FAQ по звуковым компакт-дискам (CD-DA)

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

Как устроен компакт-диск?

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

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

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

Каким образом на диске представляется звуковой сигнал?

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

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

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

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

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

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

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

Как записываются и изготавливаются компакт-диски?

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

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

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

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

Как воспроизводятся компакт-диски?

При воспроизведении звуковой компакт-диск вращается с постоянной линейной скоростью (Constant Linear Velocuty — CLV), при которой скорость дорожки относительно воспроизводящей головки приблизительно равна 1,25 м/с. Система стабилизации скорости вращения поддерживает ее на таком уровне, чтобы обеспечить скорость считанного цифрового потока равной 4,3218 Мбит/с, поэтому в зависимости от длины питов и промежутков действительная скорость может изменяться. Угловая скорость диска при этом изменяется от 500 об/мин при чтении самых внутренних участков дорожки до 200 об/м на самых внешних.

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

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

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

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

Каковы параметры звукового сигнала на CD?

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

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

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

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

Что такое jitter?

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

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

Что означают аббревиатуры AAD, DDD, ADD?

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

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

Могут ли два одинаковых диска звучать по-разному?

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

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

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

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

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

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

Что такое HDCD?

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

Как обращаться с компакт-дисками?

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

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

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

Что такое «зеленый фломастер» и зачем он нужен?

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

Где найти более подробную информацию по компакт-дискам?

Добрый день, друзья!

Сегодня мы с вами поговорим о самых, пожалуй, распространенных носителях информации – CD и DVD дисках .

Как известно, - это машина, в которой циркулируют потоки информации.

И такая информация нуждается в носителе. Основной носитель - это винчестер (жесткий диск). Но он спрятан в недрах компьютера.

В наше время, когда скорость обмена информацией возрастает, должны быть и другие носители информации — с быстрым и удобным доступом. И такие носители существуют - это флэш-накопители («флэшки»), CD, DVD, Blu-ray диски.

Диск можно быстро вставить в привод (не разбирая компьютер), записать на него информацию и хранить ее. В настоящее время появилась альтернатива таким носителям – всякого рода облачные сервисы хранения данных, но списывать их со счета преждевременно. Остановимся чуть более подробно на CD и DVD.

Как устроены CD и DVD

CD (Compact Disc) - это диск из пластика толщиной 1,2 мм с центрирующим отверстием посредине. Информация может располагаться на одной или обеих (в DVD) сторонах диска. Информационная сторона представляет собой одну длинную спиральную канавку , начинающуюся от центра.

Считывание информации производится маломощным лазером . Как известно, все многообразие информационного потока обеспечивается посредством квантов (битов) информации, каждый из которых может значение 0 или 1. 0 можно трактовать как отсутствие сигнала, 1 - его наличие.

На дне информационной канавки диска располагаются чередующиеся выступы (площадки) и впадины.

Лазерный луч, непрерывно отражаясь от выступов и впадин канавки, попадает через оптическую систему в приемник. С терминами «выступ» и «впадина» существует некоторая путаница. Если смотреть на диск сверху (с той стороны, где бумажная наклейка), то это будет впадина.

Но считывание происходит с нижней (информационной) части диска, поэтом для лазерного луча это будет выступ. При отражении от выступа длина хода волны луча лазера получается меньшей - на половину длины волны. Поэтому волна гасится, что эквивалентно отсутствию сигнала.

Переход от площадки к выступу и наоборот трактуется как 1.

Если такого перехода (в течение некоторого времени) не происходит, то это трактуется как 0.

DVD (Digital Versatile Disc , универсальный цифровой диск) устроен аналогичным образом, но шаг канавки у него меньше (0,7 мкм), длина и высота выступов также меньше. Поэтому при одинаковом диаметре диска на него можно записать больше информации.

Информационные диски, производящиеся массовыми тиражами, изготавливают штамповкой из поликарбоната с помощью металлической матрицы. На ту сторону, где канавки, наносится светоотражающий слой из алюминия. Затем на эту поверхность наносится тонкий слой лака и наклеивается бумажная этикетка. Емкость DVD - 4,7 Gb.

Двухслойные и двухсторонние DVD

Существуют двухслойные DVD,в которых два идентичных диска с канавками.

В таких случаях на ближний к лазеру диск наносят полупрозрачное золотое покрытие (со стороны канавок), так что луч может проходить через него и считывать данные с «дальнего» слоя.

Для устойчивого считывания канавки в двухслойных дисках сделаны шире , чем в однослойных, поэтому емкость диска равна 8,5 Gb (а не 9,4 Gb, как это можно было предположить). Переход на «ближний» или «дальний» диск в двухслойных дисках осуществляется изменением фокусировки луча лазера.

Ввиду того, что площадки и выступы в DVD меньше, чем в CD, лазер DVD работает на меньшей длине волны (в CD длина волны - 780 нм, в DVD - 650 нм). Существуют и двухсторонние DVD, каждая сторона которых может состоять из одного или двух дисков с канавками. Таким образом, максимальная емкость DVD может быть равной 17 Gb. Отдельные диски с канавками (как в односторонних, так и в двухсторонних дисках) склеивают в одно целое.

Однократно записываемые диски

Существуют также однократно записываемые диски CD-R и DVD-R (R – recordable, записываемые). Для DVD существует несколько разновидностей записываемых дисков - из-за того, что разработкой стандартов записи занималось несколько фирм.

Не будем сейчас вникать в скучные и сухие подробности и конкретизировать отличия одного стандарта от другого.

Записываемые диски похожи, естественно, по строению на штампованные, но канавка содержит в себе один длинный выступ (со стороны лазера) по всей длине канавки, без впадин. Отличие еще в том, что пред нанесением светоотражающего покрытия на диск со стороны канавки наносится тонкий слой прозрачного лака.

При записи информации ток лазера увеличивается, его луч нагревает слой лака до температуры 250 — 300 0С. Лак выгорает и становится непрозрачным. Эта операция называется еще «прожигом » . Никакого дыма при этом, естественно, нет! Но, если посмотреть на диск со стороны записи в отраженном свете, можно отличить записанную и свободную от записи зоны.

При считывании информации луч отражается от светоотражающего слоя в тех местах, где лак не был выжжен. Где лак был выжжен, отражения луча не происходит.

Многократно записываемые диски

Существуют еще многократно перезаписываемые диски CD-RW, DVD-RW (RW – rewritable, перезаписываемые). В таких дисках на сторону, где расположена канавка вместо слоя прозрачного лака наносится тонкая пленка металлического сплава, который может изменять свое фазовое состояние под влиянием нагрева. Сплав может находиться в двух состояниях - в кристаллическом и в аморфном .

При этом коэффициенты отражения для разных состояний отличны. В исходном (незаписанном) состоянии пленка сплава находится в кристаллическом состоянии и обладает некоторым коэффициентом отражения. При записи луч лазера нагревает пленку сплава до температуры 500 - 700 градусов, сплав в этих местах плавится и переходит в аморфное состояние.

При этом коэффициент отражения сильно уменьшается, и это воспринимается схемой считывания как отсутствие сигнала. Стереть данные можно, если перевести пленку сплава вновь в кристаллическое состояние. Для этого ее нагревают тем же лучом лазера до температуры 200 градусов. Этого недостаточно для плавления, но достаточно для размягчения.

При последующем охлаждении происходит переход из аморфного в кристаллическое состояние. Стирание данных происходит во время перезаписи дисков. При этом луч лазера генерирует импульсы разной мощности, создавая области с кристаллической и аморфной структурой.

Цифровые данные на диск записаны в избыточном коде .

Это необходимо для коррекции ошибок, которые будут всегда, хотя бы из-за того, что поверхность диска царапаются. Поэтому с дисками надо обращаться осторожно и брать их только за внешние края. Отпечатки пальцев на информационной стороне могут привести к ошибкам считывания. Из-за этого диск будет считываться дольше, чем мог бы или «подтормаживать».

Если на диске много царапин, диск тоже будет долго считываться (если считается вообще). Скорость считывания дефектного диска может зависеть от конкретной модели привода (от микропрограммы, «зашитой» в нем).

Как вынуть диск из неисправного привода?

В заключение упомянем об одной полезной мелочи. Иногда привод DVD отказывает «прямо на глазах», и диск остается в нем.

В таких случаях при нажатии на кнопку извлечения диска никаких действий не происходит. Достать диск можно, разобрав привод. Но это долго и хлопотно! Для таких экстренных случаев существует небольшое отверстие на передней панели привода.

Чтобы извлечь диск, надо вставить в это отверстие металлическую шпильку (можно распрямить скрепку) до упора и слегка нажать.

При этом подвижная часть привода слегка выедет. После этого можно вручную выдвинуть ее до обычного открытого состоянии и извлечь диск. А вы думали, что это дырка для вентиляции?

Вот и все на сегодня, уважаемые читатели.

С вами был Vsbot.

Всего наилучшего!

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:

1. Общее наименование оптических (лазерных) носителей информации.
2. Наименование оптических дисков, предназначенных для записи в цифровой форме и воспроизведения через специальное проигрывающее устройство (CD player) музыкальных произведений (CD-DA).

Все форматы компакт-дисков восходят к аудио-дискам CD-DA (Compact Disc – Digital Audio), появившимся в середине 1970-х в качестве замены виниловых пластинок. Начало промышленного производства компакт дисков относят к 1983. В настоящее время оптические диски являются одним из наиболее надежных и экономичных средств для долговременного (десятки лет) хранения данных в цифровом виде.

Устройство компакт-диска

Диаметр компакт-диска обычно составляет 4, 5 дюйма (120 мм), но существуют диски меньшего диаметра - 3, 25 дюйма. Толщина диска 1, 2 мм, диаметр центрального отверстия - 15 мм.

Оптический компакт-диск состоит из прочной, прозрачной основы (поликарбонатной или полихлорвиниловой), отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется слой напыленного алюминия (реже золота). Цифровая информация представляется на отражающей поверхности чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет участков.

Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от центра к краю. На 1 см помещается 6000 витков дорожки. В соответствии с принятыми стандартами поверхность диска разделена на три основных области: входную директорию (Lead in), где содержится оглавление (Table Of Contents, TOC), адреса записей, число заголовков, объем (время) записи, название диска; область данных; выходную директорию (Lead out), которая содержит метку конца диска. Все форматы компакт-дисков используют физические секторы размером 3234 байта, из которых 882 байта предназначены для вспомогательных данных, служащих для контроля и коррекции ошибок. Секторы группируются в логические дорожки , сведения о которых помещаются в TOC.

Запись цифровых данных на компакт диск производится либо штамповкой с матрицы (фабричные CD-ROM), либо в специальных дисководах CD-RW лучом лазера. Считывание данных производится также лучом лазера с последующим их преобразованием из цифровой в аналоговую форму и воспроизведением. Емкость дисков стандартов CD-ROM/R/RW обычных размеров составляет 650-700 Мб (74-80 мин для аудиозаписей CD-DA). Время доступа к данным для различных моделей колеблется от 80 до 400 мс.

Файловые системы компакт-дисков

Основным стандартом, определяющим логический и файловый формат записи компакт-дисков, является международная спецификация ISO 9660 (ранее называлась High Sierra). В целях совместимости с различными считывающими устройствами и операционными системами этот стандарт содержит значительные ограничения (например, на длину имен файлов до 8 символов). Позднее стандарт был расширен за счет включения трех уровней обмена (Level 1, 2, 3), что позволило в ISO 9660 Level 2 и Level 3 снять многие ограничения по именованию файлов и структуре каталогов. В операционных системах, начиная с Microsoft Windows 95 и NT, поддерживается также формат Joliet, допускает использование длинных имен файлов. Существует также файловая система UDF (Universal Disk Format; ISO 13346), позволяющая работать с записываемыми компакт-дисками как с обычными дисковыми накопителями.

Стандарты CD

Стандарты CD, отражающие историю развития этой технологии, описаны в спецификациях, которые по традиции называются «цветными книгами».

Red Book («Красная книга») - изначальный стандарт, разработан Philips и Sony для музыкальных компакт дисков CD-DA (Compact Disc-Digital Audio). Стандарт позволяет записывать до 99 музыкальных дорожек общей длительностью 74 минуты. Существует расширение этого стандарта CD-Text, позволяющее дописывать дополнительную текстовую информацию о произведениях и исполнителях. «Красная книга» определяла физическую структуру сектора компакт-диска. Каждый сектор CD-DA содержит 2352 байта звуковых данных, а также корректирующие (коды обнаружения и исправления ошибок - Error Detection Codes (EDC) & Error Correction Codes (ECC)) и управляющие данные, содержащие сведения о номере дорожки, ее длительности, и позволяют переходить на начало любой дорожки. Кроме того, «Красная книга» определяет устройство компакт-диска и лазерной головки, стандарты модуляции и исправления ошибок, формат записи данных и др.

Yellow Book («Желтая книга») содержит расширения «Красной книги», описывающие стандарт CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory), разработанный Philips и Sony для записи на компакт-диски различных данных в цифровом виде (для использования в ПК). Стандартный формат CD-ROM получил название Mode 1. Внутри каждого сектора диска помимо пользовательских данных хранится информация для обнаружения и исправления ошибок - EDC/ECC, данные для синхронизации. Расширением стандарта CD-ROM стал набор стандартов CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture), разработанный фирмами Philips, Sony и Microsoft для хранения и воспроизведения данных мультимедиа на CD-ROM. В соответствии с расширенной архитектурой блоки записи аудиоданных располагаются между блоками текстовых, графических или видеозаписей. Этим предоставляется возможность при воспроизведении записей видеть их и слышать одновременно. Форматы CD-ROM XA используются для компакт-дисков Kodak PhotoCD и VideoCD (формата CD-I Bridge), Karaoke CD и Sony PlayStation CD.

Green Book («Зеленая книга») - формат CD-I (CD-Interactive), разработанный Philips для интерактивных мультимедийных приложений. Производство дисков CD-I открыто в Великобритании в мае 1992 фирмами Philips, Sony, Matsushita. Стандарт допускает запись смешенных данных (звука, видео, рисунков, др. типов данных) и предусматривает возможность интерактивного взаимодействия с пользователем. Применяется для записи VideoCD в формате MPEG. Гибридный формат CD Bridge определяет метод записи данных CD-I на диски CD-ROM XA, что позволяет его читать в любом накопителе, совместимом с CD-ROM XA.

Orange Book («Оранжевая книга») определяет стандарты записываемых компакт-дисков. Часть I книги определяет магнитооптический компакт-диск (Compact Disc – Magneto-Optical, CD-MO). Часть II - компакт диск для однократной записи (Compact Disc – Write Once, CD-WO; Compact Disc Write Once, Read Many times, CD-WORM), который чаще называют CD-R (Recordable). В процессе записи на такие диски лазерный луч необратимо модифицирует поверхность диска, позволяя в последующем лишь считывать имеющиеся на нем данные. В диске этого формата между отражающим и защитным слоем расположен слой из органического красителя, который и прожигает лазер в процессе записи. Часть III определяет стираемый (перезаписываемый) диск (Compact Disc – Erasable, CD-E), который называют CD-RW (ReWritable). В первом полугодии 1997 фирмы Ricoh, Philips Electronics, Sony Electronics и Hewlett-Packard объявили о планах выпуска CD-RW и первых дисководов для них. Первые версии накопителей CD-RW фирмы Ricoh имеют интерфейс SCSI-2 и обеспечивают условные скорости: при записи - 2х, при считывании - 6х. Один из способов реализации перезаписываемых дисков основан на использовании изменения структуры пластиковых материалов покрытия дисков в миниатюрной области нагрева, а вместе с этим и характеристик отражения луча в соответствующей точке. Запись и считывание данных производится лучом лазера разной интенсивности. Восстановление исходной структуры поверхности диска для стирания сделанной записи производится также путем нагрева, но уже до другой температуры, которая соответствует точке плавления материала покрытия диска. Другой способ основан на использовании свойств соединения кобальта с гадолинием изменять поляризацию отраженного сигнала при условиях аналогичных выше описанным. При считывании отраженного лазерного излучения через поляризационные фильтры эти изменения преобразуются в электрические сигналы. Современные CD-RW выдерживают десятки тысяч циклов стирания и записи, тем не менее, надежность хранения данных на CD-RW (в особенности, при неоднократной перезаписи диска) несколько меньше, чем на дисках стандарта CD-R. Кроме того, максимальная скорость записи дисков CD-R, как правило, выше скорости записи CD-RW. «Оранжевая книга» различает односеансовую запись (Disc-at-Once, DAO) и последовательную многосеансовую запись (Track-at-Once, TAO) диска. В первом случае данные записываются на диск целиком за один раз, во втором случае данные могут дописываться в несколько сеансов, в каждом из которых создается обновленная таблица содержания диска (Table of Content, TOC). Некоторые устаревшие дисководы CD-ROM и проигрыватели не умеют читать многосеансовые диски. Для записи данных на компакт-диски требуется располагать соответствующим приводом, чистыми «болванками» соответствующего формата и программным обеспечением для записи.

White Book («Белая книга») определяет формат видеодисков Video CD, который также называют Digital Video (DV). Формат разработан Matsushita, JVC, Sony и Philips. Видеодиски являются разновидностью дисков CD-ROM XA. На них можно записать около 70 минут видео в стандарте MPEG-1 со звуковой дорожкой CD-качества. В настоящее время вместо стандарта Video CD все чаще используется DVD.

Blue Book («Голубая книга») определяет формат усовершенствованного музыкального компакт-диска (Enhanced Music CD, CD-Extra, CD-Plus), который может содержать звуковые дорожки и компьютерные файлы, записанные последовательно в 2 сеанса. Такие диски можно прослушать на любом проигрывателе аудиодисков.

В настоящее время большое распространение получают компакт-диски типа DVD , которые превосходят обычные CD по емкости, скорости чтения/записи и другим показателям. Для чтения DVD требуются особые приводы (Дисководы DVD в ПК), которые, как правило, способны считывать и данные с CD-ROM и CD-R/RW. Существуют форматы записываемых (DVD-R, DVD+R) и перезаписываемых (DVD-RW, DVD+RW) DVD. Первоначально предназначавшиеся для распространения видеофильмов, DVD сегодня широко используются для хранения и обмена различными данными. Емкость DVD составляет от 4, 7 (односторонний однослойный диск) до 17 (двухсторонний двухслойный диск) Гбайт.

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?