PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Устройства оптического хранения данных

Оптические технологии на основе компакт-дисков

Массовое производство CD-ROM

При массовом коммерческом производстве компакт-диски изготавливаются штамповкой или прессованием, а не выжиганием с помощью лазера, как многие считают (см. рисунок ниже). Хотя лазер и применяется для вытравливания данных на стеклянном мастер-диске, покрытом светочувствительным материалом, непосредственно выжигать диски при выпуске сотен или тысяч копий было бы, по меньшей мере, непрактично.

Ниже представлены основные этапы производства компакт-дисков.

  1. Нанесение фоторезисторного слоя. Круглая пластина из полированного стекла диаметром 240 мм и толщиной 6 мм покрывается слоем фоторезистора толщиной около 150 микрон, после чего обжигается при температуре 80°С (176°F) в течение 30 минут.
  2. Лазерная запись. Лазерный самописец (Laser Beam Recorder — LBR) посылает импульсы синего или фиолетового света, которые засвечивают и размягчают определенные участки фоторезисторного слоя стеклянного мастер-диска.
  3. Формирование мастер-диска. Обработанный стеклянный диск погружается в раствор гидрооксида натрия (едкого натра), который растворяет экспонированные лазером участки, формируя тем самым впадины в фоторезисторном слое.
  4. Электролитическое формование. С помощью процесса, называемого гальванопластикой, ранее подготовленный мастер-диск покрывается слоем никелевого сплава. В результате создается металлический мастер-диск, получивший название родительского диска (father).
  5. Разделение мастер-диска. Затем металлическая матрица отделяется от стеклянного мастер-диска. Она представляет собой металлический мастер-диск, который уже может использоваться для изготовления небольших партий дисков, так как матрица изнашивается очень быстро. Разделение мастер-диска зачастую приводит к повреждению стеклянной основы, поэтому методом гальванопластики создается еще несколько негативных копий диска (которые называются материнскими). Негативные копии мастер-диска впоследствии применяются для создания рабочей матрицы, используемой в процессе массового тиражирования компакт-дисков. Это позволяет штамповать большое количество дисков без повторения процесса формирования стеклянного мастер-диска.
  6. Штамповка диска. Металлическая рабочая матрица применяется в литейной машине для формирования принципа отображения данных (впадин и площадок) в расплавленной поликарбонатной массе объемом около 18 граммов при температуре 350°C (или 662°F). При этом сила давления достигает примерно 20000 фунтов на квадратный дюйм. Как правило, в современных термических штамповочных прессах на изготовление каждого диска уходит не более трех секунд.
  7. Металлизация. Для создания отражательной поверхности на отштампованный диск посредством напыления наносится тонкий (0,05–0,1 микрона) слой алюминия.
  8. Защитное покрытие. Для защиты алюминиевой пленки от окисления на металлизированный диск с помощью центрифуги наносится тонкий (6–7 микрон) слой акрилового лака, затвердевающего под действием ультрафиолетовых лучей.
  9. Конечный продукт. В завершение на поверхность диска методом трафаретной печати наносится текст этикетки или какое-либо изображение, также высыхающее под действием ультрафиолетовых лучей.

Процесс изготовления дисков данных CD-ROM и музыкальных компакт-дисков практически одинаков.

Впадины и площадки

Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного от металлической поверхности диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный фоторецептор улавливает отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), всегда отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, не отражается.

Диск вращается над лазером и приемником отраженного луча (рецептором). Лазер непрерывно излучает свет, а рецептор воспринимает набор отраженных световых вспышек, повторяющих рисунок впадин и площадок, по которым проходит лазерный луч. Всякий раз, когда луч лазера пересекает границы впадины, изменяется состояние отраженного сигнала. Каждое изменение отраженного сигнала, вызванного пересечением границы впадины, преобразуется в бит со значением 1.

Микропроцессоры накопителя пересчитывают переходы “светлый/темный” и “темный/светлый” (т.е. границы впадины) в единицы (1); область, не содержащая переходов, представляется нулем (0). Полученный набор двоичных разрядов затем преобразуется в данные или звук.

Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт-диска, равна 0,125 микрона, а их ширина — 0,6 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет 0,9 микрона, максимальная — 3,3 микрона (см. рисунок ниже).

Высота впадины относительно плоскости площадки имеет особое значение, так как она непосредственно связана с длиной волны луча лазера, используемого при чтении диска. Высота впадины (штриха) составляет ровно 1/4 часть длины волны лазерного луча. Таким образом, луч лазера, попавший на площадку, проходит расстояние, которое на половину длины волны (1/4 + 1/4 = 1/2) больше расстояния, пройденного лучом, отразившимся от впадины. Это означает, что световой луч, отраженный от впадины, на 1/2 длины волны не совпадает по фазе со световыми лучами, отражаемыми от поверхности диска. Волны, находящиеся в противофазе, гасят одна другую, тем самым значительно уменьшая количество отражаемого света. В результате впадины, несмотря на покрытие металлической отражающей пленкой, становятся “черными” (т.е. не отражающими свет).

Считывающее устройство, используемое в дисководе CD, представляет собой маломощный лазер с длиной волны 780 нм (нанометров) и мощностью около 1 мВт (милливатт). Поликарбонатная пластмасса, используемая при изготовлении компакт-дисков, имеет коэффициент преломления 1,55. Таким образом, свет проходит через пластмассу диска в 1,55 раза медленнее, чем через окружающую среду. Так как частота света остается постоянной, это приводит к сокращению длины волны в пределах диска с тем же коэффициентом. Следовательно, длина волны, равная 780 нм, уменьшается до 500 нм (780/1,55 = 500 нм). Одна четвертая часть от 500 нм равна 125 нм, или 0,125 микрона, что составляет высоту впадины (штриха).


Примечание!

Устройства, предназначенные для двух типов оптических носителей — CD и DVD, — оснащены двумя лазерами. Первый имеет длину волны 780 нм, а второй — 650 нм. Так что выход из строя одного из лазеров приведет к невозможности работы с определенным типом носителей, в то время как другой тип дисков будет считываться, как ни в чем ни бывало.

Дорожки и секторы

Впадины (штрихи) образуют единственную спиральную дорожку с расстоянием 1,6 микрона между витками, что соответствует плотности дорожек 625 витков на миллиметр или 15875 витков на дюйм. Стандартный 74-минутный (650 Мибайт) диск в целом содержит 22188 витков. В современных 80-минутных дисках применяется повышенная плотность, за счет чего образуется некоторый выигрыш в емкости. В табл. 11.1 более подробно описаны отличия между 74- и 80-минутным компакт-дисками.

Диск разделен на шесть основных областей.

  • Область фиксирования (посадки) диска. Представляет собой центральную часть компакт-диска с отверстием для вала проигрывателя. Эта область не содержит какойлибо информации или данных.
  • Область калибровки мощности (PCA). Используется только дисководами перезаписываемых дисков для определения мощности лазера, необходимой для оптимального прожига диска. Тестирование области калибровки каждого диска CDR или CD-RW может проводиться до 99 раз.
  • Программируемая область памяти (PMA). Существует только на перезаписываемых дисках (CD-R/RW) и представляет собой зону, используемую для записи временной таблицы оглавления (TOC). После завершения сеанса записи информация ТОС переписывается на нулевую дорожку.
  • Нулевая дорожка. Содержит оглавление диска (или сеанса) в кодировочном канале Q. Оглавление включает начальные адреса и длины всех дорожек (музыкальных или дорожек данных), общую длину программной области (области данных), а также информацию о каждом сеансе записи. Компакт-диск, записанный полностью за один сеанс (в режиме DAO), содержит только одну нулевую дорожку. Диски, записанные в течение нескольких сеансов, содержат несколько нулевых дорожек, которыми начинается каждый сеанс записи. Нулевая дорожка занимает 4500 секторов диска (одну минуту, если пользоваться единицами времени, или около 9,2 Мбайт данных). Нулевая
    строка указывает, является ли данный диск многосеансовым (т.е. многократно перезаписываемым); кроме того, она указывает на следующий адрес записи диска, если он не заполнен.
  • Программная (информационная) область. Начинается на расстоянии 25 мм от центра диска.
  • Конечная зона. Отмечает конец программной (информационной) области диска или же завершение сеанса записи на многосеансовом диске. Конечная зона не содержит каких-либо данных и используется только в качестве маркера. Первая конечная зона (или единственная, если диск записан в течение одного сеанса) занимает 6750 секторов (эквивалент 1,5 мин или около 13,8 Мбайт данных). Все последующие конечные зоны многосеансового диска занимают 2250 секторов (0,5 мин или около 4,6 Мбайт данных).

Область фиксирования диска, программная область, нулевая дорожка и конечная зона существуют на дисках любых типов. Кроме того, перезаписываемые компакт-диски (CD-R и CD-RW) дополнительно содержат область калибровки мощности и программируемую область памяти, которые находятся в начале диска.

Описанные области диска, изображенные в относительном масштабе, показаны на рисунке ниже.

Обычно спиральная дорожка стандартного диска CD-DA или CD-ROM начинается с нулевой дорожки и заканчивается конечной зоной, расположенной на расстоянии 58,5 мм от центра диска или 1,5 мм от его внешнего края. Длина спиральной дорожки достигает 5,77 км, или 3,59 миль. При использовании накопителя 56x CAV, имеющего постоянную угловую скорость, перемещение данных по отношению к лазеру происходит со скоростью 162,8 миль/ч (262 км/ч). Самое удивительное заключается в том, что, несмотря на довольно высокую скорость перемещения данных, лазерный датчик безошибочно считывает значения битов (переходы “впадина– площадка”), размеры которых не превышают 0,9 микрона, или 35,4 миллионной доли дюйма!

Спиральная дорожка разделена на секторы, частота следования которых при чтении или записи составляет 75 секторов в секунду. Таким образом, на диске, содержащем в общей сложности 74 мин. информации, может находиться максимум 333000 секторов. Каждый сектор, в свою очередь, разделен на 98 отдельных блоков (кадров) информации. Каждый кадр содержит 33 байт, из которых 24 байт являются звуковыми данными, 1 байт содержит кодовую служебную информацию, а 8 байт используются для хранения данных, получаемых при коррекции четности/кода ошибок (ЕСС).

Дискретизация

Во время записи музыкальных компакт-дисков происходит дискретизация данных с частотой 44100 тактов в секунду (Гц). Каждая выборка (sample) звуковых данных имеет отдельный компонент левого и правого каналов (стерео), причем каждый компонент канала преобразован в 16-разрядное число. Таким образом, возможно 65536 разных значений, которые представляют амплитуду звуковой волны канала в определенный момент.

Частота дискретизации определяет диапазон звуковых частот, которые могут быть представлены в цифровой записи. Чем выше частота дискретизации волны, тем ближе полученный результат к оригиналу. Теорема Найквиста–Котельникова гласит, что для точного восстановления исходного сигнала частота дискретизации должна быть по крайней мере вдвое выше наиболее высокой частоты, существующей в выборке. Это объясняет, почему компании Philips и Sony при создании компакт-дисков выбрали частоту дискретизации, равную именно 44100 Гц: она позволяет максимально точно воспроизвести звуки частотой до 20000 Гц, что является верхним пределом слышимости человеческого уха.

Звуковые секторы содержат 98 блоков по 33 байт, что составляет 3234 байт. Из них только 2352 байт фактически являются звуковыми данными. Остальные байты распределены следующим образом: 98 байт подкодовых (по одному байту на каждый блок) и 784 байт, используемых для контроля четности и коррекции ошибок (ECC).

Подкоды

Байты подкода позволяют накопителю находить песни (которые иногда называются звуковыми дорожками), расположенные на спиральной дорожке, а также служат для передачи дополнительной информации, относящейся к компакт-диску. В каждом блоке (кадре) хранится 1 байт подкода, что составляет в общей сложности 98 байт подкода в каждом секторе. Из них 2 байт используются в качестве маркеров стартового и конечного блоков, а оставшиеся 96 байт применяются для хранения данных подкода. Эти байты, в свою очередь, разделены на восемь 12-байтовых блоков, каждому из которых присваивается буквенное обозначение P–W. Каждый подкодовый канал может содержать около 31,97 Мбайт данных, что составляет примерно 4% от общей емкости музыкального диска. Интересно, что подкодовые данные равномерно распределены по всему объему диска. Другими словами, подкодовые данные содержатся почти в каждом секторе компакт-диска.

Блоки подкода P и Q имеются на дисках практически любого типа, а блоки R–W используются только в компакт-дисках формата CD+G или CD TEXT (т.е. графического и текстового типов).

Подкод P используется для идентификации начала звуковых дорожек компакт-диска.

Подкод Q, в свою очередь, содержит множество различных данных, которые определяют ряд условий.

  • Наличие звуковых (CD-DA) или информационных (CD-ROM) данных сектора. Это позволяет предотвратить попытки “проигрывания” накопителем дисков данных CD-ROM, что может привести к повреждению акустической системы.
  • Наличие двух- или четырехканальных звуковых данных. Последние используются очень редко.
  • Возможность цифрового копирования. К накопителям CD-R и CD-RW это не относится. Данный параметр использовался в накопителях DAT (Digital Audio Tape) для предотвращения копирования цифровых аудиокассет.
  • Использование коррекции искажений при записи музыки. Это методика уменьшения шипения или другого шума.
  • Расположение звуковой дорожки (песни) на диске.
  • Номер звуковой дорожки (песни).
  • Минуты и секунды, а также номер кадра от начала звуковой дорожки (песни).
  • Обратный отсчет в промежутке между звуковыми дорожками (песнями).
  • Минуты и секунды, а также номер кадра от начала первой дорожки (песни).
  • Штриховой код компакт-диска.
  • Международный стандартный код записи (ISRC). Этот код уникален для каждой звуковой дорожки (песни) компакт-диска.

Подкоды R–W используются в графических дисках формата CD+G для хранения графических и текстовых данных. Это позволяет отображать во время воспроизведения звуковых файлов ограниченный объем графической и текстовой информации. Такие же подкоды используются в дисках CD TEXT для хранения информации, относящейся к диску и звуковым дорожкам, которая применяется в стандартных музыкальных компакт-дисках. Это позволяет воспроизводить стандартные диски на CD-совместимых аудиопроигрывателях. Данные CD TEXT хранятся в виде символов ASCII в каналах R–W, расположенных на нулевой дорожке, а также в программной области компакт-диска. Подкоды, находящиеся на нулевой дорожке диска CD TEXT, содержат текстовую информацию о содержании диска, например название музыкального альбома и песен, а также имена исполнителей. Подкоды, включенные в программную область диска, в свою очередь, содержат текстовую информацию, относящуюся к воспроизводимой в данный момент звуковой дорожке (песне). Сюда входит название дорожки, имена авторов, исполнителей и т.п. Данные CD TEXT повторяются на каждой дорожке, что позволяет сократить время задержки при поиске данных.

Совместимые с CD TEXT проигрыватели обычно включают в себя текстовый дисплей, предназначенный для отображения дополнительной информации. Существует множество различных дисплеев, начиная от одно- или двухстрочного 20-символьного, который используется во многих современных автомобильных радио/CD-плеерах системы RBDS (Radio Broadcast Data System), и заканчивая дисплеями, содержащими до 21 строки 40-цветных, алфавитно-цифровых или графических символов, которые предназначены для домашних или компьютерных проигрывателей. В спецификации также учитывается дальнейшее развитие стандарта CD TEXT, например вывод изображений формата JPEG. Для просмотра текста в дисплеях может использоваться интерактивное меню.


Примечание!

Современные версии проигрывателя Windows Media не поддерживают диски CD TEXT ни для записи, ни для воспроизведения. В то же время с этими дисками работают такие популярные программы, как VuPlayer (www.vuplayer.com), RealPlayer (www.realplayer.com) и Winamp (www.winamp.com). Среди приложений для создания дисков CD TEXT можно выделить Nero версий 6 и 7 (www.nero.com), а также Roxio Easy Media Creator 7.5, 8.0 и 9.0 (www.roxio.com).

Шины Dunlop SP SPORT MAXX R20 245/35 95Y: шины 8.25 r20. Купите шины. Грузовые шины Kelly (Келли: 385 65 22.5 рулевая. Шины для вилочных погрузчиков.