40815

Записываемые и перезаписываемые CD

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Оптические тетради 16 Форматы хранения данных 18 Методы записи 20 Режимы работы устройств 22 Оценка качества записи заготовок CDR 23 Структура проигрывателя компактдисков 26 Его быстро окрестили лазерным или компактдиском Compct Disk CD фирма Philips создательница этого чуда техники объявила о совершенной ею революции в области записи и воспроизведения звука. Первое время главным недостатком компактдиска была невозможность записи на него...

Русский

2013-10-22

2.21 MB

5 чел.

3

Содержание

  1.  Общие сведения          3

1.1 Общие сведения по CD-приводу      3

1.2 Записываемые и перезаписываемые CD     5

1.3 DVD – универсальный цифровой диск      7

1.4 Перспективы на будущее        10

  1.  Производство CD         14

2.1 Рождение  CD          14

2.2 Оптические «тетради»        16

  1.  Форматы хранения данных        18
  2.  Методы записи          20
  3.  Режимы работы устройств        22
  4.  Оценка качества записи заготовок CD-R      23
  5.  Структура проигрывателя компакт-дисков     26

7.1. Исправление ошибок         28

7.2. Передискретизация         30

7.3. Снижение влияния ошибок с помощью обратной связи   31

Использованная литература        37
1.Общие сведения.

1.1 Общие сведения по CD-приводу.

В начале 80-х годов практически на всех крупных международных выставках, представляющих новинки бытовой радиотехники, появился необычный экспонат - небольшой диск, отливающий всеми цветами радуги. Его быстро окрестили лазерным или компакт-диском (Compact Disk, CD), a фирма Philips - создательница этого «чуда техники» — объявила о совершенной ею революции в области записи и воспроизведения звука.

Одним из главных достижений новой технологии стало отсутствие механического контакта между диском и считывающим устройством за счет использования лазерного луча вместо иглы. Это преимущество заставило производителей задуматься о применении компакт-дисков в компьютерах. С тех пор оптические диски превратились в универсальное средство хранения компьютерной информации. Причем традиционный CD считается уже несколько устаревшим, его теснят новые, более совершенные носители.

Первые компьютерные компакт-диски, выпущенные в 1986 году, получили название CD-ROM (от англ. Read Only Memory — память только для чтения). Чтобы не путать компьютерные носители с появившимися ранее аудиодисками, последние стали именовать CD-DA (Digital Audio — цифровое аудио). Название CD-ROM указывало на то, что новый компакт-диск предназначался только для считывания уже записанной на него информации, стереть ее или записать что-то новое было невозможно. Емкость первого CD-ROM составляла 680 Мб — в те годы такой объем казался поистине огромным. Объем типичного жесткого диска (винчестера) был в несколько раз меньше. Не существовало программ, способных целиком заполнить компакт-диск. Сегодня ситуация изменилась: емкость жестких дисков в современных ПК составляет десятки гигабайт, многие мультимедийные приложения уже не помещаются на одном CD-ROM. Однако популярность компакт-дисков все еще велика.

По своей структуре CD-диск напоминает слоеный пирог.

Первый слой — основной — изготавливается из пластмассы (поликарбоната).

Внутреннее устройство компакт-диска

     

Изображение одного пита на поверхности компакт-диска CD-DA, полученное

в сканирующий электронный микроскоп

Второй — отражающий — выполнен из металла (алюминия, золота, серебра).

Третий — защитный — из прозрачного лака полиакрилата. Поверх лака часто наносятся рисунки, надписи и прочее декоративное оформление.

Основной слой содержит полезную информацию, закодированную в нанесенных на него микроскопических углублениях, называемых питами (от англ. pit — ямка, впадина). Питы, представляющие, по сути, битовые ячейки, располагаются вдоль спиральной дорожки, идущей от центра к периферии. Информация составляется чередованием питов (логических нулей) и промежутков между ними (логических единиц). При производстве компакт-дисков используются методы штамповки, или прессования. Эталонный диск изготавливается из очень чистого стекла и покрывается специальной пластиковой пленкой. Мощный записывающий лазер с программным управлением выжигает в пленке ямочки, содержащие закодированную информацию.

Схема считывания данных с компакт-диска

Система фокусировки включает подвижную линзу (1), приводимую в движение электромагнитной системой Voice Coil, сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой (2), вызывает перемещение подвешенного на упругом держателе (3) магнита (4), к которому крепится линза, и соответственно перефокусировку лазерного луча. Благодаря малой инерционности такая система эффективно отслеживает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения.

Затем изготавливается металлическая матрица, с помощью которой штампуются серийные компакт-диски.

Отражающий слой компакт-диска служит для оптического считывания информации. Основной принцип системы считывания состоит в том, что лазерный луч направляется на поверхность компакт-диска, вращающегося с большой скоростью. Отраженный от поверхности сигнал попадает на светоприёмник (фотодиод), который в зависимости от характеристик падающего на него света выдает слабые электрические импульсы различной величины. Свет, идущий от углублений, оказывается значительно более слабым, чем отраженный от плоских участков. Таким образом, двигаясь вдоль дорожки, система считывания «видит» последовательность темных и светлых участков. После фотоприемника электрический сигнал проходит через усилитель и далее преобразуется в цифровую информацию.

Чтение данных с компакт-диска осуществляет специальный дисковод, или привод, который многие называют так же, как и сам диск, — CD-ROM. Привод может быть внутренним (встроенным в системный блок) и внешним (в виде отдельного устройства). Типичный привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. Двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью, а также для его торможения. При установке диска в привод его положение фиксируется путем зажима между подставкой, закрепленной на оси двигателя, и шайбой, расположенной с другой стороны диска. Подставка и шайба притягиваются друг к другу постоянными магнитами. Система оптической головки включает в себя инфракрасный полупроводниковый лазер, систему фокусировки лучей, фотоприемник и предварительный усилитель сигнала, а также систему перемещения головки.

Важные характеристики CD-приводов — время доступа, показывающее, как быстро происходит поиск нужной информации на диске, и скорость чтения данных после того, как файл найден. Последнюю обычно измеряют в единицах, равных скорости считывания информации с аудио CD (около 150 килобайт в секунду). Тогда, например, параметр «52х» означает, что дисковод может вращать диск в 52 раза быстрее, чем это делает стандартный CD-плейер. Однако, если надежность считывания информации ухудшается, например из-за низкого качества самого диска, скорость автоматически снижается.

1.2 Записываемые и перезаписываемые CD.

Первое время главным недостатком компакт-диска была невозможность записи на него данных в домашних условиях. Пользователи, привыкшие самостоятельно переписывать музыку с пластинок на магнитные ленты, ожидали аналогичных возможностей и от оптических дисков. Вскоре их ожидания оправдались — сначала появился однократно записываемый диск CD-R (CD-Recordable), а потом и диск для многократной перезаписи CD-RW (CD-ReWritable).

Хотя внешне записываемые диски очень похожи на обычный CD-ROM, их внутренняя структура и способ записи информационного сигнала заметно отличаются.

Пластиковая основа для CD-R не несет полезной информации — вместо питов на ней отпечатаны лишь пустые дорожки (они необходимы для ориентации привода головки). Сверху наносится тонкая пленка органических молекул, а затем диск покрывается слоем отражающего металла. Используемые органические молекулы (цианины, фталоцианины) способны необратимо менять свои оптические свойства при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки поверхности, они перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам. В результате на CD-R организуется та же информационная структура, что и на штампованных дисках. Таким образом, при помощи соответствующего оборудования и программного обеспечении можно записывать различные диски, в том числе и звуковые, а затем использовать их в традиционных CD-приводах или в бытовых плейерах. Заметим, однако, что отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R немного хуже по сравнению со штампованными CD-ROM. Поэтому недостаточно качественные приводы CD-ROM либо вовсе не могут считывать с них данные, либо часто дают сбои.

В многократно перезаписываемых дисках CD-RW применяется иная технология. Вместо слоя органических молекул используется пленка металла (точнее, сплава редкоземельных металлов), способного обратимо менять свое фазовое состояние под воздействием лазерного облучения. При нагреве лазером выше критической температуры соответствующий участок металла переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания (достаточно быстрого). Так как аморфные участки хуже, чем кристаллические, отражают свет, они выглядят более темными и могут тем самым выполнять роль питов. Повторный нагрев до температуры значительно ниже критической восстанавливает исходное кристаллическое состояние, стирая тем самым записанную информацию. Таким образом, в отличие от CD-R, допускающего только однократную запись, информацию на CD-RW можно перезаписывать многократно: стандартный диск выдерживает порядка тысячи циклов перезаписи. Любопытно, что система многократной записи первоначально называлась не CD-RW, a CD-E (CD-Erasable). Однако производители решили сменить название, так как слово «erasable» — стираемый — могло ассоциироваться у пользователей с потерей данных.

Отражающая способность CD-RW существенно ниже по сравнению как с CD-ROM, так и с CD-R (легко заметить, что поверхность RW-диска выглядит более темной). Поэтому считывание многократно записываемых дисков в обычных приводах нередко проблематично, и все же те из них, которые имеют качественную оптическую систему, справляются с этой задачей.

Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, но чаще на нем организуется специальная файловая система UDF (Universal Disk Format), позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске. В этом случае можно использовать CD-RW как обычный сменный диск и писать на него файлы прямо из приложений.

Устройство, способное записывать (и, конечно, читать) данные на компакт-диски, называется CD-рекордером. Современные CD-рекордеры могут работать как с дисками CD-R, так и с CD-RW, хотя раньше для использования CD-RW необходимо было специальное устройство.

1.3 DVD – универсальный цифровой диск.

Сегодня, несмотря на огромную популярность дисков CD-ROM/R/RW, считается, что стандартный компакт-диск безнадежно устарел. Для многих современных приложений емкости 600—700 Мб уже недостаточно. В частности, это касается цифрового видео. Действительно, одна минута высококачественного цифрового видеофильма требует до 100 Мб памяти. Как правило, видеоданные компрессируются (сжимаются) согласно формату MPEG4, что уменьшает необходимый объем памяти до нескольких мегабайт на минуту показа. Легко подсчитать, что при таком сжатии двухчасовой фильм займет 3,6 Гб памяти — это почти в шесть раз больше емкости стандартного CD-диска. Конечно, можно сжать видеофильм и так, что он поместится на один компакт-диск, однако при этом качество записи будет несколько ниже, чем на обычной видеокассете.

Поэтому в начале 90-х годов ряд фирм занялся разработкой оптических дисков большего по сравнению с CD объема.

   

Размер информационных ячеек — питов и расстояние между соседними дорожками на дисках DVD (справа) почти в два раза меньше, чем на компакт-дисках (слева). Поэтому на DVD-диске помещается гораздо больше информации.

В результате создания объединенного консорциума, в который вошли такие компании, как Sony, Philips, Toshiba, Hitachi и др., родился формат DVD. Первоначально эта аббревиатура расшифровывалась как Digital Video Disc (цифровой видеодиск), однако ее быстро сменила более логичная расшифровка Digital Versatile Disc (цифровой универсальный диск). В самом деле, DVD — прекрасный носитель для данных любого типа.

Технология DVD совершила огромный скачок в области носителей информации. Диски DVD могут хранить от 4,7 до 17 Гб данных — такого объема вполне достаточно для высококачественной записи полнометражных видеофильмов, компьютерных игр, мультимедийных энциклопедий и т.п.

По внешнему виду и внутреннему устройству диски CD и DVD очень похожи. В DVD используется такая же технология нанесения на пластиковую основу углублений - питов, регистрации отраженного от металлического покрытия сигнала и его интерпретации в виде нулей и единиц. Принципиальное отличие состоит в плотности записи информации: если для CD минимальный размер пита составляет 0,83 микрона, а расстояние между соседними дорожками 1,6 микрона, то для DVD эти значения равны 0,4 и 0,74 микрона соответственно.

Различные типы DVD-дисков: односторонний однослойный (а),

односторонний двухслойный (б), двусторонний однослойный (в)

Увеличение плотности записи стало возможным благодаря использованию полупроводникового лазера с меньшей длиной волны. В то время как длина волны лазера в CD-приводе равна 780 нм, устройства для считывания данных с DVD используют лазер с длиной волны 650 или 635 нм. Это позволяет записывать и считывать почти вдвое больше питов на одной дорожке и вдвое больше дорожек на одной поверхности. В итоге на самый простой DVD-диск можно записать до 4,7 Гб данных.

Кроме того, диски DVD могут быть двухслойными и двухсторонними. В первом случае два простых DVD-диска как бы последовательно соединяются друг с другом, образуя один диск с двумя информационными слоями — верхним и нижним. Чтобы лазер мог считывать данные с обоих слоев, верхнее отражающее покрытие делается полупрозрачным. Перефокусируя луч, можно регистрировать характеристики отраженного сигнала на разной глубине. На двухслойном DVD-диске можно разместить 8,5 Гб данных, то есть на 3,5 Гб больше, чем на обычном DVD. (Следовало бы ожидать увеличение емкости в два раза, однако, чтобы минимизировать препятствия, возникающие на пути лазера при прохождении через внешний слой, минимальный размер питов на двухслойном диске увеличен с 0,4 до 0,44 микрона.)

При создании двухстороннего DVD-диска опять же, по сути, соединяют два простых диска, но на этот раз тыльными сторонами друг к другу. В результате между двумя пластинками поликарбоната с отпечатанными на них питами оказывается общий отражающий слой металла. На двухстороннем DVD-диске помещается 9,4 Гб данных (по 4,7 Гб на каждой стороне). Однако, поскольку данные располагаются с двух сторон, придется либо переворачивать диск вручную, либо использовать специальное устройство, способное считывать данные с обеих сторон.

Комбинации двухслойной и двухсторонней технологий породили несколько типов DVD. Диски DVD-5 — односторонние и однослойные (цифра указывает примерный объем диска в гигабайтах); диски DVD-9 — односторонние и двухслойные; диски DVD-10 — двухсторонние однослойные; наконец, диски DVD-18 — двухсторонние двухслойные. Последний вариант — самый сложный. По сути, он представляет собой два сложенных вместе односторонних двухслойных диска и позволяет разместить на диске до 17 Гб данных — по 8,5 Гб на каждой стороне. (Заметим, что во всех приведенных выше значениях емкостей дисков гигабайт считался равным миллиарду байтов. Если перевести эти цифры в настоящие компьютерные гигабайты, получится 4,38; 7,95; 8,75 и 15,9 Гб соответственно.)

Таблица Стандарты CD-ROM и DVD

Параметры дисков

CD-ROM

DVD

Диаметр, мм

120

120

Толщина, мм

1,2

1,2

Структура

Единая

Два диска по 0,6 мм скреплены

Длина волны лазера, нм

780 (инфракрасный)

650 и 635 (красный)

Расстояние между дорожками, мкм

1,6

0,74

Размер углубления (пит), мкм

0,83

0,4

Скорость вращения диска, об/мин

200 - 4200

570 – 1400

Емкость, Мбайт

680

4700 (одна сторона)

Скорость передачи информации, байт/с

150 – 3600 (1х–24х)

1350 (накопитель DVD 1-го поколения)

Таблица 7. Характеристики дисков DVD

Конструкция диска

Емкость диска, Гбайт

Длительность воспроизведения видеоинформации, мин

Одна сторона, один слой

4,7

133

Две стороны, они слой

9,4

266

Одна сторона, два слоя

8,5

240

Две стороны, два слоя

17,0

481

Естественно, что при уменьшении размеров отдельных информационных ячеек (питов) возрастает вероятность ошибок при считывании. Поэтому в DVD используется более совершенные по сравнению с CD механизмы представления данных и исправления ошибок. (С помощью последнего возможно чтение звука или видеоизображения с поврежденных участков — царапин длиной до шести миллиметров — без заметной потери качества).

Для считывания данных с DVD-диска требуется специальное устройство — привод DVD (или DVD-ROM). Благодаря совместимости технологии DVD с технологией CD привод DVD также читает и старые диски CD-ROM, причем разных форматов. (К сожалению, обратное неверно: прочитать DVD с помощью CD-ROM не удастся.) Поэтому все производители понемногу сворачивают выпуск приводов CD-ROM и переходят на DVD-ROM. Для пользователей сдерживающим фактором пока остается довольно высокая цена на новые приводы. К тому же сейчас на отечественном рынке практически вся программная продукция, в том числе и мультимедийная, по прежнему распространяется на компакт-дисках. На DVD можно найти разве что фильмы.

Стандарт DVD-ROM имеет подмножества DVD-Video и DVD-Audio. Диски DVD-Video специально предназначены для хранения видеозаписей, они проигрываются бытовыми DVD-плейерами, подключенными к видеовходу обычного телевизора. Предусмотрена возможность многоканального звукового сопровождения и отображения титров на нескольких языках. Диски DVD-Audio служат для записи только звука, но зато с высоким качеством, многоканальностью и возможностью размещения на диске различной сопутствующей информации.

Для записи видео и звука на DVD применяется уже упоминавшаяся выше технология компрессии данных MPEG-4. Это следующее поколение стандарта на сжатие видео и звуковых данных, разработанное Экспертной группой кинематографии (Moving Picture Experts Group, MPEG). Поскольку более 97% цифровых данных, представляющих собой видеосигнал, от кадра к кадру дублируются, алгоритм MPEG-4 (так же, как и предыдущие) анализирует видеоизображение в поисках повторов и удаляет их без ущерба качеству изображения. Но главное новшество MPEG-4 заключается в применении переменного коэффициента сжатия: быстро меняющиеся сцены сжимаются с большими потерями, в то время как видеоинформация, фигурирующая в значительном количестве кадров, кодируется более качественно.

Звук на DVD может быть записан в стандарте АС-3 (он же Dolby Digital 5.1) раздельно для шести каналов — центр, два фронтальных, два тыловых канала и сабвуфер, воспроизводящий только самые низкие частоты.

Уже существуют однократно записываемые диски DVD-R, использующие адаптированную для DVD технологию CD-R. Они могут быть прочитаны большинством приводов и проигрывателей DVD. Для многократной перезаписи разработан стандарт DVD-RAM, допускающий около ста тысяч циклов стирания-записи. Диск DVD-RAM так же, как и CD-RW, поддерживает файловую систему UDF и потому может использоваться как обычный сменный носитель.

1.4 Перспективы на будущее.

Прогресс в области цифровых технологий идет бешеными темпами. С каждым годом потребность во все более совершенных и емких носителях       информации увеличивается. Если еще совсем недавно возможность хранить на диске DVD до 17 Гб данных казалась фантастической, то сегодня производители уже всерьез обеспокоены разработкой оптических дисков нового поколения — еще более емких, быстрых и, конечно же, дешевых.

Как повысить емкость оптических носителей? Наиболее очевидный путь — увеличивать плотность записи информации, то есть уменьшать размер питов и расстояние между соседними дорожками. Однако плотность записи на оптических дисках ограничена длиной волны считывающего лазера:

дифракция не позволяет сфокусировать луч на поверхности в пятно диаметром меньше длины волны. Именно поэтому переход к более высокочастотному (коротковолновому) лазеру позволил сделать скачок от CD к DVD. Таким образом, следующий шаг — создание полупроводникового лазера, излучающего в синей или фиолетовой области спектра (450—400 нм). Ожидается, что в этом случае емкость одного информационного слоя составит 14—20 Гб. Разработки по созданию «голубого лазера» активно ведут многие компании. Уже имеются действующие прототипы, но до массового производства технология пока не дошла.

Другой способ увеличения емкости — наращивание числа информационных слоев. Однако попытки создать DVD с числом слоев больше двух (с каждой стороны) пока не увенчались успехом — многократная интерференция и рассеяние лучей в толще материала портят качество сигнала до неприемлемого уровня, а использование сверхточных детекторов слишком дорого и нерентабельно. Таким образом, на пути к многослойности традиционная технология, основанная на использовании отражающих покрытий, столкнулась с непреодолимыми трудностями.

Компания Constellation 3D (C3D) решила пойти другим путем и, похоже, совершила революцию. Идея была проста: вместо того, чтобы регистрировать сигнал за счет отражения, можно заставить материал, содержащий информацию, сам излучать свет. В итоге был разработан флуоресцентный многослойный диск (Fluorescent Multilayer Disk, FMD) — самый емкий на сегодняшний день носитель информации. Так, созданный компанией 10-слойный прототип FMD способен хранить до 140 Гб данных.

 

Оптический диск будущего — флуоресцентный многослойный диск (FMD) — совершенно прозрачен. Причина тому - отсутствие отражающего свет металлического слоя.

А, вообще, как заявляют разработчики, число информационных слоев может быть увеличено до ста и более — тогда на одной 5-дюймовой пластинке поместится до терабайта информации!

Внешне флуоресцентный диск очень похож на обычный компакт-диск или DVD, если не считать того, что он совершенно прозрачен (из-за отсутствия отражающих свет металлических покрытий). Каждый информационный слой FMD, изготовленный из поликарбоната, содержит ячейки - питы, заполненные органическим материалом (фотохромом). Молекулы фотохрома можно переводить во флуоресцентное (то есть способное испускать свет) состояние и обратно с помощью записывающего лазера определенной длины волны и мощности. Это свойство используется для записи и стирания информации.

Записанная на диск информация читается устройством, похожим на обычный привод CD-ROM. При освещении считывающим лазером флуоресцентные питы испускают свет, причем их излучение оказывается немного сдвинутым в красную область по отношению к излучению лазера (на 30—50 нм). Благодаря этому удается легко различить рассеянный сигнал лазера и флуоресценцию материала диска. Последняя улавливается фотоприемником и принимается за логическую единицу.

Внутреннее устройство флуоресцентного многослойного диска

График зависимости качества считываемого сигнала от числа информационных слоев

в дисках DVD и FMD

Разработчики FMD-технологии поддерживают ее совместимость с форматами CD и DVD, используя ту же систему распределения данных на каждом слое. Кроме того, многие этапы производства флуоресцентных дисков унифицированы под уже давно существующие методы производства CD/DVD, хотя, конечно, введены и существенные технологические новшества, связанные с отсутствием металлического покрытия и необходимостью заполнения питов флуоресцентным материалом. Вероятно, в будущем устройства для чтения FMD будут поддерживать DVD как подмножество своих функций.

Записъ информации на обычный и многоуровневый компакт-диски. В первом случае используются две градации сигнала, во втором -восемь градаций.

Если записывать последовательность битов не вдоль дорожки, а вглубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки информации. Таким образом, создание FMD — это, по сути, шаг к объемной записи информации. Не случайно новый носитель часто называют «трехмерный диск».

По-настоящему объемная запись информации возможна при использовании трехмерной голографии. В этом случае в кристалле размером с сахарный кубик поместилось бы около терабайта данных. Запись может производиться освещением фоточувствительного материала опорным лучом и лучом, несущим полезную информацию. А восстановление — повторным освещением опорным лучом. Меняя при записи длину волны и угол падения опорного луча, можно на одном и том же носителе сохранить огромное число голографических изображений. При считывании данных угол падения и длина волны опорного сигнала служат адресом информации. Голографический носитель, скорее всего, уже не будет похож на диск, так как вращать его при чтении данных необязательно. Хотя идея голографической памяти известна с 60-х годов прошлого века, ее применение в компьютерах еще впереди.

Казалось бы, перед лицом столь многообещающих технологий старый добрый компакт-диск уже совсем ни на что не годится. И тем не менее сегодня CD остается самым дешевым и популярным оптическим носителем информации. Более того, многие производители считают, что компакт-диски рано выбрасывать на помойку, так как возможности этой технологии далеко не исчерпаны. Например, компании TDK и Calimetrics Inc. создали принципиально новый тип CD-дисков. Технология, получившая название Multilevel Recording, основана на многоуровневом способе записи данных. Если на обычном компакт-диске все питы имеют одинаковую глубину, то в данном случае она может принимать несколько значений. Луч лазера, отраженный от питов различной глубины, создает на фотоприемнике электрические сигналы разного уровня. Сегодня уже созданы диски, имеющие питы с семью градациями глубины, а также приводы для их чтения. На такой диск можно записать до 2 Гб данных. При этом в три раза возрастает не только плотность записи, но и скорость ее чтения. Новая технология применяется также для однократно и многократно записываемых дисков CD-R/RW — при этом создаются питы с несколькими градациями изменения оптических свойств. По мнению разработчиков, совершенствование компакт-дисков только начинается. В ближайшие несколько лет они надеются увеличить емкость CD до десятков и даже сотен гигабайт.


2. Производство CD.

Когда вещи входят в нашу повседневную жизнь, мы привыкаем к ним настолько, что не задумываемся об их природе, устройстве, принципе работы и о том, как их изготовили. Все это в полной мере относится к компакт-дискам — CD-ROM и CD-R. Став непременным спутником компьютеров и музыкальных центров, они перестали вызывать любопытство пользователей.

Рассмотрим производство компакт-дисков и «болванок» CD-R на примере киевского завода «Росток».

Каждому процессу производства компакт-диска предшествует кропотливая работа инженера-премастеринга. Его задача — подготовить записываемый материал, главным образом музыку, так, чтобы он соответствовал требованиям записи компакт-дисков.

Это включает в себя исправление ошибок записи аппаратуры заказчика. К примеру, до сих пор многие музыканты пользуются магнитными лентами — пусть даже для цифровой записи, а это автоматически означает наличие дефектов записи. Еще одна задача — разбиение записи на треки (несмотря на наличие нескольких композиций на авторском CD-R, они зачастую записаны одним треком). Иногда на стадии премастеринга исправляются незначительные дефекты исполнения композиций. Для выполнения столь ответственной задачи требуется наличие высококачественной профессиональной аппаратуры воспроизведения, обработки и записи аудиоданных.

После всех корректировок записываются болванка - исходник, которая и служит o6paзцом при создании матрицы — тонкой металлической пластины, на которой методом химического фрезерования нанесены дорожки CD с записанной информацией (точнее, зеркальная копия рельефа болванки - исходника). Матрицу устанавливают в литьевую камеру, и теперь уже её рельеф становится образцом — на этот раз для отливаемых пластин компакт-дисков.

2.1 Рождение  CD.

Подложка компакт-диска, с одной стороны, является основой, на которую наносятся все остальные слои, а с другой — она несет информацию, которую впоследствии будет считывать головка CD-привода.

Перед загрузкой поликарбоната в литьевую машину его готовят: доводят до заданной температуры и высушивают до строго определенного уровня влажности. Высушенный поликарбонат (он похож на кристаллики льда) засыпается в приемник литьевой машины, где материал расплавляется и затем подается под давлением в камеру литья, где принимает форму заготовки-основы. При этом на ней отпечатывается копия рельефа матрицы — в том числе дорожки с информацией.

Поскольку матрица работает в условиях высокой температуры и  циклических нагрузок,  быстрый ее износ неизбежен. Чтобы противостоять износу, матрицы изготавливают из специального никелевого сплава, способного дольше, чем другие сплавы, выдерживать подобные нагрузки.

После штамповки «блин» должен остыть. Это можно организовать в том числе и с помощью пассивного охлаждения, которое проходят диски на так называемой «карусели»,

Остывшая заготовка — прозрачный диск — уже содержит информацию, перенесенную с матрицы. Вот только читать эту информацию еще невозможно. В CD-приводах содержащуюся на диске информацию считывает лазерный луч, отраженный от поверхности самого компакта. Однако, он не может отразиться от поверхности заготовки из-за высокой прозрачности поликарбоната. Чтобы обеспечить отражение лазерного луча, на поверхность диска напыляется слой металла. На выполнение этой ответственной операции у соответствующего робота уходит около 1,5 секунд. Для защиты диска от механических повреждений со стороны нанесенной металлизации заготовку покрывают специальным фотополимерным лаком, который твердеет при облучении ультрафиолетовым светом.

Центробежная сила, вызванная раскруткой диска до больших скоростей, обеспечивает равномерное распределение нанесенного с помощью форсунки лака. Сразу после этого диск поступает в «световую сушку»: ультрафиолетовое облучение вызывает полимеризацию лака.

Стоит отметить, что весь процесс производства компакт-диска проходит в герметизированной камере, в которой жестко выдерживаются температура, давление и влажность. Специально подготовленный воздух подается в камеру так, чтобы поддерживать в ней избыточное давление. Такой подход позволяет избежать попадания пыли в гермозону из окружающего воздуха

Сушка закончена и новый диск почти готов. Почти — потому что на последней стадии, после выполнения всех технологических операций, поверхность диска тестируется специальным лазерным сканером. За один оборот диска сканер просматривает всю его поверхность и проверяет ее на наличие дефектов литья, металлизации и лакового покрытия.

Полученная при сканировании дисков информация выводится на  встроенный монитор; инженер, таким образом, получает самую оперативную информацию о текущем проценте отбраковки и характере дефектов. Обслуживающий автомат на основании данных сканирования сортирует готовые и бракованные диски, помещая их на соответствующих приемных шпилях.

2.2 Оптические «тетради».

Технология производства записываемых компакт-дисков — CD-R — отличается   от   производства   CD-ROM/CD-Audio. Поскольку структура CD-R существенно сложнее, чем обычных компакт-дисков, а технологических этапов больше, приходится контролировать качество не только готовой продукции, но и промежуточных результатов производства.

Так, если при производстве обыкновенного CD заготовка сканировалась прямо перед выходом из автомата, то на линии выпуска CD-R она проходит проверку три раза. Начинается процесс производства CD-R так же, как и у CD-ROM, — в литьевой машине подготовленный карбонат расплавляется при температуре 300 0С и подается под давлением в литьевую камеру с матрицей. В отличие от производства CD, матрица для CD-R имеет одинаковый профиль для всех дисков и сменяется только в случае выхода ее из строя.

Для выявления бракованных подложек после литья и охлаждения они проходят сканирование. В случае выявления сканером бракованной заготовки она проходит через всю линию производства CD-R, однако остальные агрегаты «игнорируют» ее.

Далее подложки поступают в линию нанесения покрытий, где поддерживаются температура с точностью до 0,5% и влажность ±5 %. Воздух, как и для автомата по производству CD, готовится специальной системой (по размерам не меньшей, чем сама линия производства CD).

После первого сканирования производится нанесение красящего слоя со стороны канавок подложки. Собственно, на этот слой диска и записывается информация. Лак наносится на медленно вращающийся диск форсункой. Как при нанесении лака на CD, равномерное распределение красителя обеспечивается раскруткой диска до больших скоростей, когда за счет центробежной силы весь «лишний» краситель удаляется с поверхности. Характерно, что «лишний» лак не выбрасывается, а проходит цикл восстановления и потом снова используется в производстве. Таким образом, существенно уменьшается расход материалов и снижается стоимость диска CD-R.

Второе сканирование проходит после удаления с поверхности диска лишнего красителя. После раскрутки диска краситель остается только в канавках, и задача сканера состоит в выявлении различных неоднородностей на поверхности заготовки, которые могут впоследствии привести к сбоям во время записи болванки. Перед тем как диск дополнят отражающим слоем и лаком, он должен пройти сушку, где нанесенный краситель полностью высыхает и закрепляется на поверхности.

На финишной линии после сушки, как и при производстве CD, CD-R покрывается отражающим слоем и лаком. В ультрафиолетовой сушке лак полимеризуется. Для выявления возможного брака диск после всех операций проходит двустороннее сканирование. Поиск дефектов происходит как со стороны лака, так и со стороны красителя. Столь тщательная проверка проводится потому, что, как правило, CD-R рассчитаны на длительное хранение информации, при том, что технология ее записи и хранения куда сложнее, чем у CD. После сканирования диски складируются на шпили и отправляются на покраску.

После всех этапов производства выборочно готовые CD-R, как и обычные CD, проходят автоматическую проверку на тестовой установке — специализированном компьютере. Все необходимые для контроля качества параметры выводятся на экран.


3. Форматы хранения данных.

CD-DA

(Compact Disk Digital Audio) Стандарт, разработанный для записи музыкальных компакт-дисков, более известный как «Audio CD». Этот формат прекрасно понимают все без исключения проигрыватели компакт-дисков и музыкальные центры. Спецификация Red Book.

CD-ROM Mode I/CD-ROM Mode 2

Самый «древний» стандарт, разработанный для записи данных на компакт-диски. Спецификация Yellow Book.

CD-ROM XA

(Compact Disk Read Only Memory extended Architecture)

Как правило, используется для воспроизведения озвученного видеоизображения, так как позволяет добавить звуковой сигнал, а также сигнал звуковой синхронизации к видеосигналу.

CD-I

(Compact Disk Interactive)

Разработан компаниями Philips и Sony Corporation. Как правило, используется для создания обучающих программ и мини-энциклопедий, поскольку позволяет записывать на компакт-диски одновременно звуковую информацию, цифровые данные, неподвижные графические изображения и видеоролики пониженного качества длительностью до 90 минут. При наличии специального проигрывающего устройства, подключаемого к бытовому телевизору, пользователь получает возможность просмотра озвученной видеоинформации. Треки, записанные в формате CD-I, невозможно увидеть на устройствах, не поддерживающих этот формат, поскольку они не включаются в оглавление диска (ТОС). Спецификация Green Book.

CD-I-Ready

Развитие предыдущего стандарта. Диски, записанные этим методом, сможет прочесть любой бытовой проигрыватель компакт-дисков — правда, только звуковую дорожку. Для записи изображений используется длительная пауза перед первой звуковой дорожкой.

CD-Bridge

Формат записи, предложенный для обеспечения совместимости с аппаратурой чтения дисков в формате XA. При записи диска в этом формате в оглавление включаются адресные метки данных одновременно обоих форматов — как XA, так и CD-I.

Kodak Photo-CD

Формат, разработанный на базе CD-Bridge, был предложен компанией Kodak специально для хранения цифровых (или оцифрованных) фотоархивов. При наличии специального считывающего устройства позволяет просматривать фотографии на экране бытового телевизора.

CD-Extra

Комбинация аудиотреков и записанных данных. Хороша тем, что позволяет при помощи обычного бытового музыкального проигрывателя воспроизводить аудиодорожки, а при наличии компьютера — еще и просматривать дополнительную информацию. Спецификация Blue Book.

CD-G

Формат записи музыкального компакт-диска, при котором становится возможным размешать, помимо обычных аудиотреков, текстовую информацию, которая может быть считана специализированным устройством.

На сегодняшний день самое распространенное применение — караоке.

CD-Text

Похож на предыдущий, также позволяет создавать музыкальный компакт-диск с дополнительной текстовой (иногда и графической) информацией. Современные музыкальные центры могут использовать эту информацию для отображения на дисплее названия песни, имени-фамилии автора или названия альбома.

CD-Video

Один из самых первых форматов для записи видео CD. Позволяет размещать на носителях объемом 650 Mb видеоролики большего размера за счет сжатия при качестве, близком к стандарту VHS. Соответственно, может воспроизводиться на специальных бытовых проигрывателях, подключаемых к обычному телевизору.

Помимо упомянутых, существует еще масса модификаций — Joliet и RockRidge Extention, например...

4. Методы записи.

Disc-At-Once (ОАО)

В этом режиме диск записывается целиком за один прием, при этом лазер отключается только после того, как будет записан весь диск. Такой режим записи не позволяет создавать мультисессионные диски и добавлять информацию. Как правило, применяется при создании мастер-копий.

Track-At-Once (TAO)

В данном случае «условная единица» записываемой информации — дорожка (track). В случае записи audio CD применяется наиболее часто и характеризуется двухсекундными паузами между дорожками. Кроме того, позволяет организовать дописывание информации — то есть добавлять данные до заполнения диска. Это достигается за счет того, что носитель фактически остается открытым для записи следующей дорожки — до тех пор, пока не исчерпается свободное пространство.

Однако злоупотреблять этим не стоит, поскольку каждая «дописка» крадет некоторое количество свободного пространства.

Session-At-Once

За один прием записывается сессия, состоящая из одной или нескольких дорожек. Лазер, работая в этом режиме, выключается только после записи сессии. Как только на носителе образуется несколько записанных сессий, он тут же получает статус мультисессионного.

Довольно полезный режим, но стоит обратить особое внимание на то, что с такими дисками умеет работать весьма малое количество бытовых музыкальных центров и портативных CD-плееров.

Разумеется, при записи нескольких сессий утрачивается доступное пространство, причем в достаточно ощутимых количествах — после первой сессии «потеряется» около 22 Мб, на каждую следующую придется отдать около 13 Мб.

Packet Writing

Самый новый на сегодня метод записи. Собственно, название полностью отражает сущность процесса: условная единица, записываемая на носитель, представляет собой блок данных размером всего в несколько килобайт. Размер подбирается таким образом, чтобы этот блок полностью помещался в буфер привода — при задержке поступления очередного пакета запись приостанавливается. Учитывая также тот факт, что скорость записи по методу Packet Writing несколько ниже, чем в случае применения методов DAO или ТАО, можно сказать, что надежность этого метода достаточно велика.

Этот метод применим как к носителям CD-R, так и к CD-RW — но с одним условием: требуется форматирование, которое можно произвести с помощью программ Adaptec DirectCD и CeQuadrat PacketCD. Процесс форматирования довольно продолжителен и может занять от 20-ти до 57-и минут, после чего с носителем можно работать как с обыкновенным разделом жесткого диска.

Это достаточно приятный способ использования носителей CD-RW. А вот в случае CD-R не все так радужно — ведь при удалении файла с носителя CD-R свободное дисковое пространство не увеличивается.

Тем не менее, это не единственный подводный камень, характерный для этого метода. Самая большая проблема состоит в том, что работать с носителями, записанным по этому методу, умеют только современные приводы CD-ROM, поддерживающие спецификацию Multiread — и, как правило, под управлением последних версий ОС Windows. He стоит также забывать, что отформатированный диск имеет «всего» около 500 Мбайт свободного дискового пространства.


5. Режимы работы устройств.

CLVConstant Linear Velocity

Как видно из названия (Constant Linear Velocity постоянная линейная скорость), в этом случае скорость вращения носителя постепенно снижается по мере перемещения лазера от внутренней (центральной) части диска к наружному его краю.

CAVConstant Angular Velocity

Доступ с постоянной угловой скоростью. В данном режиме носитель вращается с максимальной скоростью. Изменяется скорость считывания, постепенно увеличиваясь по мере продвижения лазера к краю диска.

P-CAV — Partial Constant Angular Velocity

Создавался как преемник предыдущих двух режимов. Основная отличительная черта — скорость доступа изменяется на разных участках носителя, но в целом остается на более высоком уровне, нежели при использовании режима CLV.             

Z-CLV -Zone Constant Linear Velocity

Сравнительно новое «достижение», зачастую выдвигается как альтернатива     P-CAV. Собственно, Z-CLV представляет собой комбинацию уже хорошо отработанных и успешно продвигаемых технологий — запись в режиме CLV и способность привода прервать/продолжить запись в любой момент. Как правило, последнее достигается за счет применения таких технологий, как BURN-Proof, JustLink, Seamless Link и т. д.

Суть предельно проста: область диска разбивается на условные зоны, для каждой из которых поддерживается своя постоянная скорость записи — по методу CLV. Записали зону, прервались, вычислили параметры для следующей зоны — и т. д.

Очевидно, что такой режим положительно на качестве записи не отражается, поскольку на диске появляются микроразрывы — так называемые «склейки». Но, разумеется, подобный способ записи не стоит сразу же отвергать, поскольку разрывом размером в несколько микрон на месте «склейки» двух зон можно в большинстве случаев пренебречь. Тем более что при записи мастер-дисков для их дальнейшего тиражирования высокие скорости, на которых включается режим Z-CLV, не используются.


6. Оценка качества записи заготовок
CD-R.

 Оценку качества записи заготовок CD-R проведем по результатам тестирования CD-RW приводов, опубликованным в журнале «Компьютерное обозрение» №8 за 2002год.

Итак, процесс записи заготовки состоит в прожигании лазерным лучом записывающей головки определенных участков дорожки носителя. Таким образом, получается неравномерная структура, разные части которой по-разному отражают свет при считывании данных с носителя. Прожженные участки называются «pit», а непрожженные -«land». В процессе чтения световой поток, которым облучается дорожка, отражается от land'ов и рассеивается на pit'ax. Грубо говоря, после прохождения сигнала через оптическую систему привода и АЦП зоны pit интерпретируются логикой устройства как набор единиц, а зоны land - как набор нулей.

Каждая из этих зон имеет строго определенную по времени продолжительность. К примеру, если pit, обозначающий последовательность из одной единицы, будет длиться на диске время Т, то последовательность «111» должна длиться ЗТ. Аналогичная ситуация и с зонами land. При считывании данных в зависимости от того, сколько времени продолжалась каждая из прочитанных зон, она интерпретируется как последовательность одинаковых бит определенной длины.

Теперь перейдем к параметрам качества записи. Некоторые из них характеризуют сам носитель, другие относятся именно к пишущему приводу, и по этим параметрам можно судить о качестве работы накопителя. Были выбраны три параметра, перечисленные ниже.

BLER (Block Error Rate) - поток ошибок, которые корректируются логикой привода в течение одной секунды. Измеряется в единицах в секунду. Показатель составной, представляющий сумму блоков, в которых обнаружена хотя бы одна из следующих ошибок: Е11, Е21 и Е31. Все три фиксируются первым декодером привода (С1). Первая - это корректируемые ошибки в одном разряде, вторая - корректируемые ошибки в двух разрядах. И наконец, Е31 - некорректируемые ошибки в первом декодере. Точно такой же список ошибок регистрируется и для второго декодера привода (С2) - Е12, Е22 и Е32. Итак, чем ниже будет BLER (т.е - чем меньше ошибок придется исправлять считывающему устройству), тем выше качество записи и больше вероятность успешной эксплуатации записанного диска.

Histogram. Pit Histogram и Land Histogram строятся отдельно по land и по pit и отражают количество соответствующих зон, которые укладываются в определенную длину (ЗТ, 4Т и т. д.). Зоны на гистограмме, относящиеся к pit (land) различной длины, не должны пересекаться. В идеале каждая зона должна быть как можно уже и отстоять как можно дальше от соседних. Поясним это на примере. Что происходит, если зоны ЗТ и 4Т на гистограмме пересекаются? Это означает, что часть участков, отражающих различную по длине последовательность битов («111» и «1111»), физически на диске имеют одинаковый по длительности временной интервал. Тогда при считывании такого участка логика привода с вероятностью 50% может «принять» зону «ЗТ» как за ЗТ, так и за 4Т, и наоборот. В первом случае участок будет прочитан правильно, во втором возникнет ошибка. Если подобные «перекрытия» касаются только Land Histogram, то «поведение» такой заготовки при чтении непредсказуемо: когда, сколько и какие именно возникнут ошибки - не знает никто. К примеру, из 10 считываний подобной заготовки успешными могут оказаться только 9... или 8... или… А вот в том случае, если перекрытия наблюдаются на обеих гистограммах, записанный диск практически нечитаем по причинам, указанным выше. Логика считывающего устройства попросту не в состоянии верно интерпретировать полученные данные.

Jitter. Измеряется также отдельно для pit'oв и отдельно для land'ов. Характеризует степень отклонения оных от идеальной величины. Разумеется, параметры Histogram и Jitter напрямую связаны между собой. Поэтому для экономии площади в печатном издании приводится лишь первый параметр.

Но недооценивать значение Jitter не следует. Что произойдет, если зона выйдет за допустимые границы? Все очень просто: вместо положенного, к примеру, ЗТ pit будет длиной 3,5Т. Опять получаем 50%-ную вероятность возникновения ошибки.

Ниже приведены гистограммы результатов тестирования нескольких приводов.

Прокомментируем некоторые из результатов.

Acer CRW-2010A. BLER в пределах нормы. Jitter за пределами допуска, гистограммы представляют собой одни взаимопересекающиеся области. Качество записи очень плохое.

A-Open CRW2440. Небольшие всплески land jitter (только зоны 11Т). Наблюдается лишь незначительное перекрытие land-зон (3Т и 4Т). Диск записан качественно.

HP 9900ci Combo. BLER чрезвычайно низок, pit jitter в два раза ниже критической отметки. Land jitter постоянно находится за пределами допуска, а гистограмма для этих зон представляет собой практически сплошную взаимопересекающуюся область. Плохое качество записи.

LG GCE-8320B. Все параметры в норме. Очень качественно записанный диск.

LG GCC-4120B Combo. Максимальное значение BLER достигло отметки 194, среднее было равно 100 (при максимальном значении этого параметра 220). Но это не значит, что диск был плохо записан. 90% всех ошибок приходится на корректируемые Е11.



7. Структура проигрывателя компакт-дисков.

Рис. 7.1. Структурная схема проигрывателя компакт-дисков.

Рис. 7.2. Устройство системы оптического считывания (а), упрощенная схема оптической системы (б).

Луч диодного лазера (аллюминий-галлий-арсенид, длина волны около 780 нм, оптическая мощность около 2 мВт, плотность потока энергии луча около 2500 Вт/ср*см2) с помощью коллиматорной и фокусирующей линз направляется на рабочую поверхность компакт-диска. Для позиционирования фокусирующей линзы используются электромагниты. Интенсивность излучения лазерного диода ограничивается управляющим диодом, который расположен рядом с лазерным и реагирует на интенсивность генерируемого луча.

При вхождении в прозрачный защитный слой диска (поликарбонат, коэффициент преломления 1,55) луч лазера имеет диаметр около 1 мм благодаря чему загрязнения поверхности или царапины на его модуляцию практически не влияют. На отражающей поверхности рабочего слоя диска (слой алюминия толщиной около 10 мкм) сфокусированный луч имеет диаметр уже около 1.5 мкм. Цифровые сигналы записываются на спиральные дорожки, образуемые множеством микроскопических углублений («питов») глубиной 0,12 мкм, шириной 0,4 мкм и длиной от 0,8 до 3,1 мкм. Невидимый глазом инфракрасный луч отражается от участков поверхности между питами, но самими питами рассеивается. В этом и состоит эффект модуляции интенсивности отражения луча.

Отраженный луч попадает на поляризационную расщепляющую призму и далее на приемный фотодиод, который преобразует модулированный световой поток в электрические сигналы, собственно информационные и служебные, используемые в системе автоматического регулирования положения объектива, радиального и вертикального слежения (радиальные биения дорожки записи компакт-диска при его вращении).

Магнитооптическая технология хранения информации

Магнитооптическая технология была разработана фирмой IBM в начале 70-х годов. Первые опытные образцы магнитооптических (МО) накопителей представила в начале 80-х годов фирма Sony. На рынке компьютерной техники магнитооптические накопители вначале не пользовались спросом вследствие дороговизны и сложности, однако по мере развития технологии и снижения цен отношение к ним изменилось.

В настоящее время используются магнитооптические диски двух основных размеров – 3,5 и 5,25”. В принципе, устройство МО-дисков всех размеров одинаковое. Основное различие заключается в числе рабочих поверхностей. Строение одностороннего МО-диска в разрезе можно представить как совокупность следующих слоев (сверху вниз):

  1.  Защитного
  2.  Диэлектрического
  3.  Магнитооптического
  4.  Диэлектрического
  5.  Отражающего
  6.  Подложки
На стеклопластиковую подложку носителя наносится алюминиевое (либо золотое) покрытие, предназначенное для отражения лазерного луча. Диэлектрические слои (прокладки), окружающие магнитооптический слой, выполнены из прозрачного полимера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании информации.
Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Верхний защитный слой из прозрачного полимера предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений (слой выполнен методом ультрафиолетового отверждения). Магнитооптические диски бывают одно- и двусторонние, причем последние состоят фактически из двух односторонних, склеенных между собой подложками.
Оптические носители обладают повышенной надежностью и не бояться воздействия неблагоприятных условий окружающей среды. МО-диск заключен в специальный пластиковый конверт – картридж. В отличие от традиционных CD, для МО-дисков применяется магнитный записывающий слой, материал которого (магнетик) обладает большой коэрцитивной силой, препятствующей изменению магнитной ориентации доменов. Из самого названия магнитооптических накопителей следует представление о физических принципах работы этих устройств.

В процессе записи данных на МО-диск (рис. 13) лазерный луч фокусируется на поверхности магнитного слоя в пятно микронного размера. Поверхность магнетика в точке фокусировки разогревается, и его температура достигает точки Кюри, коэрцитивная сила падает до нуля, и поле записывающей магнитной головки формирует запись. После охлаждения материала новая магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости  от магнитной ориентации участка магнитного материала он интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Данные записываются блоками по 512 байт. Для изменения части этой информации необходимо перезаписывать весь блок, поэтому при первом проходе инициализируется (разогревается ) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных. Такой процесс называется записью в два прохода. Следовательно, операция записи в МО-накопителе длится в два раза дольше операции считывания.

 

Рис. 13. Технология записи информации на МО-диск и чтения с него

Считывание данных с диска происходит с помощью поляризованного лазерного луча пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя (мощность излучения лазера около 25% от номинальной). При попадании луча на упорядоченные магнитные частицы диска (ориентированные при записи данных) их магнитно поле незначительно изменяет поляризацию луча (эффект Керра). Хотя плоскость поляризации поварачивается всего на несколько градусов, это легко определяется, так же как изменение магнитного поля при считывании данных с жестких дисков.

В отличие от компакт-диска, данные на магнитооптический диск теоретически можно записывать бесконечное количество раз, поскольку никаких необратимых процессов в материале носителя не происходит. Если нужно удалить старые данные, достаточно нагреть лазерным лучом соответствующие дорожки (секторы) и размагнитить их внешним магнитным полем. Многие фирмы-изготовители гарантируют миллион циклов перезаписи информации на МО-диск. Благодоря очень узким дорожкамзаписи, плотность размещения данных на МО-диске составляет: для дисков 3,5” – 230-640 Мбайт, для дисков 5,25” – до 4,6 Гбайт.

Быстродействие приводов МО-дисков ниже, чем накопителей со сменными магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей, разработанных с учетом последних достижений магнитооптической технологии, неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низкого быстродействия МО-накопителей заключается в том, что скорость вращения диска составляет всего 2000 об/мин. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка записи/чтения (в одном устройстве совмещены оптический и магнитный узлы). Среднее время доступа к данным составляет около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) – 75000 часов.

Технология магнитооптической записи непрерывно совершенствуется, и уже появились накопители, в которых запись на носитель осуществляется за один проход. Несколько фирм выпускают  МО-накопители с частотой вращения диска 3600 об/мин, но стоимость таких устройств довольно высока.

Лидерами рынка накопителей на МО-дисках являются компании Sony, Fujitsu и HP, а также Pinnancle Micro, MaxOptix Basf, Olympus и Verbatim (дочерняя фирма концерна Mitsubishi).

Магнитооптические диски и накопители большинства фирм-изготовителей соответствуют требованиям ISO. Накопители обоих форм-факторов выпускаются как в виде встраиваемых устройств, так и во внешнем автономном исполнении, с интерфейсами IDE и SCSI.

Прототип блока головок для чтения/записи CD/DVD/Blu-Ray Disc от Sony

Компания Sony сообщила о разработке прототипа блока головок под три типа носителей: Blu-Ray/DVD/CD. Собственно, излучатель один, а наборы линз подобраны под работу с разными типами оптических носителей: отдельно – CD/DVD, отдельно — Blu-Ray Disc:

Рисунок 1 Устройство головки чтения Blu-Rey дисков

В плане DVD система позволяет как записывать, так и считывать диски форматов DVD, DVD±R/RW/-RAM. Размер блока-прототипа – 82x50x32 мм – для сравнения: у DVD-плеера BDZ-S77, представленного компанией в апреле 2003 года, способного работать как с DVD/CD, так и BD-дисками при помощи двух блоков головок размер блока для чтения/записи Blu-Ray-дисков – 80x55x25 мм, блока DVD/CD – 45x20x29 мм. В планах компании начать коммерческое производство новых головок в течение ближайших двух лет, пока же имеющемуся прототипу предстоят широкомасштабные "полевые испытания". Скорее всего, новыми блоками головок на начальном этапе будут оснащаться бытовые плееры, впоследствии — если технология будет признана "жизнеспособной" и экономически выгодной — в приводах для ПК.


Слева — прототип нового блока, справа сверху — блок головок для работы с CD/DVD-дисками 

Состав и алгоритм функционирования привода CD-ROM

Привод CD-ROM состоит из следующих основных функциональных узлов:

  1.  Загрузочного устройства
  2.  Системы управления приводом
  3.  Оптико-механического блока
  4.  Системы автоматического регулирования
  5.  Универсального декодера
  6.  Интерфейсного блока

Типовая функциональная схема привода CD-ROM представлена на рис. 6.

Упрощенный алгоритм функционирования привода CD-ROM состоит в следующем. После помещения CD в загрузочное устройство электромеханическое устройство приводит диск во вращение. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптической головки считывания по радиусу диска и считывание информации. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2—5,0 мВт), который попадает на отражающее зеркало (рис. 7).

Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, далее отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразующий световую энергию в электроимпульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер.

CD

Рис. 6. Типовая функциональная схема привода CD-ROM

Индикатор

Клавиши управления

Контроллер привода CD

Система управления приводом

Каскадный декодер

ЕFM-лекодер

ОЗУ

Контроллер

Универсальный декодер

Система автоматического регулирования

САР-ЛС

Усилитель

Система вы-деления тактовой частоты

ФАПЧ

САР-РП

САР-РС

САР-РС

САР-Ф

Электро-механический блок

Электромеханический

привод оптической головки

Электро-механический

привод CD

Оптическая головка

Интерфейсный блок

К контроллеру IDE(SCSI)

Интерфейс IDE (SCSI)

Буферное ОЗУ

ФНЧ

ЦАП

Выход на телефоны

Усилитель правого канала

Усилитель левого канала

Аналоговый выход (на звуковую карту)

Згрузочное устройство

Механизм загрузки CD

Электромеханический

привод

Высокая точность считывания информации обеспечивается сложными системами автоматического слежения за поверхностью диска и дорожками записи данных. На рис. 8 представлена оптическая схема привода CD-ROM.

При считывании информации с CD возможны сбои в позиционировании луча лазера вследствие радиальных биений диска. Чтобы избежать потери информации, в приводах CD-ROM применяется система автоматического слежения. Для слежения за радиальными биениями дорожки записи применяется устройство, работа которого основана на использовании эффекта ослабления интенсивности светового луча, падающего на приемный фотодиод после отражения от различных участков дорожки. Существует несколько способов выделения управляющего сигнала: 

  1.  Трехлучевой способ (луч лазера разделяется на три составляющие: основную и две вспомогательные, отклоняемые при помощи дифракционной решетки)
  2.  Однолучевой, с противофазным регулированием
  3.  Однолучевой, с измерением разности фаз
  4.  Однолучевой, с использованием вспомогательного сигнала модулированного по частоте

Наибольшее распространение получил первый способ автоматического слежения за дорожкой записи. Луч полупроводникового лазера собирается коллиматором (собирающей линзой) в параллельный пучок и попадает на дифракционную решетку, где расщепляется на три луча. Один из лучей считывает информацию, а два других используются в системе радиального слежения за дорожкой. Далее все три луча проходят через свето-делительный кубик и поляризационную пластину, где происходит разделение лучей, падающих на диск и отраженных от него. Объектив фокусирует на диске луч лазера диаметром около 1 мкм. Если световое пятно попадает на участки поверхности диска между углублениями (рис. 9, а), то луч не рассеивается, а отражается и, преломившись, попадает на фотоприемник. Если же луч света попадает на пит (рис. 9, б), то происходит дифракция света (рассеивание) и в фотоприемник попадает только часть отраженного луча. По интенсивности регистрируемого отраженного светового пучка фотоприемник воссоздает записанные на диске данные (как последовательность импульсов различной интенсивности, преобразуемых в нули и единицы информации).

Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD. В его состав входят декодеры, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. EFM-декодер выделяет из цифрового потока информационные символы, синхросигналы и служебную информацию. Каскадный декодер производит формирование блоков символов, которые предварительно (перед записью) были подвергнуты разбиению для их размещения на различных участках информационной дорожки с целью уменьшения вероятности потери информации. Применение двойного декодирования с перемещением символов дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт, что соответствует дефекту дорожки записи длиной 2,5 мм. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет, режимами исправления ошибок в данных, записанных во всех поддерживаемых форматах. Импульсные сигналы с фотодатчика оптической головки поступают в усилитель системы автоматического регулирования (CAP), где выделяются сигналы ошибок слежения и осуществляется фазочастотная коррекция считываемого сигнала. Сигналы ошибок слежения поступают в системы автоматического регулирования фокуса (САР-Ф) и радиального слежения (CAP-PC). Система автоматического регулирования радиальной подачи (САР-РП) управляет серводвигателем перемещения оптической головки. Система автоматического регулирования мощности излучения лазера (САР-М) поддерживает ее неизменной независимо от температуры окружающей среды и перепадов напряжения. Система автоматического регулирования линейной скорости (САР-ЛС) обеспечивает постоянную линейную скорость вращения диска (для привода с однократной скоростью вращения диска 1,2 м/с). Устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) выделяет из сигнала EFM-кода сигнал тактовой частоты, необходимый для работы кодера.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы (ЦДЛ), фильтров нижних частот (ФНЧ) и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП поочередно преобразует кодовые данные левого и правого каналов в аналоговые сигналы. Полученные сигналы подаются на усилители с активными ФНЧ. Далее сигналы выводятся на звуковую карту и (через линейный выход) на гнездо для подключения головных телефонов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4875. Алгоритмы сортировки в массивах. Сортировка методом пузырька, вставками, выбором. Сортировка Шелла 40 KB
  Алгоритмы сортировки в массивах. Сортировка методом пузырька, вставками, выбором. Сортировка Шелла. Под сортировкой будем понимать упорядочивание элементов в соответствии с некоторым выбранным правилом. В качестве правила упорядочивания может служить...
4876. Быстрая сортировка и способы ее реализации в программировании 72.5 KB
  Быстрая сортировка. Быстрая сортировка (quicksort) является одним из наиболее эффективных алгоритмов сортировки. В основе его лежит идея декомпозиции, т.е. поэтапного сведения исходной задачи к набору аналогичных, но более простых, вплоть до т...
4877. Пирамидальная сортировка и способы ее построения в программировании 73.5 KB
  Пирамидальная сортировка. Пирамидальная сортировка (heap sort) основывается на организации элементов в массиве по типу двоичного (бинарного) дерева. Двоичным деревом называют иерархическую структуру данных, в которой каждый элемент имеет не более дв...
4878. Сортировка внешних данных. Сортировка прямым слиянием 62 KB
  Сортировка внешних данных. Сортировка прямым слиянием. Сортировка слиянием основывается на том факте, что при наличии двух отсортированных последовательностей можно реализовать вычислительно эффективный способ их слияния в единую отсортированную пос...
4879. Сравнение эффективности алгоритмов сортировки 47.5 KB
  Сравнение эффективности алгоритмов сортировки. Каждый из рассмотренных алгоритмов сортировки обладает определенными преимуществами и недостатками. Для того, чтобы сравнивать между собой разные алгоритмы, необходимо сформулировать критерии, характери...
4880. Область видимости и время жизни переменных. Локальные и глобальные переменные. Статические переменные 49 KB
  Область видимости и время жизни переменных. Локальные и глобальные переменные. Статические переменные. Каждое имя в программе на С++ должно относиться к уникальной сущности –объекту, функции, типу или шаблону. Однако, это не означает, что оно м...
4881. Указатели на функции. Перегрузка функций. Шаблоны функций 61 KB
  Указатели на функции. Перегрузка функций. Шаблоны функций. Предположим, что нужно реализовать функцию сортировки массива строк с примерно таким прототипом: void sort( char beg, char end ) здесь beg и end являются указателями на начало и конец...
4882. Статические и динамические библиотеки 200.5 KB
  Статические и динамические библиотеки. Библиотеками называют сборники подпрограмм или объектов, как правило, ориентированных на решение набора близких по тематике задач. С точки зрения их организации и использования библиотеки бывают статическими ...
4883. Кодирование данных. Алгоритм Base64 41.5 KB
  Кодирование данных. Алгоритм Base64. Под кодом понимают определенную систему условных обозначений или сигналов, а процесс кодирования – это переход от одной формы представления информации к другой. При этом целью кодирования, как правило,...