статья с сайта http://naf-st.narod.ru/

Система "Компакт-диск"

 

Принято считать, что компакт-диск (КД) появился вследствие интенсивного совершенствования граммзаписи. В любом случае, возникновение компакт-диска стало возможным благодаря успехам сразу в нескольких областях науки и техники: информатике, микроэлектронике, лазерной технике, оптоэлектронике, точной механике, микропроцессорной технике. Что ж такое компакт-диск мы и будем потихоньку разбирать.

Систему "компакт-диск" можно разделить на две системы - записи и воспроизведения. Сам компакт-диск имеет диаметр 12 мм (примерно в 3 раза меньше обычной граммпластинки), толщину 1,2 мм, массу 10 г. Запись на диск выполняется только на одной стороне.

Воспроизведение компакт-диска осуществляется на специальном проигрывающем устройстве, где вместо иглы применен лазерный луч.

Внешне поверхность компакт-диска блестящая, как зеркало (хотя бывают и с темной поверхностью), совершенно гладкая, без каких-либо канавок. Если взглянуть в микроскоп, то станут заметны мельчайшие продолговатые углубления (питы, от буржуйского pit - ямка, углубление), образующие дорожку записи. Все они имеют одинаковую глубину 0,1 мкм и ширину 0,5 мкм, изменяется лишь их длина - от 0,9 до 3,3 мкм. Расстояние между питами 0,5 мкм, шаг записи - 1,5 мкм (в 50 раз плотнее, чем у обычной пластинки).

В разрезе диск показан на рис. 1. Он состоит из пластмассовой прозрачной подложки 1, несущей информацию, алюминиевой отражающей пленки 2, нанесенной на подложку, лакового непрозрачного защитного слоя 3 с этикеткой. Цифрой 4 обозначены питы, образующие дорожку записи.

Рис. 1 - Компакт-диск

 

Дорожка записи с питами находится внутри диска и предохранена от повреждения, неправлена по спирали от центра к краю диска. Внутренний диаметр зоны записи равен 45 мм, наружный - 116мм.

Всего концентрических дорожек с информацией около 20 000, общая длина примерно 5 км. На каждом миллиметре по радиусу умещается около 700 витков спирали - примерно в 70 раз больше, чем на обычной пластинке. Информация с диска считывается бесконтактным способом с помощью лазерного луча. Вопрос о сохранности пластинки, как уберечь её от "запиливания" отпадает сам собой.

Компакт-диск не боится пыли, отпечатков пальцев (в разумных пределах), мелких царапин. Все дело в том, что если на информационном слое диска луч фокусируется в пятно размером около одного микрона (1 мкм), то на наружной поверхности диска размер его возрастает в тысячу раз - до 1 мм и мелкие дефекты на поверхности диска луч просто не замечает (рис. 2). Информационная емкость КД огромна - 5 миллиардов бит (на обычной пластинке - десятки миллионов бит). Все эти биты разделены на группы по 16 бит, представляющие собой единицу кодирования звука.

Рис. 2 - Эффект фокусирования луча на дорожке записи

 

Параметры кодирования информации компакт-диска соответствуют международному страндарту цифровой звукозаписи - частота дискретизации 44,1 кГц, число разрядов 16. На диске имеется три области: записи сигналов вводной, выводной дорожки, программной записи.

В области вводной дорожки записываются управляющие сигналы, сигналы коррекции ошибок и другая служебная информация. При считывании "оглавления" диска выдается номер и время начала записанного музыкального произведения и обеспечивается непосредственный доступ к выбранному музыкальному произведению.

В программной области помимо основной стереопрограммы в промежутках записываются справочные данные, касающиеся номера музывальных произведений, время звучания (время записывается в минутах и секундах). В области выводной дорожки записываются управляющие сигналы на окончание цикла воспроизведения.

Из-за брака при прессовании или попадании пыли на информационную дорожку в цифровую запись компакт-диска могут вкрасться ошибки. Чтобы они не влияли на качество записи, предусмотрено помехоустойчивое кодирование информации.

Как-то в литературе высказывалось о том, что применяемый в системе компакт-диск метод позволяет исправлять группы ошибок длиной до 3548 бит, что соответствует 2,38 мм поверхности диска. Это якобы означает, что на диске можно просверлить отверстие диаметром 2,38 мм и это никак не отразится на качестве воспроизводимого сигнала. Кому интересно, может проверить, хотя не советую поганить компашку.

Имеется возможность записи на компакт видеоинформации. Это позволяет одновременно с воспроизведением звука получать на экране цветного телевизионного приемника неподвижное изображение в виде одиночных кадров - названия музыкального произведения, стихов исполняемой песни, тематического видеосопровождения. Для этой цели используется служебная информация.

С учетом всех дополнительных операций кодирования цифровой информации общая скорость цифрового потока, подлежащая записи, составляет 4,32 Мбит/с.

Сформированная таким образом программная и служебная информация записывается на цифровом магнитофоне. Полученную магнитофонную сигналограмму называют мастер-лента, она является информационным подлинником КД.

При воспроизведении звуковой компакт-диск вращается с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocuty - CLV), при которой скорость дорожки относительно воспроизводящей головки приблизительно равна 1.25 м/с. Система стабилизации скорости вращения поддерживает ее на таком уровне, чтобы обеспечить скорость считанного цифрового потока равной 4.3218 Мбит/с, поэтому в зависимости от длины питов и промежутков действительная скорость может изменяться. Угловая скорость диска при этом изменяется от 500 об/мин при чтении самых внутренних участков дорожки до 200 об/м на самых внешних.

Для считывания информации с диска используется полупроводниковый лазер с длиной волны около 780 нм (инфракрасный диапазон). Луч лазера, проходя через фокусирующую линзу, падает на отражающий слой, отраженный луч попадает в фотоприемник, где происходит определение питов и промежутков, а также проверка качества фокусировки пятна на дорожке и его ориентации по центру дорожки. При нарушении фокусировки происходит перемещение линзы, работающей по принципу диффузора громкоговорителя (voice coil - звуковая катушка), при отклонении от центра дорожки перемещение всей головки по радиусу диска. В сущности, системы управления линзой, головкой и шпиндельным двигателем в приводе являются системами автоматической регулировки (САР) и находятся в режиме постоянного слежения за выбранной дорожкой.

Качество воспроизведения с новых дисков беспрецендентно для бытовой аппаратуры, и именно оно, а не компактность и удобство хранения является основным их достоинством. Цифровые пластинки обеспечивают воспроизведение в максимально возможной полосе частот 20...20 кГц при динамическом диапазоне более 80 дБ, при полном отсутствии импульсных помех (щелчков, потрескиваний) и шумов, характерных для обычных граммпластинок. Практически осуществляется полное разделение стереоканалов (лучшая передача стереофонической картины).

Введение. Появление компакт-диска

 

Компакт-диск был задуман как носитель звуковой информации, однако его предшествинником с большим основанием все же следует считать лазерный видеодиск системы Laser Vision, а вовсе не виниловую грампластинку. Именно в процессе развития дисковой видеозаписи была отработана технология лазерной записи информации на оптический носитель, технология изготовления самого диска и способы конструирования сервосистем таких проигрывателей.

Первые работы по оптической записи информации на дисковый носитель начались в 1961 году в стенах Стэнфордского университета в США. Запись информации осуществлялась фотографическими методами в виде светлых точек и черточек на темном фоне. Воспроизведение такой записи производилось путем просвечивания видеодиска лучом ртутной лямпы.

В дальнейшем развитие видеодисков пошло по четырем основным направлениям.

Первым был разработан механический способ видеозаписи в 1970 году. Способ, разработанный западногерманской фирмой TELEFUNKEN и английской фирмой DECKA, состоял в том, что видеосигнал записывался на хлорвиниловый диск диаметром 21 см и толщиной 1,2 мм в виде мелких зубчиков на стенках V-образной канавки. Воспроизведение такой записи осуществлялось, как и в обычной грамзаписи, с помощью алмазной иглы. Запись механических дисков-оригиналов производилась так же, как и запись оригиналов для аналоговых грампластинок - путем вырезания канавки на диске с лаковым покрытием. Тиражирование таких видеодисков производилось так же и на том же оборудовании, что и долгоиграющие грампластинки.

Второй способ видеозапси - емкостной - предложен в 1972 году американской фирмой RCA. Запись информации при этом способе аналогична записи механического видеодиска - с помощью резца, соединенного с пьезоэлементом. Осуществлялась она на алюминиевый диск, покрытый медью. Затем по первому оригиналу делали матрицу, а по ней из хлорвинила формировали видеодиски. Готовые видеодиски покрывались сначала тонкой металлической пленкой, а потом диэлектрическим защитным слоем.

Воспроизведение такой записи заключаслось в изменении электрической емкости между электродом, расположенным на кончике воспроизводящей иглы, и металлической пленкой видеодиска. Там, где на поверхности видеодиска выступ - расстояние между ними уменьшалось и емкость, соответственно, увеличивалась. Там, где на диске углубление - расстояние увеличивалось, а емкость уменьшалась. С этой емкостью была соединина внешняя индуктивность, образуя резонансный контур. На контур подавалось переменное напряжение с частотой 915 МГц. Изменение емкости изменяло резонансную частоту контура и модулировало по амплитуде несущее колебание, что и обеспечивало возможность выделения видеосигнала.

Третий метод - оптический - разработан к 1972 году фирмой PHILIPS. Здесь записанный сигнал представлял собой ряд углублений на отражающей поверхности диска, покрытого алюминием. Диск изготовлялся из прозрачной пластмассы и считывание производилось сквозь всю его толщину (около 1 мм). Считывающий луч либо отражался от алюминиевого слоя, либо рассеивался на углублениях, модулируя таким образом отраженный пучок, который и использовался для формирования воспроизведенного сигнала.

Аналогичная система в 1972 году была предложена фирмой МСА. А в 1973 году французская фирма THOMSON разработала видеодиск, воспроизведение которого осуществлялось не в отраженном, а в проходящем свете. Здесь луч лазера, проходя сквозь диск и расположенную внутри него дорожку, освещал четырехплощадочный фотоприемник, регистрирующий информационный сигнал и синал автотрекинга.

Четвертый способ записи видеосигнала на диск - магнитный - разработан западногерманской фирмой BOGEN в 1973 году. Здесь для записи и воспроизведения использовался тот же принцип, что и в магнитной записи на ленту, только вместо ленты роль носителя выполнял магнитный диск с рабочим слоем на основе двуокиси хрома толщиной 12 мкм.

Все способы видеозаписи были доведены до промышленного производства и в течении более или менее продолжительного периода времени занимали свое место на рынке видеоносителей.

Первые цифровые звуковые диски, которые начали появляться с начала 1973 года, были очень похожи на предшествовавшие им видеодиски. Здесь было три направления в способах записи информации - механический, емкостный и оптический. Механический вариант предложила фирма TELEFUNKEN, емкостной - фирма NIPPON BIKUTA, а оптический - несколько фирм: PHILIPS, SONY, HITACHI, MITSUBISHI, SANYO и др.

Среди оптических проигрывателей самым похожим на нынешний проигрыватель компакт-дисков был образец фирмы PHILIPS. Диаметр диска составлял 12 см (у всех других - 30 см), время звучания - один час, использовался уже разработанный к тому времени канальный код EFM (8-14) (Eight to Fourteen Modulation) и способ воспроизведения с постоянной линейной скоростью.

В июне 1979 года между фирмами PHILIPS и SONY был заключен договор о проведении совместных работ по созданию системы оптической записи звука.

В октябре 1980 года по инициативе конференции по цифровой звукозаписи была организована выставка, где демонстрировались проигрыватели всех трех систем.

В апреле 1981 года представители 50 заинтересованных фирм на очередной конференции провели анализ положения на рынке сбыта каждой из предлагаемых систем звукозаписи.

На следующей выставке - в октябре 1981 года - оптические проигрыватели демонстрировали уже 16 фирм, и лишь две - емкостные.

Наиболее совершенной из всех оказалась система с оптическим диском, разработанная совместными усилиями SONY и PHILIPS. Небольшие размеры диска и использование полупроводникового лазера позволяли в будущем создавать малогабаритные аппараты невысокой стоимости. Кроме того, лазерный проигрыватель - единственный из всех, где считывание производится бесконтактным методом. Значит и диск, и считывающий узел при этом не изнашиваются, следовательно, и пластинка будет очень долговечной. Нельзя не учитывать и психологического воздействия на покупателя красивой, переливающейся всеми цветами радуги, зеркальной поверхности компакт-диска и необычным использованием в бытовой аппаратуре загадочного и непонятного для простого обывателя прибора - лазера. В результате к маю 1982 года фирмами SONY и PHILIPS был подготовлен проект международного стандарта на систему оптической звукозаписи "Компакт-диск". В это же время были завершены работы по созданию необходимых полупроводниковых лазеров и специализированных БИС цифровой обработки сигнала, которые являются основными элементами проигрывателей компакт-дисков.

К сентябрю того же года контракты на производство проигрывателей CD и самих компакт-дисков подписали уже 44 фирмы (из них только 11 - не японские). В октябре 1982 года стандарт на систему "Компакт-диск" был принят на конференции подкомитета 60А МЭК (Международной Электротехнической Комиссии) и компакт-диск начал свою экспансию по рынкам планеты.

Работы по созданию системы цифровой лазерной звукозаписи проводились и в нашей стране. В 1975 году в структуре ВНИИРПА им. А. С. Попова с этой целью была сформирована научно-исследовательская лаборатория под руководством Э. И. Вологдина.

Эксперименты по записи дисков проводились в специальном помещении, где поддерживалась идеальная чистота и которое было оборудовано системой очистки воздуха до уровня не более 100 пылинок на 1 м³ объема (так называемая "чистая комната").

В время работы над проигрывателем много усилий было потрачено на поиск оптимальных методов автофокусировки, автотрекинга и управления двигателем вращения диска. Сложность заключалась в том, что, поскольку полупровдниковых лазеров тогда ещё не было, для считывания пришлось использовать имевшийся в наличии газовый лазер ЛГ-75. В этих условиях конструкция сервосистем проигрывателя в корне отличалась от той, что стала традиционной после появления полупровдниковых лазерных диодов. Лазер был закреплен неподвижно, а диск располагался на подвижной каретке. Луч лазера направлялся к поверхности диска через сложную систему оптических элементов - линз, призм и зеркал. Ошибка слежения за дорожкой отрабатывалась путем перемещения каретки с диском.

Такое техническое решение (неподвижный лазер и подвижная каретка с диском) спустя 15 лет(!) было заново "изобретено" и широко разрекламировано в своих новейших моделях проигрывателей фирмой SONY как "Fixed pick Up" механизм.

Из-за того, что лабораторные образцы всегда делаются на дискретных элементах (специализированные микросхемы появляются только после того, как полностью закончены исследования и отработана схемотехника), они получаются довольно громоздкими. "ЛУЧ-001" состоял из друх блоков. Верхний блок (тот, где диск и лазер) содержал считывающий узел и все контролирующие его работу сервосистемы. Нижний блок - это декодер вместе с системами синхронизации. Он тоже выполнен на обычных серийных микросхемах.

Модель проигрывателя "ЛУЧ-002" демонстрировалась на ВДНХ. Специально для демонстрации на него записали лирическую мелодию из к/ф "Мой ласковый и нежный зверь".

Основные понятия

 

Преобразование звукового сигнала в цифровую форму заключается в измерении мгновенных значений его амплитуды через равные промежутки времени и представлении полученных значений, называемых отсчетами, в виде последовательности чисел. Эта процедура называется аналого-цифровым преобразованием, а устройство для её реализации - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Числа, полученные в результате аналого-цифрового преобразования, выражаются в двоичной системе исчисления, т. е. в виде комбинации всего двух цифр - нулей (0) и единиц (1).

Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность его мгновенных значений (выборок) называется дискретизацией (рис. 1).

Определение численного значения величины выборки (отсчета) называется квантованием. Для этого весь диапазон возможных изменений амплитуды преобразуемого сигнала делится на множество уровней квантования, количество которых определяется разрядностью используемого при этом двоичного числа. Чем больше число разрядов квантования, тем меньше расстояние между уровнями квантования (шаг квантования) и тем выше получается точность преобразования.

Рис. 1 - Анолого-цифровое преобразование

 

В процессе квантования за величину выборки (отсчет) принимается номер ближайшего уровня квантования (третий график на рис. 1).

В большинстве существующих цифровых звуковых форматов используется 16-разрядное квантование. Это позволяет получить точность преобразования 1/2¹⁶ = 1/65536.

С числом разрядов квантования N физически связан динамический диапазон D звуковго сигнала:

D=6N+1,76 dB = 6N + 2 dB

 

Следовательно, для цифровых систем звукозаписи с 16 разрядным квантованием:

D = 6*16 + 2 = 98 dB

 

Скорость следования отсчетов в секунду называется частотой дискретизации, а расстояние между двумя соседними отсчетами - периодом дискретизации.

Выбор частоты дискретизации в общем случае определяется известной теоремой Котельникова (теоремой отсчетов), которая в оригинале звучит так:

"Если наивысшая частота в спектре функции S(t) меньше, чем f_m, то функция S(t) полностю определяется последовательностью своих значений в моменты, отстоящие друг от друга не более чем на 1/2f_m секунд".

В рассматриваемом случае под функцией S(t) следует понимать непрерывный аналоговый звуковой сигнал, а под частотой f_m - наивысшую частоту требуемого звукового диапазона. Если необходимо точно отобразить аналоговый сигнал в диапазоне до f_m, то отсчеты должны следовать с периодом, по крайней мере, в два раза меньшим, чем период частоты f_m. Иными словами, частоту дискретизации следует выбирать так, чтобы она была, по меньшей мере, в два раза выше максимальной частоты звукового диапазона.

При этом минимально возможная частота дискретизации F_д = 2f_m называется частотой Найквиста F_H = 2f_m.

На практике частота дискретизации F_д = (2,1...2,4)f_m.

Дальшейшие рассуждения будут более понятными, если взглянуть на полную схему тракта аналого-цифрового преобразования, показанную на рис. 2.

Рис. 2 - Структурная схема блока АЦП

 

Чаще всего требуемая полоса звуковых частот ограничивается 20...22 кГц, а частота дискретизации при этом выбирается равной 44,1 или 48 кГц.

Это обусловлено тем, что между наивысшей частотой звукового диапазона f_m, и половиной частоты дискретизации F_д/2 должен быть некоторый интервал, в который нужно поместить срез амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра низких частот (ФНЧ), расположенного на входе блока аналого-цифрового преобразования. Это ФНЧ, которыйназывается антиэлайсинг фильтром, нужен для того, чтобы ни одна составляющая спектра выше F_д/2 не попала на преобразователь. Дело в том, что спектр дискретизованного сигнала обладает периодической структурой. Кроме низкочастотной части, отображающей сам звковой сигнал, он имеет ещё и высокочастотные компоненты в виде боковых полос с центрами в точках, кратных частоте дискретизации (рис. 3). Если спектр звукового сигнала перед преобразованием не ограничить, то его высокочастоная часть может наложиться на смежную боковую полосу. При этом в преобразованном сигнале возникнут неустранимые искажения субдискретизации в виде паразитных высокочастотных составляющих (рис. 3.а). Звучание фонограммы будет безнадежно испорчено.

Рис. 3 - Спектр дисктретизированного сигнала:
а) без ФНЧ; б) с ФНЧ

 

Поскольку в процессе квантования отсчеты могут принимать только значения кратные шагу квантования Δ, то при оценке истинного значения выборки неизбежно будет возникать некоторая ошибка q (рис. 4). Очевидно, что величина ошибки равна половине шага квантования и не зависит от уровня квантуемого сигнала. Функцию q(t) принято называть шумом квантования. Шум квантования будет тем ниже, чем меньше шаг квантования или, чем боьше число разрядов квантования.

Рис. 4 - Шум квантования

 

Влияние шума сильно зависит от уровня преобразуемого аналогового сигнала. Если его амплитуда мала, то возникают искажения, обусловленные появлением высших гармоник из-за зубчатой формы шума квантования. На слух это воспринимается как искажения, а не как шум.

Ослабить влияние таких искажений можно с помощью добавления другого шума. Если подмешать во входной сигнал так называемый "белый" шум (шум, амплитуда которого практически постоянна в широком диапазоне частот), то корреляция (связь) между шумами квантования и амплитудой сигнала нарушается. При этом воспроизведенный сигнал уже не будет выглядеть искаженным. Добавление такого шумоподобного маскирующего сигнала (дифера) является важной частью процесса преобразования.

Назначение ещё одного элемента тракта аналого-цифрового преобразования - устройства выборки и хранения (УВХ) ясно из его названия (см. рис. 2). Оно предназначено для удержания значения квантируемого сигнала на время преобразования.

Аналого-цифровое преобразование, при котором расстояние между уровнями квантования одинаково во всем диапазоне изменения амплитуды преобразуемого сигнала называется линейным или квантированием с постоянным шагом (рис. 5.а).

Иногда для преобразования используют нелинейное квантование или квантование с переменным шагом (рис. 5.б). В этом случае шаг квантования увеличивается с увеличением уровня преобразуемого сигнала. Для слабых сигналов шаг квантования маленький, для сильных сигналов - большой. При прочих равных условиях такой вид квантования позволяет лучше передавать слабые сигналы, поскольку отношение сигнал/шум в этом случае будет выше, чем в случае линейного квантования. Кроме того, нелинейное квантование позволяет значительно повысить плотность записи (или скорость передачи информации), так как малым числом разрядов можно передавать большой динамический диапазон сигнала.

Рис. 5 - Характеристики квантования:
а) линейная; б) нелинейная логарифмическая; в) нелинейная трехсегментная

 

На рис. 5.б характеристика квантования имеет вид логарифмической кривой, что оптимальным образом отвечает условиям задачи. На практике реализовать такую характеристику затруднительно. Поэтому ее аппроксимируют ломанной линией, состоящей из отрезков, разбивающих весь диапазон преобразования на ряд поддиапазонов, в пределах которых шаг квантования (рис. 5.в). Сегментов может быть от трех до десяти и более. Чем их больше, тем лучше, но при этом реализация системы становится сложнее.

Преобразование линейной характеристики в нелинейную осуществляется после АЦП с помощью специального цифрового кодирующего устройства. Обратное преобразование в воспроизводящем (или приемном) устройстве реализуется декодером с характеристикой, представляющей собой зеркальное отражение характеристики кодера относительно линейной характеристики.

При всех своих достиствах, нелинейное квантование имеет один очень существенный недостаток. Слабые сигналы (или обертона) на фоне сильного сигнала (на участке характеристики с широким шагом квантования) могут сильно искажаться или даже исчезать совсем. Поэтому качество звука при нелинейном квантовании всегда хуже, чем при линейном.

Процесс преобразования последовательности отсчетов в аналоговый сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а усройство - цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, величина которого равна численному значению соответствующих отсчетов. Чтобы из ступенчатого сигнала получить гладкую кривую, его необходимо пропустить через ФНЧ с характеристикой, аналогичной той, которую имел ФНЧ на входе АЦП (рис. 6). Здесь также важно, чтобы спектр звукового диапазона не перекрывался спектром ближайшей боковой полосы, ибо это также приведет к появлению искажений.

Рис. 6 - Блок цифро-аналогового преобразования

 

Для этого характеристика ФНЧ должна иметь достаточно крутой срез - такой же, как в случае антиэлайзинг фильтра при аналого-цифровом преобразовании. Порядок такого ФНЧ должен быть не ниже 12-го. Однако построение фильтров высокого порядка связано с известными трудностями. Здесь требуется применение прецизионных пассивных элементов и высококачественных ОУ с хорошей температурной и временной стабильностью. Причем, поскольку все это предназначено для использования в бытовом аппарате небольших размеров, все компоненты должны быть к тому же малогабаритными.

Кроме того, всякий фильтр высокого порядка обладает существенно нелинейной фазовой характеристикой. А это приводит к заметным на слух искажениям звуков с крутыми перепадами уровня - барабанов, тарелок, рояля и др.

Чтобы облегчить требования к фильтрации преобразованного сигнала, перед ЦАП можно разместить цифровой фильтр. Выполнить такой фильтр с нужными характеристиками значительно проще, чем аналоговый. Он может иметь достаточно высокий порядок и при этом обладать линейной фазовой характеристикой.

Характеристика цифрового фильтра, как и спектр цифрового сигнала, тоже имеет периодическую структуру и тоже повторяется на частотах, кратных частоте дискретизации. Поэтому, если цифровой фильтр будет работать на частоте дискретизации F_д, то подавить высокочастотные компоненты все равно не удастся.

Проблема может быть решена путем искусственного увеличения частоты дискретизации F_д в несколько раз. При этом недостающие значения сигнала вычисляются по известным значениям методами интерполяции (рис. 7). Схема блока ЦАП в этом случае имеет вид, показанный на рис. 8.

Рис. 6 - Повышение частоты дискретизации с помощью интерполяции

Рис. 7 - Блок цифро-аналогового преобразования

Рис. 9 - АЧХ цифрового и аналогового фильтров после двухкратного (а), четырехкратного (б) и восьмикратного повышения частоты дискретизации

 

Передискретизация позволяет значительно снизить требования к характеристике аналогового ФНЧ. Даже удвоение F_д дает возможность сделать срез его АЧХ довольно пологим (рис. 9.а). А при увеличении частоты дискретизации в четыре, восемь и более раз, требования к аналоговому ФНЧ снижаются до вполне заурядных (рис. 9.б,в). За счет этого отношение сигнал/шум, а, следовательно, и динамический диапазон, можно сделать даже бОльшим, чем определяемая 16-разрядным квантованием величина в 98 дБ.

АЦП и ЦАП на основе сигма-дельта модуляции

 

В последнее время все более широкое распространение получают методы А/Ц и Ц/А преобразования на основе использования сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста (F_H). В процессе такого преобразования анализируется не амплитуда сигнала, а направление её изменения. Если амплитуда возрастает, то результатом преобразования будет 1, а если уменьшается - то 0. Нулевой уровень кодируется чередующимися нулями и единицами.

Сигма-дельта (или дельта-сигма, кому как) модуляция известна достаточно давно - с 1962 года. Однако практическое применение её в системах высококачественного воспроизведения звука было затруднено тем, что не было достаточно быстродействующей элементной бызы.

Основная идея такого метода состоит в том, что спектр шума квантования, возникающего в процессе дискретизации с низким разрешением, преобразуется так, что в полосе звуковых частот его уровень понижается, а в области высоких частот (за пределами основной полосы) повышается. Затем полученный цифровой поток обрабатывается прореживающим фильтром низких частот (фильтр-дециматор) с получением в результате последовательности отсчетов необходимой разрядности, следующих с выбранной частотой дискретизации.

Схема блока аналого-цифрового преобразования с использованием сигма-дельта модуляции приведена на рис. 1. В отличии от многоразрядных АЦП, здесь для выделения полосы частот звукового сигнала не требуется применения сложного фнтиэлайсинг-фильтра. Вполне достаточно простого ФНЧ 3-го порядка. Кроме того, не требуется и применения устройства выборки и хранения (УВХ), так как преобразование аналогового сигнала осуществляется непосредственно, без предварительной фиксации величины выборки.

Рис. 1 - Блок АЦП с использованием сигма-дельта модулятора

 

Схема простейшего сигма-дельта модулятора, выполняющего функции одноразрядного АЦП, представлена на рис. 2. Он включает в себя квантователь (непосредственно сам одноразрядный АЦП), интегратор (одноразрядный ЦАП) и фильтр-преобразователь шума (в зарубежной литературе - noise shaper). Одноразрядный АЦП является источником шума квантования высокого уровня, спектр которого для упрощения вычислений обычно считают равномерно распределенным вдоль оси частот - белым шумом (на самом деле он таковым не является - из-за нелинейности квантователя, охваченного петлей обратной связи).

Для того, чтобы минимизировать содержание шумов в полосе звуковых частот, в схему включен рекурсивный фильтр-преобразователь, который перемещает часть спектра шума квантования в высокочастотную область, где его можно легко отфильтровать на стадии децимации (рис. 3).

Рис. 2 - Простейший сигма-дельта модулятор

Рис. 3 - Эффект применения фильтра-преобразователя

 

Рекурсивным фильтром называется такой фильтр, значение сигнала на выходе которого в любой момент времени зависит не только от конечного числа отсчетов входного сигнала, но и благодаря обратным связям, от некоторого числа отсчетов выходного сигнала в предшествующие моменты. Такие фильтры назывют ещё фильтрами с бесконечной импульсной характеристикой или БИХ-фильтрами.

Фильтр, значение сигнала на выходе которого зависит только от конечного числа отсчетов на его входе, называется трансверсальным фильтром или фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтром).

Схема блока цифро-аналогового преобразования с использованием сигма-дельта модуляции приведена на рис. 4. Здесь процедура преобразования обратна вышеописанной. Вначале последовательность n-разрядных отсчетов, следующих с частотой Найквиста, поступает на трансверсальный фильтр-интерполятор. Здесь скорость следования отсчетов увеличивается в N раз и вычисляются промежуточные значения сигнала. Разрядность их при этом может увеличиваться, уменьшаться или оставаться прежней. Это зависит от алгоритма преобразования.

Рис. 4 - Блок ЦАП с использованием сигма-дельта модулятора

 

После этого последовательность отсчетов поступает на рекурсивный фильтр-преобразователь шума, задачи которого те же, что и при аналого-цифровом преобразовании - переместить часть спектра шума из основной полосы в область высших частот (рис. 3). При этом разрядность отсчетов уменьшается до одного. Полученный двоичный поток подается на простой одноразрядный ЦАП, построенный на основе переключаемых емкостей, который формирует из него аналоговый сигнал. Окончательная фильтрация осуществляется аналоговым ФНЧ 3-5-го порядков.

Основным достоинством одноразрядного преобразователя является простота исполнения кватователя и ЦАП, не требующих высокоточных взвешивающих элементов, которые очень сложно реализовать в интегральном исполнении.

Принцип сигма-дельта модуляции положен в основу разработанного фирмой PHILIPS метода цифро-аналогового преобразования "Bit Stream", который до сих пор широко используется ею в своих проигрывателях компакт-дисков. Алгоритм такого преобразования, реализованный в микросхеме SAA7320 и её многочисленных модификациях, показан на рис. 5.

Рис. 5 - Алгоритм работы системы "Bit Stream", реализованный в МС SAA7320

 

На первом этапе производится увеличение частоты дискретизации исходного сигнала в 256 раз (4х32х2), которая после этого становится равной 11,2396 МГц. Промежуточные значения отсчетов вычисляются вначале с помощью трансверсального фильтра с линейной фазовой характеристикой, затем с помощью линейной интерполяции и, наконец, путем удержания предыдущего значения. Здесь же к полезному сигналу подмешивается Маскирующий шумоподобный сигнал (дифер), из-за чего разрядность отсчетов повышается до 17. На этом этапе, кроме передискретизации, осуществляется ещё и цифровая регулировка громкости выходного сигнала проигрывателя, а также реализуется функция приглушения, которая включается при наличии длинных последовательностей искаженных отсчетов.

После передискретизации производится преобразование спектра шума квантования с помощью сигма-дельта модулятора второго порядка (рис. 6). При этом число разрядов в потоке данных уменьшается до одного. В результате такой операции большая часть шумов квантования из слышимой области перемещается далеко за её пределы.

Рис. 6 - Фильтр-преобразователь шума (сигма-дельта модулятор 2-го порядка) системы "Bit Stream"

 

И, наконец, на последнем этапе из двоичного потока формируется аналоговый сигнал. Такое формирование осуществляется с помощью простого одноразрядного преобразователя, представляющего собой устройство с переключаемыми емкостями. Выходной каскад ЦАП является к тому же первым звеном аналогового ФНЧ.

Окончательное устранение шумов квантования осуществляется аналоговым фильтром Баттерворта третьего порядка. Здесь же производится коррекция предыскажений (деимфазис), если в служебных данных присутствует сигнал о их наличии.

Параллельно с фирмой PHILIPS на возможности сигма-дельта модуляции обратили внимание и разработчики японского концерна MATSUSHITA. Однако они пошли несколько иным путем. Установлено, что степень подавления шумов квантования сигма-дельта модулятором возрастает с повышением его порядка, но стабильность контура сигма-дельта модулятора при этом уменьшается. Максимально возможным устойчивым контуром является контур второго порядка. Не случайно именно он был использован фирмой PHILIPS в своей системе "Bit Stream".

Японские специалисты нашли выход из положения, соединяя одноконтурные и двухконтурные сигма-дельта модуляторы в каскадную схему.

Особенности звучания цифровых фонограмм, обусловленные аналого-цифровым преобразованием

 

Для любого цифрового источника звуковых программ блок цифро-аналогового преобразования является определяющим звеном тракта воспроизведения, ответственным за качество и характер звучания аппарата. От него зависят все основные параметры звука - отношение сигнал/шум, динамический диапазон, полоса воспроизводимых частот, а также его тембральная окраска. Конечно, динамический диапазон и отношение сигнал/шум для носителей, использующих линейное квантование (например, CD или DVD-Audio) в первую очередь определяются его разрядностью, а полоса воспроизводимых частот - частотой дискретизации.

Однако, первые два параметра можно улучшить (как, впрочем, и ухудшить) путем использования тех или иных компонентов тракта цифро-аналогового преобразования, в том числе и самого преобразователя, а также способом выполнения цифровых и аналоговых ФНЧ.

Третий же параметр - полосу воспроизводимых частот - расширить невозможно. Для CD предельное значение её верхней границы - 20 кГц (имеется ввиду CD, записанные с частотой дискретизации 44,1 кГц). Это ограничение строго выполняется ещё при подготовке фонограммы для записи на мастер-диск. Все частотные компоненты выше 20 кГц тщетельно отфильтровываются. Строго говоря, подавлены должны быть все составляющие спектра выше частоты 22,05 кГц, которая равна половине частоты дискретизации. Но, поскольку срез реальной АЧХ не бывает абсолютно вертикальным, запас в 2,05 кГц нужен для того, чтобы обеспечить переход от полосы пропусканиния к полосе задерживания. Если останется хоть один компонент выше 22,05 кГц, то в фонограмме появятся неустранимые искажения, обусловленные самим принципом аналого-цифрового преобразования.

Поэтому бессмысленно пытаться расширить полосу воспроизводимых частот в проигрывателе компакт-дисков или другом цифровом аппарате, использующем частоту дискретизации 44,1 кГц. Составляющих спектра выше 20 кГц там все равно нет (по крайней мере полезных). Но и за эти "законные" 20 кГц ещё нужно побороться. Сами по себе, автоматически, они не получатся. Для этого используют все существующие на сегодняшний день возможности - искусственное повышение частоты дискретизации, эффективную цифровую фильтрацию, а также добротные аналоговые ФНЧ с хорошей неравномерностью в полосе пропускания. Особенно сложно это сделать на краях диапазона - вблизи единиц Герц и вблизи 20 кГц. Поэтому в моделях низких ценовых категорий, как правило, ограничиваются какими-то необходимыми и достаточными, с точки зрения разработчиков, цифрами. Например: 20 Гц...18 кГц, 10 Гц...20 кГц или 2 Гц...20 кГц. В среднестатистических условиях домашнего прослушивания особенно сильного влияния на звучание фонограмм это не оказывает (если Вы, конечно, не меломан).

Особенности звучания цифровой аудиоаппаратуры вытекают из самой природы процессов преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (цифровой) и обратно. Определяющим, конечно, является первичный этап, а именно: каким способом и с помощью каких аппаратных средств осуществляется аналого-цифровое преобразование. Однако, результат этого этапа изначально ограничен условиями того, в какой форме требуется представить информацию для записи на носитель - в виде последовательности отсчетов (CD, DAT, DVD-Audio) или в виде непрерывного одноразрядного потока (SuperAudioCD).

Если требуется получить, скажем, последовательность 16-разрядных отсчетов с частотой 44,1 кГц для подготовки мастер-диска CD, то с какой бы точностью не производилось квантование (18, 20 или 24 разряда), результат все равно будет обладать 16-разрядным разрешением - и не более того. То же самое получится в случае формирования 16-разрядных отсчетов с помощью сигма-дельта модуляции и последующим понижением частоты дискретизации до 44,1 кГц. Но, с другой стороны, не стоит думать, что использование высокоразрядного линейного АЦП или одноразрядного кодирования в данном случае неоправданно. Линейные АЦП из-за целого ряда погрешностей почти всегда имеют реальную точность ниже номинальной. Применение 16-разрядного АЦП в действительности могло бы обеспечить только 15-разрядный результат, а то и хуже. Поэтому, чем выше номинальная мочность преобразователя, тем более "честными" получаются требуемые 16 разрядов.

Наилучшие результаты дают одноразрядные АЦП с использованием сигма-дельта модуляции. По этой причине, а также вследствии их простоты и дешевизны, они получают все более широкое распространение на практике. Только с их помощью можно получить реальную точность в 20 или 24 разряда, которая требуется при подготвке материала для записи дисков DVD-Audio. Преобразования одноразрядного потока в последовательность отсчетов не требуется, если речь идет о подготовке материала для записи на диск SuperAudioCD (SACD).

Если же говорить о форматах, где звуковая информация записывается на носитель в форме n-разрядных отсчетов (CD, DAT, MD, DVD-Audio), то для воспроизводящего устройства качество исходного материала определяется только параметрами квантования - разрядностью и частотой дискретизации. При условии, конечно, что эти параметры полностью обеспечены на этапе аналого-цифрового преобразования, независимо от того, каким именно способом оно производилось.

Если источником звуковой информации является компакт-диск, то исходный материал, представленный на нем в виде 16-разрядных отсчетов, следующих с частотой 44,1 кГц, номинально позволяет получить отношение сигнал/шум и динамический диапазон порядка 98 дБ, коэффициент нелинейных искажений 0,0015% и полосу частот до 20 кГц. В принципе этого вполне достаточно, чтобы качество звучания удовлетворяло самого взыскательного слушателя. Для сравнения: лучшие аналоговые записи могут обеспечить динамический диапазон порядка 60-70 дБ, а коэффициент нелинейных искажений - порядка 0,1-0,3%. Но у всякого цифрового источника (даже при условии реализации номинальных качественных характеристик) есть одна особенность. Величины отношения сигнал/шум и коэффициента нелинейных искажений справедливы только для сигнала с амплитудой, близкой к максимальной. Если же в фонограмме есть фрагменты тихого звучания - скажем, такого, который кодируется тремя-четырьмя разрядами, то соотношение между полезным сигналом и шумом квантования резко ухудшается. Например, при уровне сигнала, для кодирования которого достаточно четырех разрядов, величина шума квантования будет составлять уже 1/2⁴=1/16=6,25%. А это уже много. Звучание фонограммы в этом случае обогащается высшими гармониками и приобретает специфическую "цифровую" окраску - как бы с "песочком".

Кстати, обратите внимание на то, что в аналоговой записи чем слабее сигнал, тем он чище, так как в нем меньше нелинейных искажений, а чем уровень сигнала выше, тем искажений больше. В цифровой записи все наоборот - чем сильнее сигнал, тем он качественнее, а слабые сигналы передаются с искажениями. Причем зависимость здесь прямо пропорциональна - чем меньшее число разрядов задействовано для кодирования звука, тем хуже его качество.

Однако, здесь не надо путать с общей громкостью звучания фонограммы. Если просто уменьшить уровень воспроизведения какой-либо цифровой записи, то качество звука от этого не ухудшится. Речь идет только о тихих звуках внутри фонограммы с присутствием громких звуков.

Средства больбы с цифровыми искажениями уже известны - это использование передискретизации высокоразрядных ЦАП и сигма-дельта модуляции.

При повышении частоты дискретизации цифровой фильтр-интерполятор вычисляет промежуточные значения отсчетов. Число разрядов в полученных результатах при этом увеличивается. Если использовать для преобразования 16-рарядный ЦАП, то лишние младшие разряды округляются до ближайшего 16-разрядного значения. Но если процедура обеспечивает отношение сигнал/шум 98 дБ и более, то имеет смысл использовать ЦАП более высокой разрядности, например, 18-разрядный или 20-разрядный. Хотя такая замена имеет смысл в любом случае. Дело в том, что ЦАП - изделие, требующее очень высокой точности в технологии изготовления, обеспечить которую даже в современных условиях крайне сложно. Из-за этого они всегда обладают некоторой нелинейностью преобразования, отражающую ошибку, которую может дать реальное единичное приращение формируемого уровня аналогового сигнала в сравнении с теоретическим. Эта величина связана с величиной приращения от младшего значащего разряда.

Кроме того, ЦАП сам является источником некоторого фонового шума, обусловленного шумами входящих в его состав элементов. Существуют также и другие погрешности цифро-аналогового преобразования. Именно из-за наличия этих погрешностей многоразрядные ЦАП (а также АЦП) далеко не всегда имеют реальную разрешающую способность, соответствующую номинальной. Кроме того, успех применения многоразрядных ЦАП в проигрывателях компакт-дисков весьма сомнителен из-за того, что источник цифрового сигнала - сам компакт-диск - все равно остается 16-разрядным, так что, строго говоря, какой бы высокоразрядный ЦАП не использовался, разрешающая способность полученного результата все равно останется 16-разрядной. Единственным, но достаточно серьезным преимуществом увеличения разрядности применяемого ЦАП, является уменьшение уровня его собственных шумов и улучшение линейности преобразования. Иногда вместо одного ЦАП в каждом стереоканале используют по два. При этом один из ЦАПов преобразует положительную полуволну аналогового сигнала, другой - отрицательную. Эффект от такого включения в общем случае эквивалентен увеличению разрешающей способности на один разряд. В деталях - все зависит от способа включения и от типа самого преобразователя.

Более эффективным способом борьбы с шумами дискретизации представляется использование сигма-дельта модуляции - как в системах "Bit Stream" фирмы PHILIPS и MASH фирмы MATSUSHITA (TECHNICS, Panasonic). Например, в модели TECHNICS SL-PS 840 отношение сигнал/шум составляет 118 дБ, динамический диапазон - 99 дБ, а коэффициент гармонических искажений - 0,0015%.

Пионером на пути к увеличению частоты дискретизации и уменьшению разрядности цифро-аналоговых преобразователей была фирма PHILIPS, которая уже в самых первых моделях своих проигрывателей - CD-100, CD-200 и CD-300 использовала 14-разрядный преобразователь TDA1540 и 4-х кратный фильтр передискретизации SAA7030. Результат при этом получался лучше, чем у другой основоположницы стандарта на систему "Компакт-диск" - фирмы SONY, которая в своих первых моделях проигрывателя CD использовала "честный" 16-разрядный ЦАП без всяких цифровых фильтров. В те времена даже 16-разрядные преобразователи были дорогими и неточными, и приходилось использовать сложные аналоговые фильтры с крутым срезом АЧХ, но нелинейной фазовой характеристикой.

Теперь обратим внимание ещё на одну особенность цифровой звукозаписи. При формировании программ для записи на компакт-диски на студии используют обычные усилители звуковой частоты; для лучшей передачи высокочастотных составляющих спектра звуковых сигналов их часто усиливают с тем, чтобы при воспроизведении ровно на ту же величину ослабить. Характер такого усиления (предыскажения) оговорен стандартом на систему "Компакт-диск" и иллюстрируется рис. 7. Эта операция носит название преимфазиса.

Рис. 7 - Характеристика преимфазиса

Рис. 8 - Характеристика деимфазиса

 

Любой проигрыватель компакт-дисков имеет цепи обратной коррекции (деимфазиса) (рис. 8). Информация о том, сделана ли данная запись с использованием преимфазиса или без него, содержится в служебной группе, которая присутствует в каждом кадре записнной фонограммы. Управляющий процессор проигрывателя фиксирует такую информацию и автоматически включает цепь деимфазиса, если это необходимо. Никакого вмешательства пользователя при этом не требуется. Цепь деимфазиса представляет собой часть ФНЧ, расположенного после ЦАП.

Если проигрыватель не имеет блока цифро-аналогового преобразования и воспроизведение осуществляется через цифровой выход, то цепь деимфазиса должна располагаться во внешнем блоке ЦАП. В этом случае интерфейс, связывающий проигрыватель и блок ЦАП, должен предусматривать сигнал о наличии преимфазиса. В случае отсутствия такой информации должны быть предусмотрены соответствующие входы или переключатели на блоке ЦАП. При этом следует иметь в виду, что подавляющее большинство записей на компакт-дисках делается с использованием преимфазиса. Так что, если информация отсутствует, то он скорее есть, чем нет, и коммутацию входов ЦАП нужно делать с учетом именно этого предположения. В противном случае фонограмма будет перенасыщена высокочастотными составляющими и получится очень грубое звучание.

Слежение за дорожкой (автотрекинг)

 

При тиражировании компакт-дисков неизбежно возникают некоторые отклонения записи, которые зовутся красивым словом эксцентриситет. Его (эксцентриситета) предельная величина, в соответствии со стандартом, не должна превышать ±70 мкм. Однако и эта цифра достаточно велика. Для воспроизведения информации с дорожки шириной 0,6...0,8 мкм нужно, чтобы сфокусированный луч лазера удерживался на ней с точностью ±0,1 мкм. Поэтому требуется применение системы автоматического слежения за дорожкой, называемой автотрекингом, с глубиной регулировки не менее 700. Исполнительный механизм такой системы должен перемещать объектив (или всю оптическую головку) в радиальном направлении, компенсируя влияние эксцентрисита.

Способ трех лучей

 

Для реализации данного способа, кроме основного считывающего луча, необходимы ещё два дополнительных, которые формируются путем расщипления основного. Для формирования дополнительных лучей в качестве светоделителя с равным успехом могут быть использованы полупрозрачное зеркало, поляризиционная призма, фазовая дифракционная решетка или оптические клинья. Расположение основного и дополнительных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга показано на рис. 1.

Рис. 1 - Положение сфокусированных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга

 

Основной луч А располагается посередине, а дополнительные В и С - по обеим стронам от него вдоль оси дорожки на расстоянии Y. Кроме того, дополнительные лучи смещены перпендикулярно оси дорожки на некоторую величину Х. Один (В) смещен влево, другой (С) - на такую же величину вправо. Каждому из трех лучей соответствует свой фотоприемник.

Когда основной луч А следует точно по центру дорожки, дополнительные лучи В и С только слегка захватывают её каждый со своей стороны. Сигналы с фотоприемников дополнительных лучей одинаковы, а разность их, соответственно, равна нулю. Если основной луч А смещается в ту или иную сторону, то один из фотоприемников дополнительных лучей начинает получать больше света, а другой - меньше. При их вычитании получается определенная разность, которая и будет характеризовать величину и знак сигнала ошибки.

Из-за простоты и устойчивости в работе способ трех лучей получил наиболее широкое распространение в проигрывателях компакт-дисков, хотя и является очень старым, заимствованным ещё из системы лазерной видеозаписи LV (Laser Vision).

Дифракционный способ

 

При таком способе используется явление дифракции света на микрорельефе регистрирующего слоя компакт-диска.

Под дифракцией в оптике понимают любое отклонение световых лучей от прямых линий, возникающее в результате ограничения или искажения волнового фронта. Дифракционные явления присущи любому изображению, полученному с помощью оптических приборов, поскольку фронт световой волны, проходящий через оптику, всегда ограничен её размерами.

Если размеры изображаемых предметов велики в сравнении с длиной волны света, то эти явления теряются на фоне общей картины изображения. Но если размеры предметов и длина волны излучения имеют один порядок, как в случае пит на поверхности компакт-диска, то дифракционная структура изображения начинает играть определяющую роль.

 

Рис. 2 - Распределение интенсивности монохроматического излучения после прохождения щели:
а) широкая щель; б) узкая щель; в) оптическая система

 

На рис. 2 показано распределение интенсивности I монохроматического излучения после прохождения им щели, ширина которой α велика в сравнении с длиной волны света λ (диагр. а), и распределение интенсивности того же излучения после прохождения щели, ширина которой сравнима с длиной волны падающего света (диагр. б). В первом случае дифракция незаметна, во втором - распределение интенсивности имеет ряд максимумов и минимумов, положение которых зависит от ширины щели и длины волны излучения.

Аналогоичные явления имеют место не только при прохождении через узкую щель, но и при отражении от поверхности, имеющей узкие полосы с малым коэффициентом отражения. В случае поверхности компакт-диска такими полосами являются дорожки с питами. Поскольку излучение лазера является когерентным, а глубина пит меньше четверти длины волны, то эффект "темной полосы" возникает за счет разности хода лучей, отраженных от зеркальной поверхности и от пита.

Чтобы использовать явление дифракции для автотрекинга требуется всего один луч и двухплощадочный фотоприемник. При этом очень важен тот факт, что глубина пит (~0,1 мкм) меньше четверти длины волны излучения лазера (0,78/4~0,2 мкм), так как только в этом случае при смещении считывающего пятна дифракционная картина на фотоприемнике будет несимметричной (рис. 3).

Рис. 3 - Распределение света на ФП при автотрекинге дифракционным способом

 

Данный способ прост, но имеет один существенный недостаток. Для его реализации необходимо перемещать не только объектив, но и всю оптическую систему целиком, иначе пятно с фотоприемника будет смещаться в ту или иную сторону.

Фазовый способ

 

Этот способ похож на вышеописанный, но для его осуществления достаточно перемещать только линзу объектива. Здесь разностный сигнал регулирования меньше зависит от глубины пит и может быть получен даже при глубине, равной четверти длины волны излучения лазера.

Рис. 4 - Автотрекинг по фазовому способу

 

Фазовый метод, так же как и дифракционный, основан на изменении распределения отраженного света в зависимости от взаимного положения светового пятна и пит. Изменение распределения регистрируется четырехплощадочным фотоприемником (рис. 4). На рис. 5 показаны различные формы распределения света на фотоприемнике при различных положениях пятна и пита.

Рис. 5 - Картины распределения света на ФП при фазовом способе автотрекинга

 

Разностный сигнал управления по этому методу определяется как (a+b)-(c+d), а информационный сигнал как a+b+c+d. При точном следовании считывающего пятна по центру дорожки картина на фотоприемнике будет меняться, оставаясь при этом симметричной, а разностный сигнал будет равен нулю. Если пятно сместится вправо или влево, то разностиный сигнал будет иметь синусоидальную форму, сдвинутую по фазе на 90° относительно информационного сигнала. Сигнал управления получается путем детектирования этой фазы гетеродинным детектором (рис. 4).

Существуют и другие способы реализации систем радиального слежения, но на практике они практически не используются, по крайней мере в бытовой аппаратуре.

Выделение цифрового сигнала и импульсов тактовой синхронизации

 

Информационный сигнал, считанный с диска, имеет форму, далекую от той, что он имел при записи на диск-оригинал. Такой сигнал называется высокочастотным информационным сигналом.

Однако информация, представленная при записи в коде EFM, содержится в промежутках между границами двухуровнего сигнала, формируемого в процессе канального кодирования. Поэтому для того, чтобы декодировать воспроизведенный поток данных, высокочастотный сигнал нужно преобразовать в последовательность прямоугольных импульсов, длина которых кратна периоду тактовой частоты F_т = 4,3218 МГц. Осуществляется такое преобразование путем сравнения величины тока фотоприемника (фототока) I_ф с некоторым усредненным уровнем I_ср. Такая операция называется компарированием. На рис. 2 показан процесс преобразования фототока I_ф в двухуровневый сигнал.

Рис. 1 - Считывание информации с диска лучом лазера и преобразование её в двухуровневый сигнал

 

В силу целого ряда причин при компарировании может возникнуть ошибка (Δτ) в положении перепада уровня (фронта).

На практике почти каждый фронт в той или иной степени является искаженным. Поэтому, перед тем, как подавать полученный цифровой сигнал на демодулятор EFM, его следует откалибровать по длительности так, чтобы расстояние между любыми двумя его фронтами было кратным периоду частоты F_т.

Для этоо используется так называемое устройство тактовой синхронизации (УТС), построенное на основе петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Схема такого устройства показана на рис. 2, а временные диаграммы его работы - на рис. 3

Рис. 2 - Схема УТС с ФАПЧ

Рис. 3 - Временные диаграммы работы УТС

 

Ноль определителя ошибки синхронизации здесь выполняет фазовый дискриминатор (ФД). На один из его входов поступает тактовая частота F_т, вырабатываемая генератором, управляемым напряжением (ГУН) (на схеме - её инверсия F_т). На другой вход ФД поступают короткие импульсы, сформированные по фронтам воспроизведенного сигнала EFM_в. В соответствии с величиной и знаком ошибки φ ФД вырабатывает управляющее напряжение U(φ), которое вынуждает ГУН изменить свою частоту так, чтобы её период приблизился к длительности канального бита воспроизведенного сигнала EFM_в. Чтобы устранить искажения фронтов сигнала EFM_в, он идентифицируется (стробируется) в середине тактового интервала с помощью обычного D-триггера. Полученный сигнал EFM далее поступает на демодулятор.

Промежуток времени, в пределах которого может находиться искаженный фронт сигнала EFM_в без риска быть неправильно идентифицированным при стробировании, называется окном детектирования. Окно детектирования равно расстоянию от одного стробирующего фронта до другого, т. е. длительности тактового интервала F_т.

 

Демодулятор. Система автоматического регулирования скорости вращения диска. Буферная память

 

Сформированный по уровням и по фронтам информационный сигнал в коде EFM далее поступает на демодулятор. Операции, которые производятся здесь, обратны тем, что ранее осуществлялись в модуляторе. Их можно интерпретировать как перевод данных, при этом первый символ в кадре - служебный, направляется в соответствующий блок, где содержащаяся в нем информация будет использована для управления работой проигрывателя. Оставшиеся 32 символа направляются в блок коррекции ошибок.

Чтобы правильно декодировать информацию, заключенную в каждом отдельном кадре, необходимо знать, где он начинается и где заканчивается, а также где начинается и где заканчивается каждый символ. В противном случае декодер может начать декодирование с середины кодового слова и тем самым будет фиксировать кодовые слова, не соответствующие действительным.

Начало каждого кадра отмечается путем введения в него специальной синхрогруппы, имеющей вполне определенную конфигурацию. Такой вид синхронизации в системах передачи данных называется цикловой синхронизацией и имеет важное значение, так как нарушение синхронизации по циклам приводит к полному искажению всей информации.

Структурная схема устройства цикловой синхронизации показана на рис. 1.

Рис. 1 - Структурная схема устройства цикловой синхронизации

 

Анализируемый поток двоичной информации вначале поступает на вход опознавателя синхрогруппы (ОС), в памяти которого хранится её конфигурация. Первый же момент дешифрирования комбинации, совпадающей по форме с синхрогруппой, фиксируется как возможное начало цикла (в системе CD - кадра, блока). Однако, из-за наличия выпадений в считанной информации, может получиться так, что за синхрогруппу будет ошибочно принята какая-то другая комбинация, ставшая похожей на неё в результате искажения. В этом случае устройство цикловой синхронизации должно сначала убедиться в том, что это действительно синхрогруппа, а не случайное сочетание единиц и нулей. Для этого служит блок для защиты от ложного фазирования (БЗЛФ), который проверяет наличие дешифрированной синхрокомбинации на той же самой позиции в одном или нескольких циклах. С этой целью он отсчитывает от предполагаемой позиции синхроимпульса столько тактов, сколько бит информации содержится в цикле (для CD число бит в кадре равняется 588). Если синхрокомбинация обнаруживается два или более раз подряд, то БЗЛФ принимает решение об истинности найденной позиции и устанавливает соответствующим образом формирователь синхроимпульсов (ФСИ). Число появлений синхрокомбинации на одной и той же позиции, необходимое для принятия решения об её истинности, называется коэффициентом по входу в синхронизм N_вх и определяется при разработке устройства цикловой синхронизации исходя из требований к его помехозащищенности. Обычно N_вх выбирают равным 2 или 3.

После того, как ФСИ сфазирован, он начинает вырабатывать синхроимпульсы уже самостоятельно на той позиции, которая ему была определена БЗЛФ даже в том случае, если синхрогруппа из-за искажений не будет зарегистрирована опознавателем ОС.

БЗЛФ в течении всей работы устройства постоянно проверяет и другие позиции в цикле, где по каким-то причинам сформировалась комбинация, дишифрированная опознавателем как синхрогруппа. И если она повторилась на одной и той же позиции N_вх раз, то ФСИ немедленно перестраивается, поскольку это будет означать, что произошел сбой цикловой синхронизации и предыдущая позиция уже не соответствует истинной.

Могут применяться и другие меры по повышению эффективности и помехозащищенности систем цикловой синхронизации.

По этому принципу построена не только систма кадровой синхронизации, но и система блочной синхронизации, т. е. система выделения сигнала синхронизации служебных данных, которые так же, как и звуковые данные, организованы в блоки по 98 символов в каждом.

Кроме своего основного назначения, сигнал блочной синхронизации используется ещё и для управления двигателем вращения диска. Схема формирователя сигнала управления показана на рис. 2, а диаграммы её работы - на рис. 3.

Рис. 2 - Схема регулирования скорости вращения диска

 

На один из входов фазового дискриминатора ФД, в качестве которого использован обычный элемент И, подается сигнал частоты следования блоков, который формируется на основе тактовой частоты, выделяемой из воспроизводимого потока информации. Поскольку этот сигнал нестабилен и зависит от скорости вращения диска, он обозначен буквой F^~_бл.

Рис. 3 - Временные диаграммы работы схемы регулирования скорости вращения диска

 

На другой вход ФД поступает сигнал блочной частоты F_бл = 75 Гц, полученный делением сигнала F_т = 4,3218 МГц, формируемого кварцевым генератором.

 

Система отрегулирована так, что F^~_т = F_т при сдвиге фаз между сигналами F^~_бл, и F_бл равном 90° (рис. 3. а, б, в). Тогда на его выходе будут формироваться импульсы шириной в четверть периода частоты F_бл.

Если двигатель начнет вращаться слишком быстро, то F^~_бл будет опережать F_бл больше, чем на 90°. При этом ширина импульсов на выходе ФД уменьшиться, что заставит двигатель снизить обороты (рис. 3. а, г, д).

Если скорость вращения станет слишком мала, то F^~_бл окажется сдвинутой относительно F_бл на угол меньший, чем 90°. Ширина импульсов на выходе ФД при этом увеличится и двигатель начнет вращаться быстрее (рис. 3. а, е, ж).

Согласующее устройство в соответствии со своим названием служит для согласовния выходного сигнала ФД с рабочими характеристиками используемого двигателя.

Наличие такой системы регулирования позволяет предельно снизить требования к двигателю. Никакой точности и стабильности от него не требуется, лишь бы подходил по габаритам и мощности. А тот факт, что считанный сигнал нестабилен во времени, никакой роли не играет, так как для борьбы с этим явлением используется очень эффективное средство - буферное запоминающее устройство или буферная память, которая реализуется на основе ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольной выборкой). В буферную память информация записывается по мере её поступления от демодулятора, т. е. с неравномерной скоростью, а считывается с помощью сигналов, сформированных кварцевым генератором - строго равномерно.

Благодаря наличию буферной памяти проигрыватель компакт-дисков (так же, впрочем, как и любой другой источник звуковых программ) избавлен от извечного недостатка аналоговой записи, связанного с неравномерностью вращения (перемещения) носителя - детонации, т. е. более или менее заметного на слух "плаванья" звука.

Принцип действия буферной памяти, рассмотрим на примере её организации на основе ЗУПВ объемом в 2 кБ, выполненной в виде 2048 ячеек по одному байту (рис. 4).

Рис. 4 - Пример организации буферной памяти на основе ЗУПВ объемом 2 кБ

 

Пусть в некоторый момент времени запись считанного с диска байта информации производится в ячейку 1. Система адресации ЗУПВ должна быть организована так, чтобы при равенстве скоростей записи и считывания информации обеспечить интервал между моментом записи в любую из ячеек и моментом считывания из неё равным времени, необходимому для того, чтобы заполнить половину общего объема памяти ЗУПВ. Поэтому, если запись производится в ячейку 1, то считывание при этом должно производиться из ячейки 1025, информация в которую была записана раньше.

Это происходит при равенстве скоростей записи и считывания, когда скорость вращения диска такова, что тактовая частота F_т, выделенная из потока воспроизводимой информации, в точности равна 4,3218 МГц. Если же скорость записи будет возрастать (из-за увеличения скорости вращения диска), то номер ячейки, в которую она производится, будет увеличиваться (2, 3, 4 и так далее) и приближаться к цифре 1024. Это максимально возможный номер ячейки, когда ещё не наступает переполнения памяти.

Условно примем некоторое статичное положение процесса записи в ячейки. На самом деле, конечно, адреса постоянно изменяются.

Однако, указанное выше сближение номеров ячеек записи и считывания, вызванное слишком высокой скоростью вращения диска, не останется без внимания системы регулирования этой скорости, и её реакция выразится в том, что она уменьшит число оборотов двигателя вращения диска так, чтобы заданный защитный интервал сохранился.

Если скорость вращения диска уменьшится, то уменьшится и скорость записи в ячейки ЗУПВ, номера которых начнут приближаться к цифре 1025 с другой стороны - 2048, 2047, 2046 и т. д. до 1026, когда возникнет угроза того, что все ячейки памяти окажутся пустыми. Однако, и в этом случае система регулирования скорости вращения диска отработает ошибку в направлении восстановления необходимого защитного интервала.

Запись и считывание в ЗУПВ осуществляется не одновременно, а попеременно. Один символ записали, потом другой считали. Записали в одну ячейку, считали из другой.Приведенная на рисунке 5 схема иллюстрирует этот процесс.

Рис. 5 - Структурная схема буферной памяти

 

ЗУПВ, используемые в проигрывателях компакт-дисков, чаще всего имеют восьмиразрядную входную шину, вход управления записью/считыванием и поразрядную адресную шину. Разрядность адресной шины зависит от объема памяти ЗУПВ. Если, скажем, объем памяти равен 2 кБ, то адресная шина 11-разрядная, если 4 кБ - то 12-разрядная и т. п. Вход упрвления служит для переключения режимов записи и считывания. Например, если на этом входе логический "0", то производится запись байта информации с входной шины в ячейку, адрес которой присутствует на адресной шине. Если "1", то производится считывание из ячейки с соответствующим адресом через одну и ту же шину.

Необходимо отметить, что вход и выход ЗУПВ могут быть организованы через одну и ту же шину с "третьим" состоянием. Современные процессоры для проигрывателей CD выполнены так, что и память, и сам процессор находятся на одном кристалле и все соединения между ними не видны. Тем не менее, для простоты восприятия удобнее рассматривать наглядный вариант схемы, как на рисунке 5.

Адреса ячеек, в которые должна производиться запись, формируются на основе тактовой частоты, выделенной из считанного с компакт-диска сигнала, а адреса ячеек, из которых производится считывание - с помощью сигнала, вырабатываемого высокостабильным кварцевым генератором.

Таким образом, как бы ни менялась скорость вращения диска, а вместе с ней и скорость воспроизведения информации, после ЗУПВ считанные символы будут следовать строго равномерно, обеспечивая тем самым точное соответствие временного масштаба воспроизводимой фонограммы тому оригинальному материалу, который некогда был записан на мастер-диск в студии звукозаписи.

Адреса записи и считывания подаются на переключающее устройство, которое так же как и ЗУПВ управляется сигналом записи/считывания. Поэтому, когда нужно произвести запись, к адресной шине ЗУПВ подключается формирователь адреса записи, а когда нужно информацию считать, то подключается формирователь адреса считывания. Вследствие того, что блок управления двигателем, вращающим диск, поддерживает скорость потока считанной с него информации вблизи 4,3218 Мбит/с, количество символов, поступающих на вход ЗУПВ, колеблется с некоторым рассогласованием вокруг величины, равной количеству символов, считываемых с его выхода. Допустимая величина рассогласования зависит от объема ЗУПВ. Чем больше объем памяти, тем большие отклонения скорости вращения от номинальной допустимы.

Блок коррекции ошибок. Интерполяция и приглушение

 

После того, как информация поступившая от демодулятора, записана в буферную память, начинается процесс её деперемежения, совмещенный с процедурой устранения детонации, а также обнаружение и коррекция ошибочных символов. При этом декодирование и деперемежение осуществляется в порядке обратном тому, что был при кодировании и перемежении (рис. 1).

Следует подчеркнуть, что здесь и далее все сигналы управления, в том числе и для операций с ЗУПВ, формируются на основе стабильной тактовой частоты F_т = 4,3218 МГц, вырабатываемой кварцевым генератором. О той тактовой частоте F_т, которая была выделена из считанного с диска иформационного сигнала и завилела от скорости вращения диска, теперь можно забыть раз и навсегда.

Рис. 1 - Декодер CIRC

 

Механизм всех трех этапов деперемежения заключается в том, что нужные символы извлекаются из памяти в требуемом порядке и используются в процедуре декодирования, после чего вновь записываются в ту же память, но уже в другие ячейки.

Это повторяется до тех пор, пока не будут выполнены все операции двух этапов декодирования и трех этапов деперемежения. После окончания процедуры будет восстанвлен первоначальный порядок следования символов - такой, каким он был на выходе АЦП.

Декодирование на каждом из этапов С1 и С2 заключается в том, что благодаря наличию в кодовых словах проверочных символов, можно определить, есть ли в кодовых словах ошибки и какие именно символы ошибочны. Такая процедура требует целого ряда довольно сложных и громоздких вычислений. Но когда положение ошибки определено, она достаточно легко корректируется.

Однако, используемые коды С1 и С2 способны обнаружить не более четырех и исправить не более двух ошибочных символов. Если ошибок больше двух, но не более четырех, то декодер может обнаружить только сам факт их наличия, но ни локализовать, ни, тем более, исправить их не в состоянии. В этом случае все символы кодового слова отмечается указателям и ненадежности или, что то же самое, указателями стирания. После того, как эти символы вместе с указателями стирания подвергнутся процедуре очередного этапа деперемежения, они перераспределяются между другими кодовыми словами другого этапа декодирования и могут быть откорректированы на этом этапе, если, конечно, в этом кодовом слове не окажется ошибок больше, чем он в состоянии исправить.

Поскольку декодеров всего два, то исправлять стирания, как правило, приходится только декодеру С2, так как декодеру С1 получать их неоткуда - он может их только производить. Декодер С2 может как исправлять ошибки, так и производить их, или же оставлять без изменения указатели стираний, полученные от декодера С1. В зависимости от схемотехники микросхемы совокупность операций, которые могут выполнять декодеры С1 и С2, может сильно отличаться друг от друга. Такая совокупность операций называется стратегией декодирования.

Процесс декодирования кодов С1 и С2 требует большого количества вычислений и сложного анализа, а значит, громоздких схем с большим количеством элементов. Поэтому некоторые фирмы-производители с целью удешевления микросхем, включающих в себя декодеры С1 и С2, при их разработке использовали упрощенные стратегии декодирования. Например, декодер С1 сожет корректировать только одну ошибку вместо двух, а декодер С2 - только стирания, и не корректировать ошибок вовсе. Но это касается, в основном, старых моделей проигрывателей CD, микросхемы для которых проектировались ещё в начале восьмидесятых годов. В последующих разработках использовались все более сложные стратегии, где стирания вырабатываются ещё на этапе декодирования канального кода EFM, когда обнаруживались 14-разрядные символы, не попадающие во множество, которому соответствуют какие-то восьмиразрядные символы, что однозначно указывает на их ошибочность. При этом уже оба декодера - и С1, и С2 - работают со стираниями и могут корректировать до двух ошибочных символов, а также проводят сложный анализ количества и положения как стираний, так и ошибок, обнаруженных самостоятельно.

Разница между упрощенными и суперсложными стратегиями выражается в количестве символов на выходе декодера CIRC, отмеченных указателями стирания (ненадежности). Чем сложнее стратегия, мем меньше будет таких символов и тем меньше будет отсчетов, нуждающихся в маскирующих процедурах. Маскирование хотя и эффективный способ, но все-таки неточный, поэтому лучше его избегать.

Но вернемся к преобразованию потока информации после завершения процедур коррекции ошибок и деперемежения в декодере CIRC. Восьмиразрядные символы вновь объединяются в 16-рязрядные отсчеты, а те, в свою очередь, разделяются на две последовательности - правого и левого стереоканалов. Теперь их можно подавать на ЦАП для преобразования в аналоговую форму. Но те из отсчетов, которые включают в себя символы, отмеченные указателями стрирания, сразу направлять в ЦАП не стоит, так как в звучании фонограммы будут слышны потрескивания и щелчки. Чтобы избежать этого, такие отсчеты заменяются интерполяциями - средним арифметическим от значений соседних неискаженных отсчетов. В большинстве случаев значение интерполяции очень близко к истинному значению искаженного отсчета и на слух незаметно. Только на высоких частотах серии интерполяций могут ощущаться людьми с хорошим слухом как едва уловимые искажения.

Перспективы развития дисковых носителей информации. Форматы компакт-дисков повышенной плотности

Компакт-диск двойной плотности DDCD

 

Летом 2000 года компания SONY анонсировала выход новых форматов DDCD и MDLP. Формат MD Long Play (MDLP) является усовершенствованным форматом MD (Mini Disc - "мини-диск"). MDLP-формат позволяет записывать информации вдвое или даже вчетверо больше, чем на обычный "мини-диск". в результате продолжительность записи становится равной примерно 5 часам 20 минутам. Формат MDLP компания SONY позиционирует для любителей записи музыки в домашних условиях, профессиональных музыкантов, слушателей аудиокурсов иностранных языков, а также нынешних покупателей компакт-кассет и MD-дисков.

Формат Double Density CD (DDCD) является новым форматом компакт-дисков повышенной плотности. Разработан совместно компаниями SONY и PHILIPS. По сравнению с обычным компакт-диском DDCD позволяет хнанить вдвое больше информации.

Формат DDCD задуман для всеобщего использования, так как при всех достоинствах "классического" CD-формата он обладает двойной емкостью. Широкому распространению DDCD способствует тот факт, что для перехода на новую технологию практически не требуется создания новых производственных мощностей. Потому как значительного увеличения емкости удалось достичь "косметическими" средствами, путем незначительных модификаций обычного CD-формата.

Новый дисковый формат подразумевает узкую дорожку и меньшую длину пита по сравнению с CD-форматом для записи одинокового количества информации (рис. 1). За счет этого уменьшается площадь, занимаемая информацией. В результате компакт диск стандартных геометрических размеров позволяет хранить в два раза больше информации.

Рис. 1 - Схематическое сравнение поверхностей дисков:
а) Double Density CD; б) CD

 

К достоинствам формата DDCD можно отнести усовршенствованный алгоритм коррекции ошибок (CIRC7) и расширенный формат адресного пространства (ATIP).

Компания SONY пошла навстречу крупнейшим производителям аудио- видеопродукции и включила в спецификацию DDCD специальный механизм защиты от несанкционированного копирования, что касается остального, то формат DDCD во всем является наследником своего предшественника. DDCD представлен в трех видах: диски только для чтения (DDCD-ROM), однократно записываемые (DD-R) и перезаписываемые (DD-RW) диски.

Технология многоуровневой записи Multilevel Recording

 

Компания TDK предложила свой формат компакт-диска высокой плотности Multilevel Recording. Технология, разработанная для TDK фирмой CALIMETRICS, позволяет увеличить объем хранимой на компакт-диске информации в три раза. Это составляет более 2 Гб.

Основа технологии Multilevel Recording заключается в многоуровневом принципе записи. Как известно, на обычном компакт диске данные кодируются питами. Длина пита характеризует количество единиц двоичного кода, дляна интервала между питами - количество нулей двоичного кода (рис. 2). Разработчики CALIMETRICS предложили использовать для записи данных не только длину питов, но и их глубину. Теперь пит единичной длины может принимать значение не только 1, но также 2, 3, 4, 5, 6 и 7 (рис. 3).

Рис. 2 - Разрез стандартного компакт-диска

Рис. 3 - Разрез ML-диска

 

Отраженный луч считывающего лазера в зависимости от глубины пита создает свой особый сигнал. Распознает эти сигналы специальный чипсет, встроенный в пригрыватель компакт-дисков. В результате использования глубины удается записать больше информации на единицу площади. Это позволяет значительно увеличить скорость считывания/записи данных. И действительно, скорость записи на ML-диски составляет 36х, а считывания до 90х и более. Так же, как и в случае с DDCD переход на диски ML не требует создания дополнительной производственной инфраструктуры (вполне достаточно вставить небольшую схему в обычный CD-проигрыватель, чтобы он смог поддерживать ML-диски). Это означает относительную дешевизну и доступность технологии Multilevel Recording.

Многослойные оптические диски FMD

 

Настоящим прорывом в технологии записи информации следует считать разработку американской фирмой C3D трехмерного флуоресцентного дискового носителя. При этом запись осуществляется не только по площади диска (двухмерная запись), но и по его глубине на нескольких слоях. Ограничивающим фактором обычной двумерной записи является то, что её невозможно реализовть при наличии более чем двух информационных слоев. Начинают сказываться интерференция, рассеяние, шумы, перекрестные помехи, которые возникают из-за того, что падающий и отраженный пучки имеют одну и ту же длину волны и являются когерентными. При увеличении числа слоев полезный сигнал уже невозможно будет отделить от шумов.

Трехмерный диск фирмы C3D использует принципиально иную технологию записи информации, основанную на свойствах излучения флуоресцентных материалов и допускает наличие очень большого числа слоев (рис. 4).

Рис. 4 - Зависимость ухудшения качества сигнала от количества слоев

 

FM-диск является абсолютно прозрачным и не имеет отражающего слоя. В основе работы флуоресцентеных дисков лежит явление фотохроматизма, которое заключается в изменении физических свойств (в частности появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазера.

В наибольшей степени подобным свойством обладают вещества из группы фульгидов, которые были открыты и изучены советскими учеными ещё много лет назад. Наиболее подходящим представителем данной группы веществ является фотохром.

Сам FM-диск представляет собой слоеный пирог, каждый слой которого является прозрачным и имеет спиральные канавки (по аналогии с обычным компакт-диском их можно назвать питами), заполненные флуоресцентным материалом. При возбуждении такого материала лазерным лучом он начинает излучать как когерентный, так и некогерентный свет. Информация записывается только некогерентным светом. При считывании возбужденный фотохром излучает свет, сдвигая спектр падающего не него излучения в сторону красного цвета на определенную величину (в пределах 30...50 нм), что позволяет легко различить сигнал лазера и свет, излучаемый материалом диска. в результате удается избежать ухудшения характеристик сигнала из-за явлений, связанных с когерентностью, и его качество при увеличении числа слоев снижается незначительно. Разрботчики утверждают, что даже при количестве слоев более сотни не будет происходить сильного искажения сигнала.

При считывании лазер фокусируется на определенном слое и возбуждает его флуоресцентные элементы (рис. 5), после чего это свечение улавливается фотодетектором. Согласно теоретическим выкладкам, при использовании синего лазера (длина волны 480 нм) становится возможным увеличение плотности запси информации до нескольких Гбайт на один FM-диск.

Рис. 5 - Принцип работы FM-диска

 

Важная особенность формата FMD заключается в возможности параллельного считывания сразу с нескольких слоев многослойного диска. При этом, если записывать последовательность бит не вдоль дорожки, а в глубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки данных. Именно за эту особенность FM-диски и прозвали трехмерными.

Что касается технологии производства FMD, то здесь очень много сходства с производством обычных компакт-дисков. Из прозрачного поликарбоната отдельно изготовляются информационные слои, которые затем связываются между собой. Единственное что очень важно при производстве FM-диска, так это получение точной формы пита, так как в дальнейшем он заполняется флуоресцентным веществом. Для этих целей используется никелевая матрица (штамп).

Для производства FMD используется две стандартные технологии: метод горячего тиснения и метод фотополимеризации. Метод горячего тиснения заключается в изготовлении каждого слоя путем прессовки поликарбонатной заготовки двумя штампами при высокой температуре. Полученные таким образом слои, несут информацию на обоих своих поверхностях. После этого осуществляется заполнение питов флуоресцентным материалом. Затвердевшие слои затем под давлением спрессовываются.

Второй метод состоит в том, что многослойный диск складывается из отдельных слоев, каждый из которых несет информацию только на одной стороне, полученной методом фотополимеризации.

Уже сейчас ведутся активные разработки записываемых FM-дисков. Специалисты С3D предлагают два варианта принципа записи своих дисков: термический и химический.

Термический принцип основан на использовании материала, изначально обладающего флуоресцентным свойством (соответствует значению 1). В процессе записи участки, попадающие под термическое воздействие лазера, теряют это свойство (приобретают значение 0).

Химический принцип основан на использовании материала не обладающего флуоресцентным свойством. Воздействие записывающего лазера приводит к фотохимической реакции, в результате которой определенные учстки наделяются флуоресцентным свойтсвом. Для возбуждения такой реакции достаточно маломощного лазера или обычного светодиода. А лучше светодиодной матрицы: её использование позволяет осуществлять одновременную запись целого массива информации, что ускоряет сам процесс.

Абсолютно реальной становится возможность создания FM-дисков, часть слоев которых предназначена для чтения, а часть слоев - для записи. В рамках технологии FMD возможно создание и перезаписываемых дисков. Для этого предусматривается использование материала, способного переходить из стабильного состояния в состояние подверженное флуресценции и наоборот.

Что касается широкого применения FM-дисков, то фирма C3D ещё в 2000 году демонстрировала 10-слойный диск, с размерами, равными размерам обычного CD (диаметр 120 мм, толщина 1,2 мм), но обладающий емкостью в 140 Гбайт. Не так давно был продемонстрирован диск емкостью 1 Тбайт . Фирма также сообщает о принципиальной готовности к выпуску проигрывателей, которые будут способны воспроизводить вместе с флуоресцентными дисками также диски CD и DVD. Благо, что FMD, CD и DVD поддерживают одну и ту же систему распределения данных на каждом слое.

Внедрение нового носителя, предназначенного для массового применения - вопрос не столько технический, сколько стратегический. Чтобы материал, записанный на таком носителе, был совместим с любым воспроизводящим аппаратом, независмо от того, где и кем он произведен, вся система должна быть стандартизована. А чтобы появился международный стандарт, его должны поддержать крупнейшие транснациональные компании. На данный момент полным ходом идет широкомастштабное внедрение DVD. Другими словами, крупнейшие производители вложили в DVD огромные средства, поэтому пока они не высосут всё бабло из DVD, о флуоресцентном диске можно забыть, как минимум лет на пять.

Несмотря на бурный прогресс в совершенствовании дисковых носителей записи, будущее всё же не за ними. Лавры победителя достанутся совсем другому носителю, который пока ещё остается в глубокой тени, но бурно прогрессирует. Это твердотельный объемный носитель. Сейчас к этой категории носителей можно отнести устройства постоянной и оперативной памяти (ПЗУ и ОЗУ), хотя и не только их. Емкость подобных устройств уже достигла таких размеров, когда вполне реально записать часовую музыкальную программу с качеством DVD в блок постоянной памяти, имеющий очень небольшие габариты. Правда, пока это дорого. Стоимость такого носителя будет равняться стоимости нескольких десятков или даже сотен компакт-дисков. Но такие накопители уже широко используются в служебных целях - там, где их стоимость решающей роли не играет. Например, в качестве "черного ящика" для записи информации на борту самолета.

Достоинства твердотельных накопителей очевидны. Записывающие и воспроизводящие устройства для них не нуждаются ни в какой механике. Не нужно, чтобы что-то вращалось, перемещалось, за чем-то следило. Они также не боятся ни тряски, ни ударов, ни вибраций. И размеры их, в принципе, могут быть сколь угодно малыми. Что ж, поживем, увидим.

Digital Versatile Disc (DVD). История появления DVD

 

К концу 1994 года в технической прессе стали появлятся сообщения о том, что тандем SONY-PHILIPS, разработавший технологию CD, готов представить потребителю более совершенный носитель, подходящий для записи информации любого характера. Система на основе нового носителя разработана с учетом самых последних достижений в области прикладной химии, оптики, микроэлектроники, информатики и способна прийти на смену тому, что создано на базе CD.

В процессе работы над новым носителем несколько раз менялось его название, отражая основные намерения разработчиков на том или ином этапе: MMCD (MultiMediaCD), HD-DVD (High Density Digital Video Disc), HD-CD (High Density CD). С целью скорейшего завоевания рынка проигрыватели новой системы планировалось сделать совместимыми со всеми существовавшими тогда носителями информации в формате CD. Правда, совместимость могла быть только односторонней - проигрыватели CD и приводы CD-ROM не смогли бы воспроизводить диски MMCD.

Объяснялось это наличием множества технических новшеств, справиться с которыми CD-устройтсва были бы не в состоянии. Прежде всего, это двухслойная структура диска MMCD. Кроме обычного отражающего информационного слоя, толщина которого равнялась 0,05 мкм (у CD - 0,1 мкм), над ним располагался ещё один информационный слой (0,05 мкм) - полупрозрачный (или полуотражающий). Расстояние между этими двумя слоями всего 0,04 мкм. В остальном конструкция диска похожа на CD - подложка из поликарбоната, защитный лаковый слой со стороны информационного - 10 мкм. Поверх него - этикетка (рис. 1). Но емкость каждого информационного слоя должна была быть 3,7 Гбайт - почти в 6 раз больше, чем у CD. А всего на двухслойном диске планировалось разместить 7,4 Гбайт.

Рис. 1 - Конструкция диска MMCD

 

Такая большая емкость диска объясняется использованием лазера с более короткой длиной волны излучения - 0,635 мкм (красный свет), и оптической системы с числовой апертурой 0,52. У CD те же параметры - 0,78 мкм и 0,45 соответственно. Такие усовершенствования позволяют получить световое пятно гораздо меньших размеров, чем у CD, что в свою очередь обеспечивает возможность уменьшения более, чем в два раза геометрических размеров пит и расстояния между дорожками. При использовании компрессии по стандарту MPEG-2 на таком диске можно разместить 135 минут видеозаписи вещательного качества.

Однако не только SONY и PHILIPS были озабочены созданием нового высокоплотного носителя. Группа компаний во главе с японской фирмой TOSHIBA (MATSUSHITA, HITACHI, PIONEER, THOMSON, MCA, TIME WARNER и MCM(UA)) неожиданно для многих предложила свой стандарт на дисковый носитель, подобный диску MMCD. Даже названия у них были чем-то схожи: SD-DVD (Super Density Digital Video Disc) перекликается с HD-DVD. Другое название - SDD (Super Density Disc) похоже на HD-CD. Совпадают и основные параметры обоих дисков. SD-DVD тоже имеет двухслойную структуру, однако, она несколько иная, чем у MMCD, ибо образуестя за счет того, что склеиваются вместе две половинки диска, каждая из которых имеет толщину 0,6 мм (рис. 2).

Рис. 2 - конструкция диска SD-DVD

 

Считывание с такого диска должно производиться с двух сторон. Глубина расположения информационного слоя у SD-DVD получается при этом вдвое меньше. Зато информационная емкость каждой стороны оказывается больше - 5 Гбайт против 3,7 у MMCD. Всего на обеих сторонах помещается 10 Гбайт - почти в 15 раз больше, чем у обычного CD. Для записи видеофильмов здесь также предполагалось использование компресси по стандарту MPEG-2 так, чтобы получалось 135 минут видеоизображения вещательного качества.

Оказалось, что такое сходство стандартов, разработанных разными группами фирм, вовсе не случайно. Обе группы при разработке учли рекомендации, ранее сформулированные для них консорциумом крупнейших представителей индустрии развлечений Hollywood Digital Video Advisory Group, включающего в себя таких гигантов, как Columbia Pictures, MGM, Disney, MCA/Universal, Paramount, Viacom и Warner Brothers. Эта группа подготовила целый ряд предложений, направленных на кардинальное повышение качества выпускаемой видеопродукции и защите авторских прав на неё.

После долгого и всестороннего обсуждения двух предложенных вариантов стандарта на систему высокоплотной записи к концу 1995 - началу 1996 года заинтересованные стороны наконец-таки пришли к единому мнению относительно технических параметров нового носителя. Требования эти были сформулированы вначале только для видеозаписи, поскольку основной задачей, поставленной перед разработчиками, было все-таки создание именно видеоносителя. Даже название его - "DVD" вначале означало именно "Digital Video Disc" (вопреки бытующему сейчас мнению) - как и у прототипов (HD-DVD и SD-DVD). Но, поскольку было ясно, что новый носитель годится и для хранения любой другой информации, то решили подыскать для буквы "V" иное, более подходящее значение. Остановились на слове "versatile", которое означает "многопрофильный, разносторонний, легко изменяющийся".

В конструкции самого диска отразились решения обеих групп разработчиков - диск может быть односторонним однослойным, односторонним двухслойным, двухсторонним однослойным и двухсторонним двухслойным, т. е. может иметь до четырех информационных слоев. Окончательные параметры DVD следующие:

 

Консрукция диска DVD

 

В настоящее время получили распространение 4 конструктивно различных типа дисков, имеющих от одного до четырех информационных слоев. С учетом того, что кроме 120 мм диска выпускается ещё и 80 мм, всего получается 8 наименований, отличающихся своей информационной емкостью. Их данные приведены в таблице 1.

 

Однослойный односторонний - SSSL (Single Sided Single Layer) (рис. 1). Представляет собой две склеенные подложки толщиной 0,6 мм каждая. Одна - на которой имеется информационный слой, изготовлена из прозрачного поликарбоната. Другая изготовлена из непрозрачной пластмассы. На ней информационного слоя нет, и предназначена она только для того, чтобы обеспечить нужную толщину диска. На неё наносится этикетка. Информационный слой металлизирован слоем алюминия толщиной 0,05 мкм.

Рис. 1 - Конструкция диска SSSL

Двухсторонний однослойный (флиппер-диск) - DSSL (Double Sided Single Layer) (рис. 2). Аналогичен SSSL, но информационный слой имеется на каждой из двух подложек. Общая емкость диска в два раза больше, чем у SSSL. Неудобен тем, что в проигрывателях с одной считывающей головкой при просмотре фильма приходится извлекать его из дисковода и переворачивать.

Рис. 2 - Конструкция диска DSSL

 

Односторонний двухслойный - SSDL (Single Sided Double Layer) (рис. 3). Так же, как и DSSL, имеет информационный слой на каждой подложке, но считывается, в отличие от него, с одной и той же стороны. Информационный слой на одной из подложек (той, сквозь которую осуществляется считывание) металлизирован не алюминием, а тончайшим полупрозрачным слоем золота или кремния. При считывании луч лазера может фокусироваться либо на поверхности полупрозрачного слоя, либо на поверхности непрозрачного слоя, металлизированного алюминием. При склеивании двух подложек между ними вводится расплавленный прозрачный фотополимер, который затем подвергается облучению потоком ультрафиолетовых лучей и затвердевает. Толщина его составляет доли микрона. Поскольку уровень шумов носителя здесь значительно выше, а уровень полузного сигнала ниже, чем у SSSL и DSSL, питы приходится делать гораздо крупнее стандартных и информационная емкость диска поучается меньше, чем у DSSL, который тоже имеет два информационных слоя.

Рис. 3 - Конструкция диска SSDL

 

Особенностью диска SSDL является то, что если на нем записан DVD-Video или DVD-Audio, то первый слой (полупрозрачный) считывается как обычно - от центра к краю, а вот второй (непрозрачный) - от края к центру. Это делается для того, чтобы во время перехода от одного слоя к другому программа, записанная на нем не прерывалась. Если же диск SSDL представляет собой DVD-ROM, то оба слоя считываются от центра к краю.

Рис. 4 - Конструкция диска DSDL

 

Двухсторонний двухслойный - DSDL (Double Sided Double Layer) - диск с двумя информационными слоями на каждой из подложек. При изготовлении таких подложек один инфорамационный слой покрывают полупрозрачным слоем золота или кремния, после чего наносят жидкий фотополимер и прикладывают матрицу с рельефом второго информационного слоя. После отвердервания фотополимера под воздействием ультрафиолетовых лучей на получившийся рельеф напыляют слой алюминия. Две подложки склеивают вместе и получают диск с четырьмя информационными слоями. Емкость его в два раза выше, чем у SSDL.

Цифры в названиях типов дисков отражают их примерную емкость (DVD-5, DVD-9 и т. п.). По хараетеру записанной информации диски можно разделить на три типа - DVD-Video, DVD-Audio и DVD-ROM. На DVD-Video записываются видеопрограммы. DVD-Audio служит источником высококачественных звуковых программ. На DVD-ROM, как правило, записываются компьютерные программы, текстовая, графическая и прочая информация, в том числе может быть записан звук или видео. В этом отношении DVD-ROM, кроме гораздо большей информационной емкости, ничем не отличается от CD-ROM.

По отношению к возможности записи на диски новой информации их тоже можно разделить на три типа.

1. Диски только для чтения.

К ним относятся диски всех трех вышеупомянутых типов в случае, если они изготовлены путем тиражирования в заводских условиях. Изменение записинной на них информации невозможно.

2. Диски для однократной записи - DVD-R (Recordable)

Имеют емкость SSSL - 4,7 ГБ, хотя уже появились диски с емкостью DSSL. Запись на них можно производить всего один раз, так же как на CD-R. В зависимости от содержания и способа размещения данных, диск DVD-R после записи приобретает свойства того формата, в котором производилась запись (DVD-Video, DVD-Audio, DVD-ROM) и в дальнейшем может воспроизводиться теми же устройствами, что и одноименные диски заводского производства. А может и не воспроизводиться. Причин такого явления две.

Во-первых, оптический контраст записи на DVD-R значительно ниже, чем у записи на тиражированном диске, и далеко не все приводы способны надежно распознавать информацию в таких условиях, то есть все зависит от типа привода (дисковода).

Во-вторых, при подготовке записываемого материала должен быть проведен полноценный премастеринг, включающий в себя формирование всей необходимой для считывания данного формата информации служебного характера. Если подготовка проводилась по какой-нибудь другой программе, то воспроизведение будет возможно только на том дисководе, на котором производилась запись. Или на другом, но с применением той же программы. Её, кстати можно записать на том же диске.

3. Диски для многократной записи.

Известно три вида - DVD-RW, DVD+RW и DVD-RAM. Это однослойные диски и емкость их не превышает SSSL. Запись так же как и CD-RW осуществляется путем изменения фазового состояния вещества информационного слоя. В качестве такого вещества может использоваться сплав германия, сурьмы и теллура (GeSbTe), который при разогреве до соответствующих температур способен переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Ниже слоя такого вещества располагается отражающий слой. При считывании лучом лазера малой мощности отраженный пучок меняет свою интесивность.

DVD-RW (Rewritable - перезаписываемый). Основной разработчик - фирма PIONEER. Поддержан фирмами JVC, Hitachi, KENWOOD, LG, Mitsubishi, Sharp. Утвержден косорциумом по DVD. Емкость - 4,7 ГБ.

DVD+RW. Основной разработчик - PHILIPS. Поддержан фирмами Sony (кто бы сомневался), THOMSON, YAMAHA. Консорциумом по DVD не утвержден. Емкость 2,8 ГБ. Некоторые особенности характера записи DVD+RW позволяют считывать с него информацию только с помощью аппаратов PHILIPS, Sony, THOMSON, YAMAHA.

DVD-RAM (Read Access Memory - память с произвольным доступом). Основной разработчик - Panasonic. Поддержан фирмами Hitachi, TOSHIBA и Samsung. Утвержден консорциумом по DVD. Емкость может быть от 2,8 до 5,2 ГБ. Это магнитооптический диск, подобный минидиску, поэтому его запись и считывание могут осуществляться только соответствующими устройствами или устройствами, специально адаптированными для этого.

Перезаписываемые диски так же как и DVD-R в случае копирования на них информации с дисков DVD-Video, DVD-Aidio или DVD-ROM, приобретают свойства того формата, к которому относится эта информация и теоретически должны считываться соответствующими DVD-устройствами. Но, как и в случае DVD-R, это не всегда так. Оптический контраст записи (разница между интенсивностью отраженного от поверхности диска света, соответствующего нулям и единицам записанного сигнала) у тиражировнных дисков составляет 45...85% ("0" - "1"), а у дисков DVD-RW и DVD+RW - всего 18...30% (за 100% здесь принята интесивность падающего пучка). Те дисководы, которые не рассчитаны на воспроизведение записей с таким контрастом (в их число входят все дисководы первых поколений), считывать реверсивные диски не смогут.

DVD-RAM имеют ещё меньший контраст - 12...25%. В силу характера магнитооптической записи, для её воспроизведения требуется несколько иная конструкция оптической головки.

Все диски DVD имеют защиту от прямого копирования, что не позволяет осуществлять их перезапись в цифровом виде. Поэтому подготовку информации для записи (премастеринг) придется проводить с помощью имеющихся в наличии сведств - DVD-рекордера или компьютера с приводом DVD-RW (или другого типа). Как следствие, организация записанного материала может отличаться от той, которую "понимает" DVD-плеер и воспроизведение может стать невозможным именно по этой причине.

По характеру записанной информации диски DVD делятся на три типа: DVD-Video, DVD-Audio и DVD-ROM, причем последний отличается от CD-ROM только гораздо большей емкостью. Два других типа, в отличие от их аналогов формата CD, предполагают совершенно иное качество материла.

DVD-Video

 

Диск DVD является носителем видеопрограмм. Программы, записанные на нем, имеют высочайшее качество, приближенное к вещательному. Благодаря большому объему содержащейся на диске служебной информации, проигрыватели DVD-Video обеспечивают пользователю большое количесвто разнообразных сервисных возможностей.

Видеоинформация, в том числе субтитры и прочие графические элементы изображения, записываются на диск, как правило, с использованием технологии сжатия данных MPEG2. Такая технология предполагает неравномерность скорости потока информации, считываемой с диска. В процессе воспроизведения скорость потока зависит от динамики видеосюжета - если в кадре много движения, то скорость потока увеличивается, если картинка статична или в ней мало дважения, то снижается. Средняя скорость общего потока данных (видео, звук, субтитры и пр.) - 4,69 Мбит/с. Максимальная может достигать 9,3 Мбит/с. Разрешение видеоизображения при таком способе сжатия получается 720 пикселей на 480 строк, а продолжительность фильма, который можно записать на один информациоггый слой диска - до 135 минут.

Видеоизображение может быть записано со сжатием по стандарту MPEG1, который предполагает фиксированную скорость кодирования потока данных. Картинка при этом получается менее качественной, с разрешением всего 352 пихеля на 240 строк.

Одной из особенностей DVD является то, что пользователь может рассматривать происходящее на экране телевизора в нескольких ракурсах, свободно переходя от одного к другому по своему усмотрению. Для этого ему достаточно нажимать кнопку "Изменение угла зрения" на пульте дистанционного управления проигрывателем. Такая возможность обеспечивается за счет того, что фильмы для записи на DVD снимаются несколькими камерами, видеопотоки от которых мультиплексируются и записываются на диск. Число камер может быть от одной до девяти.

Ещё одной особенностью DVD являетсято, что фильмы здесь можно смотреть в двух вариантах - в стандартном формате с соотношением сторон 4:3 и широкоэкранном 16:9. Записывается на диск один вариант - стандартный 4:3. Но декодер MPEG2 может трансформировать изображение в широкоэкранное.

Звуковое сопровождение фильмов на DVD-Video может быть в черырех вариантах.

Первый вариант соответствует стандарту CD-Audio (стандарту R-DAT - 16 бит/48 кГц). Компрессия здесь не используется. С точки зрения качества - это самый лучший вариант. Записанный таким образом звук может быть перекодирован в объемный по системе Dolby Surround. Но это зависит от того, предусмотрена ли такая система перекодирования в конкретной модели проигрывателя, что совсем не обязательно.

Второй варинт - многоканальный звук по системе Dolby Digital (AC-3). Этот вариант обеспечивает шесть звуковых каналов - пять основных (левый и правый фронтальные, левый и правый тыловые и центр) с полосой частот 3...20 000 Гц и один дополнительный - низкочастотный (сабвуфер) с полосой 3...120 Гц. Такая система известна как 5,1-канальная. Разрешение здесь может быть от 16 до 24 разрядов при частоте дискретизации 48 кГц, но со сжатием. Поскольку воспроизведение такого звука предполагает наличие в проигрывателе соответствующего декодера, а также соответствующего усилителя и акустических систем, то предусмотрено его преобразование в Dolby Surround, когда эффект обхемного звучания достигается с помощью только двух акустических систем. Если же нет и такого декодера, то звуковое сопровождение будет обычным - моно или стерео.

Третий вариант - с использованием компрессии по стандарту MPEG1 Audio либо по стандарту MPEG2 Audio. Последний позволяет перекодировать звук как в Dolby Digital, так и в Dolby Surround. Но это также зависит от наличия в проигрывателе соответствующих транскодеров. Такой вариант звукового сопровождения чаще всего используется в Европе.

Четвертый вариант - это также шестиканальный цифровой объемный звук мастер-класса в стандарте DTS (Digital Theatre Systems). С точки зрения эмоционального восприятия - наилучший вариант. До недавнего времени был редкостью на дисках DVD, поскольку кодирование звукового материала по стандарту DTS Digital Surround осуществлялось только в центральной студии компании Digital Theatre Systems. После того, как сотрудничающая с ней компания Sonic Solutions начала оснащать свои системы подготовки DVD Sonic Studio HD и DVD-Creator новым процессором Sonic HDSP для DTS-кодирования, внедрение технологии DTS стало доступным для тысяч студий во всем мире и диски DVD с этим вариантом звука перестали быть редкостью.

Что же касается речевого сопровождения, то оно может быть записано на восьми языках. Пользователь может выбрать любой из них по своему усмотрению.

Изображение может сопровождаться субтитрами на 32-х языках мира, в том числе самых экзотических. Пользователь также может выбрать один из них или убрать с титры с экрана. Однако, количество каналов речевого сопровождения, так же как и субтитрами, зависит только от желания создателей фильма и их может быть гораздо больше или меньше и даже может не быть совсем.

Ещё одной новинкой, использованной в системе DVD-Video, является так называемый "родительский код" или "родительский контроль". Этот код не позволяет детям до определенного возраста просматривать содержимое некоторых дисков или определенных фрагментов на них. Возможность введения "родительского контроля" закладывается ещё на стадии изготовления диска. Если кодируются фрагменты фильма, то предусматриваются их варианты с более "мягким" содержанием. Родители имеют возможность подтвердить запрет введением своего кода в проигрыватель. После того, как подтверждающий код введен, просмотреть защищенный материал можно только после введения соответствующего пароля, который могут знять только те, кому его сообщили. В противном случае будет воспроизводиться другой вариант фрагмента, на который запрет не распространяется.

Обеспечив пользователя широким набором сервисных возможностей, разработчики и производители DVD-продукции вместе с тем создали для него ещё и ряд серьезных ограничений. К числу таких ограничений относятся региональное кодирование и системы защиты от копирования. Целью введения регионального кодирования является защита рынков сбыта видеопродукции путем ограничения импорта. Для этого диски DVD и DVD-проигрыватели снабжаются региональным кодом, который позволяет считывать содержимое дисков только аппаратами своего региона.

Весь мир поделен на шесть географических зон, каждой из которых присвоен свой код:

1 - США и Канада;

2 - Япония, Западная Европа, ЮАР, Турция и Средний Восток;

3 - Юго-Восточная Азия;

4 - Австралия, Новая Зеландия, Океания и Латинская Америка;

5 - Россия, страны СНГ, Африка, Центральная Азия и Северная Корея;

6 - Китай.

В Европе и Японии региональное кодирование успехом не пользуется, поэтому производимые там диски не всегда имеют региональный код, а конструкция проигрывателей DVD позволяет потребителю тем или иным способом обойти это неудобство.

Самым главным неудобством для потребителя стали разнообразные системы запрета копирования, с помощью которых производители дисков охраняют свои права, препятствуя размножению видеопрограмм путем их перезаписи. Причем запрет может распространяться не только на прямое цифровое копирование, но и на перезапись в аналоговой форме. Это не говоря уж о том, что проигрыватели DVD конструктивно не имеют цифрового выхода, а DVD-рекордеры - цифрового входа. Так что, даже если бы кода запрета копирования не было, осуществить перезапись в цифровой форме было бы затруднительно.

Одну из систем запрета копирования в аналоговой форме разработала компания MACROVISION-ACPS (Analog Copy Protiction System). Суть её заключается в том, что к видеосигналу, считываемому с диска, подмешивается сигнал помехи, который нарушает синхронизацию в тракте записи DVD-рекордера, из-за чего качество копии получается очень плохим. При её воспроизведении изображение начинает дрожать, искажаться, терять цвет. В то же время при воспроизведении самого диска (того, с которого делалась копия) сигнал помехи не влияет на качество телевизионной картинки, поскольку присутствует только во время обратного хода луча.

Однако такая система, к счастью для пользователей, очень несовершенна и довольно легко нейтрализуется путем подавления (отсекания) с помощью простых аппаратных средств. Каждый, кто знаком с формой телевизионного сигнала, сам может придумать, как избавиться от такой помехи. Другая система - CGMS (Copy Generation Management System) - позволяет пользователю сделать определенное число цифровых или аналоговых копий, но не более разрешенного количества. Кроме того, данная система запрещает делать копии с копий. Существует в двух вариантах - CGMS/A (для ограничения аналогового копирования) и CGMS/D (для ограничения цифрового копирования). Коды запрета CGMS записываются в служебную информацию диска DVD и передаются по цифровому интерфейсу (например, IEEE 1394 Fire Wire) при наличии у проигрывателя или дисковода DVD цифрового выхода. Те же коды способствуют формированию сигналов помехи на аналоговом выходе проигрывателя.

DVD-Audio

 

Требования к звуковой версии DVD были сформулированы ещё в середине июня 1998 года, однако массовое производство дисков и проигрывателей долгое время сдерживалось из-за неясности ситуации с защитой от копирования.

Основным требованием, обеспечивающим сверхвысокое качество звуковых программ, на DVD-Audio, является использование линейного кодирования материала (без компрессии) со следующими характеристиками:

 

Таким образом, даже наихудший из всех возможных вариантов должен обладать показателями, аналогичными CD-Audio (16 бит/44,1 кГц). Следовало бы предположить, что наилучшим будет шестиканальный звук (5.1 каналов) с параметрами кодирования в каждом из каналов 24 бита/196 кГц. Однако этот вариант, к сожалению, невозможен, поскольку скорость потока данных, которая потребовалась бы для считывания такого объема информации в реальном масштабе времени должна приближаться к значению 27,6 Мбит/с. Максимальная же величина этого параметра у DVD - 9,6 Мбит/с. Поэтому звук с параметрами 24 бит/196 кГц (а также 24 бит/178,4 кГц) возможен только в двух- или одноканальном вариантах (стерео или моно).

Более того, шестиканальное звучание с параметрами 24 бит/96 кГц (скорость потока данных 13,8 Мбит/с) возможно только с использованием специального вида компресси - MLP (Meridian Lossless Packing - упаковка "без потерь", разработанная фирмой MERIDIAN). Правда, этот вид компрессии обеспечивает полное восстановление данных после декодирования - как будто никакой компрессии и не было. Именно поэтому он и допустим в DVD-Audio. Степень сжатия в MLP невелика - объем данных уменьшается всего на 25...55%. Тем не менее, этого достаточно, чтобы данный вариант кодирования можно было воспроизводить в реальном масштабе времени.

Программа с шестиканальным звучанием может быть записана на диск либо по технологии Surround Dolby Digital, либо по технологии DTS (Digital Theatre Systems). Однако с учетом того, что большинство воспроизводящих систем домашнего пользования являются все-таки стереофоническими, предусмотрено, что в проигрывателях DVD-Audio шестиканальный звук может воспроизводиться как стерео. Для этого аппарат должен включать в себя систему автоматического сведения шести каналов в два. Такая система называется SMART - System Managed Audio Resourse Technique (техника системного управления звуковыми ресурсами). В отдельных случаях двухканальный (стерео) вариант может быть записан на диске вместе с шестиканальным. Тогда проигрыватель должен выбрать воспроизведение именно этого варианта, поскольку всякое автоматическое сведение всегда хуже оригинальной записи, сделанной звукорежиссером. Если же двухканальный вариант отсутствует, то будет воспроизводиться шестиканальный и перекодироваться в стерео с помощью системы SMART.

Проигрыватели DVD

 

Структурная схема проигрывателя DVD показана на рис. 1.

Увеличить
Рис. 1 - Структурная схема проигрывателя DVD-Video

 

Сигнал, считанный с диска оптической головкой, поступает на блок предварительных усилителей, после чего формируется цифровой код и выделяются импульсы тактовой синхронизации. Кроме того, сигнал с оптической головки поступает на сервопривод, который выделяет и отрабатывает возникающие при воспроизведении диска ошибки фокусировки и автотрекинга. Информационный сигнал и тактовые импульсы поступают на демодулятор и блок защиты от ошибок (декодер CIRC Plus). В качестве модулирующего кода в DVD используется канальный код 8-16 (EFM Plus), который ставит в соответствие каждому байту информации 16-разрядную канальную группу. Соединительные разряды здесь, в отличие от простого EFM-кода, не используются, поскольку устранение постоянной составляющей и соблюдение ограничений на минимальный и максимальный интервалы обеспечиваются другими способами - путем выбора одной из нескольких возможных 16-разрядных комбинаций.

После модуляции (обратного преобразования 16-разрядных канальных групп в исходные байты информационного потока) из него выделяются служебные данные и направляются в центральный процессор, управляющий работой всех систем проигрывателя. А видео- и аудиоданные обрабатываются декодером CIRC Plus, который осуществляет деперемежение и коррекцию обнаруженных ошибок. Здесь же происходит выделение сигнала управления двигателем, вращающим диск, и сигналов блочной, кадровой и прочих видов синхронизации.

После этого информационные данные поступают на систему VBR (Variation Bit Rate), которая управляет потоком данных для видеодекодера MPEG2. Поскольку его работа предполагает неравномерную скорость этого потока, зависящую от динамики видеосюжета, то система VBR выполняет роль буфера, накапливающего в ОЗУ данные, считываемые с диска и передающего их декодеру MPEG2 в ответ на его запрос.

Видеодекодер, кроме того, может работать с данными, компрессированными по технологии MPEG1, которая предполагает постоянную скорость потока данных.

После декомпрессии видеоинформация преобразуется в тот или иной телевизионный формат (NTSC, PAL, SECAM) и поступает на выход проигрывателя (вход телевизора).

Звуковая информация поступает на блок аудиодекодеров (MPEG2, AC-3, DTS), где в зависимости от способа её представления на диске, технических возможностей проигрывателя и желания пользователя, происходит её декодирование или перекодирование. Полученная в результате последовательность отсчетов либо преобразуется в аналоговую форму с помощью внутренних ЦАП, либо поступает на выход в цифровой форме для преобразования во внешнем декодере.

Работой всех систем проигрывателя управляет центральный процессор, который, в свою очередь, управляется пользователем либо с ПДУ (пульт дистанционного управления), либо с помощью органов управления на передней панели проигрывателя. У DVD-дисководов (DVD-ROM) роль органов управления выполняет соответствующий драйвер компьютера.

Сейчас существует куча различных моделей DVD-проигрывателей - как стационарных, так и переносных, отличающихся друг от друга объемом сервисных функций, способностью декодировать многоканальный звук, количеством оптических головок (1 или 2), совместимостью с другими разновидностями дисков DVD и CD, качеством воспроизводимого изображения и звука и прочими особенностями.

Структурная схема проигрывателя DVD-Audio показана на рис. 2. Она значительно проще схемы проигрывателя DVD-Video и больше похожа на схему проигрывателя CD-Audio. Работа её понятня без пояснений.

Увеличить
Рис. 2 - Структурная схема проигрывателя DVD-Audio