Организация данных и основные характеристики CD-ROM

Компакт-диск – оптический или магнитно-оптический диск, предназначенный для записи и чтения цифровых данных при помощи лазерного луча. Технология лазерных компакт-дисков продолжает развиваться сразу в нескольких направлениях. Это CD-ROM, DVD-ROM, устройства с однократной и многократной записью CD-R и CD-RW, перезаписываемые DVD.

Технологии изготовления CD-ROM уже более десяти лет. 1982 год фирма Sony. Первым в мире компакт-диском был альбом Билли Джоэла «52nt Street»

За этот немалый для компьютерных технологий срок сменилось несколько поколений накопителей CD-ROM. Рассмотрим основы технологии CD-ROM и ее главные характеристики.

Толщина диска составляет 1,2 мм, диаметр – 120 мм. Диск изготавливается из прозрачного поликарбоната, который покрыт с одной стороны тонким металлическим отражающим слоем (алюминия, реже золота) и защитной пленкой специального прозрачного лака. Информация на диске записана в виде чередования углублений в поверхности металлического слоя (load). Двоичный нуль представляется на диске как в виде углубления, так и в виде основной поверхности, а двоичная единица – в виде границы между ними.

В соответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три области.

Входная директория (lead in) – область в форме кольца шириной 4 мм, ближайшего к центру диска. Считывание информации с диска начинается именно со входной директории, где содержатся оглавление (Table of Contents – ТОС), адреса записей, число заголовков, суммарное время записи (объем), название диска (Dick Label).

Основная область данных, или файловая система, представлена на диске кольцом шириной 33 мм.

Выходная директория (lead out) с меткой конца диска.

Основными функциональными элементами привода CD-ROM являются: миниатюрный электродвигатель, полупроводниковый лазер, система оптических линз и датчиков, электронная схема предварительной обработки информации и управления приводом.

В настоящее время можно выделить семь основных групп задач, решаемых с помощью накопителей CD-ROM:

Установка и обновление программного обеспечения;

Работа с программными продуктами;

Поиск информации в базах данных, архивах, энциклопедиях, справочниках;

Работа с обучающими, развлекательными и игровыми программами;

Просмотр видеофильмов и фотоизображений;

Использование накопителя CD-ROM в качестве разделяемого ресурса локальной компьютерной сети;

Прослушивание музыкальных компакт-дисков.

Рассмотрим основные характеристики приводов CD-ROM с точки зрения их влияния на производительность накопителя в составе персонального компьютера и качество решения задач, возлагаемых на накопитель. К основным характеристикам приводов CD-ROM относятся:

Скорость передачи данных (Data Transfer Rate – DTR);

Среднее время доступа (Access Time – AT);

Объем буферной памяти (Buffer Memory);

Коэффициент ошибок (Error Rate);

Средняя наработка на отказ (Mean Time Between Failure – MTBF);

Тип интерфейса;

Перечень поддерживаемых форматов CD;

Параметры трактов воспроизведения.

Скорость передачи данных
DTR – это максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Это наиболее важная характеристика привода CD-ROM, которая практически всегда упоминается вместе с названием модели. Непосредственно со скоростью передачи данных связан такой параметр, как скорость вращения диска («кратность»). Первое поколение приводов (или дисководов) CD-ROM имели скорость передачи данных 150 Кбайт/с, как и проигрыватели аудиоCD. Скорости передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратны этому числу (150 Кбайт/с). Такие приводы получили название «накопителей с двух-, трех-, четырехкратной и т.д. скоростью». Причем скорость передачи данных приводов с n-кратной скоростью зависит от типа читаемой информации. Например, если считывается информация со звукового диска, то скорость передачи составляет 150 Кбайт/с (normal speed), а если считываются файлы данных, то скорость передачи может быть равна 300, 450, 600 Кбайт/с и т. д. Иногда для характеристики накопителей на CD-ROM используют такой показатель, как скорость постоянной передачи данных (Sustained Data Transfer – SDT).

Скорость передачи данных приводов CD-ROM различной кратности представлена ниже:

С переходом на быстродействующие модели приводов наметилась тенденция к размыванию понятия «кратность». Дело в том, что термин «кратность» соответствует не угловой скорости вращения диска, а линейной скорости движения дорожки диска относительно считывающего устройства. В этом состоит важное отличие накопителя CD-ROM, например, от накопителя на жестких дисках. Если одной из главных целей конструкторов жестких дисков было повышение средней производительности накопителей, то дисководы CD-ROM изначально проектировались для нужд аудиотехники, где требовалось, прежде всего, постоянство скорости передачи данных, независимо от того, с какой области диска в данный момент производится считывание – с внешней или внутренней. До недавнего времени приводы CD-ROM, в отличие от накопителей на магнитных дисках, использовали метод считывания информации с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocity – CLV), при котором угловая скорость вращения диска является величиной переменной, зависящей от места считывания информации (уменьшается по мере продвижения головки от центра к краю диска).

Для преодоления серьезных технических проблем, возникающих при скоростях передачи информации 2400 Кбайт/с (кратность 16х) и более, производители CD-ROM начали выпускать накопители с частично-постоянной угловой скоростью вращения диска PCAV (Partial Constant Angular Velocity). При использовании метода PCAV (иногда встречается обозначение CLV-CAV) паспортное значение скорости передачи информации достигается только при считывании данных из области на внешнем крае диска, а в области, ближайшей к центру, этот параметр может быть меньше указанного почти в два раза.

