Компакт-диски носители цифровой информации

В самом начале восьмидесятых годов были разработаны и за­пущены в массовое производство принципиально новые оптические устройства хранения постоянной цифровой информации, получив­шие название компакт-диски (КД). Их появление стало возможным благодаря успехам сразу в не­скольких областях техники: инфор­матике, микроэлектронике, лазер­ной технике, оптоэлектронике, точ­ной механике и микропроцессор­ной технике. Основной вклад в раз­работку и создание этих устройств внесли фирмы «SONY» (Япония) и «PHILIPS» (Нидерланды), объ­единившие свои усилия в много­летней научно-исследовательской работе.

Исключительно важным фактором нового способа записи информации явилась его универсальность, т. е. возможность хранения на дисках информации любого вида — звуко­вой, текстовой, графической, видео (подвижные и неподвижные изобра­жения).

Первые оптические информаци­онные диски были, естественно, выпущены с музыкальными запися­ми. Они существенно улучшили каче­ство звучания фонограмм, так как позволили резко повысить все основ­ные их параметры по сравнению с грампластинкой (см. таблицу). Этим и объясняется то, с какой быстротой аппаратура с КД завоева­ла признание у любителей HI-FI. К концу 1987 г. в мире было выпущено уже около 30 миллионов лазерных проигрывателей и более 450 миллионов компакт-дисков с му­зыкальными произведениями. Мас­совый выпуск подобной аппаратуры стал возможным, когда появились недорогие и надежные маломощные полупроводниковые лазеры, а также недорогие БИС, позволяющие обра­батывать цифровой сигнал.

Поскольку на оптическом диске информация хранится в цифровой форме, технология записи при его изготовлении имеет свои особенно­сти. Сигнал, поступающий от микро­фона,— аналоговый. Аналого-циф­ровой преобразователь переводит его в цифровую (двоичную) форму. Согласно теореме Котельникова, при преобразовании аналогового сигнала в цифровой вид содержащаяся в нем информация практически не искажа­ется, если частота его квантования не менее чем в два раза превышает частоту самой высокочастотной со­ставляющей этого сигнала. Так, если мы хотим достоверно передать звуко­вой сигнал, спектр которого прости­рается до 20 кГц, то частота его квантования должна быть не менее 40 кГц. На практике она обычно берется еще более высокой. Так, для звуковых КД она была выбрана 44,1 кГц.

Каждая выборка (мгновенное зна­чение амплитуды сложного сигнала, соответствующее моменту стробиро-вания) переводится в двоичный код с помощью какого-либо метода пре­образования. Важной характеристи­кой цифрового преобразования явля­ется разрядность двоичного слова (логически завершенного блока би­тов) . Чем выше эта разрядность, тем выше качество преобразования. Од­нако здесь приходится себя ограни­чивать, поскольку «плата» за его повышение будет дорогой: либо надо увеличивать тактовую частоту потока битов, либо каждое слово на носите­ле информации будет занимать боль­ше места.

В процессе записи на стандартный КД слово имеет 16 двоичных разря­дов. Однако, если записывать сигнал именно в таком виде, то при воспро­изведении он будет сильно отличать­ся от записанного. Это произойдет из-за внутренних и внешних шумов и помех, которые внесут искажения. Поэтому после преобразования ана­логового сигнала в цифровой вид он проходит специальную обработку для повышения помехозащищенно­сти. Для этого используется метод специального кодирования цифрово­го сигнала с введением избыточной информации.

Что он дает? Для количественной оценки качества записи цифровой информации принят коэффициент битовой ошибки (отношение ложных бит к правильно считанным). Без коррекции он будет порядка 10 * и совершенно неприемлем для воспро­изведения звука, не говоря уже о текстовой или цифровой информа­ции. С помощью помехоустойчивого преобразования удается довести этот коэффициент до 10~~9 — величины, которая позволяет реализовать вы­сокое качество звука. Таким обра­зом, на КД исходная аналоговая информация записывается уже в преобразованном и обработанном виде. При воспроизведении она вос­станавливается с помощью блока цифроаналогового преобразовате­ля. Полученный при этом анало­говый сигнал пропускается через специальные фильтры, на выходе которых он уже практически ничем не отличается от исходного.

Записывается на КД цифровая последовательность (полезный сиг­нал и добавочная информация для повышения помехозащищенности) в виде микроскопических углубле­ний — пит*. При этом цифровой сигнал, модулирующий луч лазера, формируется из исходной последова­тельности битов таким, чтобы пере­ход от ровного места к углублению и обратно осуществлялся только тогда, когда в цифровой последова­тельности встречается информаци­онная единица. Этот метод известен в цифровой записи под названием метода «невозвращения к нулю» (рис. 1).

 

Технические данные	Грампластинка	Компакт-диск
Динамический диапазон, дБ	55	Более 90
Соотношение     сигнал/шум,
ДБ	60	Более 90
Нелинейные искажения, %	0,2	0,005 и менее
Разделение каналов, дБ	25	Более 90
Длительность звучания, мин	50	70
Количество проигрываний	100	Не ограничено
Полоса частот, Гц	20—18000	5—20 000
Влияние пыли длинных царапин, статических зарядов	Приводит к щелчкам  и перескокам иглы	До       определенного   предела не оказывает никакого влияния
Детонация	3-ю-4	Лучше 10~~5
Размеры, мм	300X2,3	120X1,2
Масса, г	150	15

Рис. 2.

Расположение Питов и спиральных дорожек на компакт-диске

Пит (pit — англ.) — ямка, уг­лубление.

Сам процесс записи (образования питов) происходит следующим обра­зом. Выходной сигнал (на рис. 1 — выходная последовательность) моду­лирует луч лазера, который засвечи­вает фоторезист, нанесенный на поверхность стеклянного «мастер-диска», который вращается под лу­чом лазера. На его поверхности образуется спиральная дорожка за­свеченного слоя фоторезиста. Эти участки фоторезиста удаляются и об­разуются питы. Они и несут всю информацию о записанном сигнале. Затем начинается процесс изготовле­ния матрицы. Для этого на по­верхность «мастер-диска» наносится сверхтонкий (порядка 50 ангст­рем — 5 нм) слой серебра. На нем методом гальванопластики наращи­вается никелевая матрица толщиной около 0,15 мм. В принципе, с ее помощью уже можно тиражировать КД, однако по технологическим соображениям сначала с нее анало­гичным способом снимают рабочие матрицы, с которых методом литья под давлением изготавливают КД из оптического поликарбоната.

Рис. 1. Метод цифровой записи «невозвращения к нулю»

Поверхность КД, несущая инфор­мацию, покрывается тонким зеркаль­ным слоем (50. ..100 нм) алюминия, который затем покрывается защит­ным слоем специального прозрачного лака, на который наносится этикетка.

Питы на диске расположены на спиральной дорожке. Размеры питов и расстояния между соседними вит­ками спирали показаны на рис. 2.

Так как питы микроскопического размера, то к чистоте производ­ственных помещений, воздуху, воде, материалам предъявляют весьма вы­сокие требования. Все процессы изготовления матрицы осуществля­ются, в так называемой «чистой комнате», имеющей класс чистоты 100 (что соответствует наличию в одном куб. футе (0,027 куб. м) не более 100 частиц пыли диаметром 0,5 мкм). Особые требования предъ­являются к чистоте металлов и хими­калий.

Записанная на компакт-диске ин­формация бесконтактно считывается оптико-механическим лазерным бло­ком (головкой) — рис. 3.

Рис. 3.

Схема оптико-механического лазерного блока

Это — сложная и высокоточная оптико-механическая система. Кро­ме основной функции считывания информации, она фокусирует луч на отражательной поверхности и удер­живает его на той дорожке, с которой ведется считывание.

Сердцем системы является мало­мощный лазер. Его луч проходит через дифракционную пластину (на рисунке не показана), что приводит к появлению (в дополнение к основ­ному лучу) двух боковых меньшей интенсивности. Они необходимы для работыавтоматической системы радиального отслеживания до­рожки.

Далее луч проходит через колли­матор, который формирует парал­лельный поток света, что облегчает в дальнейшем его точную фокуси­ровку. Затем луч проходит через разделительную призму. Ее функ­ция — пропустить поляризован­ный луч лазера к КД, а за­тем, после его отражения от по­верхности диска, направить на фо­тодиоды. Так как диаметр пят­на луча лазера больше диаметра пита, то луч лазера частично отражается от дна пита, частично от прилегающей к нему поверхности диска. Глубина пита (порядка 0,12 мкм) выбрана равной четверти длины волны ла­зерного луча. Поэтому световые сигналы, отраженные от дна пита и от соседних областей, сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180°. Это вызывает гасящую интер­ференцию между двумя составляю­щими отраженного луча, что в ре­зультате приводит к модуляции по интенсивности отраженного луча. Модулированный световой сигнал с помощью оптической системы и считывающих фотодиодов преобра­зуется в электрический сигнал.

Фокусировка луча лазера на отра­жательной поверхности диска осуще­ствляется с помощью объектива. Пятно луча лазера фокусируется на отражательной поверхности диска в точку диаметром около 1,7 мкм. На поверхности диска пятно имеет отно­сительно больший диаметр (около 0,7 мм), поэтому мелкие пылинки практически не влияют на считыва­ние информации.

Диапазон фокусировки оптичес­кой системы — всего несколько мкм. Поэтому осевые (вертикальные) пе­ремещения диска при его вращении без принятия соответствующих мер будут давать значительные ошибки. Опыт показывает, что такие переме­щения при проигрывании могут до­стигать 500 мкм и даже более. Вот почему в оптико-механическом блоке применяется сервосистема автомати­ческой коррекции фокусировки, сле­дящая за точной фокусировкой луча лазера на отражательной поверхно­сти.

В проигрывателе применяется так­же вторая сервосистема, которая удерживает луч лазера над считывае­мой дорожкой независимо от ради­ального перемещения дорожки вследствие эксцентриситета вала ди­сковода и неточности изготовления диска. Представление о точности работы этой системы могут дать следующие цифры: радиальные пе­ремещения дорожки при проигрыва­нии диска достигают 70 мкм при ширине пита 0,6 мкм и расстоянии между соседними витками спираль­ной дорожки, 1,6 мкм.

В отличие от проигрывателя обыч­ных грампластинок, где имеется постоянная угловая скорость враще­ния пластинки (33 1/3 оборота в минуту), проигрыватель КД имеет переменную угловую скорость вра­щения. Характер ее изменения вы­бран таким, чтобы иметь выходной сигнал (биты информации) с посто­янной тактовой частотой. Это обес­печивает третья сервосистема. Сле­дует отметить, что в отличие от грампластинки, КД начинает считы­ваться не с внешнего, а с внутреннего края диска. Первоначально диск имеет скорость вращения около 500 оборотов _в минуту, к концу воспроизведения эта скорость падает до 200 оборотов в минуту.

Важной частью системы считыва­ния цифровой информации является устройство обнаружения и исправле­ния ошибок. Они могут вызываться различными причинами (пыль, цара­пины, отпечатки пальцев, пузырьки или загрязнения в прозрачном веще­стве диска, неточности в отслежива­нии дорожки или в фокусировке и другие). Но независимо от причины их возникновения все ошибки дол­жны быть обнаружены и исправлены. Для этого в основной цифровой сигнал вводится дополнительная ин­формация (специальные битовые группы контроля). Более того, чтобы скорректировать так называемые блочные ошибки, возникающие, ска­жем, из-за царапины на поверхности диска, используется способ записи информации не подряд, а с так называемым «перемежением». В та­ких случаях отдельные биты слова пишутся не один за другим, а предва­рительно поступают в память, а по­том извлекаются из памяти по определенному закону для записи на диск. Таким образом, биты слова как бы разбрасываются по относительно большому пространству на дорожке. Поэтому даже «длинная» помеха не может полностью исказить информа­ционное слово, которое потом вос­станавливается при воспроизведении информации с помощью алгоритма, обратного «перемежению». Задержка из-за такой обработки сигнала при воспроизведении относительно мала, и в звукозаписи ею можно прене­бречь. Из большого числа кодов, исправляющих ошибки, в КД приме­няются блочные коды Рида-Соломо­на, которые обладают хорошей кор­ректирующей способностью при вы­сокой экономичности (небольшой избыточности).

Запоминающие устройства на оп­тических дисках по сравнению с дру­гими видами и способами хранения информации обладают заметными преимуществами. Именно поэтому из года в год расширяются области их применения.

Г. ФРОЛОВ,

ведущий специалист ВТПО «Фирма Мелодия»

РАДИО № 3, 1991 г.