配程度。
刻录功率的匹配程度上面已经讲了，现在就来看看刻录刻录点的精确程度了。
什么是刻录点？就是一个信道脉冲体现在光盘上的点，光盘上的刻录点必然要有长度的，而在读取/刻录时，光盘在旋转过程中让激光扫过这个长度，肯定是需要时间的。OK，1bit刻录点的长度与时间也因此而确定下来，不能超出规定的范围！

光盘上的信息刻录点都有精确的规定
那么CD与DVD的刻录点的长度与时间各是多少呢？它们又是怎么怎么计算出来的呢？这里我就介绍一下，别嫌烦，看过之后你就能明白这种刻录点（Pit或Land）长度与时间的精确性是多么的重要了。
我们现在知道CD在刻录时一帧的容量是36字节，这其中有3个同步字节，在经过EFM+3bit合并码（取8-17）调制之后，即变成了588bit的信道脉冲，计算公式是：
32（24字节数据+8字节C1、C2校验码）×17（每字节转换成17bit）+1（控制码）×17（每字节转换成17bit）+24bit（3个同步字节，不用8-17转换）+3bit（合并码）
我们知道CD一秒钟读取75个数据块（扇区），每块98帧，这样一来，一秒钟的总信道脉冲数量为：588×98×75=4321800，即4.3218Mbit/s（这里的1M=1000000），这就是CD光盘数据的调制频率，也称4.3218MHz，那么这些脉冲平均的用时是多少呢？1/4321800=231ns，这就是CD数据1bit刻录点所要用的时间，业界称之为信道脉冲单位时间，简写为大写的T（Time）。
CD光盘在1倍速的旋转速度是1.2-1.4M/s，那么这些脉冲的平均占用的长度是多少呢？1.2或1.4/4321800M=0.277um或0.324um，我们称之为信道脉冲单位长度，简写为大写的L（Length ）。
好啦，现在我们就知道CD有关刻录点记录长度与时间上的要求了。但是，由于CD的EFM编码的RLL（2，10）规定和电平高低翻转代表逻辑1的设计，使其不可能有单独的刻录点出现。事实上，CD与DVD一样都采用了非归零倒置（NRZI，Non Return to ZeroInverted）脉冲编码的形式。它是在传统非归零NZR编码（一个电压代表1，一个电压代表0）基础上改进而来。由于只要识别电平翻转即可，所以具有更强的抗干扰能力，除了CD、DVD外，在网络通信领域也被大量采用。

NRZI编码示意图
从图中可以看出，NRZ就是我们平时所理解的那样逻辑电平表示法，而NRZI则在遇到1时将电平翻转，由于EFM编码后不可能有连续的1，所以1后面肯定就是0了。这样，在读取识别时就可以按下面的方法进行：
若：低（高）电平持续时间/信道脉冲数量=N，那么所代表的信息就是1后面有N-1个0。
比如，电平的持续时间为924ns，那么就意味着有924/231=4个信道脉冲，这4个脉冲的代码就是1000。
所以，虽然EFM编码将0的个数限制在2至10个之间，但在实际的刻录中，0所占在的电平周期都要加上1。也就是说，在CD刻录时，可能出现的稳定电平时间就是3T-11T。这就意味着，CD上的一个刻录点至少将由3个信道脉冲组成，在光盘上所占据的长度就是0.83um（1.2M/s）或0.972um（1.4M/s），刻录点的用时在693ns（3T）至2541ns（11T）之间。
现在我们就能明白时间与长度精确性是非常重要的，而且它们是相辅相承的，用时超出了规定范围，长度也肯定会超出范围。如果误差大到一定的程度将会影响NRZI解码时的判断，比如将4个T的电平周期识别成5个T，就肯定会出现错误的数据了，进面影响后面的C1、C2解码的错误率。严重时，如果是CD-ROM将出现数据错误，如果是CD-Audio则甚至会改变声音的特性。
因此，业界对刻录时产生的时间误差非常关注，并设定了相关的检测标准，这就是Jitter。由于相对于刻录长度，时间更容易测量，因此Jitter就是指刻录的数据周期与标准数据周期（时钟）之间的误差。

在读取时光盘刻录点的时间与长度由RF控制信号表示
在读取时，经过激光的扫描，CD将会生成RF（射频，Radio Frequency）信号，它也称为高频信号（HF，HighFrequency），从上图中可以看出，RF信号用波长的半周来对应一个刻录点，那么对3T的刻录点来说，RF频率就是1/（4321800÷3）÷2=720300Hz，对于11T的刻录点来说，RF频率就是1/（4321800÷11）÷2=196445Hz。因此，业界标准也就规定RF的频率上限为720KHz，下限为196KHz，有可能在一个周期内，上半周的频率为720KHz，下半周的频率为196KHz。此外，RF针对不同周期的信号振幅也不一样，T3时以I3表示，T11时以I11表示，它们的高低代表了反射峰值电平。

RF信号示意图，红色的数字表示下半周的可能长度，因为RF信号的上下半周将各自针对Pit（或Land）的长度，频率很可能不会一样，图中的I3与I11则表示了3T与11T时的信号振幅
CD-ROM规范中规定，RF信号的最高电平为ITOP，那么I3/ITOP应该在30%至70%之间，I11/ITOP应该在60%以上。它们将是正确识别信号的关键，因为RF信号将经过A/D转换成EFM编码，因此识别的正确性必将关系到数据的正确性。

左图为Jitter较小的RF信号，右为Jitter较大的RF信号，可见右边的信号较为模糊，由于模拟/数字转换时，以信号的逻辑识别电平为脉冲的翻转点，所以信号越模糊，脉冲翻转的误差也就越大
显然，Jitter的存在将影响RF信号的精度。Jitter的出现，是有多方面原因的，说白了Jitter就是指刻录点的位置偏差，上面讲到的BETA也会对Jitter产生影响。为什么呢？如果OPC设计不良，将造成Pit与Land之间的边缘不清晰，从而影响RF信号的识别波形，如果刻录点的边缘锐利，那么RF信号也就更为锐利清晰。另外，假如刻录的功率不足，也将影响RF信号的振幅，从而给识别造成影响。
由于T3是最常见的刻录点长度，因此Jitter的测试也大多以3T为单位进行，并且分为Pit 3T和Land3T两部分。面向CD-R/RW的橙皮书最早对CD光盘的Jitter做出了规定，后来相关的标准也加入到新版的红皮书中，而且在黄皮书中也有相关的规定。前两者规定Jitter误差比不能超过15%，即约为35ns，如果达到115ns（50%），则肯定会发生错误，后者则规定Jitter的峰值不能超过50ns。

googoodos · 发表于 2008-4-7 13:37:50

file:///C:/DOCUME%7E1/jerry/LOCALS%7E1/Temp/moz-screenshot-3.jpg恼火，PPT里的贴不进来。很多资料

file:///C:/DOCUME%7E1/jerry/LOCALS%7E1/Temp/moz-screenshot-4.jpgfile:///C:/DOCUME%7E1/jerry/LOCALS%7E1/Temp/moz-screenshot-5.jpg

[ 本帖最后由 googoodos 于 2008-4-7 14:02 编辑 ]

googoodos · 发表于 2008-4-7 14:01:47

光盘上不是记录数字的，而是信息坑，坑的形状和坡度都对信号产生严重影响，
表2，DVD9压模的测试数据

	3T Pit	Long Pit
Width	Angle	Depth	Length	Width	Angle	Depth
[nm]	[º]	[nm]	[nm]	[nm]	[º]	[nm]
Layer0	206	41.8	132	477	232	53.3	144
Layer1	210	52.9	139	463	215	50.7	150

从以上测试结果看，信息凹坑的宽度较窄，这是由于该母盘制作系统的刻录激光波长较短，聚焦光斑尺寸较小。这会造成读出信号变小的缺点。

那激光斑识别这些信息坑的时候又受到光头功率，光盘转速，光盘本身的翘曲等诸多因素的影响，因为温湿度引起的光盘变形就不提了

你说“0”“1”从哪个位置开始？1？2？3？，结束也一样的道理

[ 本帖最后由 googoodos 于 2008-4-7 14:27 编辑 ]

小白 · 发表于 2008-4-7 16:54:07

请继续.

googoodos · 发表于 2008-4-7 17:39:32

光盘标准书：“以0代表坑或平地，而1代表从坑到平地或平地到坑之间的转换。”
光盘上的坑长短不是代表内存里处理音频数据的二进制，为什么这样？因为纯数据经常是0和1频繁的出现，而这样的数据很难在光盘上表达，如果用需记录的数字信号直接调制（开/关）激光束机刻录的话在读取信息时会发生很大困难，比如：频带会很宽，因为信号可能是10101010，频率很高；也可能连续几千个0，不但频率低，而且读取信号的激光束会丢失跟踪信息轨迹的信号，所以CD采用8-14调制技术，就把0和1隔的很开，避免上面问题的产生。

在读取记录在光盘中的信息时，我们可根据上述的编码规则反向解码还原出原始数据。

所以在读取坑岸转换的时候，也就是0和1产生的时候，而这些坑岸的位置与系统标准时钟总会有差异，这些差异的标准偏差除以1T得到的百分率就是jitter。
file:///C:/DOCUME%7E1/jerry/LOCALS%7E1/Temp/moz-screenshot-6.jpg
影响因素       由光学头上盘片上将数据读出，经过放大、均衡、限幅和时钟信号提取，再进入解码器，期间任何一个环节都将对抖晃产生影响。此外，跟踪、聚焦性能的好坏，由于影响的光学头的读取，同样会引起抖晃值的变化。因此，只有其余环节是标准的，就可通过抖晃这一参数来评价这一环节的质量。在为盘片质量的评价参数的抖晃需在其它这些环节上保证为标准。
      对于作为盘片质量的参数，抖晃的主要受盘片如下因素的影响。
      坑点长度一致性差：当盘片上坑点是长度方向上一致性差，将直接导致抖晃值上升。
      坑点深度不够：当坑点深度不够时，反射光对比度小在进行二值化处理时将可能出现误判，造成抖晃值增加。
      坑点边缘不尖锐：当坑点边缘不尖锐时，造成信号上升或下降摆率小，二值化处理边缘分布区广，造成抖晃值增加。
      表面缺陷：黑点，气泡等表面缺陷均可造成抖晃值的增加。

maya · 发表于 2008-4-7 23:44:07

楼主不用贴得这么辛苦，这种文章网上到处都是！都是很久前的文章了。

楼主既然是做光盘的，来这里科普一把！建议简明扼要地表达清楚正确的观点，因为坛子很多朋友都没专业背景，看太专业的文章有时反而会断章取义。适得其反啊！

顺手贴个链接： http://www.pcdog.com/network/storage/2006/11/u170491.html

kell · 发表于 2008-4-8 08:11:25

鼓励楼主、总和一下文章的内容。先给你加亮！

kell · 发表于 2008-4-8 08:21:16

原帖由 maya 于 2008-4-7 23:44 发表
楼主不用贴得这么辛苦，这种文章网上到处都是！都是很久前的文章了。

楼主既然是做光盘的，来这里科普一把！建议简明扼要地表达清楚正确的观点，因为坛子很多朋友都没专业背景，看太专业的文章有时反而会断章取 ...

贴过来也是“劳动”吗、鼓励一下。
到是应该清理、整顿、理顺一下文章的内容、使其更明了化、更易懂化。

googoodos · 发表于 2008-4-8 11:03:18

其实想手绘的，但是难搞，
总结一下：
主要看image002和image003就可以了，就是HF高频信号与系统标准时钟（T＝231纳秒）在对应上有偏差，这个偏差被标准化后就是Jitter。
HF信号来源于光盘，是激光头读取光盘表面结构时，光波照射到坑岸结构反射回来后，被4象限光感应器转换成电子信号即电流，4象限光感应器电流求和(要考虑相位的)后得到高频信号。
由于光盘上太多的坑岸结构，这些结构与标准数据
比如坑长50nm，实际的结构会有变动49.92，50.02...，这些变动是正态分布的，有点统计知识的都知道，正式由于坑安结构的正态分布，导致激光头在读取这些结构的时候，得到的高频信号起始位置也会正态分布

googoodos · 发表于 2008-4-8 11:59:28

高频信号的周期即起始位置差异的正态分布，导致了这个与标准时钟的偏差，也是正态分布了。所以Jitter也是正态分布的。

想要消除Jitter，possible in future：

光盘转数字，maybe possible，光盘的坑岸结构的差异变动小到单个时钟周期能够识别并忽略，或者这个时钟单位更小（比如0.1T＝23.1纳秒，0.01T＝2.31纳秒...）才能更准确的捕捉，当然这里排除了光头读取的影响。但实际上以目前的技术水平，在CD上是十分困难的。也许未来更小的结构出来，更小的时钟周期出来就可以把Jitter做到更小更小，以至于人耳不能分辨了。光盘Jitter最大影响是母盘和压制工艺。

数字转波形，maybe possible，同样的道理，就是反向过程。但影响最大的是标准时钟和采样率，标准时钟由系统产生，好的DAC贵在哪，就是产生标准时钟的晶体贼贵。从上面的模拟玄波和方波图可以看出，方波越精细就越接近玄波，就越能还原真实的声音。想要方波精细就要提高抽样。
所谓96KHZ/192KHZ的回放与录制就是要把方波精确的模拟玄波上。很明显更大数据容量更多的反应信息。有损压缩就是减少采样，当然没有原音细节丰富。
DVD-audio，国内咋那么哪找？

APE是无损压缩，没错，计算机只会安程序运行。但是前提是你抓轨的时候，Jitter在不停的产生啊，你再怎么转WAV也是徒劳的，再刻碟，呵呵，Jitter会随着你激光头烧坑的时候，又产生了。但这里的Jitter和抓轨的Jitter是不一样的，因为Jitter是正态分布的，不可能重复，只能从统计学上反应整体的表现。你再用设备读光盘，这里Jitter又重新开始产生。3个过程Jitter是不同的，所以理论上不能说这个过程是Jitter恶化的过程，要看实际Jitter值是不是真的变大了。但大多数情况好像是Jitter放大了。

[ 本帖最后由 googoodos 于 2008-4-8 12:21 编辑 ]

googoodos · 发表于 2008-4-8 13:44:52

再简单一点：
CD光盘，是记录岸和沟的，结构就像平原上的蒙古包，一坨一坨，只不过大小不一，按照园的渐开线排列即轨道
CD-R，是记录坑和沟的，结构就像下了雨的烂泥地，一个坑一个坑的，也是按照园的渐开线排列
读光盘的时候就是按轨道方向认这些岸和坑，岸坑的长短反应数据，从岸到平地和平地到岸或坑到平地和平地到坑的过渡状态产生的信号与标准的信号对应时有偏差就是JITTER。

JITTER是正态分布的，不可重复，不可模拟。

音频转数字以及反过程不会有JITTER，但是要实现这个功能的设备和工具必然要产生JITTER。

有人说，要以数字形式的发布音乐，你耳朵能听方波吗？你耳朵是数字的吗？

[ 本帖最后由 googoodos 于 2008-4-8 13:46 编辑 ]

yyhapril · 发表于 2008-4-8 13:56:56

LZ，关于光盘转数字，maybe possible，光盘的坑岸结构的差异变动小到单个时钟周期能够识别并忽略，是否笔误，我的理解是光盘的坑岸结构的差异变动小于单个时钟周期。
还有一个问题，就是一般CD转盘读取和EAC软件用光驱抓取哪一种方式更完美呢？

[ 本帖最后由 yyhapril 于 2008-4-8 13:58 编辑 ]