Интересное решение предложено специалистами фирмы Hitachi для поддержания постоянной производительности накопителя при чтении как на внешних, так и во внутренних областях диска (Hitachi 16maX Partial CAV-технология). По мере того как оптическая головка перемещается от внутренних областей диска к внешним, скорость передачи данных растет благодаря постоянной скорости вращения диска (CAV-режим).

Современные приводы CD-ROM по максимальной скорости считывания данных превосходят устройства первого поколения в 32–50 раз (32х – 50х, где 1х соответствует 150 Кб/c). Увеличение скорости чтения приводов CD-ROM – это фактически единственное направление совершенствования. Для 40–50-скоростных приводов скорость вращения достигает очень высоких величин – 8600–10400 об/мин. При таких скоростях для обеспечения надежного считывания требуются особые меры. В частности, фирма ASUSTEK снабжает свои приводы 43х, 36х, 40х, 50х специальной виброзащитой, обеспечивая надежное считывание на любой скорости.

В последнее время предложено принципиально новое решение, которое позволяет резко увеличить скорость чтения без увеличения скорости вращения диска. Технология, получившая название TrueX, разработана фирмой Zen Research. Основана она на параллельном считывании данных с нескольких соседних витков дорожки. Первой приводы CD-ROM, использующие эту технологию, выпустила фирма Kenwood. В новых приводах применен более широкий луч лазера, засвечивающий одновременно 7 дорожек, данные с которых считываются параллельно с помощью специального датчика матричного типа.

Уровень качества считывания характеризуется коэффициентом, или скоростью ошибок (Error Rate). Данный параметр отражает способность привода CD-ROM корректировать ошибки записи/чтения. Паспортные значения коэффициента ошибок составляют 10–10–10–12. Коэффициент ошибок представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита при его считывании. Когда привод считывает данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, он регистрирует группу ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить за счет избыточности помехоустойчивого кода (применяемого при записи/чтении), то привод переходит на пониженную скорость считывания данных с многократным его повтором. Если механизм коррекции ошибок не справляется с устранением сбоя, то на мониторе компьютера появляется сообщение «Сектор не найден» (Sector not found). В случае устранения сбоя привод переключается на максимальную скорость считывания данных.

Среднее время доступа AT (Access Time) – это время (в миллисекундах), которое требуется приводу для нахождения на носителе нужных данных.

Очевидно, что при работе на внутренних участках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних участков. Поэтому в паспорте накопителя приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с различных (выбранных случайным образом) участков диска. По мере совершенствования приводов CD-ROM величина среднего времени доступа уменьшается, но все же этот параметр значительно отличается от аналогичного для накопителей на жестких дисках (100–200 мс для CD-ROM и 8–12 мс для жестких дисков). Столь существенная разница объясняется принципиальными различиями конструкций: в накопителях на жестких дисках используется несколько магнитных головок, и диапазон их механического перемещения меньше, чем диапазон перемещения оптической головки в приводе CD-ROM. Типовые значения среднего времени доступа приводов CD-ROM представлены ниже:

данные обычно размещены в различных областях диска, а поскольку накопители на CD-ROM имеют относительно большое время доступа, это может привести к задержке поступления данных в компьютер. Это практически незаметно при работе с текстовыми файлами, но при выводе видеоизображений или звукового сопровождения паузы недопустимы. Если для управления приводом CD-ROM используются специальные программы-драйверы, то в буферную память может быть заранее записано оглавление диска. В этом случае обращение к фрагменту запрашиваемых данных происходит значительно быстрее.

Оптимальный объем буферной памяти определяется многими факторами. Принято считать, что для приводов CD-ROM с двукратной скоростью объем буферной памяти должен составлять не менее 64 Кбайт, а для накопителей с кратностью 4х и выше – не менее 256 Кбайт. Современные устройства имеют буферную память объемом 256–512 Кбайт.

Средняя наработка на отказ MTBF (Mean Time Between Failure) – это среднее время (в часах), характеризующее безотказность работы привода CD-ROM. MTBF определяет надежность накопителя как технического устройства.

Для первых моделей приводов CD-ROM средняя наработка на отказ составляла около 30 тыс. ч, или 3,5 года круглосуточной работы. У современных моделей этот показатель лежит в пределах 50–125 тыс. ч, что почти на порядок превышает срок морального старения накопителя.

Параметры аудиотракта. Поскольку приводы CD-ROM используются и для воспроизведения аудиодисков формата CD-DA (Compact Disk-Digital Audio), то они характеризуются и параметрами, описывающими качественные показатели тракта звуковоспроизведения, а именно:

Полосой воспроизводимых частот;

Динамическим диапазоном;

Отношением сигнал/шум;

Коэффициентом нелинейных искажений;

Сопротивлением на выходе;

Э. д. с. сигналов на выходе;

Переходным затуханием между каналами и др.

По этим характеристикам можно судить о том, способен ли привод CD-ROM заменить пользователю аудиоCD-проигрыватель.

Типы интерфейсов

Как и для жестких дисков, основное разделение приводов CD-ROM на классы производится по типу интерфейса. Для подключения к компьютеру в приводах CD-ROM могут использоваться следующие интерфейсы:

Стандартные интерфейсы типов IDE, EIDE/ATAPI;

Стандартные интерфейсы SCSI;

Нестандартные интерфейсы, применяемые производителями CD-ROM в одной или серии моделей своих приводов.

Интерфейс IDE хорошо известен и широко используется как интерфейс накопителей на жестких дисках. Попытка устранения ограничений по скорости передачи данных для интерфейса IDE и ограничений по емкости накопителей привели к появлению модифицированного интерфейса EIDE/ATAPI, предложенного фирмой Western Digital. Этот интерфейс поддерживает работу до четырех устройств, в том числе приводов CD-ROM. Включение привода CD-ROM с интерфейсом EIDE в систему компьютера осуществляется с помощью драйверов привода и/или операционной системы без изменения установок программы Setup BIOS, т.е. не требуется информирование BIOS о наличии нового периферийного устройства. Для новых моделей IDE приводов CD-ROM начинают все шире использоваться скоростные варианты интерфейса, то есть поддерживающие режим UltraATA/33.

Приводы с интерфейсом SCSI относятся к более высокому классу. Для них характерен более сбалансированный подход, в частности, скорость чтения чрезмерно не форсируется, используются большие объемы кэш-памяти.

Интерфейс SCSI предусматривает подключение к одному адаптеру до семи устройств, в том числе приводов CD-ROM. Интерфейс SCSI является наиболее универсальным, имеет явные преимущества при просмотре видеоизображений, однако его аппаратная реализация дороже, чем реализация интерфейса EIDE.

Стандарты записи данных на CD

На протяжении всей истории развития накопителей на оптических дисках создано несколько стандартов на форматы представления данных на CD. Большинство этих форматов были описаны в так называемой «радужной серии книг». Первой в этой серии появилась «красная книга» (красная обложка книги дала ей название), изданная фирмами Phillips и Sony, в которой описан диск CD-DA.

Предшественником цифрового диска был аналоговый компакт-диск CD-A размером 120 мм и длительностью звучания 60 мин.

В «красной книге» были определены основные требования к качеству записи звука, описан метод кодирования данных, обоснованы размеры диска (form-factor). В «желтой книге» были расширены способы представления данных на CD, обоснованы стандарты для текстовой и графической информации. В дальнейшем они были определены Международной организацией по стандартизации ISO. В этой же книге указано, что на диске любой фирмы-изготовителя должен записываться раздел с оглавлением тома. «Зеленая книга» регламентирует форматы для мультимедийных дисков типа CD-I (Interactive).

«Оранжевая книга» описывает физический формат для записываемых и стираемых CD. Основные параметры Video CD, предназначенных для хранения в цифровой форме и воспроизведения видеоизображения, были описаны в «белой книге», анонсированной в 1993 г. Следующая – «синяя книга» – описывает комбинированный формат CD Extra, позволяющий создать диск с двумя типами записей: аудиоинформации и цифровых данных. В сентябре 1995 г. фирма Sony, совместно с восьмью другими фирмами, направила свои усилия на создание единого унифицированного стандарта на формат записи данных на CD – DVD.

Рассмотрим основные форматы записи информации на CD.

Формат CD-DA – цифровой аудиокомпакт-диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 – наиболее распространенный стандарт логической организации записанных данных.

С появлением формата High Sierra стало возможным чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660 с помощью приводов всех типов, что, в свою очередь, привело к массовому тиражированию программ на CD.

Формат Photo-CD разработан компаниями Kodak и Philips в 1990–92 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения высококачественных фотоизображений (статической видеоинформации). На диске формата Photo-CD может храниться от 100 (разрешение 2048 х 3072 точек) до 800 (разрешение 256 х 384 точек) фотоизображений, а также звуковая информация.

Формат CD/XA (extended Architecture) – расширенный формат CD, позволяющий объединять аудиоинформацию и видеоизображения для их синхронного воспроизведения.

Формат CD-I разработан для широкого потребительского рынка как стандарт мультимедийного диска, который может содержать различного рода энциклопедии, аудио- и видеоинформацию, развлекательные программы и игры. На диске формата CD-I возможно хранение видеоизображения со звуковым сопровождением (стереозвук) с длительностью воспроизведения до 20 минут.

Диск формата CD-DV позволяет записывать и хранить до 74 мин высококачественного видеоизображения со стереозвуком. Хранение данных основано на методе сжатия MPEG-1 (Motion Picture Experts Group). Для чтения дисков, кроме привода, требуется аппаратный или программный декодер стандарта MPEG.

Формат 3DO разработан для игровых CD-приставок, например Mega-CD фирмы Sega.

Иногда в литературе встречается так называемый формат Multimedia CD-ROM, однако это не стандарт, а описательный термин для любого CD, допускающего запись данных, аудио- и видеоинформации.

Приводы CD-R дают возможность считывать данные с компакт-дисков и делать запись только на одноразовые (Recordable) диски. Устройства CD-RW (ReWritable) позволяют осуществлять запись на многоразовые, перезаписываемые диски и более универсальны, чем CD-R.

На диск CD-R можно последовательно добавлять новые файлы или их новые версии, но когда он заполнится, нельзя удалить старые файлы, чтобы высвободить место. Накопитель типа CD-RW позволяет работать с диском CD-RW во многом так же, как с любым другим носителем информации, т.е. обновлять и удалять файлы по мере необходимости.

Помимо относительно низкой стоимости самого устройства, рост их популярности обусловило то, что с увеличением объема используемых программ, баз данных, развитием мультимедийных технологий возникла потребность в архивировании и резервном хранении больших объемов информации (десятки-сотни мегабайт).

Технические характеристики. Скорость записи, перезаписи и чтения указывается в единицах, кратных стандартной скорости аудиозаписи (153,8 Кб/с), например 4х. Маркировка CD-RW 4 x 8 x 32 означает, что скорость перезаписи, записи на одноразовых дисках и чтения равна 4, 8 и 32 соответственно. Иногда встречается маркировка типа 16 х 10 х 40, но всегда наименьшее число обозначает скорость перезаписи (rewrite).

Интерфейс IDE применяется в большинстве устройств. Появляются и модели с более совершенным интерфейсом USB. Сейчас некоторые фирмы начали выпуск моделей с еще более современным интерфейсом IEEE 1394 (он же Fire Ware). Скоростные устройства SCSI в последнее время предлагаются редко.

Объем буфера имеет значение, в первую очередь, для записи на высоких скоростях. У современных моделей он обычно составляет 2 Мб.

Ранее выпускавшиеся модели пишущих и перезаписывающих устройств имели относительно низкую скорость чтения (4х–6х). Большинство же современных программ требуют не менее чем 8-скоростного устройства, а мультимедийные приложения и игры – еще больше. Наиболее скоростные приводы на данный момент:

— 16 х 12 х 32 Teac;

— 16 x 12 x 32 Yamaha;

— 18 x 8 x 32 Teac.

Строение CD-R диска. В структуре CD-R диска можно выделить четыре основных слоя, наносимых поэтапно

Изначально изготавливается пластмассовая основа диска – поликарбонат, которая составляет основную часть CD-R и придает ему необходимую прочность и форму. Далее на готовую пластмассовую форму наносится активный слой. Именно этот слой позволяет осуществлять запись на диск и определяет его надежность и качество считывания информации в дальнейшем. На сегодняшний день широко используется два типа активного слоя: цианин и фталоцианин.

Затем диск покрывается специальным слоем светоотражающего материала. В обычных CD-ROM для этой цели применяется алюминий, в CD-R дисках применяется чистое серебро, позволяющее добиться 65–80% коэффициента отражения.

Завершающим этапом изготовления диска является нанесение защитного слоя, на который в дальнейшем возможно нанесение изображений. Наиболее распространенным и простым в изготовлении защитным слоем является специальный лак. Лакировка диска не дает стопроцентной гарантии сохранности данных при внешних механических или химических воздействиях. Более высокую степень защиты дает нанесение дополнительных покрытий, которые делают CD более устойчивым к царапинам и химическим воздействиям.

Приведенные данные характерны для высококачественных устройств. В каждой категории накопителей (с одинаковой кратностью) могут быть устройства с более высоким или более низким значением среднего времени доступа.

Объем буферной памяти (Buffer Memory – ВМ) – это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (или кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти данные в компьютер могут передаваться с постоянной скоростью.

Накопители DVD

Устройства для чтения дисков высокой плотности DVD-ROM по техническим характеристикам, объемам выпуска и цене достигли, наконец, степени полной готовности к быстрому и массовому внедрению в компьютеры любого уровня. В чем же состоят отличия DVD от обычного CD-ROM? Во-первых, лазерный луч для считывания DVD имеет длину 650 нм или 635 нм против 780 нм в CD-ROM. Это позволило увеличить число
питов почти вдвое; соответственно, емкость также увеличилась. Однако для чтения DVD необходим привод нового поколения DVD-ROM. Во-вторых, в DVD применены более продвинутые способы коррекции ошибок и новый формат секторов. Все эти меры в совокупности дали емкость одного информационного слоя в 4,7 Гб (это примерно 2 часа качественного видео). Это минимальная емкость, которую может иметь односторонний однослойный диск DVD (Single Side/Single Layer, DVD-5). Кроме него, существуют следующие разновидности DVD:

Односторонний двухслойный (Single Side/Dual Layer, DVD-9): считывание обоих слоев идет с одной и той же стороны (это возможно за счет того, что один из слоев данных полупрозрачный). Емкость DVD этого типа составляет 8,5 Гб (4 часа видео).

Двухсторонний однослойный (Dual Side/Single Layer, DVD-10): по сути, представляет собой два самостоятельных однослойных DVD-5, расположенных по разным сторонам диска, следовательно, и емкость его составляет 9,4 Гб (4,5 часа видео). Кстати, переворачивать диск на другую сторону придется вручную, если только вы не готовы разориться на двухсторонний DVD-привод, существенно более дорогой.

Двухсторонний двухслойный (Dual Side/Dual Layer, DVD-18): это, как вы уже, наверное, догадались, по сути, два самостоятельных двухслойных DVD-9, расположенных по разным сторонам диска. Емкость этого «бутерброда», соответственно, составляет 17 Гб (8 часов видео).

Луч лазера в обычном приводе CD-ROM имеет длину волны 780 нм, а в устройствах DVD - от 635 нм до 650 нм, благодаря чему плотность записи DVD существенно выше.

Диск DVD имеет такой же диаметр, как и обычные компакт-диски, однако это уже не одинарный диск толщиной 1,2 мм. Он состоит из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм каждый, соединенных между собой своими тыльными сторонами. Благодаря такой структуре информационный слой, с которого производится считывание данных, удален от внешней поверхности только на 0,6 мм вместо прежних 1,2 мм. Это обеспечивает более точную фокусировку лазера для чтения более плотно расположенных данных.

Точная фокусировка достигается также изменением длины волны лазера. В отличие от CD-ROM, который работает с лазером инфракрасного диапазона с длиной волны 780 нм, для DVD применяется красный лазер с длиной волны 650 или 635 нм.

Что такое компакт диск

Компакт-диски были изобретены в 1980 г. инженерами фирм Sony и Philips. Первоначально компакт-диски использовались для записи аудиофонограмм. Стандарт аудиодисков называется CD-DA (Compact Disk - Digital Audio, компакт-диск - цифровой звук). Главное преимущество компакт-диска перед традиционными носителями звука (грампластинки, магнитная лента) состоит в необычайно высоком качестве звучания при воспроизведении фонограмм. При проигрывании компакт-дисков считывающим устройством является лазерный луч, а следовательно, между ним и диском нет механического контакта. Поэтому в воспроизводимой фонограмме полностью отсутствуют посторонние шумы, шуршанье и треск, свойственные обычным грампластинкам.

С развитием компьютерной техники компакт-диски стали использовать в качестве устройства для хранения информации. Такие диски получили название CD-ROM (Compact Disk - Read-Only Memory, компакт-диск - постоянное запоминающее устройство). С точки зрения физического устройства CD-ROM диск полностью идентичен звуковому CD-DA-диску и отличается лишь логической структурой дорожки (дорожек).

Стандартный компакт-диск (CD) состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, па котором методом прессования сформирован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается сверху защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака - так, чтобы вся металлическая поверхность была защищена от контакта со внешней средой. На защитный слой наносят надписи и рисунки (методом шелкографии специальной химически нейтральной краской). Общая толщина диска - 1.2 мм.

Информация записана на диск в виде спиральной дорожки, идущей от центра к краю диска, на которой расположены углубления (так называемые питы). Информация кодируется чередованием питов (условно - логической 1) и промежутков между ними (условно - логических 0). Расстояние между витками дорожки выбирается от 1.4 до 2 мкм, стандарт определяет расстояние в 1.6 мкм. Информация на диске закодирована помехоустойчивым кодом Рида - Соломона с использованием чередования - так что мелкие сбои при чтении дорожки никак не отражаются на достоверности считанной информации. Дорожка может быть непрерывной ЛУ. СО делиться на фрагменты (например, сессии в мультисессионлых дисках).

FAQ по звуковым компакт-дискам (CD-DA)

Все права в отношении данного текста принадлежат автору. При воспроизведении текста или его части сохранение Copyright обязательно. Коммерческое использование допускается только с письменного разрешения автора.

Как устроен компакт-диск?

Конструкция диска CD-DA (Compact Disk — Digital Audio, компакт-диск — цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 году под названием Red Book (Красная Книга).

Стандартный компакт-диск (CD) состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформирован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается сверху защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака — так, чтобы вся металлическая поверхность была защищена от контакта со внешней средой. Общая толщина диска — 1,2 мм.

Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорожку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений — питов (pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от промежутка к питу и наоборот обозначает единицу, а длина пита или промежутка — длину серии нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1,4 до 2 мкм, стандарт определяет расстояние в 1,6 мкм.

Каким образом на диске представляется звуковой сигнал?

Исходный стереофонический звуковой сигнал подвергается оцифровке в 16-разрядные отсчеты (линейное квантование) с частотой дискретизации 44.1 кГц. Полученный цифровой сигнал носит название PCM (Pulse Code Modulation — импульсно-кодовая модуляция, ИКМ), так как каждый импульс исходного сигнала представляется отдельным кодовым словом. Каждые шесть отсчетов левого и правого каналов оформляются в первичные кадры, или микрокадры, размером 24 байта (192 бита), поступающие со скоростью 7350 штук в секунду, которые подвергаются кодированию при помощи двухуровневого кода CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Code — избыточный код Рида-Соломона с перекрестным перемежением) по схеме: перемежение с задержкой на 1 байт, кодирование уровнем C2, перекрестное перемежение с переменной задержкой, кодирование уровнем C1, перемежение с задержкой на 2 байта. Уровень C1 предназначен для обнаружения и коррекции одиночных ошибок, C2 — групповых. В результате получается блок длиной 256 бит, данные в котором снабжены разрядами обнаружения и коррекции ошибок, и к тому же «размазаны» до блоку, что приводит к записи смежных звуковых данных в физически несмежных областях диска и снижает влияние ошибок на отдельные отсчеты.

Код Рида-Соломона имеет избыточность 25% и позволяет обнаруживать до четырех ошибочных байтов и корректировать до четырех потерянных или двух ошибочных байтов. Максимальная длина полностью исправляемого пакета ошибок — около 4000 бит (~2,5 мм длины дорожки), однако не любой пакет такой длины может быть полностью исправлен.

После второго перемежения к каждому полученному блоку добавляются разряды субкодов — P, Q, R, S, T, U, V, W; каждый блок получает восемь субкодных битов. Затем каждые 98 блоков с субкодами оформляются в один сверхкадр длительностью 1/75 сек (объем чистых звуковых данных — 2352 байта), называемый также сектором, в котором субкоды первых двух блоков служат признаком синхронизации, а оставшиеся 96 разрядов каждого субкода образуют P-слово, Q-слово и т. д. На протяжении всей дорожки последовательность субкодных слов называют также субкодными каналами.

Слова или каналы субкодов используются для управления форматом записи, индикации фрагментов фонограммы и т. п. — например, канал P служит для пометки звуковых дорожек и пауз между ними (0 — пауза, 1 — звук), а канал Q — для пометки формата дорожек и секторов, записи оглавления TOC (Table Of Contents — таблица содержимого) и временнЫх меток, по которым отслеживается время воспроизведения. Канал Q может использоваться также для записи информации в ISRC (International Standard Recording Code — международный стандартный код записи), предназначенном для представления сведений о производителе, времени выпуска и т. п., а также — для разделения дорожки на отдельные фрагменты (всего на звуковом диске может быть до 99 звуковых дорожек, каждая из которых может включать до 99 фрагментов).

В конце концов оформленные таким образом кадры подвергаются канальному кодированию в терминах «пит — промежуток» с использованием избыточного кода 8/14 (Eight to Fourteen Modulation — EFM), в котором исходные байты кодируются 14-битными словами, повышающими разборчивость сигнала. Между словами вставляется по три связующих бита для соблюдения ограничений на количество смежных нулей и единиц, что облегчает демодуляцию и уменьшает постоянную составляющую сигнала. В результате из каждого первичного микрокадра получается 588 канальных битов, и полученный битовый поток записываются на диск со скоростью 4.3218 (588×7350) Мбит/с. Поскольку EFM-кодирование дает цифровой поток, в котором нулей больше, чем единиц, и была выбрана система представления единиц границами пита и промежутка, а количества нулей между единицами — длиной пита или промежутка соответственно.

В начале диска располагается так называемая вводная (lead-in) зона, содержащая информацию о формате диска, структуре звуковых программ, адресах фрагментов, названиях произведений и т. п. В конце записывается выводная (lead-out) зона (дорожка с номером AA), выполняющая роль границы записанной области диска; бит P-кода в этой зоне изменяется с частотой 2 Гц. Ряд бытовых проигрывателей не может опознать диск без этой зоны, однако многие могут обходиться без нее. Между вводной и выводной зонами записывается программная область (Program Memory Area — PMA), содержащая собственно звуковые данные. Программная область отделена от вводной зоны участком из 150 пустых блоков (2 секунды), играющим роль зазора (pre-gap).

Общая длительность записи на компакт-диске — 74 минуты, однако при уменьшении стандартного шага дорожки и расстояния между питами можно достичь увеличения времени записи — за счет снижения надежности считывания в стандартном дисковом приводе.

Как записываются и изготавливаются компакт-диски?

Основной способ изготовления дисков — прессование с матрицы. Оригинал формируется с исходной цифровой мастер-ленты, содержащей уже подготовленный и закодированный цифровой сигнал, специальным высокоточным станком на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста — материала, изменяющего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф, который методом гальванопластики переносится на никелевый оригинал (негатив), который может служить матрицей при мелкосерийном производстве, либо основой для снятия позитивных копий, с которых, в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования.

Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессуется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий слой, который покрывается лаком. Поверх защитного слоя обычно наносятся информационные надписи и изображения.

Диски с возможностью записи (CD-R, «болванки») изготавливаются таким же методом, но между основой и отражающим слоем располагается слой органического вещества, темнеющего при нагревании. В исходном состоянии слой прозрачен, при воздействии лазерного луча образуются непрозрачные участки, эквивалентные питам. Для облегчения слежения за дорожкой при записи на диске в процессе изготовления формируется предварительный рельеф (разметка), дорожка которого содержит метки кадров и сигналы синхронизации, записанные со сниженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.

Записываемые диски за счет наличия органического фиксирующего слоя имеют более низкий коэффициент отражения, чем штампованные, отчего некоторые проигрыватели (Compact Disk Player — CDP), рассчитанные на стандартные алюминиевые диски и не имеющие запаса по надежности чтения, могут воспроизводить диски CD-R менее надежно, чем обычные.

Как воспроизводятся компакт-диски?

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.

Полученный от фотоприемника сигнал в коде 8/14 демодулируется, в результате чего восстанавливается результат кодирования по CIRC с добавленными субкодами. Затем производится отделение субкодных каналов, деперемежение и декодирование CIRC на двухступенчатом корректоре (C1 — для одиночных ошибок и C2 — для групповых), в результате чего обнаруживается и исправляется большая часть ошибок, внесенных нарушениями при штамповке, дефектами и неоднородностью материалов диска, царапинами на его поверхности, нечетким определением пита/промежутка в фотоприемнике и т.п. В итоге поток «чистых» звуковых отсчетов направляется на ЦАП для преобразования в аналоговую форму.

В звуковых проигрывателях после корректора имеется также интерполятор различной сложности, приближенно восстанавливающий ошибочные отсчеты, которые не удалось исправить в декодере. Интерполяция может быть линейной — в простейшем случае, полиномиальной или с использованием сложных гладких кривых.

Для выполнения деперемежения любое CD-читающее устройство имеет буферную память (стандартный объем — 2 КБ), которая заодно используется для стабилизации скорости цифрового потока. Для декодирования может использоваться несколько различных стратегий, в которых вероятность обнаружения групповых ошибок обратно пропорциональна надежности их коррекции; выбор стратегии отдается на усмотрение разработчика декодера. Например, для CD-проигрывателя с мощным интерполятором может выбираться стратегия с упором на максимальное обнаружение, а для CDP с простым интерполятором или привода CD-ROM — на максимальную коррекцию.

Каковы параметры звукового сигнала на CD?

Стандартные параметры оцифровки — частота дискретизации 44.1 кГц и разрядность отсчета 16 — определяют следующие теоретически вычисленные характеристики сигнала:

• Диапазон частот: 0..22050 Гц
• Динамический диапазон: 98 дБ
• Уровень шума: -98 дБ
• Коэффициент нелинейных искажений: 0,0015% (на максимальном уровне сигнала)

В реальных устройствах записи и воспроизведения CD верхние частоты нередко обрезаются на уровне 20 кГц для создания запаса по крутизне АЧХ фильтра. Уровень шума может быть как меньше 98 дБ в случае линейного ЦАП и шумного выходного усилителя, так и больше — в случае передискретизации на более высокой частоте с использованием ЦАП типа Delta-Sigma, Bitstream или MASH и малошумящих усилителей. Коэффициент нелинейных искажений сильно зависит от применяемого ЦАП выходных цепей и качества источника питания.

Динамический диапазон в 98 дБ определяется для CD, исходя из разницы между минимальным и максимальным уровнем звукового сигнала, однако на малом сигнале значительно возрастает уровень нелинейных искажений, отчего реальный динамический диапазон, внутри которого сохраняется приемлемый уровень искажений, обычно не превышает 50-60 дБ.

Что такое jitter?

Джиттер — быстрое по отношению к длительности периода дрожание фазы цифрового сигнала, когда нарушается строгая равномерность следования фронтов импульсов. Такое дрожание возникает из-за нестабильности тактовых генераторов, а также в местах выделения синхросигнала из комплексного сигнала методом PLL (Phase Locked Loop — петля с захватом фазы, или фазовая автоподстройка частоты — ФАПЧ). Такое выделение имеет место, например, в демодуляторе сигнала, считанного с диска, в результате чего образуется опорный синхросигнал, который путем коррекции скорости вращения диска «подгоняется» к эталонной частоте 4,3218 МГц. Частота синхросигнала, а следовательно — его фаза и фаза информационного сигнала — при этом непрерывно колеблются с различной частотой. Дополнительный вклад может вносить неравномерность расположения питов на диске, порожденная, например, некачественным прессованием или нестабильной записью.

Однако неравномерности сигнала с диска полностью компенсируются входным буфером декодера, так что любое дрожание и детонация, возникшие до помещения сигнала в буфер, на этом этапе уничтожаются. Выборка из буфера управляется стабильным генератором с фиксированной частотой, однако таким генераторам тоже присуща определенная, хотя и гораздо меньшая, нестабильность. В частности, она может быть вызвана помехами по цепям питания, которые, в свою очередь, могут возникать в моменты срабатывания САР и коррекции скорости диска или положения головки/линзы. На дисках низкого качества эти коррекции происходят чаще, давая ряду экспертов повод напрямую связывать стабильность выходного сигнала с качеством диска, хотя на самом деле причиной является недостаточно хорошая развязка систем CDP.

Что означают аббревиатуры AAD, DDD, ADD?

Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая — при исходной записи, вторая — при обработке и сведении, третья — конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. «A» обозначает аналоговую (analog) форму, «D» — цифровую (digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда «D».

И аналоговая, и цифровая формы сигнала имеют свои достоинства и недостатки. При записи и обработке сигнала в аналоговой форме наиболее полно сохраняются его «тонкие элементы», в частности — высшие гармоники, однако возрастает уровень шума и искажаются амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики (АЧХ/ФЧХ). При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации, а часто и еще ниже, однако все дальнейшие операции выполняются с предельно возможной для выбранного разрешения точностью. Сигнал, прошедший аналоговую обработку, ряд экспертов оценивает, как более «теплый» и «живой», однако многие современные методы обработки сигнала приемлемо реализуются только в цифровом варианте.

Могут ли два одинаковых диска звучать по-разному?

Прежде всего, необходимо убедиться, что диски действительно содержат идентичный цифровой звуковой сигнал. Полное двоичное совпадение двух дисков на уровне конфигурации питов и промежутков практически невозможно за счет мелких дефектов материала и искажений при обработке матриц и прессовании, однако благодаря избыточному кодированию подавляющее большинство этих ошибок исправляется при декодировании, обеспечивая один и тот же цифровой поток «высокого уровня».

Сравнить цифровое содержимое дисков можно путем чтения их в приводе CD-ROM, поддерживающем режим Read Long или Raw Read — считывания «длинных секторов», которые на самом деле являются сверхкадрами CD-DA объемом 2352 байта каждый. Подробнее об этом можно прочитать в FAQ по CD-ROM или в руководстве к программам считывания звука (CD-DA Grabbers/Rippers). Сравнить диски можно также на студийной аппаратуре, умеющей читать диски в цифровом виде на DAT-магнитофон.

Причин для возникновения цифровых различий между похожими на слух дисками может быть несколько. Некоторые приводы CD-ROM и другие аппараты цифрового чтения CD-DA могут в целях недопущения прямого копирования вносить в сигнал малозаметные на слух искажения (например, применяя сглаживающие полиномы), а большинство приводов, поддерживающих команды чтения полных кадров, делают это неаккуратно и неточно. При изготовлении копий (перепечаток) звуковых дисков, особенно пиратским способом, они нередко копируются с передискретизацией на другую частоту (например, 48 кГц в DAT) с последующей передискретизацией на исходную, либо вовсе через аналоговый тракт с двойным преобразованием цифра/аналог. Ряд версий записывающих программ для CD-R также намеренно или случайно искажает исходные данные, так что копия не совпадает с оригиналом.

Надо отметить, что даже если цифровое содержимое двух дисков совпало при их сравнении в некоторой системе (CD-ROM, специальные устройства для сравнения оригинала/копии и т. п.), это вовсе не означает, что на том или ином CDP с них также будут декодироваться идентичные цифровые сигналы. Поэтому наиболее надежным способом выяснения причины различий в звуке будет использование CDP с цифровым выходом, с которого во время прослушивания обоих дисков ведется запись на какое-либо устройство хранения. Последующее цифровое сравнение полученных сигналограмм покажет, в каком месте проигрывателя в сигнал вносятся слышимые ухом изменения.

Разумеется, перед сравнением оригинала и копии таким способом необходимо убедиться в повторяемости результатов многократного считывания одних и тех же дисков. Различные цифровые сигналограммы в этом случае могут свидетельствовать о ненадежном считывании диска или плохой работе цифровых интерфейсов (приемник, передатчик, кабель, разъемы). Идентичность цифровых данных при повторных воспроизведениях нескольких дисков можно считать достаточным признаком надежности как самих дисков, так и систем считывания, декодирования и межмодульной передачи.

Слуховое сравнение звучания дисков должно быть корректным — наиболее признанным является двойной слепой тест (double-blind test). Суть метода состоит в том, что эксперт (слушатель) не должен видеть манипуляций с аппаратурой и производящего их человека, а сам этот человек, произвольным образом меняющий диски, не должен знать особенностей их содержимого. Таким образом максимально исключаются любые влияния, в том числе «тонкие» и неизученные, людей на аппаратуру и друг на друга, а мнение эксперта считается предельно непредвзятым.

Что такое HDCD?

High Definition Compatible Digital — «сверх-система» кодирования звука на CD, использующая стандартный формат CD-DA. Звуковой сигнал с более высокой разрядностью и частотой дискретизации подвергается цифровой обработке, в результате которой из него выделяется основная часть, кодируемая, как обычно, методом PCM, а дополнительная информация, уточняющая мелкие детали, кодируется в младших битах отсчетов (LSB) и маскируемых спектральных областях. При проигрывании диска HDCD на обычном CDP используется только основная часть сигнала, а при использовании специального CDP со встроенным декодером и процессором HDCD из цифрового кода извлекается вся информация о сигнале.

Как обращаться с компакт-дисками?

Избегая механического повреждения любой из поверхностей, попадания на диск органических растворителей и прямого яркого света, ударов и перегибов диска. Надписи на записываемых дисках допускается делать только карандашами или специальными фломастерами, исключая нажим и использование шариковых или перьевых ручек.

При извлечении диска из коробки следует остерегаться его перегиба. Один из удобных и безопасных методов требует участия двух рук — большой палец левой руки слегка нажимает на фиксатор, ослабляя его, в то время как другая рука снимает диск с фиксатора. Метод с использованием одной руки, когда указательный палец ослабляет фиксатор, а большой и средний снимают диск, требует более точного согласования усилий, без которого легко перегнуть диск или сломать лепестки фиксатора.

Загрязненный диск можно мыть теплой водой с мылом или неагрессивным поверхностно-активным веществом (шампунь, стиральный порошок), либо специально выпускаемыми жидкостями. Неглубокие царапины на прозрачном слое можно заполировать — полирующими пастами, не содержащими органических растворителей и масел, или обычной зубной пастой.

Что такое «зеленый фломастер» и зачем он нужен?

Многие пользователи и эксперты утверждают, что обработанный таким образом диск дает более чистое звучание в аппаратах высокого класса, приписывая это более точному считыванию цифровой информации с диска, который в своем исходном виде якобы не может быть достоверно считан в большинстве приводов. Однако тщательно выполненная система (привод и декодер) в состоянии правильно считывать не только необработанные диски, но и диски среднего качества, и даже слегка загрязненные и поцарапанные, поэтому возможные причины улучшения звучания следует искать не в диске. Наиболее вероятными объяснениями этого феномена представляются те же факторы, которые создают различное звучание совпадающих по цифровому содержимому экземпляров дисков.

Где найти более подробную информацию по компакт-дискам?