Лекция 13 icon

Лекция 13



Смотрите также:
Вводный семинар, вводная лекция, занятия по целе-полаганию, лекция-беседа...
Лекция 20. 03. 12. Модели для исследования и оценки в pr лекция 27. 03. 12...
Лекция Фьючерсные контракты Лекция Фьючерсы на акции...
Курс лекций Лекция Введение в земледелие. Лекция Научные основы земледелия...
Лекция Историография как научная дисциплина Лекция Исторические знания в Древней Руси...
Лекция Сионизм в оценке Торы Лекция Государство Израиль испытание на прочность...
Лекция Введение в социологию 6 Лекция Становление и основные этапы развития социологии. 20...
План лекционных занятий Лекция Развитие аудиальных средств информации. Лекция 2...
Курс лекций Москва 2008 Содержание Лекция Введение 4 Лекция Научные знания в средневековой Руси...
Лекция Историография как научная дисциплина Лекция Исторические знания в Древней Руси...
Лекция №2 от 25. 09. 2008г. Упанишады...
Лекция Введение в бд и субд. Модели данных 2 Лекция Инфологическая модель «Сущность-связь»...



скачать
Лекция 13.

Кодирование информации при записи на компакт-диск. Конструкция устройств записи-чтения компакт-дисков. Технология записи данных на магнитооптические диски.


Перед тем как поступить на записывающее устройство, последователь­ность сформированных информационных кадров подвергается помехоустойчивому кодированию кодами Рида-Соломо­на (Cross Interleave Reed Solomon Code - CIRSC), а затем кодированию канальным кодом EFM (Eight to Fourteen Modulation). Например, на рис. 1 показана структурная схема канала записи в системе CD-аудио.



Рис. 1. ^ Функциональная схема канала записи в системе CD-audio.

Сейчас следует сделать отступление от темы формирования кадра и сказать не­сколько слов о причинах, вызывающих необходимость кодирования дан­ных перед записью на оптический носитель. При аналоговом способе записи нико­гда не удается избавиться от дефектов носителя информации, которые приводят к искажению формы сигнала. При воспроизведении такие искажения, вызванные дефектами поверхностей винилового диска или магнитной ленты, уже не удается откорректировать, в результате чего приходится расплачиваться качеством записанной информации, например, звука. О воспроизведении звука в цифровых форматах вообще не могло быть и речи, если бы в канале записи не были приняты специальные меры по защите от подобных дефек­тов, поэтому в процессе записи и произ­водится помехоустойчивое кодирование цифрового сигнала.

Помехоустойчивые коды являются одним из наиболее эффективных средств обеспечения высокой верности передачи цифровых данных. Такое кодирование сигнала позволяет проигрывателю компакт-дисков при воспроизведении обнаружи­вать и точно восстанавливать поврежденные или утерянные данные, или же, в край­нем случае, сделать искажения, вызванные выпадениями сигнала, незаметными на слух. Помехоустойчивое кодирование основано на введении в цифровую последо­вательность дополнительных символов, которые сами по себе не несут информаци­онных данных, а являются проверочными.

Стандарт системы CD допускает три искаженных символа на сто достоверных. Такое количество ошибок при воспроизведении компакт-диска обнаруживается де­кодером CIRC и исправляется. При этом вы­павший или искаженный символ восстанавливается с абсолютной точностью. Ре­альное количество ошибок на дисках уважающих себя производителей гораздо меньше, однако их появление возможно при неаккуратном обращении с CD в про­цессе эксплуатации, а также при несоблюдении условий или технологий процесса записи (например, при пиратском производстве). При этом ошибки бывают двух видов: короткие, когда длина повреждения не более длины одного символа, и длин­ные, когда повреждены несколько кадров.

Кроме помехоустойчивого кодирования, в процессе записи сигнала применяет­ся кодирования канальным кодом ЕFM, который разработан специально для приме­нения в оптической звукозаписи. В процессе такого кодирования к исходным ау­диоданным добавляется дополнительная информация. Эта информация необходима, чтобы записать цифровую последовательность на диск с макси­мальной плотностью и обеспечить при считывании максимальную достоверность.

Полученная на выходе мультиплексора последовательность кадров, каждый из которых состоит из 24 символов, несущих только информацию об исходном стерео­сигнале, подается на вход кодера CIRC. Кодер CIRC, называемый еще блоком защи­ты от ошибок, содержит две ступени кодирования и три ступени перемежения.

Применяемые коды в процессе воспроизведения компакт-диска способны обна­руживать до четырех и исправлять до двух поврежденных символов в каждом кад­ре, т.е. они обнаруживают и исправляют только короткие ошибки. Для борьбы с ошибками длиной несколько кадров существует система перераспределения символов между кадрами. Такое перераспределение называется перекрестным перемежением (inter­leaving). В процессе перекрестного перемежения символы, принадлежащие одному кадру, в определенном порядке перемешиваются с символами других кадров. В результате, после подобной операции во вновь образованных кадрах друг за другом расположены символы, принадлежащие разным моментам времени.

При воспроизведении компакт-диска в декодере ^ CIRC происходит обратный процесс деперемежения. В результате этого процесса восстанавливается первона­чальная последовательность символов в кадре и ошибка длиной несколько кадров распадается на ряд коротких, которые легко обнаруживаются и исправляются.

