Никамин В.А.
Цифровая звукозапись. Технологии и стандарты. — СПб: Наука и Техника, 2002. -
256 стр с ил.
ISBN 5-94387-043-1
Под редакцией М.В. Финкова
Серия «Профи»
Целькниги. которую Вы держите в руках рассказать, что представляет собой цифровая звукозапись вообще и современная цифровая звукозапись в частности. Подробно рассмотрен каждый ее этап: от поступления сигнала на микрофон, до обработки конечного цифрового ряда. Приведено описание используемого оборудования.
Основное внимание в книге уделено технологиям цифровой звукозаписи. А/Ц и Ц/А преобразованиям, цифровой фильтрации, кодированию-декодированию, синхронизации, механизму отслеживания дорожки записи и фокусировке в устройствах записи/воспроизведения компакт-дисков. В книге подробно рассмотрено устройство компакт-диска и его проигрывателя. Описано как и из чего изготовляется CD, в каком виде на нем хранится информация и как достигается высокая надежность хранения. Особое внимание уделяется обсуждению факторов, влияющих на звучание звукового сигнала, вопросам качества CD и оборудования. Приведено описание возможных недостатков того и другого.
Отдельные главы книги посвящены цифровым форматам: CD-ROM, CD-Audio, Video-CD, DVD, SuperAudioCD, системе магнитооптической записи звука «Мини-диск». Помимо этого Вы узнаете о компакт-дисках повышенной плотности DDCD и MLCD, а также о многослойных оптических дисках FMD. В книге дано описание подготовки профессиональной фонограммы и приемов субъективной оценки качества записи.
Обилие уникальной информации, множество наглядного материала, а также методичность и простота изложения делают эту книгу интересной как для специалиста, так и для неподготовленного читателя.
.2'2'7- 2
9785943 870439
ISBN 5-94387-043-1
Контактные телефоны издательства (812) 567-70-25, 567-70-26 (044) 516-38-66, 518-56-47
www.pubnit.com
© Никамин В.А.
© Наука и Техника (оригинал-макет, обложка), 2002
ООО "Наука и Техника».
Лицензия №000350 от 23 декабря 1999 года.
198215, г. Санкт-Петербург, ул Подводника Кузьмина, д. 46. Подписано в печать 10.12.01. Формат 60x90 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Объем 16 п. л. Тираж 3000 экз. Заказ № 547
Отпечатано с готовых диапозитивов в ФГУП ордена Трудового Красного Знамени «Техническая книга» Министерства Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций 198005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.
1 бИЬлии»tKA | ’ УНИВЕРСИТЕТА ’
ivu кыый ФОНД
ПРШКМШШ
За последнее десятилетие цифровые аудионосители окончательно вытеснили безраздельно господствовавшие до этого аналоговые. Существующие пока что в обиходе аналоговые компакт-кассеты по сути являются вторичным носителем, так как практически все программы записываются на них с оптических дисков. CD-проигрыватель или компьютерный дисковод CD-ROM теперь имеются почти в каждом доме. Некоторые успели обзавестись и DVD-проигрывателями. Поэтому у наиболее любознательной части владельцев цифровой аппаратуры все чаще возникает естественное желание (а иногда и необходимость) поближе познакомиться с принципами работы проигрывателей CD и DVD с тем, чтобы иметь возможность осмысленно оценивать как их технические характеристики, так и вытекающие из них функциональные возможности и особенности звучания. Особенно важны такие знания для тех, кто занимается звукозаписью профессионально. Цифровые технологии предполагают наличие у таких людей, кроме основательной художественной подготовки, еще и определенный запас технических знаний, обеспечивающий возможность ясного понимания характера и особенностей тех преобразований, которые претерпевает аналоговый звуковой сигнал перед записью на носитель. При осмысленном подходе цифровая звукозапись может обеспечить чрезвычайно высокие результаты. Но она же не прощает невежества, которое может выразиться в довольно скверном звучании записанных фонограмм.
Цель данной книги — познакомить читателя со всеми существующими на сегодняшний день технологиями цифровой лазерной звукозаписи, а также оценить перспективы их развития в ближайшие 10-15 лет. Подробно рассматриваются все этапы преобразования звукового сигнала перед записью его на компакт-диск и все этапы обратного преобразования считанных данных в звук. Дано описание профессиональной подготовки фонограмм, применяемой для этого аппаратуры и приемов субъективной оценки качества записи. Показан пример выполнения любительской записи музыкальной программы на компакт-диск с помощью персонального компьютера. Проведен подробный анализ причин недостатков связанных как с самим компакт-диском, так и с устройством считывания, которые могут оказать влияние на качество воспроизводимого звука. Рассматриваются основные модификации формата CD и их характерные особенности. Дано описание системы магнитооптической записи звука Мини-диск. Особое внимание уделено новым форматам цифровой опти-
Предисловие
ческой записи DVD и Super AudioCD. Отдельная глава посвящена истории создания компакт-диска.
Для того, чтобы книга была понятна и специалисту, и обычному читателю, автор старался по мере возможности излагать материал доступным языком и наглядно пояснять физический смысл всех встречающихся в тексте специальных терминов.
При подготовке книги за основу взят материал, ранее изложенный в изданиях «Компакт-диски и CD-устройства», «Парадоксы цифрового звучания» и, частично, «Форматы цифровой звукозаписи». Однако, этот материал в значительной мере переработан, дополнен и расширен, в частности, за счет введения новых глав, касающихся профессиональной и любительской звукозаписи, подробного описания дисков CD-R, CD-ROM, DVD и SuperAudioCD.
____________I
пшшшниш шшшш
Несмотря на то, что компакт-диск был изначально задуман как носитель звуковой информации, предшественником его с большим основанием следует считать все же лазерный видеодиск системы Laser Vision, а вовсе не виниловую грампластинку. Именно в процессе развития дисковой видеозаписи была отработана технология лазерной записи информации на оптический носитель, технология изготовления самого диска и способы конструирования сервосистем таких проигрывателей.
Первые работы по оптической записи информации надисковый носитель начались еще в 1961 году в стенах Стэндфордского университета в США. Запись информации осуществлялась фотографическими методами в виде светлых точек и черточек на темном фоне. Воспроизведение такой записи производилось путем просвечивания видеодиска лучом ртутной лампы.
В дальнейшем развитие видеодисков пошло по четырем основным направлениям.
Первым появилось сообщение о разработке механического способа видеозаписи в 1970 году. Способ этот, разработанный западногерманской фирмой TELEFUNKEN и английской фирмой DECKA, состоял в том, что видеосигнал записывался на хлорвиниловый диск диаметром 21 см и толщиной 1,2 мм в виде мелких зубчиков на стенках V-образной канавки. Воспроизведение такой записи осуществлялось, как и в обычной грамза-
писи, с помощью алмазной иглы. Колебания иглы передавались на непосредственно связанный с ней пьезоэлемент и, таким образом, механические колебания преобразовывались в электрический сигнал.
Запись механических видеодисков-оригиналов производилась так же, как и запись оригиналов для аналоговых грампластинок — путем вырезания канавки на диске с лаковым покрытием. Резец при этом был непосредственно соединен с пьезоэлементом, возбуждаемым электрическим сигналом записи.
Тиражирование таких видеодисков производилось так же и на том же оборудовании, что и долгоиграющие грампластинки.
Другой способ видеозаписи — емкостной — был предложен в 1972 году американской фирмой RCA. Запись информации при этом способе аналогична записи механического видеодиска — с помощью резца, соединенного с пьезоэлементом. Только осуществлялась она на алюминиевый диск, покрытый медью. Затем по первому оригиналу делали матрицу, а по ней из хлорвинила формировали видеодиски. Готовые видеодиски покрывались сначала тонкой металлической пленкой, а потом диэлектрическим защитным слоем.
Воспроизведение такой записи заключалось в изменении электрической емкости между электродом, расположенным на кончике воспроизводящей иглы, и металлической пленкой видеодиска. Там, где на поверхности видеодиска выступ — расстояние между ними уменьшалось и емкость, соответственно, увеличивалась. Там, где на диске углубление (пит) — расстояние увеличивалось, а емкость уменьшалась. С этой емкостью была соединена внешняя индуктивность, образуя резонансный контур. На контур подавалось переменное напряжение с частотой 915 МГц. Изменение емкости изменяло резонансную частоту контура и модулировало по амплитуде несущее колебание, что и обеспечивало возможность выделения видеосигнала.
Были и варианты емкостного метода, разработанные той же фирмой RCA и японской NIPPON BIKUTA.
Третий метод — оптический — был разработан к 1972 году фирмой PHILIPS. Здесь записанный сигнал представлял собой ряд углублений на отражающей поверхности диска, покрытого алюминием. Диск изготовлялся из прозрачной пластмассы и считывание производилось сквозь всю его толщину (около 1 мм). Считывающий луч либо отражался от алюминиевого слоя, либо рассеивался на углублениях, модулируя таким образом отраженный пучок, который и использовался для формирования воспроизведенного сигнала.
Аналогичная система в том же 1972 году была предложена фирмой MCA. А в 1973 году французская фирма THOMSON разработала видео
диск, воспроизведение которого осуществлялось не в отраженном, а в проходящем свете. Здесь луч лазера, проходя сквозь диск и расположенную внутри него дорожку, освещал четырехплощадочный фотоприемник, регистрирующий информационный сигнал и сигнал автотрекинга.
И, наконец, четвертый способ записи видеосигнала на диск — магнитный — был разработан западногерманской фирмой BOGEN в 1973 году. Здесь для записи и воспроизведения использовался тот же принцип, что и в магнитной записи на ленту, только вместо ленты роль носителя выполнял магнитный диск с рабочим слоем на основе двуокиси хрома толщиной 12 мкм.
Все вышеописанные способы видеозаписи были доведены до промышленного производства и в течение более или менее продолжительного периода времени занимали свое место на рынке видеоносителей.
Первые цифровые звуковые диски, которые начали появляться с начала 1973 года, были очень похожи на предшествовавшие им видеодиски. Здесь было три направления в способах записи информации — механический, емкостный и оптический.
Механический вариант представила все та же фирма TELEFUNKEN, емкостный — фирма NIPPON BIKUTA, а оптический — сразу несколько фирм, в том числе - PHILIPS, SONY, HITACHI, MITSUBISHI, SANYO и ряд других.
Среди оптических проигрывателей самым похожим на нынешний проигрыватель компакт-дисков был образец фирмы PHILIPS. Диаметр диска составлял здесь 12 см (у всех других — 30 см), время звучания — один час, использовался уже разработанный к тому времени канальный код EFM (8-14) и способ воспроизведения с постоянной линейной скоростью.
В июне 1979 года между фирмами PHILIPS и SONY был заключен договор о проведении совместных работ по созданию системы оптической записи звука.
В октябре 1980 года по инициативе конференции по цифровой звукозаписи была организована выставка, где демонстрировались проигрыватели всех трех систем. Их сравнительные характеристики представлены в табл. 1.1.
В апреле 1981 года представители 50 заинтересованных фирм на очередной конференции провели анализ положения на рынке сбыта каждой из предлагаемых систем звукозаписи.
На следующей выставке — в октябре 1981 года — оптические проигрыватели демонстрировали уже 16 фирм, и лишь две — емкостные. Механических проигрывателей не было представлено вовсе.
Таблица 1.1
Сравнительные характеристики трех систем цифровой звукозаписи
Продолжение таблицы 1.1
Разработчик	SONY, PHILIPS	NIPPON BIKITA	TELEFUNKEN
Способ воспроизведения	!	Оптический	Емкостный	Механический
Число каналов	2	2	2
Длительность записи, мин	60	60Г2	60
Диапазон воспроизводимых частот, Гц,..кГц	20...20	20...20	20...20
Отношение с/шум, дБ	90	90	85
Коэффициент гармонических искажений, %	0,05	0,05	0.0=
Стабилизация скорости воспроизведения	С ТОЧНОСТЬЮ кварцевого генератора	С ТОЧНОСТЬЮ кварцевого генератора	С ТОЧНОСТЬЮ кварцевого генератора
Диаметр диска, мм	120	260	135
Диаметр центрального отверстия, мм	15	38	8
Толщина диска, мм	1,2	1,2	1,2
Начало звписи	У центра диска	У края диска	У края диска 1
Скорость вращения, об/мин	500-200 Линейная скорость воспроизведения 1,2... 1,4 м/с	900	250
Шаг дорожки, мкм	1,6	1,35	2,4
Слежение за дорожкой	Без помощи специальной дорожки	С помощью направляющей дорожки	С помощью трапециедаль-ной канавки
Материал диска	Прозрачный поликарбонат	Электропроводный поливинилхлорид	Поливинилхлорид
Размеры кассеты, мм	Кассеты нет	324x268x7	144x150x8
Линейная плотность записи, кбит/см	16,92	У центра диска - 13,26; у края - 5,35	У центра диска - 23,18; у края - 10,3
Средняя поверхностная плотность записи, Мбит/см?	105,89	56,43	60,46
Разработчик	SONY, PHILIPS	NIPPON BIKITA	TELEFUNKEN
Частота дискретизации, кГц	44,1	47,25	48
Число разрядов и характеристика квантования	16, линейная	16, линейная	16, линейная
Модуляция	EFM	MFM	IDM
Имфазис	Т,=50; Тг=15	-	Т,=50: Т2=15
„ л Способ коррекции ошибок	Двойной код Рида - Соломона с перемеженном С1НС	Двойная проверка на четность с помощью циклической группы СПС	Проверка на четность	| с помощью циклической группы СЯС
Скорость считывания информации, Мбит/с	2,03	6,14	1,824
Избыточность, %	30	50	26
Дополнительные возможности	Возможна 4-канальная запись/воспро-изведение	Проигрыва тель способен воспроизводить видеодиски	Возможна 4-канальная запись/воспро-изведение
Стало ясно, что наиболее совершенной из всех оказалась система с оптическим диском, разработанная совместными усилиями SONY и PHILIPS. Небольшие размеры диска и использование полупроводникового лазера позволяли в будущем создавать малогабаритные аппараты невысокой стоимости. Кроме того, лазерный проигрыватель — единственный из всех, где считывание производится бесконтактным методом. Значит и диск, и считывающий узел при этом не изнашиваются, следовательно, и пластинка будет очень долговечной. Нельзя не учитывать и психологического воздействия на покупателя красивой, переливающейся всеми цветами радуги, зеркальной поверхности компакт-диска и необычным использованием в бытовой аппаратуре загадочного и непонятного для простого обывателя прибора — лазера. В результате к маю 1982 года фирмами SONY и PHILIPS был подготовлен проект международного стандарта на систему оптической звукозаписи «Компакт-диск». В это же время были завершены работы по созданию необходимых полупроводниковых лазеров и специализированных БИС цифровой обработки сигнала, которые являются основными элементами проигрывателей компакт-дисков.
К сентябрю того же года контракты на производство проигрывателей CD и самих компакт-дисков подписали уже 44 фирмы (из них только 11 — не японские). В октябре 1982 года стандарт на систему «Компакт-диск» был принят на конференции подкомитета 60А МЭК (Международной Электротехнической Комиссии) и компакт-диск начал свою победную экспансию по рынкам планеты.
Работы по созданию системы цифровой лазерной звукозаписи проводились и в нашей стране. В 1975 году в структуре ВНИИРПА им. А.С. Попова с этой целью была сформирована научно-исследовательская лаборатория под руководством Э.И. Вологдина. Основными задачами коллектива лаборатории были:
♦	поиск технических решений, позволяющих записывать преобразованную в двоичный код звуковую информацию студийного качества на оптический носитель и в дальнейшем осуществлять ее воспроизведение без потерь вышеупомянутого качества;
♦	подготовка комплекта документации (в том числе — стандарта) для организации серийного производства лазерных проигрывателей на отечественных предприятиях;
♦	подготовка рекомендаций для создания технологии тиражирования оптических дисков (слова «компакт-диск» тогда еще не существовало, как и самого компакт-диска).
Поскольку поиск решения этих задач предстояло вести на стыке сразу нескольких наук, то в одном коллективе требовалось собрать специалистов самого разного профиля — химиков, оптиков, математиков, конструкторов-механиков, разработчиков систем автоматического регулирования, специалистов по кодированию, цифровой обработке сигнала и т.д. и т.п.
Прежде всего, требовалось найти оптимальный химический состав фоторезиста, в наибольшей степени согласующийся со свойствами лазерного излучения, а также состав проявляющего раствора, позволяющего получить питы нужной формы с четкими границами. Для этого был оборудован участок вакуумного напыления и химическая лаборатория для обработки экспонированных дисков-оригиналов.
Предстояло разработать оптическую систему для формирования лазерного пучка и его фокусировки в пятно нужных размеров, а также способ автоматического поддержания в течение всего времени записи требуемого для этих целей расстояния между объективом и поверхностью носителя. Кроме того, требовалось решить проблему радиального перемещения записывающего объектива ровно на один шаг за один оборот диска. Экспе
рименты по записи дисков проводились в специальном помещении, где поддерживалась идеальная чистота и которое было оборудовано системой очистки воздуха до уровня не более 100 пылинок на 1 м3 объема (так называемая «чистая комната»).
Предстояло решить целый ряд непростых вопросов, связанных с формированием потока информации перед записью ее на носитель — как лучше объединять информацию в блоки, какой код и какой способ пере-межения лучше использовать для защиты ее от ошибок, каким канальным кодом модулировать цифровой поток, как обеспечить надежную синхронизацию информации по блокам, по символам и по битам.
Во время работы над проигрывателем много усилий было потрачено на поиск оптимальных методов автофокусировки, автотрекинга и управления двигателем вращения диска. Сложность заключалась в том, что, поскольку полупроводниковых лазеров тогда еще не было, для считывания пришлось использовать имевшийся в наличии газовый лазер ЛГ-75. Это довольно тяжелая трубка сантиметров 20 длиной. В этих условиях конструкция сервосистем проигрывателя в корне отличалась от той, что стала традиционной после появления полупроводниковых лазерных диодов. Лазер был закреплен неподвижно, а диск располагался на подвижной каретке. Луч лазера направлялся к поверхности диска через сложную систему оптических элементов — линз, призм и зеркал. Ошибка слежения за дорожкой отрабатывалась путем перемещения каретки с диском. Сейчас, как известно, все наоборот — диск укреплен на неподвижной панели, а перемещается оптическая головка с лазерным диодом.
Надо заметить, что такое техническое решение (неподвижный лазер и подвижная каретка с диском) спустя 15 лет было заново «изобретено» и широко разрекламировано в своих новейших моделях проигрывателей фирмой SONY как «Fixed pick Up» механизм.
Из-за того, что лабораторные образцы всегда делаются на дискретных элементах (специализированные микросхемы появляются только после того как полностью закончены исследования и отработана схемотехника), они получаются довольно громоздкими. «ЛУЧ-001» состоял из двух блоков. Верхний блок (тот, где диск и лазер) содержал считывающий узел и все контролирующие его работу сервосистемы. Нижний блок — это декодер вместе с системами синхронизации. Он тоже выполнен на обычных серийных микросхемах.
Модель проигрывателя «ЛУЧ-002» демонстрировалась на ВДНХ и была объектом внимания передачи Ленинградского телевидения, специально по
священной теме работы лаборатории. Миллионы телезрителей впервые увидели лазерный проигрыватель и оптический диск (за два года до появления на мировом рынке компакт-диска), а также услышали, как этот диск может звучать. Специально для демонстрации на него записали прекрасную лирическую мелодию из кинофильма «Мой ласковый и нежный зверь».
После демонстрации проигрывателя на ВДНХ во ВНИИРПА хлынул поток представителей различных предприятий, производящих бытовую радиоэлектронную аппаратуру. Новинка показалась настолько интересной и перспективной, что всем захотелось организовать производство подобной техники у себя. Когда же в ходе переговоров выяснялось, что для этого надо прежде всего наладить производство полупроводниковых лазеров, специализированных БИС и оптомеханических блоков, многих это ставило в тупик. Всеми необходимыми технологиями ни один из производителей не владел, ибо в силу особенностей плановой советской экономики монополии на разные виды технологий принадлежали предприятиям разных министерств.
Нужна была кооперация. Но ведомственные интересы в СССР всегда были превыше всего. В условиях стопроцентного государственного финансирования каждое министерство рассматривало любой новый проект исключительно сквозь призму возможностей получения под его реализацию хороших денег из госбюджета. Чем более масштабен проект, тем больше стимулов побороться за головную роль в его реализации.
Проект по реализации системы цифровой лазерной звукозаписи был масштабным и дорогим. Поэтому вместо кооперации между министерствами и предприятиями, их представляющими, разгорелась самая настоящая война со всеми ее атрибутами — разведкой и контрразведкой, неожиданными ударами по противнику и ретирадами с мест предполагаемого сражения.
Какие-то деньги время от времени выделялись, но попадали они чаще всего не к тому, кто может, а к тому, у кого больше связей во властных партийных структурах.
Уже давно был принят международный стандарт на систему CD, компакт-диск уже вовсю продавался на рынках планеты, а в СССР все продолжалась межминистерская война. Некоторые предприятия, такие, как ПО «Вега» из Бердска или таллинский «РЭТ» устав от борьбы, попытались решить задачу собственными силами (путем закупки импортных блоков и комплектующих) и какое-то время выпускали CD-проигрыватели.
Тем не менее, в целом задача так по сей день и не решена — теперь уже по совсем другим причинам. Но это уже тема для отдельного разговора, никакого отношения к технике не имеющего.
Все физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, являются непрерывными, т.е. изменение во времени любой физической величины от одного значения к другому происходит постепенно и включает в себя несчетное множество всех промежуточных значений этой величины. Отображение такого процесса путем аналогичного изменения какой-нибудь другой физической величины, например, электрического тока или напряжения, тоже должно происходить непрерывно и включать в себя все промежуточные значения отображаемого процесса.
Несчетное множество значений какой-либо физической величены, которые она принимает с течением времени, называется континуальным множеством, а электрический сигнал, отображающий изменение этой величины, называется континуальным или аналоговым сигналом.
Звук, который мы слышим и который представляет собой изменения давления в воздушной среде, является непрерывным или аналоговым процессом. Электрический сигнал, отображающий такой процесс, тоже будет иметь непрерывный характер. Это типичный аналоговый сигнал.
Если требуется сохранить звуковую программу для прослушивания ее в будущем, то эту программу тем или иным способом записывают на какой-нибудь носитель информации. Если этот носитель предполагает аналоговый способ записи (т.е. путем изменения одного из параметров этого носителя) с сохранением всего множества значений исходного сиг
нала, то теоретически при воспроизведении следовало бы ожидать абсолютно точного соответствия между записанным и воспроизведенным сигналами. Но это только теоретически. В действительности, каждый носитель обладает свойством вносить свои изменения в сделанную на нем запись. Такие изменения возникают как под воздействием внешних факторов (влияния окружающей среды или контакта с воспроизводящим устройством), так и в силу физических свойств самого носителя. Поскольку запись аналоговая, т.е. содержит в себе бесчисленное множество значений исходного сигнала, то малейшие изменения характеристик носителя приводят к пагубным и необратимым последствиям — в записанном материале появляются искажения, т.е. воспроизведенная звуковая программа с течением времени будет все больше и больше отличаться от ее оригинального звучания.
Избавиться от этого явления совсем в аналоговой записи невозможно. Можно лишь попытаться свести такие отличия к требуемому минимуму. Задача эта довольно сложная. Причем степень сложности ее зависит от того, насколько высоки требования к качеству воспроизведенного сигнала. Одно дело, если требуется записать, скажем, речь, так, чтобы потом можно было просто разобрать, что говорят, и совсем другое дело, если ставится задача обеспечить полноценное звучание записи концерта симфонической музыки. Сложность аппаратуры в одном и другом случае окажется несопоставимой. В последнем случае придется прибегать ко всякого рода техническим ухищрениям, чтобы обеспечить нужную полосу частот звукового сигнала, динамический диапазон, разделение каналов, отношение сигнал/шум и прочие параметры звука, которые в конечном счете и определяют возможность сохранения идентичности входного и выходного сигналов.
Но даже при всех этих стараниях существуют причины появления искажений, от которых избавиться невозможно. В случае винилового диска звуковая дорожка на его поверхности от соприкосновения с воспроизводящей иглой неизбежно будет повреждаться. И чем большее число раз диск проигрывать, тем больше будет повреждений. В результате появляются шорохи и потрескивания. И от этого никуда не деться. Раз есть механический контакт, значит неизбежно будет износ. А если пластинку поцарапали! Тут уж не поможет никакая даже самая наисложнейшая звуковоспроизводящая аппаратура.
Магнитная лента — тоже носитель далеко не безгрешный, хотя бы потому, что имеет свойство со временем размагничиваться. Это не говоря
уж о том, что в силу своих физических свойств любая лента обладает собственными шумами. Менее качественная — в большей степени, более качественная — в меньшей степени. Но ведь все равно шумит, и от этого тоже никуда не денешься. К тому же любая лента обладает неодинаковой чувствительностью к записи на разных частотах, или, как говорят специалисты, имеет неравномерную частотную характеристику. Конечно, разработчики и производители магнитных лент используют все возможности, чтобы выпрямить эту характеристику, но идеальной прямой все равно не получается. Кроме того, поскольку в процессе записи и воспроизведения лента имеет механический контакт с головкой магнитофона, то магнитный слой с ее поверхности потихоньку стирается и осыпается. И если головку можно периодически менять, то качество сигнала, записанного на ленте, теряется невосполнимо.
И это только часть причин, влияющих на качество звуковых программ при аналоговой записи. В общем случае, все, через что проходит сигнал при записи и воспроизведении, включая сам носитель, вносит свою лепту в процесс ухудшения параметров сигнала, т.е. увеличения разницы между записанным и воспроизведенным материалом.
Кроме того, еще одной неприятностью в аналоговой звукозаписи являются так называемые детонации, которые вызваны неравномерностью вращения диска или лентопротяжного механизма. На слух детонации воспринимаются как «плаванье» звука или характерное подвывание. Так же как и с искажениями, с детонациями борются, существенно удорожая аппаратуру, но совсем побороть никак не получается, по крайней мере, без неоправданного повышения стоимости.
Справиться со всеми вышеперечисленными недостатками помогает преобразование аналогового звукового сигнала в цифровую форму, т.е. в виде последовательности двоичных импульсов. В таком виде сигнал неизмеримо более устойчив ко всякого рода искажающим факторам. Не нужно заботиться о точности передачи импульса, достаточно, чтобы он был вообще. Поэтому многие отрицательные явления, присущие аналоговой записи, здесь достаточно легко сводятся к неощугимо малым величинам, а от некоторых, как, например, детонаций, можно избавиться совсем
2.1.	Преобразование акустических колебаний в электрический сигнал
Как уже отмечалось в начале данной главы, звук, который мы слышим, представляет собой упругие колебания окружающей нас воздушной среды (если мы, конечно, не нырнули с крутого бережка в прохладные воды тихой морской лагуны — там, естественно, звуковые колебания будут передаваться уже с помощью водной среды).
Однако, современные звукозаписывающие аппараты, в отличии от барометров, анероидов и страдающих гипертонией стариков и старушек, не способны реагировать на колебания давления окружающей их природной среды и «понимают» только колебания какой-нибудь электрической величины — тока, например, или напряжения. Чтобы преобразовать звуковые колебания воздушной среды в понятную каждому звукозаписывающему аппарату форму — электрический сигнал, требуется специальное устройство — микрофон.
В общем случае, микрофон — это прибор, реализующий функцию
U = F(P) или I = F(P),
где U — напряжение в вольтах (В),
I — ток в амперах (А),
Р — давление в паскалях (Па).
Способов преобразования акустических колебаний в электрический сигнал, а следовательно и конструкций микрофонов, существует достаточно много (рис. 2.1). Рассмотрим некоторые из них. Те, которые вероятней всего можно встретить в повседневном обиходе.
Во времена не столь отдаленные самым распространенным из микрофонов был угольный. Такой микрофон состоял из металлического корпуса, мембраны, в центре которой был укреплен подвижный электрод, неподвижного электрода, угольного порошка, изготовляемого из лучших сортов каменного угля (антрацита) и шелкового кружка, предотвращавшего высыпание угольного порошка.
При воздействии звукового давления на подвижную мембрану, она прогибалась, уплотняя угольный порошок. Сопротивление его при этом падало и ток в цепи увеличивался. При уменьшении звукового давления подвижная мембрана распрямлялась, сопротивление угольного порошка увеличивалось и ток в цепи, соответственно, уменьшался. Таким образом, колебания тока в цепи с определенной степенью точности отображали колебания звукового давления и, индуцируя во вторичной обмотке согла-
Схема работы простого катушечного микрофона
Плотность воздуха
Принцип работы микрофона
Рис. 2.1. Принцип действия и устройство
некоторых типов микрофонов
БИБЛИОТЕКА | УНИВЕРСИТЕТА,’ КИНОИТЕДЕВИДНМЯ УЧЕБНЫЙ ФОНД
Электродинамический (катушечный) микрофон 1 — постоянный магнит;
2 — керн;
3 — фланец;
4 — кольцевой воздушный зазор;
5 — звуковая катушка;
6 — подвижная мембрана
Конденсаторный микрофон:
1 — мембрана;
2 — корпус;
3 — изолирующее кольцо;
4 — металлокерамическая пластина
Электромагнитный микрофон:
7 — диафрагма;
2 — полюсный наконечник;
3 — обмотка электромагнита
Ленточный микрофон:
1 — гофрированная лента;
2 — полюсные наконечники;
3 — сквозные отаерстия
в полюсных наконечниках;
4 — магнит
Рис. 2.1. Принцип действия и устройство некоторых типов микрофонов (продолжение)
суюшего трансформатора соответствующее напряжение, могли быть записаны на магнитофон или переданы в сеть связи.
Однако, угольные микрофоны никогда не отличались высокими техническими параметрами (низкая чувствительность, высокий уровень собственных шумов, узкий диапазон частот и т.п.), поэтому к настоящему времени сохранились лишь в старых моделях телефонных аппаратов.
В профессиональной же звукозаписи наибольшее распространение получили электродинамические и конденсаторные микрофоны (рис. 2.1), которые обладают гораздо лучшими техническими характеристиками.
Устройство электродинамического (катушечного) микрофона показано на рис. 2.1. Оно напоминает устройство динамического громкоговорителя, поэтому последние часто используются в качестве микрофона — в переговорных устройствах, рациях — там, где качество сигнала не имеет решающего значения. Электродинамический микрофон имеет сильный постоянный магнит, напоминающий толстостенный стакан с круглым сердечником — керном в середине. К стороне, противоположной «дну» стакана прикреплен фланец — стальная накладка с круглым отверстием посередине. Между фланцем и керном магнита — узкий воздушный кольцевой зазор, в котором создается сильное магнитное поле. В этом кольцевом магнитном поле, не касаясь ни керна ни фланца, находится звуковая катушка из изолированного провода. Катушка скреплена с подвижной мембраной,0 сделанной из алюминиевой фольги или специального пластика. Края мембраны гофрированы, благодаря чему она и скрепленная с ней звуковая катушка обладают подвижностью в осевом направлении.
Когда на мембрану воздействуют упругие колебания воздуха, вызванные акустическим сигналом, она начинает колебаться, увлекая за собой катушку. При этом провода катушки начинают пересекать силовые линии существующего в зазоре мощного магнитного поля, и в катушке индуцируется переменное напряжение той же частоты, что и у звуковых колебаний. Чем выше тон звука, тем выше частота колебаний напряжения. Чем громче звук, тем больше амплитуда электрических колебаний звуковой частоты.
Устройство конденсаторного микрофона показано на рис. 2.1 Основу его, как следует из названия, составляет конденсатор, одной из рбкладок которого (неподвижной) является металлокерамическая пластина, другой — подвижная металлическая мембрана. Корпус микрофона изготовлен из керамики и отделен от металлокерамической пластины изолирующим кольцом. Последовательно с образованным таким образом конденсатором включен источник тока и нагрузочное сопротивление R.
При воздействии на мембрану акустических колебаний она начинает изгибаться в ту или иную сторону, вызывая тем самым изменение емкости конденсатора. Заряд из конденсатора начинает перетекать в источник тока (при уменьшении емкости) и обратно (при увеличении емкости). Движения заряда есть не что иное как ток, который вызывает на включенном в цепь нагрузочном сопротивлении R переменное напряжение. Частота и амплитуда этого напряжения соответствует частоте и амплитуде воздействующего на микрофон акустического сигнала.
Конденсаторные микрофоны являются наиболее совершенными приборами, так как имеют широкий частотный диапазон, малую неравномерность частотной характеристики, низкий уровень нелинейных и переходных искажений, высокую чувствительность и низкий уровень собственных шумов. В этом их главное преимущество перед электродинамическими микрофонами, которые также имеют широкое распространение в технике звукозаписи. Номинальный диапазон частот у конденсаторных микрофонов может достигать величины 20...20000 Гц, неравномерность частотной характеристики чувствительности во всем диапазоне частот — не более 8 дБ.
Кроме вышеперечисленных, встречаются еще электромагнитные и ленточные микрофоны (рис. 2.1), но их применение очень ограничено. В узкоспециальных целях могут использоваться также пьезорезистивные микрофоны, микрофоны с диффузионной диафрагмой, в том числе с напыленным р-п-переходом, а также микрофоны на туннельном диоде и прочие экзотические конструкции, не имеющие отношения к системам звукозаписи.
Технические параметры микрофонов
Чувствительность микрофона — отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению, выраженное в мВ/Па.
Уровень собственных шумов микрофона — выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемому микрофоном на нагрузке при давлении 1 Па при воздействии на микрофон полного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.
Стандартный уровень чувствительности — выраженное в децибелах отношение номинального напряжения, развиваемого на номиналь
ном сопротивлении нагрузки при звуковом давлении 1 Па, к напряжению, соответствующему мощности 1 мВт.
Динамический диапазон микрофона — разность между уровнями предельного звукового давления и собственных шумов.
Номинальный диапазон рабочих частот — диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.
Номинальное электрическое сопротивление — заданное в нормативно-технической документации активное сопротивление, которым замещается сопротивление микрофона при определении подводимой к нему электрической мощности.
Неравномерность частотной характеристики — разность между максимальным и минимальным уровнем чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.
Модуль полного электрического сопротивления — нормированное значение выходного или внутреннего электрического сопротивления на частоте 1 кГц..
Частотная характеристика — это зависимость осевой чувствительности или ее уровня от частоты.
Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона в свободном поле на определенной частоте от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.
Направленность микрофона — отношение чувствительности микрофона к осевой чувствительности.
Коэффициент направленности микрофона — отношение квадрата чувствительности микрофона в свободном поле в направлении рабочей оси к среднему по всем направлениям квадрату чувствительности на частоте f или в полосе частот со среднегеометрической частотой fq,.
Полярная характеристика микрофона — зависимость направленности микрофона от угла, составленного направлением падения звуковой волны и акустической осью.
Диаграмма направленности — графическое изображение характеристики направленности в полярных координатах.
Типовые диаграммы направленности микрофонов показаны на рис. 2.2. Правильный подбор и расстановка микрофонов в студии при осуществлении записи музыкальной программы является одним из решающих факторов получения безупречной фонограммы. Но об этом — в соответствующей главе.
Рис. 2.2. Типовые диаграммы направленности микрофонов: а) ненаправленная (круг);
б) двунаправленная косинусоида («восьмерка»); в) односторонне направленная (кардиоида);
г) односторонне направленная (суперкардиоида); д) односторонне направленная (гиперкардиоида)
А сейчас попробуем проследить, что же будет происходить с аналоговым музыкальным сигналом на долгом пути его преобразования в форму, пригодную для записи на компакт-диск.
2.2.	Основные понятия
Преобразование звукового сигнала в цифровую форму заключается в измерении мгновенных значений его амплитуды через равные промежутки времени и представлении полученных значений, называемых отсчетами, в виде последовательности чисел. Такая процедура называется аналого-цифровым преобразованием, а устройство для ее реализации — аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Числа, полученные в результате аналого-цифрового преобразования, выражаются в двоичной системе исчисления, т.е. в виде комбинации всего двух цифр — нулей (0) и единиц (1).
Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность его мгновенных значений (выборок) называется дискретизацией (рис. 2.3.6).
Определение чйсленного значения величины выборки (отсчета) называется квантованием. Для этого весь диапазон возможных изменений амплитуды преобразуемого сигнала делится на множество уровней квантования, количество которых определяется разрядностью используемого при этом двоичного числа. Чем больше число разрядов квантования, тем меньше расстояние между уровнями квантования (шаг квантования) и тем выше получается точность преобразования.
В процессе квантования за величину выборки (отсчет) принимается номер ближайшего уровня квантования (рис. 2.3.в).
В большинстве ныне существующих цифровых звуковых форматов используется 16-разрядное квантование. Это позволяет получить точность преобразования 1/216 = 1/65536.
С числом разрядов квантования N физически связан динамический диапазон D звукового сигнала.
D = 6N + 1,76 дБ = 6N + 2 дБ.
Следовательно, для цифровых систем звукозаписи с 16-разрядным квантованием
D = 6-16 + 2 = 98 дБ.
Скорость следования отсчетов в секунду называется частотой дискретизации, а расстояние между двумя соседними отсчетами — периодом дискретизации.
Выбор частоты дискретизации в общем случае определяется известной теоремой Котельникова (теоремой отсчетов), которая в оригинале звучит так:
Рис. 2.3. Аналого-цифровое преобразование:
а — исходный аналоговый сигнал; б — дискретизация; а — квантование
«Если наивысшая частота в спектре функции S(t) меньше чем fm, то функция S(t) полностью определяется последовательностью своих значений в моменты, отстоящие друг от друга не более чем на 1/2 fm секунд».
В рассматриваемом случае под функцией S(t) следует понимать непрерывный аналоговый звуковой сигнал, а под частотой fm — наивысшую частоту требуемого звукового диапазона. Если необходимо точно отобразить аналоговый сигнал в диапазоне до fm, то отсчеты должны следовать с периодом, по крайней мере, в два раза меньшим, чем период частоты fm. Иными словами, частоту дискретизации следует выбирать так, чтобы она была, по меньшей мере, в два раза выше максимальной частоты звукового диапазона.
При этом минимально возможная частота дискретизации Ед =2fm называется частотой Найквиста FH
FH =2fm.
На практике частота дискретизации Ед:
Ед = (2,1...2,4)fm,
В зарубежной литературе в аналогичных случаях ссылаются на теорему Шеннона, которая, по сути, имеет тот же смысл, что и теорема Котельникова.
Дальнейшие рассуждения будут более понятными, если взглянуть на полную схему тракта аналого-цифрового преобразования, показанную на рис. 2.2.
Чаще всего требуемая полоса звуковых частот ограничивается 20...22 кГц, а частота дискретизации при этом выбирается равной 44,1 или 48 кГц.
Последовательность отсчетов
Рис. 2.4. Структурная схема блока АЦП
Это обусловлено тем, что между наивысшей частотой звукового диапазона fm и половиной частоты дискретизации Ед/2 должен быть некоторый интервал, в который нужно поместить срез амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра низких частот (ФНЧ), расположенного на входе блока аналого-цифрового преобразования. Этот ФНЧ, который называется анти-элайсинг фильтром, нужен для того, чтобы ни одна составляющая спектра выше Ед/2 не попала на преобразователь. Дело в том, что спектр дискретизованного сигнала обладает периодической структурой. Кроме низкочастотной части, отображающей сам звуковой сигнал, он имеет еще и высокочастотные компоненты в виде боковых полос с центрами в точках, кратных частоте дискретизации (рис. 2.5). Если спектр звукового сигнала перед преобразованием не ограничить, то его высокочастотная часть может наложиться на смежную боковую полосу. При этом в преобразованном сигнале возникнут неустранимые искажения субдискретизации в виде паразитных высокочастотных составляющих (рис. 2.5.а). Звучание фонограммы будет безнадежно испорчено.
Поскольку в процессе квантования отсчеты могут принимать только значения кратные шагу квантования А, то при оценке истинного значения
иА
Рис. 2.5. Спектр дискретизованного сигнала: а — без ФНЧ; б — с ФНЧ
выборки неизбежно будет возникать некоторая ошибка q (рис. 2.6). Очевидно, что величина ошибки равна половине шага квантования и не зависит от уровня квантуемого сигнала. Функцию q(t) принято называть шумом квантования. Шум квантования будет тем ниже, чем меньше шаг квантования или, что то же самое, чем больше число разрядов квантования.
Очевидно также, что влияние шума сильно зависит от уровня преобразуемого аналогового сигнала. Если его амплитуда мала, то возникают характерные искажения, обусловленные появлением высших гармоник из-за зубчатой формы шума квантования. Причем на слух это воспринимается именно как искажения, а не как шум.
Ослабить влияние таких искажений можно, как ни парадоксально это звучит, с помощью добавления другого шума. Если подмешать во входной сигнал так называемый «белый» шум (шум, амплитуда которого практически постоянна в широком диапазоне частот), то корреляция (связь) между шумами квантования и амплитудой сигнала нарушается. При этом воспроизведенный сигнал уже не будет выглядеть искаженным. Добавление такого шумоподобного маскирующего сигнала (дифера) является важной частью процесса преобразования.
Назначение еще одного элемента тракта аналого-цифрового преобразования — устройства выборки и хранения (УВХ) ясно из его названия (рис. 2.4). Оно предназначено для удержания значения квантуемого сигнала на время преобразования.
До сих пор речь шла о таком виде аналого-цифрового преобразования, когда расстояние между уровнями квантования одинаково во всем диапазоне изменения амплитуды преобразуемого сигнала. Этот вид квантования называется линейным или квантованием с постоянным шагом (рис. 2.7.а).
Однако, иногда для преобразования используют нелинейное квантование или квантование с переменным шагом (рис. 2.7.6). В этом случае шаг квантования увеличивается с увеличением уровня преобразуемого сигнала. Для слабых сигналов шаг квантования маленький, для сильных сигналов — большой. При прочих равных условиях такой вид квантования позволяет лучше передавать слабые сигналы, поскольку отношение сиг-нал/шум в этом случае будет выше, чем в случае линейного квантования.
Кроме того, нелинейное квантование позволяет значительно повысить плотность записи (или скорость передачи информации), так как малым числом разрядов можно передавать большой динамический диапазон сигнала.
На рис. 2.7.6 характеристика квантования имеет вид логарифмической кривой, что оптимальным образом отвечает условиям задачи. Но на практике реализовать такую характеристику затруднительно. Поэтому ее аппроксимируют ломаной линией, состоящей из отрезков, разбивающих весь диапазон преобразования на ряд поддиапазонов, в пределах которых шаг квантования остается постоянным. Такие поддиапазоны называются сегментами квантования (рис. 2.7.в). Сегментов может быть от трех до десяти и более. Чем их больше, тем лучше, но при этом реализация системы становится сложнее.
Преобразование линейной характеристики в нелинейную осуществляется после АЦП с помощью специального цифрового кодирующего устройства. Обратное преобразование в воспроизводящем (или приемном)
Рис. 2.7. Характеристики квантования:
а — линейная; б — нелинейная логарифмическая; в — нелинейная трехсегментная
устройстве реализуется декодером с характеристикой, представляющей собой зеркальное отражение характеристики кодера относительно линейной характеристики.
Однако, при всех своих достоинствах, нелинейное квантование имеет один очень существенный недостаток. Слабые сигналы (или обертона) на фоне сильного сигнала (на участке характеристики с широким шагом квантования) могут сильно искажаться или даже исчезать совсем. Поэтому качество звука при нелинейном квантовании всегда хуже, чем при линейном.
Процесс обратного преобразования последовательности отсчетов в аналоговый сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройства для его осуществления — цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).
На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, величина ступенек которого равна численному значению соответствующих отсчетов. Чтобы из ступенчатого сигнала получить гладкую кривую, его необходимо пропустить через ФНЧ с характеристикой, аналогичной той, которую имел ФНЧ на входе АЦП (рис. 2.8). Здесь также важно, чтобы спектр звукового диапазона не перекрывался спектром ближайшей боковой полосы, ибо это также приведет к появлению искажений.
Рис. 2.8. Блок цифро-аналогового преобразования
Для этого характеристика ФНЧ должна иметь достаточно крутой срез — такой же, как в случае антиэлайсинг фильтра при аналого-цифровом преобразовании. Порядок такого ФНЧ должен быть не ниже 12-го. Однако построение фильтров высокого порядка связано с известными трудностями. Здесь требуется применение прецизионных пассивных элементов и высококачественных операционных усилителей с хорошей температурной и временной стабильностью. Причем, поскольку все это предназначено для использования в бытовом аппарате небольших размеров, все компоненты должны быть к тому же малогабаритными.
Кроме того, всякий фильтр высокого порядка обладает существенно нелинейной фазовой характеристикой. А это приводит к заметным на
слух искажениям звуков с крутыми перепадами уровня — барабанов, тарелок, рояля и пр.
Чтобы облегчить требования к фильтрации преобразованного сигнала, перед ЦАП можно разместить цифровой фильтр, Выполнить такой фильтр с нужными характеристиками значительно проще, чем аналоговый. Он может иметь достаточно высокий порядок и при этом обладать линейной фазовой характеристикой.
Однако, характеристика цифрового фильтра, как и спектр цифрового сигнала, тоже имеет периодическую структуру и тоже повторяется на частотах, кратных частоте дискретизации. Поэтому, если цифровой фильтр будет работать на частоте дискретизации Рд, то подавить высокочастотные компоненты все равно не удастся.
Проблема может быть решена путем искусственного увеличения частоты дискретизации Рд в несколько раз. При этом недостающие значения сигнала вычисляются по известным значениям методами интерполяции (рис. 2.9). Схема блока цифро-аналогового преобразования в этом случае приобретет вид, показанный на рис. 2.10.
Передискретизация позволяет значительно снизить требования к характеристике аналогового ФНЧ. Даже удвоение Рд дает возможность сделать
Рис. 2.9. Повышение частоты дискретизации с помощью интерполяции
Рис. 2.10. Блок цифро-аналогового преобразования
срез его АЧХ довольно пологим (рис. 2.11.а). А при увеличении частоты дискретизации в четыре, восемь и более раз, требования к аналоговому ФНЧ снижаются до вполне заурядных (рис. 2.11.6,в). За счет этого отношение сигнал/шум, а следовательно, и динамический диапазон, можно сделать даже большим, чем определяемая 16-разрвдным квантованием величина в 98 дБ.
Рис. 2.11. АЧХ цифрового и аналогового фильтров после двукратного (а), четырехкратного (б) и восьмикратного (в) повышения частоты дискретизации
2.3.	Принципы работы АЦП и ЦАП
Из этой пары взаимно дополняющих друг друга устройств первичным можно было бы считать АЦП, поскольку преобразование аналогового сигнала начинается именно с него. Однако, в большинстве случаев основной частью АЦП является как раз ЦАП. Поэтому, логичнее вначале познакомиться с принципами его работы.
Схема простейшего ЦАП показана на рис. 2.12. Он представляет собой суммирующий операционный усилитель с резистивной матрицей на входе. Число резисторов в матрице равно числу разрядов преобразуемого отсчета (на схеме — 16), каждый из которых управляет своим ключом. Если в соответствующем разряде «нуль», то ключ разомкнут, если «единица» — то замкнут. Величина сопротивления каждого последующего резистора, начиная с резистора старшего разряда, удваивается. Следовательно, ток, протекающий через эти резисторы, будет вдвое уменьшаться с уменьшением веса разряда. Выходное напряжение операционного усилителя будет пропорционально общему току и, следовательно, значению кода выборки.
Данная схема очень проста. Однако, для ЦАП высокой разрядности величина сопротивления весового резистора младшего разряда становится очень большой. Для 16-разрядного ЦАП — 65536R. Само по себе это не страшно, но точность при этом необходима чрезвычайно высокая — 1/65536 для 16-разрядного ЦАП. Реализовать такую точность в интегральном исполнении практически невозможно. Поэтому данная схема используется лишь для создания ЦАП низкой разрядности (до 10).
Опорное напряжение
Рис. 2.12. Схема суммирующего ЦАП с резистивной матрицей
2 Зак. 542
33
На рис. 2.13 показана еще одна схема ЦАП — на основе цепочки резисторов R-2R. Здесь используются всего два значения сопротивлений R и 2R. Один из резисторов (2R) включен последовательно с разрядным ключом, другой (R) — в суммирующую линию.
Работает такая схема следующим образом. Если значение какого-то разряда отсчёта равно «нулю», то соответствующий ключ замыкается на «землю», если «единице» — то на шину опорного напряжения. Совокупность положений ключей обеспечивает определенное значение тока на входе операционного усилителя, который формирует на своем выходе напряжение, величина которого соответствует значению двоичного отсчета.
Эта схема проще для интегрального исполнения чем предыдущая, но и у нее есть свои недостатки. В частности, для получения точности, необходимой при реализации высокоразрядных ЦАП, коммутирующие ключи в замкнутом состоянии должны обладать сопротивлением, близким к нулевому, и бесконечным — в разомкнутом. Реально такое невозможно, и особенно — в интегральном исполнении.
Теперь можно вернуться к аналого-цифровому преобразованию. Но для начала обратим внимание на то, что процесс аналого-цифрового преобразования требует времени, а преобразуемый сигнал непрерывно изменяется, и если не принять никаких мер для фиксации его значений на время преобразования, то результат будет содержать ошибку. Чтобы такого не происходило, на входе АЦП размещают так называемое устройство выборки
Рис. 2.13. Схема ЦАП на основе цепочки R-2R
и хранения (УВХ), которое в общем случае представляет собой аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) (рис. 2.14). В качестве элемента памяти в нем используется высококачественный конденсатор. Временные диаграммы работы УВХ показаны на рис. 2.15.
Когда ключ замыкается (время выборки Тв) напряжение на конденсаторе изменяется в соответствии с изменением входного сигнала. При размыкании ключа (время хранения Тх) напряжение на конденсаторе
Аналоговый
Входной буферный усилитель
Выходной буферный усилитель
Рис. 2.14. Схема УВХ
Рис. 2.15. Временные диаграммы работы УВХ
фиксируется и сохраняется без изменения на все время, пока АЦП осуществляет преобразование. Точность УВХ практически определяет точность преобразования и должна быть не хуже точности, соответствующей разрядности применяемого АЦП.
Классическим методом аналого-цифрового преобразования является метод последовательного приближения. Структурная схема АЦП, использующего такой метод, представлена на рис. 2.16, а временная диаграмма его работы — на рис. 2.17.
Тактовые
Вход вналогового сигнала (от УВХ)
Выход значения отсчета
Рис. 2.16. Структурная схема АЦП последовательного приближения
Рис. 2.17. Временная диаграмма работы АЦП последовательного приближения
Аналоговая выборка от УВХ поступает на первый вход аналогового компаратора. Первым тактовым импульсом в регистр последовательных приближений записывается код, который, попадая на входы ЦАП, вызывает появление на его выходе напряжения Up Это напряжение поступает на второй вход компаратора, который сравнивает оба напряжения. Если напряжение аналоговой выборки больше U,, то в старший разряд регистра записывается I, а если меньше — то 0. В зависимости от этого результата, после второго тактового импульса на выходе регистра последовательных приближений появится уже другой код, который вызовет изменение значения напряжения на выходе ЦАП и оно станет равным некоторому значению U2. Если после первого такта в старший разряд была записана 1, то U2 = 3/2 Ub а если 0 — то U2 = 1/2 Uf. Снова компаратор производит сравнение, а результат записывается в следующий разряд регистра. Этот процесс будет продолжаться с постепенным приближением напряжения на выходе ЦАП к значению аналоговой выборки столько раз, сколько разрядов имеет используемый АЦП.
Другим распространенным методом аналого-цифрового преобразования является метод двухэтапного интегрирования. Функциональная схема такого АЦП представлена на рис. 2.18, а временная диаграмма, поясняющая его работу — на рис. 2.19.
Рис. 2.18. Структурная схема АЦП с двухэтапным интегрированием
Здесь в начальный момент времени, определяемый сигналом «Пуск», ко входу интегратора подключается входной сигнал Ubx и запускается предварительно обнуленный счетчик. Напряжение на емкости С интегратора, а значит и на его выходе, начинает возрастать по линейному закону. Наклон прямой, характеризующий это напряжение (начальный участок на рис. 2.19), определяется его величиной UBx, а длительность интервала t| — емкостью счетчика, который с момента начала преобразования начинает заполняться тактовыми импульсами. В момент своего заполнения счетчик вырабатывает сигнал, который заставляет устройство управления переключить вход интегратора, подключив его к источнику стабильного тока с полярностью, обратной полярности Ubx (нижнее на рис. 2.18). С этого момента напряжение на выходе интегратора начинает уменьшаться (конечный участок на рис. 2.19). Поскольку разряд емкости С производится постоянным током, не зависящим от величины ее заряда, то наклон прямой, соответствующий напряжению на выходе интегратора, будет постоянным. Поэтому интервал времени t2, требуемый для полного разряда емкости С, пропорционален величине Ubx. Величина t2 определяется как момент полного разряда емкости С. При этом компаратор останавливает заполнение счетчика, и код на его выходе фиксируется как значение отсчета преобразуемой выборки.
Метод двухэтапного интегрирования позволяет получить высокую точность преобразования, не требуя высокой точности используемых элемен-38
тов. Нет необходимости иметь высокостабильный конденсатор, поскольку скорость изменения напряжения на нем как на этапе заряда, так и на этапе разряда обратно пропорциональна величине его емкости. Кроме того, дрейф или сдвиг порога срабатывания компаратора самокомпенси-руется, так как каждый этап преобразования начинается и заканчивается при одном и том же напряжении. Более того, здесь даже к стабильности тактовой частоты высоких требований не предъявляется. Дело в том, что интервал Е и интервал t2 получаются путем подсчета одних и тех же тактовых импульсов. Если тактовая частота уменьшится, скажем, на 5%, то на 5% повысится и уровень, которого достигает линейно нарастающее напряжение на первом этапе, и, соответственно, на 5% увеличится время разряда. Так как оба интервала отсчитываются с помощью одних и тех же тактовых импульсов, частота которых уменьшилась на 5%, то результирующее число получится неизменным.
Однако, при всех своих замечательных качествах, метод двухэтапного интегрирования обладает существенным недостатком — низким быстродействием.
И действительно, если частота дискретизации равна 44,1 кГц, то для того, чтобы обеспечить 16-разрядную точность, тактовые импульсы должны следовать, по крайней мере, с частотой
FT = 44,1 кГц х 2'6 = 44,1 кГц х 65536 = 2,9 ГГц.
Очевидно, что эта цифра чересчур велика — даже при том, что мы здесь не учли время заряда емкости интегратора, которое еще больше увеличит полученное значение тактовой частоты.
Поэтому в системах высококачественного воспроизведения звука применение метода двухэтапного интегрирования затруднительно. По крайней мере, в своем классическом виде.
Решить проблему можно, если использовать для разряда емкости интегратора несколько источников, значения токов которых отличаются друг от друга в 2П раз.
Расчеты показали, что для получения приемлемого значения тактовой частоты требуется всего 2-3 источника. Например, для получения тактовой частоты 7 МГц нужно три источника, токи которых относятся друг к другу как 210 : 25 : 1. Правда, точность соотношения токов при этом должна быть не хуже 1/210 (1/1024). Если это условие не выполнено, то на передаточной характеристике А/Ц (или Ц/А) преобразования появятся изломы. А это означает — значительное возрастание нелинейных искажений.
Схема АЦП с тройным токовым преобразованием представлена на рис. 2.20, а временные диаграммы его работы — на рис. 2.21. Здесь количество компараторов, счетчиков и ключей, как и число источников тока, равно трем. Чтобы получить 16-разрядное значение отсчета, первый счетчик (старшие разряды) должен иметь шесть разрядов, второй (средние разряды) — пять разрядов и третий (младшие разряды) — также пять разрядов.
Емкость С интегратора, хранящая значение выборки аналогового сигнала UBx, вначале разряжается током 1( с весом 210 до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не станет равным значению UA. Время разряда (ti) подсчитывается 6-разрядным счетчиком СТ1. Затем емкость С разряжается током 12 с весом 25 до величины UB, а время разряда (t2) подсчитывается 5-разрядным счетчиком СТ2. И на последнем этапе оставшийся на емкости С заряд разряжается током 13 с единичным весом до нуля. Время разряда (t3) фиксируется 5-разрядным счетчиком СТЗ.
Полученный на выходе трех счетчиков 16-разрядный код является искомым значением отсчета.
Значения опорных напряжений UA и Ub вычисляются как
и _25х13хт	_25х12хт
а - —£	;	в - с
где т	— период тактовой частоты;
С	— значение емкости интегратора;
12,	b — токи соответствующих источников.
Принцип токового интегрирования используется и в процедуре цифро-аналогового преобразования. Функциональная схема ЦАП с тройным токовым интегрированием показана на рис. 2.22, а временные диаграммы его работы — на рис. 2.23.
