27153

Формат BluRay

Книга

Информатика, кибернетика и программирование

Приведены основные технические характеристики BDдиска. Это и гибридный лазер способный генерировать излучение трех длин волн: 780 нм 650 нм и 405 нм объектив с изменяемой числовой апертурой SONY голографический оптический элемент LG дифракционный оптический элемент Matsushita высокопрочное защитное покрытие поверхности диска DURABIS2 TDK регистрирующие материалы для записываемых дисков – органический Fuji и неорганический TDK новейшие технологии мастеринга новых дисков – с использованием термохимической реакции в материале...

Русский

2013-08-19

2.09 MB

17 чел.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

В.А. Никамин

Формат BluRay

Санкт-Петербург

2010

Рецензент

кандидат технических наук

профессор кафедры акустики

В.В. Давыдов

Никамин В.А.

Н62 Формат BluRay – СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2010. - … с.

В книге обобщен материал, касающийся нового формата оптической дисковой записи BluRay. Подробно рассматриваются технологии, обеспечившие высокую информационную емкость нового носителя – оптические головки с использованием новых, специально для этого разработанных элементов, системы высокоэффективного кодирования данных, стратегии высокоплотной записи и пр. Также рассматриваются новейшие, ранее не применявшиеся технологии мастеринга BD-дисков и методы их тиражирования. Приведены основные технические характеристики BD-диска.

Издание предназначено для специалистов, работающих в области записи мультимедийных программ на носитель, а также для студентов, обучающихся по специальностям 210405 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» и 201400 «Аудиовизуальная техника».

Рекомендовано к изданию

в качестве монографии

Советом ФАВТ 27.05.2010 г.

©В.А. Никамин,  2010.

ВВЕДЕНИЕ

Появление нового формата высокоплотной оптической записи информации, получившего название BluRay, не было неожиданностью для потребителя. Необходимость в таком формате созрела с появлением и массовым внедрением в начале XXI века телевидения высокой четкости HDTV и жидкокристаллических и плазменных дисплеев большого размера для просмотра фильмов в формате HDTV. Но записывать такие фильмы было по-прежнему не на что – диски DVD для этого не подходили ни по информационной емкости, ни по скорости потока считываемых данных. И то и другое нужно было значительно увеличивать.

Технические предпосылки для создания нового формата уже были. В первую очередь это создание дешевой промышленной технологии производства полупроводниковых лазеров на основе нитрида галлия GaN с длиной волны излучения 405 нм. Уже одно это позволяло существенно увеличить количество информации, записываемой на диск стандартных размеров (Ø120 мм). Другой элемент, обеспечивающий повышение плотности записи, – объектив с числовой апертурой NA = 0,85 изготовить несложно при условии, что коротковолновый лазер существует. В результате количество информации, размещаемой на диске, увеличилось более чем в 5 раз – до 25–27 Гб на один слой.

Кроме этого, в формате BluRay нашли свое применение еще целый ряд блестящих технологических достижений различных фирм. Это и гибридный лазер, способный генерировать излучение трех длин волн: 780 нм, 650 нм и 405 нм, объектив с изменяемой числовой апертурой (SONY), голографический оптический элемент (LG), дифракционный оптический элемент (Matsushita), высокопрочное защитное покрытие поверхности диска DURABIS2 (TDK), регистрирующие материалы для записываемых дисков – органический (Fuji) и неорганический (TDK), новейшие технологии мастеринга новых дисков – с использованием термохимической реакции в материале фоторезиста (метод PTM - Phase Transition Metal), иммерсионный метод и метод мастеринга с помощью пучка электронов (EBRElectron Beam Recorder, PIONEER) и многие другие интересные технологии.

Значительно усовершенствована структура данных, размещаемых на диске. Теперь она имеет много общего со структурой данных на жестком диске компьютера. Удвоено количество метаданных, которые теперь располагаются как вблизи внешней, так и вблизи внутренней стороны программной зоны, что облегчает и ускоряет поиск нужного фрагмента.

В книге содержится много сведений о новом формате, которые будут полезны отечественным специалистам.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НОВОМ ФОРМАТЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ

1.1. История появления формата BluRay

В начале XXI века началось массовое внедрение цифрового телевидения высокой четкости HDTV (High Definition TV), обусловленное появлением и коммерциализацией плазменных и жидкокристаллических дисплеев. На смену традиционным форматам SDTV (Standard Definition TV) c разрешениями у NTSC (640x480) и у PAL (768x576) приходят широкоформатные HD-форматы 720p (1280х720) и 1080i/p (1920х1080).

На сегодняшний день существуют три стандарта HDTV:

720p: 1280 X 720, прогрессивная развёртка, отношение 16:9, частота кадров — 24, 25, 30, 50 или 60 в секунду;

1080i: 1920 X 1080, чересстрочная развёртка, отношение 16:9, частота полей — 50 или 60 в секунду;

1080p: 1920 X 1080, прогрессивная развёртка, отношение 16:9, частота кадров — 24, 25 или 30 в секунду.

В связи с этим возникла потребность в новом носителе, способном хранить большие объемы информации и обеспечивать высокие скорости ее считывания. Возможностей существовавшего к тому времени DVD-Video уже было недостаточно. Поэтому компании-производители бытовой электроники, опираясь на достигнутый к тому времени научно-технический и технологический задел, приступили к работам по созданию носителя нового поколения, который отвечал бы современным требованиям как по объему записываемой информации, так и по скорости ее считывания. Одним из таких носителей стал диск, считываемый с помощью синего лазера, получивший впоследствии название «BluRay» или BD-диск. На основе аппарата с таким диском и телевизионного приемника формата HDTV можно формировать домашние развлекательные комплексы совершенно иного качества в сравнении с существующими комплексами стандартного качества в формате SDTV (см. рис. 1.1).

Первое сообщение о том, что тандем SONY/PHILIPS подготовил новый формат оптической записи, предназначенный для замены DVD, появилось в начале 2002 года. Поскольку для считывания информации с диска предполагалось использовать синий (точнее сине-фиолетовый) лазер с длиной волны излучения 405 нм, то название формата, разумеется, произошло от словосочетания Blue ray (Синий луч), однако буква «е» сознательно исключена из слова «Blue», для того чтобы можно было зарегистрировать словосочетание «Blu-ray» как торговую марку. Без такого искажения это было бы невозможным, поскольку словосочетание «blue ray» является широко используемым в обиходе и как торговую марку его использовать нельзя.

После этого к работе над форматом BD подключилась группа компаний-производителей потребительской электроники (Matsushita (Panasonic), Samsung, LG, Thomson, Hitachi, Sharp и Pioneer), которые в том же 2002 году объединились в Ассоциацию Blu-ray дисков (Blu-ray Disc Association). В дальнейшем к ним присоединилась   Apple   Computers   и   группа  кинокомпаний:   Walt Disney, 20th Century Fox и Universal Music Group.

Диск формата Blu-Ray имеет те же физические размеры, что и диск DVD, но в перспективе может содержать до 8 и более регистрирующих слоев емкостью до 27 Гб каждый. Основное назначение формата – хранение движущихся изображений высокой четкости с разрешением 1920х1080 точек. Тем не менее на один регистрирующий слой диска BD можно записать до 13 часов видеоинформации с качеством VHS (сжатие данных по стандарту MPEG-2 cо скоростью потока данных до 3.8 Mбит/с) или же 2 часа видео в распространенном сейчас в Японии формате HDTV (телевидение высокого разрешения до 1600х1200 точек с 32-разрядным разрешением по цвету, со сжатием по стандарту MPEG-2 и скоростью потока данных от 8Mбит/с и выше).

Расстояние между смежными регистрирующими слоями диска – всего 25 мкм. Поэтому с каждой стороны диска можно разместить несколько слоев.

Содержимое диска BluRay защищено от копирования стандартом Advanced Access Content System (AACS). Стандарт разработан концерном AACS Licensing Administrator, состоящим из компаний Disney, Intel, Microsoft, Matsushita (Panasonic), Warner Brothers, IBM, Toshiba и Sony. Преимуществом AACS перед CSS, использующимся в DVD, является возможность блокирования отдельного устройства воспроизведения в случае, если криптографические ключи были скомпрометированы.

Диски BD будут снабжаться региональным кодом, причем разбивка по регионам достаточно сильно отличается от таковой для DVD: в регион 1 попадают Северная и Южная Америка, а также Восточная Азия (за исключением Китая). Второй регион – Европа и Африка, третий – Россия, Китай и все остальные страны (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Региональное кодирование дисков BD

Код

Регион

1, или А

Америка, Восточная и Юго-Восточная Азия (кроме Китая)

2, или В

Европа, Океания, Африка, Ближний Восток, Гренландия

3, или С

Центральная и Южная Азия, Монголия, Россия, Казахстан, Китай

Технические характеристики диска BD

Емкость – 25/27 Гб

Длина волны излучения лазера – 405 нм

Числовая апертура объектива (NA) – 0,85

Диаметр светового пятна на уровне 0,5 – 0,29 мкм

Глубина фокуса - ±0,28 мкм

Максимальная скорость потока данных – 36 Мбит/с

Толщина диска – 1,2 мм (наружный прозрачный защитный слой – 0,1 мм)

Шаг дорожки записи – 0,32 нм

Минимальная длина пита – 0,149/0,138 нм

Плотность записи – 27,3 Мбит на квадратный миллиметр

Формат записи изображения – MPEG2, SMPTE VC-1*, MPEG4 AVC (H.264)

Формат записи звука – LPCM, Dolby Digital AC3, DTS (обязательные), Dolby Digital Plus, Dolby True HD, DTS-HD (необязательные, на усмотрение производителя)

Формат комбинированного сигнала – MPEG2, MPEG4

Система защиты  информации AACS (Advanced Access Content System)

*Основан на платформе Microsoft Windows Media 9

Первоначально предполагалось размещать BD-диск в картридж с габаритными размерами 129х131х7 мм, однако потом от него отказались в связи с тем, что фирмой TDK был  разработан более прочный (хотя и значительно более дорогой) материал (DURABIS2) для изготовления прозрачной основы диска. Прочность его в 100 раз выше, чем у обычного традиционного поликарбоната.

Реально выпускаются сейчас диски BD с одним или двумя слоями (емкость 25 и 50 Гб, соответственно), хотя существуют экспериментальные образцы с четырьмя слоями (100 Гб).

Существуют BD-диски для однократной записи (BD-R) и для многократной перезаписи – BD-RE (Erasable).

Одновременно с началом работ по созданию технологии BD-диска,  группа компаний во главе с фирмой Toshiba, также начала работы по созданию нового высокоплотного носителя, и в том же 2002 году предложила свое видение преемника существующего DVD – Advanced Optical Disc (AOD), впоследствии – 19 ноября 2003 года, на очередном заседании DVD Forum – переименованный в HD DVD (High-Definition DVD). Формат HD-DVD поддержали фирмы NEC, Microsoft, Intel, TEAC, Sanyo и Acer, а также голливудские кинокомпании Paramount Pictures и Universal Studios. Основной замысел разработчиков состоял в том, чтобы попытаться создать такую технологию нового носителя, которая при существенном повышении информационной емкости тем не менее не слишком бы отличалась от технологии его предшественника – DVD. Тогда себестоимость нового продукта не будет чрезмерно высокой и легче будет завоевать рынок. И это им в общих чертах удалось.

Диск HD-DVD действительно был очень похож на DVD – те же размеры, та же конструкция, состоящая из двух половинок толщиной 0,6 мм, та же конструкция оптической системы, даже числовая апертура объектива почти такая же – 0,65 против 0,6 у DVD. Однако лазер здесь использовался уже сине-фиолетовый с длиной волны излучения 405 нм – как и у BluRay. Поэтому информационная емкость одностороннего однослойного HD-DVD – 15 Гб (двухстороннего, или двухслойного, соответственно 30 Гб). Максимальная скорость цифрового потока данных при считывании тоже сопоставима с BluRay – 36,5 Мбит/с.

В HD-DVD использовались те же самые структура данных (сектор, блоки ECC), алгоритмы коррекции ошибок и модуляция, что и у стандартных DVD. Единственное отличие заключалось в том, что блок ECC HD DVD соответствовал по размеру двум блокам ECC DVD, обеспечивая тем самым более мощную корректирующую способность всей системы защиты от ошибок. Все HD DVD проигрыватели должны были быть обратно совместимы с DVD и CD.

Диски HD-DVD, так же как и обычные диски DVD, планировалось выпускать четырех типов – однослойные односторонние (SSSL), односторонние двухслойные (SSDL), двухсторонние однослойные (DSSL) и двухсторонние двухслойные (DSDL). Кроме того, могут быть 8-сантиметровые варианты всех четырех типов. Емкость их была следующая (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Физический размер

Объем одного слоя

Объем двух слоев

12 см, одна сторона

15 Гб

30 Гб

12 см, две стороны

30 Гб

60 Гб

 8 см, одна сторона

4.7 Гб

9.4 Гб

 8 cm, две стороны

9.4 Гб

18.8 Гб

Кроме того, существовало два типа гибридных дисков, содержащих стандартную DVD-Video часть для совместимости со старыми DVD плеерами. Combo disc это двухстороний диск, где на одной стороне DVD, на другой HD DVD. Twin disc это односторонний диск, содержащий до трех слоев, где до двух слоев могут быть DVD или HD DVD.

Существовали диски c возможностью однократной записи HD-DVD-R, а также  перезаписываемые – HD-DVD-RW, допускавшие более 1000 циклов перезаписи и магнитооптические HD-DVD-RAM, допускавшие до 100000 циклов перезаписи. Кроме того, емкость у дисков HD-DVD была несколько больше, чем у HD-DVD-RW – 20 Гб на один слой, благодаря меньшей длине пита, уменьшенному шагу дорожек (0,34 мкм) и использованию зональной постоянной линейной скорости (ZCLV).

Технические характеристики диска HD-DVD

Емкость – 15 Гб (один слой)

Длина волны излучения лазера – 405 нм

Числовая апертура объектива (NA) – 0,65

Диаметр светового пятна на уровне 0,5 – 0,38 мкм

Глубина фокуса - ±0,48 мкм

Максимальная скорость потока данных – 36,5 Мбит/с

Толщина диска – 1,2 мм (2х0,6 мм)

Шаг дорожки записи – 0,4 нм

Минимальная длина пита – 0,204 нм

Плотность записи – 16,3 Мбит на мм2

Формат записи изображения – MPEG2, SMPTE VC-1*, MPEG4 AVC (H.264)

Формат записи звука – LPCM, Dolby Digital AC3, DTS, Dolby Digital Plus, Dolby True HD, DTS-HD, MPEG1 Layer 2 и пр.

Формат комбинированного сигнала – MPEG2, MPEG4

Система защиты  информации AACS (Advanced Access Content System)

*Основан на платформе Microsoft Windows Media 9

Однако формат HD-DVD несколько запоздал со своим появлением и по этой причине не смог выдержать конкуренции с все-таки более прогрессивным форматом BluRay. В результате формат HD-DVD постепенно терял сторонников среди поддерживающих его фирм. И наконец в феврале 2008 года объявила о свертывании производства и вступлении в Ассоциацию BluRay дисков сама фирма Toshiba – основной автор этого проекта.

1.2. Физические характеристики, позволившие получить высокую информационную емкость диска BluRay

Основными элементами, которые позволили более чем в 5 раз увеличить емкость диска BluRay в сравнении с его непосредственным предшественником – диском DVD, являются новый полупроводниковый лазер на основе нитрида галлия GaN (вместо лазера на основе арсенида галлия GaAs, который использовался как в формате DVD, так и в формате CD), излучающий синий свет с длиной  волны λ = 405 нм, и  фокусирующий объектив с числовой апертурой NA = 0,85.

Числовая апертура NA (Numerical Aperture) объектива определяется выражением

NA = n sinθ,             

где n – показатель преломления среды, в которой распространяется свет;

θ – угол, под которым виден радиус входного зрачка объектива из точки пересечения его оптической оси с фокальной плоскостью (рис.1.2).

Показатель преломления воздушной среды n = 1, поэтому в воздухе

NA = sin θ.          

Величина угла α = 2θ, под которым виден диаметр входного зрачка объектива из той же точки, называется угловой апертурой.

Длина волны синего лазера в системе BD – 405 нм, что, очевидно, значительно меньше длины волны красного лазера, используемого в DVD – 650 нм. Числовая апертура объектива в формате BD (NA = 0,85), наоборот, больше, чем в формате DVD (NA = 0,6). Минимальный диаметр b светового пятна в точке фокуса прямо пропорционален длине волны излучения лазера и обратно пропорционален числовой апертуре объектива:

где с – коэффициент, величина которого зависит от уровня световой энергии, по которому измеряется диаметр пятна.

Распределение энергии в лазерном пучке описывается функцией Гаусса, а измерение диаметра пучка может производиться по уровню 0,5, по уровню 0,7 или по уровню первого темного кольца Эйри. Чаще всего используют оценку по уровню первого темного кольца картины Эйри, в пределах которого сосредоточена практически вся энергия света (с = 1,22), или по уровню 0,5 (с = 0,61). Сравнительные размеры светового пятна по уровню первого темного кольца Эйри для излучения с длиной волны 780 нм (CD), 650 нм (DVD) и 405 нм (BluRay) приведены на рис. 1.3.

Площадь же светового пятна, как известно, прямо пропорциональна квадрату его радиуса (S = πr2) или диаметра (S = πd2/4).

Квадрат длины волны излучения синего лазера меньше квадрата длины волны излучения красного лазера примерно в 2,6 раза (6502/4052 ≈ 2,6), следовательно, уменьшение длины волны излучения лазера приводит к уменьшению площади светового пятна примерно в 2,6 раза.

Квадрат апертуры объектива в формате BD больше квадрата апертуры объектива в формате DVD примерно в 2 раза (0,852/0,62 ≈ 2), следовательно, увеличение апертуры объектива приводит к уменьшению площади светового пятна еще в 2 раза. Общее уменьшение площади светового пятна составит, таким образом, величину 5,2 (рис. 1.4). Это позволяет уменьшить как ширину дорожек записи, так и расстояние между ними (шаг дорожек на дисках формата BD составляет величину 0,32 нм против 0,74 на дисках формата DVD).

Уменьшение площади светового пятна более чем в 5 раз определяет увеличение информационной емкости диска BD в сравнении с диском DVD также более чем в 5 раз (25 Гб у диска BD против 4,7 у диска DVD).

2. КОНСТРУКЦИЯ ДИСКА

2.1. Общая структура диска

Основной материал BD-диска – тот же самый поликарбонат, что и у СD и DVD. Однако регистрирующий слой у BD-диска находится гораздо ближе к внешней поверхности (той, через которую осуществляется считывание), чем у CD и DVD – на расстоянии всего 100 мкм от нее (у CD это расстояние равно 1,1 мм, у DVD – 0,6 мм). По этой причине BD-диск более чувствителен к царапинам и отпечаткам пальцев на внешней поверхности. Для того чтобы защитить его от повреждений,  диски первых поколений размещали в специальных картриджах с габаритными размерами 129х131х7 мм, подобно минидискам. Затем от картриджа оказались и попытались покрывать поверхность диска тонким слоем акриловой смолы, отверждаемой потоком ультрафиолетовых лучей. Такое покрытие уже применялось ранее для защиты поверхности дисков DVD-RW. Но этого показалось недостаточно, и поиски материала, пригодного для использования в качестве защитного слоя для дисков BD, продолжились.  Вскоре фирмой TDK был разработан еще один прозрачный материал (DURABIS2 - полимер на основе коллоидного кремнезема), прочность которого оказалась в 100 раз выше, чем прочность традиционного поликарбоната (хотя и стоимость его также оказалась значительно выше стоимости поликарбоната). Полимеризация нового материала и приобретение им высокой прочности также происходит под воздействием ультрафиолетовых лучей. Слоем такого материала толщиной всего 2 мкм и покрывается внешняя поверхность BD-диска (рис. 2.1).

Если диск является двухслойным, то второй информационный слой (L1) располагается на расстоянии 25 мкм от первого слоя (L0) ближе к внешней поверхности (рис. 2.1б). Между этими двумя информационными слоями также находится разделительный слой поликарбоната.

2.2. Диск BD-ROM

Если диск является диском BD-ROM (тиражированный диск только для считывания), то информационный слой содержит в себе спиральную дорожку из пит – как и у CD-ROM и DVD-ROM. Дорожка формируется на внешней поверхности основы из поликарбоната и затем покрывается отражающим слоем из алюминия у однослойных дисков и у нижнего слоя двухслойных, и из золота или кремния у верхнего слоя двухслойных.

Если диск однослойный, то питы, как правило, представляют собой углубления на внешней (если смотреть со стороны считывания) поверхности основы. Глубина их, как и у диска DVD, примерно равна λ/4, т.е. 405 нм/4 ≈ 100 нм. Однако если для диска DVD величина λ/4 должна выдерживаться достаточно точно из-за того, что наибольшая глубина модуляции отраженного пучка по интенсивности получается именно при такой глубине пит, то для BD-диска, благодаря высокой апертуре считывающего объектива (0,85), это не столь критично – глубина пит может быть как больше, так и меньше значения λ/4.

Если диск двухслойный, то вышесказанное справедливо только для внутреннего информационного слоя L0. При формировании внешнего информационного слоя L1 могут быть использованы два способа. Первый способ состоит в формировании пит на внешней поверхности разделительного слоя. Питы при этом также будут представлять собой углубления. Такая технология называется «in pit» (рис. 2.2). При втором способе питы формируются на внутренней поверхности покрытия, и в этом случае будут представлять собой выпуклости (если смотреть со стороны считывания). Такая технология называется «on pit» (рис. 2.2).

Коэффициент отражения у однослойных дисков в соответствии со спецификацией может принимать два диапазона значений: от 0,35 до 0,70 (отражается от 35 до 70% световой энергии) и от 0,12 до 0,28 (отражается от 12 до 28% световой энергии). У двухслойных дисков коэффициент отражения должен быть в диапазоне от 0,12 до 0,28 – для обоих слоев.

2.3. Записываемые диски

Если диск является записываемым BD-R (RRecordable –  для однократной записи) или BD-RЕ (EErasable («стираемый») – для многократной перезаписи), то на месте информационного слоя формируется направляющая дорожка (groove), которая к тому же имеет волнообразную форму (рис.2.3). Шаг дорожки – 0,32 мкм. Величина колебаний дорожки в радиальном направлении (вобуляция) составляет ±10 нм. Вобуляция необходима для того, чтобы обеспечить слежение за дорожкой при записи диска, а также содержит в себе информацию об адресе каждого конкретного участка дорожки. Длина волны вобуляции в общем случае равна 5 мкм (рис. 2.4).

Информация формируется на выступе дорожки (on groove). В период разработки рассматривалось два варианта размещения информации – на выступе дорожки (on groove) и на дне канавки (in groove) (рис. 2.5). Исследования показали, что при записи на дне канавки считывающий луч заметно рассеивается в радиальном направлении (рис. 2.5). Поэтому вначале было принято решение производить запись информации только на выступе дорожки (on groove). Впоследствии, однако, это решение было пересмотрено, и, несмотря на некоторое снижение оптического контраста, запись стали производить как на выступе дорожки (on groove), так и на дне канавки (in groove). Для получения наибольшего оптического контраста, высота выступа должна находиться в пределах λ/10 ÷ λ/12. Поскольку длина волны излучения лазера в системе BD равна 405 нм, то это соответствует величине 40,5 ÷ 33,75 нм.

2.4. Материал регистрирующего слоя записываемых дисков

Регистрирующим слоем у дисков BD-R могут служить два типа покрытий: органический краситель – как у всех прочих дисков для однократной записи (CD-R или DVD-R) и специальный состав из неорганических веществ.

Фирма Fuji предложила и продемонстрировала регистрирующий слой из органического красителя, который под воздействием лазерного излучения способен изменять (уменьшать) отражательную способность (рис. 2.6б).

Фирма TDK разработала неорганическое покрытие, которое состоит из двух слоев: верхний слой – кремний (Si), нижний – медный сплав (Cu), точный состав которого фирма не разглашает (рис. 2.6а). При записи под воздействием лазерного излучения повышенной мощности оба слоя плавятся и смешиваются, образуя сплав CuSi, который обладает меньшим коэффициентом отражения, чем исходная поверхность. На рис. 2.7 представлена структура двухслойного диска BD-R, изготовленного по технологии фирмы TDK.

Фирма TDK разработала неорганическое покрытие, которое состоит из двух слоев: верхний слой – кремний (Si), нижний – медный сплав (Cu), точный состав которого фирма не разглашает (рис. 2.6а). При записи под воздействием лазерного излучения повышенной мощности оба слоя плавятся и смешиваются, образуя сплав CuSi, который обладает меньшим коэффициентом отражения, чем исходная поверхность. На рис. 2.7 представлена структура двухслойного диска BD-R, изготовленного по технологии фирмы TDK.

Оптические свойства верхнего регистрирующего слоя L1 таковы, что сквозь него проходит не менее 50% световой энергии считывающего пучка. Когда производится запись информации на нижний регистрирующий слой L0, то верхний слой L1 находится вне фокуса считывающего пучка и плотности энергии света недостаточно, чтобы повредить записанную на нем информацию.

В качестве регистрирующего слоя также могут использоваться неорганические материалы, способные однократно изменять свою фазу из аморфной в кристаллическую.

Регистрирующим слоем перезаписываемых дисков BD-RE также служит неорганический материал с изменяемым фазовым состоянием, но способный изменять фазу многократно.

Спецификация на диск BD-R диаметром 120 мм предусматривает два варианта его информационной емкости: 25 и 27 Гб для однослойного диска и 50 и 54 Гб для двухслойного диска того же диаметра. При этом изменяется только линейная плотность записи: у дисков емкостью 25 (или 50) Гб минимальная длина записываемого пита (равная 2Т – двум периодам канальной тактовой частоты) составляет 0,149 мкм, а у дисков емкостью 27 (или 54) Гб – 0,138 мкм. Шаг дорожки при этом не изменяется – 0,32 мкм.

Следует отметить, что минимальная длина пита – это длина двух канальных бит (2Т). Если минимальная длина пита равна, скажем, 0,149 мкм (для диска емкостью 25 Гб), то длина канального бита составит 0,149/2 = 0,0745 мкм = 74,5 нм. Если же пересчитать канальные биты в информационные, то длина информационного бита составит 111,75 нм.

Для диска диаметром 80 мм определен только один вариант информационной емкости: 7,8 Гб для однослойного диска и 15,6 Гб для двухслойного.

2.5. Некоторые особенности BD-дисков

Отрицательным следствием применения в формате BluRay высокоапертурного объектива (NA = 0,85) можно считать то, что информационный слой здесь приходится размещать в непосредственной близости от внешней поверхности диска. Если бы он находился на том же расстоянии, что и у дисков DVD, то искажения светового пятна, вызванные наклонами поверхности диска, были бы чрезмерно велики даже при очень небольших значениях величины таких наклонов (рис. 2.8).

Величина таких искажений пропорциональна кубу числовой апертуры (NA3) и толщине защитного слоя. Поскольку допустимые спецификацией отклонения отраженного пучка от вертикали могут достигать значения ±1,6º (угол α на рис.2.9), то толщину защитного слоя у диска BD в 100 мкм можно считать величиной вполне достаточной.

Поскольку толщина покрытия у диска BD составляет всего 100 мкм или 0,1 мм (у DVD – 0,6 мм), то, несмотря на высокую числовую апертуру считывающего объектива NA = 0,85 (у DVD NA = 0,6), диаметр светового пятна на его внешней поверхности составляет всего 138 мкм (у DVD – 520 мкм) (рис. 2.10). Поэтому он гораздо более чувствителен к наличию пылинок, царапин и отпечатков пальцев на поверхности диска. Вероятность появления царапин снижается за счет использования прочного защитного слоя, а вот бороться с пылинками и отпечатками пальцев приходится электронными методами – за счет применения более мощной системы помехоустойчивого кодирования. Блок коррекции ошибок ECC (Error Correction Code) у BD-диска составляет 64 кб против 32 у DVD. А число проверочных байт (проверочных символов кодового слова кода Рида-Соломона) – 32 против 16 у DVD.

3. ОПТИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ

Для того чтобы обеспечить совместимость BD-приводов с дисками DVD и CD, фирмы-производители предприняли усилия по поиску технических решений для такой оптической головки, которая позволяла бы считывать информацию с дисков всех трех упомянутых форматов. Задача эта непростая, поскольку большинство оптических элементов адаптировано, как правило, для работы с излучением только одной длины волны. В лучшем случае совместимость достигалась для красного (650 нм) и инфракрасного (780 нм) излучения. Предстояло преодолеть три основные проблемы.

Во-первых, необходимо было обеспечить приемлемое рабочее расстояние объектива при любой длине волны излучения.

Рабочим расстоянием называется расстояние от наиболее выступающей части объектива (внешней поверхности оправы объектива либо внешней поверхность линзы) до фокальной плоскости, т.е. до считываемой дорожки.

Во-вторых, обеспечить компенсацию сферических аберраций – также при любой длине волны излучения.

В-третьих, обеспечить изменение числовой апертуры объектива в зависимости от длины волны проходящего через него света.

Фирма LG Electronics предложила оптическую головку с единственной асферической линзой и с тремя лазерными диодами, каждый из которых генерирует излучение только одной длины волны – инфракрасный – 780 нм (CD), красный – 650 нм (DVD) и синий – 405 нм (BD). Упрощенная оптическая схема такой головки  (некоторые элементы на этой схеме отсутствуют)  показана  на рис. 3.1. Определяющими элементами здесь являются двухслойное наклонное зеркало, отражающее излучение всех трех длин волн и поляризационный голографический оптический элемент (HOEHolographic Optical Element), способный изменять геометрию фронта проходящего через него пучка в зависимости от длины волны излучения. Рабочее расстояние объектива такой головки при NA = 0,85 и излучении с длиной волны λ = 405 нм составило 0,54 мм.

Для изготовления голографического оптического элемента использован материал, обладающий двойным лучепреломлением. Этот материал, который помещен между двумя полимерными подложками, для излучения с некоторым определенным направлением колебания вектора поляризации обладает тем же самым коэффициентом преломления, что и материал подложки. Но для излучения с направлением колебания вектора поляризации перпендикулярным первому, коэффициент преломления такого материала будет другим. Голографический оптический элемент сконструирован так, что не изменяет фронта волны излучения длины 405 нм, но излучение с длиной волны 650 нм (DVD) и 780 нм (CD) подается на него таким образом, что направление колебаний вектора поляризации будет перпендикулярным направлению колебаний вектора поляризации излучения с длиной волны 405 нм, и, следовательно, коэффициент преломления материала с двойным лучепреломлением для него будет уже другим, и фронт волны изменит свою геометрию, как показано на рис. 3.2, т.е. примет сферическую форму.

Голографический оптический элемент обладает еще целым рядом свойств, обеспечивающих контроль распределения фаз падающего пучка на входном зрачке объектива при считывании дисков  DVD и CD. Он также способен компенсировать сферические аберрации, возникающие из-за того, что информационные слои у дисков DVD и CD располагаются на разных расстояниях от его внешней поверхности (имеют разную толщину защитного слоя). Для того чтобы можно было регулировать числовую апертуру в зависимости от длины волны падающего пучка и, таким образом, уменьшить дифракционные шумы за пределами эффективного диаметра зрачка объектива, здесь используется апертурный фильтр дифракционного или оптического типа.

Фирма SONY разработала оптическую головку, в которой используется всего один лазерный диод, но этот диод представляет собой комбинацию из трех лазерных диодов и способен генерировать излучение трех различных длин волн – 405 нм (BD), 650 нм (DVD) и 780 нм (CD). Кроме того, здесь используется многолинзовый объектив, также способный фокусировать излучение упомянутых трех длин волн. С помощью такой головки можно осуществлять считывание и запись дисков всех трех форматов – BD, DVD и CD. Оптическая схема этой головки приведена на рис. 3.3.

Конструкция комбинированного лазерного диода, изготовленного путем размещения на поверхности синего лазера (405 нм) гетероструктур с активными зонами для формирования красного (650 нм) и инфракрасного (780 нм) излучения, показана на рис. 3.4, а изображение, поясняющее его функционирование – на рис. 3.5.

Следует отметить, что, несмотря на совмещенное конструктивное исполнение комбинированного лазера, в каждый конкретный момент времени может работать только одна его активная зона и соответственно формироваться излучение только одной длины волны. Как видно из рис. 3.4, все три гетероструктуры размещены на общем теплоотводе, и одновременная работа двух или трех лазеров одновременно (если бы такой режим для чего-то потребовался) привела бы к перегреву всей конструкции и к выходу из строя ее элементов. Тем не менее мощности лазеров вполне достаточно, чтобы производить запись даже при повышенных скоростях вращения записываемого диска. Мощность синего лазера – до 120 мВт в импульсе, красного – до 150 мВт, инфракрасного – до 200 мВт.

Объектив представляет собой комбинацию из стеклянной асферической линзы и голограммной линзы, подобранных таким образом, чтобы скорректировать сферические аберрации, соответствующие излучению каждой из используемых длин волн.

4. КОРРЕКЦИЯ ОШИБОК В ФОРМАТЕ BluRay

Защита информации от ошибок в формате BluRay осуществляется следующим образом. Последовательность информационных байт делится на массивы по 64 кб в каждом (1 кб равен 1024 байтам, следовательно, 64 кб = 1024 × 64 = 65536 байт). Из этого массива данных формируется блок коррекции ошибок или ЕСС-блок (ECCError Correction Code). Для образования кодовых слов весь массив данных делится на 304 группы из 216 байт. Эти 216 байт являются информационными символами кодового слова кода Рида-Соломона [248,216,32]. По этим 216 символам кодер рассчитывает 32 проверочных символа, формируя, таким образом, кодовое слово из 248 байт. Затем над полученными кодовыми словами производится операция перемежения, в результате которой из них формируется таблица, показанная на рис. 4.1. Физически такая таблица реализуется как область оперативной памяти с соответствующей адресацией.

Последовательность кодовых слов размещается по столбцам таблицы, по два кодовых слова в столбце. В крайнем левом столбце верхние 216 ячеек занимают информационные символы первого кодового слова (первый байт – самый верхний, второй на строчку ниже и т.д.). Следующие 216 ячеек занимают информационные символы второго кодового слова. Еще ниже располагаются 32 проверочных символа первого кодового слова, а под ними – 32 проверочных символа второго кодового слова. Таким же образом заполняется второй столбец таблицы: верхние 216 ячеек занимают информационные символы третьего кодового слова, под ними – 216 информационных символов четвертого кодового слова, ниже – 32 проверочных символа третьего кодового слова, еще ниже – 32 проверочных символа четвертого кодового слова. Подобным же образом заполняются и оставшиеся 150 столбцов.

Считывание информации для кодирования канальным кодом и дальнейшей записи на диск производится по строкам таблицы. Поэтому в результате перемежения символы (байты) одного и того же кодового слова оказываются равномерно распределены на интервале в 65536 байт. Это означает, что при записи на диск они окажутся равномерно распределены на достаточно длинном участке дорожки, благодаря чему достигается очень хорошая защита информации от повреждения при наличии на поверхности диска царапин, пылинок или отпечатков пальцев.  

Код Рида-Соломона [248,216,32] относится к классу кодов с большим минимальным расстоянием, или кодам LDC (Long Distance Code).

Как известно из теории помехоустойчивого кодирования, минимальное расстояние  кода d характеризует его обнаруживающую и исправляющую способность. В соответствии с определением границы Синглтона, минимальное расстояние любого линейного [n,k]-кода удовлетворяет неравенству

где n – общее число символов в кодовом слове, а k – число информационных символов. Количество ошибок to, которое код гарантированно может обнаружить, равно

tod -1.

Количество ошибок tи, которое код может гарантированно обнаружить и исправить, равно

Если позиция ошибки в кодовом слове известна, то такая ошибка называется стиранием. Исправлять стирание легче, поскольку не требуются вычисления для определения позиции. Поэтому количество стираний tc, которое код может исправить, равно количеству ошибок, которые он может обнаружить. Т.е. tc = to.

У рассматриваемого кода Рида-Соломона n = 248, а k = 216. Тогда

d ≤ 1 + nk = 1 + 248 –216 = 33.

Следовательно, он способен гарантированно обнаружить 32 ошибки, и гарантированно исправить 16 ошибок с неизвестными позициями или 32 ошибки, позиции которых известны заранее (стирания).

Ошибки бывают двух типов: случайные ошибки, длина которых редко превышает один символ, и пакеты ошибок, длина которых может достигать нескольких десятков и даже сотен символов. Случайные ошибки вызваны в основном дефектами тиражирования или мелкими пылинками и встречаются намного чаще пакетов ошибок. Такие ошибки, несмотря на их многочисленность, неопасны, поскольку легко исправляются кодами Рида-Соломона. Пакеты ошибок возникают при наличии крупных царапин или отпечатков пальцев на поверхности диска. И хотя встречаются они достаточно редко, исправлять их гораздо труднее, поскольку используемый код Рида-Соломона способен исправить только 16 ошибок в кодовом слове. Для того чтобы облегчить работу декодера, в системе BluRay, как и в любой другой системе записи информации, используется перемежение данных, благодаря чему, как говорилось выше, символы одного кодового слова равномерно распределяются на большом участке дорожки записи и никакая, даже самая глубокая и длинная царапина или отпечаток пальца, не смогут стать причиной искажения более чем нескольких символов одного кодового слова.  

Тем не менее, для того чтобы можно было обнаружить длинные пакеты ошибок, в системе BluRay используется еще один прием. Между каждыми 38 столбцами байт данных вставляются столбцы из так называемых пикет-байт (см. рис. 4.1). Эти пикет-байты также кодируются кодом Рида-Соломона [62,30,32], который называется BIS-кодом (BISBurst Indicator Subcode) или пикет-кодом. Кодовые слова BIS-кода содержат по 30 информационных и 32 проверочных символа в каждом слове. Таким образом, в одном столбце из 496 символов содержится 8 кодовых слов BIS-кода (62×8 = 496). Кроме того, над символами BIS-кода также выполняется операция перемежения – эти символы перераспределяются по определенному закону между тремя столбцами. Следует отметить, что и BIS-код и основной код имеют по 32 проверочных символа, что позволяет при декодировании использовать один и тот же декодер.

Самый левый столбец содержит байты синхронизации, которые обозначают начало каждой строки таблицы и, также как и пикет-байты, могут использоваться для обнаружения пакетов ошибок.

При воспроизведении диска пикет-код декодируется первым, и если при этом обнаруживается картина ошибок, подобная той, что показана на рис. 4.1, то считается, что символы основных данных в строках между ошибочными пикет-байтами также ошибочны, и в дальнейшем эти символы корректируются как стирания. Если байт синхронизации не опознается, то считается, что он также содержит ошибку и используется как ошибочный пикет-байт. Это позволяет вдвое увеличить корректирующую способность основного кода Рида-Соломона.

Информационные символы BIS-кода содержат адресные данные. Они также кодируются кодом Рида-Соломона [9,5,4], т.е. кодовое слово этого кода содержит 5 информационных символов и 4 проверочных. Эти данные декодируются независимо от данных ЕСС.

Таким образом, помехоустойчивое кодирование с большой конструктивной длиной вместе с эффектом расфокусировки светового луча на поверхности диска образуют мощную систему защиты информации, содержащейся на диске, от воздействия пыли и грязи (рис. 4.2).

На рис. 4.3 приведены сравнительные характеристики блоков ЕСС в форматах BD и DVD в предположении, что информационный слой у диска DVD, так же, как и у диска BD, находится на расстоянии 0,1 мм от внешней поверхности. Диаметр светового пятна на поверхности диска в обоих случаях будет одинаков – 138 мкм. Размер дефекта, показанный на рисунке, всего 30 мкм, и влияние его на интенсивность отраженного пучка незначительно.

Размер блока ЕСС в формате BD в 2 раза больше размера блока ЕСС в формате DVD – 64 кБ против 32, соответственно. К тому же количество проверочных байт в каждом кодовом слове кода РС формата BD (32) в 2 раза больше количества проверочных байт в кодовом слове кода РС формата DVD (16). В процессе кодирования информационные байты в формате BD дважды подвергаются процедуре перемежения внутри большого блока ЕСС, поэтому после воспроизведения и выполнения обратной процедуры деперемежения, пакеты ошибок, возникающие из-за наличия крупных дефектов, преобразуются в небольшое число случайных ошибок, которые легко корректируются кодами Рида-Соломона.

5.КАНАЛЬНАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ФОРМАТЕ BluRay

В оптической записи модуляция физического сигнала определяется двумя различными состояниями поверхности оптического носителя, которые, как правило, связаны с двумя различными значениями (высокое и низкое) отражательной способности меток (или пит) и промежутков между ними. Одно из этих физических состояний может быть поставлено в соответствие канальному биту со значением логической «единицы», другое – канальному биту со значением логического «нуля».

Данные в оптической записи обычно представлены в NRZI-форме, когда логической «единице» соответствует изменение уровня сигнала, а «нулю» – сохранение прежнего уровня. Такое представление эквивалентно представлению потока данных в обычной NRZ-форме (логическая «единица» – бит высокого уровня, логический «нуль» – бит низкого уровня), при этом логическая «единица» соответствует началу новой метки или началу нового промежутка между «метками», а логический «нуль» – продолжению метки или промежутка. Канальный поток данных в NRZI-форме можно разделить на последовательность так называемых пробегов (runs), каждый из которых, в свою очередь, состоит из ряда последовательных канальных битов одного уровня. Количество битов в «пробеге» называется длиной пробега (runlength). Небольшая часть дорожки на диске показана на рис. 5.1. Физические метки и промежутки между ними чередуются вдоль всей дорожки на диске, при этом их длина всегда кратна длительности одного канального бита Т.

Очень короткие пробеги приведут к уменьшению амплитуды считанного с диска сигнала и, таким образом, к появлению в нем большего количества ошибок, вызванных воздействием помех. С другой стороны, слишком длинные пробеги приведут к затруднениям при выделении тактового синхросигнала с помощью петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая регенерирует канальную тактовую частоту, подстраивая ее по перепадам уровня в считанном сигнале. Если перепады уровня будут следовать чересчур редко, то это может привести к потере состояния синхронизма. Для того чтобы устранить слишком короткие и слишком длинные пробеги, используют канальные коды с ограниченной длиной пробега или RLL-коды (RunLenght-Limited Codes). Такие коды предполагают ограничение количества «нулей» между двумя последовательными «единицами» в NRZ-представлении параметрами d и k. Величина d указывает минимальное количество «нулей», величина k – максимальное. Следовательно, минимальная длина пробега RLL-кода будет составлять величину d+1, максимальная – k+1. Минимальная длина пробега обозначается Tmin, максимальная – Tmax.

С этими величинами связаны минимальная длины волны записи λmin (соответствующая максимальной частоте fmax в спектре записываемого сигнала), которая сопоставляется двум последовательным минимальным «пробегам», состоящим из битов разного уровня (рис. 5.2), и аналогично ей максимальная длины волны записи λmax (соответствующая минимальной частоте fmax в спектре записываемого сигнала), которая сопоставляется двум последовательным максимальным пробегам, состоящим из битов разного уровня.

В исходном потоке информационных битов ничто не мешает «единицам» располагаться рядом (d=0), а «нулям» – образовывать бесконечно длинные последовательности (k=∞). Для того чтобы можно было обеспечить выполнение требований на ограничение длины пробега, необходимо исходные группы из некоторого числа n битов источника (информационные слова) преобразовать в группы (кодовые слова) с большим их числом m. Если m достаточно велико, то из общего множества 2m слов всегда можно выбрать 2n кодовых слов, таких, что заданные ограничения на длину пробега будут выполняться. Отношение n/m принято называть скоростью кода R. Поскольку n всегда меньше m, скорость кода R всегда меньше 1.

Все RLL-коды, используемые в оптической записи, относятся к категории кодов DC-free, т.е. кодов, которые не имеют постоянной составляющей в спектре сигнала записи и почти не содержат низкочастотных составляющих. Если считать, что каждый канальный бит bi может принимать всего два значения – «+1» и «–1», то последовательность b1, b2, …, bi будет принадлежать к категории DC-free, если текущая величина числовой суммы (DSVDigital Sum Value)

принимает только ограниченное число значений вблизи 0.

Ограничение уровня низкочастотных составляющих в спектре кодированного сигнала необходимо по ряду причин.

Во-первых, для отделения информационного сигнала от низкочастотных шумов, вызванных наличием пыли и отпечатков пальцев на поверхности диска.

Во-вторых, для того, чтобы обеспечить корректное формирование уровней ограничения считанного с диска высокочастотного сигнала при выделении из него цифрового информационного сигнала и сигнала тактовой синхронизации.

В-третьих, для обеспечения корректной работы сервосистем воспроизводящего устройства (автофокусировки и автотрекинга). Поскольку эти системы оперируют с сигналами ошибок позиционирования в области частот, соизмеримых со скоростью вращения диска, то присутствие в информационном сигнале низкочастотных составляющих может быть воспринято ими как ошибка позиционирования.

Непрерывный контроль значения DSV позволяет управлять уровнем постоянной составляющей в спектре записываемого сигнала. Для этого могут быть предусмотрены различные методы. Одним из таких методов является выбор кодовой комбинации из нескольких альтернативных вариантов, имеющих разное значение DSV. Другой метод состоит в том, что между двумя соседними кодовыми словами предусматриваются один или несколько соединительных разрядов, которые сами по себе информации не содержат, но обеспечивают минимизацию текущего значения DSV путем формирования, при необходимости, на одной из позиций логической «единицы». Как следует из вышесказанного, после модуляции сформированной последовательности по методу NRZI, каждая «единица» инвертирует существующий уровень сигнала, а вместе с ним и DSV последующего кодового слова. Если, к примеру, значение DSV в конце очередного кодового слова равно +3, а DSV следующего за ним слова +4, то при их объединении значение DSV по окончании этого слова станет равным +7. Если же между этими словами вставить ничего не значащую «единицу», то значение следующего слова изменится с +4 на –4, и суммарное DSV в конце последнего слова станет равным –1, что, разумеется, будет способствовать уменьшению уровня постоянной составляющей в спектре кодированного сигнала.

Для модуляции данных, записываемых на диск BD, используется специально разработанный для этого код 17РР. Обозначение 17PP (Parity preserve Prohibit) должно указывать на то, что код имеет не менее одного «нуля» между двумя соседними «единицами» (d = 1) и не более семи (k = 7). Затем кодированная последовательность модулируется по способу NRZI, что позволяет получить значение минимальной длины пробега Tmin = 2, максимальной – Tmax = 8.

Такие ограничения длины пробега обеспечивают хорошую самосинхронизируемость кодированной последовательности и повышение плотности записи информации примерно на треть. Коэффициент повышения плотности записи, полученный за счет использования канального кода 17РР, K = (d+1) · n/m = (1+1) · 2/3= 4/3 = 1,33. Минимальная длина волны записи λmin = 4Тк, максимальная λmax = 16Тк. Окно детектирования tw = 2/3 T  =  ± 1/3 Т.

По сути, код 17 РР является кодом 2/3 (n = 2, m = 3), однако здесь одновременно могут кодироваться (подвергаться преобразованию) не только пары исходных информационных бит, но и четверки, шестерки и даже восьмерки бит (i = 1, 2, 3 и 4). Для минимизации постоянной составляющей используется контроль текущего значения DSV, и все замены производятся исходя из того, чтобы значение DSV было возможно ближе к нулю. Основной алгоритм замены показан в табл. 5.1.

Синхрогруппа, использующаяся в формате BluRay, содержит два подряд следующих интервала между соседними перепадами уровня, равных 9Тк, т.е. превышающих максимально возможный в потоке кодированных данных (8Тк) и имеет конфигурацию, показанную на рис. 5.3. Наличие таких нестандартных интервалов облегчает опознание синхрокомбинации блоком цикловой синхронизации при наличии искажений.

Таблица 5.1

Алгоритм кодирования кодом 17 РР

Информационные

слова

Кодовые слова

i = 1

11

*0*

10

001

01

010

i = 2

00 11

010 100

00 10

010 000

00 01

000 100

i = 3

00 00 11

000 100 100

00 00 10

000 100 000

00 00 01

010 100 100

00 00 00

010 100 000

i = 4

00 00 10 00

000 100 100 100

00 00 00 00

010 100 100 100

Обозначение *0* говорит о том, что если предыдущее кодовое слово оканчивается на «1» (хх1), то *0* = 000, а если на «0» (хх0), то *0* = 101.

Символ, обозначенный как «х» имеет значение «1», если предыдущее кодовое слово заканчивается «нулем», и значение «0», если предыдущее кодовое слово заканчивается «единицей».

Итак, код 17РР имеет следующие технические характеристики:

- минимальная длина волны записи λmin = 4Ткан;

- максимальная длина волны записи λmax  = 16Ткан;

- минимальное  количество  «нулей»  между двумя соседними «единицами» d = 1;

- максимальное количество «нулей» между двумя  соседними  «единицами» k = 7;

- минимальная длина пробега Tmin = 2;

- максимальная длина пробега Tmax = 8;

- скорость кода R = 2/3;

- коэффициент повышения плотности записи K = 1,33 (плотность записи увеличилась);

- окно детектирования tw = 2/3 Т= ± 1/3 Т.

6. ФОРМАТ КОДИРОВАНИЯ АДРЕСНЫХ ДАННЫХ ВОБУЛЯЦИЕЙ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ДОРОЖКИ

Записываемый диск BD-R и перезаписываемый диск BD-RE имеют один и тот же формат данных, которые содержатся в законе вобуляции направляющей дорожки и формируются еще при изготовлении диска.

Направляющая дорожка с вобуляцией ее краев необходима, прежде всего, для того чтобы во время записи луч лазера мог следовать по поверхности диска точно по спирали с заданным шагом и с заданной линейной скоростью, формируя дорожку записи. Кроме того, модулируя закон вобуляции, можно заносить на диск дополнительные данные, необходимые как для идентификации фрагментов записываемого материала, так и для идентификации самого диска. В формате BluRay вобуляция содержит адресные данные, позволяющие точно определять местонахождение любого участка дорожки от зоны ввода до зоны вывода, а также дополнительные данные, характеризующие конкретный диск.

Записываемые на BD-диск питы очень маленькие, а их длина является величиной информативной. Поэтому и при их записи, и при воспроизведении системы привода оптического блока должны работать с чрезвычайно высокой точностью, чтобы временные соотношения между размерами пит не нарушались. Для этого вобуляция на основной частоте на протяжении всего диска должна быть одинаковой и непрерывной. Поскольку запись данных всегда выполняется синхронно с колебаниями вобуляции, размеры пит всегда пропорциональны ее периоду. По этой причине емкость диска естественным образом зависит от периода колебаний вобуляции и таким способом задается. Например, у однослойного диска емкостью 25 Гб длина периода вобуляции составляет 5,14 мкм, а у однослойного диска емкостью 27 Гб – 4,47 мкм. При этом в одном периоде вобуляции укладывается ровно 69 периодов канальной тактовой частоты (69 канальных бит).

Очевидно, что модуляция основной частоты вобуляции для записи дополнительных данных должна осуществляться очень деликатными методами, чтобы при этом не нарушался синхронизм с записываемыми данными. Кроме того, модуляция должна быть устойчива к различным типам искажений, присущих оптическим дискам и системам для их воспроизведения.  Существует четыре типа таких искажений.

1. Шум. Обусловлен неровностями направляющей канавки, наличием на ней регистрирующего слоя и записанной на этом регистрирующем слое информацией.

2. Сдвиг вобуляции. Это явление наблюдается, когда на этапе завершения процедуры поиска считывающий блок вобуляцию искомой дорожки уже обнаруживает, но все еще находится  несколько в стороне от своей нормальной позиции (на осевой линии дорожки).

3. Биения вобуляции. Биения вобуляции – это результат взаимодействия с соседними дорожками. Поскольку периферийная часть считывающего луча (там, где энергия светового пучка уже очень мала, но все-таки не равна нулю) попадает на соседние дорожки, между вобуляцией основной дорожки и вобуляцией соседних дорожек возникают биения (перекрестные искажения).

4. Дефекты поверхности. Локальные дефекты, обусловленные наличием пылинок или царапин на поверхности диска.

После проведения многочисленных исследований и экспериментов, метод модуляции, устойчивый к характерным искажениям оптической записи, был найден. В качестве метода модуляции было принято решение использовать комбинацию двух технологий: модуляции минимальным сдвигом переключения MSK (Minimum-Shift-Keying) и вобуляции пилообразной формы STW (Saw-Tooth-Wobble).

Направляющую дорожку с вобуляцией, имеющую вид спирали, можно рассматривать как последовательность элементарных фрагментов, соответствующих битам данных адресной информации, которые называются данными ADIP (ADdress-In-Pre-groove), как показано на рис. 6.1. Одному биту данных ADIP соответствуют 56 периодов вобуляции. На рис. 6.2 показаны диаграммы элементарных фрагментов, соответствующих «0» и «1» данных ADIP.

Основной формой вобуляции является косинусоидальное колебание – cost). Вобуляция

Вобуляция MSK-типа состоит из трех колебаний. Средняя из трех волн имеет инвертированную полярность в сравнении с основным косинусоидальным колебанием cost). Эта волна вставлена между двумя колебаниями с увеличенной в 1,5 раза частотой – cos(1,5ωt) (рис. 6.2). Такое сочетание колебаний обеспечивает непрерывность волны и легко детектируется при воспроизведении. Поскольку вобуляция MSK-типа всегда одинакова, то значение бита данных ADIP определяется выбором ее позиции.

Вобуляция STW-типа бывает двух типов. Форма волны, соответствующая «0» данных ADIP имеет крутой спад в направлении к внешней стороне диска (той, откуда движется луч) и пологий в направлении к внутренней стороне диска (той, куда движется луч). Форма волны, соответствующая «1» данных ADIP, наоборот, имеет крутой спад в направлении к внутренней стороне диска и пологий – к внешней его стороне (см. рис. 6.2) Математически STW-колебание выражается как сумма основной косинусоидальной волны cost) и ее второй гармоники cos(2ωt) с уменьшенной в 4 раза амплитудой. Полярность второй гармоники определяет принадлежность STW-колебания к логической «1» или «0» данных ADIP.

Каждый бит данных ADIP начинается с группы колебаний MSK-типа, которая в этом случае выполняет роль синхрокомбинации и служит для идентификации начала бита данных ADIP. Разница в положении второй группы MSK указывает на то, является ли данный бит «единицей» или «нулем». Между первой (синхронизирующей) и второй группой MSK расположена последовательность колебаний основной формы – 11 в случае, если данный бит является «нулем», и 9 – если «единицей». Колебания с 18 по 54 модулируются по методу STW0 или STW1.

Последовательность из 83 бит данных ADIP образует слово данных адреса ADIP. Несмотря на то, что сигналы MSK и STW существенно различны, их детектирование может выполняться с помощью одной и той же схемы. Например, с помощью схемы, показанной на рис. 6.3. При этом сигналы MSK и STW могут детектироваться как независимо друг от друга, так и одновременно.

7. ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА ДИСКОВ BluRay

Файловая система дисков BluRay полностью соответствует стандартному формату UDF (Universal Disc Format), установленному для оптических дисковых носителей информации.

Спецификация на формат UDF, реализующий Международный стандарт ISO/IEC 13346, была разработана Ассоциацией по технологиям оптических накопителей OSTA (Optical Storage Technology Association) для того, чтобы устранить зависимость структуры данных на оптических дисках от типа используемого носителя, платформы и операционной системы компьютера и таким образом обеспечить совместимость данных на оптических дисках с наиболее распространенными операционными системами ПК – в первую очередь корпораций Microsoft (Windows) и Apple (Macintosh).

Формат UDF, прежде всего, ориентирован на перезаписываемые варианты оптических носителей (CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM, BD-RE), но в силу того, что у носителей последних поколений (DVD, BD) файловые системы одинаковы у всех разновидностей дисков (ROM, R, RW, RE), он также относится и к носителям только для считывания (ROM). Исключение составляют диски CD-ROM (а также записанные в том же формате диски CD-R/RW), файловая система которых была разработана раньше формата UDF и поэтому соответствует более раннему стандарту ISO 9660.

Следует отметить, что UDF – это не один формат, а, скорее, семейство форматов, которое постоянно развивается и совершенствуется вместе с развитием и совершенствованием операционных систем. Первая версия формата – UDF 1.0 совместима с Windows 98 и ранними версиями ОС корпорации Apple, а последние UDF 2.5, UDF 3.0 – c Windows Vista и MAC OS X 10.5.

Версия UDF 2.5 была разработана специально для использования с носителями большой емкости последнего поколения и предусматривает дублирование файлов вспомогательных данных (метаданных). Вместо одного массива метаданных (Metadata File), как в более ранних версиях UDF-формата, здесь при записи формируется еще и их дубликат (Metadata Mirror File). В первую очередь это позволяет повысить устойчивость метаданных к повреждениям, поскольку обращение к ним производится гораздо чаще (как при считывании информации, так и при ее перезаписи), чем к основным данным (данным пользователя), и в зоне, где они располагаются на диске, могут со временем появиться дефекты, вызванные частым воздействием лазерного излучения. Кроме того, удвоение метаданных обеспечивает более быстрый поиск нужного фрагмента, сканирование диска и выполнение таких утилит, как самопроверка диска.

Таким образом, версия UDF 2.5 обеспечивает сближение технического исполнения и систем управления компьютерных дисководов BluRay и бытовых рекордеров.

Метаданныеэто «данные о данных», т.е. разнообразная информация о том, где на диске находится то, что пользователь (или компьютерная программа, управляющая считывающим устройством) хочет в данный момент отыскать (файлы доступа и директории). Метаданные аналогичны по содержанию служебной группе (субданным) в формате CD-Audio. Однако, поскольку на перезаписываемых дисках последнего поколения отдельные файлы могут быть разбросаны по всему диску (как на жестком диске компьютера), в метаданных содержится еще и информация о местонахождении каждого из фрагментов таких файлов.

Расположение на диске BluRay зон записи различных типов файлов показано на рис. 7.1.

В соответствии со спецификацией UDF, информация на любом диске BluRay организована в логические сектора размером в 2 кб и блоки коррекции ошибок ЕСС размером в 64 кб. Таким образом, каждый блок ЕСС содержит 32 логических сектора.

Тем не менее требования UDF к размерам файлов и к их структуре для каждого из типов носителей (BD-RE, BD-R, BD-ROM) несколько отличаются.

Основным назначением диска BD-RE является запись аудиовизуальных программ с качеством, соответствующим формату HDTV. Правила размещения данных на поверхности носителя играют ключевую роль в обеспечении процесса записи и перезаписи таких программ на диск BD-RE. Эти данные делятся на два типа: данные, относящиеся непосредственно к записываемой аудиовидеоинформации (данные пользователя), и данные о размещении данных пользователя на поверхности диска (метаданные). Метаданные обеспечивают размещение данных пользователя на свободной площади носителя при записи и поиск нужных фрагментов при воспроизведении.

Файловая система оперирует данными на уровне логических секторов и обеспечивает выполнение функций записи и считывания информации. Объемы аудиовидеоданных и метаданных очень сильно отличаются по размерам – если объем первых может достигать гигабайта и более, то объем соответствующих ему метаданных может составлять от нескольких килобайт до нескольких мегабайт. Однако при воспроизведении какой-то конкретной программы, поток аудиовидеоданных в течение какого-то определенного временного интервала будет непрерывным, а вот обращение к метаданным при этом будет гораздо более частым, во-первых, потому что необходимо постоянно считывать данные для контроля процесса воспроизведения и для визуализации на дисплее, во-вторых, потому что фрагменты одной видеопрограммы могут размещаться в разных местах дискового пространства. Еще более сложной ситуация будет, если требуется воспроизводить диск по заранее заданной программе. Некоторая информация, характеризующая процедуры обращения к данным пользователя и метаданным, приведена в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Разница между файлами основных и вспомогательных данных

Данные

Аудиовидеоданные

Метаданные

Размер файла

Большой (от нескольких мегабайт до нескольких гигабайт)

Небольшой (от нескольких килобайт до нескольких мегабайт)

Частота обращения

Малая

Большая

Временные характеристики процессов записи/считывания

В реальном масштабе времени

Соответствие реальному масштабу времени не требуется

Влияние ошибок

Влияние ошибок второстепенно. Соответствие реальному масштабу времени является более важным, чем выполнение процедуры устранения ошибок, даже когда они присутствуют

Дублирование записи и процедура устранения ошибок очень важны, поскольку наличие ошибок может привести к серьезным проблемам

Зона размещения

В средней части диска

У внешнего и внутреннего диаметров диска. Данные дублируются

Многократно выполняемые процедуры записи, стирания и редактирования данных приводят к тому, что на диске могут образовываться небольшие зоны незаполненного пространства, разбросанные по всему диску. Эти зоны могут быть использованы при записи очередного файла. В результате такой файл, который с точки зрения пользователя представляет собой единое целое и должен воспроизводиться непрерывно в реальном масштабе времени, будет, тем не менее, состоять из большого числа отдельных фрагментов, расположенных в разных местах на диске.

При воспроизведении такого файла считывающий узел (оптическая головка) будет вынужден совершать скачки от одного фрагмента дорожки к другому, перемещаясь вдоль радиуса диска (рис. 7.2). Будет при этом также изменяться скорость вращения диска. Во время выполнения скачка поток считываемых с диска данных неизбежно будет прерываться. Однако это никак не должно отражаться на процессе декодирования и воспроизведения видеопрограммы – она при этом прерываться не должна.

Считываемая с диска информация, как известно, вначале записывается в буферную память. Для того чтобы обеспечить непрерывность воспроизведения видеопрограммы, данных в буферной памяти должно быть столько, чтобы при выполнения скачка они не успели закончиться до того момента, когда воспроизведение вновь возобновится. Для этого скорость заполнения буферной памяти RUD должна быть выше, чем скорость RMAX потока считываемых из нее данных (рис. 7.3, 7.4). Кроме того, спецификация на файловую систему BluRay (UDF) оговаривает минимальный размер фрагмента дорожки, на который еще можно производить запись

8. СТРУКТУРА ДАННЫХ

На дисках CD-ROM и DVD-ROM, а также на CD-R/RW и DVD-R/RW отдельные блоки данных записывались без промежутка, а в CD-Audio еще и с наложением, т.е. невозможно выделить отдельный, не связанный с другими блоками, массив данных. При записи дисков CD-R/RW и DVD-R/RW это затрудняло формирование программ из отдельных, не связанных друг с другом фрагментов. В формате BD этот недочет решили исправить. Здесь отдельные блоки данных по 64 кбайт (блок ЕСС) разделены промежутками, равными по длине двум кадрам, которые сопоставляются одной строке блока ЕСС. Всего таких кадров в блоке данных 496. Новая структурная единица в формате  BluRay называется физическим кластером. Размер физического кластера 498 кадров.

Промежутки между блоками необходимы для того, чтобы при записи отдельных фрагментов программы на записываемые диски (BD-R, BD-RE) системы слежения и синхронизации могли подготовиться к очередному циклу записи. При этом предполагается, что диск может быть уже частично записан, и запись нового фрагмента должна производиться на свободные места, в обход уже записанных.

Промежуток между блоками на записываемых дисках состоит из двух частей – вводной, размер которой составляет 1,43 кадра, и выводной, размер которой 0,57 кадра, сумма их как раз и равна двум кадрам (рис. 8.1). Разметка физического кластера выполняется вобуляцией направляющей дорожки.

Дискам BD-ROM промежутки между блоками не требуются, однако для того, чтобы согласовать временные соотношения с дисками BD-R/RE, здесь также предусмотрены интервалы между блоками данных, равные интервалам на записываемых дисках – те же самые два кадра. Этот интервал и выполнен как два обычных кадра в зоне данных, каждый из которых имеет в начале точно такие же синхрогруппы, как и все прочие кадры.

9. ПРИНЦИПЫ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

ДИСКОВ BD-RE/R

9.1. Диски BD-RE

Блок-схема устройства записи/воспроизведения  дисков BD-RE показана на рис. 9.1. Цифровой сигнал, кодированный по правилам 17РР, в NRZI-представлении поступает на вход формирователя импульсов записи, где в соответствии с определенными правилами, которые будут рассмотрены ниже, формируются последовательности импульсов с необходимыми характеристиками. Этими импульсами модулируется мощность лазера, излучение которого через оптическую систему направляется на  регистрирующий слой диска. В результате воздействия модулированного лазерного излучения на диске формируются метки и промежутки между ними, длина которых соответствует импульсам кода 17РР. Конструкция оптической головки обеспечивает компенсацию сферических аберраций, которые могут возникать при записи информации на двухслойный диск.

При воспроизведении считанный сигнал вначале поступает на эквалайзер, который выравнивает его по уровню и затем направляет подготовленный таким образом сигнал на компаратор и в петлю фазовой автоподстройки частоты (ФАП). С помощью петли ФАП производится выделение канальной тактовой частоты, которая также подается на соответствующий вход компаратора. Компаратор сравнивает уровень входного сигнала с уровнем его постоянной составляющей и формирует двухуровневые импульсы, длина которых кратна периоду выделенной с помощью петли ФАП тактовой частоты. Далее последовательность импульсов поступает на вход схемы коррекции длины импульсов по максимуму правдоподобия (PRMLPartial Response Maximum Likelihood), которая способна корректировать длительности полученных импульсов в случае, когда после компарирования получаются комбинации, не соответствующие правилам кодирования кода 17РР, что однозначно указывает на наличие ошибки. Такие комбинации чаще всего возникают, когда регистрируется импульс длиной в один тактовый интервал, что невозможно, поскольку минимальный интервал в коде 17РР равен двум тактовым интервалам.  

Регистрирующим слоем диска BD-RE служит неорганический материал, способный при разных температурах нагрева изменять свое фазовое состояние из кристаллического в аморфное и наоборот. Формирование на таком материале меток, длина которых должна соответствовать импульсам цифрового кода в 2Т, 3Т, … , 8Т, производится следующим образом. При воздействии на материал регистрирующего слоя лазерного излучения повышенной мощности, в месте воздействия и его окрестностях образуются участки с аморфным фазовым состоянием (рис. 9.2). Такие участки соответствуют питам на дисках BD-ROM. В местах воздействия излучения среднего уровня мощности образуются участки с кристаллическим фазовым состоянием, которые соответствуют отсутствию пит (промежуткам между питами) на дисках BD-ROM. Уровень такого излучения называется стирающим, поскольку ранее сделанная запись в виде участков с аморфным фазовым состоянием при этом переходит в кристаллическое состояние, т.е. стирается. При считывании дорожки диска BD-RE, образованной участками с различными фазовыми состояниями, отраженный луч будет модулироваться по интенсивности, поскольку коэффициент отражения у них разный. При этом участки с различной отражающей способностью будут соответствовать импульсам записанного на диске двоичного кода.

Для того чтобы произвести запись метки, формируется сигнал в виде серии импульсов, длительность, уровень мощности и временные характеристики которых  зависят от требуемой длины метки и от характеристик материала регистрирующего слоя. На рис. 9.3 показана форма сигнала записи, который необходим для записи метки, соответствующей импульсу канального кода длиной в 4 тактовых интервала. Как видно из рисунка, в структуре сигнала записи присутствуют три уровня мощности излучения лазера: PW, PE и PBW. Уровень мощности PW соответствует температуре нагрева регистрирующего слоя, при которой он переходит в аморфное состояние, уровень мощности PE соответствует переходу материала регистрирующего слоя в кристаллическое состояние, а уровень мощности PBW не оказывает влияния на его состояние. Промежуток времени Ttop – это длительность первого импульса записи, величина dTtop – это сдвиг переднего фронта первого импульса записи, ТМР – это ширина каждого из последующих импульсов записи и dTE – это сдвиг заднего фронта последнего импульса низкого уровня мощности (т.н. охлаждающего импульса). Величина сдвигов dTtop и dTE момента начала первого импульса записи и конца последнего соответственно зависит от длительности метки (2Т, 3Т или ≥4Т), которую требуется записать, и постоянно контролируется в процессе записи. Для метки, длина которой равна 4Т (см. рис. 9.3), величина этих сдвигов равна 1 нс. Данные сдвиги необходимы для того, чтобы границы метки точно соответствовали заданной длине.

Величины PW, PE, PBW,Ttop и ТМР зависят от характеристик материала регистрирующего слоя конкретного диска и его информационной емкости, поэтому каждый производитель дисков BD-RE заранее определяет эти параметры и записывает их величины в зоне пит в виде микрорельефа (как на дисках BD-ROM). Привод BD-RE перед началом записи считывает эти данные и корректирует параметры режима записи.

9.2. Стратегии записи дисков BD-R

Для записи дисков BD-R определены две стратегии:

- стратегия N-1, которая применяется для дисков, требующих одного импульса записи для формирования метки длиной 2Т и по одному дополнительному импульсу на каждый канальный тактовый интервал свыше 2Т;

- стратегия N/2, которая применяется для дисков, требующих одного импульса записи для формирования меток длиной 2Т или 3Т и по одному дополнительному импульсу на каждую пару канальных тактовых интервалов свыше 3Т (2 импульса для интервалов 4Т и 5Т и т.д.).

Стратегия N-1

На рис. 9.4 показана форма сигнала записи метки длительностью 4Т, соответствующего стратегии N-1. Этот сигнал представляет собой модулированный импульсами различной длины интервал длительностью 4Т в форме NRZI. При этом  используются четыре различных уровня мощности: PW, PS, PSW и PC.

Первый импульс записи имеет длительность Ttop, а величина dTtop отражает сдвиг переднего фронта этого импульса от своей номинальной позиции. Все последующие импульсы записи, кроме самого последнего, имеют длительность ТМР. Последний импульс имеет длительность TLP. Величина dTS отражает сдвиг заднего фронта охлаждающего импульса с уровнем мощности РС со своей номинальной позиции.

Сдвиги фронтов dTtop и dTS, а также длительности первого Ttop и последнего TLP импульсов могут изменяться в процессе записи в пределах величины Т/16 для получения более точного соответствия границ меток интервалам, кратным Т.

Величины PW, PS, PSW, PС, Ttop, ТLР, ТМР и зависят от характеристик материала регистрирующего слоя конкретного диска и его информационной емкости, поэтому каждый производитель дисков BD-RE заранее определяет эти параметры и записывает их величины в форме ВЧ-модуляции краев направляющей канавки.

При записи со скоростями, превышающими однократную скорость, уровень мощности PSW увеличивается и может достигать значений, больших PS, но меньших PW. Такой случай показан на рис. 9.5.

Стратегия N/2

На рис. 9.6 показана форма сигнала записи метки длительностью 6Т, соответствующего стратегии N/2. Этот сигнал представляет собой модулированный импульсами различной длины интервал длительностью 6Т в форме NRZI. При этом, так же как и в случае стратегии N-1,  используются четыре различных уровня мощности: PW, PS, PSW и PC.

Первый импульс записи имеет длительность Ttop, а величина dTtop отражает сдвиг переднего фонта этого импульса от своей номинальной позиции. Все последующие импульсы записи, кроме самого последнего, имеют длительность ТМР. Последний импульс имеет длительность TLP. Величина dTS отражает сдвиг заднего фронта охлаждающего импульса с уровнем мощности РС со своей номинальной позиции.

Сдвиги фронтов dTtop и dTS, а также длительности первого Ttop и последнего TLP импульсов могут изменяться в процессе записи в пределах величины Т/16 для получения более точного соответствия границ меток интервалам, кратным Т.

Несмотря на то, что при записи меток длиной 6Т и 7Т число импульсов записи будет одним и тем же, их длительность и расположение в каждом случае будут отличаться.

Величины PW, PS, PSW, PС, Ttop, ТLР, ТМР зависят от характеристик материала регистрирующего слоя конкретного диска и его информационной емкости, поэтому каждый производитель дисков BD-RE заранее определяет эти параметры и записывает их величины в форме ВЧ-модуляции краев направляющей канавки.

10. ИЗГОТОВЛЕНИЕ BD-ДИСКОВ

Процесс изготовления BD-диска занимает всего 4 секунды. В будущем планируется это время сократить еще больше - до 3-3,5 секунд.

10.1. Мастеринг BD-дисков

Существует три основные технологии мастеринга BD-дисков: метод PTM, иммерсионный метод и метод записи пучком электронов.

Метод РТМ (Phase Transition Metal), где в качестве источника излучения используется синий лазер, является наиболее перспективным для реализации компактных и дешевых систем мастеринга.

В иммерсионном методе в качестве источника излучения используется ультрафиолетовый лазер, а запись осуществляется сквозь слой жидкости, которая вводится между внешней поверхностью высокоапертурного объектива (NA = 0,95) и поверхностью фоторезиста. Этот метод также является недорогим, хорошо согласуется с обычными системами мастеринга оптических дисков и уже используется европейскими компаниями.

Системы EBR (Electron Beam Recorder), использующие для записи пучок электронов, наиболее дороги, но позволяют получить очень высокое разрешение. Используются японскими компаниями.

10.1.1. Мастеринг с использованием технологии РТМ (Phase Transition Metal)

Основная идея этой технологии состоит в использовании специального неорганического материала, который способен изменять свое фазовое состояние при воздействии лазерного излучения из исходного аморфного до кристаллического. После этого экспонированные кристаллические зоны становятся растворимыми в обычной обрабатывающей жидкости. Таким образом, этот материал является разновидностью неорганического фоторезиста.

Рис. 10.1 иллюстрирует процесс формирования дорожки записи. Используемый здесь материал имеет максимальную чувствительность к излучению с длиной волны 405 нм. Такая длина волны близка к длине волны излучения газовых лазеров, которые применяются для записи оптических дисков в форматах CD и DVD. Здесь используется объектив с числовой апертурой 0,95 – такой же, как в обычных системах мастеринга. Изменение фазового состояния используемого в данной технологии неорганического резистивного материала происходит в результате термохимической, а не фотохимической реакции, как в обычном неорганическом фоторезисте. Поэтому кристаллизация материала происходит только в зоне, где интенсивность лазерного излучения выше границы термохимической реакции. Следовательно, размеры меток получаются значительно меньше диаметра записывающего пятна.

В качестве подложки для напыления фоторезиста здесь используются кремниевые пластины – главным образом из-за их умеренной теплопроводности в сравнении с обычными стеклянными, которые используются для изготовления мастер-дисков CD и DVD.

Оптическая головка и схема управления лазером в системе РТМ и в BD-рекордере очень похожи друг на друга. Если необходимо добиться более высокого качества записи, можно использовать те же самые мультиимпульсные стратегии записи, что используются в обычных потребительских рекордерах. Процесс изменения фазового состояния фоторезиста сопровождается изменением его отражающей способности, поэтому оценку качества записи можно осуществлять, наблюдая за изменением отражающей способности регистрирующего слоя. Такая особенность РТМ-системы позволяет быстро и легко определять оптимальные условия записи. Не нужно дожидаться полного завершения технологического процесса по изготовлению матрицы для тиражирования дисков, чтобы, оценив результат, внести в него коррективы и только потом произвести следующий эксперимент. Оптимизация процесса записи в реальном времени является одной из ключевых особенностей системы РТМ. Поскольку оптическая головка РТМ-системы похожа на оптическую головку обычного BD-рекордера, вся система получается компактной, легкой, отличается высокой надежностью и стабильностью в работе, а также малым потреблением энергии. Вдобавок ко всему ей, в отличие от обычных систем мастеринга с использованием газовых лазеров, не требуется громоздкая система водяного охлаждения.

Поскольку в технологии РТМ используются кремниевая подложка и неорганический фоторезист, то матрицу можно делать по полученному диску-оригиналу сразу после завершения его записи и последующей обработки в технологическом растворе. Более того, поскольку неорганический фоторезист обладает достаточной твердостью и прочностью, можно по одному диску-оригиналу изготовить до десяти матриц без малейшего ухудшения качества сигнала. Благодаря использованию относительно дешевых и легко доступных кремниевых пластин для изготовления основы мастер-диска из технологического процесса устраняются такие дорогостоящие операции, как полировка стеклянной подложки, контроль дефектов, металлизация фоторезиста, изготовление цельнометаллического оригинала и изготовление промежуточных копий. Такое упрощение технологического процесса, наряду с другими преимуществами, обеспечивает еще и очень существенное снижение себестоимости матриц.

10.1.2. Иммерсионный метод мастеринга

Одним из существенных преимуществ оптических дисков в сравнении с другими носителями информации является простота и низкая стоимость их тиражирования. Изготовление мастер-диска (мастеринг) является ключевым этапом в изготовлении штампа, с помощью которого в дальнейшем осуществляется тиражирование дисков BD-ROM. В период появления технологии BluRay эволюция оборудования для мастеринга оптических дисков еще не достигла того уровня, который требовался для записи дисков емкостью 25 ГБ, подобных дискам BD-ROM. Причина тому – невозможность получения записывающего пятна достаточно малых размеров.

Элегантным решением проблемы является использование метода погружения в жидкость, который просто добавляется в уже существующую инфраструктуру записывающего оборудования и позволяет усовершенствовать технологию мастеринга оптических дисков, не внося в нее чрезмерно больших изменений. Используя иммерсионную систему, хорошо известную в микроскопии, можно получить очень маленькое световое пятно для формирования крошечных пит BD-диска.

Иммерсионная система (от позднелат. immersio — погружение) — это оптическая система, в которой пространство между предметом и первой линзой заполнено иммерсионной жидкостью. Оптические характеристики иммерсионной жидкости (показатель преломления и дисперсия) входят в аберрационный расчет объектива и учитываются при определении его оптических параметров (увеличение, числовая апертура), а также при аберрационной коррекции (исправление по полю, ахроматизация, исправление хроматических и сферических аберраций).

На первый взгляд метод погружения в жидкость кажется неосуществимым в механизме записи с ее высокими скоростями записи и высокими требованиями к стабильности механических параметров. Однако разработанное техническое решение опровергает такое мнение (рис. 10.2).

В качестве иммерсионной жидкости могут использоваться глицерин (показатель преломления 1,4739) или дистиллированная вода (показатель преломления 1,3329). Иммерсионная жидкость вводится между вращающимся диском и объективом перед записывающим пятном через специальное отверстие.

Полученная таким путем система очень похожа на обычный лазерный рекордер, который используется для записи CD и DVD. Для записи одного BD-диска емкостью 25 Гб достаточно не более 30 мл иммерсионной жидкости.

10.1.3. Мастеринг с помощью пучка электронов

Для изготовления оптических дисков с высокой плотностью записи информации необходимо оборудование для мастеринга с высоким разрешением. Обычное оборудование с использованием лазерного рекордера не способно обеспечить мастеринг оптических дисков высокой плотности, поскольку его разрешающей способности для этого недостаточно. Для того чтобы повысить разрешение, было разработано оборудование, использующее для записи пучок электронов – электронно-лучевой рекордер EBR (Electron Beam Recorder). Конструкция EBR, разработанного фирмой Pioneer, показана на рис. 10.3.

Запись производится в вакуумной камере, которая при этом должна быть размещена на массивном основании с хорошей защитой от вибраций. Электронно-лучевая трубка располагается над центром вакуумной камеры. С одной из сторон камеры находится детектор вторичных электронов, необходимый для наблюдения за ходом процесса. Излучающая и детектирующая части датчика высоты располагаются с противоположных сторон вакуумной камеры.

Перемещение каретки с мастер-диском вдоль оси Х осуществляется с помощью двигателя постоянного тока и направляющего винта. Двигатель вращения диска, который закрепляется на его шпинделе, установлен в верхней части каретки. Источником потока электронов служит термоэлектронный эмиттер (Thermal Field EmitterTFE).

Пучок электронов, генерируемый TFE, фокусируется на поверхность диска с помощью двух электронных линз, расположенных внутри электронно-лучевой трубки. Точность фокусировки пучка – 6 мрад (половина угла сведения). Энергия пучка – 50 кЭв при величине тока 130 нА и диаметре луча 55 нм.

Модуляция луча осуществляется парой запирающих пластин, расположенных внутри электронно-лучевой трубки. Время запирания – около 10 нс. Колебания поверхности диска и его положение по вертикальной оси Z постоянно контролируются во время записи с помощью оптического датчика высоты и на основе сигнала ошибки, вырабатываемого этим датчиком,  поддерживается точное положение фокуса на поверхности диска путем регулировки фокусного расстояния электронных линз. Положение луча на записываемой дорожке контролируется путем измерения с помощью интерферометра положения расположенного на каретке зеркала. Сигнал ошибки отрабатывается путем перемещения каретки и с помощью отклоняющей системы, расположенной внутри электронно-лучевой трубки. С помощью отклоняющей системы отрабатывается также ошибка трекинга, возникающая из-за радиального биения диска.

Метод записи с помощью пучка электронов отличается высокой точностью и обладает большим запасом разрешающей способности. На рис. 10.4а показан образец записи, соответствующий диску BD-ROM емкостью 25 Гб, с шагом дорожек 320 нм и минимальной длиной пита 149 нм. Величина джиттера, обусловленного колебаниями размеров пит, не более 5%.

Рядом, на рис. 10.4б, для демонстрации потенциальных возможностей технологии EBR показана запись, выполненная в формате BD, но с плотностью записи, в 8 раз превышающей плотность записи на дисках BD-ROM – 201 Гб. Запись выполнена при точности фокусировки пучка 3 мрад (половина угла сведения). На рис. 10.4в показана полученная тем же путем сплошная спиральная дорожка.

Технология EBR существует с 2006 года (фирма Pioneer) и в будущем может использоваться для записи оптических дисков потребительских форматов с высокой плотностью записи.

10.2. Тиражирование BD-дисков

Тиражирование однослойных дисков осуществляется методом литья под давлением. Конструкция литьевой машины показана на рис. 10.5. Гранулы из поликарбоната вводятся внутрь литьевой машины через специальную воронку, расположенную в верхней ее части. Здесь поликарбонат нагревается до жидкого состояния и под давлением подается в литьевую форму, где располагается матрица с микрорельефом. Для того чтобы заготовка диска получилась качественной, температура литьевой формы во время впрыска поликарбоната должна быть такой же, как температура разогретого поликарбоната. В противном случае поликарбонат у стенок литьевой формы будет охлаждаться быстрее, чем в середине заготовки, а это приведет к тому, что в материале основы диска будет наблюдаться двойное лучепреломление. Диск получится бракованным.

После того как литьевая форма заполнена, она медленно охлаждается до комнатной температуры. Быстрое охлаждение также приведет к неоднородности структуры основы и к появлению эффекта двойного лучепреломления. Охлажденная литьевая форма размыкается на две половинки, и заготовка диска извлекается из нее.

На охлажденную заготовку диска методом напыления наносится отражающий слой из алюминия. Затем на отражающий слой методом центрифугирования наносится слой полимера, который способен переходить в твердое состояние под воздействием ультрафиолетовых лучей. Зона, прилегающая к внешнему диаметру диска, нагревается потоком инфракрасного излучения так, чтобы вязкость полимерного покрытия уменьшилась. Одновременно с этим из поликарбонатной пленки толщиной около 0,1 мм (которая заготавливается в виде рулона и по ходу технологического процесса постепенно из него отматывается) вырубается заготовка по размеру диска и укладывается на вращающийся шпиндель. Заготовка диска переворачивается полимерным слоем вниз, укладывается на шпиндель с поликарбонатной пленкой и облучается потоком ультрафиолетовых лучей, что и обеспечивает склеивание заготовки диска с поликарбонатной пленкой, которая теперь будет играть роль защитного слоя BD-диска.

Процесс изготовления двухслойных дисков иллюстрирует рис. 10.6. Внутренний информационный слой L0 формируется на подложке из поликарбоната тем же методом, что и при изготовлении однослойных дисков (литье под давлением и напыление отражающего слоя). Затем поверх отражающего слоя методом центрифугирования наносится слой адгезива HPSA (Hard Pressure Sensitive Adhesive – прочный адгезив, чувствительный к давлению), который полимеризуется и приобретает прочность под воздействием ультрафиолетовых лучей и в дальнейшем будет выполнять роль разделительного слоя между информационными слоями L0 и L1.

Матрица с микрорельефом информационного слоя L1 прикладывается к слою адгезива HPSA и прижимается к нему, формируя питы слоя L1. После этого заготовка диска обрабатывается потоком ультрафиолетовых лучей. Полимер HPSA затвердевает, и матрица отделяется от диска. На полученный микрорельеф информационного слоя L1 напыляется полупрозрачный слой золота или кремния. Дальнейшие технологические операции – те же, что и при изготовлении однослойных дисков.

11. КОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИСКА

11.1. SID-коды

С помощью SID-кодов (SIDSource Identification) можно определить производителя BD-диска. Эти коды представляют собой видимые знаки (буквы и цифры), записанные на внутренней части диска (в зоне прижима). Существуют два типа SID-кодов: код мастеринга (Mastering Code) и код литьевой формы (Mold Code).

Код мастеринга определяется тем оборудованием, которое использовалось для мастеринга диска, и должен быть представлен на матрице, используемой для тиражирования дисков.

Код литьевой формы определяется оборудованием, на котором изготавливаются заготовки дисков, и по этой причине гравируется на внутренней поверхности литьевой формы.

При тиражировании дисков код мастеринга будет виден на той стороне диска, где расположены питы, а код литьевой формы – с противоположной стороны – там же, где этикетка (рис. 11.1).

11.2. ВСА-код

Зона поверхности диска между радиусами 21 мм и 22 мм (BCABurst Cutting Area) предназначена для записи штрих-кода (рис. 11.2), который содержит уникальную информацию, характеризующую данный диск, например, индивидуальный серийный номер диска, код владельца записи и пр. Запись ВСА-кода производится с помощью мощного лазера в режиме постоянной угловой скорости вращения – CAV (Constant Angular Velocity) и, соответственно, считываться может также только в этом режиме.

Запись штрих-кода на дисках DVD производилась с помощью мощного твердотельного YAG-лазера, в качестве активной среды которого используется алюмоиттриевый гранат (YAG  обозначает состав активной среды – Y3Al5O12) с добавками неодима (Nd). Однако такие лазеры очень дороги и недолговечны. Поэтому для записи ВСА-кода на BD-дисках используется относительно дешевый мощный полупроводниковый лазер. Таким образом, процедура нанесения ВСА-кода получается недорогой. Правда, из-за ограниченной мощности лазера на штрихах ВСА-кода остаются маленькие точки отражающей поверхности, которые становятся причиной появления высокочастотного шума в воспроизведенном сигнале. Чтобы удалить этот шум, при воспроизведении используется фильтр низких частот с  частотой  среза 500  кГц.  Результат  действия  этого фильтра  показан  на рис. 11.3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В книге обобщены сведения по технологии BluRay, которыми располагал автор на момент ее написания. Конечно, их трудно назвать слишком обширными, поскольку дефицит информации относительно формата BluRay пока что ощущается очень сильно. Тем не менее общее представление о новом формате дисковой оптической записи информации получить можно даже из представленных материалов. По мере появления новых данных автор обязуется дополнить и переиздать эту брошюру.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Технические параметры диска BD-ROM

Скорость сканирования диска, м/с

4,917

Диаметр диска, мм

120

Диаметр центрального отверстия, мм

15

Масса диска, г

12 - 17

Радиальные биения, мкм

75 макс

Осевые биения, мм

0,3 макс

Толщина диска, мм

0,9 – 1,4

Толщина разделительного слоя, мкм

20 - 30

Показатель преломления

1,45 - 1,70

Радиальный наклон, град

1,60 р-р

Отражательная способность, %

- однослойного диска

- двухслойного диска

35 - 70

12 - 28

Метод записи информации

On pit/in pit

Зона кода ВСА, мм (радиус)

21,0 - 22,2

Зона вводной дорожки, мм (радиус)

22,0 – 24,0

Зона данных, мм (радиус)

24,0 – 58,0

Асимметрия

-0,10 - +0,15

Скорость ошибочных символов (SERSymbol Error Rate)

2×10-4

Данные, относящиеся к считыванию диска BD-ROM

Общая емкость диска SL (DL), ГБ

25 (50)

Скорость следования бит пользователя, Мбит/с

35,965

Скорость следования канальных бит, Мбит/с

66,000

Длина наименьшего пита, нм

149,0

Шаг дорожек, мкм

0,32

Данные, относящиеся к оптике и излучению

Длина волны излучения лазера, нм

405±5

Числовая апертура объектива

0,85±0,01

Поляризация луча

круговая

Аберрации фронта волны, λ (среднеквадр.)

0,033

Уровень шумов лазера, дБГц

-125 макс

Мощность лазера при считывании, мВт

0,35±0,1

ЛИТЕРАТУРА

1. White Paper, Blu-ray Disc, 1C. Physical Format Specifications for BD-ROM, 5th Edition, March, 2007.

2. White Paper, Blu-ray Disc Format, 4. Key Technologies, August, 2004.

3. White Paper, Blu-ray Disc Format, 2B. Audio Visual Application Format Specifications for BD-ROM, March, 2005.

4. White Paper, Blu-ray Disc Format, 3. File System Specifications for BD-RE, R, ROM, August, 2004.

5. White Paper, Blu-ray Disc Recordable Format, part 1, Physical Specifications, February, 2006.

6. White Paper, Blu-ray Disc Format, 1A. Physical Format Specifications for BD-RE, 2nd Edition, February, 2006.

7. White Paper, Blu-ray Disc Format, Audio Visual Application Format Specifications for BD-RE Version 2.1, March, 2008.

8. Nishioka S., Nakano I. and Yamaguchi T. Ext. Abstr. (50th Spring Meet. 2003). Japan Society of Appl. Physics and Related Societies, 27p-ZW-10 [in Japanese].

9. Takada K. and Nakajo M. Optical Review 8 (2001). Р.463.

10. Park K.S. et. al. ISOM/ODS2002, TuC.4. Р.165.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Адгезив HPSA – 55

Апертура числовая – 9

- угловая – 9

Байт синхронизации – 26

Блок ЕСС – 18, 23

- коррекции ошибок – 23

Вобуляция – 13, 14, 33–36

- STW – 34

Граница Синглтона – 25

Данные ADIP – 35

Длина волны записи – 29

- пробега (runlength) – 28

Зона ВСА – 57

Кластер физический – 41

Код 17РР – 31, 32

- ВСА – 57, 58

- BIS – 26

- LDC – 25

- RLL – 29

- SID – 56

- литьевой формы – 56

- мастеринга – 56

- с ограниченной длиной пробега – 29

Метаданные – 38

Метка – 28

Метод PTM – 48–50

- иммерсионный – 50–52

Модуляция MSK – 34–35

Ошибка случайная – 25

Пакет ошибок – 25

Пикет-байт – 26

Пробег (run) – 28

Расстояние рабочее объектива – 19

Рекордер электронно-лучевой – 51–53

Система EBR – 52, 53

- иммерсионная – 50, 51

Скорость кода – 30

Стирание – 25

Стратегия N-1 – 46

- N/2 – 47

Технология «in pit» – 13

- «on pit» – 13

 

Формат UDF – 37

Элемент голографический оптический (НОЕ) – 20, 21

Эмиттер термоэлектронный – 53

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….….3

1. Общие сведения о новом формате оптической записи………………………4

  1.1. История появления формата BluRay…………………………………...…4

  1.2. Физические характеристики, позволившие получить высокую информационную емкость диска BluRay………………………………………..9

2. Конструкция диска……………………………………………………………11

  2.1. Общая структура диска…………………………………………………...11

  2.2. Диски BD-ROM…………………………………………………………...12

  2.3. Записываемые диски……………………………………………………...13

  2.4. Материал регистрирующего слоя записываемых дисков………………15

  2.5. Некоторые особенности BD-дисков……………………………………..17

3. Оптические головки…………………………………………………………..19

4. Коррекция ошибок в формате BluRay……………………………………….23

5.Канальная модуляция в формате BluRay…………………………………….28

6. Формат кодирования адресных данных вобуляцией направляющей дорожки…………………………………………………………………………..33

7. Файловая система дисков BluRay……………………………………………37

8. Структура данных…………………………………………………………….41

9. Принципы записи и воспроизведения дисков BD-RE/R…………………...42

  9.1. Диски BD-RE……………………………………………………………...42

  9.2. Стратегии записи дисков BD-R………………………………………….45

10. Изготовление BD-дисков……………………………………………………48

  10.1. Мастеринг BD-дисков…………………………………………………...48

     10.1.1. Мастеринг с использованием технологии РТМ (Phase Transition Metal)……………………………………………………………………………..48

     10.1.2. Иммерсионный метод мастеринга………………………………….50

     10.1.3. Мастеринг с помощью пучка электронов………………………….52

  10.2. Тиражирование BD-дисков……………………………………………..54

11. Коды идентификации диска………………………………………………...56

  11.1. SID-коды…………………………………………………………………56

  11.2. ВСА-код………………………………………………………………….57

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….58

ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………….59

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………...60

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ………………………………………………….61

Цифровое TV-вещание в формате HDTV

BD-аппарат

Студии цифрового TV-вещания

Киностудии

Диски с записями кинофильмов в формате HDTV

Домашняя запись программ TV-вещания в формате HDTV

Доступ через широкополосный кабель

Рис. 1.1. Структурная схема домашнего развлекательного комплекса, построенного на базе BD-аппарата и телевизионного приемника формата HDTV, который должен в недалеком будущем заменить ныне существующие комплексы формата SDTV: видеомагнитофон VHS, DVD-рекордер, телевизионный приемник стандартного разрешения

α

θ

Входной зрачок объектива

Фокальная плоскость

Оптическая ось

α = 2θ – угловая апертура

NA = n sinθ – числовая апертура

Рис.1.2. К понятиям числовой и угловой апертуры

Рис. 1.3. Сравнительные размеры светового пятна для различных длин волн  лазерного излучения

Толщина защитного слоя

Площадь светового пятна

Числовая апертура NA

Длина волны излучения лазера λ

650 нм

405 нм

0,6 мм

0,1 мм

1,2 мм

1,2 мм

Рис. 1.4. Параметры, обеспечивающие повышение плотности записи на диске BD в сравнении с плотностью записи на DVD

Защитный слой высокой прочности (2 мкм)

Покрытие (поликарбонат  98 мкм)

Основа (поликарбонат  1,1 мм)

Информационный слой

Считывающий луч

Защитный слой высокой прочности (2 мкм)

Покрытие (поликарбонат 73 мкм)

Основа (поликарбонат 1,1 мм)

Информационный слой L0 

Считывающий луч

Информационный слой L1 

Разделительный слой (поликарбонат 25 мкм)

а)

б)

Рис. 2.1. Конструкция BD-диска: а) однослойного; б) двухслойного

In pit

On pit

Рис. 2.2. Технологии «In pit» и «On pit»

Считывающее пятно

Дорожка

Рис. 2.3. Структура информационного слоя записываемого BD-диска

5 мкм

±10 нм

Рис. 2.4. Параметры вобуляции

0,32 мкм

On groove

In groove

On

In

Рис. 2.5. Два способа записи информации: «on grove» (слева) и «in groove» (справа)

Прочный слой

Покрытие

Защитный слой

Защитный слой

Основа

Прочный слой

Отражающий слой

Отражающий слой

Покрытие

Регистрирующий слой (кремний/сплав меди)

Граничный слой

Регистрирующий слой (краситель)

Основа

Неорганический

Органический

а)

б)

Рис. 2.6. Структура диска BD-R с регистрирующим слоем из неорганического (а) и органического (б) материала

Покрытие

Разделительный слой

Основа

Регистрирующий слой L1

Регистрирующий слой L0

Защитный слой

Защитный слой

Защитный слой

Отражающий слой

Защитный слой

Слой медного сплава

Слой кремния

Слой кремния

Слой медного сплава

Рис. 2.7. Структура двухслойного диска BD-R с регистрирующими слоями из неорганического материала (технология фирмы TDK)

Искажения светового пятна при толщине защитного слоя 0,6 мм

Искажения светового пятна при толщине защитного слоя 0,1 мм

Рис. 2.8. Искажения формы светового пятна, вызванные наклоном поверхности диска при разной толщине защитного слоя

Внешняя поверхность диска

Информационный слой

Подложка

α

Падающий луч

Отраженный луч

Защитный слой

Рис. 2.9. Отклонение отраженного луча от вертикали, вызванное наклоном поверхности диска

138 мкм

520 мкм

BD

DVD

Рис. 2.10. Диаметр светового пятна на поверхности диска у BD и DVD

Коллиматор

Синий ЛД (BD)

ФД

Инфракрасный ЛД (CD)

Красный ЛД (DVD)

Объектив

Поляризационный голографический оптический элемент (НОЕ)

Поляризационный расщепитель

Наклонное зеркало

Рис. 3.1. Оптическая схема комбинированной оптической головки с тремя лазерными диодами (ЛД), разработанной фирмой LG Electronics

Поляризационный расщепитель

Фронт падающей волны

Фронт прошедшей волны

Дифракционный голографический оптический элемент

Поляризация

Поляризация

Дифракция

BD

DVD/CD

Рис. 3.2. Структура голографического оптического элемента (НОЕ) и принцип его действия

Коллиматор

Цилиндрическая линза

Полу-прозрачное зеркало

Полупрозрачное зеркало

ФД для CD/DVD

ФД для BD

3-волновая дифракционная решетка

3-волновый ЛД

Коллиматор

3-волновое зеркало

OEIC (для BD)

OEIC (для CD/DVD)

Мульти-линза

НОЕ – компенсатор дифракционных шумов

3-волновой апертурный фильтр

3-волновое зеркало

3-волновой объектив

Система линз с изменяемым фокусным расстоянием

Рис. 3.3. Оптическая схема головки фирмы SONY с 3-волновым лазерным диодом

Рис. 3.4. Конструкция комбинированного лазерного диода

Рис. 3.5. Расположение активных зон, генерирующих излучение разных длин волн, в конструкции комбинированного лазерного диода фирмы SONY

Направление считывания данных для записи на диск

155 байт

1

1

1

38 байт

38 байт

38 байт

38 байт

S

496

2 × 216

2 × 32

- ошибочные пикет-байты

- байты данных

- ошибочные байты данных (стирания)

- проверочные байты

- байты синхронизации

- пикет-байты

Рис. 4.1. Структура блока ЕСС в формате BluRay

Сходящийся луч

Информационный слой

Защитный слой

S

Эффект расфокусировки

Выпадение

Считанный сигнал

Конструктивная длина корректируемого пакета ошибок

Площадь поперечного сечения S светового луча на поверхности диска имеет значительные размеры, поэтому влияние попавшей туда частицы ослабляется.

(Оптическое ослабление)

Коррекция ошибок

Вычисления для коррекции ошибок выполняются по блоку данных с большой конструктивной длиной, поэтому влияние выпадений в значительной степени ослабляется.

(Электронное ослабление)

Рис. 4.2. Защитный слой диска играет роль оптического средства ослабления влияния частиц грязи и пыли на поверхности диска, а коррекция ошибок – роль электронного средства ослабления этого влияния. Оба этих средства взаимно дополняют друг друга

1 блок ЕСС = 32КБ

2 кадра = 182Б ≈ 183 мкм

Диаметр пятна на поверхности диска = 138 мкм

Размер дефекта на поверхности диска = 30 мкм

16 проверочных байт

Диаметр пятна на поверхности диска = 138 мкм

Размер дефекта на поверхности диска = 30 мкм

32 проверочных байта

1 блок ЕСС = 64КБ

248Б

Синхро+152Б+3BIS  154 мкм

DVD

BD

Рис. 4.3. Сравнение блоков ЕСС BD и DVD в предположении, что толщина защитного слоя у диска DVD также равна 0,1 мм

0

1

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

Поток данных источника

Поток канальных битов

NRZ (d,k)

NRZI (RLL)

n = 2   биты источника

m = 3   канальные биты

«метки» (питы)

КодерRLL

КодерNRZI

Дорожка на BD-диске

Рис. 5.1. Кодирование с ограничением длины пробега (RLL) для оптической записи на BD-диск

1

0

λmin = 1/fmax

Рис. 5.2. Минимальная длина волны записи

Tmin

Tmin

9Тк

9Тк

2Тк

2Тк

NRZ

NRZI

Рис. 5.3. Конфигурация синхрогруппы в формате BluRay

1 бит данных ADIP = 56 периодам вобуляции ≈ 0,3 мм

BluRay диск

≈ 5 мкм

Шаг дорожки

(0,32 мкм)

Рис. 6.1. Формирование данных ADIP на поверхности BluRay диска

Равномерная вобуляция: cos (ωt)

Вобуляция STW0: cos (ωt)-0,25sin(2ωt)

«0» данных ADIP

«1» данных ADIP

вобуляция

Вобуляция MSK: cos(1,5 ωt), -cos(ωt), -cos(1,5 ωt)

Вобуляция STW1: cos (ωt)+0,25sin(2ωt)

Рис. 6.2. Диаграммы элементарных фрагментов из 56 периодов вобуляции, соответствующих «0» и «1» данных ADIP 

Логическому «нулю» соответствуют: 3 первых периода вобуляции MSK, 11 периодов равномерной вобуляции, 3 периода вобуляции MSK, один период равномерной вобуляции, 37 периодов вобуляции STW0 и 1 период равномерной вобуляции. Логической «единице» соответствуют: 3 первых периода вобуляции MSK, 9 периодов равномерной вобуляции, 3 периода вобуляции MSK, 3 периода равномерной вобуляции, 37 периодов вобуляции STW1 и 1 период равномерной вобуляции

Сигнал перехода в режим хранения

(середина 17-го периода вобуляции)

Интегратор

×

Умножитель

Несущая частота*

Сигнал вобуляции от схемы с двухтактным выходом

УВХ1

УВХ1

Сигнал перехода в режим хранения

(начало 55-го периода вобуляции)

+

MSK

MSK+STW (Гибридное детектирование)

STW

Компараторы

Рис. 6.3. Схема детектирования сигналов MSK и STW

* Когда детектируется сигнал MSK, то несущей служит первая гармоника основного колебания вобуляции (957 кГц), а когда детектируется сигнал STW – его вторая гармоника (1913 кГц)

Сброс интегратора

Зона записи метаданных

Зона записи метаданных

Зона записи аудиовидеоданных

Рис. 7.1. Расположение зон записи различных видов данных на диске

Фрагмент дорожки

Рис. 7.2. Воспроизведение файла, записанного на фрагментах дорожки

Привод BD-диска

Буферная память

Распаковка данных источника

RUD

RMAX

RTS

Транспортный поток MPEG2

Рис. 7.3. Использование буферной памяти при считывании данных с BD-диска

Количество данных, накопленных в буферной памяти

чтение

скачок

чтение

t

X

Y

RUD

RMAX

0 Мбит/с

Tr

Tj

Заполнение буферной памяти данными

Условия непрерывности процесса воспроизведения:

X > Y

X[Мбит] = RUD[Мбит/с]×Tr[c]

Y[Мбит] = RMAX[Мбит/с]×(Tr+Tj)[c]

чтение

скачок

Фрагменты

Рис. 7.4. Процесс считывания файла аудиовидеоданных, записанного на фрагментах дорожки, и условие непрерывности процесса воспроизведения

Блок данных ЕСС (496 кадров)

Блок данных ЕСС (496 кадров)

Блок данных ЕСС (496 кадров)

Блок данных ЕСС (496 кадров)

Зона вывода

(0,57 кадра)

Зона ввода

(1,43 кадра)

Согласующий кадр 1

Согласующий кадр 2

Физический кластер (498 кадров)

Физический кластер (498 кадров)

BD-R/RE

BD-ROM

Рис. 8.1. Структура данных на дисках BD-R/RE и BD-ROM

Оптическая головка

Модулятор мощности лазера

Формирователь импульсов записи

одулятор 17РР

BluRay диск

NA = 0,85 / λ = 405 нм

Запись

Эквалайзер

Петля ФАП

Компаратор

Цепь PRML

Данные

Воспроизведение

Рис. 9.1. Блок-схема привода BluRay диска

Метка минимальной длины = 0,149~0,138 мкм

Метка

Рис. 9.2. Форма импульсов записи и полученные при этом метки длиной 2Т, 3Т и 4Т

Рис. 9.3. Форма сигнала записи метки длиной 4Т

Tw

Ttop

dTtop

TMP

TLP

dTS

PSW

PC

PW

PS

NRZI

Рис. 9.4. Стратегия N-1

Tw

Ttop

dTtop

TMP

TLP

dTS

PSW

PC

PW

PS

NRZI

Рис. 9.5. Уровни мощности в стратегии N-1 при высоких скоростях записи

6Т

Tw

Ttop

dTtop

TMP

TLP

dTS

PSW

PC

PW

PS

NRZI

Рис. 9.6. Стратегия N/2

Интенсивность лазерного излучения

Неорганический фоторезист

Распределение интенсивности  излучения в сфокусированном лазерном луче

Граница фотохимической реакции

Граница термохимической реакции

Зона кристаллизации

Рис. 10.1. Механизм записи с использованием технологии РТМ

Направление вращения диска

Объектив

Поперечное сечение

Водяной след

Нижняя линза

Фокус

Вид снизу

Вводное отверстие для жидкости

Вводное отверстие для жидкости

Рис. 10.2. Принцип действия иммерсионной системы

Электронно-лучевая трубка

Датчик высоты

Устройство для оценки и регулировки параметров лазерного луча

Зеркало

Вакуумная камера

Перемещение по оси Y

Интерферометр

Лазерная головка

Диск

Детектор вторичных электронов

Порт коммутации

Двигатель постоянного тока

Перемещение по оси Х

Винт

Гибкие трубки

Перемещение по оси Y

Двигатель вращения диска

Рис. 10.3. Общий вид EBR, разработанного фирмой Pioneer

(а) BD-ROM 25 Гб

(б) ROM 201 Гб

(с) Простая спираль

Рис. 10.4. Образцы записи, полученные с помощью EBR

Матрица

Литейная форма

Расплавленный поликарбонат

Гранулированный поликарбонат

Нагреватель

Двигатель

Инжекционный цилиндр и поршень

Рис. 10.5. Конструкция литейной машины

Напыление слоя L0

Напыление слоя L1

УФ-облучение

Разделение

Матрица

Нанесение

защитного слоя

Рис. 10.6. Технология производства двухслойных дисков

Код литьевой формы (Mold Code)

Этикетка

Рис. 11.1. Расположение на диске кода литьевой формы

Зона ВСА

ВСА-код

Рис. 11.2. Зона ВСА и ВСА-код

Необработанный сигнал

Сигнал после ФНЧ 2-го порядка с fсреза = 500 кГц

Рис. 11.3. Считанный сигнал ВСА-кода до и после НЧ-фильтрации


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47391. Специфика патриотического воспитания дошкольников с отклонениями в эмоционально-личностном развитии и поведении 99.95 KB
  Они делают акцент на приобщение детей к культурному наследию народа. Куликова предлагают одним из решений проблемы воспитания патриотизма детейдошкольников познание ими РодиныРоссии. разработать комплекс занятий для детей с отклонениями направленных на патриотическое воспитание. Уровень патриотического воспитания детей дошкольного возраста с отклонениями в развитии и поведении станет выше если в процессе работы будут использованы игровые словесные наглядные экскурсионные методы и формы функционирования воспитательной системы...
47393. Рисование как средство коррекции недостатков развития умственно отсталых детей 47.16 KB
  Развитие изобразительной деятельности связано с формированием у ребенка активного интереса к окружающему миру и предоставляет возможность ребенку отражать действительность. Лепка является первым основополагающим видом занятий необходимых для умственно отсталого ребенка на начальных этапах формирования изобразительной деятельности. В ходе выполнения аппликаций также создаются условия для формирования целенаправленной деятельности и развития общих интеллектуальных умений.
47394. Управління мотивацією персоналу на підприємстві 849.5 KB
  Сутність поняття мотивація структура мотивації праці. Впровадження бальної системи оплати праці та оцінка її ефективності. В умовах що склалися в Україні на нинішньому етапі її розвитку проблема мотивації персоналу набула важливого значення оскільки вирішення завдань які стоять перед суспільством можливе лише за умови створення належної мотиваційної основи здатної спонукати працівників підприємств до ефективної діяльності. На сьогодні матеріальне стимулювання працівників підприємств як основна складова частина загальної...
47395. Предложения по улучшению финансового состояния ООО ПК «РосМебель» 497.5 KB
  Краткая характеристика предприятия. Общая оценка финансового положения предприятия. Анализ ликвидности предприятия. Анализ деловой активности предприятия.
47396. Особенности развития памяти у младших школьников 759 KB
  Особенности развития памяти у детей младшего школьного возраста. Экспериментальное исследование особенностей развития памяти у младших школьников. Коррекционная работа направленная на развитие памяти.Рекомендации учителям и родителям по развитию памяти младших школьников .
47397. Национальный вопрос в Испании в Новейшее время 426 KB
  Показать борьбу национальных меньшинств за национально-территориальную автономию в 1918-1939 годах; рассмотреть национальную политику режима Франко в 1939-1975 годах; охарактеризовать децентрализацию государственного устройства Испании; выделить политико-правовое положение иммигрантов в Испании
47398. Изучение хозяйственно-ценных признаков у сортов озимой мягкой пшеницы 269.5 KB
  В воздушно-сухом зерне пшеницы содержится: белка. Зерно пшеницы используется для получения муки а также в крупяной макаронной и кондитерской промышленности 37. Велико и организационно-хозяйственное значение озимой пшеницы. Во-вторых более раннее созревание озимой пшеницы по сравнению с яровыми культурами уменьшает напряженность и уборочных работ дает возможность уйти от летней засухи.
47399. Особенности обработки зерна на примере ТОО “Пригородное” 586.5 KB
  Хозяйство расположено на территории со сложным рельефом: долины рек Шограш, Содимы, Емы и многочисленных ручьёв. По почвенно-геоботаническому районированию относится к подзоне средней тайги. Лесные массивы неоднородны, с преобладанием ели и берёзы; в подлеске – рябина, черёмуха и др.Почвенный покров хозяйства сложный.