Запись и тиражирование оптических дисков

Изготовление оптических дисков с записью музыки включает в себя 6 этапов: запись цифровой мастер-ленты, изготовление диска оригинала, запись на диск оригинал первичной фонограммы, изготовление мастер -диска, изготовление никелевой матрицы и тиражирование дисков.

Цифровая мастер-лента содержит готовую музыкальную программу с тайм-кодом. Необходимая информация пользователя (название и длительности всех составных частей альбома и др.) готовится на компьютере и вводится с него в канал записи, Мастер-лента готовится на студии звукозаписи режиссером с помощью многоканальных цифровых магнитофонов.

Диск-оригинал изготавливается из оптического стекла, диаметр его 220 мм, толщина 10 мм. Он тщательно полируется и контролируется на дефектность.На поверхность диска наносится слой фоторезиста толщиной 0, 11 мкм, чувствительный к синему цвету.

Запись первичной фонограммы производится с помощью прецизионного лазерного рекордера, функциональная схема которого приведена на рис. 9. Запись производится гелий-кадмиевым газовым лазером, у которого длина волны излучения 440 нм (синий цвет) и мощность около 15 мВт. Его излучение фокусируется микро объективом с в пятно диаметром немного меньше 1 мкм.

Такой объектив имеет глубину фокуса всего 0, 5 мкм, поэтому требуется эффективная автоматическая фокусировка (САР-Ф). Она осуществляется с помощью вспомогательного гелий-неонового газового лазера, полупрозрачного (п/п) зеркала и фотоприемника (ФП). Длина волны излучения этого лазера 632 нм (красный цвет) и мощность 5 мВт. Фоторезист нечувствителен к такому излучению. Зеркало разделяет падающий и отраженный световые пучки.

При записи осуществляется АМ излучения гелий-кадмиевого лазера с помощью акусто-оптического модулятора (АОП). На вход модулятора подается звуковая информация в канальном коде. Излучения обоих лазеров оптически суммируются и фокусируются одним объективом.

При записи диск-оригинал вращается, а оптическая головка с объективом перемещается по радиусу диска. Запись производится с постоянной линейной скоростью vt, частота вращения диска зависит от радиуса записи R

π R_з, об/мин.

Скорость радиальной подачи оптической головки определяется заданным шагом между дорожками так, чтобы за один оборот диска головка смещалась на 1, 6 мкм. Стабилизация линейной скорости записи и скорости радиальной подачи головки осуществляется с помощью прецизионной механики и систем автоматического регулирования САР-Л и САР -РП. Под действием мдулированного лазерного излучения засвечивается фоторезист. В нем происходят невидимые физико

химические изменения, как в обычной фотопленке. В

соответствии с временными интервалами канального кода в фоторезисте формируются невидимые питы. Далее следует этап проявления, при котором в засвеченных местах фоторезист вымывается, и образуются углу6ления, соответствующие питам. Затем диск покрывается тонкой пленкой серебра, чтобы сделать его отражающим. Такой диск с записью фонограммы называется мастер-диск. Качество его тщательно контролируется на специальных проигрывателях.

Мастер-диск используется для изготовления никелевой матрицы электролитическим способом. С помощью матрицы производится тиражирование оптических дисков из оптически прозрачного поликарбоната с коэффициентом преломления 1д Тиражирование может выполняться литьевым методом или методом прессования. После тиражирования на информационную поверхность каждого диска наносится отражающее покрытие из алюминия и защитное покрытие (рис. 6, б), на которое клеится этикетка.

Диаметр тиражированных дисков по стандарту может быть 120 и 80 мм, диаметр центрального отверстия 15 мм, толщина 1, 2 мм, масса около 14 г. Запись на них с одной стороныот центра к краю с вращением против часовой стрелки. Допускается: эксцентриситет диска не более 0, 4 мм, эксцентриситет записи не более 140 мкм и вертикальные биения не более ± 0, 5 мм.

Система «Компакт-Диск»

Эта система разработана совместно фирмами Philips и Sony в1982 году. К ней относятся диски СD-Audio (CD-DA)_; CD-R и CD-RW/

Постоянство линейной скорости воспроизведения vt обеспечивается путем изменения числа оборотов двигателя , вращающего компакт-диск. Оно должно меняться в соответствии с равенством π R_з, об/мин. в зависимости от радиуса воспроизведения R_B В проигрывателе число оборотов компакт диска меняется от 600 до 200 об/мин. В системе «Компакт-Диск» канальное кодирование осуществляется в групповом коде 8/14.

Высокая избыточность кода позволяет обнаруживать ошибки еще на стадии канального декодирования и вводить сразу стирания. Эти стирания могут быть исправлены уже в 1 ступени помехоустойчивого декодирования.

Между канальными символами вставляются 3 дополнительных канальных бита для того, чтобы на стыках этих символов значения Т_мин и Т_макс не превышали допустимых значений. Поэтому фактически код имеет избыточность 112%. Канальное кодирование производится по одной таблице из 256 разрешенных символов. Число возможных неразрешенных кодовых комбинаций равно 16128 (2 ¹⁴ - 256).

Для обнаружения и исправления ошибок в системе «Компакт-Диск» используется 2-х каскадный код PC в поле Галуа (2 ⁸) под названием CIRC (Cross Interlived Reed-Solomon Code - код Рида-Соломона с перемежением). Символы длиной 8 бит формируются путем разделения 16-ти разрядных выборок (слов) на младшие и старшие разряды. Блок формируется из 24 символов (12 левого и 12 правого каналов). Число элементов поля 256, они задаются порождающим полиномом:

G(X) = Х ⁸ + X ⁴ + Х ³ + Х² + 1, и примитивным элементом: а=Х (00000010).

Внешний код - код PC (28, 24) с внутриблочным перемежением слов сигналов левого и правого каналов стереопары. Кодирование выполняется с помощью проверочной матрицы Н1 размером 28x4.

Внутренний код - код PC (32, 28) с коротким межблочным перемежением с интервалом в 1 блок Кодирование осуществляется с помощью другой проверочной матрицы Н2 размером 32x4. Между ступенями кодирования осуществляется межблочное сверточное перемежение с интервалом 4 блока и глубиной 112 блоков. Общая избыточность кода 25%.

Перестановка слов осуществляема для увеличения числа интерполируемых слов при длинных выпадениях. Короткое межблочное перемежение позволяет исправлять пакеты ошибочных символов длиной 4 уже в 1 ступени декодирования. Сверточное перемежение позволяет исправлять выпадения сигнала длиной до 8 блоков и маскировать ошибки при выпадениях длиной до 51 блока.

Кодер представляет собой специализированный процессор, который по заданной программе производит вычисление в поле Галуа проверочных символов в двух ступенях. Перемежение осуществляется путем адресации символов через ОЗУ емкостью 16 Кбит. Для декодирования кода CIRC разработано множество стратегий, которые в той или иной степени реализуют потенциальные возможности кода. Обнаружение кодовых ошибок производится на уровне блоков, частота которых равна 7350 Гц. Осуществляется декодирование также с помощью специализированного процессора. В зависимости от стратегии декодирования по разному исправляются случайные ошибки и выпадения. Вероятность не обнаружения выпадений в коде CIRC равна 2 ^-19

Для всех стратегий декодирования декодер может исправлять ошибки при вероятности появления ошибочных символов (SER) на входе декодера меньше,

чем ^10-3. Это соответствует значению BLER = 0, 032.

Для перехода к частоте повторений ошибочных блоков необходимо эти цифры умножить на 7350. При этом максимально допустимая частота ошибочных блоков равна 235 бл/с.

Для супер стратегии декодирования при вероятности появления ошибочных символов на входе декодера W_s= 10 ^-3 вероятность появления ошибочного слова (WER) на выходе не превышает 10 ^-16 (появление 1 ошибки за 10000 лет). При этих же условиях для стратегии В ошибки на выходе декодера будут происходить через 40 мин, а для стратегии С -через минуту. Именно стратегиями декодирования и отличаются проигрыватели компакт дисков различной стоимости. Чем более эффективна стратегия декодирования, тем сложнее и процессор и выше его быстродействие.

Проигрыватели и рекордеры системы «Компакт Диск»

Исправляющие способности декодера реализуются лишь при условии, что при воспроизведении ошибка фокусировки не превышает 1...2 мкм; погрешность радиального положения считывающего пятна на дорожке не более 0, 1 мкм, и временная ошибка линейной скорости воспроизведения не более 20 нс. В проигрывателях и рекордерах трехмерное позиционирование сфокусированного пятна света обеспечивается с помощью 4 систем автоматического регулирования (САР). К ним относятся: САР фокусировки, САР радиального слежения за дорожкой, САР стабилизации скорости радиальной подачи оптической головки и САР стабилизации линейной скорости воспроизведения. Нарушение работы любой из этих САР приводит к возникновению длинных пакетов ошибок и выпадений сигнала, исправить которые декодер не может. В настоящее время используются только цифровые САР и большинство фирм-изготовителей имеют для них собственные технические решения. Все проигрыватели и рекордеры включают в себя следующие оптико-механические узлы: оптическая головка, актюатор оптической головки, узел радиальной подачи оптической головки и узел вращения компакт-диска. Оптическая головка включает в себя полупроводниковый лазер, объектив, фотоприемник, датчики ошибок фокусировки и радиального слежения за дорожкой. Масса такой головки от 0, 9 до 2, 5 г. Актюатор - это исполнительный механизм САР, перемещающий оптическую головку в вертикальном и радиальном направлениях.

Важной отличительной особенностью современных проигрывателей является использование при цифроаналоговом преобразовании передискретизации и дельта-сигма модуляции (AS). Целью этого преобразования является повышения отношения сигнал-шум свыше 98 дБ, обеспечиваемого 16-ти разрядным кодированием.

При передискретизации с помощью цифрового фильтра (ЦФП) (рис. 10) частота дискретизации повышается в i раз, но общая мощность шума квантования Р_шк остается неизменной, соответствующей 16-ти разрядным кодовым словам.

Рис. 31 Функциональная схема ЦАПа с передискретизацией и Д2 модуляцией

При этом ширина спектра шума квантования увеличивается также в i раз, а его спектральная плотность мощности S(P_шк) уменьшается во столько же раз (график 2 на рис. 32). Поэтому в соответствии с формулой

S/N = 6 q + 1, 8 + 10 log (i/д / 2 f _ФНЧ), дБ (50)

отношение сигнал-шум (S/N) увеличивается на 3 дБ при каждом удвое­нии частоты дискретизации (/^нч - частота среза ФНЧ на выходе ЦАП). При дельта-сигма модуляции уменьшается число используемых разрядов, вплоть до одного, и с помощью реквантизатора производится округление ошибок квантования так, чтобы происходило изменение оги­бающей спектральной плотности мощности с подъемом в области высо­ких и спадом в области низких частот (график 3 на рис. 11). Такое изменение огибающей спектра мощности шума осуществляется с помощью интеграторов модулятора, которые часто называют формирователями огибающей спектра шума («Noise Shaping»). Они бывают 1, 2, 3 и более высоких порядков и. Благодаря этим формирователям при каждом удвоении частоты дискретизации отношение S/N повышается соответственно на 6 дБ (6, 12, 18 дБ и т.д.).

Отношение S/N с использованием дельта-Е модуляции определяется равенством

S/N=6q* + 1, 8+ l0log (f * _д /2 F_{ф нч}) - 10 log [ 2 (1- sinv / v)] °, дБ, где q* - число разрядов после округления, и - порядок интегратора, v = 2я///*д /*_д = г/д, F ф_нч - частота среза фильтра низких частот, равная 20... 100 кГц, /- текущее значение частоты.

При дельта-Е-модуляции производится канальная модуляция, при которой последовательность двоичных данных преобразуется в последовательность импульсов с цифровой модуляцией: PDM - Pulse Density Modulation (модуляция импульсов по плотности), PWM - Pulse Width Modulation (модуляция импульсов по ширине) или PLM - Pulse Length Modulation (модуляция импульсов по длине).

ЦАП обеспечивают отношение сигнал-шум до 115... 120 дБ, поэтому изготовители проигрывателей указывают в технических характеристиках эквивалентное число разрядов 18...20, иногда приводится и значение коэффициента передискретизации.

Проигрыватели компакт-дисков разделяются на бытовые и профессиональные. Последние отличаются высоким качеством исполнения механических узлов для обеспечения длительной эксплуатации. У них расширенные функциональные возможности, часто имеется магазин емкостью от 5 до 100 дисков. Обязательно наличие цифровых выходов: коаксиального и волоконно-оптического. Многие проигрыватели рассчитаны на воспроизведение всех дисков системы «Компакт-Диск»: CD-Audio, CD-R и CD-RW. Лучшие модели профессиональных проигрывателей выпускают фирмы Denon (модель DCD - 1650 AR) и Marantz. Модель этой фирмы PMD320 предназначена для работы на студиях радиовещания. У нее полоса 5...20000 Гц, отношение сигнал-шум составляет 104 дБ, динамический диапазон равен 96 дБ.

Рекордер компакт-дисков предназначен для записи звука на специально изготовленных путем тиражирования оптических дисках. При изготовлении матрицы записывается «немая» спиральная дорожка глубиной 0, 11 мкм, шириной 0, 5 мкм и шагом 1, 6 мкм. Вся поверхность диска при тиражировании покрывается отражающим покрытием из золота или серебра для обеспечения длительного хранения фонограммы.

У дисков CD -R спиральная дорожка полностью заполняется органическим фталоцианиновым красителем, которые чувствительны к инфракрасному излучению лазера. При записи используются лазеры мощностью от 4 до 18 мВт, которые под действием нагрева разрушают краситель и таким образом образуются питы. Мощность лазера зависит от скорости записи, которая может быть в 2, 4, 6, 8 раз выше стандартной.

Лучшие диски CD-R в настоящее время выпускает английская фирма ННВ. Ее диски CDR74 GOLD и CDR74 SILVER имеют емкость 680 Мбайт, обеспечивают время записи звука 74 мин и длительность хранения - более 100 лет. Диск CDR80 SILVER второго поколения имеет меньший шаг дорожки, поэтому его емкость 800 Мбайт. Он обеспечивает время записи звука 79 мин и длительность хранения более 200 лет.

При изготовлении дисков CD-RW спиральная канавка заполняется неорганическим веществом, способным под действием лазерного излучения переходить из аморфного состояния в кристаллическое и обратно. Такие диски также выпускает фирма ННВ. Ее новая модель CDRW80 имеет емкость 700 Мбайт, обеспечивающее время записи 80 мин, запись можно производить с 8-кратной скоростью. Материал носителя позволяет производить более 1000 циклов запись-стирание.

Большинство выпускаемых в настоящее время рекордеров позволяют производить запись и воспроизведение дисков CD-R и CD-RW. Лучшие профессиональные рекордеры выпускают фирмы ННВ и Marantz. К ним относятся модели CDR850 и DR-17. Все рекордеры работают только совместно с компьютером или звуковой станцией и необходимым программным обеспечением.

Система Super Audio CD (SACD)

С целью дальнейшего развития системы «Компакт-Диск» фирмы Philips и Sony предложили новую систему оптических звуковых дисков SACD, которая полностью совместима со старой системой. Это связано с тем, что у населения имеется на руках свыше 10 миллиардов компакт-дисков. Поэтому диск системы SACD имеет те же размеры и зону записи, что и CD, но только он двухслойный. На одном слое запись музыки в стандарте CD, а на втором - в стандарте SACD. В проигрывателе используются два лазера: один лазер сфокусирован на один слой, а второй - на другой, слои разделены полупрозрачным покрытием.

Емкость диска SACD увеличилась в 6 раз за счет уменьшения длины волны излучения лазера и увеличения апертуры объектива. Благодаря этому диаметр считывающего пятна света уменьшился до 1 мкм. Это, в свою очередь, позволило уменьшить размеры питав, интервалов между ними и шаг дорожки. Время записи в обоих стандартах равно 74 мин, поэтому линейная скорость записи в системе SACD почти вдвое больше и это позволяет записывать более высокие частоты.

Новая система предназначена для записи и воспроизведения звуковых сигналов формата 5.1 (Dolby AC-3). Так как у многих потребителей еще часто нет такой аппаратуры, то предусмотрено преобразование этого формата в формат Dolby-Surround, который имеет лишь два канала записи и передачи звуковой информации.

Главное отличие системы SACD в построении цифрового тракта. В этой системе в качестве аналого-цифрового преобразователя используется одноразрядный Д1-модулятор с частотой дискретизации 2, 8224 Мгц, которая в 64 раза выше частоты дискретизации в системе CD. В нем отношение сигнал-шум увеличивается на 30 дБ при каждом удвоении частоты дискретизации.

Выходной сигнал такого преобразователя имеет вид модуляции частоты дискретизации по плотности, при которой информация об амплитуде и частоте звукового сигнала передается в частоте следования логических 1 и 0. Нулевому значению звукового сигнала соответствует последовательность 01010101..... Максимальное положительное значение кодируемого сигнала -111111111......, а максимальное отрицательное значение - 00000000.....Такой модулированный сигнал можно непосредственно записывать на оптический диск. Звуковой сигнал из него можно выделить с помощью простейшего ФНЧ 3-его порядка. Такая организация цифрового потока без выборок, символов и блоков получила название Direct Stream Digital (DSD - непрерывный цифровой поток).

При необходимости этот непрерывный цифровой поток может быть преобразован в последовательность 16-ти разрядных выборок с разрешением в 24 разряда. Такая технология называется SBM Direct (Super Bit Mapping Direct - прямое супер отображение бит) и она используется в современной системе CD, поэтому качество звучания компакт-дисков стало значительно лучше.

Для защит от ошибок в системе SACD используются нестандартные коды, но основанные на блоковой организации данных, это коды с предсказанием и энтропийным кодированием с избыточностью 50%. Такая высокая избыточность возможна благодаря очень высокой емкости диска в системе SACD.

Проигрыватели этой системы пока выпускает только фирма Sony, причем число моделей невелико. К лучшей и наиболее дорогой модели относится проигрыватель SCD-1.