Суть метода помехоустойчивого кодирования заключается в том, что на первом этапе кодирования по имеющимся в кадре символам вычисляется четыре 8-разряд­ных проверочных символа. Эти проверочные символы содержат в себе всю инфор­мацию о символах, входящих в данный кадр. На втором этапе вычисляются еще че­тыре 8-разрядных проверочных символа. В результате получается кадр, состоящий из 32 символов (24 информационных + 8 проверочных), который называют кодовым словом. К теме формирования структуры кадра мы вернемся позднее, после рас­смотрения вопроса о назначении служебных каналов.

Система помехоустойчивого кодирования, применяемая в канале записи, достаточно совершенна. Вероятность появ­ления необнаруженных ошибок в процессе воспроизведения компакт-диска чрезвычайно мала. Последовательность вы­полнения операций кодером CIRC показана на рис. 2. Из рисунка видно, что перекрестное перемежение производится перед каждым этапом кодирования. После третьего заклю­чительного этапа перемежения последовательность кодовых слов подается на кодер ЕFM.



Рис. 2. ^ Последовательность выполнения операций кодером CIRC

Кодер EFM или модулятор служит для преобразования имеющейся цифровой последовательности в форму, позво­ляющую максимально использовать емкость носителя ин­формации - компакт-диска. Кроме повышения плотности записи, благодаря своим свойствам, такое представление

Канальный код ^ EFM (или модуляция 8 в 14) разработан компанией PHILIPS первоначально специально для формата Compact Disc Digital Audio. По правилам кодирования, ка­ждый 8-разрядный символ заменяется на только ему соответствующий 14-разряд­ный. Замена выполняется в соответствии со специальной таблицей. В полученной последовательности между 14-разрядными символами вставляются три соедини­тельных разряда.

При выполнении такого преобразования 8 в 14 выполняется следующее глав­ное условие: между двумя единицами может располагаться не больше десяти и не меньше двух 0. Для соблюдения этого условия всегда достаточно трех соединительных раз­рядов.

Поясним вышесказанное на следующем примере. Нарушением условия будет случай, когда один символ имеет в младшем разряде 1, а следующий за ним символ имеет 1 в старшем разряде — подстановка нулей в соединительном разряде разде­лит эти две последовательно расположенные единицы. Соединительные разряды не несут в себе никакой информации, а комбинации 0 и 1 в этих разрядах служат лишь для выполнения главного условия кодирования.

Следующим этапом кодирования является так называемый метод "Без возвраще­ния к нулю с инверсией" (Non Return to Zero Inverted - NRZI). Смысл этого метода заклю­чается в том, что 1 соответствует изменению уровня, а 0 соответствует отсутствию изменения плюс инвертирование сигнала. Данный метод иллюстрирует рис. 3.



Рис. 3. Преобразование по методу «Non Return to Zero Inverted»

С учетом вышеизложенного, рассмотрим, как отразились такие преобразования на плотности записи, и на ее достоверности при считывании. До выполнения двух последних преобразований луч записывающего лазера мог оставить на поверхности носителя отметку («пит») определенной величины, которая отображает один двоичный разряд. После ЕFM-кодирования и преобразования по методу NRZI, согласно главного условия, мини­мальный перепад между уровнями составляет три разряда (1 и 00). Следовательно, отметка такой же величины будет нести информацию уже о трех разрядах. Исходя из того, что при EFM-кодировании разрядов стало 14 + 3, выполним следующие арифметические действия: 3/17 : 1/8 = 1,41. Данный результат показывает, что плот­ность записи увеличилась в 1,41 раза.

При считывании информации проигрывателем компакт-дисков, в силу специ­фики цифровой техники, длинные последовательности 0 или 1 могут приводить к различным сбоям системы декодирования. Применение метода EFM-модуляции исключило такие последовательности, т.к. между двумя единицами не может быть больше десяти 0.

Ограничением последовательности одного уровня достигается и так назы­ваемая самосинхронизация кода. Эта способность к самосинхронизации будет рас­смотрена в дальнейшем при описании процесса выделения импульсов тактовой синхронизации при декодировании сигнала в CD-проигрывателе.

Подводя итог описанию метода кодирования канальным кодом ЕFM, необхо­димо отметить, что в результате кодирования минимальная длина пита будет соот­ветствовать значению 1001, а максимальная длина — значению 100000000001. Дли­на пита и расстояние между ними, которые могут приобретать девять дискретных значений от 0.9 мкм до 3,3 с шагом 0,3 мкм, несут в себе всю информацию, за­писанную на компакт-диске.

На структурной схеме канала записи в системе CD-аудио (рис. 1) показано устройство, названное формирователем данных субкода. Сигнал с выхода этого блока представ­лен в форме последовательности 8-разрядных символов, которые называются дан­ными субкода. Данные субкода также подвергается кодированию канальным кодом, но не несут в себе информации о звуковой программе. Информация, закодированная 8-разрядиыми символами субкода, является служебной — ей пользуется CD-проиг­рыватель в процессе воспроизведения компакт-диска.

Каждый из 8 разрядов субкода обозначается определенными буквами: Р, Q, R, S, T, U, V и W. Последовательности, состоящие из одноименных разрядов символов субкода, представляют собой служебные каналы. Каналов таких восемь, но в формате Compact Disc Digital Audio из них используются только каналы Р и Q. Структура служебной информации на ком­пакт-диске имеет вид блоков, следующих с частотой 75 Гц. Служебные блоки отде­ляются друг от друга двумя синхрогруппами определенной конфигурации. С помощью служебной информации, декодированной проигрывателем, реали­зуются такие его режимы как воспроизведение по программе, поиск выбранной до­рожки, повтор, индикация времени, включение/отключение схемы частотной кор­рекции, торможение диска после завершения воспроизведения (благодаря наличию служебной информации в канале Q). "1", записанная в канале Р, соответствует паузе между двумя соседними треками, а "О" соответствует воспроизведению музыкальной программы.

По окончании воспроизведения последнего трека в этом же канале записывает­ся чередующаяся последовательность нулей и единиц. На вводной дорожке в канале субкода Q содержится информация о диске, т.е. его "Содержание" (англ. аббревиа­тура ТОС): количество композиций, время начала воспроизведения каждой относи­тельно начала зоны записи аудиосигнала, наличие предыскажений. После считыва­ния ТОС-информация сохраняется в памяти процессора системы управления и ис­пользуется для реализации режимов "Поиск", "Повтор", "Воспроизведение по про­грамме", "Воспроизведение в произвольной последовательности" и включения схе­мы частотной коррекции. В зоне записи программы, данные субкода Q несут ин­формацию о конкретной дорожке записи, ее номере, о текущем времени и т.п. В дальнейшем эти данные обрабатываются процессором цифрового сигнала в про­игрывателе компакт-дисков.

Рассматривая структуру кадра, мы остановились на том, что кадр имеет 32 сим­вола (24 информационных, несущих в себе данные аудиосигнала, плюс 8 провероч­ных, которые появились в результате помехоустойчивого кодирования). К имею­щимся 32 символам в каждый кадр добавляется служебный символ, который будет 33-м по счету. Кроме этих 33 символов, для отделения в последовательности кадров друг от друга, в начало каждого кадра вставляется так называемая кадровая синхро­группа, имеющая определенную конфигурацию. После рассмотренных преобразо­ваний, последовательность, сформированная из кадров и служебных блоков, пода­ется на устройство оптической записи. Структура такого кадра показана на рис. 4.



Рис. 4. Структура кадра информации для записи на компакт-диск

Вышеуказанные меры по коррекции ошибок предпринимаются из-за того, что, как уже упоминалось, изготовить на 100% - читаемый компакт-диск невозможно. Т.е. появление ошибок во время считывания данных с диска является нормальным явлением и изначально учитывается технологией.

^ Ошибки первого уровня (Level 1).

Ошибки E11, E21 и E31 обнаруживаются на первом уровне коррекции, обозначаемом как C1. Появление E11 означает, что был обнаружен один неверно декодированный символ (байт) на уровне C1. Соответственно, появление ошибки E21 указывает на два неверных байта, а E31 — на три байта. После обнаружения ошибки происходит ее коррекция. На уровне C1 возможно исправить ошибки E11 и E21. Ошибка E31 не может быть исправлена на C1 и передается для коррекции на второй уровень.

Таким образом, при обозначении ошибки используется индекс E (от “error” — “ошибка”) и двухзначный индекс, где первая цифра обозначает количество неверно считанных символов, а вторая цифра указывает на тот уровень коррекции, на котором эта ошибка обнаруживается и корректируется.

^ Ошибки второго уровня (Level 2).

Ошибки E12, E22 и E32 обнаруживаются на втором уровне коррекции, обозначаемом как C2. Появление E12 означает, что был обнаружен один неверно декодированный символ (байт) на уровне C2. Соответственно, E22 указывает на два байта, E32 — три байта. Ошибки E12 и E22 могут быть скорректированы на C2. Ошибка E32 является фатальной и не может быть исправлена.

В настоящее время выпускается несколько моделей высококачественных CD-ROM приводов, использующих особо точный алгоритм обнаружения и коррекции ошибок, которые способны исправить даже E32. Но ни один из таких приводов не может гарантировать 100% коррекцию всех обнаруженных ошибок E32. Поэтому вне зависимости от формата записи диска — будь то звук или данные, — а также не зависимо от технологии, по которой диск был изготовлен — литье под давлением или запись лазерным лучом — диски с ошибкой E32 считаются дефектными.

Дополнительные сложности наличие ошибки E32 вызывает в случае ее появления на мастер-дисках (оригиналах, которые присылаются на завод в качестве прототипа, с которого выполняется тираж). Во-первых, E32 приводит к невозможности точного считывания данных, что ставит под угрозу отбраковки весь тираж. Во-вторых, оборудование мастеринга, обнаружив E32 в процессе работы, может просто остановиться и весь процесс потребуется начинать заново, что приводит к увеличению расходов на изготовление матрицы (литьевой формы, с которой изготавливается тираж) и затягиванию сроков изготовления тиража в целом.

BLER.

Аббревиатура BLER раскрывается как “Block Error Rate” и обозначает частоту появления информационных блоков, которые имеют ошибочные символы (байты), обнаруженные на уровне C1. Показатель BLER — параметр, который хорошо отражает качество диска в целом, так как зависит от множества факторов, проявляющихся в процессе изготовления дисков.

Стандарт “Красная книга” (Red Book, IEC 908) определяет максимальный BLER не более 220 блоков в секунду При этом вычисляется среднее значение при измерении на интервалах по 10 секунд. В зависимости от BLER диски делятся на пять классов (grade) качества:

  • Grade A (BLER < 6) — диски высокого качества;

  • Grade B (BLER < 50) — диски хорошего качества;

  • Grade C (BLER < 100) — диски удовлетворительного качества;

  • Grade D (BLER < 220) — диски, которые можно использовать, но чтение информации с которых затруднено или велика опасность выхода диска из строя (потеря информации);

  • Grade F (BLER > 220) — диски, использование которых просто опасно: они могут даже вызвать “зависание” компьютера и сбой в работе CD плеера — например, вы не сможете извлечь диск из привода без использования аварийного метода.

Потенциально, диски формата CD-DA (Compact Disc Digital Audio) могут быть с более высоким BLER, нежели диски CD-ROM (стандарт “Красная Книга” допускает BLER до 220). Однако время жизни звукового диска обычно несравненно большее, нежели диска с программами — музыка менее подвержена (некоторая вообще не подвержена) моральному старению по сравнению с современным ПО. А высокий BLER говорит не только об опасности потери данных, но и о возможных проблемах чтения диска в некоторых приводах. Поэтому ведущие производители компакт-дисков стараются изготавливать свою продукцию с BLER < 50 (Grade B). CD-R технология позволяет легко наладить производство тиражей с BLER < 20 без дополнительных затрат. А если применять только диски известных производителей, то 100% выход дисков высшего класса качества (Grade A) практически обеспечен.

Dropout.

Данная ошибка возникает, когда уровень возвращаемого сигнала на фотоприемник менее 75% от нормального значения. При этом понятие “нормального значения” уже предусматривает понижение интенсивности сигнала с учетом коэффициента отражения.

Dropout появляется в результате физических дефектов диска. Точного определения допустимого значения dropout в стандартах нет.

^ Push-pull tracking.

Наиболее надежное считывание информации с компакт-диска достигается за счет точной фокусировки и позиционирования луча лазера по центру дорожки. Тем более, что размер питов (pits) на диске меньше, чем длина волны лазера, с помощью которого считывается информация.

Если измерить разницу возвращенного сигнала между левой и правой частью дорожки, то в идеале должен получиться нуль — луч лазера находится точно по центру. Чем более отлично от нуля значение push-pull tracking (в зависимости от отклонения луча лазера от центра в ту или иную сторону, значение push-pull tracking может быть положительное или отрицательное), тем менее надежным будет считывание данных.

Параметр push-pull tracking характеризует точность геометрии питов (pits) и его значение, наиболее близкое к нулевому, в значительной степени способствует точности работы механизма отслеживания дорожки читающим приводом. Для того, чтобы получить хорошее значение push-pull tracking при записи дисков лазерным лучом, следует использовать CD рекордеры с высокоточным механизмом фокусировки лазера: CD-R диски отличаются тем, что уже до записи имеют обозначенную дорожку, по которой двигается лазерный луч. Наиболее продвинутые приводы, которые устанавливаются в измерительных и студийных системах (например, анализатор качества компакт-дисков Clover QA-101D), используют трехлучевые лазеры: центральный луч считывает информацию, а два других отслеживают дорожку и производят корректировку позиционирования.

^ Excentricity (эксцентриситет).

Эксцентриситет — взаимоотношение геометрического центра оси дорожки к геометрическому центру диска (ось шпинделя). Стандартным значением является положительный или отрицательный допуск величиной не более 50 микрон.

^ Reflectivity (коэффициент отражения).

В процессе считывания информации генерируется волна определенной частоты и мощности, а затем производится считывание отраженного от поверхности компакт-диска сигнала. Reflectivity — параметр, показывающий отношение исходящей мощности сигнала ко входящей (отраженной).

Наилучшим теоретическим значением является единица — от поверхности компакт-диска отражается 100% мощности сигнала. На практике же такое значение не достижимо, а надежное считывание информации происходит при Reflectivity = 0.65 (или 65%), что и является хорошим значением параметра.

Потенциально, отражающая способность у CD-R ниже, нежели у обычных CD из-за того, что глубина питов на CD значительно больше, нежели на CD-R. Питы на CD формируются на основе из поликарбоната в процессе литья, на CD-R — в процессе записи. На CD-R диске на один слой больше — между поликарбонатом и отражающим слоем располагается активный (регистрирующий) слой (dye), на котором луч лазера и “прожигает” (burning) информацию. Соответственно, каждый пит на CD-R как бы состоит из двух частей: “прожженный” пит на активном слое и этот же пит, который получается на поликарбонате за счет его продавливания.

Первые CD-R обладали существенно меньшим по отношению к CD коэффициентом отражения, что вызывало множество проблем совместимости: далеко не все приводы могли читать CD-R. Однако в настоящее время подобных сложностей не возникает, так как современные модели CD-R дисков используют серебряный отражающий слой (у литых CD в качестве отражающего слоя используется алюминий), что компенсирует потерю сигнала на менее глубоких питах — серебро обладает лучшими отражающими свойствами, нежели алюминий.

^ Birefringence (двойное преломление).

Эффект двойного преломления возникает из-за дефектов изготовления поликарбонатной основы диска. Это может быть обусловлено появлением примесей в материале, несоблюдение технологического процесса, создание излишних внутренних напряжений в процессе литья. При чтении информации, луч лазера отражается не точно, что приводит к рассеянию сигнала.

Jitter.

Геометрическое представление бинарной информации на поверхности компакт-диска состоит из углублений и ровных участков. Существует временной параметр перехода луча лазера по маршруту пит — флэт или наоборот, который должен быть для диска постоянным настолько, насколько это возможно. По определению “Оранжевой книги” (Orange Book) это значение jitter должно быть менее 35 нсек.

В настоящее время параметр “Jitter” получил двоякое толкование, так как он в одинаковой степени зависит как от качества CD привода, так и от качества самого CD-R диска. Поэтому иногда jitter используют как характеристику качества чтения данных со стороны привода, а иногда им характеризуют диск.


CD-механизм или CD-привод, является законченным функ­циональным блоком, который обеспечивает вращение оптического носителя и дос­туп считывающего устройства к любой точке на его информационной поверхности. Механизм включает в себя следующие устройства:

• узел вращения диска - двигатель, на оси которого закреплена враща­тельная платформа для установки CD;

• считывающее устройство - оптический блок;

• система привода оптического блока — двигатель и механизм, осуществляющий перемещение оптического блока в пределах информационной зоны. Управление двигателями, которые являются исполнительными устройствами, осуществляется сигналами, сформированными в схемах проигрывателя. Основными элементами считывающего устройства являются лазерный диод и оптическая сис­тема. Оптическая система соответствующим образом формирует излучение лазер­ного диода и фокусирует его в виде считывающего пятна на поверхности диска.

Считывание информации, представляющей собой микроуглубления на спирале­видной дорожке оптического носителя (для CD-ROM и DVD-ROM), основано на интерференции световых волн, отраженных от дна питов и от поверхности флэтов. Глубина питов выбрана таким образом, чтобы оптическая разность хода световых волн длиной , отраженных от дна питов и от поверхности флэтов, составляла /4. В этом случае луч, отраженный от дна пита, отстает по фазе на 180° от луча, отраженного от флэта, в результате че­го две составляющие луча будут гасить друг друга. В CD-R(RW) и DVD-R(RW) приводах лазерный принцип считывания информации сохраняется, только он основан на фиксации разности интенсивности отражения света от питов и флэтов, отличающихся степенью рассеяния считывающего лазерного луча.

Оптическая система направляет отраженный от компакт-диска луч, модулированный данными с оптического носителя, на устройство, преобразующее световую энергию в электрический сигнал. Выходные сигналы этого устройства в дальней­шем обрабатываются в схемах проигрывателя. Для реализации процесса считыва­ния информации в самом оптическом блоке используется два исполнительных уст­ройства: катушки, которые также управляются внешними сигналами.

Сервосистемы CD-проигрывателя (следящие системы автоматического регули­рования механической величины) формируют сигналы для схем управления испол­нительными устройствами (схемы управления исполнительными устройствами яв­ляются усилителями мощности выходных сигналов сервосистем). Т.к. всего имеется четыре исполнительных устройства, то для управления используется четыре серво­системы. Две сервосистемы формируют сигналы управления катушками, другие две - сигналы управления двигателями.

Считывание информации с оптического носителя возможно, когда питы нахо­дятся в пределах глубины резкости фокусирующего объектива. В связи с тем, что при воспроизведении записанной программы биения компакт-диска в вертикальной плоскости значительно превышают глубину резкости объектива, необходимо посто­янно поддерживать одинаковым расстояние между CD и линзой фокусирующего объектива, чтобы дорожка записи постоянно находилась в фокусе. Ход линзы фоку­сирующего объектива в вертикальной плоскости обеспечивает исполнительное уст­ройство - фокусная катушка, а сигналы для управления исполнительным уст­ройством формирует сервосистема автоматической фокусировки.

Луч лазера (считывающее пятно) должен следовать по спиралевидной дорожке записи. В результате эксцентриситета при вращении CD происходят биения в гори­зонтальной плоскости. Если не принять специальных мер для отслеживания колеба­ний дорожки в горизонтальной плоскости, то считывание информации будет невоз­можным. Перемещение в горизонтальной плоскости линзы фокусирующего объек­тива обеспечивает исполнительное устройство - трекинг-катушка. А сигналы для управления исполнительным устройством формирует сервосистема автоматическо­го отслеживания дорожки записи.

Оптический блок с помощью системы привода должен перемещаться в преде­лах зоны записи CD. Это перемещение обеспечивается исполнительным устройст­вом — двигателем позиционирования оптического блока. Сигналы для управления двигателем позиционирования формирует сервосистема позиционирования.

Последняя, четвертая сервосистема, контролирует частоту оборотов CD.

Считывание информации, записанной на компакт-диске, производится оптиче­ским блоком. Оптический блок предназначен для восстановления цифровых данных, закодированных на спиральной дорожке компакт-диска, и является законченным оптико-механическим узлом, в состав которого вхо­дят:

• Лазерный диод (полупроводниковый оптический квантовый генератор), мони­тор-фотодиод, контролирующий мощность излучения лазерного диода, конст­руктивно выполненные в одном корпусе.

• Оптическая система, служащая для формирования считывающего пятна на по­верхности компакт-диска, разделения прямого и отраженного лучей, формиро­вания световых сигналов для фотоприемника. Фотоприемник, называемый еще фотодетектором или фотодиодной матрицей, преобразует световую энергию

в высокочастотный электрический сигнал. В основе его принципа действия ле­жит эффект генерации электронов и дырок в p-n-переходе под воздействием световой энергии.

• Исполнительные устройства систем фокусировки и отслеживания дорожки за­писи: фокусная катушка (focus coil) и трекинг-катушка (tracking coil). Исполни­тельные устройства служат для перемещения линзы объектива в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

На рис. 5 показаны основные элементы конструкции оптического блока одной из моделей CD-привода производства SONY.

Рассмотрим принцип работы данного блока и назначение отдельных элементов конструкции. Расходящийся пучок излучения лазерного диода проходит дифракци­онную решетку, основное свойство которой — способность раскладывать падаю­щий на нее пучок света в спектр. В результате сказанного, излучение расщепляется на основной и боковые лучи (рис. 6).

Основной луч используется для считывания информации с CD. Два боковых (вспомогательных) луча первого порядка используются для системы отслеживания дорожки записи. Боковые лучи более высоких порядков не используются. Три луча попадают на поляризационный расщепитель, преломляются им и направляются на зеркальную призму. Преломленные боковой гранью зеркальной призмы, три луча фокусируются линзой объектива на поверхности компакт-диска. Линза объектива смонтирована на подвижной платформе, позволяющей ей перемещаться в верти­кальной и горизонтальной плоскостях, т.е. для фокусировки и отслеживания дорож­ки записи.

Отраженные от поверхности диска лучи проходят этот путь в обратном поряд­ке: линза объектива, боковая грань зеркальной призмы, поляризационный расщепи­тель. Поляризационный расщепитель направляет отраженные лучи на цилиндриче­скую линзу, тем самым отделяя их от лучей на выходе



Рис. 5. Функциональная схема оптического блока CD-привода




Рис. 6. Распределение интенсивности лазерного излучения после прохождения дифракционной решетки

дифракционной решетки. Пройдя цилиндрическую линзу, основной луч, модулированный питами, и два бо­ковых попадают на фотоприемник.

Фотоприемник в данном оптическом блоке состоит из четырех основных фото­диодов: А, В, С, D — и двух вспомогательных: Е и F. С помощью системы привода оптический преобразователь перемещается в пределах зоны записи от центра диска к его краю. Из-за вертикальных биений диска система фокусировки постоянно пе­ремещает линзу объектива вверх-вниз, чтобы серии питов были в фокусе. Система от­слеживания дорожки записи управляет перемещением линзы объектива в горизон­тальной плоскости. Данная конструкция, в которой используются три луча, на сего­дняшний день является самой распространенной и называется трехлучевой.

Для контроля выходной мощности лазерного излучения и поддержания ее на постоянном уровне применяется схема автоматического управления мощностью ла­зерного излучения, а в корпус с лазерным диодом установлен еще один элемент: монитор-фотодиод.

Отслеживание дорожки записи с помощью двух вспомогательных лучей проис­ходит следующим образом. Каждый из боковых лучей сдвинут относительно ос­новного и следуют один — перед, а другой — после него (рис. 7).

Если основной луч точно следует по дорожке записи (рис. 7б), то два боко­вых луча одинаково перекрывают дорожку, т.е. сигналы с соответствующих им фо­тодиодов Е и F одинаковы, и их разность равна нулю.



Рис. 7. ^ Метод отслеживания дорожки записи с помощью двух боковых лучей

Глубина резкости самой оптической системы составляет ± 2 мкм. Допустимые вертикальные и горизонтальные биения диска за один оборот и необходимая точность слежения характеризуются следующими величинами:

• вертикальные биения ± 0,5 мм при максимальном ускорении 10 м/с2, точность фокусировки ± 0,5 мкм (достигается перемещением фокусирующей линзы);

• радиальный эксцентриситет ± 150 мкм, максимальное ускорение 0,4 м/с2, точность слежения за дорожкой ± 0,1 мкм (достигается перемещением линзы и всей опти­ческой системы).

Транспортирующий или CD-механизм служит для вращения с постоянной ли­нейной скоростью компакт-диска, а также осуществляет перемещение оптического блока в пределах зоны записи CD. Самой распространенной на сегодняшний день конструкцией является транспортирующий механизм салазочного (скользящего) типа, линейно перемещающий оптический блок в пределах зоны записи по радиусу диска. В данной конструкции для перемещения оптического блока используется зубчатая передача, и он скользит по направляющей стойке. Перемещение осуще­ствляется с помощью двигателя позиционирования, который в схемах электриче­ских принципиальных принято называть "Sled Motor".

Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD. В его состав входят декодеры, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. EFM-декодер выделяет из цифрового потока информационные символы, синхросигналы и служебную информацию. Каскадный декодер производит формирование блоков - символов, которые предварительно (перед записью) были подвергнуты разбиению для их размещения на различных участках информационной дорожки с целью уменьшения вероятности потери информации. Применение двойного декодирования с перемещением символов дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт, что соответствует дефекту дорожки записи длиной 2,5 мм. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок в данных, записанных во всех поддерживаемых приводом форматах.

Импульсные сигналы с фотодатчика оптической головки поступают в усилитель системы автоматического регулирования (САР), где выделяются сигналы ошибок слежения и осуществляется фазо-частотная коррекция считываемого сигнала. Сигналы ошибок слежения поступают в системы автоматического регулирования фокуса (САР-Ф) и радиального слежения (САР-РС). Система автоматического регулирования радиальной подачи (САР-РП) управляет серводвигателем перемещения оптической головки. Система автоматического регулирования мощности излучения лазера (САР-М) поддерживает ее неизменной независимо от температуры окружающей среды и перепадов напряжения. Система автоматического регулирования линейной скорости (САР-ЛС) обеспечивает постоянную линейную скорость вращения диска (для привода с однократной скоростью вращения диска 1,2 м/с). Устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) выделяет из сигнала EFM-кода сигнал тактовой частоты, необходимый для работы кодера.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы (ЦАП), фильтров нижних частот (ФНЧ) и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудио-информации ЦАП поочередно преобразует кодовые данные левого и правого каналов в аналоговые сигналы. Полученные сигналы подаются на усилители с активными ФНЧ. Далее сигналы выводятся на звуковую карту и (через линейный выход) на гнездо для подключения головных телефонов.


^ МАГНИТО-ОПТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ ИНФОРМАЦИИ

Магнитооптическая технология была разработана фирмой IBM еще в начале 1970-х гг. Первые опытные образцы магнитооптических (МО) накопителей представила в начале 1980-х гг фирма Sony. На рынке компьютерной техники магнитооптические накопители вначале не пользовались спросом вследствие дороговизны и сложности, однако по мере развития технологии и снижения цен отношение к ним изменилось. Наибольшее распространение получили магнитооптические диски двух основных размеров - 3,5 и 5,25". В принципе, устройство МО-дисков всех размеров одинаковое. Основное различие заключается в числе рабочих поверхностей. Строение одностороннего МО-диска в разрезе (рис. 8) можно представить как совокупность следующих слоев (сверху вниз):

- защитного;

- диэлектрического;

- магнитооптического;

- диэлектрического;

- отражающего;

- подложки.

На стеклопластиковую подложку наносится алюминиевое (либо золотое) покрытие, предназначенное для отражения лазерного луча. Диэлектрические слои (прокладки), окружающие магнитооптический слой, выполнены из прозрачного полимера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании информации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия (65-й элемент периодической таблицы Менделеева, группа лантаноидов). Верхний защитный слой из прозрачного полимера предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений (слой выполнен методом ультрафиолетового отверждения). Магнитооптические диски бывают одно- и двусторонние, причем последние состоят фактически из двух односторонних, склеенных между собой подложками.

Оптические носители обладают повышенной надежностью и не боятся воздействия неблагоприятных условий окружающей среды, мак как МО-диск заключен в специальный пластиковый конверт - картридж. В отличие от традиционных CD, для МО-дисков применяется магнитный записывающий слой, материал которого обладает большой коэрцитивной силой (порядка Нс ~ 2 кЭ при комнатной температуре), препятствующей изменению магнитной ориентации доменов. Из самого названия магнитооптических накопителей следует представление о физических принципах работы этих устройств.



Рис. 8. ^ Строение магнитооптического диска.


При комнатной темпе­ратуре пленка не может быть перемагничена постоянным полем 200—400 Э, создаваемым катушкой, расположенной с противоположной стороны пленки. В процессе записи данных на МО-диск (рис. 9) лазерный луч фокусируется на поверхности магнитного слоя в пятно микронного размера. Он нагревает необходимый учас­ток магнитной пленки до почти 500 К. При этой темпе­ратуре расположенный в точке нагрева домен может быть легко перемагничен и поле записывающей магнитной головки формирует запись. При этом, вместо традиционной продольной записи, кото­рая в большинстве случаев используется при создании магнитной памяти, используется перпендикулярная запись, при кото­рой вектор намагниченности доменов ориентирован перпендикулярно к плоскости диска. После охлаждения материала новая магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориентации участка магнитного материала он интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Топографиче­ское и магнитное изображение поверхности магнито­оптического диска представлено на рис. 10. На правом рисунке отчетливо видны продолговатые микроост­ровки размером 2x1 мкм2, соответствующие одному биту магнитной информации. Данные записываются блоками по 512 байт. Для изменения части этой информации необходимо перезаписывать весь блок, поэтому при первом проходе инициализируется (разогревается) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных. Такой процесс называется записью в два прохода. Следовательно, операция записи в МО-накопителе длится в два раза дольше операции считывания.



Рис. 9. ^ Схема магнитооптической записи информа­ции.

Считывание данных с диска происходит с помощью поляризованного лазерного луча пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя (мощность излучения лазера около 25% от номинальной). При попадании луча на упорядоченные магнитные частицы диска (ориентированные при записи данных) их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча (эффект Керра). При этом информация об ориентации намагниченности домена получается из анализа степени поворота плоскости поляризации ла­зерного луча при отражении от пленки (около 0,3°). Первые такие системы использовали ферримагнитные аморфные сплавы редкоземельных и переходных ме­таллов, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Состав пленок подбирается таким обра­зом, чтобы температура, при которой происходит перемагничивание домена, была близка к точке магнитной компенсации или точке Кюри, где величина Нс значи­тельно уменьшается. Эффективными составами для магнитооптической записи считаются GdFe, TbCo, TbFe, TbFeCo, Co/Pt, Co/Pd и др.



Рис. 10. ^ Топографическое (слева) и магнитное (спра­ва) изображения поверхности магнитооптического диска, полученные компанией "Digital Instruments" (США).


В отличие от компакт-диска, данные на магнитооптический диск теоретически можно записывать бесконечное количество раз, поскольку никаких необратимых процессов в материале носителя не происходит. Если нужно удалить старые данные, достаточно нагреть лазерным лучом соответствующие дорожки (секторы) и размагнитить их внешним магнитным полем. Многие фирмы-изготовители гарантируют миллион циклов перезаписи информации на МО-диск.

Быстродействие МО-накопителей ниже, чем накопителей со сменньми магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей, разработанных с учетом последних достижений магнитооптической технологии, неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низкого быстродействия МО-накопителей заключается в низкой скорости вращения диска. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка чтения/записи (в одном устройстве совмещены оптический и магнитный узлы). Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) -75 000 ч.

Однако технология магнитооптической записи непрерывно совершенствуется, и существуют модели накопителей, в которых запись на носитель осуществляется за один проход.

МО накопители имеют емкости от 650 Мбайт до -5,2 Гбайт для форм-фактора 5,25" и от 128 Мбайт до 1,3 Гбайт для форм-фактора 3,5".

Для осуществления записи необходимо выполне­ние ряда магнитных, термомагнитных и магнитоопти­ческих требований: направление магнитного момента домена должно быть перпендикулярно плоскости плен­ки; распределение намагниченности по пленке должно быть устойчиво к воздействию размагничивающих по­лей и малых температурных колебаний; в материале должна существовать регулярная и воспроизводимая доменная структура с размером домена около 1 мкм; возможность уменьшения коэрцитивной силы по ве­личине приблизительно на порядок при нагревании; отсутствие изменений в соседних доменах при нагреве (сравнительно плохая теплопроводность); достаточная (для считывания) величина полярного эффекта Керра; максимально возможное отношение сигнала к шуму (более 25 дБ) во всем рабочем интервале температур и т.д.

Основная область применения магнитооптических дисков – системы резервного и архивного копирования. Устройства с автоматической подачей дисков (Juke Box) используются для работы с информацией больших объемов. Автоматы типа Juke Box манипулируют МО-дисками, снимая их с полок хранения и вставляя в дисковод. Такие автоматы применяются для хранения, резервного копирования, архивирования и других операций с информацией, особенно они полезны при работе с базами данных, размещенными на двух и более дисках. Еще более очевидна выгода от таких устройств, если магнитооптический накопитель является разделяемым ресурсом сети.

Магнитооптические дисковые системы с автоматическими устройствами для смены дисков (дисковые автоматы) обладают высокой емкостью, обеспечивают долговременное хранение информации и позволяют пользоваться преимуществами технологии хранения данных на сменных носителях. При наличии соответствующего сетевого программного обеспечения эти устройства целесообразно использовать для хранения архивных данных, работы с системами управления иерархической памятью (HSM) и поддержки некоторых приложений, предоставляющих оперативный доступ к массивам данных, хранящимся на дисках. Магнитооптические системы с многократной записью используются на втором уровне иерархической памяти (первый уровень поддерживают накопители на жестких магнитных дисках). Устройства с однократной записью и накопители на магнитных лентах могут применяться для обеспечения архивного хранения данных, управляемых системой HSM.

Большая емкость и возможность смены носителей, характерные для магнитооптических дисковых систем, позволяют создавать на их основе крупномасштабные дисковые архивы с оперативным доступом к информации, совместимые с архивами данных на жестких магнитных дисках. Эти дисковые архивы могут значительно увеличить доступность данных, хранимых в настоящее время на магнитной ленте или на бумаге. Недостатком магнитооптических систем является их большее, чем у жестких магнитных дисков, среднее время доступа. Если учесть еще и время, необходимое для поиска конкретного магнитооптического диска и установки его в накопитель для считывания или записи, то, возможно, магнитооптические системы не подойдут даже для создания некоторых архивов.

Существует, тем не менее, несколько разновидностей автоматических устройств для смены дисков. Самым распространенным из них является автоматический захват. Сначала диски вставляются в гнезда внутри дискового автомата, затем механизм захвата извлекает требуемый диск и устанавливает его в накопитель. Работой механизма захвата управляет специальная программа.

Другие автоматические устройства для смены дисков содержат подвижные картриджи с многочисленными гнездами для дисков и вращающиеся держатели дисков, подобные тем, что используются в автоматах для смены музыкальных CD. В большинстве автоматических устройств, предназначенных для смены дисков, среднее время поиска и установки диска в накопитель составляет не менее 5 - 6 с.




Скачать 308,57 Kb.
оставить комментарий
Дата10.10.2011
Размер308,57 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

отлично
  2
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх