27163

Система магнитооптической записи звука «Минидиск»

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Звуковые характеристики Число каналов Детонации 2 или 1 отсутствуют Формат данных Частота дискретизации кГц Кодирование сжатие данных Модуляция канальный код Система защиты от ошибок 441 ATRAC EFM 814 ACIRC Оптические характеристики Длина волны излучения лазера нм Числовая апертура объектива Мощность излучения лазера при записи мВт Метод записи 780 045 25 – 50 главный пучок Модуляция магнитного поля 11. В общем случае магнитооптический эффект это изменение оптических свойств вещества в зависимости от его...

Русский

2013-08-19

224.5 KB

10 чел.

PAGE  3

Система магнитооптической записи звука «Минидиск»

В 1992 году на потребительских рынках Японии, Америки и Европы появился новый вид цифровой аудиоаппаратуры – проигрыватель минидисков (MD). Размеры нового носителя вполне соответствовали его названию – диск был действительно миниатюрным, всего 64 мм в диаметре. Но, несмотря на скромные размеры, длительность записанной на нем программы достигала 74 минут – так же, как и у компакт-диска. И даже качество записи соответствовало формату CD – те же 16 разрядов квантования при той же частоте дискретизации 44,1 кГц. Все основные этапы преобразования звукового сигнала в системе «Минидиск» тоже соответствовали формату CD.

Однако, в отличие от компакт-диска, на минидиск, как правило, можно записывать, причем как аналоговый сигнал, так и цифровой. Последнее означает, что фонограмма с компакт-диска или DAT-кассеты может быть скопирована на новом аппарате практически без потери качества.

Казалось бы, этот факт должен бы вызвать бурный протест со стороны звукозаписывающих компаний, как это было в случае с магнитофонами формата R-DAT. Но не вызвал. Дело в том, что на минидиск производится запись не точной копии материала, а его версии, полученной путем сжатия исходной информации в 5-6 раз по стандарту ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding). Именно применением компрессии в основном и объясняется возможность использования столь миниатюрного носителя для записи столь продолжительных программ.

Сжатие информации по методу ATRAC основано на устранении так называемой психофизической избыточности звукового сигнала, то есть той его части, которую человеческое ухо все равно не воспринимает. Те же принципы лежат в основе сжатия по стандартам MPEG1 и MPEG2, особенно с высоким уровнем компрессии (Layer 3). Удаленная при сжатии избыточность во время воспроизведения не восстанавливается, поэтому записанные на минидиск программы уже не могут считаться точными копиями, а, следовательно, никакого нарушения авторских прав при копировании не происходит.

Для того чтобы расширить возможности системы MD в отношении записи фонограмм в цифровом виде, большинство минидисковых аппаратов имеет в своей структуре преобразователь частоты дискретизации. Как говорилось выше, внутренняя частота дискретизации минидисковых систем – 44,1 кГц. Наличие же преобразователя позволяет производить запись цифровых сигналов и с частотами дискретизации 48 кГц и 32 кГц.

Для защиты от пыли и механических воздействий минидиск помещен в пластиковую кассету. Размер такой кассеты 68×72×5 мм. Доступ к рабочей поверхности диска осуществляется через специальное окно, которое вне дисковода закрыто сдвигающейся шторкой.

Существует два вида минидисков, существенно различных по физической структуре. На один из них – магнитооптический – можно производить запись. Другой же – оптический – ничем, кроме геометрических размеров и способа формирования потока данных, не отличается от обычного компакт-диска. Запись на него невозможна.

Технические характеристики системы «Минидиск» приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1

Основные характеристики

Время воспроизведения и записи, мин.

Размеры кассеты, мм

74 (макс.)

68×72×5

Характеристики диска

Диаметр, мм

Толщина, мм

Диаметр центрального отверстия, мм

Начальный (внутренний) диаметр зоны ввода, мм

Внешний диаметр зоны ввода, мм

Внешний диаметр программной зоны, мм

Шаг дорожки, мкм

Скорость сканирования, м/с

64

1,2

11

29 (макс.)

32

61 (макс.)

1,6

1,2 – 1,4

Звуковые характеристики

Число каналов

Детонации

2 или 1

отсутствуют

Формат данных

Частота дискретизации, кГц

Кодирование (сжатие данных)

Модуляция (канальный код)

Система защиты от ошибок

44,1

ATRAC

EFM (8-14)

ACIRC

Оптические характеристики

Длина волны излучения лазера, нм

Числовая апертура объектива

Мощность излучения лазера при записи, мВт

Метод записи

780

0,45

2,5 – 5,0 (главный пучок)

Модуляция магнитного поля

11.1. Физические основы магнитооптической записи

Систему MD можно рассматривать как некий промежуточный вариант между системой оптической записи «Компакт-диск» и системой магнитной записи R-DAT. Запись информации здесь осуществляется путем формирования магнитограммы на поверхности дискового носителя, покрытого магнитооптическим материалом, а считывание этой информации производится уже оптическими методами – с помощью сфокусированного луча полупроводникового лазера.

В основе процесса считывания лежит магнитооптический эффект Керра.

В общем случае, магнитооптический эффект - это изменение оптических свойств вещества в зависимости от его намагниченности или от силы приложенного к нему магнитного поля. Под оптическими свойствами здесь следует понимать отражение, пропускание, поляризацию света и другие явления. Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект, называются магнитооптическими веществами. Среди них могут быть ферромагнетики, имеющие в своей структуре магнитные атомы, - такие, как Y3Fe5O12 или GdFe3O12; ортоферриты, образующие магнитные домены – такие как CdTbFe или TbFeCo и другие материалы, содержащие металлы и редкоземельные элементы. Тонкие пленки из таких материалов обладают преимущественно перпендикулярной намагниченностью, т.е. силовые линии магнитного поля, образуемого ими, перпендикулярны поверхности пленки.

Магнитные свойства веществ обусловлены магнитными свойствами элементарных носителей магнетизма - движущихся внутри атомов электронов, а также совместным действием их групп. Электроны в атомах, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, образуют элементарные токи или магнитные диполи, которые характеризуются магнитным моментом m. Величина его равна произведению элементарного тока i и элементарной площадки s, ограниченной элементарным контуром m = is. Вектор m направлен перпендикулярно к площадке s по правилу буравчика. Магнитный момент тела представляет собой геометрическую сумму магнитных моментов всех диполей. Кроме орбитальных моментов, электроны, вращаясь вокруг своих осей, создают еще спиновые моменты, которые играют важнейшую роль в намагничивании ферромагнетиков.

Если на вещество воздействует внешнее магнитное поле, то носители магнетизма данного вещества сориентируются так, что направления их магнитных моментов совпадут с направлением внешнего магнитного поля. Возникнет собственное магнитное поле вещества – магнитная индукция.

Мерой изменения магнитного поля в веществе служит величина его магнитной проницаемости μ, показывающая, во сколько раз магнитная индукция внутри данного вещества будет больше магнитного поля в вакууме при воздействии одного и того же внешнего магнитного поля.

Существует три типа магнитных веществ: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.

Парамагнетики – это вещества, носители магнетизма которого способны ориентироваться по направлению внешнего магнитного поля и усиливать это поле на незначительную величину. У парамагнетиков μ лишь ненамного больше 1. В отсутствии внешнего поля ориентация носителей магнетизма вновь становится хаотичной.

Диамагнетики – это вещества, способные создавать внутри себя поле, ослабляющее внешнее магнитное поле. У диамагнетиков μ<1. В отсутствии внешнего магнитного поля атомы или молекулы диамагнетиков не имеют магнитных моментов.

Ферромагнетики – это вещества, обладающие высоким значением магнитной проницаемости, которая может достигать сотен и тысяч единиц. Ферромагнетиками их называют по своему наиболее распространенному представителю - железу. Ферромагнетики способны сохранять состояние намагниченности и в отсутствии внешнего магнитного поля. Именно по этой причине степень и направление намагниченности их в данный момент времени зависит от «предыстории», т.е. от величины и направления внешнего магнитного поля в момент окончания его воздействия.

Намагничивание ферромагнетиков происходит следующим образом. Этот процесс иллюстрируется рисунком 11.1, где по горизонтальной оси отложена напряженность внешнего магнитного поля Н, а по вертикальной – магнитная индукция В в ферромагнетике.

Предположим, что остаточная намагниченность в ферромагнетике отсутствует, т.е. носители магнетизма в нем имеют хаотичную ориентацию и его суммарное магнитное поле равно нулю. Если напряженность внешнего магнитного поля Н начнет возрастать, то начнет увеличиваться и магнитная индукция В. Вначале это будет медленное нарастание, затем кривая резко пойдет вверх, и, наконец, увеличение индукции замедлится и, в конце концов, прекратится совсем. Такое состояние, когда при увеличении внешнего магнитного поля индукция остается постоянной, называется состоянием насыщения магнитного материала. Предельная величина индукции при этом называется индукцией насыщения Bs.

Если теперь уменьшать внешнее магнитное поле вплоть до его полного снятия, то магнитная индукция при этом в той или иной степени уменьшится, но не до нуля, поскольку носители магнетизма все еще продолжают сохранять полученную ориентацию. Та ее величина, которая сохранится при полном исчезновении внешнего магнитного поля, называется остаточной магнитной индукцией Br.

Чтобы устранить остаточную магнитную индукцию, т.е. чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, нужно приложить к нему внешнее магнитное поле противоположного направления. Та величина напряженности обратного магнитного поля –Нс, при которой индукция В обратится в нуль, называется коэрцитивной силой магнитного материала.

При дальнейшем увеличении обратного магнитного поля магнитный материал снова намагнитится – но в противоположном направлении.

Если этот процесс периодически повторять, меняя направление магнитного поля, то получится замкнутая кривая, которая называется петлей гистерезиса. Площадь такой петли характеризует энергию, необходимую для перемагничивания магнитного материала.

Зависимость магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля у парамагнетиков – линейная, а у ферромагнетиков – существенно нелинейная.

Возможность записи информации на магнитооптические материалы обусловлена тем, что эти материалы способны изменять свою магнитную восприимчивость при изменении температуры и переходить из ферромагнитного состояния в парамагнитное и обратно.

Магнитная восприимчивость – это величина, характеризующая способность вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле.

Вектор намагниченности М, т.е. магнитный момент единицы объема вещества, связан с вектором Н напряженности однородного магнитного поля соотношением:

М = М0 + χН,

где М0 – намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, Н – напряженность магнитного поля, а χ – макроскопическая магнитная восприимчивость частицы вещества. В присутствии внешнего магнитного поля энергия Е частицы (атома, иона) изменяется в сравнении с энергией в отсутствии поля. У парамагнетиков самопроизвольная намагниченность в отсутствии внешнего поля М0 = 0 и χ  = М/Н определяет наведенную намагниченность. В СИ χ - безразмерная величина. Магнитная восприимчивость, рассчитанная на 1 кГ вещества, называется удельной (χуд  = χ/ρ, где ρ – плотность вещества). В соответствии с законом, установленным французским ученым Пером Кюри в 1895 году, температурная зависимость χуд парамагнетиков имеет вид

χуд  = С/Т,

где С – постоянная Кюри.

В 1907 году другой французский ученый П.Вейс уточнил закон Кюри применительно к ферромагнетикам. Этот закон теперь известен как закон Кюри-Вейса:

χ = С/(ТQ – Т),

где ТQ – температура (точка) Кюри, при приближении к которой снизу магнитная восприимчивость χ вещества резко возрастает и его состояние изменяется от ферромагнитного к парамагнитному. По мере увеличения температуры возрастает крутизна петли гистерезиса, которой характеризуются ферромагнитные материалы, а коэрцитивная сила и максимальная остаточная намагниченность уменьшаются, обеспечивая резкое повышение эффективности магнитной записи.

Наиболее привлекательными веществами для использования в качестве носителей магнитооптической записи могут быть вещества, у которых низкая точка Кюри (чтобы можно было производить быстрый нагрев материала носителя при небольшой мощности) сочетается с низким значением коэрцитивной силы (чтобы изменять магнитную ориентацию носителей магнетизма путем приложения относительно слабого магнитного поля). Одним из таких веществ является сплав тербия, железа и кобальта (TbFeCo), имеющий точку Кюри вблизи 185°С и коэрцитивную силу около 80 Э (6,4 кА/м). Этот сплав и используется при изготовлении регистрирующего слоя минидисков.

Существует два основных способа формирования магнитограммы на магнитооптическом носителе.

Первый состоит в том, что регистрирующий слой, нанесенный на поверхность диска, предварительно намагничивается в определенном направлении. В процессе записи на него воздействуют слабым магнитным полем противоположного направления и, одновременно с этим, - лучом лазера, мощность которого модулируется информационным сигналом. Там, где мощность лазера велика, регистрирующий слой нагревается выше точки Кюри, и вектор намагниченности меняет свою ориентацию в соответствии с внешним полем. Там, где мощность лазера мала, нужного нагрева не получается и ориентация магнитного вектора остается прежней. В результате, на поверхности диска формируется магнитограмма, соответствующая модулирующему сигналу (рис. 11.2).

Такой метод использовался в ранних системах магнитооптической записи, которые обозначались аббревиатурой E-DAD (Erasable Digital Audio Disc). Образцы таких систем демонстрировались в конце 80-х годов фирмами SANIO, SHARP, THOMSON и др.

Однако этот метод оказался неудобным, так как старую информацию перед записью новой нужно было предварительно стирать. Или же применять систему из трёх независимых лазеров, один из которых стирал бы старую информацию, другой записывал новую, а третий использовался для автофокусировки и автотрекинга. Система получалась чересчур сложной и дорогой.

Поэтому в системе «Минидиск» применен другой метод. В режиме записи луч лазера используется только для нагрева дорожки выше точки Кюри, а модулирующий сигнал подается на магнитную головку, которая и обеспечивает формирование магнитограммы (рис. 11.3). Поскольку модулирующий сигнал имеет частоту более 4 МГц, то для использования в системе «Минидиск» была разработана специальная высокочастотная магнитная головка, способная изменять направление формируемого магнитного поля с частотой около 10 МГц. При таком способе записи новая магнитограмма никак не зависит от того, что было записано на диске раньше.

Магнитооптический эффект, который используется для воспроизведения информации, записанной на магнитооптическом диске, был открыт шотландским физиком Джоном Керром еще в 1876 году и состоит в следующем. Если пленку, содержащую участки с противоположной намагниченностью, осветить лучом линейно поляризованного света, то углы поляризации пучков, отраженных от этих участков, будут различными (рис. 11.4). Угол θ между векторами поляризации света EA и EB, отраженного от разнополярных участков, называется углом Керра. При этом важно, чтобы плоскость поляризации падающего пучка совпадала с плоскостью  его падения.

Если отраженный свет пропустить через анализатор (пластинку из анизотропного вещества), то его интенсивность также получится различной. Поместив далее на пути луча фотоприемник, можно получить электрическое отображение информации, содержащейся в сочетании зон намагниченности регистрирующего слоя. Следует заметить, что угол Керра весьма невелик и не превышает десятых долей градуса, однако этого вполне достаточно для того чтобы считывание информации было возможным.

Считывание в обоих случаях производится одинаково – лучом того же самого лазера, но работающего в режиме пониженной мощности, чтобы не повредить магнитограмму.

11.2. Структура минидиска

Как уже говорилось, существует не один, а два типа минидисков. Один из них – с предварительной записью, по структуре полностью соответствует обычному компакт-диску, и запись на него невозможна. Другой выполнен по магнитооптической технологии и предназначен для записи звуковой информации пользователем.

Типичная структура магнитооптического диска показана на рис. 11.5. Основой его, как и в случае компакт-диска, служит поликарбонат. Регистрирующий слой в данном случае – соединение тербия (Tb), железа (Fe) и кобальта (Co). Для защиты от коррозии регистрирующий слой с обеих сторон окружен слоями диэлектрика из двуокиси кремния SiО2. В качестве отражающего слоя используется пленка алюминия (Al). Поскольку отраженный луч лазера дважды проходит через регистрирующий слой и два слоя двуокиси кремния, интенсивность отраженного пучка здесь значительно меньше, чем в случае обычного компакт-диска или минидиска с предварительной записью. Для сравнения: компакт-диск отражает 70% падающего на него света, а магнитооптический минидиск – всего 15-25%. Тем не менее, система считывания проигрывателя минидисков адаптирована к такому коэффициенту отражения и сложностей при воспроизведении не возникает.

Для защиты от повреждений поверхность диска со стороны алюминия покрывается слоем прочной пластмассы, а на защитный слой наносится тонкий слой силиконовой смазки для улучшения скольжения магнитной головки по поверхности диска. Тем не менее, смазку можно и стереть.

Для того чтобы обеспечить формирование дорожки на записываемом минидиске, на его поверхности еще в процессе изготовления формируется U-образная направляющая канавка (см. рис.11.6).

Кроме того, направляющая канавка еще и форматируется путем вобуляции (синусоидального колебания стенок дорожки) (см. рис. 11.7). Вобуляция – это способ разметки диска, который позволяет выделять информацию об адресах записываемых музыкальных фрагментов. Такая система предварительного форматирования называется ADIP (Address In Pre-groove). Размер пятна лазерного луча несколько больше ширины канавки и он модулируется вобуляцией канавки.

Частота сигнала вобуляции равна 22,05 кГц. Эту частоту легко получить путем деления пополам частоты дискретизации звукового сигнала fд = 44,1 кГц. Методом частотной модуляции сигнала вобуляции в него вводится информация о разметке диска, что позволяет при записи использовать ее для формирования адресных данных записываемых музыкальных фрагментов, а также обеспечивать постоянную линейную скорость (CLV) записи путем управления скоростью вращения двигателя. При воспроизведении адресные данные используются для поиска нужных фрагментов и для поддержания постоянной линейной скорости считывания.

Кодирование данных ADIP производится перед изготовлением диска путем частотной модуляции несущей fн = 22,05 кГц бифазным кодом.

Бифазный код (Bi-φ) характеризуется обязательной сменой уровня в начале каждого тактового интервала (см. рис. 11.8). При этом «единица» кодируется дополнительным изменением уровня в центре тактового интервала. Отсутствие такого изменения обозначает «нуль».

Модуляция осуществляется с помощью тактовой частоты fт = 6300 Гц, которая получается путем деления частоты дискретизации 44,1 кГц  на 7 (см. рис. 11.9). Результирующая скорость потока бит данных ADIP получается равной 3150 бит/с (см. рис. 11.8). Модуляция несущей при этом выразится в изменении ее частоты на один килогерц выше или ниже основного значения, т.е. от 21,05 кГц до 23,05 кГц - (22,05±1) кГц.


HYPERLINK "http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/68/Mini-disc.jpg"

Кассета с минидиском

HYPERLINK "http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/8/88/MiniDiscLogo.gif"

Логотип формата  Минидиск

INCLUDEPICTURE "http://www.pop-music.ru/bigimg/888880005571.jpg" \* MERGEFORMATINET

Проигрыватель минидисков TASCAM MD-028

B

Bs

Br

-Br

-Bs

H

Hm

-Hm

-Hc

+Hc

Рис. 11.1. Петля гистерезиса

Луч лазера, модулированный информационным сигналом

Внешнее магнитное поле

Магнитооптический материал

Рис. 11.2. Метод формирования магнитограммы на магнитооптическом носителе путем модуляции информационным сигналом луча лазера

Луч лазера, используемый для нагрева дорожки записи

Магнитооптический материал

Рис. 11.3. Метод формирования магнитограммы на магнитооптическом носителе путем модуляции информационным сигналом тока через катушку магнитной головки

Модулирующий сигнал

Магнитная головка

Направление движения дорожки

Новая запись

Старая запись

А

В

θ

ЕВ

ЕА

θ – угол Керра

Рис. 11.4. Эффект Керра

Поликарбонат

SiО2

TbFeCo (регистрирующий слой)

SiО2

Al (отражающий слой)

1,2 мм

20 нм

20 нм

60 нм

60 нм

Рис. 11.5. Структура магнитооптического минидиска

Защитный слой

10 мкм

Слой силиконовой смазки

Магнитная головка

Луч лазера

1,6 мкм

0,5 мкм

1,1 мкм

λ/8

Рис. 11.6. Поперечный разрез заготовки магнитооптического (записываемого) минидиска

Поликарбонат

1,6 мкм

±0,03 мкм

1

21.05-23,05

кГц

Рис. 11.7. Канавка предварительного форматирования

Пятно лазерного луча

1

1

1

1

0

0

0

0

0

NRZ

Bi-φ

fт

Рис. 11.8. Бифазная модуляция

:2

:7

Несущая fн = 22,05 кГц

Тактовая частота Bi-φ модуляции fт = 6300 Гц

Фазовый модулятор

Данные ADIP

Частотный модулятор

Диск

44,1 кГц

Рис. 11.9. Модуляция несущей данными ADIP


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60191. Свято «Прощавай, початкова школа!» 53.5 KB
  Звучить святкова музика. Лунають фанфари. 1учень. Слухайте! 2 учень. Слухайте! 1учень. І не кажіть, що ви не чули! 2учень. І не кажіть, що ви не бачили! 1 учень. Сьогодні в нашому шкільному королівстві – свято!
60192. Сценарій тематичного вечора Дня Матері на тему «Рідна мати моя» 73 KB
  Спливли роки мов човник по воді І ведмежа стареньке десь поділось Та очі мами сині та сумні Моїм дитинством вранці подивились Анастасія Клєцова Руда Дитинство Ведуча 2 Кожна мама дає дитині свій наказ свою любов.
60193. Сценарій виховного заходу «Від зернини до хлібини» 72 KB
  Мета: Поглибити знання учнів про походження хліба, розвивати знання про професії, повязані з вирощуванням зернових культур,різновиди зернових культур. Виховувати любов до хліба, та бережливе ставлення до нього; повагу і пошану до людей хліборобської професії.
60195. Я люблю Україну, Позакласний захід для учнів початкової школи 90 KB
  Чи вірите що є такі квіти кульбабки та куль дідки Ні. Чи вірите що соком калини можна лікуватися від простудних захворювань і від авітамінозі Так. що сич заморожує на зиму в дуплі як у холодильникумишей і птахів Так. –що в Карпатах ростуть смереки Так.
60196. В гостях у доктора Пилюлькина. Устный журнал для учащихся 2 - 4 классов 46 KB
  Цели: расширить знания учащихся о вирусных заболеваниях, создать условия для формирования навыков здорового образа жизни, развивать творческие способности учащихся, воспитывать чувство товарищества.