close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...оказания мед помощи иностранным гражданам;doc

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»
Институт Радиоэлектроники и телекоммуникаций
Кафедра Радиофотоники и микроволновых технологий
Лекционные материалы по дисциплине
Оптическая запись, воспроизведение и хранение информации
Индекс по учебному плану: Б.2.B.ДВ.3.3
Направление: 210400.62 (11.03.01) Радиотехника
Вид профессиональной деятельности: прикладной бакалавр
Профиль программы подготовки:
Аудиовизуальная техника
Радиофизика
г. Казань
2013 г.
1
Глава 1 Запись аудиоинформации на компакт-диск
Прежде чем рассматривать схемы и процессы обработки аудиосигналов в
проигрывателях КД, необходимо коротко остановиться на принципах записи
аудиосигналов на КД, способах преобразования аналогового сигнала в цифровой
формат и последующей его кодировки.
1.1. Принципы записи с использованием импульсно-кодовой модуляции
Для записи на КД используется ИКМ-модуляция. Особенностью ИКМ-систем
является то, что аудиосигнал снимается периодически и представляется в виде
двоичного кода. При описании оцифровывания аналогового сигнала необходимо
кратко напомнить некоторые понятия.
Выборкой
называют
измерение
амплитуды
аналогового
сигнала
в
определенные интервалы или точки времени. Схема выборки служит для того,
чтобы трансформировать аналоговый сигнал в импульсный амплитудномодулированный с фиксированными интервалами времени. Частоту снятия
амплитуды называют частотой выборки. Согласно теореме Котельникова, после
дискретизации могут быть правильно восстановлены только те частоты, которые
меньше, чем половина частоты выборки. Скорости осуществления выборки 44,1
кГц при записи аудиосигнала на КД больше, чем достаточно для типичного
звукового диапазона от 0 до 20 кГц. Как правило, схема выборки соединена со
схемой хранения, так как здесь устанавливаются границы скорости выполнения
квантования.
Дискретизация, или квантование
это процесс, который происходит в фазе
захвата. Амплитуда периодически снимаемого и кратковременно фиксируемого
аудиосигнала разбивается на фиксированные ступени.
Для обеспечения воспроизведения сигнала высокого качества устанавливают
14–16 шагов квантования, которые дают возможность представить выборку в
2
виде 16384 – 65536 значений и которые к тому же должны содержать еще один
существенный аспект.
Линейная дискретизация внутри всего диапазона амплитуды сигнала имеет
постоянную (одинаковую) ширину шага. В случае музыкальных или других
сигналов, которые имеют относительно большой динамический диапазон, шаг
дискретизации при больших амплитудах должен быть больше, а при малых
амплитудах – меньше, чтобы имелась возможность понизить сумму передаваемых
данных (рис.3.14). А так как человеческое ухо имеет логарифмическую звуковую
восприимчивость, такая нелинейная дискретизация имеет прямой смысл.
Рис.3.14. Нелинейная дискретизация
3
Рис.3.15. Ошибки квантования
Уровень шумов при цифровой записи можно рассматривать как следствие
дискретизации (рис.3.15). Шумы квантования неизменно являются следствием
процесса квантования, при котором амплитуда снимаемых сигналов, которые еще
являются аналоговыми, превращается в ряд определенных конечных значений.
При этом между исходным сигналом и его цифровым значением образуется
небольшое расхождение. Эти ошибки называют шумами квантования. В ИКМсистемах отношение сигнал/шум в основном определяется этими шумами, из чего
следует прямой вывод: чем меньше шаг квантования, тем меньше и шумы.
Если входная частота меньше, чем половина частоты выборки
fs
(рис.3.16), то
квантованный сигнал можно опять преобразовать в его первоначальную форму.
Рис.3.16. К выбору частоты выборки
Перед схемой выборки и хранения (УВХ) располагают фильтр низкой частоты
(ФНЧ), чтобы отделить ненужные высокие частоты. В случае, если частота среза
ФНЧ
(верхняя
граничная
частота)
слишком
высока,
могут
возникать
интермодуляционные шумы
Преобразование квантованных амплитуд в импульсный код называют
кодированием. Квантование и кодирование происходит в аналого-цифровом
преобразователе (АЦП), на выходе которого представляется сигнал в формате
импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Недостатком ИКМ-записи является то, что даже один неправильно
переданный бит при воспроизведении может вызвать очень громкий щелчок.
4
Чтобы избежать такого эффекта, при ИКМ-записи используют различные
специальные способы распознавания и исправления ошибок.
1.2. Структура записываемой информации
На выходе АЦП сигнал представляет собой 16-разрядный двоичный код
произведенной выборки звукового сигнала в цифровой форме. Отметим, что 16разрядный код находится в двоичной форме дополнения, чтобы отображать и
положительные, и отрицательные размахи звукового сигнала. Обычно каждый 16разрядный отрезок называется словом, которое раскладывают на два символа,
каждый из которых содержит 8 разрядов (бит).
1.2.1. Формирование кадра записи. На рис.3.17 представлена упрощенная
блок-схема
процесса
кодирования,
который
типичен
для
оборудования,
используемого при записи на КД звукового сигнала.
Преобразование входного стереосигнала в 16-разрядный двоичный код
выполняется отдельно для правого и левого каналов одинаковыми схемами
кодирования (ФНЧ, УВХ, АЦП), синхронизированных генератором таймера. Для
того, чтобы в проигрывателе КД можно было распознавать цифровые данные
закодированного сигнала, необходимо эти данные организовать в определенные
образы. Во всех КД образ имеет блочную кадровую структуру. Кадр
информационный блок, включающий по шесть выборок звукового сигнала
каждого канала.
5
Рис.1.17. Блок-схема процесса записи аудиоинформации на КД:
Л и П – левый и правый входные сигналы; УВХ – устройство выборки-хранения; М1 и М2
– первый и второй мультиплексоры; КСКД – кодер сигналов контроля и дисплея; СГ –
синхрогенератор; МК – модулятор канала; ГТ – генератор таймера; ЗЛ– записывающий лазер;
ЛЛ – лазерный луч; МККД – мастер-копия КД
Цифровые данные с двух каналов подаются на первый мультиплексор,
который соединяет два потока данных в один последовательный поток данных.
На выходе первого мультиплексора поток данных смешан таким образом, что за
словом правого канала следует слово левого канала, и кадр состоит из 12 слов (по
6 слов на канал).
Ранее было упомянуто, что выборки звукового сигнала осуществляются с
частотой 44,1 кГц. В результате первого мультиплексирования период каждой
выборки становится вдвое меньшим, а частота следования выборок составляет
уже 88,2 кГц, в результате чего частота следования кадров, состоящих из 12 слов
каждый, составляет 88,2/12=7,35 кГц. Этот последовательный поток данных с
выхода мультиплексора поступает на схему исправления ошибок и чередования –
CIRC-кодер – от англ. Cyclic Interleaving Redundancy Check.
6
1.2.2. CIRC-кодер.
Перед тем как поступить на записывающее устройство, последовательность
сформированных информационных кадров подвергается помехоустойчивому
кодированию кодами Рида-Соломона (Cross Interleave Reed Solomon Code CIRSC), а затем кодированию канальным кодом EFM (Eight to Fourteen
Modulation). На рис. 3.18 показана структурная схема канала записи в системе
CD-аудио.
Рис. 1.18. Функциональная схема канала записи в системе CD-audio
При аналоговом способе записи никогда не удается избавиться от дефектов
носителя информации, которые приводят к искажению формы сигнала. При
воспроизведении
такие
искажения,
вызванные
дефектами
поверхностей
винилового диска или магнитной ленты, уже не удается откорректировать, в
результате чего приходится расплачиваться качеством записанной информации,
например, звука. О воспроизведении звука в цифровых форматах вообще не
могло быть и речи, если бы в канале записи не были приняты специальные меры
по защите от подобных дефектов, поэтому в процессе записи и производится
помехоустойчивое кодирование цифрового сигнала.
Помехоустойчивые коды являются одним из наиболее эффективных средств
обеспечения высокой верности передачи цифровых данных. Такое кодирование
сигнала
позволяет
проигрывателю
компакт-дисков
при
воспроизведении
обнаруживать и точно восстанавливать поврежденные или утерянные данные, или
же, в крайнем случае, сделать искажения, вызванные выпадениями сигнала,
7
незаметными на слух. Помехоустойчивое кодирование основано на введении в
цифровую последовательность дополнительных символов, которые сами по себе
не несут информационных данных, а являются проверочными
Стандарт системы CD допускает три искаженных символа на сто
достоверных. Такое количество ошибок при воспроизведении компакт-диска
обнаруживается декодером CIRC и исправляется. При этом выпавший или
искаженный символ восстанавливается с абсолютной точностью.
Полученная на выходе мультиплексора последовательность кадров, каждый из
которых состоит из 24 символов, несущих только информацию об исходном
стереосигнале, подается на вход кодера CIRC.
Кодер CIRC, называемый еще блоком защиты от ошибок, содержит две
ступени кодирования и три ступени перемежения.
Схема CIRC-кодера выполняет две функции. Одна функция схемы
разложить каждое 16-разрядное слово на два 8-разрядных символа.
Применяемые коды в процессе воспроизведения компакт-диска способны
обнаруживать до четырех и исправлять до двух поврежденных символов в
каждом кадре, т.е. они обнаруживают и исправляют только короткие ошибки.
Для борьбы с ошибками длиной несколько кадров существует система
перераспределения символов между кадрами.
В течение процесса разложения эти символы подвергаются чередованию
(interleaving) в определенном порядке. В результате чередования непрерывный
музыкальный
сигнал
оказывается
«разбросанным»
по
разным
местам
информационной дорожки КД. Такое «разбрасывание» сигнала по площади КД
делается для повышения помехоустойчивости и достоверности воспроизведения.
Если информационные символы в каком-то месте КД будут повреждены или
«прочитаны» звукоснимателем ошибочно, это не приведет к дефекту, заметному
для слушателя, поскольку ошибочные символы, находящиеся на информационной
дорожке, относятся к различным (по времени) местам записанной музыкальной
программы.
8
Другая функция схемы CIRC-кодера
обеспечить метод, которым
проигрыватель КД может проверять ошибки в потоке данных. Ошибки в потоке
данных могут возникать как из-за некачественных компакт-дисков, так и из-за
сбоев в процессе считывания информации в устройствах и схемах проигрывателя.
Из-за этих сбоев считывания возникают прерывания полезного сигнала, так
называемые «выпадения». В аналоговой технике такой эффект выпадения
приводит лишь к кратковременному пропуску сигнала и не оказывает влияния на
дальнейшую работу. В случае ИКМ, однако, «выпадения» при воспроизведении
прослушиваются в виде раздражающих пульсирующих шорохов, которые
называют ошибками кодирования.
В КД проигрывателях для распознавания ошибок используется перекрестный
контроль избыточности (Cyclic Redundancy Check, CRC). В то время как при
классическом методе паритета используется только один бит, в случае
использования CRC-метода передаются несколько проверочных битов. Если
количество таких бит составляет число 16, то достоверность распознавания
ошибок составляет 99,9985%. Это говорит о том, что CRC-метод вполне
применим
для
распознавания
ошибок
при
воспроизведении
звуковой
информации.
Сгенерированные в схеме CIRC-кодера проверочные биты организованы как
8-разрядные символы данных и названы символами четности. CIRC-кодер имеет
два выходных канала информации. Один канал содержит символы данных,
второй канал содержит символы четности. Мультиплексор добавляет символы
четности к правильному расположению в потоке данных так, чтобы декодер в
проигрывателе КД мог проверять и исправлять ошибки в символах данных.
В
результате
использования
проверочных
бит,
которые
способны
обнаруживать до четырех и исправлять до двух поврежденных символов в
каждом кадре, декодер легко справляется с дефектами, которые превышают длину
одного символа. В случае же, когда дефекты составляют длину в несколько
кадров, применяемый способ перераспределения символов как внутри каждого
кадра, так и между разными кадрами (чередование), приводит к тому, что и
9
значительные повреждения могут испортить лишь один – два символа в кадре изза разбросанности последовательной звуковой информации по полю КД. В
процессе воспроизведения после деперемежения значительный дефект будет
соответствовать некоторому числу маленьких дефектов, с которыми достаточно
эффективно может справиться система декодирования проигрывателя.
1.2.3. Сервисная информация в кадре записи. Информация, записанная на
КД, характеризуется также тем, что, наряду с собственно данными, в каждом
блоке данных имеется также управляющая информация и информация для
дисплея. Символ данных субкода (называемый обычно субкодом) обеспечивает
идентификацию (опознавание) всего кадра данных, а также синхронизацию в
проигрывателе КД. С его помощью происходит слежение за перемещением
звукоснимателя поперек КД при поиске нужного фрагмента и реализация других
потребительских возможностей проигрывателя.
Выход второго мультиплексора, помимо 24 символов данных аудиосигнала
(по 8 бит каждый), содержит также и 8 символов четности (также по 8 бит
каждый) и 8-битовый субкод, который располагается в начале каждого кадра.
Информация с выхода мультиплексора поступает на модулятор записывающего
лазера, задачей которого является преобразование полученных цифровых данных
в форму, которая обеспечила бы максимальную плотность записи на КД, а также
достоверное считывание информации при воспроизведении.
1.2.4. Канальное кодирование. При записи луч лазера фокусируется на
поверхности в пятно определенных размеров. Получаемый при этом пит имеет
также определенный размер, зависящий от характеристик записывающего лазeрa.
В принципе минимальный по размеру пит будет отображать только одну единицу
информации (один бит). Однако существуют способы, при которых такой
минимальный пит будет отображать не один бит, а больше. Такие способы
преобразования называются канальным кодированием.
При
канальном кодировании необходимо
10
учитывать еще некоторые
соображения.
Во-первых, при расшифровке данных надо точно определять границы как
одного бита, так и символа, и кадра, что легко осуществляется определением
перехода
с
0
на
1
и
обратно
(изменение
уровней).
При
длинных
последовательностях в коде 0 или 1 может легко произойти сбой при
декодировании, так как, например, декодер последовательность в виде 15 нулей
может распознать и как 14 нулей, и как 16 нулей. В связи с этим канальный код не
должен иметь длинных последовательностей одного уровня.
Во-вторых, считывающее устройство КД-проигрывателей не пропускает
постоянный ток, и длинные последовательности нулей и единиц в потоке
информации воспринимаются им как постоянная составляющая, которую при
канальном кодировании необходимо устранить. Кроме того, надо обеспечить,
чтобы количество нулей и единиц в потоке данных было примерно одинаковым,
чтобы исключить вероятность снижения уровня считываемого сигнала.
Поток данных не заносится на КД в 8-разрядном формате. Вместо этого 8разрядный код преобразуется в 14-разрядный канальный код, названный Eight-toFourteen Modulation, или EFM, удовлетворяющий перечисленным требованиям
для записи на КД. Такое преобразование приносит определенные выгоды.
Происходит увеличение плотности записи, а весь спектр переносится выше,
благодаря чему улучшается разделение от низкочастотных сигналов помех.
Считывание лучом двух смежных
переходов одновременно
Дорожка с данными
в 8-битовом коде
Питы
Лазерный луч
Флэты
Линза
Нормальное считывание
соседней информации
Дорожка с данными
в14-битовом коде
Питы
Лазерный луч
Флэты
Линза
Рис. 3.20. Эффект EFM-преобразования
11
«Растягивание» символов от 8 до 14 бит предотвращает в то же время считывание
лазерным лучом в проигрывателе КД одновременно двух смежных переходов (с
пита на флэт и наоборот) (рис.3.20).
Никакой «прямой» связи между исходным 8-разрядным символом и
созданным 14-разрядным символом нет. Основным условием EFM-кода является
то, что должно быть, по крайней мере, два нуля между двумя последовательно
идущими единицами. В создаваемом символе также не может быть более 10
последовательных нулей. Эти условия EFM-кода выполняют 277 комбинаций 14разрядного кода. Перевод из одной системы в другую происходит согласно
специальной таблице преобразования, где каждому 8-битовому символу
соответствует 14-битовое.
Кроме
того,
между
14-разрядными
символами
вставляются
три
соединительных разряда. Смысл таких трансформаций 8-разрядного символа в
том, что в дальнейшем комбинации 0 и 1 преобразуются в вид, когда 1
соответствует изменению уровня, а 0 – сохранению прежнего уровня, и
обеспечивается ограничение длины последовательности одного уровня как
сверху, так и снизу. Максимальная длина последовательности будет составлять 11
канальных бит (одна 1 и десять 0)
11Т, а минимальная
три (одна 1 и два 0)
3Т. Соединительные разряды необходимы для того, чтобы при соединении двух
последовательных канальных символов обеспечивалось условие EFM-кода о
невозможности более 10 последовательных нулей, так как всегда есть
возможность в один из соединительных разрядов вставить 1.
Обратим внимание, что условием ограничения промежутка между двумя
соседними перепадами уровня снизу является величина 3Т. Это тот фактор,
который позволяет заметно увеличить плотность записи информации. Теперь пит
минимального размера отображает три двоичных разряда, хотя канальных
разрядов стало 17 вместо 8. Однако легко вычислить, что 3/17 больше, чем 1/8
почти в полтора раза, т. е. плотность записи с применением канального кода
существенно повысилась.
12
1.2.5. Данные субкода. Как уже было сказано, к каждому блоку данных с
аудиоинформацией добавляется 8-битовый символ данных субкода, который
содержит служебную информацию и располагается в начале каждого кадра.
Субкод оформляется в блоки, подобные кадрам, которые состоят из 98 символов.
Частота следования блоков составляет 7,35 кГц/98=75 Гц. Субкод в связи с этим
содержит 8 различных каналов: Р, Q, R, S, Т, U, V, W. В настоящее время
используются только каналы Р и Q. Заметим, что поток данных, который можно
передавать субкодом, составляет 58800 бит/с, т. е. одновременно с музыкальным
сигналом можно передать огромное количество информации (около 25 Мб). По
сравнению с этим числом величина необходимого количества данных для
управления и синхронизации проигрывателя КД очень мала.
Субкод обрабатывается в проигрывателе КД в процессе декодирования. Тот
синхронизирующий образ, который генерируется субкодом, используется для
обработки символов данных и называется синхронизацией символа.
В Р-канале субкода содержится бит-флаг (известный также как бит паузы).
Этот бит обеспечивает старт (начало) музыкальной программы, а именно: при
наличии в этом бите логического 0 происходит считывание аудиоинформации с
КД. Наличие логической 1 в этом бите свидетельствует о начале или конце
музыкального фрагмента, который определен командой с лицевой панели
управления.
Когда лазерный луч выходит на последнюю дорожку, то значение Р-канала
начинает изменяться с частотой 2 Гц между 0 и 1, что является кодом окончания
всей музыкальной программы, записанной на данном КД.
В
самом
начале
кодирования
КД
субкод
содержит
информацию,
указывающую число музыкальных фрагментов, записанных на КД. Эта
информация кодируется в такой же структуре кадра, как и все другие данные, за
исключением того, что символы данных в таком кадре не содержат никакой
звуковой информации, что осуществляется записью в символы данных одних
нулей.
В Q-канале субкода может кодироваться разнообразная информация:
13
номер музыкального фрагмента;
индекс (маркировка фрагмента, например, соло, инструменты и т.д.);
продолжительность проигрывания;
индекс диска;
наличие предыскажений;
блокировка.
В
начало
каждого
кадра
данных
при
кодировании
добавляется
синхронизирующее слово, которое используется для обеспечения синхронизации
тактового генератора в проигрывателе КД и управления числом оборотов
двигателя вращения КД. Этот синхронизирующий образ назван синхронизацией
кадра и предназначен для определения границы кадра. Состоит такая кадровая
синхрогруппа из 24-канальных разрядов. Конфигурация этой синхрогруппы
представляет собой два следующих друг за другом максимальных интервала 11 Т
и не встречается в информационном потоке, что дает возможность легко
распознать синхрогруппу при воспроизведении. Как и после других канальных
символов, после синхрогруппы идут три соединительных разряда.
Сформированный в модуляторе поток данных для записи содержит в
результате 33х17+27=588 канальных бит в каждом кадре и подается на
оптический модулятор, который управляет мощностью записывающего лазера.
Глава 2. Декодирование информации, записанной на компакт-диске
Благодаря фотодетектору вырабатывается сигнал, записанный на КД.
Фотодетектор выполняет три основные функции:
- генерацию цифровых аудиосигналов, преобразуемых в аналоговые сигналы;
- генерацию сигналов для автофокусировки;
- генерацию сигналов отслеживания, обеспечивающих точное со провождение
лазерного луча по дорожке записи диска.
14
2.1. Демодуляция EFM сигналов
На рис.3.21 представлена упрощенная блок-схема процесса декодирования
информации, записанной на КД.
ВЧ-сигнал,
восстановленный
с
КД
оптическим
звукоснимателем
и
содержащий наряду с аудиоинформацией также информацию субкода в качестве
дополнительных данных, усиливается и нормализуется в схеме высокочастотного
усилителя. На выходе усилителя имеется ВЧ-сигнал, содержащий формат EFM
(сигнал системы модуляции).
СПЛ
ERC
ЛОС
САРТ
ФД
УП (EFM)
СИБ
ТС
СГ
Д (EFM)
ЦФДМ
ЦАП
ЦАП
ДСКД
ПУ
ПД
СК
У
У
Л
П
УСВКД
РИС.3.21.ПРОЦЕСС ДЕКОДИРОВАНИЯ В ПРОИГРЫВАТЕЛЕ КД:
СПЛ – схема питания лазера; ЛОС – лазерная оптическая система; САРТ – система
автофокусировки и радиального трекинга; ТС – тактовая схема; СГ – синхрогенератор; УП –
усилитель предварительный; Д – демодулятор; ERC – декодер проверочных битов; СИБ –
схема интерполяции и блокировки; ЦФД – цифровой фильтр и демультиплексор; Л и П –
левый и правый выходные сигналы; ДСКД – декодер сигналов контроля и дисплея; ПУ и ПД –
панели управления и дисплея; СК – системный контроллер; УСВКД – усилитель двигателя
вращения КД
Хотя EFM-сигналы (рис.3.22) представляет собой гармониче ские сигналы,
тем не менее они имеют цифровую форму. Обозначения 3Т, 4Т и т. д. отображают
количество периодов (3, 4 и т. д.), необходимых для считывания пита на диске.
Диапазон от 3 до 11T устанавливается исходя из технических параметров КД.
15
Прежде чем EFM-сигнал поступит для дальнейшего декодирования, он
проходит схемы формирования (трансверсальный фильтр), которые обеспечивают
равенство по амплитуде сигналов 3Т (ВЧ-сигнал) и 11Т (НЧ-сигнал). С помощью
имеющегося компаратора EFM-сигнал преобразуется в сигналы прямоугольной
формы EFM.
Рис.3.22. Сигнал EFM на выходе УП
Нормализованный EFM-сигнал поступает на дальнейшее декодирование.
Декодер в проигрывателе КД представляет собой сочетание различных схемных
устройств, выполняющих целый ряд функций:
восстановление тактового сигнала данных;
восстановление синхронизирующего образа из потока данных для
синхронизации всей системы;
демодуляция EFM-сигнала;
разделение цифровых сигналов на аудиоинформацию и информа цию
субкода;
восстановление первоначальной последовательности (деперемежение);
коррекция ошибок;
интерполяция цифровых сигналов;
демультиплексирование цифровых сигналов;
восстановление цифрового аудиосигнала в первоначальный аналоговый
аудиосигнал.
16
Выполнение этих основных задач декодирования, кроме собственно цифроаналогового преобразования, часто происходит в одной микросхеме обработки
сигнала
процессоре цифровых сигналов.
Для того, чтобы выделить тактовый бит из EFM-сигнала, который подается со
скоростью
4,3218
Мбит/с,
применяется
узкополосная
схема
фазовой
синхронизации (PLL-схема). PLL-схема состоит из двух цифровых частотных
детекторов (грубая и точная регулиров ка частоты), фазового детектора, петлевого
фильтра и VCO (генератор, управляемый напряжением). Задача обоих частотных
детекторов состоит в том, чтобы управлять PLL-частотой в области захвата
фазового детектора. VCO функционирует как полностью интегрированный RCгенератор, работающий на двойной входной частоте. Впоследствии происходит
деление этой частоты. Возни кающая частота применяется для тактирования
демодулятора, вход ных и выходных сдвиговых регистров. Частотный детектор
грубой установки сравнивает частоту VCO с половинной частотой внеш них
тактов
схем
цифровой
обработки.
Этот
детектор
вырабатывает
также
управляющий сигнал для грубой установки VCO, чтобы в дальнейшем, по ее
завершении, достичь области захвата цепи точной установки. Диапазон области
захвата
от 2,8224 до 5,6448 МГц. Детектор точной установки частоты
производит подстройку VCO до тех пор, пока частота не войдет в пределы PLLзахвата. Эта ступень точной установки отключается после фиксации PLL и далее
VCO уп равляется только фазовым детектором.
Выделенные последовательные данные преобразуются в параллельные данные
в 23-битовом сдвиговом регистре, тактируемом часто той 4,3218 МГц. В этом
регистре детектируется начало каждого кадра, а именно образцовый бит
синхронизации. Для этого каждые последующие 24 канальных бита сравниваются
с образцом кадро вой синхрогруппы, хранящимся в памяти демодулятора. Кроме
того, посредством этого сдвигового регистра происходит подготовка 14 битовых
символов данных для EFM-демодулятора.
Случайные сигналы синхронизации могут создавать помехи работе EFMдемодулятора и, следовательно, приводить к ошибкам в процессе декодирования.
17
Такая ложная информация может возник нуть вследствие выпадений или наличия
отпечатков пальцев на по верхности КД. При так называемом способе
детектирования двой ного синхронизирующего образа счетчик битов с числом
пересчета, равным 588, сбрасывается только в том случае, когда два образцо вых
бита продетектируются
через
корректный
интервал в
588
бит.
Когда
выработанный в процессе демодуляции такт данных строго сфазируется с
поступающим тактом данных, каждому 14-битному слову в соответствии с
таблицей EFM-кодирования присваивается одно из 256 8-битовых слов. Таким же
образом
детектируются
данные
субкода,
который
далее
обрабатывается
процессором субкода.
Аудиоинформация, трансформированная в EFM-демодуляторе в 8-битовые
символы данных, подается для дальнейшей обработки на схемы восстановления
первоначальной последовательности, кор рекции ошибок и интерполяции.
2.2. CIRC-декодер
Как было отмечено, в процессе кодирования записываемого аудиосигнала
цифровая аудиоинформация подвергается чередованию для того, чтобы избежать
многопозиционных ошибок в кадре данных в процессе воспроизведения и, по
возможности, избежать сильного влияния выпадений сигнала на качество
звучания.
Чередование
основано
на
том,
что
аналоговые
сигналы
являются
непрерывными сигналами и обычно без резких скачков. Ампли туда сигнала
первой выборки не отличается от амплитуды второй выборки. Амплитуда в
течение третьей выборки не сильно отличается от второй выборки и т.д. Если
величина второй выборки потеряна, но величина первой и третьей выборок
известна хорошо, то приближением и интерполяцией можно легко вычислить
вторую выборку.
18
Исходная
форма
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Выборка
ДАННЫХ
НА КД
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Данные после
прочтения
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Выпадение
Выпадение
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ДАННЫЕ
ПОСЛЕ
ДЕПЕРЕМЕЖЕНИЯ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Выпадение
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
б
а
Рис. 5.3. Принцип чередования (перемещения) и деперемежения:
а
Базисные
принципы
без чередования, б
с чередованием
чередования
(перемежения)
и
деперемежения
изображены на рис.3.23.
На
рис.3.23,а
последовательность
обработки
сигнала
показана
без
чередования. Выборки звукового сигнала дискретны во времени и обозначены 1,
2, З и т.д. Если име ется выпадение при воспроизведении КД, некоторые символы
от сутствуют в полученных данных. В используемом примере три сим вола (5, 6 и
7) отсутствуют, происходит серьезное пропадание разрядов.
На рис.3.23,б та же последовательность обработки сигнала показана с
чередованием.
Снова
звуковой
сигнал
дискретный,
но
с
выборками,
реорганизованными до записи КД. Такое чередование приводит к записи данных
в последовательности, которая не представляет увеличивающийся масштаб
(шкалу) времени. При воспроизведении КД происходит такое же пропадание
разрядов, что приводит к трем отсутствующим символам данных (4, 6 и 8).
Деперемежение затем выполняется в проигрывателе КД, чтобы восстановить
первоначальную последовательность символов данных.
Можно заметить, что с чередованием отсутствуют многопозиционные ошибки
(погрешности) и одиночные отсутствующие информационные разряды легко
могут быть аппроксимированы интерполяцией. Например, символ 4 может
интерполироваться как среднее между символами 3 и 5 (меньше, чем символ 3, но
больше, чем сим вол 5).
19
Распознавание и коррекция ошибок в потоке данных осуществляется
декодером проигрывателя КД с помощью перекрестного контроля избыточности
(CRC). Для этого происходит временное занесение 32 символов по 8 бит, из
которых 24 символа
данные аудиосигнала и 8 символов четности
в ОЗУ,
которое выполняет функцию буфера данных. Схемы логики проверяют признаки
ошибки и по определенной стратегии проводят коррекцию ошибок. После
коррекции всех ошибок модифицированные символы опять за носятся в
динамическое ОЗУ. Если коррекцию всех ошибок провести не удалось, то все 8битовые символы по "флагу" маркируются как ошибочные и равным образом
записываются
в
промежуточную
память.
В
случае
потери
данных,
соответствующих длине дорожки на КД более чем в 5 мм, происходит блокировка
НЧ-сигнала.
Необходимо
сказать
о
важной
роли
ОЗУ,
которую
оно
играет в
проигрывателях КД. Информация, считываемая с КД, по разным причинам,
нестабильна во времени и записывается в память по мере ее поступления, т. е.
неравномерно. Однако считывается она по сигналам кварцевого генератора
строго равномерно. Таким образом, применение такой буферной памяти
существенно снижает требования к двигателю вращения диска и сводит
детонации музыкального сигнала на выходе проигрывателя практически к нулю.
Буферная память составляет лишь часть объема всей памяти ОЗУ, где кодовые
символы записываются, считываются и опять записываются в другие ячейки.
Такие операции проводятся несколько раз.
Важным является также объем памяти ОЗУ: чем он больше, тем большие
отклонения скорости вращения диска допускаются, а значит, проигрыватель
более устойчив к всевозможным механическим воздействиям. Наименьший
требуемый объем памяти ОЗУ составляет 2 кБ. Однако используется ОЗУ с
объемом 4 кБ и более.
24 символа данных по 8 бит после обработки в CIRC-декодере (ERC)
поступают в схемы интерполяционной логики, задача которых
избежать
воздействий уже распознанных кодовых ошибок на качество воспроизведения.
20
Можно использовать три метода устранения воздействия выпадения сигнала
на воспроизведение.
Первый метод
метод блокировки
основан на том, что дефектное слово
блокируется и заменяется просто нулевым значением.
При втором методе ошибочное слово обнаруживается в случае выполнения
предварительной записи-захвата, и ложное слово заменяется предыдущим, так что
при этом не возникает практически никакого слышимого отличия при
воспроизведении.
И, наконец, лучшую компенсацию выпадения можно осуществить с помощью
линейной интерполяции. В этом случае при распознавании ошибочного слова оно
заменяется словом, имеющим значение, усредненное между предыдущим и
последующим значениями; компенсация ошибки оказывается настолько точной,
что отличить на слух воспроизведенный аудиосигнал от первоначального не
представляется возможным.
Восстановленный в правильной последовательности и скорректированный
поток цифровых аудиоданных подается на цифровой фильтр и схему
демультиплексирования. Цифровая фильтрация обеспечивает более высокое
качество воспроизведения, чем в обыч ных проигрывателях.
2.3. Скоростная выборка сигнала
Как было отмечено, в процессе кодирования КД скорость осу ществления
выборки аудиосигнала составляет 44,1 кГц, что более чем достаточно для
типичного звукового диапазона от 0 до 20 кГц. Проигрыватели КД с реальной
скоростью выборки снимают цифровую информацию с той же тактовой частотой
(44,1 кГц), с которой про водилась выборка при записи аудиосигнала. Однако в
таких проигрывателях необходимы аналоговые фильтры с очень крутыми фрон
тами для фильтрации цифровой составляющей выходного сигнала с ЦАП со
всеми присущими таким фильтрам недостатками. Для то го, чтобы упростить
21
фильтрацию аналоговых сигналов, восстанавливаемых ЦАП проигрывателя КД, в
настоящее время используется способ скоростной выборки, осуществляемый с
помощью цифровых фильтров и выполняющий функцию предварительной
фильтрации.
При
использовании
способа
скоростной
выборки
(СВ)
сигнал
при
воспроизведении считывается с кажущейся более высокой так товой частотой,
чем частота, с которой проводилась выборка при за писи. Тактовая частота при
двукратной СВ составляет 88,2 кГц (44,1х2=88,2 кГц). Соответственно тактовая
частота при четырехкрат ной СВ
176,4 кГц, при 8-кратной
352,8 кГц.
Разумеется, дополнительные величины при СВ не считываются с компактдиска, так как они на него просто не занесены. Эти ве личины, возникающие
дополнительно при СВ, вставляются между первоначальными снимаемыми
значениями (интерполируются).
При двукратной СВ после ЦАП в проигрывателях КД необхо дим более
простой ФНЧ, который дает возможность избежать неже лательных воздействий
фильтрации в области высоких частот. Но так как возникающий спектр помех в
этом случае требует еще соответствующей фильтрации и лежит вплотную к
слышимому диапазону, вполне понятно стремление еще более по вышать частоту
считывания (выборки) при воспроизведении. Кроме всего прочего, шумы
квантования при СВ распределяются по гораздо большей частотной области, что
после фильтрации приводит к повышению отношения сигнал/шум. Аналоговый
ФНЧ можно использовать со значительно меньшей крутизной фронта.
Увеличение динамического диапазона при снижении шумов квантования
происходит из-за того, что помеховые шумы сдвигают ся в область более высоких
частот при увеличенной частоте выборки (88,2, 176,4, или 352,8 кГц). При частоте
88,2 кГц первая разностная частота составляет 88,2 20=68,2 кГц, так что по
следующий ФНЧ может иметь малую крутизну фронта (среза) и при этом не
оказывает влияния на качество звучания.
При 8- и 16-кратных скоростях выборки необходимые ЦАП долж ны обладать
очень высокой скоростью преобразования, так как они имеют дело с повышенной
22
плотностью потока преобразуемых в ре альное время данных. Так как в
настоящее время таких скоростных (353 или 705 кГц) преобразователей нет, весь
поток данных делит ся. Это означает, что в реальное время каждая часть содержит
ко личество данных, снятых с частотой 176 кГц.
2.4. Демультиплексирование и цифроаналоговая обработка сигналов
Между проигрывателями компакт-дисков имеются различия в обработке
цифровой информации на последних этапах. Например, существует возможность
цифровую информацию для левого и пра вого каналов обрабатывать одним ЦАП
последовательно, друг за другом, а затем сигналы подавать на канальные фильтры
по отдель ности. Такой вариант имеет, однако, тот недостаток, что приводит к
запаздыванию сигнала в одном из каналов примерно на 4 мкс. Другой вариант
дает возможность исключить такое запаздывание на 4 мкс и заключается в том,
чтобы использовать и для левого, и для правого каналов собственный ЦАП.
Последовательные данные содержат попеременно информацию правого и
левого каналов. Демультиплексирование аудиоинформации происходит по
заднему фронту 24-го импульса тактового сигнала (BCLK) и по переднему фронту
25-го импульса BCLK. Сигнал тактирования слов данных (WCLK), выполняющий
функцию передачи данных внутреннего счетчика, попеременно подключает
последовательные данные к соответствующему ЦАП. В функциональном
отношении этот процесс аналогичен процессу переключения видеоголовок в
видеомагнитофоне.
Цифроаналоговое преобразование
последний шаг в последовательности
обработок до усиления звукового стереосигнала.
Если осуществлять преобразование квантованных выборок в аналоговую
величину, то возникают выбросы. Хотя иерархическая структура (контур)
выбросов соответствует форме звукового сигнала, постоянная двухпозиционная
коммутация производит бесконечный ряд частот-гармоник. Чтобы избежать этого
23
эффекта на качество воспроизведения, каждая выборка сохраняется, пока не
начнет осуществляться последующая. Образуется ступенчатая форма сигнала.
Такое представление более соответствует первоначальной форме аналогового
сигнала, чем ряд выбросов. Эта функция УВХ выполняется в цифроаналоговых
преобразователях.
Слово данных, занесенное в 16-разрядный приемный регистр, преобразуется в
одно из 216 = 65536 аналоговых значений.
В настоящее время в некоторых проигрывателях КД используется 18разрядный цифровой фильтр для обеспечения 8-кратной скорости выборки. В
связи с этим применяется также и 8-разрядный ЦАП. Применение такой системы
обеспечивает максимальное приближение (точность преобразования) выходного
сигнала, которое оказывается в 4 раза выше (218=262144), чем при использовании
обычных 16-разрядных ЦАП. 18-разрядный цифровой фильтр в схеме может
предшествовать 16-разрядному ЦАП. В этом случае последние (17-й и 18-й) биты
просто отбрасываются как ненужные и не обрабатываются.
Для того, чтобы при подключении других цифровых устройств не надо было
бы заново осуществлять цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразования,
цифровая шина стандартизируется. Эту функцию выполняет последовательное
устройство сопряжения с высокой скоростью передачи данных. У сигнала на
контакте гнезда цифрового выхода проигрывателя КД отсутствует постоянная
составляющая,
так
как
переменный
сигнал
(цифровой)
развязан
через
соответствующий транслятор.
Для подавления шумов квантования, которые тем сильнее, чем выше частота
исходного аудиосигнала, в канал обработки налогового звукового сигнала,
восстановленного в ЦАП, вводятся схемы коррекции внесенных при записи
предыскажений и ФНЧ. Дополнительный ФНЧ отфильтровывает имеющиеся
остатки несу щей частоты (44,1 кГц). Управление включением схемой
предыскажений происходит по информации в Q-канале субкода.
24
2.5. Обработка данных субкода
В процессе обработки данных субкода необходимо:
- сгенерировать последовательный поток битов из данных субкода;
- выработать бит паузы для возможности отыскания после дующих
фрагментов музыкальной программы;
- обработать данные субкода Q-канала;
- выделить информацию для обработки внесенных предискажений.
Как отмечалось, субкод оформлен в блоки по 98 символов. Для обозначения
их границ используются также синхронизирующие образы определенной
конфигурации, формируемые модулятором канала и стоящие на месте первых
двух символов субкода.
На выводной дорожке записывается обычно информация о самом диске:
количество музыкальных фрагментов, время начала и конца фрагмента,
информация о наличии предыскажений, название и автор фрагмента и т.д. При
включении проигрывателя сразу же считывается оглавление на вводной дорожке
и вся информация, запи санная в оглавлении, заносится в память управляющего
микроком пьютера проигрывателя, и используется в процессе работы, например,
при поиске нужного фрагмента или включении схем коррекции предыскажений.
Совместно с тактовой вспышкой выдается бит паузы (Р-бит), который
считывается по переднему фронту сигнала SWAB (слово-команда субкода для
запуска или остановки двигателя). Сигнал па узы вырабатывается между
фрагментами программы и в режиме по иска не определяется.
В настоящее время только Q-канал субкода содержит информацию (номер
дорожки,
номер
индекса,
сигнал
предыскажений,
абсо
лютное
время,
относительное время). В процессоре Q-канала на капливаются Q-биты из 96
следующих друг за другом блоков данных. 16 бит используются для проверки
ошибок трансляции (CRC), ос тальные 80 бит подаются на сервопроцессор. Обмен
информацией между процессором и декодером протекает согласно протоколу «ру
25
копожатия» для того, чтобы минимизировать период вычислений. Если процессор
«желает» получить данные, то он по шине QRA посылает сигнал запроса на
декодер. Декодер подтверждает прием за проса с процессора, если в наличии
имеется весь кадр данных (80 бит) и активирует последовательную выходную
шину данных (QDATA). Данные выдаются в последовательном виде по тактовому
сигналу QCL. Процессор прекращает запрос. Шина данных переходит в состояние
логического 0 и выход QDATA отключается. В декодере опять начинается сбор
новых данных субкода. Сигнал для коррекции предыскажений вырабатывается из
четвертого бита Q-канала и выдается в систему для того, чтобы модифицировать
характеристику пропускания расположенного после ЦАП аналогового ФНЧ.
Глава 6. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПРОИГРЫВАТЕЛЕЙ И
КОМПАКТ-ДИСКОВ
Точкой отсчета можно считать 1983 год, когда фирмы Sony и Philips
завершили работу над форматом Audio CD, открыв эру цифровых носителей.
Значительные преимущества цифрового формата перед традиционными по
достоинству оценили как компании, занятые в музыкальной индустрии, так и
производители программных продуктов. На базе нового стандарта сразу же
возникли подстандарты для различных областей применения – CD-ROM (для
использования в персональных компьютерах), Photo CD (для цифровой
фотографии) и т.д.
С течением времени развивались технологии производства источников
лазерного излучения, отражающих пленок и оптических элементов. Алгоритмы
цифрового кодирования и сжатия данных становились все более совершенными.
Многократно модифицировались механические компоненты и электрические
26
цепи самого устройства. Учитывая накопленный опыт и используя все
достижения в этой области, ряд фирм приступил к разработке нового стандарта.
К середине 1994 года в печати стали появляться первые заметки о
практических результатах исследований. Ни для кого не было секретом, что
компании Sony и Pioneer ведут совместные с Matsushita работы по созданию
компакт-диска второго поколения (Video CD), который в силу большей емкости
станет пригоден к использованию в качестве носителя видеоинформации.
Первый реальный результат был достигнут компаниями Sony и Philips.
Первоначально их проект получил название HD CD (High Density CD), но из-за
созвучности сокращения с названием разработки компании Pacific Microsonics,
которая к тому времени уже приступила к выпуску высококачественных
аудиодисков (High Definition CD), был переименован в Multimedia CD-ROM
(MMCD). Как видно из названия, новый носитель полностью базируется на
принципах, используемых в КД, и обладает обратной совместимостью с этими
дисками. Sony и Philips являются владельцами лицензий на Audio CD, которые
автоматически будут продлены, если новинка унаследует свойства КД.
Дальнейшим шагом в развитии стало создание DVD.
6.1 Технология DVD
6.1.1. Технические характеристики.
Самая простая модификация DVD отличается от обычного диска только тем,
что отражающий слой расположен не на составляющем почти полную толщину
(1,2мм) слое поликарбоната, а на слое половинной толщины (0,6мм). Вторая
половина — это плоский верхний слой. Емкость такого диска достигает 4,7 GB и
обеспечивает более двух часов видео телевизионного качества (компрессия
MPEG-2). Кроме того, без особого труда на диске могут дополнительно
сохраняться высококачественный стереозвук (на нескольких языках!) и титры
27
(также многоязычные). Если оба слоя несут информацию (в этом случае
отражающее покрытие полупрозрачное), то суммарная емкость составляет 8,5 GB
(некоторое уменьшение емкости каждого слоя вызывается необходимостью
сократить взаимные помехи при считывании дальнего слоя). Toshiba и Time
Warner предлагают использовать также двухсторонний двухслойный диск. В этом
случае его емкость составит 17 GB!
Как же достигается столь значительное увеличение объема информации на
DVD диске? Для ответа на этот вопрос сравним его со знакомым нам CD-ROM.
Главное отличие, конечно, в повышенной плотности записи информации. За счет
перевода считывающего лазера из инфракрасного диапазона (длина волны 780
нм) в красный (с длиной волны 650 нм или 635 нм) и увеличения числовой
аппаратуры объектива до 0,6 (против 0,45 в CD) достигается более чем
двукратное уплотнение дорожек и укорочение длины отражающих питов
(выступов/впадин).
Изменилась не только физическая плотность размещения информации на
диске, но и способы ее представления. Так, на смену способу модуляции 8/14
(EFM - eight to fourteen modulation) пришел способ, называемый EFM+. Он
отличается несколько иным алгоритмом преобразования и, главное, требует ввода
на границе следующих друг за другом 14-разрядных кодов не трех, а только двух
дополнительных битов, поддерживающих условие ограниченности размеров пита
в диапазоне от 3 до 11 битов (т. е. между двумя последовательными единицами
после кодирования не менее 2 и не более 10 нулей). Таким образом, из каждого
байта получаем не 14+3=17, а 14+2=16 кодовых битов. Изменение метода
модуляции - только одно из множества форматных изменений, позволяющих в
целом увеличить объем сохраняемых данных. Собственно переход к EFM+
добавляет еще почти 6% к объему диска. Более мощный механизм коррекции
ошибок RS-PC (Red Solomon Product Code) обещает быть на порядок более
устойчивым к возможным ошибкам воспроизведения.
28
Из неназванных еще характеристик отметим номинальную скорость передачи
данных - 1108 Кб/с, поддерживаемую при постоянной линейной скорости (CLV
— constant lineal velocity) 4 м/с.
Не следует особо обольщаться - увеличивается на порядок также и объем
данных, которые нам хотелось бы прочитать без ошибок. Кроме того, резкое
уменьшение отдельных элементов на отражающей поверхности неизбежно
приведет к увеличению количества случайных сбоев при чтении.
Однако технология DVD имеет уязвимые места. Например, уже упомянутая
проблема, связанная со стандартами и средствами защиты от копирования.
Тем не менее, потребность пользователей в устройствах хранения информации
емкостью в несколько гигабайт, скорее всего, перевесит, поэтому с большой
вероятностью можно утверждать, что успех технологиям DVD-ROM, DVDRecordable (DVD-R) и DVD-RAM гарантирован.
"...никогда не бывает много" Дополнительная память никогда не помешает.
Несколько мегабайт памяти для мультимедиа-приложений - всего лишь
"разминка", к тому же все больше компаний поставляют документы, базы данных
и различное ПО на дисках CD-ROM. Обеспечиваемая технологией DVD-ROM
высокая плотность записи позволяет уместить на одном цифровом видеодиске
данные, занимающие несколько дисков CD-ROM. Кроме того, она обеспечивает
высокую производительность.
6.2. Стандарты и спецификации. Области применения DVD
8 декабря 1995 года десять гигантских компаний-разработчиков (Hitachi Ltd.,
Matsushita Electric Industrial Co. Ltd., Mitsubishi Electric Corporation, Philips
Electronics N.V., Pioneer Electronic Corporation, Sony Corporation, Thomson
Multimedia, Time Warner Inc., Toshiba Corporation, Victor Company of Japan Ltd.),
которые уже успели к тому времени сформировать союз (DVD Consortium),
приходят к взаимному соглашению и официально объявляют миру о создании
единого стандарта. Собственно, в этот момент он и обрел свое имя – DVD.
29
Настоящая аббревиатура расшифровывается как Digital Versatile Disk (цифровой
многофункциональный диск), однако, учитывая особую ориентацию DVD на
индустрию видеопродукции, сокращение чаще расшифровывают как Digital Video
Disk (цифровой видеодиск).
Новый стандарт был реализован на базе накопленного опыта производства и
распространения КД, учитывал все рекомендации и сочетал в себе достижения
предварительных разработок различных фирм.
Принципы нового формата:
- единый интерактивный стандарт для компьютера и телевидения;
- совместимость с существующими КД;
- совместимость с будущими записываемыми DVD-дисками;
- единая файловая система для всех приложений;
- низкая цена;
- отсутствие необходимости в жестком корпусе или футляре;
- надежность хранения данных и их последующего считывания;
- большая емкость;
- высокая скорость записи и считывания информации.
Проект
единого
носителя
получил
поддержку
всех
крупных
фирм
электронной промышленности. В качестве носителя для видеофильмов он
полностью отвечает требованиям Союза кинопромышленников (SAC
Advisory Committee). Новый стандарт
Studio
носитель данных для компьютера
соответствует рекомендациям Технической рабочей группы (TWG
Technical
Working Group).
Еще ни один стандарт не получал столь сильной поддержки и одобрения со
стороны многих отраслей промышленности. Таким образом, на этот раз
потребителю, по-видимому, удалось счастливо избежать участи оказаться
жертвой очередного передела рынка.
30
Рис. 6.1. Стандарты DVD
На сегодняшний день существует в общей сложности девять стандартов для
записи DVD. Многие стандарты не совместимы (или не полностью совместимы)
между собой, да и с бытовыми DVD.
И даже если сразу отбросить DVD-RAM (весьма специфический и интересный
только очень узкому кругу пользователей формат, к тому же не совместимый ни с
бытовыми, ни с компьютерными DVD-проигрывателями), то список остается
весьма и весьма обширным. Ниже мы попытаемся кратко обрисовать
существующие форматы и отметить их преимущества и недостатки.
6.3. Физические параметры DVD
Исторически первым диском после CD со значительно увеличенной емкостью
(практически в 7 раз) явился DVD (от англ. Digital Versatile Disc). Логотип DVD
представлен на рис. 6.3.1.
Рис. 6.3.1. Логотип DVD-Video
Внешне DVD диск напоминает CD. Действительно, оба являются оптическими
дисками диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Аналогичны они и по принципам
записи и считывания цифровой информации. Оба состоят из прозрачной
полимерной подложки, отражающего слоя и вспомогательного защитного
(несущего) слоя, придающего необходимую жесткость. В отражающем слое тем
или иным образом формируется своеобразная матрица – в виде закрученной в
31
спираль дорожки с "дырками" (питами). Будучи подобны в принципах, диски
существенно отличаются значениями ключевых физических параметров (табл.
6.3.1).
Главное преимущество DVD дисков над CD – существенно более высокая
информационная емкость, обусловленная более высокой поверхностной
плотностью пит. Это стало возможным в силу ряда технологических решений,
среди которых нужно отметить следующие (рис. 6.3.2):
в 2 раза уменьшены геометрические размеры пит;
более чем в 2 раза уменьшен шаг спирали между соседними дорожками пит;
Таблица 6.3.1
Параметры
Диаметр, см
Физическая толщина диска, мм
Число информационных сторон
Толщина стороны
Число слоев на одной стороне
Емкость диска, ГБ
Минимальная длина пита, мкм
Ширина пита, мкм
Шаг спирали (питов), мкм
Длина волны лазера, нм
Числовая апертура лазера
Схема модуляции данных
Схема коррекции ошибок
CD
12
1.2
1
1.2
1
0,68
0.83
0.5
1.6
780
0.45
EFM
CIRC
DVD
12
1.2
1 или 2
0.6
1 или 2
4.7-17
0.4 / 0.44
0.5
0.74
635 / 650
0.6
EFM+
RS-PC
для надежного считывания столь «малых» пит применяются лазерный луч с
меньшей длиной волны и увеличенной до 0.6 апертурой фокусирующей линзы;
используются более эффективные схемы модуляции цифровых данных и
улучшенная схема коррекции ошибок, что позволило на порядок повысить
надежность считывания данных (несмотря на более высокую плотность их
записи).
Рис. 6.3.2. Геометрические характеристики CD (слева) и DVD (справа)
32
Необходимо отметить еще одно важное отличие – DVD диски всегда
двухсторонние.
Две стороны, по 0,6 мм каждая, склеены между собой нерабочими сторонами.
В простейшем случае только одна из сторон содержит (может содержать)
данные, а вторая является пустой (рис. 6.3.3).
Рис. 6.3.3. Структура DVD
Более того, с каждой стороны может быть не один, а два рабочих
информационных слоя.
Если первый из них – «основной» – выполняется по стандартной технологии
создания пит (прессования или выжигания) и напыления отражающего слоя, то
второй – полупрозрачный (коэффициент отражения 40%) – наносится поверх
первого (рис. 6.3.4).
Для считывания двухслойных дисков применяются сложные оптические
головки с переменным фокусным расстоянием. Луч лазера, проходя через
полупрозрачный слой, сначала фокусируется на внутреннем информационном
слое, а по завершении его чтения перефокусируется на внешний (рис. 6.3.5).
В результате может быть 4 варианта дисков с емкостью от 4.7 до 17 ГБ (рис.
6.3.6). Их название соответствует округленному значению емкости (табл. 6.3.2).
Рис. 6.3.4. Послойная структура DVD
Рис. 6.3.5. Процесс считывания двухслойного диска
33
6.4. Стандарты DVD дисков
6.4.1. Стандарт DVD-R
Формат однократно записываемых носителей, разработанный фирмой Pioneer
на основе технологии обыкновенных CD-R-дисков. В качестве активного слоя
применяется
органический
полимер.
Стандарт регулируется
книгой
"D"
организации DVD Forum. Записанные в этом формате диски совместимы с
достаточно большим количеством бытовых DVD-плееров.
Подобно CD-R, он является идеальным решением для архивирования данных
и создания дистрибутивов. Односторонний диск DVD-R может хранить до 3,95
Гбайт данных, т. е. почти в 6 раз больше, чем CD-R. Как и в CD-R, органическое
покрытие DVD-R стоит недорого.
Для обеспечения точности позиционирования в DVD-R используется метод
волнообразных желобковых дорожек, в соответствии с которым специальные
желобковые дорожки в заводских условиях гравируются на диске. Данные
записываются только в желобки. Частота отклонений желобков является
синхронизирующей при считывании информации с диска. Желобки расположены
более плотно, чем в DVD-RAM, однако данные записываются только в желобки
площадки не используются (рис. 6.4.1).
Рис. 6.4.1. Дорожки для записи DVD-R
34
Существуют две версии этого формата -- DVD-R Authoring и DVD-R General
(DVD-R(A) и DVD-R(G) соответственно). Первым на рынке появился именно
DVD-R(A). В то время он именовался просто DVD-R и использовался в основном
в профессиональной сфере для изготовления демонстрационных дисков, в
медицине для хранения высококачественных видео- и фотоизображений в
автоматизированных DVD-библиотеках, в банковской сфере и т. д.
Однако вскоре встал вопрос о необходимости использования таких дисков и в
быту. Тогда и произошло разделение стандарта DVD-R на две ветки профессиональную
DVD-R(A)
и
бытовую
DVD-R(G).
Для
обеспечения
сохранности авторских прав и невозможности копирования лицензионных DVDvideo-дисков, защищенных CSS, в формат DVD-R(G) были внесены некоторые
коррективы. Во-первых, Authoring и General не совместимы на физическом
уровне из-за изменения длины волны лазера (635 нм для первого и 650 нм для
второго), а во-вторых, приводы стандарта DVD-R(G) физически не могут
побайтово скопировать диск, защищенный CSS. То есть копируется только
контент, без ключа, а следовательно, дубликат оригинала при воспроизведении не
может быть расшифрован.
В
настоящий
момент
все
пишущие
DVD-приводы,
доступные
на
потребительском рынке, поддерживают только формат DVD-R(G).
6. 4.2. Стандарт DVD-RW
Также разработка компании Pioneer, "выросшая" из стандарта DVD-R. В DVDRW используется аналогичная плотность дорожек и длина питов. Разница между
форматами DVD-R и DVD-RW приблизительно такая же, как между CD-R и CDRW.
В качестве активного слоя применяется материал с изменяемым фазовым
состоянием. Как известно, он имеет меньший коэффициент отражения, чем у
35
дисков DVD-R, что приводит к невозможности воспроизведения DVD-RW в
некоторых моделях бытовых DVD-плееров.
Имеется три версии этого формата. В версии DVD-RW 1.0 зона Lead-In на
носителе физически "пропечатывается" изготовителем. Это делается опять же для
невозможности копирования на такую заготовку дисков, защищенных CSS. В то
же время подобный вариант изготовления приводит к проблемам совместимости
этих заготовок с бытовыми плеерами. В версии 1.1 зона Lead-In уже не
"выбивается" на диске в процессе его производства, а записывается (pre-record)
после
изготовления.
Это
также
защищает
лицензионные
продукты
от
копирования, однако существенно повышает совместимость дисков этого
стандарта с бытовой техникой.
Следующая вариация -- стандарт 1.1B. В этой версии каждый диск имеет
уникальный ID-код, записанный в BCA (Burst Cutting Area, служебная область
заготовки, в которую при изготовлении заносится уникальный для каждого диска
штрих-код). Делается это опять же для защиты лицензионного контента от
копирования. Механизм CPRM (Content Protection for Recordable Media),
собственно и реализующий алгоритм защиты, предусматривает наличие на
каждой записываемой заготовке уникального 64-битового ID-кода в BCAобласти, позволяющего однозначно идентифицировать носитель. Когда на диск
записываются данные, подлежащие защите, они могут быть зашифрованы с
помощью 52-битового ключа, зависящего от ID носителя, на который
производится запись. Если этот диск будет скопирован, ID носителя в BCA
соответственно изменится, что сделает невозможной генерацию ключа для
расшифровки и приведет к неработоспособности копии.
6. 4.3. Стандарт DVD+RW
В отличие от двух выше приведенных форматов, этот стандарт официально не
поддерживается организацией DVD Forum. Его продвигает DVD+RW Alliance, в
36
который входят компании Philips, Sony, Hewlett-Packard, Dell, Ricoh, Yamaha и т.
д.
Носители DVD+RW, называемые также DVD Phase Change Rewritable
(перезаписываемые DVD с изменяющейся фазой), наименее дорогие, самые
простые в использовании и наиболее совместимые с существующими форматами,
по всей вероятности, могут стать первым универсальным стандартом DVDдисков.
Потребительские и компьютерные приложения для цифровых универсальных
дисков постоянно разрабатываются и совершенствуются, поэтому сегодня
DVD+RW является единственным форматом перезаписываемых DVD, который
полностью удовлетворяет требованиям потребительского рынка DVD-Video и
компьютерного рынка DVD-ROM. Технология DVD+RW очень похожа на CDRW, и накопители DVD+RW могут читать как диски DVD-ROM, так и все
форматы компакт-дисков, включая CD-R и CD-RW.
При использовании DVD+RW процесс записи может быть приостановлен и
возобновлен без потери областей, связывающих сеансы записи. Это дает
возможность повысить эффективность произвольной записи и видеоприложений.
Технология «связывания без потерь» позволяет выполнить выборочную замену
любого отдельного блока данных объемом 32 Кбайт новым блоком с точностью
позиционирования 1 микрон. Для достижения высокой точности размещения
данных на дорожке в DVD+RW используются высокочастотные колебания
предварительной канавки диска. Благодаря этому достигается очень высокая
точность синхронизации и адресации данных, считываемых с этой канавки.
Функция быстрого форматирования означает, что можно вставить чистый
диск DVD+RW в накопитель и сразу же начать запись. Форматирование диска
происходит в фоновом режиме, непосредственно перед записью данных.
Из трех форматов перезаписываемых дисков DVD, существующих в
настоящее время, именно DVD+RW, скорее всего, станет тем форматом, который
будет
массово
использоваться
для
оперативной
лапароскопических операциях.
37
записи
информации
о
На самом деле этот стандарт ориентирован на максимальную совместимость с
бытовыми DVD-плеерами. Для этого используются тип модуляции, плотность
дорожек, минимальная длина пита и длина волны лазера, полностью аналогичные
таковым у приводов DVD-ROM. Однако справедливости ради стоит отметить, что
первая
версия
этого
стандарта,
предусматривающая
использование
двухсторонних носителей с плотностью записи 2,8 GB на сторону, действительно
была не совместима с существующими плеерами.
За основу формата взята технология приводов CD-RW. В качестве активного
слоя также используется материал с изменяемой фазой. Но в отличие от DVD-RW
этот стандарт имеет ряд существенных преимуществ:
1. Lossless linking -- механизм точного связывания различных участков записи
на диске. Это позволяет обеспечить как повышенную совместимость с бытовой
техникой, так и посекторное редактирование записанного диска - произвольные
участки на носителе могут быть изменены без перезаписи всей заготовки.
2. Поддержка формата DVD+VR. В отличие от формата VR, реализованного в
приводах стандарта DVD-RW, эта технология позволяет создавать видеодиски,
полностью совместимые с существующими плеерами, и при этом не накладывает
никаких ограничений на процесс редактирования данных. То есть возможно, к
примеру, изменение оформления дискового меню, его фона или замена любой
части записанного видеоряда без необходимости перезаписи всего диска, как в
стандарте DVD-RW.
3. Механизм обработки ошибок. Формат DVD-RW не предусматривает
подобного механизма, что негативно сказывается на совместимости записанных
заготовок.
4. Технология адресации секторов во время записи. В процессе создания диска
DVD+RW-привод может определить адрес сектора, записываемого в данный
момент. Это позволяет в случае возникновения сбоя продолжить запись с
прерванного участка. Стандарт DVD-RW такой возможности не обеспечивает, так
как приводы этого формата в процессе записи не могут получить информацию об
адресах записываемых секторов.
38
5. Поддержка технологии фонового форматирования чистой заготовки и
поддержка формата Mount Rainier. Процесс записи носителя можно начинать
сразу же, как только в фоновом режиме запустилось форматирование новой
заготовки. А поддержка Mt. Rainier существенно облегчает создание собственных
дисков для неподготовленного пользователя -- так называемая технология Easy
Write. По сути работа с приводом, поддерживающим этот стандарт, для
пользователя аналогична по сложности работе с дисководом, но очень большого
объема.
6. Обеспечение записи дисков в двух режимах -- CLV (с постоянной линейной
скоростью) и CAV (с постоянной угловой скоростью). Первый больше подходит
для создания аудио- и видеодисков, тогда как второй -- для записи данных и
обеспечения наименьшего времени поиска на диске.
7. И наконец, минимальная скорость записи для дисков DVD+RW составляет
2,4Х. То есть любой носитель этого стандарта поддерживает работу на такой
скорости.
Как видим, этот формат существенно гибче и функциональней аналога DVD+RW -- и представляет собой некий гибрид между оптимальной
совместимостью,
свойственной
для
бытовых
устройств,
и
многофункциональностью, пришедшей из мира персональных компьютеров.
6.4.4. Стандарт DVD+R
Подмножество вышеописанного формата для носителей с однократной
записью. Как и в обычных CD-R, активный слой изготовлен из органического
полимера.
Чтобы подытожить описание форматов +R/+RW, отметим еще один момент и первый, и второй стандарты существуют в одном варианте, без всяких
дроблений на версии, подмножества и ветки, что существенно облегчит
39
покупателю как выбор соответствующего привода, так и совместимых с ним
носителей.
Итак DVD - оптических диски, подобны CD. Под таким девизом уже начат
выпуск новых устройств, знаменующих переход к 17-гигабайтным носителям
данных и цифровому видео. После нескольких лет обсуждения (и довольно
жесткой конкуренции) различных вариантов улучшенных оптических дисков, 15
сентября 1995 года между различными группами разработчиков было наконец
достигнуто принципиальное согласие о технических основах создания нового
диска. 8 декабря 1995г. крупнейшие производители приводов CD-ROM и
связанных с ними устройств (Toshiba, Matsushita, Sony, Philips, Time Warner,
Pioneer,
JVC,
Hitachi
and
Mitsubishi
Electric)
подписали
окончательное
соглашение, утвердив не только "тонкости" формата, но и название новинки DVD
(Digital Video Disk), HDCD (High Dencity CD — диск высокой плотности записи),
MMCD (MultiMedia CD). SD (Super Density — сверхвысокой плотности).
6.4.5. Технология двухслойного DVD+R
Практически с момента появления технологии DVD-R индустрия исподволь
внушала потребителю, что болванки для записи скорее всего останутся
однослойными, так как реализовать технологию двухслойной записи в бытовых
условиях
чрезвычайно
сложно
(двухслойные
диски
DVD-ROM,
делать
несравнимо проще, поскольку они штампуются на фабриках как сэндвичи из уже
готовых форм). Но затем разгорелась война конкурирующих форматов DVD-R и
DVD+R, начались лихорадочные поиски дополнительных преимуществ, и — как
благотворный результат конкуренции — родилась новая технология.
Онако в октябре 2003 голландская компания Philips объявила, что в
сотрудничестве с японским партнером Mitsubishi Kagaku Media (MKM/Verbatim)
ею разработана новая двухслойная технология DVD+R, повышающая емкость
40
дисков с 4,7 до 8,5 Гбайт. При этом полностью сохраняется совместимость новых
дисков с существующими DVD-видеоплейерами и приводами DVD-ROM. Теперь,
как объявлено разработчиками, «пользователи смогут записывать до четырех
часов видео с качеством DVD или до шестнадцати часов с качеством VHS, не
меняя диск в лотке».
В двухслойной системе DVD+R используются две тонкие пленки активного
вещества (dye), между которыми находится прозрачный разделительный слой.
Как и в однослойной технологии, разогрев сфокусированным лазерным лучом
необратимо меняет оптические свойства активного вещества в точках «прожига».
В Philips отмечают, что главной трудностью было достижение совместимости с
существующим парком DVD-устройств. Для этого под первым dye-слоем
пришлось поместить полупрозрачную пленку на основе серебряного сплава,
которая, с одной стороны, хорошо отражает лазерный луч, чтобы можно было
считать данные с первого слоя, а с другой — пропускает достаточно света, чтобы
мог работать и второй слой (отражательная способность каждого слоя составляет
около 18% от значений, предусмотренных стандартом двухслойного DVD-ROM).
6.4.6. Стандарт DVD-RAM.
Накопители DVD-RAM используют технологию изменения фазы, схожую с
технологией CD-RW. Первые носители DVD-RAM, представленные весной 1998
41
года, имели емкость 2,6 Гбайт (односторонний) или 5,2 Гбайт (двухсторонний). В
конце 1999 года появились диски DVD-RAM версии 2, емкостью 4,7 Гбайт, а в
2000 году были представлены двухсторонние диски емкостью 9,4 Гбайт.
Технология DVD-RAM использует так называемую методику записи на
волнообразные выступы и желобки. В соответствии с этой методикой сигнал
записывается и на выступ (площадь между желобками), и в сами желобки,
которые формируются при создании диска. Частота колебания дорожек служит
информацией для синхронизации. Кроме того, диск содержит специальные
заголовки секторов, которые наносятся на него при создании. На рис. 6.4.1.
показаны волнообразные дорожки (выступы и желобки) с записанными на них
данными.
Для записи на диск применяется метод изменения фазы, в соответствии с
которым данные записываются на участок, выборочно нагретый с помощью
лазера высокой мощности. Записывающий лазер накопителя DVD-RAM
переводит участок поверхности диска из кристаллического в аморфное состояние
за счет нагревания поверхности. Кристаллическая и аморфная поверхности имеют
разные коэффициенты отражения. Сигнал считывается благодаря разнице в
отражении лазерного луча от кристаллической и аморфной поверхностей.
Модуляция и коды коррекции ошибок такие же, как и для DVD-Video и DVDROM, что обеспечивает совместимость с остальными форматами DVD. Во время
перезаписи лазер с более низкой энергией нагревает поверхность, в результате
чего она вновь кристаллизируется.
Рис. 6.4.1. Волнообразные выступы и желобки для записи в DVD-RAM
Как односторонние, так и двухсторонние диски должны упаковываться в
картриджи. Двухсторонние диски должны все время оставаться внутри
картриджа, а односторонние при необходимости можно вынимать из него.
42
6.5. Форматы, файлы и конструктивные особенности DVD-дисков
6.5.1. Форматы и файлы DVD-дисков
DVD-диски имеют множество приложений, это:
носители видеоизображений (DVD-Video),
носители аудиозаписи (DVD-Audio),
хранения данных (DVD-ROM),
для записи информации (DVD-R) и т.д.
Стандарты DVD-диска (физические особенности, файловая система, области
использования) изложены в "книгах". Но, в отличие от СД, эти "упорядочены по
алфавиту". В настоящий момент обсуждаются пять книг - от "А" до "Е". Книга
может содержать до трех частей. При этом, в первой части описываются
физические спецификации, во второй - файловая система, а в третей приложения. Деление осуществляется на следующие группы:
Book A Read only – стандарт диска, предназначенного только для
считывания;
Book B Video – стандарт диска для видеоинформации;
Book C Audio – стандарт диска для аудиоинформации;
Book D Write-once – стандарт диска для однократной записи;
Book E Rewritable – стандарт многократно перезаписываемого диска.
Первые три книги определяют, соответственно, ROM, Video и Audio DVD,
используя одинаковый физический формат носителя, который изготавливается
"штамповкой", и файловую систему. Файловая система этих стандартов
переходная (UDF-Bridge). Она обеспечивает комбинацию возможностей CD-ROM
файловой системы ISO-9660 и новой системы Universal Disk Format - UDF,
разработанной Optical Storage Technology Association (OSTA) и реализующей
рекомендации ISO/IEC 13346. Два других стандарта D и Е распространяются на
записываемые (DVD-R (recordable) или иначе DVD-WO (write once)) и
перезаписываемые (DVD-RAM, DVD-W (rewritable) или иначе DVD-E (erasable))
43
диски. В отличие от CD, диски DVD рождаются сразу с возможностью записи, и
даже перезаписи информации. Однако эти стандарты наименее устоявшиеся.
Особо следует сказать о совместимости уже существующими дисками. Такая
совместимость
стандартами
явно
не
требуется.
Однако
подавляющее
большинство производителей готовит устройства способные считывать CD-ROM
за счет использования специально сконструированной оптической головки,
обладающей возможностью перенастройки, или даже за счет установки
дополнительного объектива.
Еще
одним
полупрозрачный
форматом
слой
DVD
является
может
гибрид
быть
СD/DVD.
размещен
В
этом
поверх
диске
полностью
отражающего слоя CD. Более тонкий слой DVD (толщиной 0,6мм) будет
практически прозрачным для существующих дисководов CD-ROM и CD-плееров,
инфракрасные лазеры которых обеспечат считывание информации с внутреннего
слоя CD толщиной 1,2мм. Такой гибридный диск может использоваться в
дисководах обоих типов.
Сравнение DVD и CD: углубления меньше, а дорожки плотнее
Возможно даже создание универсальных дисководов CD/DVD, хотя это и не
предусмотрено стандартом DVD. Вместо того. чтобы использовать при этом два
лазера (красный и инфракрасный), компания Mitsubishi предлагает помещать на
пути лазерного луча две различные линзы, изменяющие длину волны излучения
от 635 до 780 нм. Еще одно оригинальное решение предлагает компания
Matsushita. Идея его заключается в том, чтобы пропускать луч лазера через
несферическую линзу из специального стекла (aspheric molded-glass lens), на
поверхность
которой
нанесена
специфическая
голографическая
картина.
Благодаря явлению дифракции длина волны излучения изменяется в зависимости
от того, с какого диска - CD или DVD - считывается информация (по-видимому, в
обоих случаях используются явления нелинейной оптики, по сколько только они
позволяют изменять длину волны излучения).
Так, если вы внимательно изучите строение одностороннего DVD, то
наверняка обратите внимание, что он, как и двухсторонний диск, содержит две
44
углеродные пленки, разделенные слоем отражающего материала, при этом одна
из них совершенно не используется. Это является результатом того, что альянс
Toshiba-Time Wamer отстаивал двухсторонние диски, требующие подобного
скрепления пленок. Толщина одной пленки равна 0,6мм, а толщина двух
скрепленных пленок — соответственно 1,2мм. Использовать же единую пленку
толщиной 1,2мм невозможно из-за того. что лазер рассчитан на чтение данных
"на глубине" именно 0,6мм. Таким образом, односторонний диск должен иметь
две пленки толщиной 0,6мм каждая, хотя только одна из них является полезной.
Что же касается Sony и Philips, то свою позицию они подкрепляли
следующими аргументами: во-первых, производство дисков со скрепленными
пленками обходится дороже, во-вторых, при использовании двухсторонних
дисков их приходится переворачивать вручную. Конечно, можно для каждой
стороны приспособить отдельный лазер, но это почти в два раза увеличило бы
стоимость и сложность дисковода DVD. Более того, в этом случае размеры его
будут настолько велики, что он вряд ли поместится в стандартном гнезде
дисковода. В то же время представители Toshiba и Time Warner утверждают, что
технология скрепления пленок вполне законченная (она уже применяется
несколько лет при производстве 12-дюймовых лазерных видеодисков) и что
двухсторонние диски DVD имеют большую емкость. В конечном счете,
последний аргумент является решающим.
К счастью, обе стороны выработали согласие по поводу логического формата.
До настоящего момента речь шла о физических форматах, т. е. о физических
методах хранения данных на диске. В то же время логический формат определяет
структуру файлов на диске. Все диски DVD будут соответствовать стандарту
Universal Disk Format (UDF), являющемуся частью oпpеделяющего метода обмена
данными стандарта ISO-13346.
Стандарт UDF облегчает создание дпсков, которые могут использо-ваться при
работе с нсколькими операцинными системами) включая DOS, Windows, OS/2,
MacOS и UNIX. Когда в этих ОС будет поддержка UDF (с помощью новых
драйверов или расширений), они смогут распознавать любой диск DVD.
45
Фактически
UDF
"абстрагирует"
такие
специфические
особенности
операционных систем, как соглашения об именах файлов, побайтовой структуре
(byte ordering). Конечно, исполняемые программы будут работать только под
управлением какой-то одной ОС однако данные можно переносить с одной
платформы на другую.
Следует отметить, что даже если поначалу поддержка стандарта UDF будет
обеспечена не во всех операционных системах, первые диски DVD-ROM могли
бы стать своеобразным переходным звеном, так как на них можно размешать
относящиеся к одним и тем же данным файловые структуры UDF и ISO-9660
(стандарт для дисков CD-ROM). В то же время видеоплееры DVD смогут
распознавать только диски, соответствующие специальному "подстандарту" UDF,
а именно Micro UDF. По сути, это тот же UDF, но им предусмотрено, что
видеоплееры ищут нужные файлы в сигнальном каталоге. Это позволяет
разработчикам размещать на одном диске как видео, для просмотра которого
необходима обыкновенная 6ытовая видеодека, так и данные для компьютеров.
для чтения которых требуется дисковод DVD-ROM. Например, компания Walt
Disney могла бы поставлять мультфильм "The Hunchback or Noire Dame" и
компьютерную игру на его основе на одном диске.
6.5.2. Файловая система DVD-Video
Пропорционально емкости возрастает допустимая длительность видеофильма,
который может быть размещен на диске. Это 133 минуты для DVD-5 и каждой
стороны DVD-10, но уже 240 минут для DVD-9 и каждой стороны DVD-18.
Отметим, что в настоящее время в основном представлены DVD-5 и DVD-10.
Для всех типов дисков используется общая файловая система, названная UDF
Bridge Format. UDF (от англ. Universal Disk Format) – это файловая система,
разработанная ассоциацией OSTA (от англ. Optical Storage Technology Association)
на базе стандарта ISO 13346. Она является очень гибким, многоплатформенным
стандартом, используемым, в частности, в магнитооптических накопителях и
DVD. ISO 9660 – стандарт файловой системы для CD-ROM в РС приложениях. Он
46
включен в UDF Bridge для обеспечения совместимости с существующим
программным обеспечением.
Принципиальная файловая структура диска является следующей (рис. 6.5.1).
На самом верхнем уровне DVD диск – это том (Volume), содержащий файлы
данных различного типа (в рамках UDF Bridge Format системы). Том делится на
зоны видео (директория Video_TS), аудио (директория Audio_TS) и зону данных
остальных типов (например, компьютерных данных общего назначения, обычно
составляющих основное содержимое DVD-ROM). Видеозона содержит все
цифровые данные, необходимые и достаточные для воспроизведения записанного
DVD-Video. Все файлы DVD-Video диска находятся в VIDEO_TS директории.
Согласно ограничениям Micro-UDF формата, они не могут быть размером более 1
ГБ и должны быть записаны в виде непрерывной последовательности. Имена
файлов удовлетворяют правилу 8.3 (8 символов - название файла, 3 - его
расширение). Все другие файлы, не соответствующие данным правилам, DVDплеером просто игнорируются.
Рис. 6.5.1. Файловая структура DVD-Video
Видеозона состоит из видеоменеджера VMG (Video Manager) и набора глав
VTS (Video Title Set): VTS_01, VTS_02, ..... VTS_N, где N=99. Видеоменеджер
является
мастер-директорией
последующего
содержимого
DVD-Video
и
фактически представляет собой базовое оглавление диска. Для зрителя он
обеспечивает
воспроизведение
вводного
клипа
(короткая
аудио-видео
последовательность, например, логотип компании производителя) и меню для
выбора одной из последующих глав. На языке файлов VMG состоит из
управляющих
данных
(файлы
Video_TS.IFO
47
и
Video_TS.BUP)
и
меню
(Video_TS.VOB). Отметим, что на пульте управления DVD-плеером есть особая
кнопка Title, нажатие которой всегда возвращает зрителя именно к этому
исходному меню.
Каждая глава в свою очередь состоит из меню-оглавления по разделам
(навигационные
файлы
VTS_01_0.IFO
&
VTS_01_0.BUP
и
файл
меню
VTS_01_0.VOB) и набора VOB файлов собственно с содержимым главы
(VTS_01_1.VOB, VTS_01_2.VOB ..... VTS_01_n.VOB, где n=9). Всего в главе
может быть до 10 VOB файлов, максимальный размер которых ограничен 1 ГБ.
Базовой единицей файловой системы диска являются VOB (Video Object)
файлы. Они включают в себя не только собственно видео и аудио, но
вспомогательные субизображения и данные по навигации. В первую очередь
VOB-файлы используются для записи основного содержания соответствующей
главы. Кроме того, VOB файлы могут входить в состав меню главы, если оно
кроме статичных картинок включает вводные видеоклипы по последующим
разделам. При проигрывании VOB файла плеер не только воспроизводит аудиовидео содержание, но и подчиняется заложенным в нем инструкциям по
отображению меню, по переходам на соответствующие пункты программы
согласно выбору зрителя (по командам с пульта управления).
Каждый VOB состоит из ячеек (Cells). Ячейка является самой мелкой
единицей DVD, к которой можно адресоваться при интерактивном просмотре.
Они состоят из целого числа групп изображений (MPEG GOP). Минимальная
длина ячейки совпадает с MPEG GOP, но ее можно задать и равной всей главе (в
этом случае разбиение на разделы уже не имеет смысла). Ячейки связаны друг с
другом навигационными цепочками PGC (Program Chains), определяющими
порядок воспроизведения ячеек (переходов между ними) в соответствии с
выбранной программой. Очередность взаимосвязанного показа сцен и задается
соответствующей цепочкой программы PGC. Таким образом, глава может иметь
как одну цепочку (One_Sequental_PGC_Title), так и несколько (Multi_PGC_Title).
Одни ячейки могут быть одновременно задействованы в нескольких цепочках, а
на другие зритель будет попадать только в "особых" случаях.
48
Cложность файловой структуры является обратной стороной многослойной и
мультивариантой логической структуры DVD-Video. Разработка полноценного
проекта, реально задействующего все возможности, действительно является
трудоемкой творческой задачей, требующей тщательной проработки всех
деталей.
6.5.3.
Основные
черты
DVD-диска.
Внешне
DVD-диск
напоминает
обыкновенный КД. DVD-диск имеет одинаковые с ним размеры: диаметр
мм, толщина
120
1,2 мм.
DVD-диск может быть как односторонним, так и двухсторонним. Причем на
каждой стороне DVD-диска может быть один или два рабочих слоя. Таким
образом, различают следующие типы DVD-дисков:
DVD-5 (Single-sided, single-layer disc) – односторонний однослойный диск с
емкостью 4,7 Гбайт;
DVD-9 (Single-sided, double-layer disc) – односторонний двухслойный диск с
емкостью 8,5 Гбайт;
DVD-10 (Double-sided, single-layer disc) – двухсторонний однослойный диск с
емкостью 9,4 Гбайт;
DVD-18 (Double-sided, double-layer disc) – двухсторонний двухслойный диск с
емкостью 17 Гбайт.
Конструктивно двухсторонний DVD-диск выглядит как два склеенных между
собой КД толщиной 0,6 мм. Производство DVD-дисков развернуто на базе
фабрик производителей КД. Как и КД, DVD-диск является стойким и
малочувствительным к пыли, царапинам и прикосновениям пальцев. Емкость
однослойного DVD-диска в семь, а двухслойного в двенадцать раз превышает
емкость стандартного КД (650 Мбайт). DVD-плейеры в обязательном порядке
совместимы с существующими КД.
49
6.5.4. Конструктивные особенности. DVD-диски предназначены только для
считывания записанной на них фабричным способом информации (так
называемые диски DVD-ROM).
С физической точки зрения, конструкция DVD-диска аналогична устройству
традиционого КД. DVD-диск состоит из прозрачной пластиковой подложки и
металлизированного отражающего слоя с питами, с помощью которых цифровая
информация записывается на диск. Предельное количество питов, которое может
быть размещено на поверхности диска, определяет его емкость.
Первым шагом в создании нового стандарта можно считать семикратное
увеличение емкости КД из-за увеличения плотности записи, которое стало
возможным благодаря созданию более совершенных источников лазерного
излучения. Обычные проигрыватели КД (или дисководы CD-ROM) используют
лазер, излучающий инфракрасный свет с длиной волны 780 нанометров. В новых
DVD-плейерах (или дисководах DVD-ROM) применен лазер, который излучает
красный свет с длиной волны 650 (635) нанометров. Такое уменьшение длины
волны позволило считывать более мелкие
питы рабочего слоя диска,
размещенные в расположенных с большей плотностью дорожках записи.
Соответствующее увеличение числовой апертуры линзы с 0,45 до 0,6 позволяет
фокусировать лазерный луч более точно. Только повышение плотности записи
приводит к увеличению емкости диска до уровня 4,7 Гбайт.
Кроме того, были модернизированы схемы цифровой модуляции и коррекции
ошибок. Современная высокоэффективная схема модуляции (EFM Plus) работает
как в 8-, так и в 16-разрядном режиме, что обеспечивает совместимость с
существующими форматами КД и одновременно позволяет добиться более
высокого качества при использовании DVD-носителей. Новая схема коррекции
ошибок RS-PC (Reed Solomon Product Code) примерно в 10 раз эффективнее той,
что используется в существующих системах считывания.
Вторым важным шагом в увеличении емкости стала разработка двухслойного
DVD-диска. У двухслойного диска имеется два рабочих слоя для записи
информации.
Для
реализации
такой
50
модели
был
создан
специальный
полупрозрачный
материал,
из
которого
изготавливается
внешний
информационный слой. При считывании информации с такого диска лазерный
луч
сначала
проходит
сквозь
этот
полупрозрачный
слой,
фокусируясь
исключительно на треках внутреннего слоя. Считав всю информацию с
внутреннего слоя, лазерный луч автоматически корректирует свою фокусировку,
изменяя тем самым «глубину проникновения», и приступает к считыванию
информации с внешнего полупрозрачного слоя. Наличие двух рабочих слоев
приводит к увеличению емкости до 8,5 Гбайт. Поскольку такое переключение
фокусировки происходит почти моментально, а применение электронного буфера
полностью исключает перерывы в исходящем цифровом потоке, двухслойную
модель DVD-диска предполагается использовать в тех приложениях, которые
требуют большой и «непрерывной» емкости.
Внутренний слой двухслойного DVD-диска штампуется из обычных
пластмасс на основе поликарбонатов и несет запись на одной стороне. Затем эта
сторона заливается тонким слоем полупрозрачного материала. Тот, в свою
очередь,
покрывается
пленкой
фотополимерного
материала,
на
которой
формируется наружный рабочий слой. Фотополимерному материалу придается
жесткость при помощи обработки ультрафиолетовыми лучами, и DVD-диск
заливается прозрачным пластиком, образующим защитный слой диска. Основная
трудность состоит в создании полупрозрачного материала, разделяющего слои
записи. Он должен хорошо отражать лазерный луч (требуется коэффициент
отражения, равный примерно 40%) в процессе считывания наружного слоя, но
одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя.
Такой материал был создан компанией 3M по заказу Philips-Sony.
Общая
толщина
всех
слоев
DVD-диска
(как
однослойного,
так
и
двухслойного) составляет всего 0,6 мм, то есть в два раза тоньше КД, что
позволяет производить двухсторонние DVD-диски (эта идея была предложена
компанией Toshiba). Два отдельных односторонних DVD-диска склеивают между
собой тыльными сторонами, в результате чего общая толщина диска становится
равной толщине стандартного КД и составляет 1,2 мм. Полученный диск
51
способен вместить, соответственно, двойной объем информации. Кроме того, при
уменьшении
толщины
защитного
слоя
снижается
вероятность
ошибки
считывания информации, которая обусловлена случайными отклонениями
лазерного луча в прозрачном защитном слое.
Таким образом, спецификации DVD-стандарта предусматривают четыре
конструктивно различных формата DVD, отличающихся емкостью диска.
Однослойный односторонний DVD-диск, вероятно, получит наибольшее
распространение. Он будет использоваться преимущественно для видеофильмов,
поскольку его емкости вполне достаточно для 92% фильмов. Для большинства
компьютерных приложений емкости 4,7 Гбайт тоже оказывается вполне
достаточно. Диск такой конструкции оказывается относительно дешевым
носителем: его себестоимость всего на 14% превышает стоимость изготовления
традиционного КД. Следующим типом DVD-диска является односторонний
двухслойный
диск.
Впоследствии
возможно
создание
двухстороннего
однослойного и двухстороннего двухслойного DVD-дисков. Двухсторонние
диски предполагают переворот диска после проигрывания одной из сторон.
Двухсторонние и двухслойные диски, в принципе, не новинка, но они еще
никогда не применялись в бытовой технике. Если себестоимость одностороннего
DVD-диска не сильно отличается от стоимости изготовления обыкновенного КД,
то производство двухслойных и двухсторонних DVD-дисков окажется дороже, по
меньшей мере, в два раза.
В дальнейшем появятся DVD-диски с возможностью однократной записи. В
настоящее время компания TDK усиленно работает над созданием DVD-диска с
возможностью однократной записи (DVD-R), используя весь свой богатейший
опыт производства CD-R. По существу, конструкция DVD-R аналогична
конструкции CD-R с той лишь разницей, что у DVD-диска значительно выше
плотность записи. Для достижения требуемых результатов компания TDK
усовершенствовала рабочие характеристики металлостабилизированного цианида
органического вещества, которое активно применяется в качестве рабочего слоя
в дисках CD-R.
52
В 1998 году пользователям стали доступны перезаписываемые DVD-диски. 5
января 1995 года компания TDK объявила о создании нового материала для
рабочего слоя многократно записываемых дисков. Новинка получила название
AVIST. Этот материал с практически идеальными характеристиками полностью
удовлетворяет
требованиям
технологии
перезаписываемых
DVD-дисков,
базирующейся на изменении фазы материала. Основные достоинства нового
материала:
- высокая отражающая способность – до 25-35 %, что вполне достаточно для
совместимости DVD-дисков при воспроизведении;
- характеристики материала AVIST легко контролируются как при высоких,
так и при низких скоростях записи, что особенно важно при работе с различными
приложениями. Приложения, работающие с перезаписываемыми компактдисками (например, CD-R), осуществляют запись со скоростью менее 3 м/с.
Работа с данными в формате DVD-RAM требует от рабочего слоя скорости
записи от 3 до 6 м/с. При работе с видеоинформацией, подвергнутой компрессии,
скорость записи должна быть уже выше 6 м/с;
- отличное соотношение сигнал-шум и характеристики изменения фазы
позволили компании TDK добиться сверхмалых размеров маркера (менее 0,66
мм);
- новый материал AVIST выдерживает как минимум 1000 циклов перезаписи
на скоростях менее 3 м/с. При более высоких скоростях записи количество циклов
перезаписи должно возрасти.
6.6. Стандарты записи видео на DVD
Как появление КД привело в свое время к революционному изменению
качества звука, так и создание DVD должно значительно увеличить качество
«домашнего» видео. В отличие от домашнего ВМФ, на DVD-диске видеосигнал
записан
в
компонентном
цифровом
виде.
Качество
изображения
при
воспроизведении с DVD-диска удовлетворяет разделу «D-1» существующего
53
стандарта CCIR-601 для студийного вещания. Таким образом, по цветопередаче,
четкости
и
чистоте
изображения,
разрешающей
способности,
точности
воспроизведения мелких деталей и отсутствию искажений и видеошума стандарт
DVD не только в три раза лучше видеозаписи в формате VHS, но и заметно
превосходит качество существующих сегодня дисков LD (Laserdisc). Фильм,
записанный на лазерном диске, воспроизводится с разрешением 400-425 строк.
Разрешающая способность DVD уже достигает 480-500 строк. Разрешение по
горизонтали составляет 720 пикселей на каждой строке. Кроме того, поскольку
DVD реализуют оптический формат хранения информации, качество фильма
останется неизменным вне зависимости от срока хранения и частоты
воспроизведения. И все это при том, что для хранящейся информации абсолютно
не опасны возможные влияния магнитных полей. Срок гарантированного
хранения записанной на DVD-диске информации не меньше, чем у КД,
«продолжительность
жизни»
которого,
согласно
официальным
оценкам,
составляет сто лет.
К сожалению, стандарт DVD-Video предусматривает только распространение
уже готовых видеоматериалов формата D-1, поэтому дальнейшее редактирование,
например,
при
помощи
персонального
компьютера
окажется
крайне
затруднительным.
6.6.1. Кодирование видеосигнала (стандарт MPEG-2). Выбранный за основу
стандарт
CCIR-601
требует,
чтобы
скорость
цифрового
потока
для
воспроизведения видеосигнала составляла 167 Мбит/с. При этом на стандартном
DVD-диске емкостью 4,7 Гбайт можно будет хранить всего 4 минуты
оцифрованного видео. Таким образом, очевидна необходимость применения
компрессии данных.
При разработке стандартов DVD было решено использовать наиболее
перспективный на сегодняшний день алгоритм компрессии информации – MPEG2. Этот алгоритм основан на эффективном методе динамического сжатия
информации, предложенном группой MPEG (Moving Picture Experts Group), и
базируется на стандарте ISO/IEC 13818-2. В основу метода сжатия положен
54
анализ повторений в видеоизображении, получивших название избыточных.
Примерно 95% данных при оцифровке видеосигнала повторяются и могут быть
исключены без видимого ухудшения качества изображения. Таким образом, при
помощи алгоритма MPEG-2 можно значительно уменьшить величину цифрового
потока при безупречном качестве изображения (60 полей в секунду, разрешение
720х480).
Кодирование видеосигнала в DVD происходит в два этапа. Сначала сигнал
оценивается с точки зрения его сложности. Затем сложные изображения
кодируются большим, а простые
меньшим числом битов при помощи процесса
«адаптивного» изменения величины цифрового потока. DVD использует сжатие
компонентного видеосигнала в формате 4:2:2 (сигнал яркости семплируется с 4кратной частотой по отношению к базовой, а разностные сигналы Y R и Y G с
двойной частотой), что позволяет в результате снизить скорость цифрового
потока до 10 Мбит/с. Хотя средней скоростью цифрового потока принято считать
величину 3,5 Мбит/с, реальная скорость передачи является величиной переменной
и зависит от общей продолжительности фильма, сложности изображения
(соотношения статичного и движущегося изображения) и числа используемых
аудиоканалов.
Благодаря алгоритму сжатия MPEG-2 емкости одностороннего однослойного
DVD-диска хватает для записи видеосигнала со студийным качеством в течение
двух часов тринадцати минут. Кроме того, при номинальной средней скорости
цифрового потока для видеоизображения (3,5 Мбит/с) на диске остается
достаточно места для 5-канального звука на трех языках и дополнительных
субтитров на четырех языках. С учетом звука и субтитров средняя скорость
цифрового потока возрастет до 4,962 Мбит/с. Таким образом, полноценный
двухчасовой видеофильм может быть записан на одной стороне однослойного
DVD-диска. Примерно 92% снятых до настоящего времени фильмов легко
укладываются в указанные временные рамки. Теперь исчезает необходимость
прерывать просмотр фильма, чтобы перевернуть диск на другую сторону. А в
55
случае применения одностороннего двухслойного DVD-диска продолжительность
непрерывного видеопросмотра будет превышать четыре часа.
Для
декодирования
в
реальном
масштабе
времени
цифровой
видеоинформации, записанной на DVD-диск с компрессией по стандарту MPEG2, в полноценное телевизионное изображение была разработана специальная
микросхема, получившая название LCI.
Известно, что традиционные телевизоры имеют соотношение экрана 4:3, а
новые широкоэкранные 16:9. Раньше это создавало некоторые проблемы при
просмотре копии фильма, созданной для одного типа телевизора, на другом
аппарате. Теперь на одном DVD-диске можно записать фильм в трех версиях для
последующего
воспроизведения
широкоэкранном
(черные
на
полоски
любом
сверху
телевизоре.
и
снизу
Например,
изображения)
в
или
полноэкранном (изображение заполняет весь экран) варианте на обычном
телевизоре или в специальном варианте для воспроизведения на широкоэкранном
телевизоре высокой четкости. Можно, к примеру, записать футбольный матч при
помощи нескольких камер, установленных в разных точках поля, и затем
самостоятельно выбирать план при просмотре этого матча.
DVD позволяет родителям легко устанавливать возрастной ценз при
просмотре фильмов. Достаточно с помощью одного нажатия кнопки определить
категорию зрителя (PG, PG-13, R, NC-17), и фильм будет воспроизводиться в
соответствующей редакции, автоматически пропуская нежелательные сцены.
Естественно, фильмы на DVD-диске будут полностью защищены от
копирования,
что
должно
предотвратить
пиратское
распространение
видеопродукции.
6.6.2. Цифровой звук (Digital Surround Sound, Dolby AC-3). Уже объявлено,
что готовящиеся к выпуску в США (и в других странах, где распространен
телевизионный стандарт NTSC) DVD-фильмы будут содержать звуковое
сопровождение, записанное по системе Dolby AC-3. Эта система дает зрителю
возможность воспроизводить звук через два или пять плюс один (обозначается
56
5.1) звуковых каналов. Как и широко распространенная в Европе Dolby Pro Logic,
система Dolby AC-3 является многоканальной системой, обеспечивающей пять
абсолютно независимых (дискретных) каналов – левый, средний, правый, левый
задний, правый задний, и один общий низкочастотный канал (который может
быть задействован для спецэффектов или дополнительной аудиоинформации).
Каждый из пяти каналов обеспечивает 20-битный звук полноценного качества в
диапазоне от 20 Гц до 20 кГц (частота оцифровки 48 Кбит/с).
Система Dolby AC-3, использующая величину цифрового потока 348 Кбит/с,
уже оценена по достоинству счастливыми обладателями домашних видеотеатров.
Как истинно цифровая система, Dolby AC-3 обеспечивает звук высочайшего
качества, большой динамический диапазон, широкую частотную полосу и полное
отсутствие шумов и искажений. Естественность звучания Dolby AC-3 особенно
четко проявляется во время диалогов. Синхронно с изображением персонажа звук
перемещается справа-налево, спереди-назад или даже по диагонали помещения.
Если у потребителя пока нет системы Dolby AC-3, DVD-диск хранит звуковое
сопровождение фильма в виде 16-разрядного звука качества КД, кодированного
по системе Dolby Pro Logic (звук также можно прослушивать через традиционную
систему Dolby Surround Sound).
Фильм, записанный на DVD, может быть одновременно дублирован на восемь
языков. При воспроизведении просто выбирается требуемый вариант звукового
сопровождения.
Для тех регионов мира, где не используют телевизионную систему NTSC,
формат DVD-Video позволяет кодировать звуковое сопровождение по системе
MPEG-2 Audio (стандарт ISO/IEC 13818-3), которая дает пользователю семь плюс
один (обозначается 7.1) высококачественных каналов, оцифрованных с частотой
48 кГц: дальний правый, правый, центральный, левый, дальний левый, правый
задний, левый задний и общий (низкочастотный). Кроме того, кодирование
звуковых
каналов
по
системе
MPEG-2
дублирование фильма на другие языки.
57
Audio
облегчает
изготовителю
6.6.3. Дополнительные субтитры. Формат DVD-Video предусматривает
дополнительное наложение субтитров. На одном и том же диске могут быть
записаны субтитры на тридцати двух языках. Пользователю остается только
выбрать родной язык. Что самое интересное, титры хранятся не в текстовой
форме, а в пиксельной графике, которая записана на диске в сжатой форме. Это
позволяет разместить не только текст, но и пояснительный чертеж и даже
простую анимацию в любом удобном месте экрана. Палитра пиксельного
изображения содержит шестнадцать 24-битных цветов. Хотя на экран выводится
одновременно не более четырех цветов, каждый из них может иметь сразу четыре
уровня яркости. На каждый кадр фильма зарезервировано 62 Кбайт для хранения
субтитров. При выводе субтитров на экран предусмотрены различные эффекты,
например прокрутка вверх-вниз, плавное "проявление", наложение и т.д.
6.6.4. DVD-ROM – носитель для мультимедиа. В соответствии с постоянным
ростом мощности и производительности компьютеров растет потребность
пользователя во все более емких носителях. Постоянно развивающийся рынок
графики с высоким разрешением и сложной анимацией и непрерывное
совершенствование программных средств повышают требования к минимальной
емкости носителя. Появившийся стандарт высокоемкого диска DVD должен
содействовать удовлетворению спроса на носители большой емкости.
Достоинства DVD-ROM очевидны:
- значительно большая, по сравнению с КД, емкость;
- совместимость с КД. Устройства DVD-ROM смогут считывать уже
существующие библиотеки данных на CD-ROM, музыкальные программы на
Audio-CD, CD-R, Video-CD, Photo-CD, а также видеофильмы, которые будут
распространяться на DVD. Однако следует оговориться, что воспроизведение
полноэкранного видео требует достаточно мощных компьютеров или установки
дополнительной платы-декодера MPEG-2. Если компьютер пользователя не
оснащен процессором Power PC или Pentium Pro, то видеоинформация,
воспроизводимая с DVD-диска, по качеству будет мало отличаться от того, что на
58
сегодняшний день можно получить на КД при использовании программ
QuickTime или Video for Windows;
-
большая
емкость одной
стороны
цифрового
видеодиска позволит
оперировать сразу полным объемом данных, без необходимости разбивать их на
части;
- единая файловая система для информации любого типа;
- более высокая скорость обмена данными DVD-устройства по сравнению с
дисководом CD-ROM ускорит и облегчит работу;
- высокая надежность хранения данных;
- приемлемая цена. Новые дисководы для считывания DVD-дисков вполне
сопоставимы по цене с существующими устройствами для КД.
Таким образом, явные преимущества DVD делают этот носитель нового
поколения
неоспоримым
лидером
рынка
компьютеров.
59
оптических
накопителей
для
Глава 7. HD DVD, BD КАК БАЗОВЫЕ НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ
При разработке систем оптических дисков нового поколения, следующего за
СD, создатели уделили особое внимание объему записи. В принципе, емкость
записи
оптического
диска
определяется
размером
пятна,
который
пропорционален длине волны λ источника света, и обратно пропорционален
числовой
апертуре
(NA)
линз
объектива.
Емкость
диска
СD
обратно
пропорциональна квадрату размера пятна и может быть вычислена как:
СD =1/(λ/NA)2.
(7.3.1)
Таким образом, увеличение емкости записи возможно при сокращении длины
волны светового источника и увеличении числовой апертуры.
7.1. Спецификации записи и воспроизведения HD-DVD
HD DVD, или High-Definition DVD – формат оптического диска высокой
плотности для хранения данных или видео высокой четкости, использующий
диски стандартного диаметра 12 и 8 см и голубой лазер с длиной волны 405 нм.
На рис. 7.1.1 и рис. 7.1.2 представлены соответственно логотип HD DVD и
местоположение длины волны излучения лазера для работы с HD DVD в спектре
видимого диапазона электромагнитных волн.
HD DVD является дальнейшим развитием формата DVD и может хранить в
три раза больше данных, чем его предшественник – 15Гб на одном слое против
4.7 Гб. Стандарт HD DVD был совместно разработан компаниями Toshiba и NEC.
Рис. 7.1.1. Логотип HD DVD
60
Первоначально формат назывался ―Advanced Optical Disc‖ (AOD), но 19
ноября 2003 решением собрания DVD Forum был переименован в HD DVD.
Версия текущей спецификации HD DVD-ROM и HD DVD-Rewritable – 1.0; HD
DVD-R – 0.9; спецификация HD DVD-RAM не сформирована окончательно.
HD-DVD использует те же самые структуры данных (образ, сектор, блоки
ECC), алгоритмы коррекции ошибок и модуляцию, что и стандартные DVD.
Единственное отличие заключается том, что блок ECC HD DVD соответствует по
размеру двум блокам ECC DVD, обеспечивая более сильную коррекцию ошибок.
Объем однослойного HD DVD – 15Гб, двухслойного – 30Гб. Объем однослойного
HD DVD-RAM – 20Гб, объем двухслойного пока не определен.
Рис. 7.1.2. Местоположение длины волны излучения лазера для работы с HD
DVD в спектре видимого диапазона электромагнитных волн
Как и на DVD, слой данных HD DVD располагается в 0.6 мм от поверхности
диска и таким образом защищен от механических повреждений. Числовая
апертура оптической системы считывания – 0.65, тогда как в DVD она равна 0.6.
(рис. 7.1.3 - 7.1.4).
Все HD DVD проигрыватели обратно совместимы с DVD и CD. В HD DVD
может использоваться несколько разных файловых систем, например ISO 9660 и
Universal Disk Format (UDF); сейчас все диски выпускаются с UDF 2.5.
61
а
б
Рис. 7.1.3. Поверхности обычного DVD (а) и HD DVD (б) дисков
Рис. 7.1.4. Принципы считывания информации c DVD и HD DVD
Емкостные параметры HD DVD приведены в табл. 7.1.1.
Существует два типа гибридных дисков, содержащих стандартную DVDVideo часть для совместимости со старыми DVD плеерами. Combo disc это
двухстороний диск, где на одной стороне DVD, на другой HD DVD. Twin disc это
однослойный диск, содержащий до трех слоев, где до двух слоев могут быть DVD
или HD DVD (рис. 7.1.5).
Таблица 7.1.1
Физический размер
Объем
слоя
одного
Объем
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 см, две стороны
9.4 Гб
18.8 Гб
62
двух
Рис. 7.1.5. Структура комбинированных дисков
Контент HD DVD защищен 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. В 2006 хакерами был найден и опубликован ―Processing
Key‖, позволяющий декодировать все HD DVD диски, выпущенные на тот
момент. AACS LA начала находить и рассылать требования о блокировании
администрации всех сайтов, разместивших ключ.
В текущей спецификации HD DVD нет региональной защиты.
В январе 2007 Toshiba продемонстрировала трехслойные HD DVD с 17 Гб на
одном слое, общий объем диска достиг 51 Гб, но совместимость таких дисков с
выпущеными проигрывателями не гарантируется. В настоящее время «война
форматов» проиграна конкуренту – Blu-ray Disc.
7.2. Основные параметры Blu-ray Disc (BD)
BD - диск высокого разрешения, работающий на основе сине-фиолетового
лазера, характеризуется тремя основными параметрами:
- длина волны лазера – 405нм;
- числовая апертура объектива (NA) – 0,85;
63
- толщина защитного покрытия – 0,1мм.
На рис. 7.2.1 представлен логотип BD.
Рис. 7.2.1. Логотип BD
Для создания Blu-ray disk (BD) используется лазерный диод на основе нитрида
галлия GaN (GaN LD), который обеспечивает саму короткую длину волны из всех
лазерных диодов – 405 нм. При этом излучение на данной длине волны имеет
минимальный уровень потерь в пластиковых материалах, используемых для
изготовления дисков.
Для объективов существует верхний теоретический предел числовой
апертуры. До тех пор, пока используется излучение ближнего поля, верхний
предел числовой апертуры – немного ниже 1,0. Практически возможно
использование разработанных ранее объективов с числовой апертурой 0,95,
состоящих из двух групп двухэлементных линз. Однако было решено
использовать объективы с числовой аппретурой 0,85 с учетом реальных рабочих
расстоянии до диска. На рис. 7.2.2 приведен график, отражающий соотношение
длины волны, числовой апертуры и емкости диска.
Емкость DVD с длиной волны 650 нм и числовой апертурой 0,6 может быть
увеличена в 2,5 раза за счет сокращения длины волны до 405 нм, и может быть
удвоена с помощью увеличения числовой апертуры до 0,85. Всего емкость может
быть увеличена в пять раз.
Таким образом, BD обеспечивает примерно 25 Гб емкости записи, по
сравнению с 4,7 Гб DVD.
64
Рис. 7.2.2. Соотношение длины волны, числовой апертуры и емкости диска
Использование лазера с самой короткой длиной волны и объективов с самой
большой числовой апертурой, как описано выше, обеспечивает BD достаточно
высокую емкость записи, что с учетом большого срока службы позволяет считать
данный тип диска самым перспективным форматом оптического диска
следующего поколения.
Рассмотренные факторы кроме положительного эффекта увеличения емкости
записи приводят и к отрицательным последствиям, которые заключаются в
появлении аббераций и ужесточении требований к допускам в оптической
системе.
Перечень основных аберраций, которые могут возникнуть в оптической
системе:
-
расфокусировка,
вызванная
остаточной
ошибкой
или
сдвигом
фокусирующего сервосигнала;
- кома, обусловленная наклоном между оптическими осями оптической
головки и диска;
- сферическая аберрация, обусловленная ошибкой изготовления защитного
слоя по толщине.
65
Современные оптические диски обычно имеют большие, чем оценочные,
значения оптических аберраций высокого порядка в основном по числовой
апертуре.
В табл. 7.2.1 показаны примеры результатов вычислений. Для каждой длины
волны, числовой апертуры и ТЗП для DVD, НD-DVD и BD приведены
допустимые отклонения для наклона, ошибки ТЗП, и дефокусировки при
допущении, что значение аберраций постоянно.
Из этой таблицы становится понятно, что BD имеет почти такую же
устойчивость к наклонам, как и DVD, что достигнуто за счет уменьшение ТЗП до
0,1 мм, которое также необходимо для компенсации увеличения комы,
возрастающей из-за уменьшения длины волны лазера и увеличения числовой
апертуры. Даже при наличии лазера с более короткой длиной волны, если ТЗП
остается 0,6 мм (как в HD-DVD), устойчивость к наклону уменьшается до
половины от значения BD.
Таблица 7.2.1
BD
HD-DVD
DVD
Длина волны, нм
405
405
650
Числовая
0,85
0,65
0,60
ТЗП, мм
0,1
0,6
0,6
Емкость, Гб
24,3
14,2
4,7
Наклон,
0,64
0,33
0,70
±3,0
±13
±30
±3.0/100=
±13/600=
±30/600=
апертура
Ошибка
ТЗП,
мкм
Ошибка ТЗП, %
±3.0 %
Расфокусировка,
±2.2 %
±0,22
±0,42
66
±5.0 %
±0,80
мкм
Допустимое отклонение ошибки ТЗП для BD составляет 1/10 для
соответствующего значения DVD. Но, так как сама по себе ТЗП составляет 1/6 от
значения DVD, допустимый диапазон ошибки ТЗП для BD в диапазоне больше
чем для HD-DVD. Покрытие тонкостью 100 мкм может быть выполнено с
высокой точностью за счет расслоения или смоления покрытия полученного
методом центрифугирования. Так как формат BD устанавливает стандартные
величины ошибки ТЗП одного диска на уровне ±2 мкм, это не требует
высокоскоростной компенсации
сервосигнала, адаптированной к периоду
вращения или при высокоскоростном доступе, для уменьшения сферической
аберрации. С другой стороны стандартные величины ошибки ТЗП между дисками
устанавливается на уровне ±5 мкм, для эффективного расширения производства
дисков. Более того это упрощает конструкцию низкоскоростного механизма
компенсации аберрации в оптической головке; низкоскоростная компенсация
необходима для сферической аберрации, когда диск помещается в устройство.
Этот механизм незаменим для двухслойных оптических дисков, в которых
расстояние между слоями составляет 25 мкм.
Допустимый предел расфокусировки BD составляет примерно 1/2 от значения
HD-DVD. Первопричиной расфокусировки является остаточная погрешность
сервосистемы фокусировки. Стандартная величина остаточной сервопогрешности
BD составляет 0,045мкм, что приблизительно равно 1/4 от значения DVD.
Проиллюстрировать сказанное выше можно с помощью приведенных ниже
схем считывания информации с HD DVD (рис. 7.2.2) и BD (рис. 7.2.3).
67
Рис. 7.2.2. Схема считывания с HD DVD
Рис. 7.2.3. Схема считывания с BD
В BD используются записывающие материалы с изменяющейся фазой
состояния, основанные на GeSb (сурьмид германия). Для отдельного слоя BD
диска расстояние от поверхности диска до записанного слоя составляет 100 мкм.
Для двухслойного BD расстояние от поверхности диска до верхнего слоя (L1)
составляет 75 мкм, а до нижнего
(L0) 100 мкм. Для двухслойного BD запись и
воспроизведение данных с нижнего слоя осуществляется лазерным лучом,
переданным через верхний слой.
Таким образом, верхний слой должен обеспечивать высокий и постоянный
коэффициент оптической передачи более 50%, независимо от его состояния (с
записью данных или без).
BD выпускается с различной емкостью записи, что позволяет пользователям
выбирать ее в соответствии с необходимостью. По книге спецификаций версии
1.0, разновидность BD с одним слоем имеет три варианта емкости записи 23,3, 25
и 27 Гб, а с удвоенным слоем – 46,6, 50 и 54 Гб. Три разновидности вместимости
каждого типа были получены путем изменения линейной плотности записи при
постоянном шаге дорожки. Минимальная длина (2Т) меток, записанных на диск,
составляет 0,160, 0,149 и 0,138 мкм в порядке указанных значений емкости
68
записи. Из книги спецификаций версии 2.1 BD-RE были исключены самые
маленькие значения емкостей 23,3 и 46,6 Гб для универсализации процесса
производства дисков с учетом его возросшего качества.
69
7.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
BD
7.3.1. Технологии записи и чтения
Рассмотрим принципы записи и воспроизведение BD. На рис. 7.3.1 показана
структурная схема лазерного устройства для записи и воспроизведения BD.
Сигнал формата NRZI закодированный по правилу 17РР передается на
компенсационную схему записи импульсов, где сигнал модулируется в много
импульсный. Путем настройки переднего фронта первого импульса и заднего
фронта
последнего
импульса
многоимпульсного
сигнала,
схема
может
контролировать число необходимых импульсов в соответствии с длиной метки,
что обеспечивает четкое прожигание краев меток.
Рис. 7.3.1. Структурная схема лазерного устройства для записи и
воспроизведения BD
Сформированный подобным образом импульсный сигнал подается на
усилитель накачки, который управляет мощностью лазера оптической головки
для записи меток/пробелов данных на BD. Для воспроизведения записанных
70
данных, сигнал с фотоприемника оптической головки через эквалайзер подается
на схему ФАПЧ. Выходной сигнал эквалайзера также подается на АЦП, на второй
вход которого подается преобразованный в цифровой сигнал с ФАПЧ. Выходной
сигнал АЦП, пропущенный через канал PRML для исправления исходных
цифровых ошибок, в формате NRZI подается далее на схему цифровой обработки
сигнала.
Ниже описан механизм формирования меток в записывающей среде. ВD,
облученный серией сформированных оптических импульсов 2Т, 3Т и 4Т, которые
показаны
в
верхней
части
рис.
7.3.2,
содержит
записанные
метки
соответствующей длины, которые показаны в нижней части рис. 7.3.2.
Рис. 7.3.2. Метки и форма импульсов для их прожига
Некристаллические (бесструктурные) метки формируются внутри и вокруг
районов прожига материала диска высоким уровнем мощности лазера. Метки,
записанные при среднем уровне мощности, называемом мощностью стирания,
являются кристаллическими и определяют пробелы между метками. В
соответствии с отражательной способностью меток и пробелов оптическая
головка формирует бинарные данные.
7.3.1.1. Форма сигнала записи. На рис. 7.3.3 схематически показана форма
сигнала записи BD с тремя уровнями мощности PW, PE и PBW.
71
Рис. 7.3.3. Общая форма волны записывающего импульса.
Это пример формы волны записывающего импульса для отметки 4Т. Лазерная
мощность смодулирована на трех уровнях. Для точного контроля за положения
отметки края, передняя кромка первого импульса и кромка окончания выходного
импульса перемещается с разрешением в 1нсек. Ttop определяет ширину первого
записанного импульса, dTtop – перемещение переднего фронта первого импульса,
TMP – ширина средних импульсов записи, и dTE – смещение заднего фронта
выходного импульса.
В соответствии с характеристиками и емкостью записи каждой записываемой
среды, производитель заранее определяет параметры записывающего импульса и
вводит их в информационную зону чистого диска.
При плотной оптической записи могут возникать интерференционные
межсимвольные помехи, при которых края меток смещаются в зависимости от
условий записи. Для предотвращения этого явления используется адаптивная
компенсация меток, представленная на рис. 7.3.4.
Адаптивная компенсация меток служит для регулирования начальной точки
включения лазерного излучения и ширины импульса, для каждой отметки 2T
(2Tm), 3T (3Tm), 4T или более длиной метки ( 4Tm).
72
Для тщательного контроля положения края метки, длительность первого и
выходного импульсов изменяются. Контролируются dTtop и Ttop для первого
импульса и dTE для выходного, основываясь на длине кода метки, для
минимизации их интерференционных смещений и получения, таким образом,
сигналов записи высокого качества.
Рис. 7.3.4. Адаптивное управление записью
7.3.1.2. Формат трекинга. Формат трекинга BD определяется записью
данных в дорожки. Для метода записывающих дорожек характерно расположение
между ними специальных площадок для блокировки теплопередачи между
дорожками, что предотвращает ухудшение качества сигнала из-за влияния друг на
друга записи данных в смежных дорожках, расположенных с малым шагом. Шаг
дорожек в BD составляет 0,32 мкм.
7.3.2. Модулирующий код BD
Модулирующие коды и коды коррекции ошибок это ключевые элементы
системы оптического запоминающего устройства CD, DVD и BD. В предыдущих
главах мы рассматривали системы канального кодирования EFM для CD и EFM+
для DVD, CIRC-кодека для CD и ECC RS-PC для DVD.
73
Канальное кодирование для BD использует технологию 17РР.
Избегать очень коротких или очень длинных пробегов одинаковых битов при
записи удается с помощью кода ограничения длины пробега (RLL), который
выдерживает
позволительный
минимум
и
максимум
длины
пробега,
возникающие в цифровом потоке. Ограничение RLL описано в терминах двух
параметров, d и k: минимальные и максимальные длины пробега равны d+1и k+1.
Напомним, что для CD и DVD они равны d=2 и k=10.
Системы хранения с высокой емкостью, в частности BD, характеризуются
очень маленькими размерами битов, такими что форма волны сигналов,
полученной при физическом детектировании для конкретного расположения бита
зависит не только от данного бита, но и от ряда соседних битов. Это искажение
битов больше известно как межсимвольная интерференция (ISI).
Таким образом, короткие длины пробегов в потоке двоичных данных канала,
определяющие высокие частоты в сигнале, страдают больше от ISI и
предрасположены к ошибкам в процессе считывания. Одна из целей ограничения
длины пробега кодирования – введение такого размера d, который не допускает
возникновения высокочастотных двоичных последовательностей.
Для выбора значения d для BD рассмотрим следующий пример.
Пусть имеется три варианта значений d: d=0 (отсутствие кодирования), d=1 и
d= 2, при этом плотность информационных битов на диске постоянна. Пусть Т
определяет
обычный
физический
размер
информационного
бита.
При
использовании кода ограничения d с уровнем Rd, физический размер канального
бита Td будет определяться из условия Td = Rd
T. На рис. 7.3.5 показаны
соответствующие длины канальных битов и самая высокая частота в системе,
обратнопропорциональная минимальной длине пробега. В случае отсутствия
кодирования R0=1. Для используемых на практике кодов R1=2/3 и R2=1/2, что
близко к максимально достижимым уровням кодов, соответственно 0.6942 и
0.5515. Минимальная длина пробега для d=1 составляет 2T1=(4/3)T, что больше
минимальной длины пробега T для d=0; минимальная длина пробега для d=2
составляет 3T2 = (3/2)T, что больше минимальной длины пробега для d=1.
74
Следовательно, наиболее высокие частоты fd в системе составляют
f0=1/2T>f1=1/4R1T=3/8T>f2=1/6R2T=1/3T.
Данное соотношение позволяет сделать следующий вывод.
С одной стороны с уменьшением уровня кода повышается низкочастотность
системы, что является основным назначением введения ограничения RLL. С
другой стороны, длина битовых каналов (или временное окно) уменьшается с
увеличением d, что приведет к высокой чувствительности системы к джиттеру
или увеличению шума фронтов меток на диске. Это противоречие определяет
выбор d в сторону более низких значений.
Практически выбрано для BD d=1, что является компромиссом между
снижением вероятности джиттера (требующим уменьшения d) и уровня ISI
(требующим увеличения d). Ограничение k определено как k=7. Значения d=1 и
k=7 и дали название технологии «17РР».
Рис. 7.3.5. Длина битового канала и минимальная длина пробега для
различных ограничений d при одинаковой емкости записи
75
7.3.3. Формат исправления ошибок BD
В оптической записи можно различить два вида ошибок: одиночные или
случайные ошибки и пакетные ошибки. Одиночные ошибки обусловлены шумом
в комбинациях с другими источниками обнаружения сигнала, такими как наклон
диска или дефокусировка лазерной точки диска. Они называются одиночными
ошибками, поскольку влияют только на один или два бита. Пакетные ошибки
происходят из-за дефектов диска таких, как: царапины, пыль, отпечатки пальцев и
т.д.
Система исправления ошибок должна быть адаптирована к физическим
свойствам среды, в которой хранятся данные. BD, из-за маленьких размеров пятна
лазеров, тонкого слоя покрытия и большой числовой апертуры, более
чувствителен к пакетным ошибкам нежели DVD система. Одинаковый дефект
вызовет большие искажения в битовых данных BD, чем DVD. Таким образом,
система исправления ошибок BD должна способна справляться с длинными
пакетными ошибками.
Максимальное число ошибок, которые могут быть исправлены, зависит от
числа добавленных четных символов. С помощью каждых двух добавленных в
слово символов четности может быть исправлена одна ошибка. Данный вывод
сделан в предположении, что об ошибке заранее ничего неизвестно.
Если расположение ошибки внутри кода известно заранее, по удаленному
значению может быть вычислено значение ошибки. Для каждого добавленного
символа четности может быть вычислена одно стертое значение, т.е может быть
исправлена одна ошибка.
Таким образом, для исправления ошибок в BD необходимо предварительное
знание о местоположении ошибки. Из-за природы ошибок это невозможно для
случайных ошибок, но возможно для пакетных ошибок. В таком случае в системе
коррекции необходимо предусмотреть наличие индикатора наличия пакета
ошибок, которые может определить местоположение пакета ошибок до начала их
исправления.
76
BD
использует
систему исправления
ошибок
с
очень
эффективной
технологией индикации местоположения пакетных ошибок: пикетный код.
Структура пикетного кода показана на рис. 7.3.6.
Пикеты это столбцы, вставленные между информационными столбцами
данных через регулярный интервал.
Информационные данные защищены кодом Рида-Соломона. Пикеты также
защищены
кодом
Рида-Соломона,
независимым
от
кода,
защищающего
информационные данные. Во время декодирования первыми исправляются
столбцы пикетов.
Восстановленная
информация
может
быть
использована
для
оценки
месторасположения возможных пакетных ошибок в информационных данных.
При определении места пакетных ошибок на соответствующие данные
ставится
флаг
удаления,
который
затем
используется
при
коррекции
информационных данных. Данная стратегия применения флага удаления
представлена на рис. 7.3.6.
ECC блок для BD может хранить 64 кБ используемых данных. Эти данные
защищены кодом c большой базой LDC (от англ. Long Distance Code), в котором
304 кодовых слова длиной 248 символов, из которых 216 – информационные
символы и 32 – символы четности. Эти кодовые слова чередуются по два в
вертикальном направлении таким образом, что образуется блок 152 496 битов,
сформированный как показано на рис. 7.3.6.
ЕСС блок BD содержит 4 равноудаленных пикета. Крайний левый пикет
сформирован синхронизирующей системой в начале каждой строки. Если
синхроданные не будут детектированы, их ошибочные символы могут быть
использованы для определения местоположения пакета ошибок. Оставшиеся три
пикета защищены субкодом индикации пакетных ошибок BIS (от англ. Burst
Indicator Subcode). Код BIS содержит кодовые слова с 30 информационными
символами и с 32 символами четности, определяющими длину кодового слова –
62. Кодовые слова BIS перемежены в трех столбцах по 496 битов в каждом.
77
Отмети, что как LCD код, так и BIS код имеют одинаковое число символов
четности на каждое кодовое слово, поэтому для декодирования обоих кодов
требуется один декодер Рида-Соломона. Информационные символы BIS кода
формируют
дополнительный
канал
данных
следующий
за
каналом
информационных данных. Этот боковой канал в BIS столбцах содержит адресную
информацию.
Адресная информация отдельно защищена от ошибок кодом Рида-Соломона,
который состоит из кодовых слов с 5 информационными символами и 4
символами четности. Этот дополнительный код необходим для обеспечения
быстрого и надежного детектирования адресов ошибок, независимо от главного
ЕСС.
Рис. 7.3.6. Схематичное представление пикетного кода в BD
78
7.3.4. Синхронизация и адресация с использованием модуляции дорожек
7.3.4.1. Принципы синхронизации и адресации с использованием
модуляции дорожек. BD, как и СD, содержит в своей структуре непрерывные
дорожки-углубления,
спирально-концентрически
сформированные
лазерным
лучом для осуществления трекинга. Шаг дорожек составляет 0.32 мкм, что в пять
раз меньше, чем у CD – 1.6 мкм. Однако роль дорожек заключается не только в
обеспечении трекинга. Также они используются для разметки диска и
осуществления адресации при последующей записи диска. Информационные
данные записываются внутри дорожек, адресные – на разделяющие их выступы.
Форма синхронизирующих и адресных данных представляет собой выжженную в
выступе
между
дорожками
траекторию
косинусоидального
колебания
с
амплитудой ±10 нм в радиальном направлении диска.
При разработке BD рассматривалась возможность использования питовой
адресной системы, используемой и хорошо зарекомендовавшей себя в DVD и
магнитооптических дисках. Однако BD разрабатывался с перспективой на
многослойную конфигурацию, в которой питовая система себя не оправдала в
силу возможного межслойного джиттера. В результате анализа система с
косинусоидальной модуляцией была признана более приемлемой для BD,
поскольку она менее подвержена межслойным искажениям.
На BD записываются сверхмалые отметки данных с высокой плотностью. По
этой причиной данный тип диска требует наличия очень точного и устойчивого
сигнала синхронизации. Таким образом, принципиально, чтобы синхросигнал был
одночастотным, а его траектория гладкой и непрерывной. Использование
одночастотного
сигнала
позволяет
формировать
устойчивый
сигнал
синхронизации с возможностью выделения из него составляющих адресной
модуляции.
Поскольку
записываемые
информационные
данные
всегда
синхронизируются, то длина одного циклического периода синхроколебания
79
всегда пропорциональна длине метки записанных данных. Таким образом,
емкость диска определяется размером синхроколебаний, сформированных на
диске (например, емкость однослойного диска составляет 23,3 Гб, если длина
периода синхроколебаний составляет 5,52 мкм, и 25,0 Гб, если длина
синхроколебаний составляет 5,14 мкм).
Одночастотные колебания дополнительно модулируются для того, чтобы
добавить в синхросигнал информацию о времени и адресе. Адресная модуляция
должна быть устойчива практически ко всем типам искажений, возникающим в
процессе работы с оптическими дисками. Грубая классификация возможных
искажений приведена ниже:
Шум. Шум дорожек обусловлен характеристиками записывающего слоя и
неровностями, возникшими при ее формировании. Шум перекрестной помехи
обусловлен структурой записанных данных.
Смещение траектории модуляционных колебаний. При смещении траектории
адресного и синхросигналов от нормальной снижается уровень детектируемого от
них сигнала. Смещение колебания определяется непосредственно после поиска
диска.
Биения модуляционных колебаний. Биения модуляционных колебаний
появляются из-за одновременного детектирования колебаний соседних дорожек.
Причиной биений колебаний является смещение угловой частоты смежных
колебаний.
Дефекты. Одиночные дефекты, такие как пыль или царапины на поверхности
диска.
Фундаментальные требования к формату адресации BD заключались в
разработке мер для предотвращения влияния всех этих типов искажений. Поэтому
в BD используется комбинация двух различных систем колебаний. Эта
комбинация удовлетворяет всем требованиям противодействия искажениям.
Первая составляющая – модуляция типа MSK (от англ. Minimum-Shift-Keying –
минимизированное переключение фазы). Вторая – модуляция типа STW (от англ.
Saw-Tooth-Wooble – пилообразное колебание). Адресный формат, использующий
80
два типа модуляции MSK и STW, крайне устойчив к четырем указанным типам
искажений, что будет показано в следующем параграфе.
7.3.4.2. Конфигурация секций ADIP и характеристики модуляции.
Адресная и снхронизирующая модуляции встраивается на дорожки трекинга так,
как показано на рис. 7.3.7. Таким образом формируется адрес в секции
предварительно размеченной дорожки ADIP (от англ. ADress In Pre-groove). Одна
секция ADIP включает 56 периодов колебаний. На рис. 7.3.8 показана
схематическая диаграмма секции ADIP, представляющей «0» и «1» одного бита
адресных данных, реализованных с помощью комбинаций MSK и STW.
Рис. 7.3.7. Структура адресной информации
Рис. 7.3.8. Комбинация MSK и STW при отображении «0» и «1» адресного
бита
81
Основные секции MSK и STW имеют следующую форму. Основная секция
колебаний MSK состоит из трех колебаний. Средняя секция – колебание имеет
обратную полярность по сравнению с колебанием cos(ωt) основной разметки
диска. Правая и левая секция – противофазные колебания с частотой 1,5 : cos(1,5
ωt) и cos(1,5 ωt).
MSK сформирован из косинусоидального колебания, поскольку последнее
представляет собой четную функцию, и при стыковке различных секций не будет
необходимости стыковать противофазные колебания, как это могло бы быть при
использовании синусоидальных колебаний (нечетная функция). В результате
MSK требует для обработки узкой полосы частот. Поскольку MSK использует
только одночастотные колебания, разница во временном положении данных
используются как информация для различия «0» (позиция 14) и «1» (позиция 12).
Модуляция STW разделена на 2 типа.
Математически STW выражается дополнением основной волны cos(ωt)
вторым гармоническим членом sin(2ωt) с амплитуды меньшей в четыре раза и
противоположной фазой для различных типов. Однако характерно, что точки
пересечения с нулем, как в случае MSK, не влияют на фазу синхронизации, что
также требует для обработки узкой полосы частот.
Каждая секция ADIP начинается с MSK, как показано на рис. 7.3.8.
Начальный MSK, называемый «сектор битовой синхронизаций», служит как
определитель начальной точки ADIP. Различие в положении вторых MSK
представляет различия между «0» и «1» данных. Они расположены между
участками колебаний разметки диска с основной частотой. Далее в секции ADIP,
37 колебаний в секторах с 18-го по 54-ый модулированы STW.
Серии из 83 секций ADIP формируют адресное слово ADIP. Одно слово ADIP
содержит 12 бит дополнительных данных, номер ячейки, код исправления
ошибки, также как и 24 битовую информацию адреса. BD распределяет три слова
ADIP на каждые 64 кБ записываемого информационного блока.
7.3.4.3. Методы детектирования и свойства MSK и STW. Привод BD
выделяет адресные колебания из биполярных сигналов. На рис. 7.3.9 показан
82
пример конфигурации схемы. Схема позволяет выделить MSK и STW на
различных независимых по времени участках, одновременно определяя «0» и «1»
секции ADIP.
Рис. 7.3.9. Схема гетеродинного детектирования MSK и STW
Методы детектирования отличаются тем, что в MSK используется основная
частота (957 кГц), такая же, как и частота гетеродина, в то время как STW
использует вторую гармонику (1,913 кГц). Другие отличия заключаются только
во временном положении секторов с разной модуляцией. Таким образом, MSK и
STW очень похожи и могут быть выделены одним детектором.
Частотное различие несомненно может быть определено с помощью
гетеродинной схемы, приведенной на рис. 7.3.9, которая содержит перемножитель
с основной частотой, ФНЧ, устройство выборки-хранения и компаратор. Лучшие
характеристики могут быть получены, если в каждом канале установить
избирательные фильтры на частоты, характерные для MSK и STW.
На рис. 7.3.10 показана зависимость между количеством смещений периодов
модуляции и отношением сигнал/шум (SNR) детектирования MSK и STW, при
этом участки с различными типами модуляции детектируются в различные
периоды времени.
Если смещений нет SNR MSK на 1,6 ДБ выше, чем STW. Высокое отношение
сигнал/шум
предполагает
высокую
помехоустойчивость.
83
Если
смещения
возникают, MSK не детектируется, в то время как SNR STW достаточно высоко и
постоянно даже при ±3 смещениях. Таким образом, детектирование MSK
устойчиво к ошибкам, вызванным шумами, в то время как детектирование STW
крайне надежно при смещении периодов модуляции. Эти контрастные
характеристики типов модуляции позволяют всегда четко разделять адресные
данные в секциях.
Рис. 7.3.10. Отношение сигнал/шум для детектирования отметок MSK и STW
MSK хранит информацию в ограниченном районе (3 цикла) и содержит
элементы фазовой модуляции основной волны, что определяет высокое SNR при
детектировании. Поэтому MSK обеспечивает качественное обнаружение битов
синхронизации для нахождения головки секции ADIP. STW не предназначен для
контроля местных смещений и скачков фазы, поскольку его информация
распределена в широком пространственном диапазоне, охватывающем 37 циклов.
Поэтому STW нечувствительно и устойчиво к местным дефектам. В силу этого
комбинация форматов MSK и STW позволяет достичь высокой устойчивость BD
системы к таким искажениям, как: шум, местные дефекты, биения и смещения
модуляции.
7.3.5. Проблемы создания универсального проигрывателя CD/DVD/BD
84
Рынок
BD активно расширяется. Однако
совместимость с другими
стандартами и носителями информации является необходимой, поскольку
пользователи имеют обширные библиотеки данных, например, медицинских,
которые записаны до создания BD стандарта. Кроме того, не всегда удобно
использовать диски высокой емкости в оперативной работе.
На рис. 7.3.11 представлена структурная схема универсальной оптической
головки, работающей на трех длинах волн, и предназначенной для записи и
воспроизведения CD/DVD/BD.
Как известно, основное конструктивное отличие CD/DVD/BD заключается в
различной толщине дисков, определяющей фокусное расстояние и апертуру
необходимой оптики. Юстировка оптики может быть реализовано с помощью
объектива с изменяющимся увеличением, дифракционной и голографической
оптики.
7.3.5.1. Объектив с изменяющимся увеличением. Специальные функции
оптики в головке (рис. 7.3.11) реализованы с помощью трех лазеров, апертурных
фильтров и основного элемента – объектива с изменяющимся увеличением,
который обеспечивает оптимальный доступ к дискам соответствующего вида.
Трехволновый лазер (рис. 7.3.12) состоит из красного DVD (max 150 мВт в
импульсе)
и инфракрасного CD (max
200 мВт в импульсе) лазеров,
установленных на основании голубого BD лазера (max 120 мВт в импульсе) с
мощным теплоотводом.
Объектив
с
изменяющимся
увеличением
состоит
из
стеклянных
и
голограммных линз с возможностью компенсации сферических аберраций,
соответствующих каждой длине волны. Сложность конструкции может быть
уменьшена при использовании дифракционных и голографических элементов.
7.3.5.2. Дифракционные оптические элементы. Хорошо известно, что
цветовые аберации линз могут быть скорректированы при использовании
дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Таким образом, в трехцветной
системе луч красного лазера может быть пропущен через ДОЭ.
85
На рис. 7.3.13 показана эффективность концентрирующей дифракционной
решетки.
Рис. 7.3.11. Структура универсальной оптической головки CD/DVD/BD
Если используется первый порядок дифракции красного и голубого лучей
общая эффективность дифракции составит 80%. Если использовать первый
порядок красного луча и второй – голубого, эффективность дифракции может
составить 90%. Это позволит обеспечить мощность лазеров, достаточную для
записи после прохождения ДОЭ.
Сферические аберрации могут быть компенсированы за счет различной
кривизны участков ДОЭ для разных длин волн, как показано на рис. 7.3.14.
86
Рис. 7.3.12. Трехволновый лазер универсальной оптической головки
7.3.5.3.
Голографические
голографических
оптические
оптических
элементы.
элементов
Для
(ГОЭ)
изготовления
используется
жидкокристаллический материал с двулучепреломлением, который располагается
между двумя подложками и имеет одинаковый коэффициент преломления со
связующим его с подложками материалом. Принцип действия основан на
различии
коэффициентов
преломления
материала
для
световых
лучей
поляризованных ортогонально.
ГОЭ не искажает волновой фронт излучения BD лазера, но корректирует
волновой фронт CD и DVD лазеров, поскольку их излучения подаются на ГОЭ в
ортогональной поляризации.
ГОЭ имеет различия по толщине материала в радиальном направлении и
толщине одной из подложек для контроля фазового распределения поля DVD и
CD лазеров. Для контроля числовой апертуры используется ДОЭ.
Внизу рис. 7.3.15 показаны различия волновых фронтов для BD (слева) и для
CD
и
DVD
(справа),
вызванные
взаимодействием
излучения
лазеров
соответствующей поляризации с ГОЭ.
Рис. 7.3.13. Эффективность дифракции (вверху) и форма дифракционной
решетки (внизу)
87
Рис. 7.3.14. Форма линзы с ДОЭ
Конструкция ГОЭ и его принцип работы представлены на рис. 7.3.15.
Рис. 7.3.15. Конструкция ГОЭ и его принцип работы
88
7.4. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ MINIDISC (MD)
7.4.1. Введение и основные характеристики системы MD
МD, разработанные компанией Sony, могут использоваться как для записи и
воспроизведения цифрового аудио, так и для произвольного доступа к
информации. Были разработаны три типа MD для различных приложений:
- MD, предназначенные только для проигрывания предварительно записанной
аудиоинформации;
- записываемые MD, позволяющие записать до 74 минут аудио;
- гибридные MD, имеющие как предварительно записанную область, так и
перезаписываемую.
Технология
внутренней
записи, поддерживаемая записываемыми MD,
посредством прямой перезаписи магнитным полем, была применена в бытовой
аппаратуре впервые в мире
Отличительные характеристики MD:
- функция магнитной перезаписи;
- максимальное время записи 74 мин на диск, диаметром 64 мм достигалось
благодаря сжатию данных и высокоплотной записи;
- быстрый произвольный доступ, поддерживаемый адресацией информации в
модулированной дорожке записи;
- защита диска специальным картриджем и заслонкой.
Более того, магнито-оптические диски имеют большой срок службы и
надежность.
7.4.2. Концепция и спецификации
Спецификации компакт-дисков (CD) были впервые предложены в 1982 году и
описаны в так называемой красной книге (―Red Book‖). Затем дальнейшие
технологические доработки, как для организации данных, так и для методов
89
записи были специфицированы в желтой книге (―Yellow Book‖) и в оранжевой
книге (―Orange Book‖), соответственно. Спецификации MD, которые является
дополнением этих двух книг, приведены в радужной книге (―Rainbow Book‖), как
схематично показано на рис. 7.4.1. Блок-схема и основные спецификации
приведены на рис. 7.4.2 и в табл. 7.4.1.
Рис. 7.4.1. Взаимосвязь между промышленными стандартами для оптических
дисков
Рис. 7.4.2. Блок-схема системы MD
90
Таблица 7.4.1
Основные спецификации
Значение параметра
Время
74 (max)
записи/воспроизведения,
мин.
Размера картриджа (Ш В Г), мм
72 68 5
Спецификации диска
Значение параметра
Диаметр, мм
64
Толщина, мм
1.2
Диаметр (центральное отверстие),
11
Диаметр (начало программы), мм
32
Диаметр
29
мм
(начало
вводной
дорожки), мм
Шаг дорожек, мкм
1.6
Линейная скорость, м/с
1.2-14 (CLV)
Формат сигнала
Значение параметра
Частота дискретизации, кГц
44.1
Система сжатия
ATRAC *1
Система модуляции
EFM *2
Система коррекции ошибок
CIRC *3
Оптические параметры
Значение параметра
Длина волны лазера, нм
780
Числовая апертура
0.45
Мощность сигнала при записи, мВт
5 (max)
Система записи
Модуляция магнитного поля
*1 Адаптивное кодирование звука с преобразованием
91
*2 EFM-модуляция (преобразование первичного 8-разрядного кода в 14разрядный для снижения плотности ямок на оптическом диске и повышения
уровня помехоустойчивости)
*3 Перемежающийся код Рида – Соломона
7.4.3. Функции случайного доступа
На рис. 7.4.3 приведен профиль только проигрываемого MD.
Рис. 7.4.3. Поперечное сечение MD, поддерживающих только чтение
Нулевая дорожка и выводная дорожка расположены на внутренней и внешней
окружностях
соответственно.
специальными
Записываемые
предварительными
дорожками,
MD
изготавливаются
которые
покрывают
со
всю
записываемую поверхность диска. Эти предварительные дорожки делают
возможными операции трэкинга и сервоконтроля шпинделя как во время записи,
так и во время проигрывания, как показано на рис. 7.4.4.
Эти предварительные дорожки слабо модулированы по закону меандра с
периодом 13,3 мс, чтобы поддерживать постоянную линейную скорость и
детерминировать
адресное
пространство,
обеспечив
стабильный
высокоскоростной произвольный доступ к нему
Для организации высокоскоростного произвольного доступа к данным кроме
модулированных дорожек, так же используется UTOC (User Table of Contents –
каталог компакт-диска пользователя). Как показано на рис. 7.4.4, нулевая дорожка
92
на внутренней окружности диска следует за областью UTOC, а область программ
и выводная дорожка сходны с не перезаписываемыми дисками.
Рис. 7.4.4. Поперечное сечение перезаписываемых MD
7.4.4. Формат записи сигналов
В системе MD используются известные нам по CD EFM-модуляция и
перемежающийся код Рида–Соломона (CIRC) для коррекции ошибок. Аудио
данные сжимаются методом ATRAC (от англ. Adaptive transform acoustic coding адаптивное кодирование звука с преобразованием) и группируются по блокам для
записи по формату очень схожему со стандартным режимом CD-ROM, как
показано на рис. 7.4.5.
Рис. 7.4.5. Формат конфигурации данных MD
93
Первые три сектора единого 36-секторного кластера используются как
связующие сектора во время записи совместно с четвертым сектором,
зарезервированным для хранения субданных. В оставшихся 32 секторах
записываются сжатые цифровые аудиоданные. После записи последнего сектора,
должны быть записаны данные для коррекции ошибок в первый связующий
сектор и в половину второго сектора последующего 36-секторного кластера.
В процессе кодирования ATRAC аудиоданные сжимаются до одной пятой их
первоначального объема и затем помещаются в 424-байтовые блоки, называемые
«звуковые группы» с левым и правым каналами, занимающими 212 байт каждый.
Одиннадцать таких звуковых групп распределяются на два сектора. Звуковые
группы, записанные в первый сектор, включают левый и правый каналы пяти
звуковых групп плюс левый канал шестой группы, в то время как правый канал
шестой группы и левый и правый каналы других пяти групп записываются во
второй сектор. Каждый из двух секторов можно выразить как 425×5+212×1=2332
байта.
Таким образом, 11 звуковых групп записываются на каждые два сектора
любого 32-сектороного кластера. При декодировании ATRAC блок данных
восстанавливается до его первоначального размера. Одна звуковая группа
эквивалентна 512 выборкам (512×16×2/8=2048 байт) для обоих каналов с
временем воспроизведения 11,6 мс.
7.4.5. Cжатие данных ATRAC
MD записываются с использованием алгоритма адаптивного кодирования
звука с преобразованием ATRAC, приведенного на рис. 7.4.6.
Алгоритм разработан компанией Sony специально для сжатия Hi-Fi аудио. Для
каждого временного блока ATRAC анализирует аудио сигнал и определяет
чувствительность
каждой
частотной
области.
Области
чувствительности
записываются точно с минимальными шумами квантования. Оставшиеся области
94
записываются
менее
точно,
но
так
как
они
не
являются
чрезмерно
чувствительными, ошибки квантования почти незаметны. В результате при
воспроизведении получается фактическое Hi-Fi аудио, записанное с битовой
скоростью передачи данных в пять раз меньше. Таким образом, ATRAC делает
возможным запись 74 минут аудио на MD, диаметром всего 64 мм.
Рис. 7.4.6. Алгоритм ATRAC
7.4.6. Конструкция перезаписываемых MD
Магнито-оптическая технология является ключевой для функционирования
перезаписываемых MD. Так как магнитная записывающая головка и лазер
используются с противоположных сторон диска, заслонка открывается на обоих
сторонах диска, как показано на рис. 7.4.7.
Конструкция перезаписываемого MD продемонстрирована на рис. 7.4.8.
Прецессирующая дорожка имеет ширину 1,2 мкм и глубину λ. Шаг между
дорожками величиной 1,6 мкм определен для записываемой дорожки таким
образом, что бы сосуществовать данными адреса, которые формируются набором
интервалов, повторяющихся каждые 13,3 мс. Такие размерности были подобраны
для удовлетворения требований к сервохарактеристикам с учетом теплового
взаимного влияния смежных дорожек, а так же необходимости получения
максимального отношения сигнал/шум.
