Из каких элементов состоит дорожка цифровой записи компакт диска
Воспроизведение цифровой фонограммы – процесс обратный записи. Процесс преобразования последовательности отсчетов в аналоговый звуковой сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройство – цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Для широкого внедрения цифрового способа записи-воспроизведения звука
необходимо было разработать носитель цифровой информации.
8. Каким образом организовано управление скоростью вращения компакт-
диска? Для чего это необходимо?
Информация записана на дорожке, расположенной на компакт-диске
в виде спирали. Шаг витков спирали 1,6 мкм. Всего дорожка образует на компакт-
диске около 20000 витков общей протяженностью около 5 км и начинается у внутренней границы зоны записи. От начала до конца воспроизведения компакт диска
скорость его вращения снижается от 500 до 200 мин-1 это необходимо для обеспечения постоянной линейной скорости движения дорожки относительно лазерной
головки (1,25 м/с что обеспечивает скорость цифрового потока – 4,3218 Мбит/с) и
максимально использовать информационную емкость диска.
9. Каковы продолжительность звучания стандартного компакт-диска и скорость цифрового потока?
Скорость цифрового потока – 4,3218 Мбит/с. Длительность звучания компакт диска около 74 мин.
1.3. Структурная схема проигрывателя компакт-дисков
Информация с КД считывается при отсутствии механического контакта между считывающим устройством и пластинкой с помощью узкого луча, который вырабатывается полупроводниковым лазером.
Световой поток от лазера фокусируется с помощью оптической системы (на рис.3.2 она условно показана в виде линзы Л) таким образом, что точка фокуса Ф располагается на поверхности дискового носителя записи Д.
ри совмещении точки фокуса с питом П отраженный от поверхности микроуглубления световой поток ОП за счет дифракции практически не попадает на поверхность линзы. Однако, если световой поток ОФ отражается от поверхности диска (флэт), покрытого защитным слоем ЗС, он достигает линзы и, пройдя через расщепитель Р, попадает на фотоприемник ФП. Сигнал воспроизведения КД представляет собой последовательность прерываемых отражений лазерного луча. При этом логической «1» соответствует участок отражающей поверхности, а логическому «0» – участок рассеивающей поверхности, т. е. микроуглубление. От размеров питов, однозначно определяемых параметрами записанного сигнала, зависят характеристики выходного сигнала фотоприемника. Таким образом, существует связь между параметрами записываемого и воспроизводимого сигналов.
В связи с тем, что между считывающим устройством и КД отсутствует механический контакт и информация располагается под защитным слоем, КД не изнашивается и не теряет своих качественных параметров в процессе эксплуатации, а частички пыли на поверхности диска, возможные отпечатки пальцев и легкие царапины практически не влияют на воспроизведение. Проиллюстрируем это утверждение.
Объектив лазерного звукоснимателя фокусирует луч строго на информационной поверхности, т. е. в той плоскости КД (рис.3.3), где нанесена информация в виде микроуглублений. Глубина резкости объектива составляет не более 2 мкм. На поверхности прозрачного слоя КД лазерный луч расфокусирован. Диаметр пятна лазерного луча составляет около 1 мм, а это приводит к тому, что частички пыли, отпечатки пальцев или царапины на поверхности КД не могут быть "прочитаны" лазерным звукоснимателем.
Для того, чтобы прослушивать обычную грампластинку, тонарм следует перемещать до тех пор, пока он не окажется в нужной точке дорожки записи. В процессе работы звуковая головка совмещена с дорожкой записи, сигнал с ее выхода обрабатывается в последующих электронных схемах и преобразуется в звуковые колебания. Подобный порядок работы свойственен всем дисковым устройствам воспроизведения информации и лазерному проигрывателю в том числе.
На рис.3.4 представлена обобщенная структурная схема лазерного проигрывателя КД.
Головка воспроизведения (лазерный звукосниматель) ГВ проигрывателя устанавливается в требуемую зону дорожки записи с помощью системы позиционирования (СП).
Система радиального слежения САРРС постоянно обеспечивает совмещение головки воспроизведения с дорожкой записи во время работы.
КД приводится в движение двигателем, являющимся исполнительным элементом системы автоматического регулирования частоты вращения диска САРЛС, которая обеспечивает изменение частоты вращения в зависимости от положения головки воспроизведения и, как следствие, постоянной стабильной скорости считывания информации, записанной на диске. Число оборотов в минуту является переменным и изменяется непрерывно от 500 об/мин при расположении головки воспроизведения на внутреннем диаметре КД (в начале проигрывания) до 200 – на внешнем диаметре. При этом обеспечивается постоянная линейная скорость воспроизведения 1,25 м/с и считывание информации с постоянной скоростью 4,3218 Мбит/с.
Одним из основных узлов проигрывателя КД является ГВ. В его задачу входит формирование правильного светового пятна диаметром около 1 мкм. Этот луч «просматривает» поверхность КД и производит считывание информации. ГВ в своем составе имеет ряд оптических элементов, с помощью которых световое излучение полупроводникового лазера фокусируется строго в плоскости КД. Считывание информации осуществляется фотоприемником, который реагирует на свет, отраженный от КД.
Кроме задачи считывания ГВ решает задачи слежения за поверхностью КД. Микрообъектив ГВ, который фокусирует свет в пятно микронных размеров, имеет малую глубину резкости. Это означает, что, если поверхность КД сместится в вертикальном направлении на единицы микрон, то размер светового пятна на поверхности КД увеличивается, что приводит к нарушению достоверности процесса считывания информации или к полному его прекращению.
Несмотря на жесткие требования, предъявляемые к КД в процессе изготовления, биения поверхности диска, вызываемые несовершенством механических узлов проигрывателя, существуют и должны быть непременно скомпенсированы. Для компенсации таких отклонений в каждом лазерном проигрывателе имеются встроенные системы автоматической фокусировки лазерного луча САРФ, обеспечивающие постоянство размера светового пятна на поверхности КД.
Все названные автоматические системы в лазерном проигрывателе являются сервосистемами, так как в их состав входят элементы с перемещающимися в пространстве узлами (двигатели, пьезоэлектрические преобразователи, магнитооптические дефлекторы и т. п.).
На рис.3.4 условно показаны все электронные устройства обработки сигналов (объединены в блок ЭУОС), с помощью которых формируются звуковые сигналы на выходе проигрывателя КД. Обратное преобразование записанной на КД цифровой информации в аналоговую форму, а это является самым критичным звеном в Нi-Fi-цепи, происходит только в самом конце процесса обработки информации.
Управление работой ГВ, ЭУОС и всех сервосистем осуществляется с помощью системного микропроцессора СМП и панели управления и индикации ПУИ, которые фактически являются «мозгом» лазерного проигрывателя.
Воспроизведение цифровой фонограммы – процесс обратный записи. Процесс преобразования последовательности отсчетов в аналоговый звуковой сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройство – цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Для широкого внедрения цифрового способа записи-воспроизведения звука
необходимо было разработать носитель цифровой информации.
8. Каким образом организовано управление скоростью вращения компакт-
диска? Для чего это необходимо?
Информация записана на дорожке, расположенной на компакт-диске
в виде спирали. Шаг витков спирали 1,6 мкм. Всего дорожка образует на компакт-
диске около 20000 витков общей протяженностью около 5 км и начинается у внутренней границы зоны записи. От начала до конца воспроизведения компакт диска
скорость его вращения снижается от 500 до 200 мин-1 это необходимо для обеспечения постоянной линейной скорости движения дорожки относительно лазерной
головки (1,25 м/с что обеспечивает скорость цифрового потока – 4,3218 Мбит/с) и
максимально использовать информационную емкость диска.
9. Каковы продолжительность звучания стандартного компакт-диска и скорость цифрового потока?
Скорость цифрового потока – 4,3218 Мбит/с. Длительность звучания компакт диска около 74 мин.
11. Какая структура организации данных реализована в системе компакт-
На диске имеется три области записи: вводная, выводная и программной записи.
12. Какую информацию содержат области вводной, выводной и программной
записи компакт-диска?
В области вводной дорожки записываются управляющие сигналы, сигналы
коррекции ошибок и другая служебная информация. При считывании «оглавления» диска выдается номер и время начала записанного музыкального произведения и обеспечивается непосредственный доступ к выбранному музыкальному
произведению. В программной области помимо самой фонограммы, в промежутках, записываются справочные данные, номера музыкальных произведений,
время звучания (в минутах и секундах). В области выводной дорожки записываются управляющие сигналы на окончание цикла воспроизведения.
Записываемые компакт-диски или CD-R это диски, произведенные по технологии, позволяющей пользователю самому записать свой собственный компакт-диск в одном из индустриальных форматов. Для того, чтобы произвести запись необходимо соответствующее устройство CD-R – рекордер (recorder), подключенное к персональному компьютеру, и соответствующее программное обеспечение.
В основном здесь применяются технологии, основанные на изменении отражающих свойств вещества подложки компакт-диска под действием луча лазера. Кстати, заметим, что перезаписываемые компакт-диски в несколько раз дороже обычных. Дело в том, что в качестве светоотражающего слоя в них используется уже не алюминий, а золото. Между прочим, подобные компакт-диски обычно служат как мастерные для дальнейшего тиражирования. Тем не менее в ряде случаев CD-R-диски можно использовать и для долговременного архивирования какой-либо ценной информации. Заметим, что читать CD-R-диск можно и на обычном приводе, но, разумеется, только первый сеанс записи. Когда смотришь на не полностью записанный CD-R, область с информацией выглядит более темной и она легко различима. Писать информацию привод начинает от внутренних логических дорожек к внешним (от меньших по диаметру к большим).
На этих носителях можно создавать компакт-диски всех индустриальных стандартов, включая аудио и видео CD, диски с данными CD-ROM. Записываемые CD-R диски позволяют хранить весьма большой объем информации: до 650 Мб данных или 74 минуты высококачественного звучания. Это приблизительно столько же информации, сколько содержат 470 трехдюймовых дискет высокой плотности или 240 тысяч страниц машинописного текста.
Сегодня устройства для записи CD - CD recorder'ы, в том числе благодоря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение. Среди их применений наиболее интересные это хранение и перенос больших объемов информации, надежное архивирование данных, хранение видео и аудио информации, резервные копии важного ПО. Для однократной записи используются так назыаемые "золотые" диски. Их покрытие позволяет осуществлять однократную запись информации лазерным лучом. Длинна волны лазерного луча (как и при чтении) составляет 780нм, а интенсивность более чем в 10 раз сильнее. Стандартный объем диска составляет 74 минуты или 650 Мбайт. Пожалуй самым интересным является стоимость - около $0.003 за 1 Мегабайт еще и с теоретически вечным сроком хранения! Однако даже по сравнению с традиционно используемыми ленточными накопителями технология CD-R (а тем более и новая CD-RW - многократная запись на CD) интереснее по цене, возможностям, часто скорости.
Общее представление о работе привода
Считывание информации с компакт-диска, так же как и запись, происходит при помощи лазерного луча, но, разумеется, меньшей мощности. Сервомотор по команде внутреннего микропроцессора привода перемещает отражающее зеркало. Это позволяет точно позиционировать лазерный луч на конкретную дорожку. Такой луч, попадая на отражающий свет островок, через расщепляющую линзу отклоняется на фотодетектор, который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный ноль (цифровая информация представляется чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет островков).
В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к даным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.
Принципы однократной записи и перезаписи
Для однократной записи используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки, а между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам.
Для облегчения слежения за инфоpмационной доpожкой в пpоцессе записи диски CD-R изготовляются со вспомогательной pазметкой. Пpи считывании слежение пpоизводится, как обычно, по записанной доpожке питов. Hекотоpые веpсии пpогpаммного обеспечения (напpимеp, CDR Publisher) позволяют записывать загpужаемые диски. Для загpузки с таких дисков BIOS компьютеpа должен поддеpживать эту возможность (последние веpсии AWARD и Phoenix BIOS).
На CD-R организуется та же информационная структура, что и на штампованных дисках - TOC и набор дорожек различных типов. Это позволяет при помощи соответствующего программного обеспечения записывать звуковые, фото- и видеодиски, которые могут затем проигрываться в бытовых звуковых и видеопроигрывателях. Однако отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R ниже обычного, отчего некоторые устройства могут работать с ними неуверенно.
В перезаписываемых дисках используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже штампованных и однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW формально необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками. Способность привода читать CD-RW носит название Multiread; ранние приводы маркировались "CD-E Enabled".
Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF (Universal Disk Format - универсальный дисковый формат), позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске.
При изготовлении компакт-диска и записи на него информации используются новейшие технологии и научные достижения. Физически такой диск представляет собой круглую пластину диаметром 12 или 8 см и толщиной 1,2 мм, состоящую из нескольких слоев. Стандарт «8 см» применяется очень редко, но некоторые фирмы-изготовители аудиоаппаратуры предусматривают в своих моделях возможность воспроизведения дисков такого диаметра.
В середине диска (рис. 4.9а) находятся отверстие диаметром 15 мм и зона прижима диаметром 33 мм вокруг него, необходимые для установки диска в устройство привода. Информационная поверхность компакт-диска располагается между зонами вводной (нулевой) дорожки диаметром 46-50 мм и выводной (внешней) дорожки диаметром 116-117 мм.
Основным элементом структуры является очень тонкий металлический светоотражающий слой (обычно алюминиевый), нанесенный методохм вакуумного напыления, в котором и записана вся информация в виде дорожек из мельчайших выемок (питов) и отражающих поверхностей (флэтов) - см. рис. 4.9б. При этом действует цифровой способ представления информации: флэт соответствует наличию отраженного сигнала (например, нулю информационных данных), а пит - его отсутствию (единице). Питы представляют собой овальные углубления шириной до 0,8 мкм и глубиной до 0,13 мкм. В зависимости от содержащейся информации питы и флэты могут варьировать свою длину от 0,8 до 3,5 мкм. Они располагаются последовательно друг за другом по спирали, образуя, таким образом, одну непрерывную дорожку на поверхности информационного слоя. Расстояние между соседними витками спирали (шаг дорожки) составляет 1,6 мкм (рис. 4.1а).
Для защиты от внешних воздействий компакт-диск закрыт с двух сторон довольно толстыми слоями прозрачного пластика - поликарбоната. Кроме того, с тыльной стороны на диске наклеена или отпечатана этикетка, также выполняющая защитную функцию и не влияющая на его параметры.
Другой носитель аудио- и видеоинформации - DVD - при внешней схожести отличается от компакт-диска внутренней структурой. При той же толщине он может иметь до четырех информационных слоев (по два с каждой стороны), причем один слой (внешний) из каждой пары полупрозрачный, а второй (внутренний) - полностью отражающий. Это в комплексе с другими новшествами позволило существенно увеличить информационную емкость диска: если емкость обычного компакт-диска равна 600-650 Мбайт, то для DVD этот параметр составляет 9,4 Гбайт. Кроме увеличения числа слоев, DVD имеет другие параметры записи: шаг дорожки 0,74 мкм, а минимальный размер пита почти в два раза меньше, чем для обычного компакт-диска. Тем не менее DVD-проигрыватели способны воспроизводить информацию с обоих типов носителей.
Рис. 4.9. Структура компакт – диска
Рис. 4.10. Типовая схема включения лазерного диода
Информация с компакт-диска считывается оптическим способом с использованием когерентного излучения полупроводникового лазера. При этом никакого механического контакта между устройством считывания и информационной поверхностью не существует, а значит, нет изнашивания диска и снижения его качественных параметров в процессе эксплуатации. Тем не менее, сильные повреждения защитного слоя со стороны информационной поверхности могут привести к искажению отраженной информации. Особенно опасны царапины вдоль дорожек записи, так как из-за них может выпасть большой участок последовательных данных. Еще страшнее повреждения металлического информационного слоя, потому что его восстановить невозможно.
На рис.3.1 представлено увеличенное схематичное изображение КД. Дорожка КД представляет собой последовательность питов и флэтов. Ширина питов составляет 0,4 0,5 мкм, глубина 0,1 мкм. Длина питов и флэтов может изменяться от 1 до 3 мкм. Расстояние между соседними дорожками, которое названо шагом спиральной дорожки, постоянно и составляет 1,6 мкм (определяется удвоенной длиной волны лазера, что будет пояснено позже).
Вобычных проигрывателях грампластинок звукосниматель, следуя по канавкам записи на грампластинке, одновременно считывает два сигнала: один для правого, другой для левого канала. На КД информация для левого и правого стереоканалов нанесена блоками в одну последовательность, попеременно, через фиксированный интервал времени. В результате такая организация дорожки записи теоретически приводит к полному отсутствию перекрестной связи между каналами (реально 90 дБ).
Наряду с собственно аудиоинформацией, высокая информационная емкость КД дает возможность наносить на них всевозможную дополнительную информацию о названии, длительности записи и т.д., а также необходимую информацию для коррекции ошибок воспроизведения. Записываются также необходимые синхронизирующие сигналы, обеспечивающие постоянную линейную скорость воспроизведения, т. е. постоянную скорость считывания информации.
10. Из каких элементов состоит дорожка цифровой записи компакт-диска?
Дайте характеристики этих элементов.
Компакт-диск: 1 – пластмассовая прозрачная подложка; 2 – алюминиевая отражающая пленка; 3 – лаковый непрозрачный защитный слой с этикеткой; 4 – питы 6 бит. Параметры кодирования информации компакт-диска соответствуют международному стандарту цифровой звукозаписи: частота дискретизации – 44,1 кГц, число
разрядов квантования – 16.
7. Какие фирмы вели разработку, когда и кем был принят стандарт на систему
«Компакт-диск»?
В процессе исследований были предложены различные конструкции аппаратуры для цифровой записи звука. Наиболее совершенной оказалась система с оптическим диском, разработанная совместно фирмами SONY и PHILIPS. Небольшие размеры диска и использование полупроводникового лазера позволили создавать малогабаритную высококачественную аппаратуру с невысокой стоимостью.
К маю 1982 года был подготовлен проект международного стандарта на систему
оптической звукозаписи «Компакт-диск». К сентябрю того же года контракты на
производство проигрывателей компакт-дисков и самих компакт-дисков подписали уже 44 фирмы производители. В октябре 1982 года стандарт на систему «Компакт-диск» был принят на конференции Международной Электротехнической Комиссии. В это же время были завершены работы по созданию необходимых полупроводниковых лазеров и специализированных больших интегральных
схем цифровой обработки сигнала.
11. Какая структура организации данных реализована в системе компакт-
На диске имеется три области записи: вводная, выводная и программной записи.
7. Какие фирмы вели разработку, когда и кем был принят стандарт на систему
«Компакт-диск»?
В процессе исследований были предложены различные конструкции аппаратуры для цифровой записи звука. Наиболее совершенной оказалась система с оптическим диском, разработанная совместно фирмами SONY и PHILIPS. Небольшие размеры диска и использование полупроводникового лазера позволили создавать малогабаритную высококачественную аппаратуру с невысокой стоимостью.
К маю 1982 года был подготовлен проект международного стандарта на систему
оптической звукозаписи «Компакт-диск». К сентябрю того же года контракты на
производство проигрывателей компакт-дисков и самих компакт-дисков подписали уже 44 фирмы производители. В октябре 1982 года стандарт на систему «Компакт-диск» был принят на конференции Международной Электротехнической Комиссии. В это же время были завершены работы по созданию необходимых полупроводниковых лазеров и специализированных больших интегральных
схем цифровой обработки сигнала.
10. Из каких элементов состоит дорожка цифровой записи компакт-диска?
Дайте характеристики этих элементов.
Компакт-диск: 1 – пластмассовая прозрачная подложка; 2 – алюминиевая отражающая пленка; 3 – лаковый непрозрачный защитный слой с этикеткой; 4 – питы 6 бит. Параметры кодирования информации компакт-диска соответствуют международному стандарту цифровой звукозаписи: частота дискретизации – 44,1 кГц, число
разрядов квантования – 16.
12. Какую информацию содержат области вводной, выводной и программной
записи компакт-диска?
В области вводной дорожки записываются управляющие сигналы, сигналы
коррекции ошибок и другая служебная информация. При считывании «оглавления» диска выдается номер и время начала записанного музыкального произведения и обеспечивается непосредственный доступ к выбранному музыкальному
произведению. В программной области помимо самой фонограммы, в промежутках, записываются справочные данные, номера музыкальных произведений,
время звучания (в минутах и секундах). В области выводной дорожки записываются управляющие сигналы на окончание цикла воспроизведения.
Читайте также: