Запись компакт-дисков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Компакт-диск (англ. Compact Disc) -- оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре, процесс записи и считывания информации которого осуществляется при помощи лазера. Дальнейшим развитием CD-дисков стали DVD-диски.

Изначально компакт-диск был создан для хранения аудиозаписей в цифровом виде (известен как CD-Audio), однако в дальнейшем стал широко использоваться как носитель для хранения любых данных (файлов) в двоичном виде. В дальнейшем появились компакт-диски не только с возможностью чтения однократно занесённой на них информации, но и с возможностью их записи и перезаписи (CD-R(Compact Disc Recordable), CD-RW(Compact Disc Re Writable)).

Формат файлов на CD-ROM (англ. Compact Disc Only Memory) отличается от формата записи аудио-компакт-дисков и потому обычный проигрыватель аудио-компакт-дисков не может воспроизвести хранимую на них информацию, для этого требуется специальный привод (устройство) для чтения таких дисков (сейчас имеются практически в каждом компьютере). Компакт-диск (CD-ROM) стал основным носителем для переноса информации между компьютерами (вытеснив с этой роли флоппи-диск). Сейчас он уступает эту роль более перспективным твердотельным носителям.

Компакт-диск был разработан в 1979 году компаниями Philips и Sony. На Philips разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии лазерных дисков. Sony, в свою очередь, использовала собственный метод кодирования сигнала PCM -- Pulse Code Modulation, использовавшийся ранее в цифровых профессиональных магнитофонах. В 1982 году началось массовое производство компакт-дисков, на заводе в городе Лангенхагене под Ганновером, в Германии. Выпуск первого коммерческого музыкального CD был анонсирован 20 июня 1982 года. Первым компакт-диском, попавшим на прилавки музыкальных магазинов был альбом Билли Джоэла (Billy Joel) 1978 года под названием 52nd Street. Продажи этого альбома на CD начались в Японии 1 октября 1982 года. Значительный вклад в популяризацию компакт-дисков внесли Microsoft и Apple Computer. Джон Скалли, тогдашний CEO Apple Computer, в 1987 году сказал, что компакт-диски произведут революцию в мире персональных компьютеров. Один из первых массовых мультимедийных компьютеров (развлекательных центров использующих CD диски) была Amiga CDTV (Commodore Dynamic Total Vision), позже CD диски стали использовать в игровых приставках Panasonic 3DO и Amiga CD32.

1. Структура компакт-диска

1.1 Геометрия компакт-диска

Компакт-диск представляет собой поликарбонатную подложку толщиной 1,2 мм и диаметром 120 мм, покрытую тончайшим слоем металла (алюминий, золото, серебро и др.), на который обычно наносится графическое представление содержания диска, и защитным слоем лака. Принцип считывания через подложку позволяет весьма просто и эффективно осуществить защиту информационной структуры и удалить её от внешней поверхности диска. Диаметр пучка на внешней поверхности диска составляет порядка 0,7 мм, что повышает помехоустойчивость системы к пыли и царапинам. Кроме того, на внешней поверхности имеется кольцевой выступ высотой 0,2 мм, позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм. Вес диска без коробки составляет ~15,7 г.

1.2 Информационная структура

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки из питов (англ. pit -- углубление), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются лендом (англ. land -- пространство, основа). Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм.

Различают диски только для чтения («алюминиевые»), CD-R -- для однократной записи, CD-RW -- для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах. В некоторых CD-плеерах и музыкальных центрах такие диски могут не воспроизводиться (в последнее время все производители бытовых музыкальных центров и CD-плееров включают в свои устройства поддержку чтения CD-R/RW).

1.3 Кодирование информации

Формат хранения данных на диске, известный как Red Book («Красная книга»), был разработан компанией Philips. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Благодаря коррекции ошибок с помощью кода Рида-Соломона, лёгкие радиальные царапины не влияют на читаемость диска. Philips также владеет всеми правами на знак «Compact disc digital audio», логотип формата аудио-компакт-дисков.

1.4 Считывание информации

Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации изменения интенсивности отражённого света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует меньшую интенсивность света. Различие между дисками «только для чтения» и дисками однократной (многократной) записи заключается в способе формирования питов. В случае диска «только для чтения» питы представляют собой некую рельефную структуру (фазовую дифракционную решетку), причём оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице фаз в половину длины волны между светом, отражённым от пита и светом, отражённым от ленда. В результате в плоскости фотоприёмника наблюдается эффект деструктивной интерференции и регистрируется снижение уровня сигнала. В случае CD-R/RW пит представляет собой область с большим поглощением света, нежели ленд (амплитудная дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует снижение интенсивности отражённого от диска света. Длина пита изменяет как амплитуду, так и длительность регистрируемого сигнала. Считывание информации с компакт-диска представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Считывание информации с компакт-диска

Скорость чтения (записи) CD указывается кратной 150 Кб/с (то есть 153 600 байт/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 ? 150 = 7200 Кб/с (7,03 Мб/с).

1.5 Защита от копирования

Спецификация компакт-дисков не предусматривает никакого механизма защиты от копирования -- диски можно свободно размножать и воспроизводить. Однако начиная с 2002 года, различные западные звукозаписывающие компании начали предпринимать попытки создать компакт-диски, защищённые от копирования. Суть почти всех методов сводится к намеренному внесению ошибок в данные, записываемые на диск, так, чтобы на бытовом CD-плеере или музыкальном центре диск воспроизводился, а на компьютере -- нет. В итоге получается, что такие диски читаются далеко не на всех бытовых плеерах, а на некоторых компьютерах -- читаются, выходит программное обеспечение, позволяющее копировать даже защищённые диски и т. д. Звукозаписывающая индустрия, однако, не оставляет надежд и продолжает испытывать всё новые и новые методы. Philips заявила, что на подобные диски, не соответствующие спецификациям «Red book», запрещается наносить знак «Compact disc digital audio».

компакт диск технология запись

1.6 Производство компакт-дисков

Первым этапом производства компакт-дисков является мастеринг -- процесс подготовки данных, для запуска в серию.

Второй этап -- фотолитография -- процесс изготовления штампа диска. На стеклянный диск наносится слой фоторезиста, на который производится запись информации. Фоторезист -- полимерный светочувствительный материал, который под действием света изменяет свои физико-химические свойства.

Третий этап -- запись информации. Запись производится лазерным лучом, мощность которого модулируется записываемой информацией. Для создания пита мощность лазера повышается, что приводит к разрушению химических связей молекул фоторезиста, в результате чего он «задубевает».

Четвёртый этап -- проявка фоторезиста. Поверхность фоторезиста подвергается травлению (кислотному, щелочному, плазменному), при котором удаляются те области фоторезиста, которые не были экспонированы лазерным лучом.

Пятый этап -- гальванопластика. Проявленный стеклянный мастер-диск помещается в гальваническую ванну, где на его поверхность производится электролитическое осаждение тонкого слоя никеля.

Шестой этап -- штамповка дисков методом литья под давлением с использованием полученного штампа.

Седьмой этап -- напыление зеркального металлического (алюминий, золото, серебро и др.) слоя на информационный слой.

Восьмой этап -- нанесение защитного лака.

Девятый этап -- нанесение графического изображения -- лейбла (от англ. Label).

1.7 Объём хранимых данных

Компакт-диски имеют в диаметре 12 см и изначально вмещали до 650 Мбайт информации (или 74 минуты звукозаписи). Согласно одной из легенд, разработчики рассчитывали объём так, чтобы на диске полностью поместилась девятая симфония Бетховена (самое популярное музыкальное произведение в Японии в 1979 году согласно специально проведённому опросу), длящаяся (в самом длинном из известных исполнений) именно 74 минуты. Однако, начиная приблизительно с 2000 года, всё большее распространение получали диски объёмом 700 Мбайт, которые позволяют записать 80 минут аудио, впоследствии полностью вытеснившие диск объёмом 650 Мбайт. Встречаются и носители объёмом 800 мегабайт (90 минут) и даже больше, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также синглы, диаметром 8.9 см (не путать с мини-дисками диаметром 8 см), на которые вмещается около 140 или 210 Мбайт данных или 21 минута аудио, и CD, формой напоминающие кредитные карточки.

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

Приведём сведения об объёме хранимых данных на компакт-диске в таблице 1.

Таблица 1 - Сведения об объёме хранимых данных на компакт-диске

2. Технология записи информации на компакт-диск

2.1 Запись информации на компакт-диск

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

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

В просторечии такие записываемые диски называются «болванками» и записываются на специальных пишущих приводах для компакт-дисков (широко сегодня распространённых), на сленге именуемыми «резаками». Процесс записи называется «прожигом» (от англ. to burn) или «нарезкой» диска.

• 2.2 Технология HD-BURN

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

- Длина пита на диске уменьшается до 0,62 микрометра. Длина пита обычного CD составляет 0,83 микрометра. Это означает, что HD-BURN увеличивает ёмкость диска в 1,35 раза. Длина пита 0,62 мкм была выбрана для того, чтобы все существующие DVD Video плееры и приводы DVD-ROM смогли считывать HD-BURN диски после незначительной модернизации.

- Применяется иная система коррекции ошибок: вместо CIRC (Cross Interleaved Reed Solomon Code -- перемежающийся код Рида-Соломона) используется RS-PC (RS-PRODUCT Code) с модуляцией 8-16. Это позволило увеличить ёмкость ещё в 1,49 раза. Как сообщает Sanyo, новая система коррекции ошибок RS-PC не только более компактна, но и существенно более эффективна чем CIRC.

В итоге, ёмкость одного CD-диска, записанного в режиме HD-BURN, в два раза превышает ёмкость CD-диска, записанного в обычном режиме.

Заключение

В последнее время ряд фирм приступили к разработке оптических дисков нового поколения Blu-ray Disk (BD), которые обладают многократно большей ёмкостью и обеспечивают существенно более высокую скорость передачи данных. Актуальность этого направления связана с активным повсеместным вводом в эксплуатацию систем телевидения высокой четкости - HDTV. Компании Toshiba и NЕС при поддержке DVD Forum продвигают альтернативную Blu-ray Disk разработку, которая получила название High Definition DVD (HD-DVD).

Диски HD-DVD-R с однократной записью способны хранить данные объёмом 15 Гбайт, а перезаписываемые HD-DVD-RW обладают ёмкостью 20 Гбайт. Ёмкость однослойных BD-R и BD-RE - 25 Гбайт, двухслойных - 50 Гбайт. Количество циклов перезаписи у BD-RE составляет порядка 1000.

Несовместимость форматов BD и HD-DVD привела к появлению на рынке гибридных приводов, способных читать информацию с носителей различных форматов. Однако для широкого круга потребителей они не имеют непосредственного отношения, поскольку цены на приводы Blu-ray достигают 600$, а на гибридные приводы - 1200$. Столь крупные суммы отталкивают массового покупателя и заставляют его ожидать снижения цен и появления на прилавках широкого ассортимента DVD-приводов и носителей высокой чёткости.

Литература

1. Боухьюз Г., Браат Дж., Хейсер А. и др. Оптические дисковые системы. -- М.: Радио и связь, 1991.

2. Марк Л. Чемберс. Запись компакт-дисков и DVD для «чайников». -- 2-е изд. -- М.: Диалектика, 2005.

3. Э. Таненбаум. Современные операционные системы. -- 2-е изд. -- Питер.: Связь, 2006.

Размещено на Allbest.ru