Форматы хранения информации на накопителях. История компакт-диска

Фев 19, 2014

Миром правит цифра? Все люди качают mp-3, а кто-то и вовсе помешан лишь на виниле? Носители - слабость коллекционеров, а золотой век СD давно прошел? Неправда.

И сейчас музыка масштабно издается на компакт-дисках. И это не какая-то второсортная музыка или никому неизвестная. На CD выпускают свои альбомы (в том числе и новые) самые культовые исполнители и группы в мире. Чтобы вы не думали, что эта информация высосана из пальца и является дурацким маркетинговым ходом, вот вам наглядный пример: к своему 50-ти летнему юбилею Rolling Stones выпустили сборник суперхитов Grrr! на компакт-дисках в том числе (он, кстати, включает и две новые песни рок-группы); Bob Dylan тоже не остался в стороне и пару лет назад издал свой новый релиз под названием Tempest , включающий музыку, записанную на CD; THE DOORS ; The Beatles ; Queen ; DEEP PURPLE ; Pink Floyd - мы можем еще долго перечислять названия великолепных исполнителей, которые, за счет актуальной востребованности музыки на CD, издают свои произведения на компакт-дисках и будут продолжать это делать всегда.

Следующий вопрос очевиден: чего же такого особенного в этом носителе, что позволяет до сих пор оставаться ему в тренде и «на плаву»? Пришло время начать распутывать этот клубок…

Все наверняка знают, но…

…мы напомним, что такой носитель, как CD является оптическим носителем информации. С виду это диск, созданный из пластика, имеющий круглое отверстие по центру. Запись музыкальной информации, а также ее считывание осуществляется посредством лазера. «Отцом» компакт-диска можно назвать всем известную грампластинку. А «потомками» CD - носители DVD и Blu-ray.

Первое упоминание и развитие

Самый-самый первый CD был изобретен в 79 году всемирно известной компанией Sony. За счет использования способа кодировки сигнала PCM (Pulse Code Modulation), который ранее успешно применялся в профессиональных цифровых магнитофонах, инженеры Sony получили качественно новый носитель. Оценив все его преимущества, было принято решение о запуске конвейера по изготовлению чудо-болванок.

И уже с 82 года на крупнейших заводах Германии стартовало производство CD массового характера. Первым коммерческим релизом на компакт-диске был альбом Билли Джоэла под названием 52nd Street.

На счет появления CD существует и другая версия…

Это вариация Джеймса Рассела, которая гласит, что Sony и Philips никакого отношения к этому не имели. Физик Дж. Рассел в те годы работал в лаборатории фирмы Optical Recording. В 71 году он публично показал свое новое изобретение коллегам, главной целью которого было хранение данных. Этот физик хотел лично для себя сделать благо - защитить свои дорогостоящие виниловые издания от царапания стилусом. То есть записать с пластинок музыку на диски, а сами винилы бережно хранить на полочке. Спустя ровно 8 лет идентичный диск был «изобретен» фирмой Sony. А правда это или нет: сейчас уже никто не может что-либо утверждать на 100%.

Бетховен, споры и формат

Создатели компакт-дисков вплоть до 80-го года горячо спорили касательно идеального формата инновационного изделия и его внешнего диаметра. Разработчики из фирмы Sony полагали, что 100 мм - это то, что нужно, так как именно этот диаметр хорошо впишется в портативный проигрыватель. А вот представители компании Philips думали иначе. Они считали, что 115 мм - вот правильный размер для CD, потому что он совпадает с размером диагонали привычной для всех и успешной в коммерческом смысле аудиокассеты. Также рассматривался вариант с 120 мм, но он требовал немалых финансовых затрат и замены оснастки на существующих первых (тестовых) предприятиях по изготовлению CD.

А вот Норио Ога (вице-президент Sony и к тому же музыкант по образованию) сказал однажды следующее: «Любой компакт-диск должен обязательно целиком вмещать великое произведение Бетховена - Симфонию №9». По мнению этого человека при таких параметрах на CD смогу умещаться практически все лучшие классические произведения. Итак, исполнение симфонии под управлением Вильгельма Фуртвенглера (ровно 74 минуты) стало временным эталоном для всех дисков. И уже весной 80 года окончательной и решающей подписью руководителей компаний было решено провозгласить размером CD именно 120 мм, а его емкостью 74 минуты с частотой дискретизации в 44,1 кГц.

Технические подробности вместимости

Изначально CD максимально могли вмещать до 650 Мбайт музыкальной информации (это и есть 74 минуты в формате звукозаписи). Но примерно с 2000 года, все чаще стали появляться диски вместимостью до 700 Мбайт, а это уже 80 минут для записи. Они быстро вытеснили своих предшественников с рынка.

Сейчас можно встретить диски с возможностью записи и на 90 минут (и даже больше), но такие экземпляры могут считываться далеко не всеми приводами.

Вышеуказанное увеличение объема CD стало реальностью за счет экономного и максимально допустимого, полного использования места на диске.

Кодирование и считывание

Кодирование - это и есть процесс сохранения. Формат хранения информации на данном носителе (он называется Red Book, то есть «Красная книга») также изобретен корпорацией Sony. В строгом соответствии с прописанными и зарегистрированными характеристиками кода на CD можно записывать звук всегда в два канала с 16-битной кодово-импульсной модуляцией (PCM). Частота дискретизации при этом должна быть равна 44,1 кГц.

А считывается информация с компакт-диска посредством специализированного лазерного луча, длина волны которого составляет 780 нм. Сам принцип «чтения» данных с помощью лазера является, по сути, некой регистрацией изменений интенсивности отражаемого света. Луч лазера фокусируется четко на слое диска, содержащего информацию. Если он сфокусировался между питами (на ленде), то приемный фотодиод считывает сигнал, как максимальный, а в случае, когда свет ложится на пит, фотодиод считывает сигнал, как менее активный, за счет маленькой интенсивности света.

CD и CD-R/RW: в чем разница?

Различие между компакт-дисками, предназначенными лишь для чтения информации (CD) и дисками, обладающими возможностью перезаписи (CD-R/RW) заключается в методе формирования питов.

В первом случае питы - это некая рельефная структура (фазовая решетка), при этом оптическая глубина любого пита всегда меньше 1/4 длины волны лазерного луча. Это и ведет к различию фаз в половину длины волны, располагающейся между светом, отражаемым от пита и светом, исходящим от ленда.

Во втором случае пит - это область с более объемным поглощением света, чем ленд (амплитудная решетка). Таким образом, фотодиод может считывать снижение интенсивности света, отражаемого от диска. Длина пита здесь может менять не только амплитуду, но и длительность самого считываемого сигнала.

Специфика производства современных CD

Изготовление компакт-дисков, как правило, включает в себя 9 последовательных этапов:

1. Мастеринг (подготовка информационных данных для запуска целой серии). На этом этапе происходит отбор, выбор нужной информации для записи на CD.
2. Фотолитография (подразумевает производство шаблона диска). Она осуществляется за счет изготовления стеклянного диска, на который впоследствии наносится специальный слой фоторезиста.
3. Запись (она производится с помощью лазерного луча. Его мощность может меняться в соответствии с записываемой информацией). Чтобы создать пит, мощность луча специально увеличивается, и это приводит к рассечению химических связей в молекулах фоторезиста.
4. Проявка фоторезиста . (поверхность фоторезиста подвергается кислотной, щелочной или даже плазменной обработке). Так устраняются экспонированные лучом лазера области фоторезиста).
5. Гальванопластика (уже проявленный шаблонный диск из стекла помещают в гальваническую ванну, и на его поверхность с помощью электролиза насаждается тончайший никелевый слой).
6. Штамповка (осуществляется с использованием готового шаблона методом литья под давлением).
7. Напыление на информационный слой специального зеркального покрытия (алюминиевого, серебряного, золотого или др.).
8. Нанесение защитного лакового покрытия .
9. Нанесение графического изображения (как правило, это лейбл или логотип, параметры, характеристики).

Плюсы и минусы компакт-дисков: все познается в сравнении

К неоспоримым преимуществам CD можно смело отнести следующее:

• неплохая износостойкость.

  За счет «бережного» лазерного звукоснимателя, все компакт-диски всегда намного лучше защищены от таких механических повреждений, как царапины и сколы, в отличие от виниловых носителей .

• устойчивость к вибрациям.

  CD практически не восприимчивы к вибрациям и разного рода толчкам, поэтому они до сих пор пользуются популярностью у всех, кто предпочитает слушать хорошую музыку у себя в машине.

• компактность и мобильность.

  Довольно скромные размеры компакт-диска (дают возможность легко, без риска и «заморочек» взять его с собой куда угодно: в путешествие, в гости, на прогулку в плеере, на вечеринку и т.д. С пластинкой, к примеру, так уже вряд ли поступишь.

• дизайн.

  Обложки дисков - это отдельный фетиш собирателей. Интересные иллюстрации, оформление, любопытный дизайн - все это может превратить обычный диск в миниатюрное произведение искусства.

• информативность.

  В альбомы на CD в виде бонуса и полезной «приятности» очень часто вкладываются тексты композиций, интересная информация об исполнителе, группе или самом альбоме, а также фотоматериалы.

• вместительность.

  С появлением на рынке звукозаписи компакт-дисков возросло среднее число композиций, помещающихся на альбоме (13-18 вместо 6-11 на виниловых релизах).

• удобство и простота использования.

  В отличие от виниловых проигрывателей, CD-проигрыватели намного проще в управлении, более автоматизированы, а значит, что и процесс прослушивания становится более комфортным. Можно без труда переключать треки даже дистанционно (с помощью пульта), программировать последовательность прослушивания тех или иных композиций по своему усмотрению.

• стоимость.

  Обычно цена CD более привлекательна, чем стоимость винила.

А теперь о недостатках :

• уязвимость.

  Да, диски более износостойкие по своей природе в силу особенностей материала, из которого они изготавливаются. Но вот если серьезная царапина появляется на пластинке, то максимум, что вы получите - это задержка на пару секунд при переходе к этой композиции или «прыжок» иглы. А если царапина возникает на CD, то вы теряете полностью весь трек.

• требовательность.

  Диск проще использовать, но при этом цифровой звук требует высокого качества аппаратуры. То есть ЦАП в проигрывателе CD должен быть мощным и достойным. В противном случае саунд получится довольно посредственным из-за неточного преобразования сигнала.

• широта звуковой картины.

  Тут конечно можно поспорить. Но факт остается фактом. Лучший, самый насыщенный звук дарит только аналоговый носитель. И даже самый хороший компакт-диск на невероятно крутой аудиотехнике будет уступать виниловому звучанию. Но это может заметить далеко не каждый меломан, а кому-то это откровенно неважно, поэтому пока CD жив, и мы этому очень рады.

На сегодня это все. Доброго и продуктивного вам дня, друзья!

Расскажите друзьям:

Компакт-диск ("CD", "CD-ROM") - оптический носитель информации в виде диска небольшого диаметра (обычно 120 мм) с отверстием в центре с постоянной (не стираемой) записью звука, воспроизводимого с помощью оптических (лазерных) проигрывателей. По качественным характеристикам намного превосходит грампластинку и магнитную фонограмму. Компакт-диск был создан в 1979 г. компаниями Philips и Sony. В 1982 г. началось массовое производство компакт-дисков на заводе в городе Лангенхагене под Ганновером, в Германии. Значительный вклад в популяризацию компакт-дисков внесли Microsoft и Apple Computer.
Компакт-диск - диск для постоянного хранения данных, представляющий собой круг из алюминиевого сплава, покрытый защитной прозрачной пленкой. Данные записываются мощным лазерным лучом в виде механических микроскопических зеркальных и рассеивающих поверхностей. Запись производится по одной спиралевидной, очень длинной дорожке настолько плотно, что на 5-дюймовый диск помещается 640 Мбайт данных. Осуществляется запись в стационарных условиях на специальных устройствах, и затем для массового потребления штампуются компакт-диски только для чтения (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory "запоминающее устройство только для чтения"). Чтение производится маломощным (а следовательно значительно более дешевым) лазером по тому же принципу: диск вращается с достаточно большой скоростью, лазерный луч фокусируется на дорожке, и читающее устройство ловит отраженный луч, который падает на фотодиод. Если луч попадает на зеркальную поверхность диска, интенсивность отраженного луча одна, если на рассеивающую поверхность - другая; этим и различаются нули и единицы, с помощью которых данные записаны.
Диски однократной записи, CD-R (их обычно называют просто записываемыми, поскольку буква R - это сокращение от слова Recordable - "записываемый"), значительно сложнее в устройстве. Современные записываемые компакт-диски хорошего качества содержат пять слоев:
- поверхностный слой (Surface Layer) - выполняет декоративные и в некоторой степени защитные функции; обычно представляет собой покрытие из специального лака либо из поликарбоната (прозрачной пластмассы особого типа);
- защитный слой (Protective Layer) - предназначен для защиты от повреждений двух основных, рабочих, слоев диска: отражающего и информационного; материал может быть различным;
- отражающий слой (Reflective Layer) - обеспечивает отражение лазерного луча, прошедшего через информационный слой; в качестве отражающих материалов обычно используют золото и серебро, реже - алюминий и его сплавы;
- информационный (записывающий) слой (Recording Layer) - основной слой компакт-диска; может быть изготовлен из различных органических соединений металлов. Наиболее распространенными на сегодняшний день можно считать цианин и фталоцианин. Именно цвет записывающего слоя обусловливает цвет рабочей поверхности диска: например, цианин дает голубой цвет;
- подложка (Substrate Layer) - играет роль основы, на которую наносятся все другие слои; обычно изготавливается из поликарбоната. При записи диска CD-R его информационный слой обрабатывается фокусированным лазерным лучом высокой мощности. Под действием луча "прожженные" участки становятся непрозрачными и начинают рассеивать свет. Часто такие участки называют питами (от англ. "Pit" - ямка, углубление).
При считывании данных информационный слой диска сканируется лазерным лучом меньшей мощности.
Все слои диска имеют очень малую толщину (доли миллиметра), особенно записывающий слой, поэтому компакт-диск весьма чувствителен к механическому, химическому и любому другому воздействию.
Структура перезаписываемых дисков, CD-RW (RW - это аббревиатура от ReWritable, то есть "перезаписываемый"), аналогична структуре дисков CD-R. Различие состоит лишь в физических свойствах материала информационного слоя. Он должен обладать способностью восстанавливать свое первоначальное (прозрачное) состояние при выполнении операции "стирания". Она производится с помощью все того же лазера, но используемого на промежуточной мощности (ниже, чем при записи, но выше, чем при чтении).

Литература:
1. Аппаратные средства PC, О.В. Колесниченко, И.В. Шишигин. - 5-е изд., [перераб. и доп.]. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004;
2. Железо ПК, Р.Б. Томпсон, 2-е издание, СПб.: Питер, 2003.

Оптические диски — популярный носитель информации. Большинству пользователей знакомы только CD и DVD диски, на самом деле видов дисков намного больше. Страна Советов расскажет вам, какие бывают виды дисков , и поможет вам разобраться в их многообразии.

Виды CD дисков

CD диски, или компакт-диски , изначально были предназначены для записи и воспроизведения музыки, но теперь используются для хранения практически любой компьютерной информации. Запись и чтение информации дисков осуществляются при помощи лазера. Толщина компакт-диска — 1,2 мм, диаметр — 120 мм, емкость — 650 или 700 MB (соответствует 74 или 80 минутам звучания). Существуют мини CD диаметром 80 мм, но их емкость меньше — 190-200 MB (21 минута звучания). Мини CD можно прочитать на любом носителе, кроме автомагнитолы. Бывают фигурные компакт-диски разнообразной формы, их выпускают в основном в коммерческих целях. Такие диски не рекомендуют применять в компьютерных приводах, потому что на высокой скорости вращения они могут лопнуть.

CD диски можно разделить на CD-ROM, CD-R и CD-RW. Это деление обусловлено возможностью записать на диск информацию и предназначением диска. Информация на диске CD-ROM записана производителем, изменить или удалить ее нельзя, можно только прочитать данные. На диски CD-R (их иногда еще называют «болванками») можно записать свою информацию, но стереть или изменить ее будет невозможно. Если на диске осталось свободное место, и при записи вы разрешили опцию добавления информации, можно будет дописать на диск файлы. Диски CD-RW поддерживают удаление и перезапись информации, но такие диски будут читаться не всеми приводами.

Виды DVD дисков

DVD диски позволяют хранить больший объем информации, чем компакт-диски, благодаря использованию лазера с меньшей длиной волны. Емкость DVD диска стандартного размера (120 мм) может колебаться от 4,7 GB до 17 GB, а емкость мини DVD (80 мм) — 1,6 GB.

В зависимости от емкости DVD выделяют такие виды дисков:

• DVD-5 — однослойный односторонний диск, емкость — 4,7 GB
• DVD-9 — двухслойный односторонний диск, емкость — 8,5 GB
• DVD-10 — однослойный двухсторонний диск, емкость — 9,4 GB
• DVD-14 — двухсторонний диск, двухслойный с одной стороны и однослойный — с другой, емкость — 13,24 GB
• DVD-18 — двухслойный двухсторонний диск, емкость — 17,1 GB

Двухслойные диски содержат два информационных слоя на одной стороне, они помечаются аббревиатурой DL. Двухсторонний диск — это фактически два диска, склеенные нерабочими поверхностями. Естественно, толщина такого диска контролируется, чтобы соответствовать толщине обычного однослойного DVD.

По возможности записи, перезаписи и удаления информации DVD диски, как и CD, делятся на ROM, R и RW. Но дополнительно различают такие виды дисков:

• DVD-R for general, DVD-R(G) — единожды записываемый диск, предназначенный для домашнего использования.
• DVD-R for authoring, DVD-R(A) — единожды записываемый диск для профессиональных целей.
• DVD-RW — перезаписываемый диск. Перезаписывать или стирать информацию можно до 1000 раз. Но нельзя стирать часть информации, можно только стереть диск полностью и полностью перезаписать.
• DVD-RAM используют технологию смены фазы. Их можно перезаписывать до 100000 раз, теоретический срок службы — до 30 лет. Но они дороги, выпускаются в основном в специальных картриджах и не поддерживаются большинством приводов и проигрывателей.
• DVD+RW основаны на технологии CD-RW и поддерживают перезапись информации до 1000 раз. Этот формат появился позже, чем DVD-RW.
• DVD+R — единожды записываемый диск, подобный DVD-R.

Понятно, что ни один привод или проигрыватель не поддерживает полностью все DVD-форматы. Большинство современных приводов поддерживают как формат DVD-R(W), так и формат DVD+R(W). Но старые приводы и бытовые плееры, выпущенные до появления формата DVD+R(W), будут читать только диски DVD-R(W). Существуют «супермульти» приводы, которые поддерживают все виды дисков, включая DVD-RAM.

Другие виды дисков

Особняком стоят так называемые Dual Discs . В этих дисках совмещены форматы CD и DVD. На одной поверхности такого диска записана музыка в CD формате, а на другой — пятиканальный звук, видео, меню, субтитры, изображения и пр. в формате DVD.

Диски HD DVD (DVD высокой плотности) могут иметь емкость до 15 GB, а двухслойные — до 30 GB. Основной их конкурент — BD, Blu-ray Disc вмещает от 23 до 66 GB в зависимости от количества слоев. Анонсирован прототип четырехслойного диска объемом 100 GB, планируется также выпуск десятислойных дисков объемом до 320 GB.

Противостояние BD и HD DVD получило название «борьбы форматов». Но ведущие киностудии отказались от использования HD DVD в пользу BD дисков, поэтому выпуск и поддержка формата HD DVD официально прекращены.

Итак, существует множество видов оптических дисков. Выбирать диск для записи информации стоит исходя из его емкости, возможности перезаписи информации и модели вашего привода или бытового плеера. Зная основные виды дисков, вы никогда не запутаетесь в их богатом ассортименте.

2011-05-03T00:55

2011-05-03T00:55

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 x 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?

Изначально компакт-диск был создан для хранения аудиозаписей в цифровом виде (известен как CD-Audio), однако в дальнейшем стал широко использоваться как носитель для хранения любых данных (файлов) в двоичном виде (т. н. CD-ROM - англ. Compact Disc Read Only Memory , компакт-диск с возможностью только чтения , или КД-ПЗУ - «Компакт-диск, постоянное запоминающее устройство »). В дальнейшем появились компакт-диски с возможностью не только чтения однократно занесённой на них информации, но и записи (CD-R - англ. Compact Disc-Recordable , записываемый компакт-диск) и перезаписи (CD-RW - англ. Compact Disc-ReWritable , перезаписываемый компакт-диск).

Первым компакт-диском, попавшим на прилавки музыкальных магазинов, был альбом Билли Джоэла 1978 года «52nd Street ». Продажи CD с этой записью начались в Японии 1 октября 1982 года.

По данным Philips, за 25 лет в мире было продано более 200 млрд CD. Несмотря на то, что всё больше людей предпочитают приобретать музыкальные файлы через Интернет , по данным IFPI продажи компакт-дисков до сих пор [когда? ] составляют около 70 % всех продаж музыки .

Значительный вклад в популяризацию компакт-дисков внесли Microsoft и Apple Computer . Джон Скалли , тогдашний CEO Apple Computer, в 1987 году сказал, что компакт-диски произведут революцию в мире персональных компьютеров . Одним из первых массовых мультимедийных компьютеров/развлекательных центров, использующих CD-диски, была Amiga CDTV (Commodore Dynamic Total Vision), позже CD-диски стали использовать в игровых приставках Panasonic 3DO и Amiga CD32 .

Версия Джеймса Рассела

Существует версия о том, что компакт-диск изобрели вовсе не Philips и Sony, а американский физик Джеймс Рассел , работавший в компании Optical Recording. Уже в 1971 году он продемонстрировал своё изобретение для хранения данных. Делал он это для «личных» целей, желая предотвратить царапание своих грампластинок иглами звукоснимателей . А спустя восемь лет подобное устройство было «независимо» изобретено компаниями Philips и Sony.

Девятая симфония Бетховена

Очевидцы и участники переговоров о формате CD свидетельствуют, что в Philips и Sony до мая 1980 года не было единого мнения о внешнем диаметре диска. С точки зрения инженеров Sony был достаточен диаметр в 100 мм, поскольку он позволяет миниатюризировать портативный проигрыватель. От высшего руководства Philips исходила идея сделать диск не более диагонального размера стандартной аудиокассеты (115 мм), имевшей на рынке большой успех. Кроме того, в этом случае диск соответствует нормальным рядам линейных размеров системы DIN .

Вице-президент корпорации Sony Норио Ога , музыкант , в свою очередь полагал, что диск должен быть в состоянии вместить Симфонию № 9 Бетховена. В этом случае, по его мнению, на дисках можно будет распространять до 95 % классических произведений. Дальнейшие исследования показали, что, например, девятая симфония в исполнении берлинского филармонического оркестра под руководством Герберта фон Караяна имела продолжительность 66 минут. Наиболее продолжительным исполнением стала симфония под руководством Вильгельма Фуртвенглера , исполненная на байрейтском фестивале - 74 минуты. Это и послужило решающим аргументом при принятии решения о ёмкости диска.

«Как и в большинстве случаев, красивая история не имеет ничего общего с реальной жизнью. Эта история вышла из-под пера пиарщиков Philips», - считает бывший инженер Philips Кеес Имминк . Реальность же, по его мнению, была иной. Под Ганновером Philips уже подготовил производственную линию по выпуску компакт-дисков на заводе PolyGram . В минимальные сроки можно было запустить производство дисков размером 115 мм. Выпуск дисков размеров 120 мм требовал значительных затрат денег и времени, поскольку был связан с заменой оснастки. По мнению Имминка, Sony не захотела смириться ситуацией, что Philips получит преимущество по выходу на рынок.

Как бы то ни было, в мае 1980 года росчерком пера высшего руководства фирм был установлен окончательный размер диска в 120 мм с ёмкостью в 74 минуты аудиозаписи и частотой дискретизации в 44,1 кГц. Все прочие технические параметры пересчитывались, исходя из согласованных данных.

Объём хранимых данных

Компакт-диски имеют в диаметре 12 см и изначально вмещали до 650 Мбайт информации (или 74 минуты звукозаписи). Однако, начиная приблизительно с 2000 года , всё большее распространение получали диски объёмом 700 Мбайт, которые позволяют записать 80 минут аудио, впоследствии полностью вытеснившие диск объёмом 650 Мбайт. Встречаются и носители объёмом 800 мегабайт (90 минут) и больше, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также синглы диаметром 8,9 см [ ] (не путать с минидисками диаметром 8 см), на которые вмещается около 140 или 210 Мбайт данных или 21 минута аудио, и CD, формой напоминающие кредитные карточки (т. н. диски-визитки).

Увеличение ёмкости хранимой информации стало возможным благодаря полному использованию допусков на изготовление дисков. Так, например, расстояние между дорожками по стандарту ECMA-130 составляет 1,6 ± 0,1 микрометра , линейная скорость вращения диска 1,2 или 1,4 м/с ± 0,01 м/с с пропускной способностью 4,3218 Мбит/с. Ёмкость в 650 Мбайт соответствует скорости 1,41 м/с и расстоянию между дорожками, равному 1,7 мкм, а ёмкость в 800 Мбайт - скорости в 1,39 м/с [ ] и расстоянию между дорожками в 1,5 мкм.

Технические детали

Формат CD-Audio (до появления программ cd-грабберов) являлся своеобразной защитой авторских прав и не позволял осуществить извлечение аудиофайлов с диска, например, с помощью приложения «Проводник Windows».

Этапы производства компакт-дисков

1. Мастеринг - процесс подготовки данных, для запуска в серию.
2. Фотолитография - процесс изготовления штампа диска. На стеклянный диск наносится слой фоторезиста , на который производится запись информации. Фоторезист - полимерный светочувствительный материал , который под действием света изменяет свои физико-химические свойства.
3. Запись информации. Запись производится лазерным лучом, мощность которого модулируется записываемой информацией. Для создания пита мощность лазера повышается, что приводит к разрушению химических связей молекул фоторезиста, в результате чего он «задубевает».
4. Проявка фоторезиста. Поверхность фоторезиста подвергается травлению (кислотному, щелочному, плазменному), при котором удаляются те области фоторезиста, которые не были экспонированы лазерным лучом.
5. Гальванопластика . Проявленный стеклянный мастер-диск помещается в гальваническую ванну, где на его поверхность производится электролитическое осаждение тонкого слоя никеля .
6. Штамповка дисков методом литья под давлением с использованием полученного штампа .
7. Напыление зеркального металлического (алюминий , золото , серебро и др.) слоя на информационный слой.
8. Нанесение защитного лака.
9. Нанесение графического изображения - лейбла (от англ. Label ).

Запись на компакт-диски

Существуют и диски, предназначенные для записи в домашних условиях: CD-R (Compact Disc Recordable) для однократной и CD-RW (Compact Disc ReWritable) для многократной записи. В таких дисках используется специальный активный материал, позволяющий производить запись/перезапись информации. Различают диски с органическим (в основном, диски CD-R-типа) и неорганическим (в основном, CD-RW-диски) активным материалом.

При использовании органического активного материала запись осуществляется путём разрушения химических связей материала, что приводит к его потемнению (изменению коэффициента отражения материала). При использовании неорганического активного материала запись осуществляется изменением коэффициента отражения материала в результате его перехода из аморфного агрегатного состояния в кристаллическое , и наоборот. И в том, и в другом случае запись производится модуляцией мощности лазера.

В просторечии такие записываемые диски называются «болванками». Процесс записи называется «прожигом» (от англ. to burn ) диска.

Технология HD-BURN

Суть технологии записи высокой плотности заключается в применении двух новых принципов, которые позволяют записывать вдвое больше информации на обычном носителе - диске CD-R.

1. Длина пита на диске уменьшается до 0,62 мкм. [ ] Длина пита обычного CD составляет 0,83 мкм. [ ] Это означает, что HD-BURN увеличивает ёмкость диска в 1,35 раза. Длина пита 0,62 мкм была выбрана для того, чтобы все существующие DVD Video-плееры и приводы DVD-ROM смогли считывать HD-BURN-диски после незначительной модернизации.
2. Применяется иная система коррекции ошибок: вместо CIRC (Cross Interleaved Reed Solomon Code - перемежающийся код Рида - Соломона) используется RS-PC (RS-PRODUCT Code) с модуляцией 8-16. Это позволило увеличить ёмкость ещё в 1,49 раза. По сообщению Sanyo, система коррекции ошибок RS-PC не только более компактна, но и эффективней, чем CIRC. [