7.4.7. Перезапись модуляцией магнитного поля
95
Записываемый MD должен обеспечивать такую же плотность хранения
информации, как и CD.
Метод модуляции магнитного поля имеет определенные достоинства для этих
целей с точки зрения стабильности системы и расстояния между носителем и
приводом по сравнению с записью методом модуляции лазера. Граница
отмеченной точки определяется перемагничиванием, и ее форма по существу не
зависит от флуктуаций мощности лазера. Более того, метод модуляции
магнитного
поля
дает
возможность
перезаписи
поверх
существующей
информации. В случае MD необходимая максимальная частота модуляции
составляет 720 кГц при линейной скорости в пределах 1,2 – 1,4 м/с.
Рис. 7.4.7. Компоновка картриджа
7.4.8. Магнитная перезаписывающая головка
Пишущее магнитное поле для записываемого MD должно быть больше 8 кА/м
(100 Эрстед), при этом допускается контакт диска с магнитной головкой.
Принимая во внимание транспортабельность MD системы, тип контакта был
разработан с учетом следующих условий:
96
- максимальное расстояние – 150 мкм.
- магнитное поле больше 8 кА/м (100 Эрстед) в пределах ± 0,5 мм от центра
сердечника
На рис. 7.4.9 приведено распределение магнитного поля записывающей
головки на расстоянии 150 мкм.
Рис. 7.4.8. Структура перезаписываемого MD
7.4.9. Надежность и долговечность
MD достаточно надежны, также как и обычные магнито-оптические диски. На
рис. 7.4.10 показано, что уровень ошибок BER не изменился после одного
миллиона циклов перезаписи. MD система допускает физический контакт
магнитной головки и поверхности диска. Для обеспечения долговечности
записываемые MD имеют защитный слой, контактирующий с магнитной
головкой, обеспечивающий скольжение и покрывающий информационные слои.
Магнитная головка спроектирована таким образом, что бы уменьшить трение. На
рис. 7.4.11 приведены изменения силы трения, когда магнитная головка
продолжительно контактирует с одной и той же дорожкой при различных
условиях. Это свидетельствует о том, что долговечность контактирующей
поверхности достаточна для практических целей.
97
7.4.10. Приложения MD
Перезаписываемый MD и MD система представляет собой первую в мире
реализацию технологии перезаписи модуляцией магнитного поля. Эта технология
может найти дальнейшее использование для хранения данных – MD DATA,
который обеспечивает емкость 140 МБ для диска, диаметром 64 мм.
Более того, эта технология применяется для создания мастер-диска в студиях
профессиональной
звукозаписи.
В сравнении
с MD
для
мастер-дисков
используется увеличение разрешающей способности оптической головки:
изменена числовая апертура до 0,5 и использован лазер с длиной волны меньше
780 нм. В результате плотность записи мастер-диска на 20% больше чем у
обычного MD, рассчитанного на 74 мин. На рис. 7.4.12 приведено сравнение
плотностей записи для различных типов магнито-оптических дисков.
Рис. 7.4.9. Профиль магнитного поля головки
98
Рис. 7.4.10. Уровень ошибок BER при повторяющихся циклах перезаписи
Рис. 7.4.11. Сила трения магнитной головки
Рис. 7.4.12. Сравнение плотности записи MD
99
Таким образом, технология модуляции магнитного поля была реализована с
возможностями перезаписи как для бытовой, так и для профессиональной
техники, как для хранения аудио информации, так и для хранения данных.
7.4.11. Технология MD с повышенной плотностью HS
Емкость MD, рассмотренных выше, явно не сравнима ни с DVD, ни, тем
более, с BD. Поэтому была предложена технология MD с повышенной
плотностью записи – технология HS (от англ. High-density System – система
высокой плотности).
7.4.11.1. Модуляция магнитного поля с лазерным стробированием.
Существует три типа записи информации на магнитооптический диск, которые
представлены на рис. 7.4.13.
абв
Рис. 4.5.13. Технологии записи магнитооптических дисков
На рис. 7.4.13,а представлена технология записи с изменением фазового со
стояния материала диска (обозначим ее буквой А). Используется нагрев
записывающего слоя диска и его переход из кристаллического состояния в
некристаллическое, указывающий на формирование бита данных. Данная
технология обычно используется в CD и DVD и может быть названа «перезапись
с использованием модуляции интенсивности света».
100
На рис. 7.4.13,б представлена технология записи с использованием модуляции
интенсивности света в присутствии внешнего постоянного магнитного поля на
магнитооптических
дисках
с
двумя
раздельными
слоями:
оптически
чувствительным записывающим и магнитным стирающим (Б). В исходном
состоянии стирающий магнитный слой размагничен. Облучение оптически
чувствительного слоя с малой мощностью приводит к намагничиванию
стирающего слоя, а использование большой мощности приводит к изменению его
намагниченности на противоположную по знаку, что указывает на формирование
бита информации.
На рис. 7.4.13,в представлена технология записи с использованием модуляции
магнитного поля в присутствии внешнего постоянного освещения лазером на MD
(В).
На рис. 7.4.14 представлена технология записи с использованием модуляции
магнитного поля в присутствии лазерного стробирования, которая позволяет
значительно повысить плотность MD (Г).
На рис. 7.4.15 показаны временные диаграммы процесса записи MD диска в
системе HS.
Этап 1. Лазер выключен на период времени t0 t1, в течение которого
магнитное поле становится достаточным по амплитуде для записи данных.
Этап 2. Лазер включается в момент времени t1. Это вызывает нагрев диска в
пятне излучения до температуры выше точки Кюри, размагничивание зоны пятна,
стирание существовавшей информации.
101
Рис. 4.5.14. Модуляция
магнитного поля с лазерным
стробированием
Рис. 4.5.15. Временные
диаграммы записи
в системе HS
Этап 3. Лазер выключается в момент времени t2. Температура в зоне пятна
падает ниже точки Кюри, намагниченность записывающего слоя фиксируется,
формируя новые данные. Это приводит к записи первого пита (d1). Край пита
определяется моментом времени выключения лазера.
Этап 4. Лазер остается выключенным на период времени t2 t3, в течение
которого магнитное поле меняет свое значение на противоположное по знаку.
Запись второго пита (d2) осуществляется за период времени с момента времени
включения лазера t3 до момента его выключения t4. Магнитное поле в этот
период должно быть стабильным и достаточным для записи пита, так чтобы
формирование последнего не зависело от скорости изменения поля.
Увеличение частоты следования импульсов лазера приведет к тому, что питы
будут перекрываться, а между ними будет формироваться узкая зона,
образованная фронтом выключения импульса. Этот факт может быть использован
для уплотнения информации на MD, поскольку в режиме чтения могут
идентифицироваться только зоны фронтов импульсов.
Подводя итоги настоящего рассмотрения с точки зрения увеличения
плотности записи можно сделать следующие выводы:
102
- технологии А и Б имеют ограничения по верхнему пределу, определенные
размером лазерного пятна.;
- по технологии В формирование краев питов существенно зависит от
скорости изменения магнитного поля, нестабильность которой приводит к
высокой вероятности возникновения джиттера;
- технология Г устраняет указанные выше проблемы, поскольку магнитное
поле синхронизировано с оптическим и края питов определяются фронтом
выключения лазера..
7.4.11.2.
Дискретный
формат
сервоинформации.
Сервоинформация
содержит, как правило, информацию о системных часах и трекинге, записанную в
специальных 103иитах. В отличие от других типов дисков, использующих
сложную непрерывную систему сервоинформации, в системе HS используется ее
дискретный вариант – область пользовательских данных и область серводанных
пространственно разделены и обрабатываются раздельно. На рис. 7.4.16,а и рис.
7.4.16,б
соответственно
показаны
непрерывный
и
дискретный
форматы
формирования сервоинформации на обычных и HS дисках.
а
б
Рис. 7.4.16. Форматы записи сервоинформации:
а – на обычных дисках; б – на HS-дисках
В непрерывной системе основной лазерный луч кроме формирования и
считывания пользовательских питов также формирует и считывает сервопиты с
103
помощью лазерных лучей первого дифракционного порядка. Такие оптические
системы, как известно, называются трехлучевыми.
В дискретной системе сервоинформация записана в виде спаренных питов.
Как только основной луч (а он в этой системе один) достигает спаренных питов,
система принимает решение о верном трекинге. Таким образом, оптика
дискретной системы значительно проще, чем непрерывной.
На рис. 7.4.17,а и рис. 7.4.17,б соответственно показаны процессы извлечения
сервоинформации из потока данных для непрерывного и дискретного форматов
формирования сервоинформации на обычных и HS дисках.
В непрерывной системе привод имеет собственные системные часы,
информация с которых записывается вместе с пользовательскими данными. При
чтении привод извлекает сигнал часов из данных. Такие системы, как известно,
называются самосинхронизируемыми.
В дискретной системе сервоинформация записана в специально отведенной
области.
Данная
информации
не
зависит от
пользовательских
данных,
считывается и обрабатывается в отдельном канале. Таким образом, снижается
вероятность возникновения джиттера в моменты временной синхронизации.
Кроме того пользовательские данные могут кодироваться по любому алгоритму,
не оказывая влияния на сервоинформацию.
а
б
Рис. 7.4.17. Форматы обработки сервоинформации:
а – на обычных дисках; б – на HS-дисках
Дополнительным
преимуществом
дискретной
системы
обработки
сервоинформации является возможность упростить структуру самого диска, в
104
частности, его поверхности. Как показано на рис. 7.4.18,б, для записи MD-HS не
требуется специальных дорожек, которые характерны для обычных дисков,
показанных на рис. 7.4.18,а.
а
б
Рис. 7.4.18. Структура ROM дисков:
а – CD; б – MD-HS
7.4.11.3. Эксплуатационные характеристики диска и дисковода MD-HS.
При использовании красного лазера с длиной волны 685 нм и оптики с апертурой
0.55 емкость стандартного CD-ROM упаковывается в диск размером 3,5‖. При
использовании более коротковолновых лазеров и улучшенной оптики возможно
значительное увеличение плотности записи.
На сегодняшний деньги достигнуты емкости от 1-4 Гб на стандартный диск.
Однако в отличие от DVD-5 эксплуатационные характеристики MD-HS,
приведенные в табл. 7.4.4, позволяют использовать их для сертифицированного
архивного хранения.
Таблица 7.4.4
Технические характеристики
Срок хранения архивных данных, лет
100
Вес без упаковки, г
180
Диапазон
температур
при
5 - 55
эксплуатации, °C
Влажность при хранении, %
3 - 90
105
Диаметр оптического диска, мм
130
Толщина оптического диска, мм
1,2
Размер без упаковки (Ш Г В), мм
153 137 120
Основным ограничением для создания MD-HS дисков повышенной плотности
является стабилизация горизонтальной плоскости их вращения.
Рис.
7.4.19
иллюстрирует
ситуацию,
когда
поверхность
диска
не
перпендикулярна лучу, который при прохождении через диск отклоняется, а его
форма и местоположение на плоскости фотодетектора искажаются.
Было определено, что при использовании дисков с толщиной 0,8 мм проблема
может быть снята. Этот размер является компромиссом между эксплуатационной
надежностью диска и минимальной длиной пути отклонения оптического луча.
Рис. 7.4.19. Искажение луча при наклоне диска
На рис. 7.4.20 приведен общий вид привода MD-HS с указанием
отличительных особенностей данного вида систем магнитооптического хранения
информации.
106
Рис. 7.4.20. Общий вид MD-HS привода
К ним следует отнести:
- высокую плотность записи;
- высокую скорость поиска;
- быстрый доступ к необходимой области данных;
- защиту от пыли;
- малую потребляемую мощность;
- возможность прямой перезаписи;
- стандартную высоту привода – 25,4 мм.
107
7.5.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
СИСТЕМЫ
ЗАПИСИ
И
АРХИВНОГО
ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Пожалуй, наиболее острой проблемой, с которой сталкиваются разработчики
устройств хранения данных, становится необходимость увеличения удельной
емкости накопителей. А это, в свою очередь, требует уменьшения размеров
«ячеек», в которых хранятся отдельные структурные единицы информации.
Если говорить об используемых ныне технологических решениях, то сегодня в
тройку наиболее популярных накопителей входят жесткие магнитные диски,
оптические диски и носители на базе флэш-памяти.
Каждая из этих технологий пока еще имеет резервы для дальнейшего
развития, однако рано или поздно наступит момент, когда все потенциальные
возможности будут исчерпаны. И тогда на сцену выйдут принципиально иные
решения, прототипы которых пока еще не покинули стен исследовательских
лабораторий.
На рис. 7.5.1 показана дорожная карта развития технологий записи данных,
представленная фирмой IBM с точки зрения увеличения поверхностной
плотности записи.
За последние несколько десятилетий наблюдался почти экспоненциальный
рост возможностей микроэлектроники, основанной на кремнии. Однако в новом
тысячелетии рост возможностей данной технологии существенно замедлится по
двум
причинам:
во-первых,
с
уменьшением
размеров
ячеек
памяти
ограничивающую роль начинают играть фундаментальные физические законы, не
позволяющие работать существующим структурам ячеек памяти; во-вторых, при
применении специальных мер, устраняющих данные ограничения и повышающих
степень интеграции устройств, экспоненциально повышаются затраты на их
производство.
108
В
магнитной
записи
фундаментальным
ограничением
является
суперпарамагнитный предел, для оптической – дифракционный. Однако
перспективные технологии есть и их развитие будет возможно еще десятки лет.
7.5.1. Перспективные технологии магнитной записи
Пластина современного
жесткого диска состоит из стеклянной или
алюминиевой подложки с нанесенным сверху магнитным покрытием. Плотность
записи информации определяют размеры домена. Чтобы записать один бит
информации, головка НЖМД создает определенным образом направленное
магнитное поле, которое ориентирует все элементарные магнитики домена
преимущественно
в
одном
направлении.
Эта
ориентация
благополучно
сохраняется в течение длительного времени уже после того, как головка
прекратила свое воздействие на ферромагнетик.
Рис. 7.5.1. Развитие технологий записи
Однако даже после многократной записи в домене всегда остаются отдельные
магнитные зерна, магнитная ориентация которых не совпадает с ориентацией
109
всего домена; причем относительное содержание «плохих» зерен тем больше, чем
меньше зерен в домене, то есть, чем меньше его размер. Если попытаться сделать
домен слишком маленьким, то относительное количество «плохих» зерен
окажется настолько большим, что информационный сигнал невозможно уже
будет выделить на фоне шума.
Из сложившейся ситуации существует два выхода
– поиск новых
парамагнитных материалов с малыми и по преимуществу однородными
магнитными зернами и разработка алгоритмов, позволяющих выделять полезный
сигнал даже при низком соотношении «сигнал/шум». Однако и тут существует
свой предел возможностей. Если магнитное зерно будет слишком малым, то
тепловой энергии окружающей среды с лихвой хватит на то, чтобы спонтанно
сменить его намагниченность. Из-за этого квазиперехода ферромагнитного
вещества в парамагнитное описанное ограничение и получило название
суперпарамагнитного предела.
Кроме того существует еще и техническое, связанное с процессом записи и
чтения информации, для которого, как уже упоминалось, используется
специальная головка. В самых первых моделях НЖМД головка
была
универсальной. Современные головки состоят из двух частей: записывающей
(катушки
индуктивности)
и
читающей
(магниторезистивной
головки,
изменяющей свое сопротивление в зависимости от напряженности магнитного
поля). Размеры головки конечны, и именно они во многом определяют размеры
минимальной намагничиваемой области – домена.
Из известных на сегодняшний день технологий магнитной записи, наиболее
перспективными являются технологии AFC и PMR.
7.5.1.1. Технология AFC. Технология создания магнитно-компен-сированных
пленок предложена фирмой IBM. Суть идеи заключается в нанесении на диск
НЖМД
трехслойного
антиферромагнитного
покрытия
AFC
(от
англ.
Antiferromagnetically-coupled – антиферромагнитная пара), в котором пара
магнитных слоев разделена специальной изолирующей прослойкой из рутения.
110
За счет того что расположенные друг под другом магнитные домены имеют
альтернативную ориентацию магнитного поля, они образуют пару, которая
оказывается более устойчивой к спонтанному перемагничиванию, чем одиночный
домен. Пробные партии НЖМД, использующих технологию AFC, появились в
2001 г., но массовое ее использование началось только сейчас. Однако AFC не
является абсолютной панацеей – это лишь маленькое усовершенствование старой
технологии, позволяющее увеличить емкость НЖМД в 4-8 раз, но не больше.
Свое развитие эта технология получила в паре с технологией PMR (от англ.
Perpendicular Magnetic Recoding – перпендикулярная магнитная запись).
7.5.1.2. Технология PMR. Эта технология известна достаточно давно, ее
исследованиями активно занимались уже лет 20-30 назад, однако довести дело до
работающего и недорогого в производстве устройства тогда не получилось.
Сейчас о PMR вновь вспомнили, разработкой новых жестких дисков на основе
этой технологии весьма плодотворно занимается компания Seagate.
Как следует из названия, PMR, в отличие от классической технологии записи,
использует магнитные домены с перпендикулярным (а не параллельным
поверхности диска) магнитным полем (рис. 7.5.2). Это позволяет уменьшить
продольные размеры домена, слегка увеличив при этом его высоту. Кроме того, в
случае PMR соседние инвертные биты (1 и 0) уже не глядят друг на друга
одноименными полюсами, которые, как известно, отталкиваются,
это позволяет
уменьшить размер междоменного пространства, по сравнению с классической
технологией записи, что еще больше увеличивает емкость НЖМД.
Понятно, что для реализации PMR необходимо применять как совершенно
иную конструкцию головки чтения/записи, так и новую структуру магнитной
поверхности диска.
Головка, записывающая методом PMR, должна иметь всего один основной
полюс сердечника, второй полюс будет вспомогательным (рис. 7.5.3).
Основной полюс сердечника создает сильное магнитное поле, линии которого
выходят перпендикулярно магнитной поверхности диска; проходя через
111
специальный внутренний магнитный слой, они замыкаются на широком
вспомогательном полюсе сердечника. Естественно, наиболее сильное по величине
поле будет у основного полюса – там и будет происходить перемагничивание
домена, у широкого вспомогательного полюса поле будет слишком слабое, чтобы
воздействовать на поверхность диска, и она при записи останется без изменений.
Рис. 7.5.2. Продольная и поперечная магнитная запись
112
Рис. 7.5.3. Основной и вспомогательный полюсы головки для PMR
Новая структура магнитного слоя фирмы Hitachi представлена на рис. 7.5.4.
Как видно в нем применена и технология AFC.
Состав основного магнитного слоя представлен кобальтом Co, хромом Cr и
платиной Pt.
Так же как и AFC, PMR – это технология уже готовая к применению в
серийном производстве. Использующие ее НЖМД уже появились в продаже.
Рис. 7.5.4. Структура магнитного слоя фирмы Hitachi
7.5.1.3. Технология HAMR. Применение технологии перпендикулярной
записи на диски лишь на время отодвигает суперпарамагнитный предел. Рано или
поздно индустрия снова столкнется с этим явлением, и снова нужно будет искать
выход из ситуации, поэтому инженеры ведущих компаний уже сейчас занимаются
разработками новых технологий. Кратко расскажем о некоторых из них.
Улучшением технологии перпендикулярной записи является HAMR (от англ.
Heat Assisted Magnetic Recording - Термоассистируемая магнитная запись) –
запись
с
предварительным
нагревом
с
помощью
лазера.
Этот
метод
предусматривает кратковременный (1 пикосекунда) нагрев участка, на который
113
производится запись, до 100 градусов Цельсия. При этом магнитные частицы
получают больше энергии, и головке записи уже не нужно генерировать поле
большой напряженности. После записи в записываемом слое оказываются
частицы с большей энергетикой, а это означает повышенную стабильность (рис.
7.5.5).
Рис. 7.5.5. Процесс HAMR записи (слева) и НЖМД с двумя раздельными
головками (справа)
Внедрение
этой
технологии
потребует
использования
в
качестве
записывающего слоя принципиально новых материалов с высоким уровнем
анизотропности. Речь может идти о таких сплавах, как Fe14Nd2B, CoPt, FePt или
даже Co5Sm. Стоят они очень дорого. Кроме того, специалисты из Seagate всерьез
полагают, что в HAMR НЖМД придется ставить 2 раздельные головки. Наиболее
необычным является считывающий элемент – это оптическая головка со
специальным твердотельным зеркалом (Planar Solid Immersion Mirror). HAMR
позволит добиться плотности записи как минимум 1 Тбит/дюйм2. Теоретически
же такой материал как FePt позволяет повысить плотность в 10 раз. Первые
реальные образцы жестких дисков с HAMR следует ждать в настоящем 2010 году.
7.5.1.4. Структурированные магнитные среды. Еще одно перспективное
направление – использование материалов, частицы в которых выстроены в
114
битовый массив (Bit Patterned Media). Технология структурных носителей
заменяет обычные пластины, которые дают просто области записи с некоторым
количеством случайно расположенных доменов, пластинами с нанесѐнной
структурой. Каждый бит будет храниться на одном магнитно-изолированном
"островке" на поверхности носителя, а не в массиве из 70-100 доменов. Вполне
понятно, что такой подход позволяет улучшить целостность хранения данных,
позволяя перейти на меньшие структуры и большую плотность записи (рис. 7.5.6).
Рис. 7.5.6. Поверхность носителя информации:
1 – область, хранящая бит при стандартном подходе, 2 – массив, границы
которого совпадают с границами частиц, 3 – одна частица в идеале может хранить
один бит (слева); слой, полученный с помощью литографии (справа)
Такой материал можно либо создать искусственно с помощью литографии,
либо найти сплав с подходящей самоорганизующейся структурой. Поиск
самоорганизующихся магнитных материалов (SOMA, Self-Ordered Magnetic
Array) – весьма перспективное направление. Уже несколько лет специалисты
Seagate указывают на особенности сплава FePt, выпариваемого в гексановом
растворителе. Полученный материал имеет идеально ровную ячеистую структуру.
Размер одной ячейки – 2,4 нм. Если учесть, что каждый домен обладает высокой
стабильностью, можно говорить о допустимой плотности записи на уровне 40-50
Тбит/дюйм2. Похоже, это и есть окончательный предел записи на магнитные
носители.
Структурированные носители должны появиться на рынке также в настоящем
2010 г., но термомагнитная запись, по информации Hitachi, будет использоваться
не ранее 2013 г. Сочетание двух технологий позволит достичь ѐмкости до 50
Тбайт в 3,5" НЖМД или 12 Тбайт в 2,5" НЖМД для ноутбуков.
115
7.5.2. Перспективные технологии оптической записи
Среди перспективных оптических технологий следует выделить технологии
многослойных оптических дисков и голографию. Для первых характерны
недостатки, связанные со стабильностью состояния слоев, поэтому остановимся
только на голографии.
Голографическая память, по сравнению со всеми остальными видами памяти,
как известно, имеет ряд выигрышных позиций:
- скорость чтения, поскольку обмен происходит целыми страницами, которые
могут содержать миллионы двоичных битов;
- плотность, которая теоретически может достигать нескольких десятков
терабит на кубический сантиметр носителя.
Тысячи голографических страниц могут быть сохранены в одном и том же
объеме
записывающей
среды
с
помощью
различных
вариантов
мультиплексирования. Его можно выполнить за счет изменения угла падения
лучей лазера, длины его волны, фазы опорного луча пространственного
изменения точки входа информационного и опорного лучей в среду записи при ее
сдвиге или вращении, а также комбинации всех этих способов. Так как
интерференционные шаблоны однородно заполняют весь материал, это наделяет
голографическую память другим полезным свойством – высокой достоверностью
записанной информации. В то время как дефект на поверхности магнитного диска
или магнитной ленты разрушает важные данные, дефект в голографической среде
не приводит к потере информации, а вызывает всего лишь "потускнение"
голограммы. Кроме того, весьма впечатляет и феномен, связанный с тем, что при
разбиении носителя на несколько фрагментов каждый из них несет в себе всю
информацию
-
это
означает
высочайшую
повреждениям и простоту тиражирования.
116
надежность,
устойчивость
к
Исследования проводятся по двум направлениям – оперативная память и ПЗУ.
Рассмотрим интересующие нас ПЗУ. На рис. 7.5.7 показаны упрощенные схемы
записи и считывания голограмм.
При записи лазерный луч расщепляется на объектный и опорный лучи.
Первый проходит через пространственный модулятор света (Spatial Light
Modulator, SLM), кодирующий исходную информацию, которая представлена в
виде двоичной матрицы или т. н. страницы. Проходя через оптическую систему,
лучи пересекаются в специальном светочувствительном носителе, который
запоминает интерференционный узор. Изменяя угол пересечения лучей (этот
метод
называется
угловым
мультиплексированием),
можно
сохранить
в
единичном объеме носителя тысячи страниц двоичных данных. Кроме того,
можно менять положение точки пересечения лучей в носителе. Таким образом,
информация записывается не только на поверхности носителя, но и по всему его
объему.
Рис. 7.5.7. Голографическая запись (слева) и воспроизведение (справа)
Для считывания записанных данных достаточно направить на носитель луч
лазера под определенным углом и преобразовать оптический сигнал с помощью
матрицы световых датчиков, например ПЗС-матрицы. Несмотря на кажущуюся
простоту, суть явлений, происходящих в процессе записи и считывания
информации голографическими методами, достаточно сложна. Ее невозможно
117
наглядно изобразить на паре картинок, здесь более уместен язык формул,
понятный лишь избранным. Вероятно, именно этим объясняется то, что, хотя
"академические" разработки в области голографической памяти ведутся уже
давно – еще с начала 60-х гг., практические результаты появляются гораздо
медленнее, чем хотелось бы, несмотря на пристальный интерес к этой технологии
со стороны крупнейших промышленных компаний, государственных и военных
структур. На рис. 7.5.8 приведены технические характеристики устройств
голографической памяти доступные в ближайшей перспективе.
Рис. 7.5.8. Технические характеристики устройств голографической памяти
7.5.3. Твердотельные диски
Flash-технологии показывают огромный рост в последние годы, но до сих пор
не могли конкурировать с жесткими дисками по стоимости в пересчете на
гигабайт. Емкость таких накопителей пока довольно небольшая, а скорость
записи довольно низкая. В то же время твердотельные диски (SSD-накопитель)
развиваются достаточно интенсивно, о чем говорят последние разработки в этой
области. Анонсирован SSD-накопитель емкостью 416 ГБ. Компания BiTMICRO
Networks со штаб-квартирой в Калифорнии анонсировала 2,5-дюймовый SSDнакопитель
E-Disk
предназначенного
Altima
для
E2A133BL
использования
ATA-133
в
емкостью
коммерческих
416
ГБ,
продуктах,
промышленности и военном оборудовании. Отметим, что максимальная емкость
современных SSD-накопителей для потребительского рынка составляет 64 ГБ, а
емкость некоторых промышленных носителей достигает 256 ГБ.
118
В твердотельном диске от BiTMICRO применяется одноуровневая NANDпамять (SLC NAND) и фирменный контроллер памяти под названием EDSA
(Enhanced Datamover and Storage Accelerator). По данным производителя,
устройство обладает максимальной пропускной способностью 133 МБ/с,
способно работать со скоростью 100 МБ/c в течение длительного времени и
выполнять до 20 тыс. операций ввода-вывода в секунду. Рабочая температура
накопителя составляет от -40 до +85 градусов по Цельсию. Помимо накопителя
емкостью 416 ГБ, в линейку E-Disk Altima войдут модели емкостью от 4 ГБ.
7.5.4. Полимерная память
Шведская компания ThinFilm считает, что память будущего будет основана на
пластмассе. Очень тонкий лист полимера, зажатый между двумя сетками
крошечных электродов, представляет собой матрицу памяти. В каждом
пересечении шахматной доски электродов (один провод сверху слоя полимера, а
другой
снизу его) создается бистабильная ячейка памяти. Электрическое
напряжение, приложенное к данной ячейке, может изменять структуру полимера,
переводя его из одного стабильного состояния в другое. Альтернативные
состояния полимера соответствуют логическим нулю и единице. Данное
состояние может сохраняться достаточно продолжительное время, так как
изменение состояния полимера носит химический характер. По этой же причине
состояние ячейки энергонезависимо. На рис. 7.5.9 показаны варианты структуры
матрицы памяти.
Достигнутые размеры элементов устройства следующие: диаметр проводника
составлет около 0,5 мкм, толщина пленки 0,1–0,5 мкм, одна ячейка SRAM
занимает площадь размером 4–6 квадратных микрометров. Предлагаемая
технология позволит разместить элемент памяти на площади около одной
четверти квадратного микрометра. Согласно расчетам специалистов фирмы
ThinFilm, устройство памяти размером с кредитную карточку, построенное по
119
этой технологии, могло бы хранить 60 000 фильмов в стандарте DVD; или 126 лет
музыки в стандарте MP3; или 400 000 компакт-дисков; или 250 миллионов
цифровых фотографий высокого разрешения
Рис. 7.5.9. Структура памяти на основе полимерной пленки
.
В другом устройстве, накопителе Millipede фирмы IBM используется принцип
механической записи: микроскопические иглы продавливают углубления на
поверхности тонкой пластиковой пленки, при этом каждое из таких углублений
соответствует одному биту записываемой информации (рис. 7.5.10).
Ядром Millipede является двумерный массив микроприводов, представляющих
собой v-образные силиконовые рычаги длиной 70 мкм и толщиной всего 0,5 мкм.
На конце подвеса каждого микропривода имеется обращенная вниз игла длиной
чуть менее 2 мкм. Существующая сегодня экспериментальная установка
оснащена массивом из 1024 микроприводов (32 ряда по 32 элемента), физический
размер которого составляет 3×3 мм.
Специально разработанная конструкция подвеса массива игл выполняет две
основные функции: обеспечивает точность позиционирования массива и
предохраняет носитель информации от повреждений, компенсируя внешние
физические воздействия (вибрации и удары). Управляющая электронная схема,
аналогичная используемой в чипах DRAM-памяти, позволяет одновременно
посылать индивидуальные команды каждому из микроприводов, обеспечивая их
слаженную совместную работу. Каждая игла обслуживает область размером
100×100 мкм; точное перемещение носителя информации в двух направлениях
120
осуществляет прецизионный электромагнитный привод. Благодаря малому ходу
носителя энергопотребление системы невелико
Рис. 7.5.10. Схема устройства (слева) и увеличенная трехмерная модель,
иллюстрирующая принцип работы накопителя Millipede
Все необходимые операции: чтение, запись, стирание и перезапись
осуществляются при соприкосновении игл с тонкой полимерной пленкой,
покрытой слоем силиконового материала толщиной всего несколько нанометров.
Нанесение углубления, соответствующего одному биту, производится путем
нагревания встроенного в микропривод резистора до 400 °С. Нагретая до этой
температуры игла размягчает полимер и на короткое время погружается в него,
формируя углубление. При чтении нагрев производится до меньшей температуры
300 °С, которая недостаточна для размягчения используемого полимерного
материала. Благодаря высокой теплопроводности полимера игла при погружении
в имеющееся углубление остывает, в результате чего изменяется сопротивление
резистора, которое также отслеживается управляющей схемой. При перезаписи
данных
игла
совершает несколько
движений
с небольшим
относительно центра ранее сделанного углубления
смещением
как бы разравнивая
поверхность полимерного материала.
Удельная плотность записи экспериментальной установки, оснащенной
массивом из 1024 игл, составляет 200 Гбит/кв. дюйм, что позволяет сохранить до
0,5 Гбайт на носителе размером 3×3 мм. Один из руководителей проекта Millipede
121
заявил, что в будущем возможно тысячекратное увеличение плотности записи по
сравнению с достигнутыми на экспериментальной установке результатами.
Что касается еще одной важной характеристики накопителя
чтения/записи,
то
у
Millipede
она
ограничена
скорости
быстродействием
игл.
«Производительность» одной иглы составляет несколько килобит в секунду, а
предельная
скорость
работы
продемонстрированной
экспериментальной
установки составляет несколько мегабит в секунду. Значительно повысить
быстродействие позволит использование более совершенных электронных схем: в
ходе экспериментов были достигнуты значительно более высокие показатели
свыше 1 Мбит/с для одной иглы.
При
работе
со
скоростью
порядка
нескольких
мегабит
в
секунду
экспериментальная установка Millipede потребляет около 100 мВт, что
сопоставимо
с
энергозатратами
значительно
меньше
современных
аналогичного
параметра
модулей
устройств,
флэш-памяти
и
использующих
магнитную запись.
7.5.5. Молекулярная память
Если предыдущий подход к совершенствованию систем памяти можно
условно назвать эволюционным (путем масштабирования проводники становятся
все тоньше, также постепенно утончается слой полимера), то поистине
революционным является идея использования в качестве элементов электронной
техники молекул.
Уже относительно давно был создан прототип системы памяти, использующей
в качестве ячеек молекулы протеина, который называется бактериородопсин
(bacteriorhodopsin). Он имеет пурпурный цвет, поглощает свет и присутствует в
мембране
микроорганизма,
называемого
halobacterium
halobium.
Этот
микроорганизм был обнаружен в соляных болотах, где температура может
достигать +150 °С. Когда уровень содержания кислорода в окружающей среде
122
настолько низок, что для получения энергии невозможно использовать дыхание
(окисление), он для фотосинтеза использует протеин.
Бактериородопсин был выбран потому, что фотоцикл (последовательность
структурных изменений, которые молекула претерпевает при реакции со светом)
делает эту молекулу идеальным логическим запоминающим элементом типа «&»
или типа переключателя из одного состояния в другое (триггер). Как показали
исследования, bR-состояние (логическое значение «0») и Q-состояние (логическое
значение «1») являются промежуточными состояниями молекулы и могут
оставаться стабильными в течение многих лет. Это свойство, в частности
обеспечивающее удивительную стабильность протеина, и было приобретено
эволюционным путем в борьбе за выживание в суровых условиях соляных болот.
Другой важной особенностью бактериородопсина является то, что эти два
состояния имеют заметно отличающиеся спектры поглощения. Это позволяет
легко определить текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного
на соответствующую частоту. Данные, записанные в таком запоминающем
устройстве, могут сохраняться приблизительно пять лет.
Был построен прототип системы памяти, в котором бактериородопсин
запоминает данные в трехмерной матрице (рис. 7.5.11).
Такая матрица представляет собой кювету (прозрачный сосуд), заполненную
полиакридным гелем, в который помещен протеин. Кювета имеет продолговатую
форму размером 1х1х2 дюйма. Протеин, который находится в bR-состоянии,
фиксируется в пространстве при полимеризации геля. Кювету окружают батарея
лазеров и детекторная матрица, построенная на базе прибора, использующего
принцип зарядовой инжекции (CID
Charge Injection Device), которые служат для
записи и чтения данных.
При записи данных для перевода молекул в Q-состояние сначала надо
использовать
желтый
«страничный»
лазер.
Пространственный
световой
модулятор (SLM), который, как говорилось ранее, представляет собой LCDматрицу, создающую маску на пути луча, вызывает возникновение активной
(возбужденной) плоскости в материале внутри кюветы
123
Рис. 7.5.11. Устройство молекулярной памяти
Эта энергоактивная плоскость представляет собой страницу данных, которая
может вмещать массив размером 4096х4096 ячеек.
Для
возврата
протеина
в
состояние
покоя
используется
красный
записывающий лазер, располагаемый под прямым углом по отношению к
желтому. Второй SLM также управляется матрицей двоичных данных и, таким
образом, создает на пути луча соответствующую маску, поэтому облучению
подвергнутся только определенные точки страницы. Молекулы в этих местах
перейдут в Q-состояние и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся
часть страницы возвратится в первоначальное bR-состояние и будет представлять
двоичные нули. Для того чтобы прочитать данные, надо опять использовать
страничный лазер, который переводит читаемую страницу в Q-состояние. Это
делается для того, чтобы в дальнейшем с помощью различия в спектрах
поглощения
идентифицировать
двоичные
нули
и
единицы.
Через
две
миллисекунды после этого страница облучается красным лазером низкой
интенсивности излучения. Низкая интенсивность нужна для того, чтобы
предупредить переход молекул в Q-состояние. Молекулы, представляющие
двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу
— не реагируют на него. Это создает «шахматный» рисунок из светлых и темных
пятен на LCD-матрице, которая считывает страницу цифровой информации.
124
Для стирания данных достаточно короткого импульса синего лазера, чтобы
вернуть молекулы из Q-состояния в исходное bR-состояние. Синий свет не
обязательно должен идти от лазера
можно стереть всю кювету с помощью
обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности данных
при выборочном стирании страниц применяется кэширование нескольких
смежных страниц. При операциях чтения-записи, чтобы защититься от ошибок,
используется код с общей проверкой на четность. Страница данных может быть
прочитана без разрушения до 5000 раз. Каждая страница отслеживается
счетчиком, и если происходит 1024 чтения, то страница «освежается»
(регенерируется) с помощью новой операции записи.
Суммарное время выполнения операции чтения или записи составляет около
10 мс. По аналогии с системой голографической памяти устройство осуществляет
параллельный доступ в цикле чтения-записи, что позволяет рассчитывать на
общую скорость до 10 Мбит/с.
Предполагается, что если объединить по восемь запоминающих битовых ячеек
в байт с параллельным доступом, то можно достигнуть скорости 80 Мбит/с, но
для такого способа необходима соответствующая схемотехническая реализация
подсистемы памяти.
Предложенная система по быстродействию близка к полупроводниковой
памяти. Теоретически кювета, содержащая протеин, может вместить около одного
терабита данных. Ограничения на емкость связаны, в основном, с проблемами
линзовой системы и качеством протеина.
Такая
молекулярная
определенными
память
преимуществами
«первого
по
поколения»
сравнению
с
уже
обладает
традиционной
полупроводниковой памятью.
Во-первых, она основана на протеине, который производится в большом
количестве и по невысокой цене, чему способствуют достижения генной
инженерии.
Во-вторых, система может функционировать в более широком диапазоне
температур, чем существующая полупроводниковая память.
125
В-третьих, такая память энергонезависима.
Наконец, кюветы с данными можно долго и безопасно хранить.
Следующим шагом в развитии молекулярной памяти явилось исследование
свойств отдельных молекул, способных находиться в бистабильном состоянии и
управляемых не оптически, а электрически.
Впервые идея использования молекул ДНК в качестве ячеек памяти была
представлена в статье Л. Адлемана (L. Adleman) в журнале Science в 1994 году.
Использовался тот факт, что природа молекул ДНК такова, что их взаимодействие
обеспечивает
возможность
наличия
четырех
различных
фаз
одной
последовательности молекул. Подобно этому молекулы типа РНК и белки
(протеины),
способные
создавать
подобные
структуры,
также
можно
использовать в этих целях.
7.5.6. Нанотехнологии. Углеродные нанотрубки
Параллельным исследовательским процессом, не менее важным, чем поиск
молекулярных
способных
ячеек
выступать
памяти,
в
явилось
качестве
создание
элементов
углеродных
электронных
нанотрубок,
устройств
в
нанотехнологии.
Революцию в микроэлектронике может осуществить моноокись углерода
(carbon monoxide)
ядовитое вещество, называемое угарным газом. Молекулы
СО в присутствии железного катализатора при достаточно высокой температуре
образуют шестиугольные молекулы из атомов углерода, которые затем
формируют упорядоченную пленку, из которой создаются бесшовные цилиндры
нанотрубки. Хотя они могут содержать миллионы атомов, их размеры не
превышают размеров точки в конце этого предложения. Тем не менее нанотрубка
единая молекула. Более прочная, чем сталь, данная конструкция одновременно
объединяет свойства меди и кремния.
126
Простым и эффективным решением явилось использование прямоугольной
сетки нанотрубок одновременно в качестве матрицы ячеек памяти и устройств
ввода-вывода. Такая структура обеспечивает бистабильное электростатически
переключаемое состояние в каждом пересечении сетки нанотрубок. Детальный
анализ показал, что сила упругости, возникающая в момент, когда верхняя
нанотрубка максимально удалена от нижней, и силы Ван дер Ваальса,
возникающие при сближении трубок в точке их пересечения, определяют два
ярко выраженных энергетических состояния ячейки памяти. В первом состоянии
переходное сопротивление между нанотрубками велико, во втором состоянии —
мало. Обеспечивая электрически притягивающие и отталкивающие силы между
нанотрубками, можно вводить данные. Так как электростатическое воздействие
прикладывается только к концу конкретной нанотрубки, а не к каждой ячейке
памяти, проблема соединения «макромира» и «микромира» в значительной мере
будет решена.
Проблемой является заданная ориентация нанотрубок и их соединение. Эта
задача решается химическим путем так, что на нанотрубках закрепляются
химические «бирки», которые самоорганизуют нанотрубки в необходимые
конструкции
(рис.
7.5.12).
Данный
процесс
назван
«избирательной
функциональностью» (selective functionalization).
Бирки
притягивают
или
отталкивают
концы
нанопроводников
и
нанополупроводников, создавая функциональные цепи. Однако ряд ученых
полагает, что решение такой задачи не под силу современной химии. Они
считают, что достаточно для начала хотя бы дополнить существующие
предельные кремниевые технологии нанотехнологиями на основе нанотрубок.
Таким образом, нанотрубки могут сами явиться материалом для создания
элементов микроэлектронной техники, кроме того, как проводники они
потенциально могут обеспечить электрическую связь молекулярных устройств с
«внешним миром».
127
Рис. 7.5.12.Схема работы ячейки памяти на основе сети нанотрубок:
а) общий вид сетки нанотрубок;
б) исходное состояние, силы упругости не позволяет нанотрубкам касаться
друг друга – большое электрическое сопротивление;
в) после подачи электрического потенциала трубки притянулись друг к другу
и остались в таком положении из-за воздействия сил Ван-дер-Ваальса – малое
электрическое сопротивление контакта.
128
Глава 1 Запись аудиоинформации на компакт-диск...................................................... 1
1.1. Принципы записи с использованием импульсно-кодовой модуляции .....................................2
1.2. Структура записываемой информации ........................................................................................5
1.2.1. Формирование кадра записи. .................................................................................................5
1.2.2. CIRC-кодер...............................................................................................................................7
1.2.3. Сервисная информация в кадре записи. ..............................................................................10
1.2.4. Канальное кодирование ........................................................................................................10
1.2.5. Данные субкода .....................................................................................................................13
Глава 2. Декодирование информации, записанной на компакт-диске ...................... 14
2.1. Демодуляция EFM сигналов .......................................................................................................15
2.2. CIRC-декодер ................................................................................................................................18
2.3. Скоростная выборка сигнала ......................................................................................................21
2.4. Демультиплексирование и цифроаналоговая обработка сигналов .........................................23
2.5. Обработка данных субкода .........................................................................................................25
Глава 6. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПРОИГРЫВАТЕЛЕЙ И
КОМПАКТ-ДИСКОВ ..................................................................................................... 26
6.1 Технология DVD ...........................................................................................................................27
6.1.1. Технические характеристики. ..............................................................................................27
6.2. Стандарты и спецификации. Области применения DVD .........................................................29
6.3. Физические параметры DVD ......................................................................................................31
6.4. Стандарты DVD дисков ...............................................................................................................34
6.4.1. Стандарт DVD-R ...................................................................................................................34
6. 4.2. Стандарт DVD-RW...............................................................................................................35
6. 4.3. Стандарт DVD+RW ..............................................................................................................36
6.4.4. Стандарт DVD+R ..................................................................................................................39
6.4.5. Технология двухслойного DVD+R ......................................................................................40
6.4.6. Стандарт DVD-RAM. ............................................................................................................41
6.5. Форматы, файлы и конструктивные особенности DVD-дисков .............................................43
6.5.1. Форматы и файлы DVD-дисков ...........................................................................................43
6.5.2. Файловая система DVD-Video .............................................................................................46
6.5.3. Основные черты DVD-диска. ...............................................................................................49
6.5.4. Конструктивные особенности ..............................................................................................50
6.6. Стандарты записи видео на DVD ...............................................................................................53
6.6.1. Кодирование видеосигнала (стандарт MPEG-2) ................................................................54
6.6.2. Цифровой звук (Digital Surround Sound, Dolby AC-3) .......................................................56
6.6.3. Дополнительные субтитры ...................................................................................................58
6.6.4. DVD-ROM – носитель для мультимедиа ............................................................................58
Глава 7. HD DVD, BD КАК БАЗОВЫЕ НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ ................... 60
7.1. Спецификации записи и воспроизведения HD-DVD ................................................................60
7.2. Основные параметры Blu-ray Disc (BD) ....................................................................................63
7.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ BD .........................70
7.3.1. Технологии записи и чтения ....................................................................................................70
7.3.1.1. Форма сигнала записи ........................................................................................................71
7.3.1.2. Формат трекинга.................................................................................................................73
7.3.2. Модулирующий код BD ...........................................................................................................73
7.3.3. Формат исправления ошибок BD ............................................................................................76
7.3.4. Синхронизация и адресация с использованием модуляции дорожек ..................................79
7.3.4.1. Принципы синхронизации и адресации с использованием модуляции дорожек. .......79
7.3.4.2. Конфигурация секций ADIP и характеристики модуляции. ..........................................81
129
7.3.4.3. Методы детектирования и свойства MSK и STW ...........................................................82
7.3.5. Проблемы создания универсального проигрывателя CD/DVD/BD .....................................84
7.3.5.1. Объектив с изменяющимся увеличением. .......................................................................85
7.3.5.2. Дифракционные оптические элементы ............................................................................85
7.3.5.3. Голографические оптические элементы. .........................................................................87
7.4. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ДИСКИ MINIDISC (MD) .............................................................89
7.4.1. Введение и основные характеристики системы MD .............................................................89
7.4.2. Концепция и спецификации .....................................................................................................89
7.4.3. Функции случайного доступа ..................................................................................................92
7.4.4. Формат записи сигналов ...........................................................................................................93
7.4.5. Cжатие данных ATRAC ............................................................................................................94
7.4.6. Конструкция перезаписываемых MD ......................................................................................95
7.4.7. Перезапись модуляцией магнитного поля ..............................................................................95
7.4.8. Магнитная перезаписывающая головка ..................................................................................96
7.4.9. Надежность и долговечность ...................................................................................................97
7.4.10. Приложения MD ......................................................................................................................98
7.4.11. Технология MD с повышенной плотностью HS ................................................................ 100
7.4.11.1. Модуляция магнитного поля с лазерным стробированием .......................................100
7.4.11.2. Дискретный формат сервоинформации .......................................................................103
7.4.11.3. Эксплуатационные характеристики диска и дисковода MD-HS ............................... 105
7.5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ЗАПИСИ И АРХИВНОГО ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
.............................................................................................................................................................108
7.5.1. Перспективные технологии магнитной записи ....................................................................109
7.5.1.1. Технология AFC ...................................................................................................................110
7.5.1.2. Технология PMR...................................................................................................................111
7.5.1.3. Технология HAMR. ..............................................................................................................113
7.5.1.4. Структурированные магнитные среды. .........................................................................114
7.5.2. Перспективные технологии оптической записи ..................................................................116
7.5.3. Твердотельные диски ..............................................................................................................118
7.5.4. Полимерная память .................................................................................................................119
7.5.5. Молекулярная память .............................................................................................................122
7.5.6. Нанотехнологии. Углеродные нанотрубки ...........................................................................126
130
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа