深入探讨HD-DVD及BD-DVD技术架构及优势

宽带网络新技术及更高画质的家庭影音产品让现有DVD盘片的储存容量开始不足，需要更高容量的设备来储存高分辨率数字电视或是大容量资料，因此继 DVD而起的蓝光技术将成为下一世代光储存的研发重点。本文将为读者深入介绍在蓝光储存领域中分庭抗礼的两大势力──HD DVD及Blu-Ray Disc，并分析其技术上之优势与未来发展动向。
　　光盘储存技术由CD发展至DVD，容量由650MB提升至4.7GB约为6～7倍，且DVD播放机已进入家庭成为家庭影院的重要成员，光储存技术的日新月异已大量散播影音娱乐到各个家庭。随后出现可写入型DVD盘片，规格区分为由DVD Forum支持的DVD－R/RW与DVD＋RW Alliance推动的DVD＋R/RW两种，直到目前两规格还尚未统一，但也因为DVD-Dual以及DVD-Multi等复合式碟机的推出，逐渐摆脱了彼此无法兼容的问题，此外DVD录放机也应运而生，可记录约133分钟经MPEG2编码的影视信息或可写入型DVD光驱储存之高密度资料。

当务之急——提升储存容量
　　随着宽频网络新技术及更高分辨率的家庭影音产品的出现，DVD容量就显得不足，储存两小时MPEG2压缩的高画质电影或是电视节目记录容量必须超过单面20G以上，因此更需要高容量来储存高分辨率数字电视或是大容量资料。按照现行的DVD规格，用来录制HD-TV标准的高分辨率数字电视节目，一张光盘可以容纳的节目时间还不到1个小时，尚无法具有完整纪录一部电影的容量。因此下一代DVD格式所面临的首要问题就是如何提高储存容量。许多主流厂商目前已提出下一代的光盘规格，选择使用蓝紫色雷射光源的新一代DVD光盘称为High Definition DVD（HD-DVD），此外因为使用蓝光雷射所以也称为蓝光光盘，它提供更快速、更高容量的储存媒体，让家庭娱乐有更多精致及不同的选择。

蓝光规格两大势力相继崛起
　　继DVD之后世界主流厂商均以蓝光HD-DVD为光储存的研发重点，在2002年2月19日由9家国际主流电子巨头（9C；Matsushita、 Hitachi、Pioneer、Sharp、Philips、Tohomson、Samsung、LGE）共同发表的Blu-Ray Disc规格，可擦写23GB、25GB及27GB为主，起初目的是以Rewirtable Disc为切入点以配合即将普及的HD-TV，所以没有考虑兼容性的问题，因此并未提交DVD Forum进行讨论。另外2002年8月由日本Toshiba及NEC两家公司共同发表了AOD（Advanced Optical Disc）读写容量为20GB，所提出的规格是较易与现有的DVD产品达到兼容效果，也于DVD Forum提出并与各会员公司进行规格之细步讨论与制定，最后顺利推出HD-DVD规格。

HD-DVD
　　HD-DVD盘片初步定为只读型及可复写型两种，只读型单面单层为15GB、单面双层为30GB；单面双层可复写型20GB、单面双层则为 40GB。采用雷射波长为405nm的蓝光及透镜数值孔镜值（NA）为0.65的物镜来记录和播放由2张厚度为0.6mm的盘片底板粘贴而成的光盘规格，如（图一）所示，轨距也由DVD的0.74μm缩小至0.34μm或0.4μm，更进一步将pit长度缩短。物理上，藉由缩小轨距及pit长度与缩短雷射波长达到提高记录密度的目的。HD-DVD盘片其只读型及可复写型的规格比较可参考（表一）。





兼容性高
　　因为NA值与现行DVD盘片接近且盘片结构与DVD相同，因此更容易与现行DVD光盘保持兼容性，且可继续使用现有DVD光盘的生产设备，便于扩大光盘和物镜的距离，不需要光盘卡匣等，大大的降低从现有DVD过渡至HD-DVD所需的成本。而另一方面，为了控制由光盘弯曲和扭曲造成的倾斜角，就必需要有倾斜补偿伺服装置；而Blu-Ray Disc规格的0.1mm覆盖层由于对倾斜角的容许量较大，因此不需要倾斜补偿伺服。但因为0.1mm规格的覆盖层容易出现由厚度误差引起的球面相差，因此就必须对物镜加入补偿装置。

　　HD-DVD记录方式采用与DVD-RAM相同的land及沟槽记录的方式提高记录容量，Blu-Ray Disc则是使用沟槽纪录的方式。HD-DVD在盘片的land及沟槽间隔的设计上比较宽，因此可以得到明显的跟轨误差讯号（Tracking Error Signal），相较于一般沟槽记录的规格比较，推挽（push-pull）方式跟轨误差的S/N值大于10dB，之后即使要进一步缩小轨距也可方便地重新设计。

　　HD-DVD可覆写型空白的盘片其位置信息是储存在经过调变的wobble上，称为周期性位置的摆动地址（Wobble Address in Periodic position；WAP）。利用标准相位摆动（Normal Phase Wobble；NPW）及相反相位摆动（Invert Phase Wobble；IPW）经由调变来储存信息，由于HD-DVD的纪录方式是land及groove纪录，因此在会有一边是指示groove的信息，另一边则是指示land的信息。

　　HD-DVD更采用硬盘中常用的部分反应最大相似（Partial Response Maximum Likelihood；PRML）技术，其架构较复杂但抑制ISI（Inter-Symbol Interference）效果好。此外，在可覆写型盘片的主轴转速控制则是采用与DVD-RAM规格相同的ZCLV方式，而在只读型盘片仍是采用CLV 的控制方式。在数据结构上ECC Block长度则由现行DVD的32KB，加大成为64KB，在重复读取小区块、大量档案资料时，雷射头不必来回检查档案正确性的通用的盘片格式（Universal Disk Format；UDF）起始结构，格式效率为81.6％。

效率更高的编码技术
　　目前只读型盘片单层容量为15GB，容量方面虽然与Blu-ray Disc的25GB左右的容量比起来要小一些，但HD规格宣称对于拥有高效率的新编码技术如VC-9编码15GB的容量已相当足够。15GB的盘片若以 15Mbps的编码速度可容纳132分钟的影片。但是如果是单面双层的光盘的话，将会容纳27GB～30GB的资料，即使是编码速度高达20多Mbps的 **数字电视录像也能记录3个小时左右。

Blu-Ray Disc

更大的储存容量
　　Blu-Ray Disc（以下简称BD）在单面单层有23.3GB、25GB及27GB三种盘片，另外单面双层有46GB、50GB及54GB三种盘片，上述为可复写型；之后也发展播放用的只读型盘片BD-ROM（Blu-ray Disc ROM）。为了提高记录容量，BD规格采用405nm的蓝紫光雷射波长以及物镜NA为0.85来缩小光点的尺寸，如（图二）所示，让光点能在高密度光盘中准确读写资料，但缺点是容易造成光差增加。



　　BD盘片是由厚度为1.1mm的基盘与0.1mm厚度干净、无缺陷的覆盖层为保护层组合形成的，所以当盘片有指纹、刮痕或是灰尘时对光盘的读写品质是有相当的影响，且缩短雷射波长及提高NA值，若以红光DVD雷射光点面积为100％，BD光点的面积比为DVD的19％，以致缺陷（defect）可能比光点大很多导致抵抗能力有限，因此需有较强的ECC修正功能、hard coating或是卡匣等等的保护，请参考（图三）。



　　比较现有DVD与HD-DVD及BD盘片，不同盘片对于平坦度的影响，而盘片的容许倾角范围与平坦度有相当的关系。平坦度正比于λ/（t × NA3），比较时以现有DVD当成比较的依据，HD-DVD的NA值与DVD接近，但波长（λ）缩短至405nm，所以盘片容忍度约为DVD的一半。而 BD因为NA值比DVD大1.42倍，导致光轴与光盘记录面的容许倾角范围缩小2.9倍，且波长缩短又使得容许倾角范围缩小1.6倍，又容许倾角范围与盘片覆盖层厚度及NA的3次方成反比，因此基于倾角考量选取0.1mm的覆盖层以减其厚度，以改善光盘片与光轴入射角度偏离90度的相差问题，其容忍度也与 DVD较接近，请参考（表二）。



　　盘片记录容量受到NA值及雷射波长的影响，将BD记录容量（0.85/405）2除以DVD记录容量（0.60/650）2可计算出BD记录密度为 DVD的5倍左右，以相同的方式计算HD-DVD约只有DVD的3倍。在RF讯号处理上BD采用limit equalizer，其架构较简单，抑制ISI的效果有限，因为BD采用高NA且缩小最小pit的长度，所以本身ISI的现象相较于HD-DVD就不是很严重，但在实际应用上也可加入PRML技术，以提升资料判断的正确性。

　　BD盘片预刻的位置信息不同于HD-DVD格式是采用最小移动讯息（minimum-shift-keying；MSK）的记号与锯齿状摆动（saw-tooth wobbles；STW）及单频的摆动（monotone wobbles）结合而成的格式，对于下列几种的影响具有强健性：

●媒体、沟槽噪声、及写入资料的干扰（cross-talk）；

●Wobble PLL锁上后wobble位置相对于ADIP单元的起始存在不确定；

●邻轨wobble讯号所造成的影响（cross-talk）；

●由于盘片表面的灰尘及刮痕导致的局部缺陷（local defects）。

　　而在数据压缩上，影像纪录格式采用MPEG2的压缩技术，声音纪录格式采用AC3、MPEG1、Layer2技术，影像及声音混合格式则是采用 MPEG2 transport stream的技术，所以一片27GB盘片可以记录超过2个小时的数字高画质的影像或是13小时标准TV（SDTV；资料速率3.8Mbps）。不同现有 DVD技术，BD-ROM使用更强大的加密规格系统基于128-bit 先进加密标准。它的特色是可藉由密码废止（key revocation）将系统更新加上物理技术来避免bit-by-bit的复制到记录媒体上。这样的架构下，在mastering的过程中，内容提供者（content providers）会在欲记录盘片上插入叫做“ROM mark”之记号，目的不仅在预防随机的拷贝，更要防堵专业的拷贝。

　　就编码方式来看，现有红光DVD的盘片密度比（Density Ratio；DR）较HD-DVD及BD都来的高，请参考（表三）。在BD资料格式每45bit会加入1个bit来做DC控制（DSV control），所以BD真正的coding rate还要在乘上（45/46），比起HD-DVD要低一些。但也因为加入DC控制的位，因此对DSV控制而言，BD会比现有DVD好，HD-DVD又比DVD差。



　　综合上述，光盘片的发展由CD、DVD、一直到近期发展的蓝光光盘片各个波长、NA值、记录层的位置及显微镜观察的归纳结果可参考（图四）。盘片发展的趋势是轨距及光点越来越小，记录的资料长度也越来越小以获得较大的纪录密度。（表四）为DVD-RW、HD-DVD及Blu-Ray Disc的规格比较表。





结论
　　HD-DVD规格相较于BD规格最大的优势就在于能够兼容现行的DVD，使得盘片生产厂商由DVD转换至HD-DVD时所需的成本能够降到最低，就生产技术上而言HD-DVD也较BD的困难度低。BD盘片的覆盖层只有0.1mm，防刮防污能力差，需要卡匣且生产制程较困难；而HD-DVD盘片虽然记录容量较小，但防刮防污能力好，不需卡匣，因此生产制程较容易且成本较低。

　　DVD Forum为国际制订DVD规格主导者，目前DVD Forum成员亦针对蓝光新规格彼此展开竞争。目前DVD Forum的20家Steering Committee的成员分别支持两种蓝光光盘规格，形成HD-DVD（12家）与Blu-ray Disc（11家）分庭抗争的局面，那一方会胜出还有待今年的持续观察。