Системаоптической записи «компакт-диск»
1. Записывающее устройство
Структурная схемазаписывающего устройства представлена на рис. 1. Система «Компакт-диск»- стереофоническая. Сигналы левого и правого каналов пропускают через фильтрынижних частот, частота среза которых 20 кГц, и подают на устройствавыборки-хранения. Частота дискретизации 44.1 кГц. С устройства выборки-хранениясигналы поступают на 16-разрядные АЦП. На выходе АЦП получаются двепоследовательности двоичных 16-разрядных чисел с частотой следования 44.1 кГц.
/>
1 – ФНЧ; 2 – АЦП;
3 – Мультиплексор;
4 – Блок защиты отошибок; 5 – Модулятор;
6 — Блок формированияслужебной информации;
7 – Записывающий узел; 9 – Генератор тактовой частоты.
Рисунок 1
Обе последовательностипоступают на входы мультиплексора, который объединяет их в однупоследовательность, но с удвоенной частотой следования (88.2 кГц). Кроме того,последовательность делится на кадры – блоки, содержащие 6 отсчетов левого и 6отсчетов правого каналов. Частота следования кадров равна 88.2/12 = 7.35 кГц.Наконец, 16-разрядные числа делятся на два 8-разрядных числа (байта). Частотаследования байтов 88.2 * 2 = 176.4 кГц. Каждый кадр содержит 24 байта. Эти преобразования иллюстрируютсярисунком 2 а, б, в. В таком виде последовательность поступает на блок защиты отошибок. Ошибки могут возникать из-за дефектовдорожки записи (царапины и т.п.). Повреждения могут быть короткие (поврежденодин символ) и охватывающие несколько символов (и, даже, кадров). Короткиеповреждения обнаруживаются и исправляются кодами. Чтобы код мог обнаружить иисправить цепочку поврежденных символов, их нужно разбросать и вставить междунеповрежденными символами. Эта идея использована при построении блока защиты отошибок. Схема обработки последовательности чисел в блоке показана на рис. 3, аполная схема перестановок и обработки – на рис. 4. Сначала производится 1 перемежение (перестановка) символов(байтов). Цифра в овале на рис. 4 означаетзадержку на 2 кадра. Затем производится обнаружение и исправление ошибок первымкодером С2. Используется код Рида-Соломона с образующим многочленом />. Код вычисляет и добавляетчетыре поверочных символа. Таким образом, в кадре теперь содержится 28символов. Код может обнаружить до 4 ошибок или исправить до 2 символов. Затемследует 2 перемежение.
/>
Рисунок 2
/>
Рисунок 3
/>
Рисунок 4
Буква D в овалахобозначает задержку на 4 кадра. Далее производится обработка вторым кодером С1,который добавляет ещё 4 поверочных символа. Теперь кадр содержит 32 символа.Наконец, следует ещё одно перемежение. Эта система защиты от ошибокобеспечивает вероятность появления ошибки на выходе системы ~ 10-17,при вероятности ошибки на дорожке записи 10-3 (диск плохогокачества). После блока защиты в кадр добавляютещё один символ (байт) служебной информации. Теперь кадр содержит 33 символа впараллельном коде (см. рис. 2 д). Записать такую последовательность на однудорожку нельзя. Поэтому переходят к последовательному (канальному) коду. В системе «Компакт-диск» использован канальный код EFM (eight to fourteen modulation) или код 8 –14. Каждому байтусоответствует 14-разрядный символ (см. табл. 1). Между двумя 14-разряднымисимволами вставляют 3 соединительных разряда. Эти разряды заполняют так, чтобымежду единицами соседних символов было не меньше двух и не больше десяти нулей.Ограничение длины последовательности одного уровня создаёт возможностьсамосинхронизации. Теперь символ кода становится 17-разрядным.
Таблица 1 Фрагмент таблицыпреобразований 8-14
/>
Общее число бит в кадре33 * 17 = 561. К ним добавляется 27 бит синхронизации, так что число бит вкадре 588. Частота следования 4.3218 МГц. Полученная последовательностьуправляет лучем лазера записывающего узла. Работа всех узлов рекордерасинхронизируется генератором тактовой частоты.
Структурная схемазаписывающего узла приведена на рис. 5.
/>
Рисунок 5
Запись осуществляется надиск, выполненный из полированного стекла, на который нанесен слой фоторезистатолщиной 0.1 ÷ 0.13 мкм. В процессе записи модулированный луч лазеразасвечивает фоторезист. После записи фоторезистивный слой проявляют. Засвеченныеучастки растворяются, образуя углубления (питы). Поверхность проявленного дискапокрывают тонким слоем серебра. Затем методами гальванопластики формируютцельнометаллический оригинал. Рельеф оригинала переносят на промежуточныекопии, а с копий – на матрицы. Тиражирование дисков осуществляется одним изтрех способов: методом горячего прессования, литьем под давлением или способомфотополимеризации.
2. Компакт-диск
Конструкция и размерыкомпакт-диска определены стандартом и не могут быть изменены. Диск изготовлениз поликарбоната – пластмассы, устойчивой к короблению, не изменяющей размерыпри изменении температуры. Конструкция и размеры диска показаны на рис. 6. Информационныйслой диска покрыт слоем алюминия толщиной 0.1 мкм и защищен слоем прочной пластмассыи этикеткой. Считывание информации происходит с другой стороны сквозь толщупрозрачной пластмассы.
/>/>/>
Рисунок 6
3. Проигрыватель компакт-дисков
Структурная схемапроигрывателя компакт-дисков изображена на рис. 7.
/>
Рисунок 7
Считывание информации скомпакт-диска осуществляется оптической головкой. Упрощенная схема оптическойголовки показана на рис 8.
/>
Рисунок 8
Источником излученияявляется полупроводниковый лазер, созданный на основе аренида галлия. Длинаволны, излучаемой лазером 0.78 мкм, мощность 0.25 ÷ 0.9 мВт.
Излучаемая мощностьконтролируется фотодиодом и поддерживается на постоянном уровне. Вариант схемырегулирования приведен на рис. 9.
/>
LD – лазер; MD – фотодиод; Q103 –усилитель; Q104 – транзистор, регулирующий токлазера.
Рисунок 9
/>
Рисунок 10
Излучение лазерапропускается через диффракционную решетку. Решетка формирует главный луч ибоковые лучи (см. рис. 10), которые необходимы для работы системы автотрекинга.Далее через конденсорную линзу излучение попадает наполяризационно-расщепляющую призму. На выходе призмы луч приобретает линейную(параллельную) поляризацию.
Часть энергии отводитсяна фотодиод, контролирующий мощность излучения. Основная часть энергиичерез анизотропную пластинку толщиной λ/4 и объектив попадает на поверхностькомпакт- диска. Анизотропная пластина изменяет положение плоскости поляризациина 450.
Луч, отраженный отповерхности компакт-диска, через объектив снова попадает на пластинку и сноваизменяет положение плоскости поляризации на 450. Таким образом,отраженный луч изменил ориентацию плоскости поляризации на 900итеперь нормально поляризован. Призма отводит отраженный луч вправо – черезцилиндрическую линзу на фотоприёмник.
Фотоприёмник представляетсобой матрицу из четырех основных фотодиодов (А, В, С, D) и двух фотодиодов (E,F) – датчиков системы автотрекинга (см. рис. 11).
/>
Рисунок 11
В зависимости отположения диска цилиндрическая линза создаёт на основной матрице световое пятнокруглой формы, если фокусировка – правильная, и эллиптической формы, если дискне в фокусе. Причем положение большой оси эллипса зависит от знака отклонения.Это позволяет сформировать информационный сигнал (А+В+С+D) и сигнал ошибкифокусировки ((А+С)-(В+D)). Сигнал ошибки фокусировки усиливается и поступает вкатушку, управляющую положением объектива, т.е.обеспечивается автоматическаяфокусировка луча. Излучение боковых лепестков создаёт на поверхности диска двапятна, которые при правильном положении основного луча располагаются справа ислева от дорожки. Свет, отраженный от этих пятен, принимается фотодиодами Е иF. Сигналы этих фотодиодов формируют сигнал ошибки трекинга Е – F,восстанавливающий правильное положение основного луча на дорожке записи. Информационныйсигнал, снятый с фотоприёмника, не может быть декодирован, т.к. имеет формуимпульсов далекую от прямоугольной (см. рис. 12).
/>
Рисунок 12
Поэтому cигнал нуждается в формировании. Сигалподают на компаратор, который формирует последовательность импульсовпрямоугольной формы. Однако, длительность импульсов в этой последовательностиможет быть не кратной периоду тактовой частоты 4.3218 МГц.
/>
а)
/>
б)
Рисунок 13
Чтобы правильнодекодировать информационный сигнал, необходимо сделать длительность импульсовкратной периоду тактовой частоты. Эта задача решается путем фазовойавтоподстройки частоты. Структурная схема устройства показана на рис. 13 а, авременные диаграммы – на рис. 13 б.
Формирование сигналаошибки осуществляется фазовым детектором ФД, на один из входов которогоподаётся напряжение, вырабатываемое генератором тактовой частоты, управляемымнапряжением. На второй вход поступает последовательность импульсов ФИ,сформированных по фронтам информационного EFM сигнала. Фазовый детекторвырабатывает управляющее напряжение, пропорциональное величине и знаку ошибкиφ.
Это напряжение изменяет частотугенератора ГУН так, чтобы длительность информационных импульсов стала кратнойтактовой частоте. Для устранения искажений фронтов информационных импульсов онидополнительно формируются D-триггером. Сформированный сигнал поступает надемодулятор.
Для правильного декодированияинформационной последовательности необходимо знать, где начинается кадринформации. Распознавание начала кадра производится по кадровому синхроимпульсув устройстве цикловой синхронизации (см. рис. 13).
/>
Рисунок 13
В опознавателесинхрогруппы поступающая последовательность сравнивается с хранящейся в памятиопознавателя копией синхроимпульса. При обнаружении совпадения фиксируетсяначало кадра и производится проверка правильности определения начала кадра. Дляэтого от найденного начала отсчитывается 588 бит (число бит в кадре) ипроверяется наличие синхоимпульса. Если синхроимпульс обнаружен снова, тоначало кадра определено правильно и блок защиты от ложного фазированияпривязывает к этому моменту последовательность кадровых синхроимпульсов.
Аналогично определяетсяначало субкадра служебной информации.
После определения началакадра информационная последовательность импульсов поступает на демодулятор кода8/14, где преобразуется в 8-разрядный параллельный код и записывается в ОЗУ.Процесс записи информации в ОЗУ и считывание информации из ОЗУ происходитнепрерывно. Но запись может производиться с изменяющейся скоростью, асчитывание информации происходит с тактовой частотой, стабилизированнойкварцем. Это позволяет снизить требования к двигателю, врвщвающему компакт-диски практически полностью исключить детонацию.
Информация, считанная изОЗУ, поступает в блок исправления ошибок. В этом блоке происходятпреобразования, подобные тем, которые производились в блоке защиты от ошибокпри записи, но в обратном порядке. После обнаружения и исправления ошибокдекодерами Рида-Соломона поток информации разделяется демультиплексором на дваканала.
В каждом канале сигналыпоступают на цифро-аналоговые преобразователи и фильтры нижних частот.Полученные таким образом сигналы правого и левого каналов усиливаются иподаются в громкоговорители.
4. Диск формата DVD
В конце 1994 года фирмы PHILIPS/SONY сообщили о разработке более совершенного носителяинформации. К началу 1997 года производители электронной аппаратуры пришли кединому мнению относительно параметров этого носителя, который получил названиеDiginal Versatile Disc – DVD. Чтопредставляет собой DVD-диск? Диаметри толщина диска сохранились такими-же как у компакт- диска, 120 мм и 1.2 мм (выпускают диски и диаметром 80 мм). Однако, число информационных слоев может быть отодного до четырех: однослойный односторонний (SSSL), двухсторонний однослойный (DSSL), односторонний двухслойный (SSDL) и двухсторонний двухслойный (DSDL). Толщина информационного слояуменьшена до 0.05 мкм (у CD –0.1 мкм). Расстояние между информационными слоями – 0.4 мкм. Переход с одногоинформационного слоя на другой осуществляется изменением фокусировки объектива.Эти особенности диска иллюстрируются рис. 14.
/>
1 – одностороннийоднослойный; 2 – односторонний двухслойный;
2 – двухстороннийоднослойный; 4 – двухсторонний двухслойный.
Рисунок 14
Информационная ёмкостьслоя увеличена до ~ 5 Гбайт за счет укорочения длины волны лазерного излучения(λ = 0.635 мкм). При этом получена ширина пита 0.15 мкм, шаг спирали 0.725мкм. Кроме того информация сжимается при записи по стандарту МРЕG-2. При записи изображения достигнуторазрешение по горизонтали ~ 480 строк. DVD – диски имеют региональный код: 1 –США и Канада; 2 –Европа и япония; 3 – Ю-В Азия; 4 – Южная Америка и Австралия; 5 – Китай; 6 –Африка и Россия (см. рис. 15).
/>
Рисунок 15
Структура проигрывателя DVD в основных чертах похожа наструктуру проигрывателя компакт-дисков. Однако, сжатие информации при записитребует включение в схему соответствующих декодеров (см. рис.16).
/>
Рисунок 16