Принцип записи информации на диск. Компакт-диски

Назначения

Накопители на компакт-дисках CD-ROM, CD-R и CD-RW относятся к оптическим накопителям информации, чтение которой и запись (только для накопителей CD-R и CD-RW) производятся лучом лазера.

Накопитель на CD-ROM предназначен для хранения и чтения информации. Аббревиатура CD-ROM (CompactDiskRead-OnlyMemory) означает “компакт диск только для чтения”. Информация на диске представляется в виде последовательности углублений и выступов, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. Углубления и выступы наносятся промышленным способом путем штамповки заготовок дисков. Выступ означает значение двоичной цифры “1”, углубление - “0”. На CD-ROM размещается 780 Мбайт информации. Скорость считывания информации первых CD-ROM равнялась 150 Кб/с. Скорость считывания последующих моделей накопителей стала обозначаться и расчитываться как хN, где N – множитель, на который следует умножить первоначальную скорость, чтобы получить искомую. Таким образом запись на накопителе “х52” означает скорость чтения в 52 раза большую, чем скорость считывания первого CD-ROM.

Конструкция

Основой устройства является жесткий алюминиевый или стальной каркас. Как и в накопителях других типов, каркас является той деталью конструкции, к которой крепятся все остальные узлы, как механические, так и электронные. К ним относятся, в частности, лицевая панель, фальшпанель, регулятор громкости и кнопка извлечения диска, придающие устройству функционально законченный и привлекательный внешний вид. Приемные устройства для носителей могут быть разных типов, и рассчитаны либо на установку компакт-дисков в специальных контейнерах (caddy), либо представлять собой выдвижные лотки, поэтому лицевые панели и фальшпанели, а также и способы их крепления могут быть разными.

Несмотря на то, что в дисководах с возможностью записи (CD-R) и многократной перезаписи {СО-В\Л/5,устанавливаются другие лазерные излучатели й электронные узлы, их конструкция; в принципе, такая же, как и у обычных дисководов CD-ROM.

Основные элементы конструкции механизма привода.Выдвигающийся лоток предназначен для установки диска. После того как лоток задвигается внутрь привода, специальный фиксатор (на фотографии он белого цвета) приподнимает диск над лотком, а шпиндельный мотор, расположенный под зажимом, раскручивает диск до заданной скорости. Наиболее ответственной деталью дисководов CD-ROM является оптическая головка, в состав которой входит алюмоарсенидгаллиевый (GaAlAs) лазерный диодный излучатель (длина волны 780 нм, мощность излучения около 0,6 мВт), фотодатчик, оптическая система автоматической фокусировки луча и механизм точного слежения за дорожкой. Оптическая головка перемещается по двум направляющим; лазерный луч попадает на поверхность диска через прорезь в лотке. Узел, состоящий из оптической головки и направляющих, иногда называют салазками (sled).

В дисководах CD-ROM, CD-R и CD-RW используются лазерные излучатели с различными характеристиками (к ним относятся мощность и рабочая длина волны). Но внешне они практически не отличаются друг от друга

Салазки должны отслеживать положение витков спиральной информационной дорожки на поверхности диска. В отличие от дисководов гибких дисков, в которых магнитные головки записи/воспроизведения можно с достаточной точностью «наводить» на дорожки с помощью обычного шагового двигателя, в подавляющем большинстве дисководов компакт-дисков для этого используются линейные электродвигатели с подвижной катушкой, подобные тем, что используются для перемещения головок в накопителях на жестких дисках. Дело в том, что положения концентрических дорожек на дискетах строго фиксированы, что хорошо согласуется с принципом работы шагового двигателя: его роторможет занимать лишь несколько дискретных положений. Кроме того, сами дорожки достаточно широкие, что исключает необходимость точной подстройки положения головок. Радиус же спирали узкой информационной дорожки CD изменяется непрерывно, поэтому положение головки необходимо постоянно корректировать. Осуществляется это за счет изменения управляющего тока в подвижной катушке линейного двигателя. Тем не менее, в некоторых дисководах компакт-дисков все же используются шаговые электродвигатели с чрезвычайно малым шагом вращения ротора. Электронные узлы, обеспечивающие перемещение салазок в нужном направлении, смонтированы на основной печатной плате дисковода. За счет перемещения салазок осуществляется лишь грубое наведение оптической головки на дорожку. Точное слежение за ней и коррекция быстрых отклонений в ту или иную сторону (возникающих из-за неидеальности носителей) осуществляется оптическим устройством самой головки. Масса салазок слишком велика для того, чтобы они были в состоянии реагировать на такие отклонения.

Электронные узлы CD-ДИСКОВОДОВ

Электронная начинка дисковода обычно расположена в нижней части привода и закрыта алюминиевым экраном.Ее основные задачи - управление механикой дисковода, обработка звуковых данных для вывода сигнала на гнездо наушников и реализация интерфейса с компьютером. В настоящее время подавляющее большинство дисководов используют интерфейсы ATAPI IDE или SCSI.

Блок-схема типичного дисковода CD-ROM. Ее условно можно разделить на две части - подсистему контроллера и подсистему управления дисководом. Подсистема контроллера осуществляет взаимодействие с интерфейсом периферийных устройств системы, а именно - с контроллером накопителей. Большинство наиболее сложных электронных узлов дисковода имеет отношение к этой подсистеме.

Подсистема управления дисководом вырабатывает команды для его механической части (обеспечивающие прием и извлечение компакт-диска, регулировку частоты его вращения, перемещение салазок и т.п.), а также осуществляет декодирование данных (из

EFM в обычный двоичный формат) и коррекцию ошибок. Аналоговые сигналы с выхода фотодатчика преобразуются сначала в EFM-сигналы, а затем в поток двоичных данных и кодов CIRC (Cross-InterleavedReed-SolomonCode - перекрывающиеся коды Рида-Соломона). Все операции по фокусировке лазерного луча, слежению за дорожкой, управлению приводом салазок (с использованием обратной связи), шпиндельным двигателем и механизмом приема и извлечения диска осуществляются схемой управления дисководом и процессором сервопривода.

CD-ROM - самый простой вид cd-привода, предназначенный только для чтения cd-дисков.

CD-RW - такой же, как и предыдущий, но способен записывать только на CD-R/RW-диски.

Устройство чтения дисков CD и DVD состоит из двигателя, вращающего компакт-диск, системы загрузки дисков, оптической считывающей системы и устройства управления. Все эти компоненты размещаются в едином корпусе, который вставляется в пятидюймовый отсек корпуса компьютера. Внешние дисководы CD-ROM, а также DVD-ROM выполнены в виде отдельного устройства.

В бытовых устройствах двигатель должен вращать компакт-диск с постоянной линейной скоростью, чтобы скорость считывания информации не менялась. Современные компьютерные устройства меняют скорость считывания в зависимости от качества используемого диска. На оси двигателя находится площадка, к которой прижимается диск. Диски вращаются со значительными скоростями, что вызывает достаточно громкий неприятный шум. В последнее время ведутся работы по снижению шума скоростных дисководов.

Имеется несколько вариантов загрузки дисков. Чаще всего используется выдвижной лоток, называемый tray - лоток. С помощью специального двигателя лоток выезжает и убирается внутрь после того, как на него положили нужный компакт-диск

Устройства для записи компакт-дисков внешне почти не отличаются от устройств чтения. Однако лазер, используемый в оптической системе, может нагревать участки заготовки, чтобы в этом месте регистрирующий слой темнел. Мощность лазера при записи примерно в десять раз больше, чем при чтении.

При записи компакт-диска лазер включается на повышенную мощность. Лазер перемещается вдоль дорожки, записывая нужную информацию. Прервать этот процесс невозможно. Если компьютер не успеет передать очередную порцию информации для записи, процесс будет прерван и используемая заготовка испорчена. Для защиты прерывания потока информации в современных устройствах имеется буфер размером в несколько мегабайт. Кроме того, во многих современных моделях CD/DVD-RW используется специальная технология, позволяющая временно прервать запись и возобновить ее после поступления очередной порции данных.

Заготовки для записи компакт-дисков имеют предварительную разметку. Она содержит специальные метки и сигналы синхронизации. Предварительная разметка помогает движению лазера по нужной траектории. Кроме того, перед записью можно прочитать некоторые параметры используемой заготовки. Это поможет точнее настроить программу для записи. Сигналы записаны с пониженной амплитудой и впоследствии перекрываются записываемым сигналом.

Форматы DVD-R и DVD+R

Стандарт записи DVD-R(W) был разработан в 1997 году японской компанией Pioneer и группой компаний, примкнувших к ней и вошедших в DVDForum, как официальная спецификация записываемых (впоследствии и перезаписываемых) дисков.

Созданные на базе DVD-R диски DVD-RW, первоначально имели неприятность, связанную с несовместимостью старых приводов с этими новыми дисками (проблема заключалась в отличии оптического слоя, ответственного за «запоминание» информации, который имел меньшую (по сравнению с носителями с однократной записью и штампованными дисками) отражающую способность). В дальнейшем данная проблема была почти полностью решена, хотя раньше именно из-за этого старые DVD-приводы не могли нормально проигрывать новые перезаписываемые диски.

Так как при разработке стандартов DVD-R и DVD-RW не были учтены разработки фирм Sony, Philips и некоторых других (а также цена лицензии на эту технологию была слишком высока), то эти производители записывающих приводов и носителей для записи объединились в DVD+RWAlliance (англ.), который и разработал в середине 2002 года стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже.

Созданный альтернативный формат, получивший название DVD+R и DVD+RW, имел другой материал отражающего слоя и специальную разметку, облегчающую позиционирование головки (LPP, Landpre-pits - предзаписанные питы между дорожками, содержащие данные адресации и другую служебную информацию, эти данные позволяют приводу DVD записывать информацию в желаемые места на диске) - основное отличие подобных «плюсовых» дисков от «минусовых». С помощью этого диски DVD+RW способны в несколько приемов осуществлять запись (поверх существующей), как в обычном кассетном видеомагнитофоне, исключая утомительное предварительное стирание всего содержимого (для DVD-RW вначале необходимо целиком стереть имеющуюся запись).

Помимо этого, во время использования перезаписываемых «плюсовых» дисков количество ошибок уменьшается, а корректность записи увеличивается, в результате чего сбойный сектор можно с легкостью перезаписать, а не стирать и не записывать весь диск заново. Следовательно, если вы намерены активно пользоваться функцией перезаписи и записи, лучше выбрать рекордер, поддерживающий «плюсовой» формат (на что сейчас способно большинство моделей).

В декабре 1995 года 10 компаний, объединившихся в союз DVD Consortium, официально объявили о создании единого унифицированного стандарта – DVD. Аббревиатура DVD сначала расшифровывалась как Digital Video Disc (Цифровой видеодиск), но впоследствии ее значение было изменено на Digital Versatile Disc (Цифровой двухсторонний диск). Диск был полностью совместим со стандартами Red Book (Красная книга) и Yellow Book (Желтая книга).

DVD внешне идентичен CD, но позволяет записывать информацию, большую по объему в 24 раза, то есть до 17 Гбайт. Это стало возможным благодаря изменению физических характеристик диска и применению новых технологий. Расстояние между дорожками уменьшилось до 0,74 мкм, а геометрические размеры пит – до 0,4 мкм для однослойного диска и 0,44 мкм для двухслойного диска. Увеличилась область данных, уменьшились физические размеры секторов. Нашел применение более эффективный код исправления ошибок – RSPC (Reed Solomon Product Code), стала возможной более эффективная битовая модуляция.

Технология DVD предоставляет огромное количество форматов и четыре типа конструктивного исполнения двух размеров. Диск такого стандарта может быть как односторонним, так и двухсторонним. На каждой стороне может быть один или два рабочих слоя. Рассмотрим основные характеристики DVD различных типов.

Размер диска – 80 мм (3,1 дюйма).

– DVD-1 (Single-sided, single-layer) – односторонний и однослойный диск. Может содержать до 1,36 Гбайт информации (рис. 1.5).

– DVD-2 (Single-sided, double-layer) – односторонний двухслойный диск. Содержит до 2,48 Гбайт информации (рис. 1.6).

– DVD-3 (Double-sided, double-layer) – двухслойный диск с одним информационным слоем на каждой стороне. Емкость – до 2,74 Гбайт информации (рис. 1.7).

– DVD-4 (Double-sided, double-layer) – диск с двумя информационными слоями на каждой стороне. Емкость такого диска – до 4,95 Гбайт (рис. 1.8).

Размер диска – 120 мм (4,75 дюйма).

– DVD-5 (Single-sided, single-layer) – односторонний однослойный диск. Содержит до 4,7 Гбайт информации.

Рис. 1.5. Структура DVD-1 и DVD-5.

– DVD-9 (Single-sided, double-layer) – односторонний и двухслойный диск. Емкость – до 8,5 Гбайт.

– DVD-10 (Double-sided, double-layer) – двухслойный диск с одним информационным слоем на каждой стороне. Содержит до 9,4 Гбайт информации.

– DVD-18 (Double-sided, double-layer) – двухслойный диск с двумя информационными слоями на каждой стороне. Способен вместить до 17 Гбайт информации.

Рис. 1.6. Структура DVD-2 и DVD-9.

Рис. 1.7. Структура DVD-3 и DVD-10.

Рис. 1.8. Структура DVD-4 и DVD-18.

Примечание.

Число в наименовании диска– DVD-1, DVD-4, DVD-10 и т. д. – это округленное значение емкости.

Запись однослойных DVD аналогична записи CD, а вот запись двухслойных дисков существенно отличается от описанного ранее процесса.

Двухслойные диски типов DVD-2 и DVD-9 имеют два рабочих слоя для записи информации. Эти слои разделяются с помощью специального полупрозрачного материала. Для выполнения своей функции такой материал должен обладать взаимоисключающими свойствами: хорошо отражать лазерный луч в процессе считывания наружного слоя и одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя. По заказу корпораций Philips и Sony компания 3M создала материал, удовлетворяющий таким требованиям: обладающий коэффициентом отражения 40 % и необходимой прозрачностью.

Во время считывания информации с такого диска лазерный луч сначала проходит сквозь полупрозрачный слой, фокусируясь на треках внутреннего слоя. Считав всю информацию внутреннего слоя, лазерный луч автоматически меняет свою фокусировку и считывает информацию с полупрозрачного слоя. Наличие в приводе DVD буфера и возможность быстрой смены фокусировки позволяет непрерывно подавать данные на материнскую плату.

При изготовлении двухслойного диска сначала штампуется первый слой, основанный на поликарбонатах. Затем наносится полупрозрачный материал, который в свою очередь покрывается пленкой фотополимерного материала. С помощью ультрафиолетового излучения фотополимеру придается жесткость, и DVD заливается поликарбонатом, который служит диску защитным слоем.

DVD имеют толщину 0,6 мм. Для физической совместимости с CD на DVD дополнительно приклеивалась поликарбонатная подложка толщиной 0,6 мм. С целью не только увеличить толщину DVD до 1,2 мм, но и одновременно улучшить его функциональность, увеличив емкость носителя в два раза, компанией Toshiba был создан двухсторонний диск (типы DVD-3 и DVD-10). Чтобы получить диск типа DVD-3, достаточно склеить между собой со стороны этикеток два DVD-1; для получения же DVD-10 соединяются два DVD-5. Таким образом, склеивая между собой два диска толщиной 0,6 мм, мы получаем один диск, по толщине равный CD и обладающий возможностью записать вдвое больше информации.

Для получения дисков типа DVD-4 следует склеить два DVD-2, для DVD-18 – соответственно два DVD-9.

Принцип записи информации на DVD-R (Digital Versatile Disk Read-only – однократно записываемый DVD) и считывания с него аналогичен записи и считыванию CD-R. Во время записи DVD в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности «прожигает» в активном слое отверстия (питы). При считывании информации лазерный луч обычной мощности, свободно проходя сквозь образовавшееся отверстие, отражается от металлизированного слоя и попадает на фотодатчик, а потом на микропроцессор.

Для записи и считывания информации с DVD-RW (Digital Versatile Disk ReWritable – перезаписываемый DVD) применяется технология Phase Change Technology (метод изменения фазы). Лазерный луч во время записи движется по спиральной дорожке. В период повышенной активности луча регистрирующий слой меняет свою структуру, переходя из кристаллического состояния в аморфное. При считывании информации детектор распознает, от какой поверхности отразился лазерный луч – кристаллической или аморфной, – и преобразует данные в цифровой поток. Под воздействием лазерного луча определенной мощности активный (регистрирующий) слой возвращается в исходное состояние, и диск может быть перезаписан множество раз.

Материал, способный неоднократно менять свою структуру, был разработан компанией TDK и получил название AVIST (Advanced Versatile Information Storage Technology – современная универсальная технология запоминания информации).

Примечание.

Материал AVIST в кристаллическом состоянии обладает 25–35 %-ной отражающей способностью, а при переходе в аморфное состояние темнеет и не отражает лазерный луч.

Для DVD-ROM, VideoDVD, AudioDVD и т. д. применяется файловая система UDF (Universal Disk Format – универсальный дисковый формат), разработанная ассоциацией OSTA (Optical Storage Technology Association – ассоциация по поддержке технологии хранения данных на оптических носителях). Данная файловая система является развитием файловой системы CD-ROM (CDFS или ISO 9660).

Изначально технология DVD разрабатывалась для записи и воспроизведения фильмов. VideoDVD должны обеспечивать следующие возможности:

Воспроизведение фильмов длительностью не менее 133 минут;

Различные варианты отображения широкоэкранного видео;

До 32 вариантов субтитров на различных языках;

Объемный звук;

Защиту от копирования и региональное кодирование;

Интерактивность просмотра.

Навигационные данные;

Объекты воспроизведения.

Объекты воспроизведения делятся на видео, аудио и графику.

Для воспроизведения цифрового видео требуется цифровой поток скоростью 167 Мбит/с. Следовательно, на диске объемом 4,7 Гбайт могут вместиться четыре минуты оцифрованного видео. Чтобы сохранить не менее 133 минут качественного изображения, применяется сжатие данных. Видео кодируется в специальном формате MPEG-2, разработанном группой MPEG (Moving Picture Experts Group – экспертная группа по движущимся изображениям).

Во время просмотра фильмов вы, наверное, обращали внимание на то, что задний план, на фоне которого двигаются герои, как правило, остается неизменным. Дело в том, что примерно 95 % повторяющихся изображений заднего плана могут быть исключены при оцифровке без заметной потери в качестве, при этом значительно снижается объем цифрового потока.

Звук кодируют и сжимают с помощью различных технологий: Dolby Digital, MPEG-1 и MPEG-2. В AudioDVD используется технология LPCM (Linear Pulse Code Modulation – линейная импульсно-кодовая модуляция), в которой не применяется компрессия. Формат LPCM позволяет наиболее качественно и точно передать звуковые волны (частота дискретизации – 48 или 96 кГц, глубина оцифровки – 16, 20 или 24 бит), используя от одного до восьми звуковых каналов, и получить динамический диапазон записи до 120 дБ. При этом цифровой поток данных может составлять 6,144 Мбит/с.

Компрессия звукового сигнала с применением технологии Dolby Digital – AC-3 (Audio Cannels) – обеспечивает звук по схеме 5.1 (5 основных звуковых каналов и один низкочастотный) с диапазоном 20–20 000 Гц. Для компрессии звука используется разработанный компанией Dolby специальный алгоритм, получивший название Multichannel Perceptual Coding (многоканальное перцепционное кодирование). Человеческий слух, в зависимости от пола и возраста, с разной чувствительностью воспринимает звуки в различных частотных диапазонах. Кроме того, существуют определенные частоты и тембры, плохо различаемые всеми людьми. При применении технологии Dolby Digital некоторые частотные диапазоны, с трудом воспринимаемые человеческим ухом, подавляются, что приводит к определенным потерям данных. Однако в результате значительно уменьшается цифровой поток, например для шести каналов достаточно всего 348 Кбит/с.

Компрессия звукового сигнала с применением технологий MPEG-1 и MPEG-2 также связана с потерей данных. Формат MPEG-1 предназначен только для моно– или стереозвучания. Формат MPEG-2 может быть многоканальным и способен обеспечивать объемный звук по схеме 5.1 или 7.1.

Компрессия звукового сигнала с применением технологии DTS (Digital Theatre System – цифровой театр с окружающим звуком), разработанной в США, является альтернативой Dolby Digital. Качество звука при этом несколько выше, восприятие звуковых эффектов пространственно более реалистично, но поток данных в этом случае может достигать 1536 Кбит/с.

Для контроля за распространением дисков и защиты авторских прав производители DVD разделили мир на шесть географических зон и разработали специальные пиктограммы и коды для каждой зоны. Использование такого регионального кодирования как самих дисков, так и проигрывателей для них сделало невозможным воспроизведение дисков одной зоны на DVD-приводах другой зоны.

Зона 1 – США и Канада.

Зона 2 – Западная Европа, Япония, ЮАР, Ближний Восток.

Зона 3 – Юго-Восточная и Восточная Азия, включая Тайвань и Гонконг.

Зона 4 – Латинская Америка, Южная Америка, Карибские острова, Австралия и Новая Зеландия.

Зона 5 – страны бывшего Советского Союза, Африка (кроме ЮАР), Индия, Пакистан, Монголия и Северная Корея.

Зона 6 – Китай.

В настоящее время производители проигрывателей DVD выпускают так называемые «мультизонные» устройства, поддерживающие большинство форматов.

| |

По своему устройству диск CD-R (заготовка для записи), также как и его "штампованный" собрат, напоминает слоёный пирог (рис.1) и отличается только наличием активного (регистрирующего) слоя.

Главной "деталью" CD-R диска является основа. От качества изготовления основы зависит почти половина качества всего диска. Правда, к характеристикам материала, из которого выполнена основа, особых требований не предъявляется, применяется тот же поликарбонат, который используется и при изготовлении CD-ROM. Но вот рельеф основы намного сложнее, чем у записанного диска (CD-ROM). Трудности начинаются с того, что "чистая", незаписанная заготовка не содержит никакой информации и, соответственно, на ее поверхности не должно быть никаких питов. Но ведь питы - это не только хранимая информация, но и источник данных для работы следящей системы. Как же на незаписанной заготовке удержать записывающую головку на воображаемой спирали с достаточной точностью? Для этого основа CD-R диска при изготовлении получает разметку - сплошную спиральную канавку (Pregroove). Трёхмерное изображение поверхности основы CD-R, построенное по результатам измерений в лаборатории атомно-силовой микроскопии Института физики полупроводников Национальной академии наук Украины, приведено на рис.2.

Точные значения ширины, глубины и даже угла наклона боковых стенок - это и есть самое большое ноу-хау фирмы, выпускающий CD-R.

Эта направляющая канавка заполняется органическим красителем. Благодаря красителю луч лазера несколько ослабляется, поэтому от самой канавки в фотоприёмники попадает меньше света, чем от остальных участков диска. Этого достаточно для надёжной работы следящей системы устройства записи. Конечно, краситель не может быть очень тёмным. Ведь его наличие не должно в дальнейшем мешать считывающим устройствам, которые могут и не предполагать наличие спиральной разметки. Но следящая система записывающего устройства специально разработана для отслеживания положения относительно слабоконтрастной дорожки.

В CD-ROM питы не только содержат полезную информацию и позволяют следить за информационной дорожкой, но и служат для синхронизации частоты своего тактового генератора с частотой следования битов считываемого последовательного кода. Отсутствие питов у незаписанного CD-R заставляет применять весьма хитроумные технические решения для синхронизации частоты тактового генератора (в данном случае со скоростью вращения диска). В частности, в CD-R канавка выполнена не в виде ровненькой спирали, как её представлял себе Архимед, а с микроскопическими отклонениями - вобуляцией (рис.3).

Частота колебаний канавки относительно спиральной траектории составляет 22,05 кГц (для скорости вращения диска 1х). Соответственно, один период этих колебаний занимает 60 мкм спиральной траектории. Амплитуда колебаний всего 0,03 мкм, значительно меньше ширины самой канавки, но этого достаточно, чтобы выделить колебания с частотой 22,05 кГц и синхронизировать этими колебаниями частоту своего тактового генератора.

К сожалению, на этом трудности с определением местоположения записывающей головки не заканчиваются. Как известно, информация на CD-ROM записана отдельными порциями - кадрами (секторами, блоками). В заголовке каждого кадра содержится служебная информация, в том числе и о номере текущего кадра. Номер кадра представляется двоично-десятичным кодом в формате (минута): (секунда): (номер кадра в пределах данной секунды). Каждая секунда содержит 75 кадров. Пока на CD-R не записано ни одного кадра, информации о номере кадра не может быть. Но она ведь нужна!

На самом деле эта информация есть и на девственно чистом CD-R. Запрятана она также в форме канавки. Это так называемое действительное время по разметке (ATIP - Actual Time In Pregroove). Вся спиральная разметка разбивается на фреймы, каждый из которых по длительности соответствует одному кадру информации. Информация о номере фрейма (будущего кадра) представлена на разметке путем сдвига частоты вобуляции на 1 кГц от значения 22,05 кГц, т.е. реально частота вобуляции принимает значения 21,05 кГц или 23,05 кГц. То или иное текущее значение частоты вобуляции играет ту же роль, что и питы и ленды на поверхности CD-ROM. Номер фрейма - это 42 последовательных временных интервала, закодированных рассмотренным выше кодом EFM. Серия из 42 временных интервалов декодируется в 3 байта, из них один байт (две десятичные цифры) - это минута, один байт (две десятичные цифры) - секунда и один байт (также две десятичные цифры) - номер фрейма в текущей секунде.

Спиральная канавка у CD-R начинается несколько ближе к центру диска, чем у обычного CD-ROM начинается последовательность питов. На этом начальном участке, недоступном, как правило, для считывающих приводов CD-ROM, расположены две служебные области: для калибровки мощности лазера перед записью PCA (Power Calibration Area) и для временного хранения таблицы содержания диска PMA (Program Memory Area). PCA используется для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, а PMA - для временного хранения таблицы содержимого диска в процессе записи.

PCA и PMA являются таблицами фиксированной длины ёмкостью по 99 элементов каждая, что и ограничивает возможное количество сессий.

На этом участке существует также специальная таблица, в которой содержатся некоторые сведения, характеризующие данный CD-R. Таблица содержит специальную информацию, которая присутствует всегда, и дополнительную информацию, которая может быть на диске, а может и не быть. Специальная информация - это, например, сведения об производителе матрицы, с которой изготовлена основа данного CD-R, сведения о применяемом красителе и оптимальной мощности лазера, код применения (например, для бытовых аудиорекордеров). Дополнительная информация - это, например, максимальная и минимальная скорость записи. Таблица выполнена путем формирования самых настоящих "питов" и "лендов", как в CD-ROM, т.е. не может быть изменена никаким способом. Но она может быть прочитана. Для этого существуют различные программы, например, CDR Media Code Identifier (одна из самых удачных и широко распространённых).

К сожалению, такие программы довольно часто бесполезны, особенно для новых CD-R. Дело в том, что точное содержание таблицы и коды производителей матрицы определяются Orange Forum - организацией, занимающейся стандартизацией в области CD-R. Раньше вся эта информация была общедоступной. Сейчас сайт Orange Forum выглядит не очень информативно, а информация по этим кодам находится в закрытом доступе.

Активный слой. Активный слой - на самом деле это и есть тот краситель, которым заполняется направляющая канавка. Так он и задумывался. Но, несмотря на то, что сейчас мы рассматриваем этот слой только как заполнение красителем специальной канавки, это все же слой. Почему это так, нам станет предельно понятно после того, как мы разберемся с технологическими особенностями изготовления CD-R. Сейчас же давайте только посмотрим, каким же образом осуществляется запись информации на CD-R, или, другими словами, как канавка превращается в питы.

Выжигаем информацию. В процессе записи на отдельных участках мощность лазера увеличивается от 0,7 мВт (мощность при считывании) до величины порядка 8 мВт (для первой скорости). Энергия лазерного луча поглощается органическим красителем и преобразуется в тепло. Иногда этот процесс называется "прожигание". Термин "прожигание" не совсем точен и в некотором смысле даже вреден. Создается впечатление, что в отражающем слое или где-то ещё создаются "дырки". На самом деле под действием выделяющегося тепла происходят различные изменения (Рис.4).

Рис.4. Так канавка превращается в питы

В результате нагрева краситель обугливается и в нём появляются микроскопические газовые пузырьки. В процессе выделения газов увеличивается объём красителя и деформируется отражающий слой. Краситель нагревается до температуры, превышающей температуру плавления поликарбоната, вследствие чего и сама основа в данной точке плавится и деформируется.

Для разных дисков и разных режимов записи могут преобладать те или иные эффекты. Это не столь важно, в любом случае прозрачность такого участка с точки зрения лазера значительно ухудшается, что эквивалентно "питу" в обычном CD-ROM. Возникает только путаница, как это всё назвать. Ведь под термином "ленд" понимается вся поверхность диска, не занятая питами. Собственно, слово-то land и переводится с английского как "поверхность". И в дисках CD-R есть самый настоящий ленд: это участки поверхности между витками направляющей канавки. Поэтому канавка у незаписанного диска CD-R называется просто канавка (groоve), а после записи вся канавка считается разбитой на ряд питов. Только одни питы обозначают питы (pit marks pits), а другие питы обозначают ленды (land marks pits).

После того, как диск записан, надобность в канавке с ATIP отпадает. Обычные приводы CD-ROM даже не догадываются о её существовании, а просто анализируют тёмные и светлые участки диска. При этом, когда привод читает записанный диск, то следить за дорожкой ему даже легче. Даже на участках, соответствующих ленду на "алюминиевом" диске, т.е. светлых участках, сама дорожка немного темнее остальной поверхности. Но вот считывать записанную информацию труднее, чем с CD-ROM. Это и меньший коэффициент отражения из-за наличия дополнительного слоя, это и качество формирования питов лазерным лучом. Качество формирования питов зависит, конечно, в первую очередь от свойств красителя, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.

В действительности взаимодействие луча лазера с активным слоем намного сложнее. Но более строго мы сможем рассмотреть влияние параметров активного слоя на качественные характеристики CD-R только после краткого анализа особенностей технологического процесса изготовления CD-R, что и будет сделано в продолжении данной статьи. Сейчас же мы можем обсудить характеристики красителей только как вещества, которое заполняет направляющую канавку и "прожигается" в процессе записи.

Принципы записи информации на DVD-диск

Методы, используемые для записи информации на DVD-диск, аналогичны принципам записи традиционного CD-диска. В настоящее время производятся CD-диски, предназначенные только для воспроизведения, CD-R-диски с возможностью однократной записи и многократно перезаписываемые диски CD-RW.

Принципы записи информации на CD-диски, СD-ROM, DVD-ROM.

Как показано на рисунке 1 - обычный компакт-диск (CD) состоит из прозрачной полимерной подложки (1 ), металлизированного отражающего слоя (2 ) с "дырками" (B ), при помощи которых записана цифровая информация, и защитного слоя (3 ), необходимого для придания диску жесткости. Отражающий слой (2 ) в обычном CD-диске и является слоем, хранящим информацию. Он изготавливается фабричным методом и представляет собой своеобразную матрицу с "выштампованными" в определенных местах "дырками", которые означают логическую единицу. Отсутствие "дырки" подразумевает логический ноль.
Считывание информации происходит при помощи лазерного луча, отражающегося от
поверхности диска. При отражении от "дырки" лазерный луч точно попадает на специальный детектор, который выдает "1". При отражении от поверхности луч проходит мимо детектора, который в этом случае распознает "0". Абсолютно те же принципы записи информации лежат в основе DVD-дисков первого поколения; они предназначены только для считывания информации, записанной на них фабричным способом (так называемый DVD-ROM),CD-R, DVD-R.
В конструкции однократно записываемого компакт-диска (CD-R) между подложкой (1 ) и отражающим слоем (2 ) находится пигментный слой (4 ) из металло-стабилизированного цианида (органическая субстанция). В данном случае именно пигментный слой, на котором фабрично "выдавлены" дорожки (A ), вдоль которых движется лазерный луч, сохраняет информацию. При записи такого диска в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности "выжигает" в требуемых местах пигментного слоя "дырки" (B ). При считывании информации лазерный луч обычной мощности, свободно проходя сквозь "дырку" в пигментном слое (4 ), отражается от металлизированного слоя (2 ) и попадает на детектор, который распознает логическую единицу. При отсутствии "дырки" лазерный луч поглощается пигментным слоем, отражения лазерного луча не происходит, и детектор выдает логический ноль. Следует отметить наличие дополнительного шероховатого слоя для надпечатки (5), на котором пользователь после записи информации может нарисовать свою этикетку при помощи шариковой ручки, фломастера или даже специального струйного принтера.

CD-RW, DVD-RAM.
Принцип записи на перезаписываемые DVD-диски (который первоначально разрабатывался для компакт-дисков с рабочим названием CD-Erasable) был предложен компаниями Philips, Ricoh и Hewlett-Packard и поддержан такими фирмами, как IBM, Sony, 3M, Olympus, Matsushita и Mitsumi. Конструкция перезаписываемого компакт-диска (CD-RW) напоминает CD-диск, но вместо отражающего слоя в нем используется специальное вещество (6 ), способное многократно изменять свою структуру. Такой материал был разработан компанией TDK и получил название AVIST; он обладает практически идеальными характеристиками.
Его высокой отражающей способности (25-35%) вполне достаточно для совместимости DVD-дисков при воспроизведении. Характеристики материала AVIST стабильны как при высоких, так и при низких скоростях записи, что особенно важно при работе с различными приложениями. В случае перезаписываемых компакт-дисков (например, CD-Erasable) запись осуществляется со скоростью ниже 3 м/c. Работа с данными в формате перезаписываемого DVD-RAM требует от рабочего слоя скорости записи от 3 до 6 м/c. При работе со сжатой видеоинформацией скорость записи уже должна быть выше 6 м/c.
Прекрасное соотношение сигнал/шум и характеристики изменения фазы позволили компании TDK добиться сверхмалых размеров маркера (менее 0,66 mm).
Новый материал AVIST выдерживает не менее 1000 циклов перезаписи на скоростях ниже 3 м/с. При более высоких скоростях записи это количество циклов перезаписи должно возрасти.
Как и на пигментном слое записываемого диска, на рабочем слое AVIST "выдавлены" дорожки (A ), направляющие лазерный луч. При записи такого диска вещество под действием мощного лазерного луча меняет свою структуру в нужной точке поверхности, переходя из кристаллического состояния в аморфное. Поскольку такой переход обратим (т.е. вещество может быть переведено обратно в кристаллическое состояние), диск теоретически может быть перезаписан практически бесконечное число раз. Все зависит от свойств материала, применяемого в информационном слое (6 ), и по мере его дальнейшего совершенствования реально достижимое число циклов будет увеличиваться и составит не менее пяти миллионов перезаписей. Считывание производится лазерным лучом обычной мощности. При отражении от поверхности диска изменяется фаза лазерного луча в зависимости от того, произошло отражение от участка поверхности с аморфной или с кристаллической структурой. Изменения фазы отраженного луча распознаются детектором, который преобразует их в цифровой поток. Такой метод получил название Phase Change Technology (метод изменения фазы).
Однослойные DVD. Как мы уже отмечали, DVD во многом подобен CD, но значительно отличается от него плотностью записи. Как ясно из описанных выше принципов записи, именно предельное количество "дырок", которое может быть размещено на поверхности диска, определяет его информационную емкость.
Первым шагом к созданию нового стандарта можно считать семикратное увеличение емкости CD-диска за счет увеличения плотности записи, которое стало возможным благодаря применению более совершенных источников лазерного луча. различия размеров и плотности расположения "дырок"

На рисунке 2 показаны различия размеров и плотности расположения "дырок" рабочего слоя у DVD- и CD-дисков.
Обычные дисководы CD-ROM используют источник лазерного излучения с длиной волны 780 нм, излучающий невидимый инфракрасный свет. В DVD-плеерах и в DVD-ROM применен излучающий красный свет лазер с длиной волны 650 (635) нм. Такое уменьшение длины волны позволило считывать более мелкие "дырки" рабочего слоя диска, размещенные в более плотно расположенных треках (дорожках записи). Соответствующее увеличение числовой апертуры линзы (Numerical Aperture - угол между крайними лучами светового конуса, попадающего в оптический прибор) с 0,45 до 0,60 дает возможность фокусировать лазерный луч с гораздо большей точностью. Только за счет повышения плотности записи удалось довести емкость диска до 4,7 Гбайт.
Кроме того, значительной модернизации подверглись схемы цифровой модуляции и коррекции ошибок. Современная высокоэффективная схема модуляции (EFM Plus) работает как в 8-, так и в 16-битном режимах, что обеспечивает совместимость с существующими CD-форматами, одновременно позволяя добиться более высокого качества при применении новых DVD-носителей. Новая схема коррекции ошибок (RS-PC Reed Solomon Product Code) примерно в 10 раз эффективнее той, что используется в современных системах считывания. односторонний однослойный диск (сверху) и односторонний двухслойный диск (снизу)
Двухслойные DVD. Дальнейшее увеличение емкости диска достигнуто благодаря разработке двухслойного DVD-диска (стандарт DVD-9). Как видно из рис. 3, у двухслойного диска (нижняя схема) имеются целых два рабочих слоя для записи информации. Чтобы реализовать эту модель, для внешнего информационного слоя был создан специальный полупрозрачный материал. При считывании информации с такого диска лазерный луч сначала проходит сквозь этот полупрозрачный слой, фокусируясь исключительно на треках внутреннего слоя (принципы считывания описаны выше). Считав всю информацию с первого (внутреннего) слоя, лазерный луч автоматически меняет свою фокусировку, изменяя тем самым "глубину проникновения", и приступает к считыванию информации со второго (внешнего полупрозрачного) слоя. Наличие двух рабочих слоев позволяет увеличить емкость до 8,5 Гбайт. Поскольку фокусировка переключается почти мгновенно, а применение электронного буфера гарантирует отсутствие перерывов в исходящем цифровом потоке, двухслойную модель DVD-диска намечается использовать в приложениях, требующих большой и "непрерывной" емкости.

Первый слой двухслойного DVD-диска штампуется из обычных пластмасс на основе поликарбонатов и несет запись на одной стороне. Затем эта сторона заливается тонким слоем полупрозрачного материала, который в свою очередь покрывается пленкой фотополимерного материала, формирующего наружный рабочий слой. Фотополимерному материалу придается жесткость ультрафиолетовым облучением, и DVD-диск заливается прозрачным пластиком, служащим защитным слоем диска. Основная трудность заключается в создании полупрозрачного материала, разделяющего слои записи, поскольку требования, предъявляемые к нему, довольно противоречивы: он должен хорошо отражать лазерный луч (требуемый коэффициент отражения - около 40%) в процессе считывания наружного слоя и одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя. Приоритет в разработке такого материала принадлежит компании 3M, работавшей по заказу Philips-Sony.

Двухсторонние DVD.
Общая толщина всех слоев DVD-диска (как однослойного, так и двухслойного) составляет всего 0,6 мм, что в два раза меньше толщины CD-диска. Для физической совместимости с традиционными компакт-дисками толщина DVD-диска должна равняться толщине CD-диска, т.е. 1,2 мм. В одностороннем однослойном диске (стандарт DVD-5) с задней стороны (с той, где у CD-диска находится этикетка) приклеивается дополнительная подложка толщиной 0,6 мм.

Но такая толщина позволяет изготовить двухсторонний однослойный диск (стандарт DVD-10). Эта идея была предложена компанией Toshiba. Конструктивно процесс производства выглядит следующим образом: два отдельных односторонних DVD-диска склеивают между собой задними сторонами. В результате общая толщина диска та же, что у стандартного CD, - 1,2 мм, но информации такой диск способен вместить в два раза больше; кроме того, за счет уменьшения толщины защитного слоя снижается вероятность ошибок считывания информации, происходивших в CD-дисках из-за случайных отклонений лазерного луча в прозрачном защитном слое.
Таким образом, комбинируя (да-нет) две технологии "удваивания" числа рабочих поверхностей, мы получаем специфицированные в стандарте четыре конструктивно отличающихся формата DVD.
Однослойный односторонний диск DVD-5, преимущественно используется для видеофильмов, так как его емкости вполне достаточно для 92% фильмов, равно как для большинства компьютерных приложений, которым вполне хватает емкости 4,7 Гбайт. Одновременно такой диск оказывается относительно дешевым носителем - его себестоимость всего на 14% превышает себестоимость изготовления традиционного CD-диска.
Следующий по сложности тип диска - односторонний двухслойный DVD-9. Этот тип диска наиболее широкое применение найдет в приложениях, где необходимым условием является большая емкость при недопустимости в перерывах при считывании.
Формат DVD-10 (двухсторонний однослойный диска), предложенный компанией Toshiba, предполагает переворачивание диска вручную после проигрывания одной стороны; его целесообразно использовать, например, для тиражирования очень длинных фильмов или сериалов, не помещающихся на однослойном одностороннем диске. Впоследствии при дальнейшем уменьшении общей толщины всех рабочих слоев диска возможно создание и сверхъемкого двухстороннего двухслойного DVD-17.

Технические характеристики с спецификации DVD дисков