Здесь каждый 16-разрядный отсчет, поступающий на входной регистр ЦАП, делится на три группы разрядов. Старшие 6 разрядов записываются в счетчик СТ1, средние 5 разрядов — в счетчик СТ2 и младшие 5 разрядов — в счетчик СТЗ. Преобразование осуществляется путем заряда емкости С1 интегратора от трех источников I|, 12 и 13, соотношение токов которых выглядит как 210 : 25 : 1. При этом время подключения (t|...t3) каждого из источников тока зависит от значения цифрового кода, записанного в соответствующий ему счетчик. Каждый из счетчиков начинает отсчет тактовых импульсов (на схеме не показаны), начиная с числа, записанного в него из входного регистра РГ, и продолжается до полного обнуления. При обнуле-
Рис. 2.20. Структурная схема АЦП с тройным токовым интегрированием
Рис. 2.21. Временные диаграммы работы АЦП с тройным токовым интегрированием
Рис. 2.22. Функциональная схема АЦП с тройным токовым интегрированием
Рис. 2.23. Временные диаграммы работы АЦП с тройным токовым интегрированием
нии соответствующий источник тока отключается от емкости С1. Таким образом, суммарный заряд в емкости интегратора, а значит и напряжение на его выходе в точности соответствует значению входного отсчета. После того как преобразование закончено, сигнал с выхода интегратора переписывается в устройство выборки и хранения (УВХ) путем замыкания ключа К5. Выход УВХ является входом ЦАП. Затем ключ К5 снова размыкается, а ключ К4 замыкается, разряжая емкость С1 интегратора для подготовки его к очередному циклу преобразования.
Следует отметить, что при такой схеме ЦАП сигнал на его выходе будет однополярным (рис. 2.24.а). Чтобы получить двухполярное выходное напряжение, ко входу интегратора подключается источник (14) постоянного смещающего тока, который имеет направление, противоположное направлению тока источников 1| — Ц (рис. 2.24.в). В результате выходной сигнал становится двухполярным, а размах его увеличивается в два раза (рис. 2.24.6).
Во всех существующих стандартах на цифровую звукозапись (CD, DAT, MD) используется двухполярный аналоговый сигнал, а кодирование его осуществляется так называемым двоичным дополнительным кодом.
10241
32<
в)
Рис. 2.24. Принцип формирования двухполярного сигнала
Если некоторое число А, содержащее b+1 двоичный разряд, записать как А = aoaia2...ab.
где ао — знаковый разряд;
а| — старший значащий разряд;
аь — младший значащий разряд,
то число А в дополнительном коде [А]доп будет выглядеть как
= [0,а,а2... а„, |1,а,а2 ...аь +1,
при А > О, при А < 0.
Другими словами, если число А положительное, то в знаковый разряд [А]до„ записывается 0, а его числовые разряды соответствуют числовым разрядам исходного числа. Если число А отрицательное, то в знаковый разряд [А]доп записывается 1, числовые разряды исходного числа инвертируются (0 заменяется 1, и наоборот) и к младшему числовому разряду добавляется 1.
Например, представим число —13 в дополнительном коде:
-13—>-1101—>1,1101—> 10010 + 1 -» 10011.
Дополнительный код удобен для выполнения операций умножения и сложения в цифровых фильтрах. Однако, из-за наличия двух значений нуля (000...0 и 111...1) при реализации устройств А/Ц и Ц/А преобразования возникают некоторые сложности.
2.4.	АЦП и ЦАП на основе сигма-дельта модуляции
В последнее время все более широкое распространение получают методы А/Ц и Ц/А преобразования на основе использования сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста (F(1). В процессе такого преобразования анализируется нс амплитуда аналогового сигнала, а направление се изменения. Если амплитуда возрастает, то результатом преобразования будет 1, а если уменьшается — то 0. Нулевой уровень кодируется чередующимися нулями и единицами.
Сигма-дельта (или дельта-сигма) модуляция известна достаточно давно — еще с 1962 года. Однако, практическое применение ее в системах высококачественного воспроизведения звука до недавнего времени было затруднено тем, что не было достаточно быстродействующей элементной базы.
Основная идея такого метода состоит в том, что спектр шума квантования, возникающего в процессе дискретизации с низким разрешением, преобразуется так, что в полосе звуковых частот его уровень понижается, а в области высоких частот (за пределами основной полосы) повышается. Затем полученный цифровой поток обрабатывается прореживающим фильтром низких частот (фильтр-дециматор) с получением в результате последовательности отсчетов необходимой разрядности, следующих с выбранной частотой дискретизации.
Схема блока аналого-цифрового преобразования с использованием сигма-дельта модуляции приведена на рис. 2.25. В отличии от многоразрядных АЦП, здесь для выделения полосы частот звукового сигнала не требуется применения сложного антиэлайсинг-фильтра. Вполне достаточно простого ФНЧ 3-го порядка. Кроме того, не требуется и применения устройства выборки и хранения (УВХ), так как преобразование аналогового сигнала осуществляется непосредственно, без предварительной фиксации величины выборки.
Рис. 2.25. Блок АЦП с использованием сигма-дельта модулятора
Схема простейшего сигма-дельта модулятора, выполняющего функции одноразрядного АЦП, представлена на рис. 2.26. Он включает в себя квантователь (непосредственно сам одноразрядный АЦП), интегратор (одноразрядный ЦАП) и фильтр-преобразователь шума (в зарубежной литературе — noise shaper). Одноразрядный АЦП является источником шума квантования высокого уровня, спектр которого для упрощения вычислений обычно считают равномерно распределенным вдоль оси частот — белым шумом (на самом деле он таковым нс является — из-за нелинейности квантователя, охваченного петлей обратной связи).
Рис. 2.26. Простейший сигма-дельта модулятор
Для того, чтобы минимизировать содержание шумов в полосе звуковых частот, в схему включен рекурсивный фильтр-преобразователь, который перемещает часть спектра шума квантования в высокочастотную область, где его можно легко отфильтровать на стадии децимации (рис. 2.27).
Рекурсивным фильтром называется такой фильтр, значение сигнала на выходе которого в любой момент времени зависит не только от конечного числа отсчетов входного сигнала, но и, благодаря обратным связям, от некоторого числа отсчетов выходного сигнала в предшествующие моменты. Такие фильтры называют еще фильтрами с бесконечной импульсной характеристикой или БИХ-фильтрами.
Рис. 2.27. Эффект применения фильтра-преобразователя
Фильтр, значение сигнала на выходе которого зависит только от конечного числа отсчетов на его входе, называется трансверсальным фильтром или фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтром).
Схема блока цифро-аналогового преобразования с использованием сигма-дельта модуляции приведена на рис. 2.28. Здесь процедура преобразования обратна вышеописанной. Вначале последовательность n-разрядных отсчетов, следующих с частотой Найквиста, поступает на трансверсальный фильтр-интерполятор. Здесь скорость следования отсчетов увеличивается в N раз и вычисляются промежуточные значения сигнала. Разрядность их при этом может увеличиваться, уменьшаться или оставаться прежней. Это зависит от алгоритма преобразования.
После этого последовательность отсчетов поступает на рекурсивный фильтр-преобразователь шума, задачи которого те же, что и при аналого-цифровом преобразовании — переместить часть спектра шума из основной полосы в область высших частот (рис. 2.27). При этом разрядность отсчетов уменьшается до одного. Полученный двоичный поток подастся на простой одноразрядный ЦАП, построенный на основе переключаемых емкостей, который формирует из него аналоговый сигнал. Окончательная фильтрация осуществляется аналоговым ФНЧ 3-5-го порядков.
Основным достоинством одноразрядного преобразования является простота исполнения квантователя и ЦАП, не требующих высокоточных взвешивающих элементов, которые очень сложно реализовать в интегральном исполнении.
Принцип сигма-дельта модуляции положен в основу разработанного фирмой PHILIPS метода цифро-аналогового преобразования «Bit Stream», который до сих пор широко используется ею в своих проигрывателях компакт-дисков. Алгоритм такого преобразования, реализованный в микросхеме SAA7320 и ее многочисленных модификациях, показан на рис. 2.29.
Последовательность п-разрядных отсчетов следующих с частотой Найквиста
кУНЧ
Рис. 2.28. Блок ЦАП с использованием сигма-дельта модулятора
L	в
Рис. 2.29. Алгоритм работы системы «Bit Stream», реализованный в микросхеме SAA7320 фирмы PHILIPS
На первом этапе производится увеличение частоты дискретизации исходного сигнала в 256 раз (4x32x2), которая после этого становится равной 11,2396 МГц. Промежуточные значения отсчетов вычисляются вначале с помощью трансверсального фильтра с линейной фазовой характеристикой, затем с помощью линейной интерполяции и, наконец, путем удержания предыдущего значения. Здесь же к полезному сигналу подмешивается мас
кирующий шумоподобный сигнал (дифер), из-за чего разрядность отсчетов повышается до 17. На этом этапе, кроме передискретизации, осуществляется еще и цифровая регулировка громкости выходного сигнала проигрывателя, а также реализуется функция приглушения, которая включается при наличии длинных последовательностей искаженных отсчетов.
После передискретизации производится преобразование спектра шума квантования с помощью сигма-дельта модулятора второго порядка (рис. 2.30). При этом число разрядов в потоке данных уменьшается до одного. В результате такой операции большая часть шумов квантования из слышимой области перемешается далеко за ее пределы.
Рис. 2.30. Фильтр-преобразователь шума (сигма-дельта модулятор 2-го порядка) системы «Bit Stream»
И наконец, на последнем этапе из двоичного потока формируется аналоговый сигнал. Такое формирование осуществляется с помощью простого одноразрядного преобразователя, представляющего собой устройство с переключаемыми емкостями. Выходной каскад ЦАП является к тому же первым звеном аналогового ФНЧ.
Окончательное устранение шумов квантования осуществляется аналоговым фильтром Баттерворта третьего порядка. Здесь же производится коррекция предыскажений (деимфазис), если в служебных данных присутствует сигнал о их наличии.
Параллельно с фирмой PHILIPS на возможности сигма-дельта модуляции обратили внимание и разработчики японского концерна MATSUSHITA. Однако, они пошли несколько иным путем. Установлено, что степень подавления шумов квантования сигма-дельта модулятором возрастает с повышением его порядка, но стабильность контура сигма-дельта модуляции при этом уменьшается. Максимально возможным устойчивым контуром является контур второго порядка. Не случайно именно он был использован фирмой PHILIPS в своей системе «Bit Stream».
Японские специалисты нашли выход из положения, соединяя одноконтурные и двухконтурные сигма-дельта модуляторы в каскадную схему.
В результате ими была разработана целая серия ЦАП с многоступенчатым преобразованием шума, получившая название MASH (Multi Stage Noise Shaping). Такие преобразователи отличаются друг от друга как числом и порядком контуров сигма-дельта модуляции, так и кратностью предварительной передискретизации, а следовательно, и качественными показателями выходного сигнала. Предназначены они для звуковоспроизводящей аппаратуры различных категорий сложности и стоимости (CD, DAT). Кроме того, преобразователи шума системы MASH отличаются и числом уровней выходного сигнала: он может быть не только двухуровневым, как у системы «Bit Stream», но и трех-, пяти-, семи- и одиннадцатиуровневым. Поэтому столько же уровней должен иметь и ЦАП, расположенный после преобразователя шума.
На рис. 2.31 приведена функциональная схема трехкаскадного преобразователя шума системы MASH, вырабатывающего на выходе одиннадцатиуровневый сигнал и работающего на частоте дискретизации 2,048 МГц.
Рис. 2.31. Преобразователь шума системы MASH
2.5.	Особенности звучания цифровых фонограмм, обусловленные аналого-цифровым преобразованием
Для любого цифрового источника звуковых программ блок цифро-аналогового преобразования является определяющим звеном тракта воспроизведения, ответственным за качество и характер звучания аппарата. От него зависят все основные параметры звука — отношение сигнал/шум, динамический диапазон, полоса воспроизводимых частот, а также его тембральная окраска. Конечно, динамический диапазон и отношение сигнал/шум для носителей, использующих линейное квантование (как например CD или DVD-Audio) в первую очередь определяются его разрядностью, а полоса воспроизводимых частот — частотой дискретизации.
Однако, первые два параметра можно улучшить (как, впрочем, и ухудшить) путем использования тех или иных компонентов тракта цифро-аналогового преобразования, в том числе и самого преобразователя, а также способом выполнения цифровых и аналоговых ФНЧ.
Третий же параметр — полосу воспроизводимых частот — расширить невозможно. Для CD предельное значение ее верхней границы — 20 кГц. Это ограничение строго выполняется еще при подготовке фонограммы для записи на мастер-диск. Все частотные компоненты выше 20 кГц тщательно отфильтровываются. Строго говоря, подавлены должны быть все составляющие спектра выше частоты 22,05 кГц, которая равна половине частоты дискретизации. Но, поскольку срез реальной амплитудно-частотной характеристики не бывает абсолютно вертикальным, запас в 2,05 кГц нужен для того, чтобы обеспечить переход от полосы пропускания к полосе задерживания. Если останется хоть один компонент выше 22,05 кГц, то в фонограмме появятся неустранимые искажения, обусловленные самим принципом аналого-цифрового преобразования.
Поэтому бессмысленно пытаться расширить полосу воспроизводимых частот в проигрывателе компакт-дисков или другом цифровом аппарате, использующем частоту дискретизации 44,1 кГц. Составляющих спектра выше 20 кГц там все равно нет (по крайней мере полезных). Но и за эти «законные» 20 кГц еще нужно побороться. Сами по себе, автоматически, они не получатся. Для этого используют все существующие на сегодняшний день возможности — искусственное повышение частоты дискретиза
ции, эффективную цифровую фильтрацию, а также добротные аналоговые ФНЧ с хорошей неравномерностью в полосе пропускания. Особенно сложно это сделать на краях диапазона — вблизи единиц герц и вблизи 20 кГц. Поэтому в моделях низших ценовых категорий, как правило, ограничиваются какими-то необходимыми и достаточными, с точки зрения разработчиков, цифрами. Например: 20 Гц — 18 кГц, 10 Гц — 20 кГц или 2 Гц — 20 кГц. В среднестатических условиях домашнего прослушивания особенно сильного влияния на звучание фонограмм это не оказывает.
Особенности звучания цифровой аудиоаппаратуры вытекают из самой природы процессов преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (цифровой) и обратно. Определяющим, конечно, является первичный этап, а именно: каким способом и с помощью каких аппаратных средств осуществляется аналого-цифровое преобразование. Однако, результат этого этапа изначально ограничен условиями того, в какой именно форме требуется представить информацию для записи на носитель — в виде последовательности отсчетов (CD, DAT, DVD-Audio) или в виде непрерывного одноразрядного потока (SupcrAudioCD).
Если требуется получить, скажем, последовательность 16-разрядных отсчетов с частотой 44,1 кГц для подготовки мастср-диска CD, то с какой бы точностью не производилось квантование (18, 20 или 24 разряда), результат все равно будет обладать 16-разрядным разрешением — и не более того. То же самое получится в случае формирования 16-разрядных отсчетов с помощью сигма-дельта модуляции и последующим понижением частоты дискретизации до 44,1 кГц. Но, с другой стороны, не стоит думать, что использование высокоразрядного линейного АЦП или одноразрядного кодирования в данном случае неоправдано. Линейные АЦП из-за целого ряда погрешностей почти всегда имеют реальную точность ниже номинальной. Применение 16-разрядного АЦП в действительности могло бы обеспечить только 15-разрядный результат, а то и хуже. Поэтому, чем выше номинальная точность преобразователя, тем более «честными» получатся требуемые 16 разрядов.
Наилучшие результаты дают одноразрядные АЦП с использованием сигма-дельта модуляции. По этой причине, а также вследствии их простоты и дешевизны, они получают все более широкое распространение на практике. Только с их помощью можно получить реальную точность в 20 или 24 разряда, которая требуется при подготовке материала для записи дисков DVD-Audio.
Преобразования одноразрядного цифрового потока в последовательность отсчетов не требуется, если речь идет о подготовке материала для
записи на диск SuperAudioCD(SACD). Но об этом мы поговорим чуть позже — в соответствующем разделе. Тем более, что этот формат пока что является экзотической диковинкой на рынке аудионосителей и будущее его не совсем понятно.
Если же говорить о форматах, где звуковая информация записывается на носитель в форме n-разрядных отсчетов (CD, DAT, MD, DVD-Audio), то для воспроизводящего устройства качество исходного материала определяется только параметрами квантования — разрядностью и частотой дискретизации. При условии, конечно, что эти параметры полностью обеспечены на этапе аналого-цифрового преобразования, независимо от того, каким именно способом оно производилось.
Если источником звуковой информации является компакт-диск, то исходный материал, представленный на нем в виде 16-разрядных отсчетов, следующих с частотой 44,1 кГц, номинально позволяет получить отношение сигнал/шум и динамический диапазон порядка 98 дБ, коэффициент нелинейных искажений 0,0015% и полосу частот до 20 кГц. В принципе этого вполне достаточно, чтобы качество звучания удовлетворяло самого взыскательного слушателя. Для сравнения: лучшие аналоговые записи могут обеспечить динамический диапазон порядка 60-70 дБ, а коэффициент нелинейных искажений порядка 0,1-0,3%. Но у всякого цифрового источника (даже при условии реализации номинальных качественных характеристик) есть одна особенность. Величины отношения сигнал/шум и коэффициента нелинейных искажений справедливы только для сигнала с амплитудой, близкой к максимальной. Если же в фонограмме есть фрагменты тихого звучания — скажем, такого, который кодируется тремя-четырьмя разрядами, то соотношение между полезным сигналом и шумом квантования резко ухудшается. Например, при уровне сигнала, для кодирования которого достаточно четырех разрядов, величина шума квантования будет составлять уже 1/24 = 1/16 = 6,25%. А это уже много. Звучание фонограммы в этом случае обогащается высшими гармониками и приобретает специфическую «цифровую» окраску — как бы с «песочком».
Кстати, обратите внимание на то, что в аналоговой записи чем слабее сигнал, тем он чище, так как в нем меньше нелинейных искажений, а чем выше уровень сигнала, тем искажений больше. В цифровой записи все наоборот — чем сильнее сигнал, тем он качественнее, а слабые сигналы передаются с искажениями. Причем зависимость здесь прямо пропорциональная — чем меньшее число разрядов задействовано для кодирования звука, тем хуже его качество.
Однако, здесь не надо путать с обшей громкостью звучания фонограммы. Если просто уменьшить уровень воспроизведения какой-либо цифровой записи, то качество звука от этого не ухудшится. Речь идет только о тихих звуках внутри фонограммы с присутствием громких звуков.
Средства борьбы с цифровыми искажениями уже известны — это использование передискретизации высокоразрядных ЦАП и сигма-дельта модуляции.
При повышении частоты дискретизации цифровой фильтр-интерполятор вычисляет промежуточные значения отсчетов (см. рис. 2.7). Число разрядов в полученных результатах при этом увеличивается. Если использовать для преобразования 16-разрядный ЦАП, то лишние младшие разряды округляются до ближайшего 16-разрядного значения. Но если процедура обеспечивает отношение сигнал/шум 98 дБ и более, то имеет смысл испОйьзовать ЦАП более высокой разрядности, например, 18-разрядный или 20-разрядный. Хотя такая замена имеет смысл в любом случае. Дело в том, что ЦАП — изделие, требующее очень высокой точности в технологии изготовления, обеспечить которую даже в современных условиях крайне сложно. Из-за этого они всегда обладают некоторой нелинейностью преобразования, отражающую ошибку, которую может дать реальное единичное приращение формируемого уровня аналогового сигнала в сравнении с теоретическим. Эта величина связана с величиной приращения от младшего значащего разряда.
Кроме того, ЦАП сам является источником некоторого фонового шума, обусловленного шумами входящих в его состав элементов. Существуют также и другие погрешности цифро-аналогового преобразования. Именно из-за наличия этих погрешностей многоразрядные линейные ЦАП (а также АЦП) далеко нс всегда имеют реальную разрешающую способность, соответствующую номинальной. Кроме того, успех применения многоразрядных ЦАП в проигрывателях компакт-дисков весьма сомнителен из-за того, что источник цифрового сигнала — сам компакт-диск — все равно остается 16-разрядным, так что, строго говоря, какой бы высокоразрядный ЦАП не использовался, разрешающая способность полученного результата все равно останется 16-разрядной. Единственным, но достаточно серьезным преимуществом увеличения разрядности применяемого ЦАП, является уменьшение уровня его собственных шумов и улучшение линейности преобразования.
Иногда вместо одного ЦАП в каждом стереоканале используют по два. При этом один из ЦАПов преобразует положительную полуволну анало
гового сигнала, другой — отрицательную. Эффект от такого включения в общем случае эквивалентен увеличению разрешающей способности на один разряд. В деталях — все зависит от способа включения и от типа самого преобразователя.
Болес эффективным способом борьбы с шумами дискретизации представляется использование сигма-дельта модуляции — как в системах «Bit Stream» фирмы PHILIPS и MASH фирмы MATSUSHITA (TECHNICS, Panasonic). Например, в модели TECHNICS SL-PS 840 отношение сиг-нал/шум составляет 118 дБ, динамический диапазон — 99 дБ, а коэффициент гармонических искажений — 0,0015%.
Звучание аппаратов с такими параметрами отличается особой чистотой и прозрачностью с хорошей проработкой как очень тихих, на пороге слышимости, так и очень громких звуков.
Пионером на пути к увеличению частоты дискретизации и уменьшению разрядности цифро-аналоговых преобразователей была фирма PHILIPS, которая уже в самых первых моделях своих CD-проигрывателсй — CD-100, CD-200 и CD-300 использовала 14-разрядный преобразователь TDA154O и 4-кратный фильтр передискретизации SAA7030. Результат при этом получался лучше, чем у другой основоположницы стандарта на систему «Компакт-диск» — фирмы SONY, которая в своих первых моделях проигрывателя CD использовала «честный» 16-разрядный ЦАП без всяких цифровых фильтров. В тс времена даже 16-разрядные преобразователи были дорогими и неточными, и приходилось использовать сложные аналоговые фильтры с крутым срезом АЧХ, но нелинейной фазовой характеристикой.
Теперь обратим внимание еше на одну особенность цифровой звукозаписи. При формировании программ для записи на компакт-диски на студии используют обычные усилители звуковой частоты для лучшей передачи высокочастотных составляющих спектра звуковых сигналов их часто усиливают с тем, чтобы при воспроизведении ровно на ту же величину ослабить. Характер такого усиления (предыскажения) оговорен стандартом на систему «Компакт-диск» и иллюстрируется рис. 2.32. Эта операция носит название преимфазиса.
Любой проигрыватель компакт-дисков имеет цепи обратной коррекции (деимфазиса) (рис. 2.33). Информация о том. сделана ли данная запись с использованием преимфазиса или без него, содержится в служебной группе, которая присутствует в каждом кадре записанной фонограммы (см. разд. 3.3). Управляющий процессор проигрывателя фиксирует такую информацию и автоматически включает цепь деимфазиса, если это нсобхо-
Рис. 2.32. Характеристика преимфазиса
Рис. 2.33. Характеристика деимфазиса
димо. Никакого вмешательства пользователя при этом не требуется. Цепь деимфазиса представляет собой часть ФНЧ, расположенную после ЦАП.
Если проигрыватель не имеет блока цифро-аналогового преобразования и воспроизведение осушсствляется через цифровой выход, то цепь деимфазиса должна располагаться во внешнем блоке ЦАП. В этом случае интерфейс, связывающий проигрыватель и блок ЦАП, должен предусматривать сигнал о наличии преимфазиса. В случае отсутствия такой информации должны быть предусмотрены соответствующие входы или переключатели на блоке ЦАП. При этом следует иметь в виду, что подавляющее большинство записей на компакт-дисках делается с использованием пре-
имфазиса. Так что если информация отсутствует, то он скорее есть, чем нет, и коммутацию входов ЦАП нужно делать с учетом именно этого предположения. В противном случае фонограмма будет перенасыщена высокочастотными составляющими и получится очень грубое звучание.
И, наконец, еще одно замечание. Если послушать одну и ту же фонограмму с компакт-диска и, скажем, с аналоговой компакт-кассеты, то может показаться, что кассета звучит громче. Такое ощущение складывается из-за того, что динамический диапазон магнитофонной записи значительно уже — в лучшем случае 70...75 дБ. Если поставить ручку громкости усилителя в положение, соответствующее границе появления искажений на пиках сигнала, то средний уровень воспроизводимой фонограммы в случае магнитофонной кассеты будет выше из-за того, что «расстояние» в децибелах от этого самого среднего уровня до максимального у нее меньше, чем у цифровой записи с динамическим диапазоном в 100 дБ. Для полноценного звучания цифровой звуковой программы усилитель должен обладать запасом мощности, чтобы передать все ее нюансы — от самого слабого уровня до максимального. А если захочется получить ту же среднюю громкость, что и у магнитофонной записи, придется взять более мощный усилитель и может быть более мощные акустические системы — иначе будет перегрузка на пиках сигнала.
1________
и®©го шгшш вшспмш <о».м»
Принятие в октябре 1982 года Международного Стандарта на систему «Компакт-диск» положило начало наступлению новой эры в истории звукозаписи — переходу к цифровым источникам программ. Система CD и на самом деле оказалась очень удачной. Носитель — компакт-диск — несмотря на малые размеры в сравнении с виниловым диском, хорошо защищен от повреждений и может содержать в себе немыслимую по тем временам программу — до 74 минут. К тому же программа эта студийного качества.
Одним из решающих достоинств цифровых методов записи является то, что звуковую информацию, преобразованную в двоичный код, можно как угодно перемешивать, уплотнять и вписывать в нее любые служебные отметки. Именно поэтому проигрыватель компакт-дисков может работать по заданной слушателем программе, воспроизводя музыкальные дорожки в любой желаемой последовательности.
Такие потребительские качества обеспечиваются тщательно продуманным построением системы и использованием в ней последних достижений мировой науки, техники и технологии. Познакомимся с ней поближе.
Таблица 3.1
Технические параметры системы «Компакт-диск»
Параметры	Значения
Диаметр диска, мм	120
Диаметр центрального отверстия, мм	15
Толщина диска, мм	1,2
Материал диска	Поликарбонат
Способ воспроизведения информации	Постоянная линейная скорость 1.2.. 1.4 м/с
Шаг дорожки, мкм	1,6
Минимальная длина пита, мкм	0,83
Длина волны лазера, нм	780
Числовая апертура считывающего объектива	0,45
Частота дискретизации, кГц	44,1
Число разрядов и характеристика квантования	16, линейная
Скорость считывания звуковой информации, Мбит/с	1,4112
Общая скорость считывания информации, Мбит/с	1,9404
Канальная скорость считывания, Мбит/с	4,3218
Канальная модуляция	EFM (преобразование 8-14)
Коррекция ошибок	CIRC (двойной код Рида-Соломона с тройным перемежением)
Максимальная продолжительность записи, мин	74
Максимальный объем звуковой информации, записанной на диске, Гбайт	С 0.78
Технические параметры системы «Компакт-диск» представлены в табл. 3.1, структурная схема тракта преобразования звукового сигнала показана на рис. 3.1, а диаграммы, поясняющие последовательность операций по формированию блока данных перед записью информации на носитель — на рис. 3.2.
Аналоговый музыкальный сигнал, предназначенный для записи, поступает на два входа (L и R) блока аналого-цифрового преобразования. Варианты построения таких блоков и различные методы А/Ц преобразования достаточно подробно были описаны в предыдущей главе и в дополнительных пояснениях необходимости нет. Следует только отметить, что, поскольку сигнал стереофонический, то внутри показанного на рис. 3.1
блока АЦП должно быть два одинаковых канала А/Ц преобразования. Причем, если сам преобразователь достаточно быстродействующий, то он может быть один и обрабатывать попеременно оба канала, подключаясь то к УВХ левого канала, то к УВХ правого канала. Но это касается только многоразрядных АЦП. Преобразователи на основе сигма-дельта модуляции могут обрабатывать только один канал, поэтому в блоке АЦП на рис. 3.1 их должно быть два.
Работа аппаратуры цифрового кодирования управляется высокостабильным генератором хронирующих сигналов, который формирует все синхронизирующие последовательности, необходимые для функционирования каждого блока. Генератор стабилизирован кварцевым резонатором, рабочая частота которого равна или кратна основной тактовой частоте в системе CD — 4,3218 МГн. Чаше всего используется кварц с удвоенной частотой резонанса — 8,6436 МГц.
Рассматривая схему на рис 3.1, можно подумать, что генератор подает на все блоки один и тот же сигнал. На самом деле это нс так — один провод показан для простоты, чтобы не загромождать схему. К каждому блоку поступают те сигналы, которые ему требуются, и даже не по одному. В частности, на АЦП подается уже знакомый нам сигнал частоты
4,3218 МГц (8.6436 МГц)
Рис. 3.1. Структурная схема тракта преобразования звукового сигнала в системе «Компакт-диск»
дискретизации 44,1 кГц, который получается путем деления основной тактовой частоты 4,3218 МГц на 98.
Выходными сигналами блока АЦП (при двухканальном преобразовании) будут две последовательности 16-разрядных отсчетов, следующих с частотой дискретизации, равной в формате CD 44,1 кГц (рис. 3.2.д,б). С помощью мультиплексора (рис. 3.1) эти две последовательности объединяются в одну, после чего частота следования отсчетов увеличивается вдвое и становится равной 88,2 кГц. Кроме того, непрерывная последовательность делится на блоки — по 6 отсчетов левого и 6 отсчетов правого стереоканала в каждом. Такие блоки здесь называются кадрами. Частота следования кадров (Гкадр) равна
_	44,1 кГц 88,2 кГц
F-„ = —-’J5 кГц.
И, наконец, каждый 16-разрядный отсчет делится пополам — старшие разряды (А) отдельно, младшие (В) — отдельно. В результате получается последовательность 8-разрядных групп (байтов), называемых здесь символами, частота следования которых (FCHMU) равна
FC11MB = 88,2 кГц х 2 = 165,4 кГц.
В каждом кадре при этом окажется по 24 символа (рис. 3.2.в).
Полученная последовательность далее поступает на вход блока защиты от ошибок, включающего в себя две ступени помехоустойчивого кодирования информации кодами Рида-Соломона и три ступени перемежения.
Помехоустойчивое кодирование необходимо для того, чтобы при считывании информации с носителя можно было обнаружить искаженные символы и исправить их или, по крайней мере, сделать незаметными на слух. Если таких мер не предпринимать, то из-за сплошного треска слушать воспроизведенную музыку будет невозможно.
Перемежение — это способ изменения положения символов в информационном потоке, после которого каждые два соседних символа оказываются на некотором расстоянии друг от друга. Это нужно для того, чтобы преобразовать редко встречающиеся продолжительные искажения, которые не поддаются коррекции кодами Рида-Соломона, во множество коротких искажений, с которыми декодер легко справляется.
Используемая в формате CD система защиты от ошибок часто обозначается аббревиатурой CIRC (Cross Interleave Reead-Solomon Code — код Рида-Соломона с перекрестным перемежением). Поэтому блок защиты от
а
6 отсчетов левого канала
6 отсчетов правого квнала
24 символа Перемежение 1 28 символов
Перемежение 2 32 символа
Перемежение 3 33 символа
33x17 квн.бит
27 кан.бит
588 квн.бит
Рис. 3.2. Формирование кадра информации
ошибок можно еще назвать кодером CIRC. Подробно о нем будет рассказано несколько позже — в соответствующей главе. Сейчас же можно только отметить, что после каждого этапа помехоустойчивого кодирования кодами Рида-Соломона к информационным символам, содержащимся в каждом кадре, добавляются еще четыре проверочных символа. После первого этапа кодирования кодером Q (С2) в кадре получается 28 символов (рис. 3 2.г), а после второго этапа кодирования кодером Р (С1) — 32 символа (рис. 3.2.с)). Перемежение производится перед каждым этапом кодирования и после второго (С1).
Далее последовательность 32-символьных кадров поступает на канальный модулятор. Туда же поступает еще один символ — 33-й (рис. 3.2.е), который содержит в себе информацию о характере записанной на диск программы — количестве музыкальных произведений (дорожек), продолжительности каждого из них, наличии или отсутствии предыскажений (преимфазиса), сигнал «музыка/пауза» и прочую информацию, необходимую для реализации в проигрывателе различных потребительских функций — программирования, повтора, поиска и т.д. Этот дополнительный символ называется служебным. Формируется он в соответствующем блоке (рис. 3.1). О нем также будет подробно рассказано ниже.
Модулятор нужен для того, чтобы преобразовать полученную цифровую последовательность к виду, наиболее подходящему для записи на оптический носитель с высокой плотностью, а также обеспечивающему наилучшие условия для ее безошибочного считывания при воспроизведении. Этим условиям отвечает используемый для модуляции канальный код EFM (Eight to Fourteen Modulation — модуляция 8-14). В основе EFM-преобразования лежит замена исходных 8-разрядных символов 14-разрядными канальными. Кроме того, между каждыми двумя смежными 14-разрядными символами вставляются еще три соединительных разряда. Эти разряды сами по себе никакой информации не несут и нужны лишь для того, чтобы придать формируемой последовательности необходимые свойства. Дело в том, что по правилам кодирования EFM между двумя соседними единицами должно быть не больше 10, но не меньше двух «нулей». Если бы не было этих вспомогательных разрядов, то при соединении двух 14-разрядных символов требование на ограничение серий последовательных «нулей» могло быть нарушено. Их наличие позволяет вставить в один из них дополнительную «единицу», если расстояние между последней «единицей» предшествующего символа и первой последующего получилось больше 10 или. наоборот, создать необходимый ин
тервал, когда последняя «единица» предшествующего символа и первая последующего оказались рядом или ближе, чем через два «нуля».
И наконец, для того, чтобы в непрерывном потоке информации можно было отделить один кадр от другого, в начало каждого из них вставляется так называемая кадровая синхрогруппа из 24-канальных разрядов (рис. 3.2.ж). Синхрогруппа имеет вполне определенную конфигурацию, не встречающуюся в информационном потоке — два подряд следующих максимальных интервала (по 10 «нулей» между двумя «единицами»).
После этого полученная последовательность преобразуется таким образом, что «единицам» кода соответствует изменение уровня сигнала, г «нулям» — отсутствие такого изменения. Тем самым обеспечивается независимость информации от полярности сигнала.
Сформированный сигнал (рис. 3.2.ж) подается затем на управляющий вход оптического модулятора, который с помощью лазерного луча производит запись информации на мастер-диск.
Теперь рассмотрим процесс преобразования информации более подробно
3.1.	Система защиты от ошибок
Даже самые хорошие диски, изготовленные с соблюдением всех тех нологических норм, изначально содержат в себе огромное количеств! искаженных символов. Стандарт допускает вероятность ошибк! Р = З-Ю-2. Это значит, что каждый тридцатый символ может быт искаженным. Диск при этом не будет считаться бракованным. Отсчет! обоих стереоканалов следуют с частотой 88,2 кГц. Каждый отсчет состои из двух символов. Значит, символы следуют с частотой 176,4 кГц. Есл каждый тридцатый из них будет ошибочным, то каждую секунду mi должны слышать 176400/30 = 5880 тресков и щелчков. Трески — это когд ошибка попадает в младший разряд. Щелчки — когда в старший. Таку! музыку слушать было бы невозможно.
Однако, реально никаких тресков и щелчков мы не слышим. Все эт благодаря эффективнейшей системе защиты от ошибок, включающей себя две ступени кодирования информации кодами, обнаруживающими исправляющими ошибки, и три ступени перекрестного персмежения. качестве иллюстрации эффективности системы можно привести некотс рые цифры. Если взять диск далеко не лучшего качества, где вероятное!
появления ошибки равна 10-3 и проигрыватель компакт-дисков первого поколения, в котором использовались не самые совершенные стратегии декодирования (т.е. обнаружения и исправления ошибок), то вероятность появления неисправленной ошибки будет равна примерно 10-17 (где-то около одного раза в десять тысяч лет), а вероятность необнаружения ошибки — 10-26 (эту величину можно практически не учитывать).
Разработчики системы CD еще в процессе предварительных исследований выяснили, что дефекты, встречающиеся на диске, могут быть двух видов. Короткие — когда размер дефекта не превышает длины одного символа, и длинные — когда дефект может достигать величины в несколько кадров. Причем первые встречаются значительно чаше вторых. Поэтому в качестве основы системы защиты от ошибок решили использовать коды, способные обнаружить до четырех и исправить до двух искаженных символов в каждом кадре. Такие коды легко справляются с короткими дефектами. А для того, чтобы с помощью тех же кодов можно было бороться и с длинными повреждениями, пришлось разработать остроумнейшую систему перераспределения символов как внутри каждого кадра, так и между разными кадрами. Такая система называется перекрестным перемежением. Смысл всей этой процедуры заключается в том, чтобы перед записью разнести символы одного кадра как можно дальше друг от друга в пространстве и во времени. То есть, сделать так, чтобы эти символы были записаны на дорожке не подряд один за другим, а с достаточно большим интервалом, заполненным символами из других кадров — точно так же «размазанных» по поверхности диска. Тогда практически любое повреждение, даже очень длинное, не сможет испортить больше одного-двух символов в каждом кадре. Когда информация с компакт-диска считывается проигрывателем, то происходит восстановление первоначального порядка следования символов (деперемежение) и результат воздействия длинного дефекта оказывается эквивалентным воздействию большего или меньшего числа коротких дефектов, а с ними, как говорилось выше, система декодирования вполне способна справиться.
Итак, комплексная система защиты от ошибок, получившая название CIRC (см. выше), включает в себя две ступени кодирования кодами Рида-Соломона С1 [32, 28] и С2 [28, 24], и три ступени перемежения данных. Общий вид кодирующей части ее показан на рис. 3.3, а подробная схема — на рис. 3.4.
Параметры кодов С1 [32, 28] и С2 [28, 24] определены стандартом и не могут быть изменены. Код С1 называется еще кодом Р, а код С2 [28, 24] — кодом Q.
От АЦП
К модулятору
Рис. 3.3. Кодер CIRC
Первая цифра в квадратных скобках означает, что общее число п символов в кодовом слове для С1 равно 32, а для С2 — 28. Вторая цифра в квадратных скобках — это число информационных символов к. Для С1 к = 28, для С2 к = 24. Остальные п— к символов — проверочные. Проверочные символы после их вычисления содержат в себе информацию о всех других символах кодового слова. Для обоих кодов С1 и С2 число проверочных символов одинаково и равно четырем.
Кодовому слову кода С2 сопоставляются те 28 символов, которые получаются после того, как кодер Q вычисляет четыре проверочных символа по 24 информационным, отражающим 6 отсчетов левого стереоканала и 6 отсчетов правого стереоканала (рис. 3.2.г). Эта совокупность из 28 символов служит информационными символами для кодера Р, который, вычисляя по ним еще четыре проверочных символа, образует кодовое слово кода С1, состоящее уже из 32 символов (рис. 3.2.д).
Коды С1 и С2 заданы в стандарте проверочными матрицами Нр и Hq соответственно, а расположение символов в кодовом слове — вектор-столбцами Vp и Vq (рис. 3.5).
Символы кодов С1 и С2 являются элементами поля Галуа GF(28) и операции кодирования и декодирования этих кодов производятся по правилам, действующим в таких полях.
Поле GF(28) получено путем расширения поля GF(2) с помощью неприводимого многочлена F(X) = X8 + X4 + X3 +Х2 +1. В качестве примитивного элемента поля GF(28) использован корень многочлена F(X) а = [00000010].
Поле GF(2) состоит всего из двух элементов — 0 и 1, которые называются битами.
Поле GF(28) состоит из 28 =256 элементов, каждый из которых является совокупностью восьми элементов поля GF(2), то есть «нулей» и «единиц». Иными словами, поле GF(28) включает в себя все 256 возможны* 8-разрядных комбинаций из 0 и 1, которые выражаются как степени примитивного элемента а. Увеличение степени а соответствует сдвигу влево.
ПЕРЕМЕЖЕНИЕ 1	ПЕРЕМЕЖЕНИЕ 2	ПЕРЕМЕЖЕНИЕ 3
Рис. 3.4. Структурная схема кодера CIRC
1	1
11111
а*	с?	с/	а1	1
</	а4	а4	с?	1
а”	o’	o’	а5	1
	1	1	1	1	1	•	•	•	•	1	1	1	1	1
	а”	а“	а”	а54	а30		•	•	•	с?	с?	а3	а’	1
Hq =	а"		а”	а4*	а4*	•	•	•	•	с?	<?	а*	а3	1
	а”	а"	а”	а"	а”	•	•	•	•	а1*	с?	а*	а*	1
Vp =	Vpo Vpi VP2 Vp28 VP27 Po Pl P2 Рз	Vq =	VqO Vql Vqll Qo Qi Q2 Оз Vq12 Vq23
Рис. 3.5. Проверочные матрицы (НР и Hq) и вектор-столбцы (VP и Vq) кодов С1 и С2 соответственно
а0 = 1 ~ [00000001] а1 = X ~ [00000010] a1 = X2 - [00000100] а3 = X3 ~ [00001000] а4 = X4 ~ [00010000] а5 = X5 - [00100000] а6 = X6 ~ [01000000] а7 = X7 - [10000000]
Поэтому все элементы поля GF(28) могут быть представлены в виде линейных комбинаций элементов а“ - а7:
а7Х7 + а6Х'’ +... + а(Х + а0
или
а7а7 + а6а6 +... + 3,0 + а0
где аи, а1э ... а7 принадлежат GF(2) (т.е. а( = 0 или 1). Здесь а7 обозначает старший разряд, ац — младший.
Поскольку поле GF(28) получено из GF(28) с помощью образующего многочлена F(X) = X8 + X4 + X3 +Х2 +1, то
X8 = X4 + X3 +Х2 +1 и а8 = а4 + а3 + а2 + 1 или
а4 - 00010000 +
а3 - 00001000 +
а2 ~ 00000100 +
1 ~ 00000001 =а8 - 00011101
Аналогично, а9 = а8  а = (а4 + а3 + а2 + 1)- а = а5 + а4 + а3 + а ~ 00111010.
Рассуждая подобным образом, можно получить двоичное отображение всех элементов поля GF(28). При этом следует отмстить, что в состав поля включен также и нулевой элемент 0-00000000.
Для того, чтобы образовать кодовое слово кода С1 или кода С2, необходимо по заданным информационным символам Vp0, Vpl ...Vp27 или Vq0, Vq, ...Vq27 вычислить проверочные символы Р(), Рь Р2, Р3 или Qo, Q2, Оз так, чтобы выполнялось условие ортогональности Н • V = 0.
Здесь следует отметить, что предмет помехоустойчивого кодирования одновременно и прост, и сложен. Прост в том смысле, что его задачи легко объяснить всякому технически грамотному человеку, и сложен в том смысле, что для того, чтобы получить решение любой самой простейшей задачи, потребуется весь объем теоретических знаний в этой области, причем изучению должно предшествовать отступление, посвященное некоторым специальным разделам современной алгебры.
В рамках данной книги нет возможности (да и смысла) пересказывать всю теорию помехоустойчивого кодирования, поэтому желающим разобраться в деталях построения кодеров и декодеров Рида-Соломона можно только посоветовать обратиться к соответствующей литературе.
Из теории помехоустойчивого кодирования известно, что для коррекции г ошибок код должен иметь не менее 2t проверочных символов (граница Синглтона). Коды С1 и С2 имеют по четыре проверочных символа. Значит, каждый из них может исправить не более двух ошибок.
Известно также, что максимальное число гарантированно обнаруживаемых ошибок равно числу проверочных символов кода. Следовательно, каждый из кодов С1 и С2 может гарантированно обнаружить до четырех ошибок.
Говоря об обнаруживающей способности кодов, следует иметь в виду, что при этом обнаруживается лишь сам факт их наличия, но не положение. Определение положения ошибки равнозначно возможности се коррекции. Следовательно, число ошибок, которые можно локализовать, равно числу ошибок, которое код может исправить. Для кодов С1 и С2 оно равно двум.
Но, с другой стороны, если положение ошибок известно, то код может исправить их столько, сколько способен обнаружить. Ошибка, позиция которой известна, называется стиранием. Таким образом, каждый из кодов С1 и С2 может исправить до четырех стираний.
Под ошибками здесь и далее следует понимать искаженные символы. Коды Рида-Соломона исправляют целиком восьмиразрядный символ, а не
отдельные разряды в нем. Эгим-то они и удобны для использования в системах записи информации на носитель.
В цифровой звукозаписи распределение ошибок характеризуется как разной вероятностью их появления, так и разной длиной, обусловленной разными причинами их появления. Дефекты, возникающие в процессе изготовления мастер-диска и во время тиражирования, имеют малые размеры (до одного символа), но высокую вероятность появления. Дефекты в виде глубоких царапин и сильного загрязнения поверхности диска вызывают появление длинных искажений. Такой же эффект вызывают и кратковременные сбои систем синхронизации и сервосистем автофокусировки и автотрекинга.
По традиции, берущей начало в магнитной записи, когда ошибки возникали, в основном, из-за повреждения магнитного слоя ленты, такие искажения часто называют выпадениями.
Короткие выпадения являются причиной появления случайных ошибок, а длинные — пакетов ошибок.
Из вышесказанного видно, что сами по себе коды С1 и С2 хорошо подходят для коррекции случайных ошибок. Но для того, чтобы бороться с пакетами ошибок, которые могут иметь длину до десятков и сотен символов, нужны какие-то дополнительные меры.
В качестве таких мер в цифровой записи информации используются различные схемы перемежения данных, когда символы одного кодового слова перемещаются на другие позиции между символами других кодовых слов, перераспределяясь при этом на достаточно длинном участке дорожки так, чтобы даже очень продолжительные выпадения не могли исказить более одного-двух его символов.
Структурная схема перемежения, используемого в стандарте CD представлена на рис. 3.4, где изображен кодер CIRC.
Буквами L и R в левой части схемы обозначены 16-разрядные отсчеты левого и правого стереоканалов, содержащиеся в одном кадре (кодовом слове). Буква п в индексе — это порядковый номер данного кадра (и = О, I ... оо).
Каждый отсчет делится на два восьмиразрядных символа, которые на схеме обозначены буквами W. Символ со значком Л — это старшие разряды отсчета, символ со значком В — младшие разряды.
Прямоугольник с обозначением С2 — это кодер Q (С2 [28.24]). Такой же прямоугольник с обозначением С1 — кодер Р (С1 [32.28]). Овалы с Цифрами внутри означают задержку символов. Если внутри овала циф
ра 2, то соответствующий символ должен быть задержан на два кадра. Буквой D обозначена задержка сразу на четыре кадра. Поэтому, если внутри овала стоит 20D, то это означает, что данный символ должен быть задержан на 20 • 4 = 80 кадров.
Очевидно, что перемежение второго этапа вносит наибольший вклад в величину участка дорожки, на котором размещаются символы одного кодового слова. После этого этапа каждое кодовое слово растянется на 109 кадров, что соответствует примерно 17,5 мм длины дорожки. Примерно — потому что линейная скорость перемещения считывающего пятна относительно дорожки для одного диска может отличаться от той же величины для другого диска в пределах от 1,2 до 1,4 м/с, оговоренных стандартом. Однако, для одного и того же диска эта скорость должна выдерживаться постоянной с точностью до ±0,01 м/с.
Особую роль в повышении помехоустойчивости информации, записанной на диске, играет перемежение первого этапа. Если внимательно всмотреться в его схему, то можно заметить определенную логику в изменении позиций символов внутри кодового слова.
Пары символов четных отсчетов левого канала (L6n, L6n+2 и L6n+4) после изменения позиций оказываются сгруппированы в верхней части схемы (в начале кодового слова). Под ними, чуть ниже, группируются пары символов четных отсчетов правого канала (R6n+1, R6n+2 и R6n+4). В нижней части схемы группируются пары символов нечетных отсчетов. Сначала — символы трех отсчетов левого канала (L6n+1, L6n+3 и L6n+5), затем — трех отсчетов правого канала (R6n+1, R6n±3 и R6n±5).
Такая перегруппировка приведет к тому, что после выполнения второго этапа перемежения четные отсчеты левого канала окажутся в первой четверти интервала из 109 последовательных кадров, четные отсчеты правого канала — во второй четверти, нечетные отсчеты левого канала — в третьей четверти и нечетные отсчеты правого канала — в четвертой четверти. Таким образом обеспечивается максимально возможное удаление четных отсчетов каждого из каналов от нечетных отсчетов того же канала.
Смысл такого перераспределения отсчетов состоит в следующем. Дело в том, что кроме коррекции ошибок кодами Рида-Соломона, в системе CD предусмотрено еще и маскирование неоткорректированных отсчетов с помощью интерполяции. Поскольку интерполяция — это замена величины искаженного отсчета средним арифметическим от величин двух соседних неискаженных отсчетов, то желательно, чтобы четные и нечетные отсчеты находились в зонах, которые трудно повредить одновременно.
Это и достигается перемещением четных и нечетных отсчетов на разные участки дорожки. Теперь, если длинный пакет ошибок исказит, скажем, несколько четных отсчетов подряд, то интерполяция все равно будет возможна, поскольку нечетные отсчеты, расположенные вдали от четных, при этом не пострадают.
Интерполяция, в отличии от коррекции ошибок декодером Рида-Соломона — приблизительный метод. Тем не менее, она способна вполне эффективно маскировать ошибки, делая их незаметными на слух. Не зря ведь на раннем этапе развития цифровой звукотехники считалось, что применение корректирующих кодов — слишком большая роскошь для бытовой аппаратуры, достаточно и одной интерполяции.
Перемежение третьего этапа в кодере CIRC предназначено для борьбы с самыми многочисленными ошибками — случайными. Такие ошибки, как правило, в длину не превышают одного символа. Наихудшая ситуация при воздействии случайной ошибки возникает в том случае, когда она попадает на границу двух соседних символов. Оба они при этом оказываются искаженными. Чтобы уменьшить число ошибок в одном кодовом слове и облегчить работу декодера, четные символы задерживаются на один кадр. Теперь, если искажены два смежных символа, то после деперемежения они оказываются в разных кодовых словах.
Что касается инвертирования проверочных символов на заключительном этапе, то оно предназначено для того, чтобы при декодировании можно было отличить кодированную паузу (когда все символы кодового слова — нули) от неисправности в тракте воспроизведения (отсутствия сигнала вообще). Если проверочные символы не инвертировать, то отличить первое от второго будет невозможно.
Если же проверочные символы проинвертировать, то в случае кодированной паузы они превратятся в единицы. На входе декодера эти символы еще раз инвертируются, приобретая свое истинное значение. Если после этого кодовое слово будет состоять из одних «нулей», то декодер определит кодированную паузу. Если же проверочные символы окажутся «единицами», то это укажет на неисправность в тракте воспроизведения.
После того, как выполнены все процедуры, обеспечивающие защиту информации от ошибок, поток данных поступает на канальный модулятор.
3.2.	Канальное кодирование (модуляция)
Для модуляции в системе «Компакт-диск» используется упоминавшийся выше канальный код EFM (Eight to Fourteen Modulation — модуляция 8-14), разработанный специалистами фирмы PHILIPS специально для лазерной звукозаписи.
В соответствии с правилами кодирования EFM, каждый 8-разрядный символ заменяется однозначно ему соответствующим 14-разрядным символом из специальной таблицы преобразования (см. табл. 3.2).
Количество исходных 8-разрядных символов, очевидно, равно 28 = 256. А 14-разрядных символов может быть 214 =16384. Но из этого множества 14-разрядных комбинаций подобрано 256 таких, у которых между двумя соседними единицами не меньше двух, но не больше десяти нулей. На самом деле символов, удовлетворяющих таким требованиям на ограничение последовательности нулей, чуть больше — 267, но 11 оказались уже лишними.
Кроме того, к каждому полученному в результате преобразования 14-разрядному символу добавляются еще три соединительных разряда. Эти соединительные разряды никакой информации не несут и нужны для того, чтобы при сопряжении двух символов, один из которых заканчивается единицей, а другой с нее начинается, создать между ними интервал в три бита, а в случае, если при сопряжении возникает последовательность нулей больше десяти, вставить в один из них единицу.
После этого полученная последовательность преобразуется по способу NRZI (Non Return to Zero Inverted — без возвращения к нулю инвертированный). При этом каждая единица соответствует изменению уровня сигнала, а нуль — его отсутствию (рис. 3.6).
Таким образом, минимальная длина последовательности одного уровня для кода EFM составляет три канальных разряда или 8/17- 3 = 1,41 исходного разряда. Эта величина в канальном кодировании называется минимальной длиной пробега (Tmin) и характеризует повышение плотности записи за счет применения данного канального кода. В самом деле, если раньше самый короткий пит содержал в себе одну единицу (бит) исходной информации, то теперь, за счет применения кода EFM, такой пит может содержать в себе уже 1,41 единицы этой информации. Плотность записи при этом повышается в 1,41 раза и объем информации, которую можно разместить на единице площади (или длины) носителя увеличивается в 1,41 раза.
Таблица 3.2
Фрагмент таблицы преобразования 8-14 кода EFM
0	00000000	01001000100000	32	00100000	00000000100000
1	00000001	10000100000000	33	00100001	10000100001000
2	00000010	10010000100000	34	00100010	00001000100000
3	00000011	10001000100000	35	0010011	00100100100000
4	00000100	01000100000000	36	00100100	01000100001000
5	00000101	00000100010000	37	00100101	00000100001000 |
6	00000110	00010000100000	38	00100110	01000000100000
7	00000111	00100100000000	39	00100111	00100100001000
8	00001000	01001001000000	40	00101000	01001001001000
9	00001001	10000001000000	41	00101001	10000001001000
10	00001010	10010001000000	42	00101010	10010001001000
11	00001011	10001001000000	43	00101011	10001001001000
12	00001100	01000001000000	44	00101100	01000001001000
13	00001101	00000001000000	45	00101101	00000001001000
14	00001110	00010001000000	46	00101110	00010001001000
15	00001111	00100001000000	47	00101111	00100001001000
16	00010000	10000000100000	48	00110000	00000100000000
17	00010001	10000010000000	49	00110001	10000010001000
18	00010010	10010010000000	50	00110010	10010010001000
19	00010011	00100000100000	51	00110011	10000100010000
20	00010100	01000010000000	52	00110100	01000010001000 |
21	00010101	00000010000000	53	00110101	00000010001000 |
22	00010110	00010010000000	54	00110110	00010010001000
23	00010111	00100010000000	55	00110111	00100010001000 1
24	00011000	01001000010000	56	00111000	01001000001000
25	00011001	10000000010000	57	00111001	10000000001000
26	00011010	10010000010000	58	00111010	10010000001000
27	00011011	10001000010000	59	00111011	10001000001000
28	00011100	01000000010000	60	00111100	01000000001000
29	00011101	00001000010000	61	00111101	00001000001000
30	00011110	00010000010000	62	00111110	00010000001000
31	00011111	00100000010000	63	00111111	00100000001000
Рис. 3.6. Преобразование символа по способу EFM
Ограничение длины последовательности одного уровня сверху (до 11 канальных разрядов), необходимо для того, чтобы обеспечить самосинхро-низируемость кода. Синхронизирующая информация при воспроизведении записи извлекается из перепадов уровня, и если их долго не будет, то система тактовой синхронизации может выйти из полосы удержания.
С величиной минимальной длины пробега связана величина минимальной длины волны записи Xmin. Она равна длине совокупности минимальной длины пробега одного уровня и другого уровня (рис. 3.7) и характеризует длину волны первой гармоники такой совокупности. Для кода EFM минимальная длина волны записи равна 6Ткан, а частота Fmax, соответствующая ей,
Fmax = 4,3218 МГц/6 = 720 кГц.
Соответственно, максимальная длина волны записи Хпых. равна 22Ткан (рис. 3.8) и минимальная частота Fmin спектра сигнала записи
Frain = 4,3218 МГц/22 = 196 кГц.
Если посмотреть на спектр мощности информационной последовательности, модулированной по правилам EFM (рис. 3.9), то видно, что основная энергия находится в промежутке между этими двумя частотами.
Однако, в области низких частот наблюдается довольно высокий уровень составляющих спектра, которые могут затруднить работу сервосистем проигрывателя — автофокусировки и автотрекинга. Текущие изменения в спектре информационного сигнала могут быть восприняты как ошибка позиционирования.
Рис. 3.7. Связь минимальной длины волны записи с максимальной частотой в спектре сигнала
Рис. 3.8. Связь максимальной длины волны записи с минимальной частотой в спектре сигнала
Для борьбы с низкочастотными составляющими спектра в правилах кодирования EFM предусмотрена следующая процедура (рис. 3.10). Для ее реализации вводится понятие величины числовой суммы DSV (Digital Sum Value), которая равна разности между числом разрядов высокого уровня и числом разрядов низкого уровня. Каждый разряд высокого уровня вносит в нее +1, а каждый разряд низкого уровня —1.
При формировании соединительных разрядов между двумя последовательными канальными символами рассматриваются четыре варианта с разными значениями DSV. Один из них — когда единица в соединительные разряды не вставляется, и три варианта — с формированием единицы на одной из трех возможных позиций. Из них выбирается тот, при котором величина DSV минимальна. Из рассмотрения исключаются только тс варианты, когда нарушаются требования на ограничение длины пробега как снизу, так и сверху.
Рис. 3.10. Формирование соединительных разрядов
В примере на рис. 3.10.а текущая величина DSV в конце предыдущего канального символа, закончившегося в момент времени t0, равна +3. Последний его разряд — низкого уровня. Следующий символ, расположенный во временном промежутке между t, и t2, имеет DSV = +4. Если в соединительных разрядах, располагающихся между ними нет единицы, то их DSV = —3. Общая числовая сумма такого варианта равна +3 — 3 + 4 = +4. Наглядно текущее изменение DSV от разряда к разряду показано на рис. 3.10.6.
Следующий вариант, когда единица формируется в первом соединительном разряде, исключается, так как при этом длина последовательности нулей получается равной двум, что меньше минимально допустимой в три разряда.
А во второй соединительный разряд единицу вставлять можно. При этом их DSV будет равна +1, а величина DSV следующего за ними символа инвертируется и превратится из +4 в —4. Общая числовая сумма при этом станет равной +3 + 1 - 4 = 0.
Последний вариант — с единицей в третьем соединительном разряде — даст DSV = — 2.
Очевидно, что минимальная абсолютная величина DSV, равная 0, получается при формировании единицы во втором соединительном разряде. Значит, именно этот вариант и будет использован.
Однако, следует заметить, что стратегия формирования соединительных разрядов по минимуму абсолютной величины DSV в конце рассматриваемого канального символа не является единственно возможной. Кроме нее могут использоваться еще и другие стратегии, например, по критерию максимального числа пересечений нулевой линии DSV. В этом случае вариант 1 (рис. 3.10) был бы предпочтительнее, так как тут два пересечения против одного у остальных двух. Также может использоваться критерий минимального удаления изломов линии DSV от оси. Здесь предпочтительнее вариант 3, где наиболее удаленный от нулевой линии излом расположен на уровне +5, против +6 и +7 у первого и второго вариантов соответственно.
Эти и другие стратегии могут использоваться в различных сочетаниях друг с другом и с разными приоритетами. Как правило, так и делается, потому что одна стратегия в некоторых случаях может дать два одинаковых результата. Чтобы выяснить, какой из них выбрать, прибегают к другой стратегии с более низким приоритетом.
Контроль DSV помогает устранить из спектра кода EFM постоянную составляющую и существенно снизить уровень примыкающих к ней низкочастотных компонентов (рис. 3.9).
В процессе модуляции в начало каждого кадра вставляется кадровая синхрогруппа и сформированная таким образом последовательность подается на устройство оптической записи.
3.3.	Служебная информация
Как отмечалось выше, в каждый кадр информации при записи вставляется особый символ, не имеющий отношения к музыке, но играющий очень важную роль при воспроизведении записи. Этот символ называется служебным. Как и все прочие символы, он состоит из восьми двоичных разрядов. Каждый из этих разрядов обозначается определенной буквой — Р, Q, R, S, Т, U, V, W (рис. 3.11). Последовательности, состоящие из определенных разрядов служебного символа, представляют собой отдельные служебные каналы, в каждом из которых содержится своя информация. Последовательность служебных символов, а значит и все входящие в нее служебные каналы, делятся на блоки. В каждом блоке содержится по 98 последовательных символов. Таким образом, частота следования служебных блоков в 98 раз ниже частоты кадров, которая, как известно, равна 7,35 кГц.
РбЛ = Гкадр/98 = 7,35 кГц /98 = 75 Гц.
Разряд Р первый на выходе
р	Q	R	S	т	и	V	W
Рис. 3.11. Служебный символ
Для отделения одного блока от другого здесь также используются синхрогруппы — по две на каждый блок (SO и SI). Они представляют собой 14-разрядные группы строго определенной конфигурации и располагаются на первых двух позициях в блоке (рис. 3.12). После них так же, как и после всех прочих символов, преобразованных по правилам кодирования EFM, следуют по три соединительных разряда. Синхрогруппы не являются информационными символами и поэтому в восьмиразрядной
so = 00100000000001
S1 = 00000000010010
1---------->14
форме не существуют, так же как и кадровая синхрогруппа. Информация содержится в оставшихся 96 символах.
В формате CD-Audio из всех служебных каналов используются только Р и Q. Другие каналы используются в других разновидностях формата CD и заполнение их в каждом из вариантов свое.
3.3.1.	Канал Р
Канал Р является по существу индикатором пауза/музыка. Во время паузы Р = 1, а когда на дорожке присутствует запись музыкального фрагмента, Р = 0.
Продолжительность паузы, когда Р — 1 должна быть, как минимум, 2 секунды. Если она больше, то и Р = 1 должно быть, соответственно, больше.
Кроме того, во время считывания вводной дорожки, где записано оглавление, также Р = 0, как и во время считывания музыкального фрагмента. После чего между вводной дорожкой и первым музыкальным фрагментом тоже должна быть пауза 2-3 секунды, когда Р = 1.
Завершает программу, записанную на диске, выводная дорожка, которая начинается сразу же после окончания последнего музыкального фрагмента. Канал Р за 2-3 секунды до начала выводной дорожки (когда музыка еще не закончилась) должен переключиться в 1, как при паузе, а в момент начала этой паузы снова стать нулем. Спустя еще 2-3 секунды
канал Р должен начать периодически переключаться из 0 в 1 и обратно с частотой 2 Гц ±2%. Таких циклов должно быть примерно 50 (±10%).
Всякое изменение уровня Р осуществляется только после синхронизирующих групп, т.е. в начале очередного блока.
3.3.2.	Канал Q
Канал Q содержит данные хронирования содержимого диска и -нужен для обеспечения функций поиска заданного фрагмента, повтора, воспроизведения по программе, а также обеспечивает возможность индикации текущего времени как на диске в целом, так и на каждой дорожке в отдельности. Кроме того, он содержит и другие данные о характере записанного материала.
Структура блока канала Q, включая два разряда, занимаемые синхрогруппами, представлена на рис. 3.13.
Четыре бита «Управление» предназначены для характеристики записи надиске — числа каналов и наличия/отсутствия преимфазиса. Кодируются они следующим образом:
0000 — двухканальная запись без преимфазиса;
0001 — двухканальная запись с преимфазисом;
1000 — четырехканальная запись без преимфазиса;
1001 — четырехканальная запись с преимфазисом.
Эти данные используются управляющим процессором проигрывателя для автоматического включения соответствующего режима обработки данных и подключения, если это необходимо, цепей деимфазиса.
Четыре бита «Адрес» обозначают режим заполнения данных канала Q, т.е. содержимого той части блока, которая обозначена как «Данные» (72 бита).
98
				
S0.S1	Управление	Адрес	Данные	СЯС
2	4	4	72	16
Рис. 3.13. Структура блока данных канала О
И наконец, последние 16 бит, обозначенные как CRC, представляют собой остаток от деления многочлена, коэффициентами которого являются все предыдущие биты блока, кроме двух, относящихся к синхрогруппам, на порождающий многочлен кода проверки на четность:
Р(Х) = X16 + X12 + X5 + 1.
Полученный остаток должен быть инвертирован.
Эта операция производится для того, чтобы при воспроизведении можно было проверить полученные данные на четность и определить, есть ли в них ошибки. Для этого воспроизведенные данные еще раз делятся на порождающий многочлен Р(Х) и полученный остаток после инвертирования сравнивается с тем, что содержится в принятом блоке, Если остатки совпадают, то ошибок нет. Если не совпадают, то ошибки есть и все данные блока игнорируются как неправильные. Исправления ошибок здесь не производится. В этом и нет необходимости, так как блоки много раз повторяются с очень небольшими изменениями
Как говорилось выше, содержание данных канала Q определяется кодом адреса.
Чаще всего присутствует адрес 0001, определяющий режим 1 заполнения данных. Но и внутри режима 1 возможны два варианта заполнения.
Один вариант используется на вводной дорожке. В нем отображается оглавление.
Структура данных этого варианта режима 1-представлена на рис. 3.14.
В этом варианте восемь бит номера музыкального фрагмента (дорожки) являются нулями, что означает вводную дорожку.
В графе «Точка» записываются по порядку номера всех музыкальных фрагментов, присутствующих на диске. Каждый номер повторяется трижды (в трех последовательных блоках).
Одновременно с этим в графе «Положение начала музыкального фрагмента» записывается время, соответствующее началу — в минутах, секундах и блоках (1 секунда = 75 блокам, номера от 00 до 74) по шкале времени, исчисляемому от начала программной зоны диска (начало первого музыкального фрагмента) до ее (зоны) конца (конец последнего музыкального фрагмента).
В графе «Текущее время на дорожке» отображается текущее время на вводной дорожке — минуты, секунды и блоки.
Все отображаемые числа в двоично-десятичном коде, т.е. восемь разрядов соответствуют двум десятичным числам от 00 до 99.
Блоки	Текущее время на диске	со	
Секунды		03	
Минуты		03	
о		03	
Блоки	Текущее время на дорожке	03 05	72
Секунды			
Минуты		03 03	
1			
Номер	дорожки	03	
			
Рис. 3.15. Структура данных второго варианта режима 1 (программная зона)
Графа «О» заполняется нулями (00).
Таким образом, во время воспроизведения вводной дорожки управляющий процессор считывает с нее себе в память данные оглавления. После этого проигрыватель готов к работе в любом режиме, заданном пользователем. Он уже все о диске «знает».
Второй вариант режима 1 используется в программной зоне лиска.
Структура данных этого варианта представлена на рис. 3.15.
В этом варианте в графе «Номер музыкального фрагмента» фиксируется номер той дорожки, которая воспроизводится в данный момент.
В графе «Индекс» фиксируется номер части музыкального фрагмента. Их может быть до 99.
В графе «Текущее время на дорожке» присутствует время, исчисляемое от начала каждой конкретной дорожки до ее конца.
В графе «0» — все нули.
В графе «Текущее время на диске» присутствует время, исчисляемое от начала программной зоны диска до ее конца.
Режим 1 заполнения данных должен присутствовать по крайней мере в каждых 9 из 10 блоков.
Режимы 2 (адрес 0010) и 3 (адрес ООП) используются для записи кодов диска, конкретной записи музыкального фрагмента, страны, владельца авторских прав, года записи, порядкового номера записи. Эти режимы присутствуют в канале Q, по крайней мере один раз на 100 последовательных блоков.
4

Прошло уже без малого два десятка лет с тех пор, как компакт-диск впервые появился на мировом потребительском рынке носителей информации. Теперь его внешний вид стал для всех настолько привычным, что кажется будто он существовал всегда.
И действительно, компакт-диск вполне оправдал надежды своих создателей — как с точки зрения технических характеристик (объема содержащейся на нем информации и ее доступности), так и с точки зрения удобства в эксплуатации — неприхотливости и небольших размеров, позволяющих легко поместить его в средней величины карман. Да и с точки зрения эстетики — переливающаяся всеми цветами радуги зеркальная поверхность компакт-диска производит весьма благоприятное впечатление на пользователя.
Та часть зеркальной поверхности, которая играет радужными бликами — это и есть зона записи информации. Если посмотреть на нее в микроскоп со стороны прозрачного слоя, то можно увидеть множество концентрических дорожек, состоящих из черточек различной длины (рис. 4.1). Черточки, которые носят название «пит» — это микроуглубления на поверхности металлизированного слоя компакт-диска, длина которых есть величина информативная и отражает длину последовательностей двоичных единиц записанного цифрового сигнала. Длина промежутков между питами, которые называются флэтами, тоже величина информа-
Рис. 4.1. Фрагмент поверхности компакт-диска
тивная и отражает длину последовательностей двоичных нулей. Длина пит может изменяться от 0,9 до 3,3 мкм. То же самое относится и к флэтам. Самый короткий пит соответствует тому самому минимальному интервалу между двумя соседними перепадами уровня, который содержит в себе три канальных единицы кода EFM. Таким образом, легко подсчитать, что один канальный разряд занимает на диске 0,3 мкм, а один кадр, состоящий из 588 канальных разрядов — 176,4 мкм длины дорожки. Общая же длина дорожки на компакт-диске — около 5 км.
Воспроизведение его начинается не от внешнего края, как в случае винилового диска, а от центрального отверстия и производится против часовой стрелки,.если смотреть со стороны прозрачного слоя. Дорожка движется относительно считывающего луча с постоянной линейной скоростью.
Это достигается благодаря изменению скорости вращения диска. Когда считывание производится вблизи центрального отверстия, он вращается быстрее, а когда ближе к краю, то медленнее. Скорость движения дорожки относительно луча у разных дисков может колебаться в пределах от 1,2 до 1,4 м/с.
Несмотря на свою неприхотливость, компакт-диск является изделием, требующим в производстве соблюдения чрезвычайно строгих технологических норм. Его конструкция и размеры, также как и другие элементы системы CD, жестко определены Международным стандартом и не могут быть изменены произвольно. Иначе диск невозможно будет воспроизвести на стандартном проигрывателе или дисководе.
Внешний диаметр диска D = 120 ±0,3 мм (рис. 4.2). Диаметр центрального отверстия d = 15мм. Толщина диска — 12*"] мм.
Здесь и далее все размеры приводятся для измерений при температуре +23 ±2°С и влажности 50 ±5%.
Вся поверхность диска разделена на зоны. Зона, где записана непосредственно музыка, называется программной зоной. Она располагается между внешним диаметром Dnp и внутренним dnp. Максимальное значение Dnp = 116 мм, значение dnp. = 50'” 2 мм. К внутреннему диаметру dnp. программной зоны примыкает зона вводной дорожки или зона ввода, ограниченная диаметром 46 мм. В этой зоне записано оглавление. К внешнему диаметру программной зоны Dnp примыкает зона выводной дорожки или зона вывода, которая должна иметь внешний диаметр не менее, чем на 1 мм больше величины Dnp.
Кроме того, диск имеет еще так называемую зону прижима, назначение которой ясно из ее названия. Поверхностью этой зоны компакт-диск соприкасается со шпинделем двигателя вращения й прижимной шайбой. Ее размеры: максимальный внутренний диаметр — 26 мм, минимальный внешний диаметр — 33 мм.
Информация, записанная на диск в виде спиральной дорожки из последовательности пит, располагается в программной зоне, а также в зонах ввода и вывода. Расстояние между соседними витками спирали равно 1,6 ±0,1 мкм. Для сравнения: шаг между дорожками у винилового диска 160 мкм, т.е. в 100 раз больше. Ширина пит может колебаться от 0,6 до 0,8 мкм. Глубина — 0,1...0,13 мкм (рис. 4.2).
Основной материал компакт-диска — поликарбонат. Это прозрачная пластмасса, устойчивая к короблению и обладающая малым коэффициентом изменения размеров под воздействием влаги. Кроме того, поликарбонат обладает высокой теплостойкостью и высокой ударной вязкостью.
Процесс производства компакт-дисков начинается с изготовления диска-оригинала. Основа для него выполняется из тщательно отполированного стекла. На поверхность основы диска-оригинала, которая при этом должна быть идеально плоской, наносится тонкий слой светочувствительного материма — фоторезиста. Толщина слоя фоторезиста определяет глубину будущих пит (0,1...0,13 мкм), поэтому строго контролируется в процессе производства. На всех стадиях изготовления диск-оригинал тщательно проверяют, поскольку все его дефекты в дальнейшем неизбежно будут перенесены на матрицу и растиражированы.
Структурная схема установки записи диска-оригинала представлена на рис. 4.3. Поскольку требований к ее миниатюрности не предъявляется, то здесь, как правило, используется либо аргоновый лазер с длиной волны
б)
Рис. 4.2. Конструкция компакт-диска а) вид со стороны прозрачного слоя, б) вид сбоку
Рис. 4.3. Структурная схема установки записи диска-оригинала
излучения 0,4579 мкм, либо гелий-кадмиевый лазер с длиной волны излучения 0,4416 мкм. Выбор такой длины волны объясняется рядом причин. Во-первых, уменьшенная длина волны излучения позволяет получить световое пятно нужного диаметра с более четкими границами, чем если бы использовался лазер с длиной волны 0,78 мкм, как тот, что применяется для считывания. Во-вторых, такая длина волны лучше согласуется с характеристиками светочувствительности фоторезиста, что позволяет ограничиться при записи сравнительно небольшой мощностью лазера.
Следует отметить, что воздух в помещении, где производится запись, должен быть тщательно очищен от пыли. Это делается с помощью специальных устройств. Допускается не более 100 пылинок в 1 м3 воздуха.
В процессе записи излучение лазера модулируется цифровым сигналом, формируемым аппаратурой кодирования звука в полном соответствии с требованиями стандарта. Излучение лазера воздействует на фоторезист, покрывающий поверхность вращающегося диска-оригинала, и оставляет на нем зоны засветки, соответствующие единицам цифрового кода. После окончания записи фоторезистивный слой проявляют в специальном растворе. При этом экспонированные зоны растворяются и на их месте образуются углубления — питы.
Для модуляции лазерного луча может быть использован электрооптический эффект Поккельса, состоящий в том, что под воздействием электрического поля изменяется коэффициент преломления кристалла, не имеющего внутренней симметрии (например, пьезокристалла). В результате луч, проходящий сквозь такой кристалл, то попадает на поверхность диска, формируя пит, то отклоняется в сторону, формируя флэт.
Также может использоваться акустооптический эффект, когда упругие деформации, возникающие при прохождении ультразвука через прозрачный акустооптический материал (кристалл PbMoO4, ТеО2, LiNbO3, GaP, халькогенидное или теллуровое стекло), работает как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча.
Для того, чтобы обеспечить точную фокусировку записывающего луча на фоторезистивном слое диска, используется система контроля расстояния на основе измерения емкости между слоем фоторезиста и электродом, закрепленным на объективе записывающей оптической головки.
Чтобы обеспечить необходимый шаг между дорожками (1,6 мкм), используется система радиальной подачи с поворотным зеркалом в качестве исполнительного механизма.
Для того, чтобы обеспечить постоянство линейной скорости перемещения луча относительно записываемой дорожки, используется система регулирования скорости вращения двигателя, где контролируемым параметром является расстояние от центра диска до записывающего пятна.
После проявления экспонированного лучом лазера диска-оригинала, его поверхность металлизируют тонким слоем серебра. Затем на основе этого диска методом гальванопластики формируют другой оригинал — цельнометаллический. После этого рельеф с него переносится на промежуточные копии, а с промежуточных копий — на матрицы. Матрицы используются в дальнейшем для тиражирования компакт-дисков.
Тиражирование может осуществляться тремя способами: методом горячего прессования, литьем под давлением и с помощью фотополимеризации.
Метод горячего прессования
Поликарбонат, разогретый до температуры, близкой к температуре плавления, помещается в гидравлический пресс на нижнюю половину пресс-формы, подогреваемую горячим паром (рис. 4.4). Матрица размещается на верхней половине пресс-формы. При сжатии пресса из пластмассы формируется диск с рельефом, повторяющим рельеф матрицы.
Метод литья под давлением
Здесь матрица располагается внутри замкнутой пресс-формы с отверстием для впрыска горячей пластмассы — соплом (рис. 4.5). Когда производится впрыск, расплавленный поликарбонат заполняет пресс-форму, повторяя рельеф на поверхности матрицы. Чтобы компакт-диск получился качественным и на нем не образовывались воздушные пузыри, давление должно быть достаточно высоким.
Рис. 4.5. Литье под давлением
Фотополимеризационный способ
Здесь размягченный (но не расплавленный) поликарбонат вводится между прозрачным диском (из того же поликарбоната) и матрицей. Диск выполняет роль подвижной части пресса, а матрица — неподвижной (рис. 4.6). Когда диск опускается на матрицу, сжимая размягченную массу поликарбоната, на его поверхности, примыкающей к матрице, формируется рельеф из пит. Чтобы рельеф затвердел, сквозь диск пропускают поток ультрафиолетовых лучей. Затем готовое изделие отделяется от матрицы.
После того, как компакт-диск изготовлен по одной из вышеописанных технологий, на его поверхность со стороны пит методом вакуумного напыления наносится отражающий слой из алюминия толщиной 0,1 мкм. Далее алюминиевый слой покрывают защитным слоем из прочной пластмассы. Затем обрабатывают и полируют центральное отверстие и внешнюю кромку диска, а на защитном слое формируют этикетку.
Благодаря хорошо продуманной конструкции компакт-диска, информация, содержащаяся на нем в виде пит, надежно защищена от всякого рода повреждений: с одной стороны прозрачным материалом самого диска, с другой — слоем прочной пластмассы и этикеткой. Так что добраться до нее, не разрушив сам компакт-диск, невозможно.
Считывание информации осуществляется со стороны прозрачной основы, т.е сквозь всю толщину компакт-диска. Поскольку считывающий луч фокусируется на дорожке, которая находится глубоко внутри пластинки, то на ее поверхности размеры считывающего пятна еще достаточно велики (около 1 мм) и мелкие пылинки и царапины практически не
влияют на величину интенсивности отраженного света. Можно сказать, что считывающий луч их попросту «не видит» (рис. 4.7).
После всего вышесказанного у читателя может сложиться впечатление, что информация, записанная на любом компакт-диске, всегда абсолютно достоверна, а сам диск абсолютно неуязвим и с ним можно делагь все, что захочется. К сожалению, это нс совсем так.
Прежде всего следует отмстить, что абсолютно достоверной информация не бывает даже на очень хороших фирменных дисках, изготовленных с соблюдением всех технологических норм. Какое-то количество дефектов присутствует даже на них. Однако число таких дефектов у доброкачественных дисков всегда ограничено сверху в соответствии с требованиями Международного стандарта на систему CD. Если количество дефектов не превышает указанной величины, то система коррекции ошибок любого проигрывателя CD легко восстановит недостающую информацию — как будто никаких дефектов и не было. Если же количество дефектов больше нормы, то результат может быть непредсказуем. Диск может звучать с искажениями, пропаданием звука или вообще не воспроизводиться — все зависит от числа дефектов и характера их расположения на диске.
Соблюсти требования стандарта на допустимое число дефектов не так-то просто. Это под силу лишь крупному, хорошо оснащенному производству, которое можез себе позволить не экономить на средствах контроля за ходом технологического процесса и своевременно заменять износившееся оборудование. Множество же мелких фирм, выпускающих компакт-диски, качеством своей продукции не особенно озабочены, поэтому производят зачастую сплошной брак. В первую очередь это относится к так называемым «мини-заводам», которые пиратским способом тиражируют популярные компакт-диски путем перезаписи их содержимого на диски с однократной записью — CD-R. О каком-то качестве здесь говорить нс приходится.
Кроме того, неприхотливость даже хорошего фирменного компакт-диска тоже имеет свои границы. Если обращаться с ним очень уж небрежно, то на его поверхности могут появиться крупные царапины и скопления грязи, которые затруднят или сделают невозможным его воспроизведение.
Но обо всем этом мы поговорим более подробно чуть позже — после того, как ознакомимся с работой сервосистем проигрывателя CD, и с тем, как происходит коррекция и маскирование ошибок в потоке информации, считываемой с компакт-диска.
пштвшм
После знакомства со всеми этапами преобразования звукового сигнала перед записью его на носитель для читателя не составит особого труда разобраться с принципами работы и построением проигрывателя CD, поскольку здесь все вышеописанные процедуры реализуются в обратном порядке. Структурная схема проигрывателя компакт-дисков показана на рис. 5.1. Так устроен любой аппарат независимо от его конструкции, размеров и набора сервисных функций как стационарный, так и переносной.
Знакомство с проигрывателем логичнее всего начать с элемента, который непосредственно взаимодействует с носителем информации — компакт-диском. Таким элементом является оптическая головка или оптико-механический блок (ОМБ). Иногда, пользуясь терминологией, принятой еще в аналоговой грамзаписи, этот элемент называют лазерным звукоснимателем.
5.1.	Оптическая головка
Оптическая головка включает в себя полупроводниковый лазер, оптическую систему и фотоприемник — прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал. Считывание информации, как известно, здесь осуществляется бесконтактно, т.е. головка никогда не соприкасается с диском, а находится на строго определенном расстоянии от него. Расстояние это таково, что дорожка из пит всегда находится в фокусе оптической системы. При этом отраженный свет, модулированный питами, возвращается назад в ту же оптическую систему и попадает на светочув-96
4 Зак 542
Рис. 5.1. Структурная схема проигрывателя компакт-дисков
ствительные площадки фотоприемника, который преобразует его в электрический сигнал, содержащий в себе записанную на диск информацию.
Требования к элементам, осуществляющим считывание информации с дорожки и преобразование ее в электрический сигнал, во многом определяются характером и свойствами излучения и конкретными параметрами элемента, его генерирующего — полупроводникового лазерного диода.
Слово «лазер» (LASER) — аббревиатура английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, которое можно перевести как «усиление света вынужденным излучением». Изначально это слово указывало на способ усиления света, но сегодня оно обозначает оптический квантовый генератор, излучающий свет с определенной длиной волны.
Известно, что атомы любого вещества состоят из ядра и электронов, которые вращаются вокруг ядра по определенным орбитам. Некоторые орбиты находятся ближе к ядру, некоторые — дальше. Чем ближе электроны к ядру, тем с большей скоростью они должны двигаться по орбитам, чтобы не упасть на ядро. Поэтому электроны, движущиеся по разным орбитам, обладают разной энергией. В этом случае говорят, что они находятся на разных энергетических уровнях.
В состоянии теплового равновесия большая часть электронов находится на нижних энергетических уровнях. Свойства вещества, составляющего основу квантовой системы, определяются его энергетическим состоянием. Внутренняя энергия квантовой системы может принимать строго определенные дискретные значения, которые как раз и определяются энергетическими уровнями электронов его атомов. Переход квантовой системы из одного энергетического состояния в другое происходит только скачкообразно и связан с излучением или поглощением энергии, которая может иметь различные формы: электромагнитную, тепловую или звуковую. Переходы, в результате которых поглощается или излучается электромагнитная энергия, называются оптическими.
Если частица (электрон), находящаяся в возбужденном состоянии (на верхнем энергетическом уровне Ет), переходит в состояние с меньшей энергией (на нижний энергетический уровень Еп), то происходит излучение кванта энергии (фотона) с частотой vmjll, которая определяется энергиями начального и конечного состояний:
v -(Е™-Еп) h
где h = (6,62517 ±0,00023) • 10-34 Дж/с — постоянная Планка.
С некоторой долей вероятности такие переходы могут происходить самопроизвольно (спонтанно). Но путем воздействия каким-либо внешним возбуждающим фактором (например, светом, электрическим разрядом, химической реакцией, электромагнитным полем на частоте перехода и т.д.), число электронов на верхних энергетических уровнях можно увеличить. Такой процесс называется инверсией состояния, а состояние квантовой системы, при котором число возбужденных частиц верхнего энергетического уровня больше числа частиц нижнего энергетического уровня, называется состоянием с инверсной населенностью или инверсным состоянием. Такое состояние вещества является довольно неустойчивым (метастабильным) и вероятность перехода с излучением фотона значительно повышается. Если на возбужденную частицу воздействовать внешним фотоном с энергией (hvm Д, равной разности энергий верхнего и нижнего энергетических уровней, то мгновенно произойдет взаимодействие, которое приведет к вынужденному переходу этой частицы в состояние с меньшей энергией. При этом излучается дополнительный фотон (hvmn)2, который в точности совпадает с фотоном, стимулировавшим этот переход. Они имеют одинаковую частоту, фазу и направление распространения. В результате излучение как бы усиливается.
Принцип получения вынужденного (стимулированного) излучения и лежит в основе работы лазера.
Среда (вещество), в которой может быть получено состояние с инверсной населенностью, называется активной средой лазера.
Энергия, с помощью которой осуществляется перевод квантовой системы в инверсное состояние, называется энергией накачки.
Однако, для получения значительного усиления излучения одной энергии накачки недостаточно. Кроме этого, активную среду нужно поместить в систему двух зеркал — оптический резонатор. Одно из зеркал должно быть непрозрачным, а другое — частично прозрачным для вывода излучения наружу. В резонаторе излучение, распространяясь в направлении его оси, многократно отражается от зеркал и проходит среду, стимулируя по пути переходы все новых и новых частиц с верхнего энергетического уровня на нижний. Тем самым обеспечивается эффект усиления.
Полученное таким путем излучение обладает высокой степенью монохроматичности (колебания только одной частоты), пространственной когерентностью (синфазностью генерируемых колебаний) и направленностью.
В зависимости от типа используемой активной среды, лазеры могут быть твердотельными, газовыми, жидкостными и полупроводниковыми. По
скольку в проигрывателях компакт-дисков используются полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия (GaAs), то здесь будут рассматриваться только они. Полупроводниковые лазеры — это общее название всех лазеров, созданных на основе полупроводниковых материалов. Типичная структура такого лазера показана на рис. 5.2.
Снизу располагается слой арсенида галлия GaAs p-типа (дырочная проводимость) толщиной около 2 мкм. Выше — слой арсенида галлия с замещением части атомов галлия (х) на атомы алюминия AlxGaj-xAs (х~0,3) — тоже p-типа. Толщина его — несколько микрон. Далее расположен активный слой (GaAs) толщиной 0,1...0,2 мкм. Еще выше — слой AlxGa!-xAs n-типа (электронная проводимость), толщиной несколько микрон. И, наконец, пластинка (GaAs) n-типа, выполняющая роль подложки. Толщина се 100...150 мкм.
Сверху и снизу такой структуры располагаются электроды, к которым подводится электрическая энергия. Дтя лучшего рассеяния тепла все это помещается на теплоотвод.
Три слоя с активным слоем в центре называются двойной гетероструктурой.
«Гетеро» означает «другой». Контакт двух различных по химическому составу материалов называют гетеропереходом. Комбинацию гстеропере-
п - СаАэ(подложка)
и - Ai.Ga^As
GaAs (активный слой)
р - AI,Ga,„ As
р - GaAs
200...400 мкм
Рис. 5.2. Структура полупроводникового лазера
Отрицательный электрод (проводник)
' Положительный электрод 2 (проводник)

Направление излучения
ходов называют гетероструктурой. Гстероструктуры, состоящие из одного перехода, называют простыми, из большего числа переходов — мультигетероструктурами.
Для изготовления гетероперехода на поверхности одного из материалов выращивают слой другого. Чтобы между атомами образовалась прочная связь, подбирают два вещества с близкими кристаллическими решетками.
Если к полупроводниковому лазеру приложить напряжение, то через его структуру потечет ток накачки и возникнет излучение. При небольших значениях тока накачки мощность излучения будет пропорциональна силе тока и характер его будет некогерентным (естественное излучение), как у обычного светодиода. Но когда ток достигнет некоторого порогового значения 1пор, мощность излучения резко увеличится и начнется лазерная генерация. Пороговый ток обычно составляет несколько десятков миллиампер, а мощность лазерного излучения может быть от нескольких милливатт до нескольких десятков милливатт. Для того, чтобы излучение было стабильным, ток накачки должен быть несколько больше порогового значения — примерно в 1,3 раза. Длина волны излучения определяется свойствами материалов лазерной структуры. В описываемой структуре — количеством примеси алюминия А1. Чем алюминия больше, тем длина волны меньше.
Когда к p-области лазерной структуры приложен плюс источника тока, а к п-области — минус, то в p-область инжектируются дырки, а в п-область— электроны, идущие по направлению к активному слою. В активном слое почти все электроны и дырки рекомбинируют, излучая свет (фотоны). Из-за высокого показателя преломления активного слоя фотоны не выходят в другие области структуры и усиливаются в нем благодаря вынужденному излучению. При этом роль зеркал оптического резонатора выполняют параллельные друг другу грани полупроводникового кристалла в активной области. Когда сопутствующая этому процессу добавка энергии становится выше потерь, возникает когерентное лазерное излучение.
Нежелательным явлением в работе полупроводникового лазера может быть слишком большая площадь активной области. При этом из-за пространственной неоднородности материла полупроводника генерация может возникать в хаотично расположенных по излучающему торцу каналах. Кроме того, для возбуждения активного слоя в этом случае требуется довольно большой ток, а это приводит к разогреву кристалла, нестабильности работы лазера и быстрому выходу его из строя. Поэтому активную область приходится делать достаточно узкой — порядка нескольких микрон. Это достигается путем формирования изолирующих слоев в месте
контакта активного слоя с прилегающими слоями и создания определенной закономерности показателя преломления в материале активного слоя.
Еще одним недостатком полупроводникового лазера является довольно сильная расходимость излучения. Причем в горизонтальной и в вертикальной плоскостях она может быть различной. Например, в горизонтальной плоскости (параллельной р-п-переходу) расходимость может быть 10...15 градусов, а в вертикальной плоскости (перпендикулярной р-п-переходу) — 30...50 градусов. Использование таких лазеров сопряжено со значительными потерями мощности излучения и необходимостью применения сложных оптических систем. Поэтому в процессе производства полупроводниковых лазеров стараются хотя бы обеспечить симметричность расходимости луча по горизонтали и вертикали.
И, наконец, последней проблемой, над которой пришлось потрудиться разработчикам и изготовителям полупроводниковых лазеров для проигрывателей компакт-дисков — это его долговечность при достаточно низкой цене. Срок службы лазерного диода, предназначенного для установки в бытовой аппарат, должен составлять по крайней мере сотни тысяч часов. Для этого кристалл полупроводника не должен содержать никаких дефектов, и его грани, являющиеся зеркалами резонатора, должны быть строго параллельны. Сейчас этому требованию удовлетворяют только ар-сенид-галлиевые диоды с длиной волны излучения до 0,63 мкм, используемые в проигрывателях CD и DVD. Но уже разработаны лазерные диоды на основе нитрида галлия с длиной волны около 0,4 мкм и в самом ближайшем будущем следует ожидать появления носителей с еще более высокой плотностью записи.
Излучение лазера формируется в пучок и фокусируется на дорожке с помощью оптической системы. Та же самая оптическая система собирает свет, отраженный от поверхности компакт-диска и направляет его на фотоприемник — прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал. В зависимости от способа фокусировки, способа слежения за дорожкой и замысла конструктора, оптическая система может состоять из разных элементов и иметь большее или меньшее их число. При этом, как уже отмечалось, построение оптической системы в значительной степени обусловлено характером излучаемого лазером света.
Свет — это электромагнитная волна, которая представляет собой периодическое изменение в пространстве и времени электрического и магнитного полей. Любая электромагнитная волна является поперечной, то есть направление колебаний характеризующих ее векторов напряженности элек
трического Е и магнитного Н полей перпендикулярно направлению распространения волны. Кроме того, колебания векторов Е и Н происходят строго синхронно и во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Электромагнитная волна
Таким образом, можно выделить два важных обстоятельства. Во-первых, электромагнитная волна является поперечной. Во-вторых, существует однозначная пространственная связь между векторами Е и Н — положение одного из них полностью определяет положение другого. Поэтому условно принято рассматривать только электрический вектор Е , что имеет и определенный физический смысл, так как взаимодействие излучения с веществом определяется в основном электрическим, а не магнитным полем.
Поперечные волны обладают изначальным, по самой природе им присущим свойством, называемым поляризацией. По отношению к световым волнам применяется термин «поляризация света». Под этим понимается пространственное соотношение между направлением распространения светового луча и направлением его электрического (или магнитного) вектора.
Возможны различные варианты поляризации света.
Если при распространении световой волны направление колебаний электрического вектора бессистемно, хаотически изменяется и, следовательно, любые его направления в плоскости перпендикулярной направлению распространению волны равновероятны, то такой свет называют неполяризованным или естественным.
Если колебания электрического вектора фиксированы строго в одном направлении, то свет называют линейно поляризованным. Он может быть вертикально линейно поляризован, горизонтально линейно поляризован или линейно поляризован по любому другому направлению.
Рис. 5.4. Линейно-поляризованный свет
Графически поляризованный свет удобно изображать в виде проекции траектории конца колеблющегося электрического вектора на плоскость, перпендикулярную направлению распространения луча. Если на этой плоскости выбрать произвольно некоторую систему координат X, Y, то линейно поляризованный свет будет иметь вид отрезка прямой под определенным углом а к одной из выбранных осей (рис. 5.4).
Линейная поляризация — свойство монохроматической волны, то есть волны, длина,
период и начальная фаза которой не изменяются со временем. Как говорилось выше, лазерное излучение является монохроматическим.
Однако, линейная поляризация монохроматической волны наблюдается только тогда, когда разность фаз<р между составляющими X и Y суммарного вектора равна нулю (рис. 5.5.а). Аналогичная картина будет иметь место при разности фаз равной пл, где п — целое число (рис. 5.6). Во всех других случаях конец вектора электрического поля по мере распространения волны вдоль оси Z будет описывать поверхность эллиптического цилиндра (рис. 5.5.6). Такой случай называется эллиптической поляризацией.
Если же разность фаз при одинаковых амплитудах составит л/2 или (2п - 1 )л/2, где п — целое число, то эллиптический цилиндр станет круговым, а поляризация — круговой поляризацией (рис. 5.6). Различают правую и левую поляризации.
Поляризация называется правой, если наблюдателю, смотрящему навстречу световому лучу, кажется, что конец электрического дектора вращается по часовой стрелке, и левой — если в противоположном направлении.
Рассмотрим теперь один из возможных вариантов построения оптической системы, в котором представлены практически все используемые в таких случаях элементы. Схема ее приведена на рис. 5.7.
Как уже отмечалось, излучение полупроводникового лазера является расходящимся. Поэтому, чтобы получить параллельный пучок, используется специальная линза (или система линз) — коллиматор. После этого параллельный пучок света попадает на поляризационный расщепитель луча, представляющий собой прямоугольную призму, изготовленную из исландского шпата и состоящую из двух треугольных призм, склеенных между собой наклонными плоскостями (рис. 5.8). Такая призма обладает свой-
Рис. 5.5. Разложение электрического вектора Е световой волны при (р = 0 (а) и <р ? О (б)
ством пропускать беспрепятственно только ту составляющую поляризованного света, направление поляризации которой параллельно плоскости падения луча (на рис. 5.8 эта плоскость совпадает с плоскостью чертежа). Составляющая, направление поляризации которой перпендикулярно плоскости падения луча (плоскости чертежа), отражается наклонными гранями треугольных призм. Состав, находящийся в месте их соединения (канадский бальзам, акриловый клей или льняное масло), усиливает эффект расщепления.
Выделение Только одной составляющей луча необходимо для того, чтобы в дальнейшем можно было отделить пучок, поступающий со стороны лазера, от пучка, отраженного поверхностью компакт-диска.
Рис. 5.6. Зависимость поляризации излучения от разности фаз составляющих X и Y: 1, 5, 9 — линейная; 2, 4, 6, 8 — эллиптическая; 3, 7 — круговая.
После того, как разделение выполнено, луч проходит через так называемую четвертьволновую пластинку. Четвертьволновой она называется потому, что обеспечивает разделение проходящего через нее света на два параллельных пучка с разностью фаз колебаний их векторов поляризации в 90° (четверть длины волны). При этом поляризация пучка меняется с линейной на круговую (рис. 5.6). Такой эффект достигается следующим образом.
Пластинка изготовлена из материала (исландский шпат), коэффициент преломления которого зависит от взаимной ориентации его оптической оси и направления падения луча (а следовательно, направления поля-
Рис. 5.7. Пример построения оптической системы
Рис. 5.8. Прохождение света через поляризационный расщепитель:
а) направление поляризации перпендикулярно плоскости падения луча;
б) направление поляризации параллельно плоскости падения луча (находится в плоскости чертежа)
ризации вектора Е). Такие материалы называются анизотропными. Если пластинку расположить так, чтобы между се оптической осью и направлением поляризации падающего луча был угол 45° (рис. 5.9), то при прохождении через нее света будет наблюдаться двойное лучепреломление и образуются два луча с одинаковой амплитудой, но разной фазой. Преломленный луч при этом называется обыкновенным, а тот, который проходит без преломления — необыкновенным. Толщину пластинки подбирают так, чтобы сдвиг фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами составил 90° (рис. 5.10). Тогда линейно поляризованный луч изменит свою поляризацию на круговую.
Направление поляризации падающего луча
Рис. 5.9. Взаимная ориентация оптической оси четвертьволновой пластинки и направления поляризации падающего луча для получения сдвига фаз между составляющими X и Y, равного 90'
Необыкновенный луч
Обыкновенный луч
Рис. 5.10. Двойное лучепреломление в четвертьволновой пластинке
После этого свет проходит через фокусирующий объектив, модулируется питами дорожки компакт-диска и, отражаясь от его поверхности, снова попадает в объектив.
Отраженный пучок имеет также круговую поляризацию, но направление вращения вектора при отражении меняется на противоположное. После прохождения четвертьволновой пластинки, поляризация света вновь станет линейной, но направление ее будет теперь перпендикулярно направлению поляризации исходного луча. Поэтому призма-расщепитель не пропустит отраженного света, а повернет его в сторону фотоприемника. Попадание отраженного пучка в резонатор лазера — явление в общем случае нежелательное, так как это приводит к изменению режима генерации и появлению паразитных шумов.
Для согласования диаметра отраженного пучка и размеров фотоприемника может использоваться еще одна линза (или система линз).
Фотоприемник — это прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал. Для преобразования используется эффект генерации светом электронов и дырок в полупроводнике. Фотоприемники, как правило, имеют несколько изолированных друг от друга светочувствительных площадок. Их число зависит от выбранных методов фокусировки и слежения за дорожкой (автотрекинга).
Следует заметить, что фокусирующий и согласующий объективы, а также коллиматор — это чаще всего не одна линза, как показано на рис. 5.7, а система из нескольких линз. Дело в том, что простая линза обладает целым рядом оптических недостатков, известных под общим названием аберрации. В силу особенностей используемого в оптической записи лазерного излучения, большинством аберраций здесь можно пре-' небречь. Неприятным явлением остается только сферическая аберрация.
Сферическая аберрация возникает из-за того, что попавший в линзу широкий пучок после преломления пересекается не в одной точке, а в нескольких точках, расположенных на главной оптической оси (рис. 5.11). Это явление вызывается тем, что степень преломления лучей, попадающих на края линзы больше, чем степень преломления приосевых (параксиальных) лучей, расположенных ближе к центру. Поэтому у такой линзы невозможно точно определить фокуса. Присутствие сферической аберрации затрудняет получение светового пятна достаточно малых размеров.
Величина сферической аберрации зависит от формы линзы, а также от положения ее относительно объекта или плоскости изображения.
Рис. 5.11. Сферическая аберрация
Влияние сферической аберрации можно уменьшить до необходимых пределов путем придания поверхности линзы асферической формы или путем подбора системы из нескольких линз. Асферическую линзу (к тому же миниатюрных размеров) изготовить очень трудно — требуется чрезвычайная точность. А многолинзовый объектив получается дорогим. Тем не менее, чаще всего используют второй путь.
Кроме схемы, изображенной на рис. 5.7, существует множество других оптических схем, построение которых зависит от используемых способов фокусировки, автотрекинга и прочих факторов.
5.2.	Система автофокусировки
При воспроизведении информации с компакт-диска необходимо, чтобы расстояние между фокусирующим объективом и дорожкой было равно фокусному расстоянию объектива. Максимально допустимые отклонения от этого положения в ту или иную сторону не должны превышать пределов его глубины резкости.
Глубина резкости объектива d зависит от его числовой апертуры NA (Numerical Aperture) и от длины волны Л излучения лазера
d = ±—7--и-.
2(NA>
(5.1)
Числовая апертура объектива определяется выражением:
NA = nsin0,	(5.2)
где п — показатель преломления среды, в которой распространяется свет;
0 — угол, под которым виден радиус входного зрачка объектива из точки пересечения его оптической оси с фокальной плоскостью (рис. 5.12).
Показатель преломления воздушной среды n = 1, поэтому в воздухе
NA=sin0.	(5.3)
Величина угла a = 20, под которым виден диаметр входного зрачка объектива из той же точки, называется угловой апертурой.
Кроме глубины резкости, величины Л и NA определяют еще и разрешающую способность объектива, т.е. его способность различать мелкие
детали изображения. При заданных X и NA размеры различимых деталей не превышают величины Ь:
(5-4)
Ь = С-^, NA
где С — коэффициент, который зависит от критерия оценки разрешающей способности и может принимать значения от 0,5 до 1,0.
Как следует из формулы (5.4), для увеличения разрешающей способности считывающей оптики длину волны лазерного излучения целесообразно уменьшать, а числовую апертуру объектива — увеличивать. Однако, выражение (5.1) показывает, что при этом уменьшается глубина резкости d и, следовательно, ужесточаются требования к точности фокусировки.
Как известно, длина волны излучения лазера и числовая апертура считывающего объектива определены стандартом и составляют: Л = 0,78 мкм, NA = 0,45. Поэтому глубина резкости d оптической системы должна равняться:
,	/.	0,78 мкм
d = ±	----ГТ = -------Т—
2(NA)	2-0,452
= ±1,9 мкм.
Однако, максимально допустимые вертикальные биения диска при воспроизведении, которые также определены стандартом, могут достигать ±0,5 мм, т.е. быть примерно в 250 раз большими.
Для того, чтобы в таких условиях обеспечить нужную дистанцию между объективом и дорожкой, используется система автофокусировки. Суть ее работы состоит в следующем. Прежде всего определяется величина и знак ошибки фокусировки и представляется в виде соответствующего электрического сигнала. Затем этот сигнал усиливается и управляет исполнительным механизмом, который, перемещая объектив вверх или вниз вдоль оптической оси, компенсирует образовавшуюся ошибку фокусировки.
Известно несколько способов детектирования ошибки фокусировки, которые могут быть использованы в проигрывателях компакт-дисков.
Метод астигматизма пучка
Этот метод, как следует из его названия, основан на использовании явления астигматизма, которое состоит в том, что лучи одного и того же пучка, распространяющиеся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, после прохождения оптической системы не собираются в одном
месте, а имеют разные точки сходимости. Наличие астигматизма делает невозможным получение одновременной резкости вертикальных и горизонтальных линий. Изображение точки В передается при наличии астигматизма в виде горизонтального В' или вертикального В' отрезка прямой (рис. 5.13), которые к тому же находятся на разных расстояниях от фокусирующей линзы.
Рис. 5.13. Картина астигматизма при прохождении света через сферическую линзу
Явление астигматизма возникает при недостаточно точной сферичности линзы, но еще сильнее оно проявляется, когда объект находится под углом к ее оптической оси. При этом поверхность линзы для наклонных лучей не будет строго симметричной, что приведет к искажению изображения.
В системах автофокусировки для создания требуемой картины астигматизма отраженный от поверхности компакт-диска пучок пропускается через специально подобранную цилиндрическую линзу (рис. 5.14). Возникающее при этом распределение света в пучке показано на рис. 5.15. Наибольший интерес здесь представляет отрезок луча между точками А и Е (рис. 5.15.я), который и используется для детектирования ошибки фокусировки.
Если рассматривать сечение пучка продольной вертикальной плоскостью Y0Z (рис. 5.15.в), то фокус в этой плоскости соответствует точке Е.
Рис. 5.14. Картина астигматизма при прохождении сходящегося пучка через цилиндрическую линзу.
Если рассматривать сечение того же отрезка луча горизонтальной плоскостью X0Z (рис. 5.15.д), то здесь фокус соответствует точке А, после чего пучок вновь расходится.
Таким образом, если рассматривать теперь сечение пучка плоскостью, перпендикулярной направлению распространения луча, то форма светового пятна в промежутке между точками А и Е будет плавно изменяться от вертикальной черты (точка А) до горизонтальной черты (точка Е) (рис. 5.15.г). Вначале она принимает форму вертикального эллипса (точка В), который, постепенно расширяясь и уменьшаясь по высоте, превращается в окружность (точка С). Затем окружность начинает вытягиваться по горизонтали и превращается в горизонтальный эллипс (точка D), а он, в свою очередь, в горизонтальную черту (точка Е).
Чтобы использовать явление астигматизма для автофокусировки, на пути луча помещают четырехплощадочный фотоприемник, расположение площадок которого подобно показанному на рис. 5.15.6,г. Конструкция оптической системы, реализующей данный метод, представлена на рис. 5.16.
Рис. 5.15. Распределение света в астигматичном пучке: а — общий вид сходящегося пучка;
б — четырехплощадочный фотоприемник;
в — сечение пучка плоскостью YOZ;
г — форма светового пятна в пучке; д — сечение пучка плоскостью XOZ
Лазерный диод
Расщепитель луча
Фотоприемник
Цилиндрическая линза
Линза объектива
Дорожка на диске
Рис. 5.16. Схема фокусировки по методу астигматизма пучка
Сигнал фокусировки
Излучение лазерного диода фокусируется линзой объектива на поверхность компакт-диска и, отражаясь от нее, попадает на расщепитель луча. Наклонная грань расщепителя направляет отраженный пучок на фотоприемник. Между расщепителем и фотоприемником размешается цилиндрическая линза.
Расположение фотоприемника в системе выбирается таким образом, что, когда расстояние от объектива до дорожки в точности равно фокусному, световое пятно на его поверхности имеет форму круга, причем центр этого круга должен совпасть с геометрическим центром фотоприемника. Тогда все четыре его площадки выработают одинаковые электрические сигналы (рис. 5.15.г, сечение С).
Если в режиме слежения расстояние между объективом и дорожкой изменится в ту или иную сторону, то круг на фотоприемнике трансформируется в эллипс (рис. 5.15 г). Освещенность пар площадок 1-3 и 2-4 при этом изменится. Одна из пар получит света меньше и выработает меньший электрический сигнал, другая получит света больше и выработает больший электрический сигнал. Если просуммировать такие сигналы и определить разность полученных сумм, то величина и знак такой разности будут соответствовать величине и знаку ошибки фокусировки.
Разностный сигнал используют для управления исполнительным механизмом автофокусировки, который и компенсирует ошибку, перемещая объектив в ту или иную сторону по вертикали.
Метод двух диафрагм
Схема автофокусировки по этому методу показана на рис. 5.17. Отраженный от поверхности компакт-диска пучок разделяется на два с помощью полупрозрачного зеркала ПЗ (рис. 5.17). Коэффициенты отражения и пропускания зеркала равны 0,5, поэтому одна половина энергии света проходит сквозь него, другая — отражается. Фотоприемники ФП1 и ФП2 располагаются на одинаковом расстоянии от точки пересечения осей падающего и отраженного пучков. Диафрагмы Д1 и Д2 размещаются на одинаковом расстоянии от перетяжек разделенных пучков, но по разные стороны от них. Диафрагма Д1 падающего пучка располагается до перетяжки П1, а диафрагма Д2 отраженного пучка — после перетяжки П2. Диаметр отверстия в каждой из диафрагм равен диаметру пучка в месте установки диафрагмы.
Схема регулируется таким образом, что, когда дорожка на диске находится точно в фокусе считывающего объектива, падающий и отраженный пучки проходят сквозь диафрагмы без перекрытия ими (рис. 5.17.6). В

результате, фотоприемники ФП1 и ФП2 получают одинаковое количество световой энергии и вырабатывают одинаковые электрические сигналы. При этом на выходе дифференциального усилителя ДУ будет нуль.
Если в процессе считывания поверхность диска удалится от объектива, то перетяжки в схеме автофокусировки переместятся ближе к полупрозрачному зеркалу (рис. 5.17.о). При этом диафрагма Д2 перекроет часть света, поступающего на фотоприемник ФП2. Перемещение же перетяжки П1 в пучке, прошедшем сквозь зеркало, на величину энергии света, падающего на фотоприемник ФП1, никак не повлияет. Поэтому сигнал с фотоприемника ФП1 будет больше, чем сигнал с фотоприемника ФП2, и дифференциальный усилитель выработает сигнал ошибки. В примере включения, показанном на схеме, он будет отрицательным.
Если поверхность диска приблизится к объективу, то перетяжки в схеме фокусировки удалятся от полупрозрачного зеркала (рис. 5.17.в). Теперь уже диафрагма Д1 перекроет часть пучка, поступающего на фотоприемник ФП1. Отраженный пучок при этом пройдет сквозь диафрагму Д2 без ослабления. В этом случае фотоприемник ФП2 получит световой энергии больше, чем фотоприемник ФП1, и сигнал ошибки на выходе дифференциального усилителя ДУ будет положительным.
Метод Фуко
Этот метод основан на использовании призмы, расщепляющей луч лазера на два пучка (рис. 5.18).
Если отраженный от поверхности компакт-диска луч точно сфокусировать на ребре призмы, то, расщепляясь, он образует два одинаковых пучка. Если на пути этих пучков поместить два двухплощадочных фотоприемника, то на каждом из них образуется световое пятно в виде круга. Фотоприемники следует расположить так, чтобы граница между площадками проходила точно через середину круга (рис. 5.18.6). При этом разностный сигнал от пар 2-3 и 1-4, полученный с помощью схемы 5.18.г. будет равен нулю, что означает точную фокусировку объектива головки на дорожке. При сближении объектива и компакт-диска фокальная плоскость будет приближаться к фотоприемникам. В результате световые пятна переместятся на элементы 1 и 4 (рис. 5.18.о), а разностный сигнал станет отрицательным. Если объектив и компакт-диск удаляются друг от друга, то удаляется и фокальная плоскость от фотоприемников. В результате, световые пятна смещаются на элементы 2 и 3 (рис. 5.18.в), а разностный сигнал становится положительным (рис. 5.18.г).
1	2
3	4
1	2
а) дорожка и объектив сблизились
б) дорожка в фокусе объектива
в) дорожка и объектив отдалились
Q — дорожка и объектив сблизились
© — дорожка и объектив отдалились
(+) — дорожка в фокусе объектива
Рис. 5.18. Автофокусировка по методу Фуко
Полученный таким путем сигнал используется для управления исполнительным механизмом автофокусировки.
Кроме вышеописанных, существуют и другие способы автофокусировки, также основанные на свойствах лазерного излучения и особом построении оптической системы.
Исполнительный механизм автофокусировки конструктивно напоминает устройство электродинамического громкоговорителя, только вместо диффузора в нем под воздействием электромагнитного поля перемещается линза объектива. Один из вариантов такого механизма показан на рис. 5.19.
Кольцевой постоянный
Рис. 5.19. Вариант конструкции привода автофокусировки
Оправа объектива и кольцо постоянного магнита соосно закреплены в центре кольцевой пружины. Края пружины закрепляются на торце неподвижной катушки. Когда через катушку протекает ток того или иного направления, объектив вместе с магнитом перемещается вверх или вниз вдоль вертикальной оси, отслеживая колебания поверхности диска.
5.3.	Слежение за дорожкой (автотрекинг)
При тиражировании компакт-дисков неизбежно возникает некоторый эксцентриситет записи. Его предельная величина, в соответствии со стандартом, не должна превышать +70 мкм. Однако и эта цифра достаточно велика. Для воспроизведения информации с дорожки шириной 0,6 ..0,8 мкм нужно, чтобы сфокусированный луч лазера удерживался на ней с точностью ±0,1 мкм. Поэтому требуется применение системы автоматического слежения за дорожкой (автотрекинга) с глубиной регулировки не менее 700. Исполнительный механизм такой системы должен перемещать объек
тив (или всю оптическую головку) в радиальном направлении, компенсируя влияние эксцентриситета.
Ниже рассматриваются несколько способов радиального слежения, отличающихся построением оптоэлектронного тракта, формирующего сигнал ошибки трекинга.
Способ трех лучей
Для реализации данного способа, кроме основного считывающего луча, необходимы еще два дополнительных, которые формируются путем расщепления основного. Для формирования дополнительных лучей в качестве светоделителя с равным успехом могут быть использованы полупрозрачное зеркало, поляризационная призма, фазовая дифракционная
решетка или оптические клинья.
Расположение основного и дополнительных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга показано на рис. 5.20. Основной луч А располагается посередине, а дополнительные В и С — по обеим сторонам от него вдоль оси дорожки на расстоянии У. Кроме того, дополнительные лучи смещены перпендикулярно оси дорожки на некоторую величину X. Один из них (В) смещен влево, другой (С) — на такую же величину вправо. При этом каждому из трех лучей соответствует свой фотоприемник.
Когда основной луч А следует точно по центру дорожки, дополнительные лучи В и С только слегка захватывают ее каждый со своей стороны. Сигналы с фотоприемников дополнительных лучей должны быть при этом одинаковы, а разность их, соответственно, должна быть равна нулю. Если основной луч А смещается в ту или иную
Рис. 5.20. Положение сфокусированных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга
сторону, то один из фотоприемников дополнительных лучей начинает получать больше света, а другой — меньше. При их вычитании получается определенная разность, которая и будет характеризовать величину и знак сигнала ошибки.
Из-за своей простоты и устойчивости в работе способ трех лучей получил наиболее широкое распространение в проигрывателях компакт-дисков, хотя и является очень старым, заимствованным еще из системы лазерной видеозаписи LV (Laser Vision).
Дифракционный способ
В этом способе используется явление дифракции света на микрорельефе регистрирующего слоя компакт-диска.
Под дифракцией в оптике понимают любое отклонение световых лучей от прямых линий, возникающее в результате ограничения или искажения волнового фронта. Дифракционные явления присущи любому изображению, полученному с помощью оптических приборов, поскольку фронт световой волны, проходящий через оптику, всегда ограничен ее размерами.
Если размеры изображаемых предметов велики в сравнении с длиной волны света, то эти явления теряются на фоне общей картины изображения. Но если размеры предметов и длина волны излучения имеют один порядок, как в случае пит на поверхности компакт-диска, то дифракционная структура изображения начинает играть определяющую роль.
На рис. 5.21 показано распределение интенсивности I монохроматического излучения после прохождения им щели, ширина которой а велика в сравнении с длиной волны света X (диагр. а), и распределение интенсивности того же излучения после прохождения щели, ширина которой сравнима с длиной волны падающего света (диагр. б). В первом случае дифракция незаметна, во втором — распределение интенсивности имеет ряд максимумов и минимумов, положение которых зависит от ширины щели и длины волны излучения.
Аналогичные явления имеют место не только при прохождении через узкую щель, но и при отражении от поверхности, имеющей узкие полосы с малым коэффициентом отражения. В случае поверхности компакт-диска такими полосами являются дорожки с питами. Поскольку излучение лазера является когерентным, а глубина пит меньше четверти длины волны, то эффект «темной полосы» возникает за счет разности хода лучей, отраженных от зеркальной поверхности и от пита.
Рис. 5.21. Распределение интенсивности монохроматического излучения после прохождения щели: а) широкая щель; б) узкая щель
Чтобы использовать явление дифракции для автотрекинга требуется всего один луч и двухплощадочный фотоприемник. При этом очень важен тот факт, что глубина пит (~0,1 мкм) меньше четверти длины волны излучения лазера (0,78/4 ~ 0,2 мкм), так как только в этом случае при смещении считывающего пятна дифракционная картина на фотоприемнике будет несимметричной (рис. 5.22).
Данный способ достаточно прост, но имеет один существенный недостаток. Для его реализации необходимо перемещать не только объектив, но и всю оптическую систему целиком, иначе пятно с фотоприемника будет смещаться в ту или иную сторону.
Рис. 5.22. Распределение света на фотоприемнике при автотрекинге дифракционным способом
Фазовый способ
Этот способ похож на вышеописанный, но для его осуществления достаточно перемещать только линзу объектива. Кроме того, здесь разностный сигнал регулирования меньше зависит от глубины пит и может быть получен даже при глубине, равной четверти длины волны излучения лазера, т.е. 0,78/4 - 0,2 мкм.
Фазовый метод, так же как и дифракционный, основан на изменении распределения отраженного света в зависимости от взаимного положения светового пятна и пит. Это изменение распределения регистрируется четырехплощадочным фотоприемником (рис. 5.23). На рис. 5.24 показаны различные формы распределения света на фотоприемнике при различных положениях пятна и пита. Разностный сигнал управления по этому методу определяется как (а + с) — (в + d), а информационный сигнал как а + в + с + d. При точном следовании считывающего пятна по центру дорожки картина на фотоприемнике будет меняться, оставаясь при этом симметричной, а разностный сигнал будет равен нулю. Если пятно сместится вправо или влево, то разностный сигнал будет иметь синусоидальную форму, сдвинутую по фазе на 90° относительно информационного сигнала. Сигнал управления получается путем детектирования этой фазы гетеродинным детектором (рис. 5.23).
Существуют и другие способы реализации систем радиального слежения, но на практике они почти не используются, по крайней мере, в бытовой аппаратуре.
Рис. 5.23. Автотрекинг по фазовому способу
Рис. 5.24. Картины распределения света на фотоприемнике при фазовом способе автотрекинга
5.4.	Выделение цифрового сигнала и импульсов тактовой синхронизации
Информационный сигнал, считанный с диска, имеет форму, далекую от той, что он имел при записи на диск-оригинал (рис. 5.25). Такой сигнал называется высокочастотным информационным сигналом.
Однако информация, представленная при записи в коде EFM, содержится в промежутках между границами двухуровневого сигнала, формируемого в процессе канального кодирования. Поэтому для того, чтобы декодировать воспроизведенный поток данных, высокочастотный сигнал нужно преобразовать в последовательность прямоугольных импульсов, длина которых кратна периоду тактовой частоты FT = 4,3218 МГц. Осуществляется такое преобразование путем сравнения величины тока фотопри-, емника (фототока) 1Ф с некоторым усредненным уровнем 1ср. Такая операция называется компарированием. Рис. 5.26 иллюстрирует процесс преобразования фототока 1Ф, в двухуровневый цифровой сигнал.
Однако, в силу целого ряда причин при компарировании может возникнуть ошибка (Дт) в положении перепада уровня (фронта). Среди таких причин можно выделить следующие:
♦	нестабильность мощности записывающего лазера, вызывающая разброс размеров (длины и ширины) формируемых пит;
♦	нестабильность мощности воспроизводящего лазера;
Рис. 5.26. Считывание информации с диска лучом лазера и преобразование ее в двухуровневый сигнал
♦	ограниченность и нелинейность амплитудно-частотной характеристики тракта оптического воспроизведения;
♦	нелинейность фазо-частотной характеристики тракта;
♦	неравномерность распределения мощности света в пределах пятна;
♦	наличие дифракции на питах;
♦	ограниченность апертуры входного зрачка объектива;
♦	неравномерность толщины прозрачного слоя диска;
♦	интерференция падающего и отраженного пучков.
Список искажающих факторов можно было бы продолжить, включив в него еще и разнообразные причины появления самих искажающих факторов. На практике почти каждый фронт в той или иной степени является искаженным. Поэтому, перед тем как подавать полученный цифровой сигнал на демодулятор EFM, его следует откалибровать по длительности так, чтобы расстояние между любыми двумя его фронтами было кратным периоду тактовой частоты Fy.
Для этого используется так называемое устройство тактовой синхронизации (УТС), построенное на основе петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Схема такого устройства показана на рис. 5.27, а временные диаграммы его работы — на рис. 5.28.
Рис. 5.27. Схема УТС с петлей ФАПЧ
Рис. 5.28. Временные диаграммы работы УТС
Ноль определителя ошибки синхронизации здесь выполняет фазовый дискриминатор ФД. На один из его входов поступает тактовая частота FT, вырабатываемая генератором, управляемым напряжением (ГУН) (на схеме — ее инверсия FT). На другой вход ФД посзупают короткие импульсы, сформированные по фронтам воспроизведенного сигнала EFMB. В соответствии с величиной и знаком ошибки <р ФД вырабатывает управляющее напряжение U(<p), которое вынуждает ГУН изменить свою частоту так, чтобы ее период приблизился к длительности канального бита воспроизведенного сигнала EFMB. Чтобы устранить искажения фронтов сигнала EFMB, он идентифицируется (стробируется) в середине тактового интервала с помощью обычного D-триггера. Полученный сигнал EFM далее поступает на демодулятор.
Промежуток времени, в пределах которого может находиться искаженный фронт сигнала EFMB без риска быть неправильно идентифицированным при стробировании, называется окном детектирования. Окно детектирования равно расстоянию от одного стробирующего фронта до другого, т е. длительности тактового интервала FT.
Схем реализации УТС существует достаточно много — как аналоговых, так и цифровых. Однако, любое УТС должно удовлетворять следующим требованиям:
♦	синхронизация сигнала EFM и тактовых импульсов должна сохраняться и при наличии достаточно длинных выпадений — порядка нескольких символов;
♦	изменение частоты ГУН производится не по каждому фронту сигнала EFM, а исходя из некоторой усредненной величины ошибки (<рср), т.е. должна быть обеспечена инерционность к временным дрожаниям воспроизведенного сигнала;
♦	если из-за наличия очень длинных выпадений или сбоя систем слежения за дорожкой синхронизация все же нарушена, то при появлении сигнала должно обеспечиваться быстрое ее восстановление.
Кроме стробирования, выделенная из считанного сигнала тактовая частота используется при формировании хронирующих последовательностей для декодера EFM и буферной памяти.
5.5.	Демодулятор, система автоматического регулирования скорости вращения диска.
Буферная память
Сформированный по уровням и по фронтам информационный сигнал в коде EFM далее поступает на демодулятор. Операции, которые производятся здесь, обратны тем, что ранее осуществлялись в модуляторе Если вернуться к рис. 3 2, то их можно интерпретировать как перевод данных из формы «ж» сначала в форму «е», а затем в форму «д». При этом первый символ в кадре — служебный, направляется в соответствующий блок, где содержащаяся в нем информация будет использована для управления работой проигрывателя. Оставшиеся 32 символа направляются в блок коррекции ошибок.
Однако для того, чтобы правильно декодировать информацию, заключенную в каждом отдельном кадре, необходимо знать, где он начинается и где заканчивается, а также где начинается и где заканчивается каждый символ. В противном случае декодер может начать декодирование с середины кодового слова и тем самым будет фиксировать кодовые слова, не соответствующие действительным.
Как уже говорилось выше, начало каждого кадра отмечается путем введения в него специальной синхрогруппы, имеющей вполне определенную конфигурацию. Такой вид синхронизации в системах передачи данных называется цикловой синхронизацией и имеет исключительно важное значение, так как нарушение синхронизации по циклам приводит к полному искажению всей информации.
Структурная схема устройства цикловой синхронизации показана на рис. 5.29. Работает она следующим образом.
ти
Рис. 5.29. Структурная схема устройства цикловои синхронизации
Анализируемый поток двоичной информации вначале поступает на вход опознавателя синхрогруппы ОС, в памяти которого хранится ее конфигурация. Первый же момент дешифрирования комбинации, совпадающей по форме с синхрогруппой, фиксируется как возможное начало цикла (в системе CD — кадра, блока). Однако, из-за наличия выпадений в считанной информации, может получиться так, что за синхрогруппу будет ошибочно принята какая-то другая комбинация, ставшая похожей на нее в результате искажения. В этом случае устройство цикловой синхронизации должно сначала убедиться в том, что это действительно синхрогруппа, а не случайное сочетание единиц и нулей. Для этого служит блок защиты от ложного фазирования БЗЛФ, который проверяет наличие дешифрированной синхрокомбинации на той же самой позиции в одном или нескольких циклах. С этой целью он отсчитывает от предполагаемой позиции синхроимпульса столько тактов, сколько бит информации содержится в цикле (для CD число бит в кадре равняется 588). Если синхрокомбинация обнаруживается два или более раз подряд, то БЗЛФ принимает решение об истинности найденной позиции и устанавливает соответствующим образом формирователь синхроимпульсов ФСИ. Число появлений синхрокомбинации на одной и той же позиции, необходимое для принятия решения об ее истинности, называется коэффициентом по входу в синхронизм NBX и определяется при разработке устройства цикловой синхронизации исходя из требований к его помехозащищенности. Обычно NBX выбирается равным 2 или 3.
После того, как ФСИ сфазирован, он начинает вырабатывать синхроимпульсы уже самостоятельно на той позиции, которая ему была определена БЗЛФ даже в том случае, если синхрогруппа из-за искажений не будет зарегистрирована опознавателем ОС.
Однако, БЗЛФ в течении всей работы устройства постоянно проверяет и другие позиции в цикле, где по каким-то причинам сформировалась комбинация, дешифрированная опознавателем как синхрогруппа. И если она повторилась на одной и той же позиции NBX раз, то ФСИ немедленно перестраивается, поскольку это будет означать, что произошел сбой цикловой синхронизации и предыдущая позиция уже не соответствует истинной.
Могут применяться и другие меры по повышению эффективности и помехозащищенности систем цикловой синхронизации.
По описанному выше принципу построена не только система кадровой синхронизации, но и система блочной синхронизации, т.е. система выделения сигнала синхронизации служебных данных, которые
так же, как и звуковые данные, организованы в блоки по 98 символов в каждом (см. раздел 3.3).
Кроме своего основного назначения, сигнал блочной синхронизации используется еще и для управления двигателем вращения диска. Схема формирования сигнала управления показана на рис. 5.30, а временные диаграммы ее работы — на рис. 5.31.
ДВ — двигатель вращения ФД — фазовый дискриминатор
Рис. 5.30. Схема регулирования скорости вращения диска
Рис. 5.31. Временные диаграммы работы схемы регулирования скорости вращения диска
На один из входов фазового дискриминатора ФД, в качестве которого использован обычный элемент И, подается сигнал частоты следования блоков, который формируется на основе тактовой частоты, выделяемой из воспроизводимого потока информации. Поскольку этот сигнал нестабилен и зависит от скорости вращения диска, он обозначен буквой Fbl.
На другой вход ФД поступает сигнал блочной частоты Fc„ = 75 Гц, полученный делением сигнала FT = 4,3218 МГц, формируемого кварцевым генератором
Fj_ 4,3218 МГц
Fbl =	= ^88 =---------588------= 75 Гц
6'	98	98	98
Система отрегулирована так, что FT = FT при сдвиге фаз между сигналами F6jl и F6jl равном 90° (рис. 5.31.я,б,в). Тогда на его выходе будут формироваться импульсы шириной в четверть периода частоты F6jl.
Если двигатель начнет вращаться слишком быстро, то Fbl будет опережать F6jl больше, чем на 90°. При этом ширина импульсов на выходе ФД уменьшится, что заставит двигатель снизить обороты (рис. 5.31.я,г,д).
Если скорость вращения станет слишком мала, то F^ окажется сдвинутой относительно Р6л на угол меньший чем 90°. Ширина импульсов на выходе ФД при этом увеличится и двигатель начнет вращаться быстрее (рис. 5.31.я,е,ж).
Согласующее устройство в соответствии со своим названием служит для согласования выходного сигнала ФД с рабочими характеристиками используемого двигателя.
Наличие такой системы регулирования позволяет предельно снизить требования к двигателю. Никакой точности и стабильности от него не требуется, лишь бы подходил по габаритам и мощности. А тот факт, что считанный сигнал нестабилен во времени, никакой роли не играет, так как для борьбы с этим явлением используется очень эффективное средство — буферное запоминающее устройство или буферная память, которая реализуется на основе ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольной выборкой). В буферную память информация записывается по мере ее поступления от демодулятора, т.е. с неравномерной скоростью, а считывается с помощью сигналов, сформированных кварцевым генератором — строго равномерно.
Благодаря наличию буферной памяти проигрыватель компакт-дисков (так же, впрочем, как и любой другой цифровой источник звуковых программ) избавлен от извечного недостатка аналоговой записи, связан-
ного с неравномерностью вращения (перемещения) носителя — детонации, т.е. более или менее заметного на слух «плаванья» звука.
Чтобы более отчетливо представить себе принцип действия буферной
Рис. 5.32. Пример организации буферной памяти на основе ЗУПВ объемом в 2 кБ
Пусть в некоторый момент времени запись считанного с диска байта информации производится в ячейку 1. Система адресации ЗУПВ должна быть организована так, чтобы при равенстве скоростей записи и считывания информации обеспечить интервал между моментом записи в любую из ячеек и моментом считывания из нее равным времени, необходимому для того, чтобы заполнить половину общего объема памяти ЗУПВ. Поэтому, если запись производится в ячейку 1, то считывание при этом должно производиться из ячейки 1025, информация в которую была записана раньше.
Это происходит при равенстве скоростей записи и считывания, когда скорость вращения диска такова, что тактовая частота FT, выделенная из потока воспроизводимой информации, в точности равна 4,3218 МГц. Если
же скорость записи будет возрастать (из-за увеличения скорости вращения диска), то номер ячейки, в которую она производится, будет увеличиваться (2, 3, 4 и так далее) и приближаться к цифре 1024. Это максимально возможный номер ячейки, когда еще не наступает переполнения памяти.
Здесь мы условно примем некоторое статичное положения процесса записи в ячейки. На самом деле, конечно, адреса постоянно изменяются.
Однако, указанное выше сближение номеров ячеек записи и считывания, вызванное слишком высокой скоростью вращения диска, не останется без внимания системы регулирования этой скорости, и ее реакция выразится в том, что она уменьшит число оборотов двигателя вращения диска так, чтобы заданный защитный интервал сохранился.
Если скорость вращения диска уменьшится, то уменьшится и скорость записи в ячейки ЗУПВ, номера которых начнут приближаться к цифре 1025 с другой стороны — 2048, 2047, 2046 и так далее до 1026, когда возникнет угроза того, что все ячейки памяти окажутся пустыми. Однако, и в этом случае система регулирования скорости вращения диска отработает ошибку в направлении восстановления необходимого защитного интервала.
Запись и считывание в ЗУПВ осуществляется не одновременно, а попеременно. Один символ записали, потом другой считали. Записали в одну ячейку, считали из другой. Приведенная на рис. 5.33 схема иллюстрирует этот процесс.
ЗУПВ, используемые в проигрывателях компакт-дисков, чаще всего имеют восьмиразрядную входную шину, вход управления записью/считы-ванием и поразрядную адресную шину. Разрядность адресной шины зависит от объема памяти ЗУПВ. Если, скажем, объем памяти равен 2 кВ, то адресная шина ll-разрядная, если 4 кБ, то 12-разрядная и так далее. Вход управления служит для переключения режимов записи и считывания. Например, если на этом входе логический «0», то производится запись байта информации с входной шины в ячейку, адрес которой присутствует на адресной шине. Если «1», то производится считывание из ячейки с соответствующим адресом через выходную шину.
Надо заметить, что вход и выход ЗУПВ могут быть организованы через одну и ту же шину с «третьим» состоянием. Более того, современные процессоры для проигрывателей CD выполнены зачастую так, что и память и сам процессор находятся на одном кристалле и все соединения между ними не видны. Тем не менее, для простоты восприятия удобнее рассматривать наиболее наглядный вариант схемы, как на рис. 5.33.
Адреса ячеек, в которые должна производиться запись, формируются на основе тактовой частоты, выделенной из считанного с компакт-диска сигнала,
Рис. 5.33. Структурная схема буферной памяти
а адреса ячеек, из которых производится считывание — с помощью сигнала, вырабатываемого высокостабильным кварцевым генератором. Таким образом, как бы ни менялась скорость вращения диска, а вместе с ней и скорость воспроизведения информации, после ЗУПВ считанные символы будут следовать строго равномерно, обеспечивая тем самым точное соответствие временного масштаба воспроизводимой фонограммы тому оригинальному материалу, который некогда был записан на мастер-диск в студии звукозаписи.
Адреса записи и считывания подаются на переключающее устройство, которое так же как и ЗУПВ управляется сигналом записи/считывания. Поэтому, когда нужно произвести запись, к адресной шине ЗУПВ подключается формирователь адреса записи, а когда нужно информацию считать, то подключается формирователь адреса считывания.
Вследствие того, что блок управления двигателем, вращающим диск, поддерживает скорость потока считанной с него информации вблизи 4,3218 Мбит/с, количество символов, поступающих на вход ЗУПВ, колеблется с некоторым рассогласованием вокруг величины, равной количеству символов, считываемых с его выхода. Допустимая величина упомянутого рассогласования зависит от объема ЗУПВ. Чем больше объем памяти, тем большие отклонения скорости вращения от номинальной допустимы.
В первых моделях проигрывателей компакт-дисков, выпускавшихся в начале 80-х годов, использовалась память объемом 2...4 кбайт. Микросхемы большей емкости были чересчур дорогими. К концу 90-х годов ситуация изменилась. Память значительно подешевела и поэтому некоторые производители позволяют себе применение ЗУПВ объемом в несколько мегабайт. Причем, что интересно, в относительно недорогих переносных моделях. Такая, на первый взгляд, неоправданная роскошь имеет свой глубокий смысл. Благодаря такому большому объему памяти появилась возможность организовать на ее основе системы восстановления процесса воспроизведения фонограммы, прерванного из-за механического воздействия на работающий проигрыватель. Такие системы известны как системы электронной защиты от ударов. Смысл защиты состоит в том, что если оптическая головка потеряла считываемую дорожку в результате удара, то за то время, пока из памяти извлекается информация, записанная туда до срыва, головка успевает заново найти нужное место и продолжить воспроизведение. После этого, чтобы восполнить израсходованный за время поиска запас информации в ЗУПВ, скорость вращения в несколько раз увеличивается до тех пор, пока память нс заполнится до половины своего объема.
Многие фирмы-производители разрабатывают свои собственные варианты такой зашиты, отличающиеся как способом поиска нужного места на дорожке, так и способом сопряжения информационного потока в месте разрыва. Поэтому и системы электронной зашиты в их изделиях часто имеют свои собственные «фирменные» названия. Например, у фирмы SONY она называется ESP (Electronic Shock Protection), у фирмы MATSUSHITA (TECHNICS, Panasonic) — ASM (Antishock Memory), у фирмы PHILIPS — ESA (Electronic Shock Absorbtion).
5.6.	Блок коррекции ошибок. Интерполяция и приглушение
После того, как информация, поступившая от демодулятора, записана
в буферную память, начинается процесс ее деперемежения, совмещенный с процедурой устранения детонации, а также	or демодулятора
обнаружение и коррекция ошибочных символов. При этом декодирование и деперемеже-ние осуществляются в порядке, обратном тому, что был при кодировании и перемежении (рис. 5.34 и 5.35).
Следует подчеркнуть, что здесь и далее все сигналы управления, в том числе и для операций с ЗУПВ, формируются на основе стабильной тактовой частоты FT = 4,3218 МГц, вырабатываемой кварцевым генератором. О той тактовой частоте FT, которая была выделена из считанного с диска информационного сигнала и зависела от скорости вращения диска, теперь можно забыть раз и навсегда.
К ЦАП
Рис. 5.34. Декодер CIRC
Рис. 5.35. Структурная схема декодера CIRC
Механизм всех трех этапов деперемежения заключается в том, что нужные символы извлекаются из памяти в требуемом порядке и используются в процедуре декодирования, после чего вновь записываются в ту же память, но уже в другие ячейки.
Это повторяется до тех пор, пока не будут выполнены все операции двух этапов декодирования и трех этапов деперемежения. После окончания процедуры будет восстановлен первоначальный порядок следования символов — такой, каким он был на выходе АЦП.
Декодирование на каждом из этапов С1 и С2 заключается в том, что благодаря наличию в кодовых словах проверочных символов, можно определить, есть ли в кодовых словах ошибки и какие именно символы ошибочны. Такая процедура требует целого ряда довольно сложных и громоздких вычислений. Но, когда положение ошибки определено, она достаточно легко корректируется.
Однако, используемые коды С1 и С2 способны обнаружить нс более четырех и исправить не более двух ошибочных символов. Если ошибок больше двух, но не более четырех, то декодер может обнаружить только сам факт их наличия, но ни локализовать, ни, тем более, исправить их не в состоянии. В этом случае все символы кодового слова отмечаются указателями ненадежности или, что то же самое, указателями стирания. После того, как эти символы вместе с указателями стирания подвергнутся процедуре очередного этапа деперемежения, они перераспределяются между другими кодовыми словами другого этапа декодирования и могут быть откорректированы на этом этапе, если, конечно, в этом кодовом слове не окажется ошибок больше, чем он в состоянии исправить.
Поскольку декодеров всего два, то исправлять стирания, как правило, приходится только декодеру С2, так как декодеру С1 получать их неоткуда — он может их только производить. Декодер С2 может как исправлять стирания, так и производить их, или же оставлять без изменения указатели стираний, полученные от декодера С1. В зависимости от схемотехники микросхемы совокупность операций, которые могут выполнять декодеры С1 и С2, может сильно отличаться друг от друга. Такая совокупность операций называется стратегией декодирования.
Как говорилось выше, процесс декодирования кодов С1 и С2 требует большого количества вычислений и сложного анализа, а значит, громоздких схем с большим количеством элементов. Поэтому некоторые фирмы-производители с целью удешевления микросхем, включающих в себя декодеры С1 и С2, при их разработке использовали упрощенные страте
гии декодирования. Например, декодер С1 может корректировать только одну ошибку вместо двух, а декодер С2 — только стирания, и не корректировать ошибок вовсе. Но это касается, в основном, старых моделей проигрывателей CD, микросхемы для которых проектировались ешс в начале восьмидесятых годов. В последующих разработках использовались все более сложные стратегии, где стирания вырабатываются еще на этапе декодирования канального кода EFM, когда обнаруживались 14-разряд-
ные символы, не попадающие во множество, которому соогветствуют какие-то восьмиразрядные символы, что однозначно указывает на их ошибочность. При этом уже оба декодера — и С1, и С2 — работают со стираниями и могут корректировать до двух ошибочных символов, а также проводят сложный анализ количества и положения как стираний, так и ошибок, обнаруженных самостоятельно.
Разница между упрощенными и суперсложнымй стратегиями выражается в количестве символов на выходе декодера CIRC, отмеченных указателями стирания (ненадежности). Чем сложнее стратегия, тем меньше будет таких символов и тем меньше будет отсчетов, нуждающихся в маскирующих процедурах. Маскирование хотя и эффективный способ, но все-таки неточный, поэтому лучше его избегать.
Но вернемся к преобразованию потока информации после завершения процедур коррекции ошибок и деперемежения в декодере CIRC. Восьмиразрядные символы вновь объединяются в 16-разрядные отсчеты,
а те, в свою очередь, разделяются на две последовательности — правого и левого стереоканалов. Теперь их можно подавать на ЦАП для преобразования в аналоговую форму. Но те из отсчетов, которые включают в себя
А и С — достоверные отсчеты: В — искаженный отсчет, В' — интерполяция
символы, отмеченные указателями стирания, сразу направлять в ЦАП не стоит, так как в звучании фонограммы будут слышны потрескивания и щелчки. Чтобы избежать этого, такие отсчеты заменяются интерполяциями — средним арифметическим от значений соседних неискаженных отсчетов (рис. 5.36). В большинстве случаев значение интерполяции очень близко к истинному значению искаженного отсчета и
на слух незаметно. Только на высоких частотах серии интерполяций могут ощущаться людьми с хорошим слухом как едва уловимые искажения.
Интерполяция бывает разная. Та, которая используется для маскирования ошибок в цифровой звукотехнике, имеет, как правило, первый порядок. При ее вычислении, как уже было сказано, учитываются только отсчеты, соседние с искаженным. Но интерполяция может быть и более высоких порядков. Например, если используется интерполятор порядка N, то при расчете величины искаженного отсчета будут учитываться N предшествующих ему достоверных отсчетов и N следующих за ним Разумеется, здесь вычисленное значение будет более точным, чем при интер
поляции первого порядка.
Подобные способы маскирования эффективны при наличии одиночных отсчетов, отмеченных указателями стирания. Однако, встречаются слу
чаи, когда неоткорректированными оказываются несколько отсчетов подряд. Интерполяцией их исправить нельзя. Если оставить все как было, то в этом месте фонограммы будет слышен громкий треск. Если заменить искажения нулями, то будут слышны два громких щелчка — в начале и в конце серии. В первых экспериментальных моделях проигрывателей CD для маскирования таких серий использовался еще один вид интерполяции — интерполяция нулевого порядка, когда взамен искаженных значений вставлялось значение последнего правильного отсчета (рис. 5.37). Такой способ маскирования еще называется удержанием. Однако, способ этот чересчур неточный, к тому же в конце серии, при переходе к первому правильному значению отсчета, слышен щелчок. Поэтому впоследствии для таких случаев был разработан другой метод маскирования — приглушение. Если искаженными оказываются много отсчетов подряд, то они заме
няются значением последнего правильного, плавно уменьшающегося до нуля lib закону косинуса (рис. 5.38). При достаточно длинных сериях искажений для этого отводится 30
периодов частоты дискретизации. После этого, за 30 периодов до первого правильного отсчета, сигнал начинает плавно возрастать по тому же закону до величины этого неискаженного отсчета. Если количество искажений меньше 60, то на уменьшение и увеличение отводится по половине их общего числа.
Искаженные отсчеты
Рис. 5.37. Маскирование искажений с помощью удержания
Рис. 5.38. Маскирование длинных выпадений методом приглушения
На слух такие плавные переходы, даже при достаточно большой их длине, воспринимаются как кратковременные замирания звука, без неприятных ощущений в виде тресков и щелчков. Короткие же не ощущаются вовсе в силу инерционности человеческого слуха.
Кроме того, система приглушения используется еще и для прерывания фонограммы при принудительном переходе с дорожки ца дорожку, сканировании и в других аналогичных случаях.
После того, как все операции по коррекции и маскированию искажений выполнены, последовательности отсчетов левого и правого каналов направляются в блок цифро-аналогового преобразования, который и определяет характер звучания проигрывателя.
________б
шш ош отд и соттт шшжмжшь на т шнанш
иди что следдпт шшпл bi пидд при n&kgijuke СО
После того, как читателю стало ясно, каким образом осуществляется маскирование неоткорректированных ошибок с помощью интерполяции и приглушения, можно перейти к анализу причин, из-за которых количество таких ошибок становится настолько большим, что способно оказывать заметное влияние на звучание воспроизводимой фонограммы. Причин всего две — это исходное качество диска, определяемое технологией подготовки мастер-диска и условиями тиражирования, и состояние его поверхности, которое при очень уж небрежном обращении с диском в процессе эксплуатации может в той или иной степени ухудшаться.
В обоих случаях на вход блока коррекции ошибок будет поступать чересчур много искаженной информации, количество которой может превысить его корректирующие возможности и неисправленные ошибки придется маскировать интерполяцией или приглушением.
Чрезмерное количество искажений может быть результатом рассеяния считывающего пятна на крупных царапинах или частицах грязи на поверхности компакт-диска, искажения формы самих пит из-за некачественной
записи мастер-диска или во время тиражирования, а также результатом кратковременных сбоев систем слежения из-за того, что считывающий луч на какое-то время теряет плохо пропечатавшуюся дорожку.
Блок коррекции ошибок любого проигрывателя компакт-дисков устроен так, что если среднее число искаженных символов на его входе не превышает трех на каждую сотню достоверных (вероятность ошибки Рош < 3 • 10 2), то такие искажения практически полностью корректируются.
При этом вероятность появления неоткорректированного значения (с которым потом приходится бороться другими методами) пренебрежимо мала. И эта самая пренебрежимо малая величина характеризует те редчайшие случаи, когда расположение искаженных символов так неудачно, что и при первом и при втором декодировании возможности корректирующей системы оказываются превышены. Под словом «коррекция» здесь следует понимать абсолютно точное восстановление значения искаженного символа — как будто никаких ошибок и не было вовсе.
Однако, величина РОщ = 3 • 10-2 — это предельный случай допустимый стандартом, когда диск еще не считается бракованным. В действительности же, даже у дисков не очень хорошего качества Рош редко превышает цифру 103. Ареальной средней величиной вероятности появления ошибки надиске является Р = 10"5 (один искаженный символ на 100 тысяч исправных).
Такие показатели характерны для продукции всемирно известных фирм, которые строго следят за соблюдением технологических норм в течении всего цикла производства и не экономят на средствах контроля качества конечного продукта.
Однако, рынок компакт-дисков, и российский — в особенности, заполнен не только фирменной продукцией. Чаще всего здесь присутствуют диски, изготовленные в условиях, весьма далеких от идеальных. Поэтому ожидать от них можно чего угодно, вплоть до полной невозможности воспроизведения, хотя это довольно редкое явление. Как правило, такие диски все-таки воспроизводятся и даже могут звучать вполне приемлемо, особенно с учетом того, что объектами подобного тиражирования, как Правило, становятся популярные музыкальные программы, на характере звучания которых искажения не особенно сказываются. Это не симфоническая музыка.
Тем не менее, что же произойдет, если по той или иной причине ошибок на диске окажется больше допустимой нормы? И как эти ошибки будут ощущаться на слух?
Когда такое превышение не очень велико, то в потоке стерсовыборок просто увеличится число интерполяций, которые до определенных пределов могут быть практически незаметными на слух.
В общем случае, слышимость интерполяций зависит от целого ряда обстоятельств. Прежде всего следует отметить, что заметны они могут быть только в высокочастотной области звукового спектра — там, где есть резкие изменения огибающей цифрового сигнала и значение интерполяции может сильно отличаться от истинного значения. Л вот на низких и средних частотах усредненные значения интерполированных отсчетов практически точно совпадают с их истинными значениями и, конечно же, уловить на слух что-либо невозможно — даже если очень стараться.
При этом заметность интерполяций может увеличиваться при более высоком уровне этого самого высокочастотного сигнала. Обратите внимание, что я все время употребляю выражение «может быть». Это потому, что и, действительно, может быть, а может и не быть. Проиллюстрирует это рис. 6.1. Интерполяция отсчета 2 очень близка к его истинному значению, а вот интерполяция отсчета 6 раза в два больше по уровню, чем надо. Так что все зависит еще и от того, на какой участок кривой попадет интерполяция. Надеюсь, что из приведенных примеров читатель уже понял, в каких обстоятельствах можно ожидать наибольшего искажающего влияния интерполяций, и нет необходимости развивать эту тему дальше.
Рис. 6.1. Интерполяция ошибочных значений отсчетов на участках с разной кривизной аналогового сигнала
Вообще говоря, катасзрофическое влияние интерполяций на звучание фонограмм сильно преувеличено. В свое время автору приходилось по многу часов в день слушать экспериментальные записи с оптических дисков в условиях научно-исследовательской лаборатории, когда исправления ошибок корректирующими кодами не проводилось вообще, а использовалось только маскирование с помощью интерполяции. При средней вероятности появления ошибок Рош = 10-5 (это примерно один-два искаженных отсчета в секунду) звучание было вполне качественным и никаких отчетливых искажений не ощущалось.
И только если специально настроить свой слуховой аппарат на регистрацию малейших отклонений от нормы (слушать не музыку, а улавливать искажения), то на определенных участках фонограммы иногда (подчеркиваю — иногда) можно было заметить едва уловимые изменения обертонов. Но эти изменения настолько ничтожны, что говорить об этом, как о плохом звучании фонограммы, было бы сильным преувеличением. Тем более, что диапазон звуковых ситуаций, где такие нюансы можно ощутить на слух, достаточно узок. Например, во время тихого звучания флейты или верхних нот акустической гитары в составе ансамбля с большим динамическим диапазоном, т.е. когда какой-то высокий чистый тон кодируется малым числом разрядов в то время как полная разрядная сетка предназначена для громких звуков.
Обратите внимание — это случай, когда полноценная коррекция ошибок отсутствует вовсе. В проигрывателях же компакт-дисков, при общем числе ошибок, не превышающем оговоренную стандартом величину 3 • 102, практически все ошибки корректируются, и интерполяции настолько редки, что принимать их в расчет как источник искажений или причину плохого звучания просто не имеет смысла.
Но совсем другое дело, если по одной из двух ранее названных причин-количество искаженных символов в той или иной степени превысит допустимое. Тогда постепенно начнет проявляться отрицательный эффект от их воздействия и он будет прямо пропорционален их числу.
При этом дефекты, возникающие при эксплуатации, как правило, менее опасны. Все мы люди достаточно цивилизованные — чайники и утюги на компакт-диски не ставим, в грязных сапогах по ним не топчемся и гвоздями их не ковыряем. А пыль, соринки и загрязнения, видимые глазом, можно легко стереть мягкой тряпочкой и забыть о них. Мелкие царапинки, которые все же могут появиться на поверхности диска, нс особенно страшны, поскольку располагаются вне фокуса считывающего объектива — там, где диаметр светового пятна около 1 мм (см. рис. 4.7).
Исключение составляют достаточно глубокие царапины, если они располагаются вдоль дорожек записи. Тогда это действительно может привести к серьезным сбоям в работе проигрывателя, как из-за искажения больших объемов самой считываемой информации, так и из-за возможной потери дорожки системой автотрекинга. Причем в случае сбоя автотрскинга очень важно, на какую дорожку перескакивает считывающий луч. Если на следующую — то даже потеря целой дорожки для проигрывателя не будет смертельной. Сработает система приглушения: звук на короткое мгновение замрет (доли секунды) и снова восстановится. Процесс считывания при этом не нарушится.
Л вот если луч будет перескакивать на предыдущую дорожку, то воспроизведение станет невозможным — по крайней мерс того музыкального фрагмента, который оказался в зоне воздействия царапины.
Из вышесказанного следует, что если вы хотите, чтобы компакт-диск служил долго и прилично звучал — обращайтесь с ним более-менее аккуратно. Он, хотя и достаточно неприхотлив, но злоупотреблять этим не стоит. Поцарапанный диск восстановлению не подлежит. Его можно только выбросить.
Если же говорить о компакт-дисках с технологическими дефектами, то тут дело обстоит еще хуже. Такие дефекты крайне неприятны. Во-первых, потому что они, как правило, находятся в зоне фокусировки считывающей оптики, во-вторых — потому что они неустранимы. Мягкой тряпочкой их уже не сотрешь.
Как уже говорилось выше, уважающие себя производители всегда контролируют качество своей продукции — т.е. среднюю вероятность появления ошибочных символов на диске. При этом процент брака может достигать довольно значительных величин — до десятков процентов. К слову сказать, в начале восьмидесятых годов, когда технология производства компакт-дисков была еще не отработана, процент брака иногда достигал 99%! Себестоимость их при этом получалась фантастической. Тем не менее, для завоевания рынка, занятого тогда виниловым диском, производители продавали компакт-диски примерно по тем же ценам, что и сейчас, то есть значительно ниже себестоимости. Зато теперь, когда все это далеко позади, с виниловым конкурентом покончено и производство компакт-дисков стало делом чрезвычайно прибыльным, прошлые убытки с лихвой окупаются.
Однако все вышесказанное относится к фирмам, имеющим имя и дорожащим своей репутацией. В то же самое время существует параллельный мир пиратского производства звукозаписей. И он-то как раз не слишком озабочен
качеством произведенного. Компакт-диски, изготовленные такими фирмами — это, в основном, Юго-Восточная Азия и страны бывшего соцлагеря, могут иметь непредсказуемое качество. Иногда оно не уступает лучшим образцам фирменной продукции, но чаще такие CD могут иметь сколь угодно много искаженных символов из-за несоблюдения технологических норм и отсутствия выходного контроля качества. В общем — как повезет.
Несоблюдение технологии может выражаться в использовании некачественных матриц, к тому же давно выработавших свой ресурс (лишь бы побольше напечатать), применении некачественных материалов, несоблюдении технологии литья, загрязненности воздуха в помещении и прочих огрехах. Порой такой диск просто невозможно воспроизвести из-за того, что системы автотрекинга и автофокусировки не в состоянии отследить непропечатавшуюся дорожку'. И тут можно ругагь кого угодно — продавца, изготовителя, всю систему цифровой звукозаписи, но ничего не поделаешь — надо было смотреть, что покупаешь. Брак — он и в Африке брак А российский рынок, благодаря неповторимым особенностям национального законодательства и национальной психологии — просто земля обетованная для торговли бракованной продукцией, завозимой сюда со всего света.
Может быть, конечно, и доживем когда-нибудь до тех благословенных времен, когда заглянув в магазин за компакт-диском, можно будет тут же и проверить его качество с помощью специального устройства на базе обычного ПК. Ставишь выбранный компакт-диск на дисковод и через несколько секунд видишь на мониторе все его параметры. В том числе и среднюю вероятность ошибки. К примеру, если это 10 s, то диск хороший, если 10-3 или Ю 2, то так себе, но еще можно слушать. Ну а если там 10~* (0,1) или, того хуже 0,3, то это уже откровенный брак, и его лучше не брать.
Организовать такую систему контроля особых сложностей не представляло бы — да вряд ли пожелают торговцы. Может ведь так получиться, что после этого и торговать-то нечем будет.
Так что, все это пока — розовые мечты о светлом, но несбыточном будущем. Суровая же действительность должна держать отечественного покупателя в постоянном напряжении и внимательно разглядывать объект предполагаемой товарно-денежной операции. Несмотря на бодрые заверения «всезнающих» продавцов, что, мол, компакт-диск не боится царапин и плохим быть не может. Хотя очень часто дефекты диска видны невооруженным глазом. Это мелкие черточки, пятнышки, неровности на регистрирующем слое — там, где расположены питы. Могут быть даже потеки на самой пластмассе.
Если же вы по какой-то причине не проявили должной бдительности и купили пиратский диск скверного качества, то готовьтесь к тому, что и звучать он будет соответственно. В том случае, конечно, если его вообще удастся воспроизвести. Хотя, с другой стороны, может получиться так, что несмотря на явные дефекты, звучание будет вполне пристойным — такие случаи отмечались — вспомните, что мы говорили о слышимости интерполяций. Все зависит от характера расположения крупных видимых дефектов и мелких невидимых, которые всегда присутствуют даже на хороших фирменных дисках. Ну, а в случае, если число дефектов будет очень уж велико, то коррекция ошибок уже практически производиться не будет, а будут работать системы маскирования — интерполяция и приглушение. Диск при этом будет звучать и с искажениями и с пропаданием звука. Хотелось бы отметить, что ваш проигрыватель тут ни при чем, он вполне исправен. И тем более не стоит ругать саму систему цифровой звукозаписи.
Кстати, от проигрывания бракованных компакт-дисков самому проигрывателю ничего не грозит — в отличии от его аналогового собрата. Считывание ведь здесь бесконтактное. И луч света от контакта с царапиной не затупится.
И еще. Может так случиться, хотя и маловероятно, что во время воспроизведения будут слышны потрескивания и щелчки. Это должно сказать вам, что даст сбои система обнаружения ошибок и они не только нс корректируются, но даже и не маскируются. В режиме обнаружения декодер всегда отмечает искаженные символы (и даже символы, достоверность которых вызывает сомнение) соответствующими указателями. А если ошибка по какой-то причине пропущена, то указателя рядом с ней не будет. А раз нет указателя — то нет и маскирования. Ибо интерполятор не «подозревает» о ее существовании.
Но это случай скорее гипотетический. Проигрывателю положено остановиться раньше, чем ситуация станет настолько катастрофической. Так что это информация больше для того, чтобы вы знали, что произойдет, если какая-то из ошибок останется необнаруженной.
Кстати, и в этом случае с вашим проигрывателем ничего нс случится. Правда, случиться может с акустическими системами. При громкости, близкой к максимальной, щелкнуть может так, что у динамиков обмотки соскочат с катушек, а могут даже перегореть от перегрузки.
юттш ФОКОГМЛМ!
мд
Теперь следует несколько слов сказать о том, как производится подготовка звуковых программ, предназначенных для записи на компакт-диски и как этот процесс может отразиться на звучании записанных фонограмм.
Прежде всего хотелось бы обратить внимание читателя на то, что звучание любой фонограммы в немалой степени зависит от звукорежиссера, который непосредственно осуществлял подготовку исходного материала в студии. Очень часто обсуждение достоинств и недостатков той или иной записи сводится к оценке технических средств, с помощью которых данная музыкальная программа воспроизводится и, таким образом, достигает ушей слушателя. Реже вспоминают о технических средствах, с помощью которых программа записывалась. Однако, самый главный «элемент» формирования записи — звукорежиссер — чаще всего остается как бы «за кадром». Между тем, очень многое в характере звучания того, что мы прослушиваем с помощью своих проигрывателей или магнитофонов, напрямую зависит от него.
Меломаны со стажем знают, что еще звучание виниловых дисков, выпущенных одной фирмой грамзаписи, отличалось от звучания дисков, выпущенных другой фирмой. Если диски фирм ARIOLA или POLYDOR отличались повышенным содержанием низких частот при умеренном уровне средних, то записи фирмы SUPROFON изобиловали средними и высокими частотами при очень скромном уровне низких.
То же самое можно сказать и о записях на компакт-дисках или DAT-кассетах. Фонограмма в конечном счете получается такой, какой ее желает слышать звукорежиссер. А он тоже человек. И имеет свое собственное субъективное представление об идеальном звучании. Да и квалификация его, как и художественный вкус, могут быть разными.
Полноценная подготовка фонограмм для записи — процесс достаточно сложный и трудоемкий. Конечный результат его в равной степени зависит как от технического уровня применяемых аппаратных средств, так и от профессионального мастерства и художественного вкуса звукорежиссера.
Рассмотрим в качестве иллюстрации, как производится подготовка звукового материала для записи на компакт-диск. Здесь можно выделить два наиболее интересных варианта, отличающихся как составом технических и программных средств, так и профессиональными навыками специалистов, осуществлявших подготовку. Это запись «живого» звучания музыкальных произведений и реставрация архивных фонограмм ранее хранившихся на аналоговых грампластинках или на магнитной ленте.
В первом случае, в отличии от второго, состав необходимого оборудования требуется достаточно широкий, хотя в последнее время наблюдается явно выраженная тенденция к совмещению нескольких функциональных единиц такого оборудования в одном аппарате. Однако, чтобы получить полное представление о всех этапах подготовки фонограммы, рассмотрим подробную схему записи «живого» звучания (без совмещения).
Прежде всего следует отметить, что запись любых музыкальных программ, а цифровых — в особенности, лучше всего производить в специально оборудованной студии, которая должна располагаться в таком месте, чтобы уровень внешних шумов, способных проникнуть в нее, был бы возможно меньшим. Кроме того, чтобы избежать ненужных отражений, искажающих звуковую панораму, внутренняя поверхность стен, пол и потолок студии должны быть облицованы звукопоглощающим материалом.
Очень важное значение при записи «живого» звучания имеет правильный подбор микрофонов и их размещение в студии, с учетом диаграмм направленности, чувствительности и особенностей амплитудно-частотных характеристик. Желательно также, чтобы микрофоны, предназначенные для записи цифровых фонограмм, могли работать без искажений при звуковых давлениях до 130... 135 дБ и выше. Подбор и размещение микрофонов — это отдельная наука и уже здесь на первый план выступает субъективный фактор, т.е. мастерство и опыт звукоинженера. Один из вариантов схемы подготовки фонограммы для записи на компакт-диск представлен на рис. 7.1.

Во время исполнения музыкального произведения сигналы от микрофонов поступают на микшерный пульт, который имеет ряд встроенных предварительных усилителей и, если пульт цифровой, встроенные аналого-цифровые преобразователи. Те музыкальные инструменты, которые сами по себе являются цифровыми (синтезаторы) или имеют цифровые выходы, подключаются к цифровым входам микшера. Если микшерный пульт аналоговый, то цифровые музыкальные инструменты соединяются с ним через свои аналоговые выходы.
Выход микшерного пульта соединен со входом многоканального студийного магнитофона, на который и производится запись сигналов от источников звука, их всевозможных смесей, а также разных дублей одного и того же музыкального материала.
Звукорежиссер, оперируя органами управления микшерного пульта, может изменять уровни сигналов в каждом из каналов, их частотные характеристики и производить смешивание этих сигналов в нужных пропорциях. Здесь также определяющую роль в характере звучания будущей фонограммы играет человеческий фактор — квалификация и художественный вкус звукорежиссера.
После того, как студийная запись произведена, с помощью другого микшерного пульта осуществляется дальнейшая обработка записанного материала — добавление искусственной реверберации, разного рода звуковых эффектов, частотной коррекции и осуществляется черновой монтаж фонограммы — отбрасываются явно неудачные дубли или смеси сигналов. Здесь же может производиться и сведение (смешивание в определенных пропорциях нескольких записанных каналов в два — если предполагается подготовка стереофонической программы).
Результат сведения записывается либо сразу на жесткий диск компьютерного монтажного комплекса, либо на промежуточный носитель — DAT-кассету или диск CD-R. Раньше такая запись чаще всего производилась на видеокассету с помощью видеомагнитофона (например, формата U-matic) и ИКМ-адаптера (РСМ-161О или РСМ-1630 фирмы SONY), который преобразовывал звуковой сигнал (как в цифровой, так и в аналоговой форме) в сигнал строчной развертки. Некоторые студии с успехом пользуются таким способом записи до сих пор
После того, как звуковой материал непосредственно или с промежуточного носителя записан на жесткий диск компьютера, производится его чистовой монтаж и компоновка (мастеринг), то есть формирование окончательного варианта музыкальной программы в том виде, в котором она будет записываться на компакт-диск.
Далее следует этап преобразования подготовленного музыкального материала в формат CD-Audio — премастеринг На этом этапе производится помехоустойчивое кодирование отсчетов звукового сигнала, формирование служебной (каналы Р и Q) информации, кадровых и блочных синхрогрупп и модуляция полученного потока данных кодом EFM (см. главу 3). Премастеринг может осуществляться на том же самом компьютере, на котором производился чистовой монтаж и мастеринг Тогда в составе компьютерного комплекса должен быть предусмотрен CD-рекордер, с помощью которого и осуществляется запись результата премастеринга. Полученный диск затем передается на завод, где используется для изготовления мастер-диска, а тот в свою очередь — для массового тиражирования компакт-дисков (см. главу 4).
Премастеринг может осуществляться и на заводе по производству компакт-дисков. В этом случае после окончания монтажа и компоновки материала он записывается на промежуточный носитель (CD-R, DAT-или видеокассету) и в таком виде передается на завод.
Это наиболее громоздкая схема производства музыкальных записей, которая уже уходит в прошлое. Используется она только в тех студиях, которые еще не успели переоснаститься современным оборудованием, позволяющим весь процесс подготовки осуществлять в одном и том же месте на одних и тех же технических средствах.
Появление таких технических средств, называемых звуковыми рабочими станциями (или цифровыми звуковыми станциями), стало возможным благодаря развитию цифровых звуковых технологий и стремительному наращиванию вычислительной мощности компьютерной техники. Цифровая звуковая станция — это автономный программно-аппаратный комплекс, рассчитанный на выполнение всего цикла работ — от первичной записи «сырого» музыкального материала до премастеринга и записи CD-R в формате CD-Audio, который можно передавать на завод для тиражирования.
Сигналы от микрофонов и музыкальных инструментов заводятся в память системы либо непосредственно через разъемы платы ввода/выво-да, либо через разъемы специального блока, соединенного с этой платой кабелем. Память организована на одном или нескольких жестких дисках типа AV, в которых термокалибровка производится непрерывно — для того, чтобы не было прерывания процесса записи/считывания, свойственного обычным жестким дискам.
Функции микшера в цифровых звуковых станциях выполняет либо специальный выносной пульт-контроллер, внешне очень похожий на обычную
микшерную консоль, либо специализированная клавиатура (не такая, как у обычных компьютеров), либо обычная компьютерная клавиатура и «мышь». Вся необходимая оператору информация отображается на экране монитора, позволяя ему в мельчайших подробностях контролировать ход работы.
Поскольку цифровые звуковые станции, как правило, являются автономными и самодостаточными программно-аппаратными комплексами, некоторые фирмы оснащают их своими собственными операционными системами, не совместимыми ни с операционными системами других производителей, ни с операционными системами персональных компьютеров. Тем не менее, большинство фирм все-таки стремится проектировать такие комплексы на базе универсальных персональных компьютеров и использовать универсальные операционные системы как правило, Windows или Macintosh. Данные об операционных системах, используемых в наиболее распространенных в России цифровых звуковых станциях, приведены в табл. 7.1.
Кроме звуковых рабочих станций на базе персональных компьютеров, широкое распространение получили так называемые цифровые министудии или портативные студии. Внешне такие устройства напоминают обычную микшерную консоль, но обладают гораздо большими функциональными возможностями. Также, как и цифровые звуковые станции, они оснашаются внутренней памятью с произвольным доступом на жестком диске, которая выполняет роль многоканального цифрового магнитофона, Многие из них имеют внешний интерфейс SCSI, который позволяет при необходимости увеличивать объем памяти путем подключения внешних дисководов SCSI. В наиболее дешевых моделях память организована на минидисках.
Таблица 7.1
Цифровые звуковые станции и используемые в них операционные системы
фирма- производитель	Модель	Операционная система
DIGLDESIGN	ProTools 24	Macintosh
SONIC SOLUTION	Sonic Studio	Macintosh
FAIRLIGHT	MFX3Plus	Собственная
ENSONIO	Paris	Macintosh, Windows
SOUND SCAPE	SSHDRI	Windows
DAP (Digital Audio Research)	SAM	Genesis — собственная
ТРАКТ	TPEK-8	Windows
Разъемы, необходимые для подключения микрофонов и других источников звукового сигнала, находятся прямо на корпусе министудии. Все функции, необходимые для записи и редактирования музыкальных программ, у этих устройств присутствуют. Однако, окончательный чистовой монтаж, выравнивание сигналов по уровню и по спектру, компоновку предпочтительно все же делать на других аппаратных средствах, хотя это зависит от требований, предъявляемых к фонограмме. Некоторые из министудий могут иметь функцию премастеринга CD-Audio, что позволяет изготавливать с их помощью прототип компакт-диска, пригодный для тиражирования. Номенклатура министудий уже насчитывает десятки наименований с хорошо известными торювыми марками, такими как ROLAND, KORG, TASCAM, AKAI, FOSTEX, YAMAHA и др. Технические характеристики некоторых из них приведены в табл. 7.2.
Здесь следует, наверное, еще раз напомнить, что несмотря на высокую интеграцию и автоматизацию процесса записи фонограмм, качество конечного продукта все равно зависит только от звукорежиссера. Никакой самый совершенный программно-аппаратный комплекс не может заменить человека и его творческих возможностей. Он может только облегчить ему жизнь, избавив от рутинных операций.
Точно так же обстоит дело и в случае, когда требуется подготовить к тиражированию какую-нибудь архивную запись, сделанную, возможно, еще па заре развития звукотехники.
Таблица 7 2
Технические характеристики некоторых министудий
Фирма-изготовитель	Модель	Число каналов одновременной записи/ воспроизв.	Внутренняя память	Число разрядов квантования	Частота I дискретизации, кГц
AKAI	DPS 12	8/12	ж/диск	16	32; 44,1; 48
FOSTEX	DMT-8VL	8/8	1,3 ГБ	16	44,1
KORG	DS	8/8	4 ГБ	16	44,1
ROLAND	VS-1680	8/16	128 ГБ	16	32; 44,1; 48
ROLAND	880EX	8/8	2 ГБ	16	32; 44 1 48
TASCAM	564	4/4	МИНИДИСК	16	44,1
YAMAHA	MD4	4/4	минидиск	16	44 1
YAMAHA	MD8	8/8	минидиск	16	44 1
Работы по реставрации старых фонограмм выполняются с помощью компьютерных систем, в том числе цифровых звуковых станций. Если носитель допускает электрический съем информации (магнитная лента, виниловый диск), то сигнал непосредственно с устройства воспроизведения вводится в компьютер через один из входов звуковой платы и записывается на жесткий диск.
Особый случай — когда носителем является грампластинка, предназначенная для проигрывания на механическом воспроизводящем устройстве — граммофоне или патефоне. Такую грампластинку можно, конечно, воспроизвести и на электрическом проигрывателе, но в целях сохранения ее естественного звучания, делать это все-таки следует именно на том аппарате, для которого она создана. Электрический сигнал в таких обстоятельствах приходится формировать с помощью микрофонов. Это наиболее сложный случай, так как тут играет роль каждая деталь — модель граммофона и его состояние, материал иглы и угол ее заточки, размеры и акустические свойства помещения, в котором производится запись. Да и сам процесс реставрации превращается в длительную и кропотливую работу, требующую от оператора высокой квалификации и безупречного художественного вкуса.
Существует достаточно много систем автоматического подавления шумов, тресков, щелчков, рокота, фона и других дефектов записи. В ряду таких систем выделяется продукт известной компании Sonic Solutions система NoNOISER, которой даже была присуждена премия Emmy «За выдающиеся технические достижения» (1996 г.). Правда, работает NoNOISER только в операционной системе Macintosh, что накладывает определенные ограничения на ее применение. Более удобной в этом отношении можно считать программу Ray Gun фирмы ARBORETUM SYSTEMS, которая способна работать как в операционной системе Macintosh, так и в операционной системе Windows. Однако, суть обработки звукового сигнала такими программами заключается в том, что спектр фонограммы определенным образом деформируется, а пораженные участки — удаляются. В результате нарушаются фазовые соотношения между сигналами, спектр фонограммы сужается, искажаются обертона, а сама фонограмма сокращается и может измениться до неузнаваемости. Если подобным способом попытаться «улучшить» старые записи начала прошлого века, где уровень шумов превышает уровень полезного сигнала, то Шаляпин может вдруг запеть женским голосом, а звучание скрипки будет напоминать звучание флейты.
Поэтому тем, кто слепо верит в чудодейственные возможности программ автоматического шумоподавления, запускаемых одним небрежным щелчком «мыши», следует отдавать себе отчет в том, что удовлетворительный результат здесь можно получить, как правило, только при улучшении нс очень сильно зашумленных фонограмм.
Работа же с ценными архивными записями требует значительных усилий, терпения и высокой квалификации оператора, поскольку осуществляется, в основном, вручную. Оператору приходится шаг за шагом просматривать на мониторе компьютера всю сигналограмму записи, отыскивая пораженные участки. Такие участки лучше всего не удалять, как это делают автоматические программы, а чем-нибудь заменять — либо кусочком сигналограммы, взятой из другого, неискаженного участка записи, и похожей по форме окрестностей на пораженный, либо искусственно прорисованной кривой, форму которой оператору могут подсказать только внимательный анализ окрестностей искажения и внутреннее чутье. После проведения каждой замены результат ее оценивается на слух. Если он нс устраивает оператора, то замена производится заново — каким-нибудь другим отрезком кривой.
Конечно, автоматическое шумоподавление в такой работе тоже применяется так же, как и удаление коротких искажений, но при соблюдении разумной меры, чтобы не утратить индивидуальные черты ее звучания и ощущение эпохи.
Технический прогресс последнего десятилетия способствовал тому, что аппаратура для записи фонограмм стала доступной для широкого круга людей, желающих попробовать свои силы в звукозаписи. Явление это, безусловно, отрадное. Но есть и оборотная сторона медали. Далеко не все, кто получил возможность заниматься звукозаписью, отчетливо представляют себе, что же это такое — звукорсжиссура. Обманчивая простота в управлении компьютерными системами звукозаписи создает у новичка иллюзию отсутствия границы между любительскими экспериментами п профессиональной работой. На самом же деле стать хорошим звукорежиссером не так-то легко. Кроме глубоких технических познаний и профессиональных навыков, здесь требуется еще и наличие безупречного художественного вкуса и высокой музыкальной культуры. К сожалению, в глазах новичка приобретение хорошей современной аппаратуры равнозначно приобретению прочных знаний, опыта и хорошего вкуса В итоге, палитра музыкальных фонограмм на компакт-дисках пестрит множеством явно неудачных записей, которые уважающий себя звукорежиссер никогда нс
выпустил бы за пределы студии. Здесь и неумелое сведение, и злоупотребление звуковыми эффектами и реверберацией, и невразумительное использование микрофонов, и другие ошибки, вытекающие из недостаточного профессионализма. Причем ошибки эти, судя по всему, создателей смущают мало, поскольку имеют тенденцию повторяться от диска к диску.
Между тем в профессиональной среде давно разработаны практические методы субъективной экспертной оценки качества музыкальных фонограмм, которые при их использовании могли бы уменьшить тиражирование, мягко говоря, сырого материала. Методы эти состоят в том, что анализируемая фонограмма прослушивается группой экспертов с хорошим слухом и большим опытом работы в сфере звукозаписи и оценивается ими по ряду вполне определенных критериев с использованием пятибалльной шкалы. Каждый из экспертов ставит свою оценку самостоятельно, без каких-либо консультаций и обмена мнениями с другими экспертами. Затем баллы, относящиеся к каждому из критериев, складываются и сумма делится на число экспергов. Полученный результат, несмотря на субъективность каждой отдельной оценки, можно уже считать в определенной степени объективной величиной, реально отражающей состояние данного параметра.
Оценка, как правило, производится по семи основным критериям.
1.	Пространственная перспектива
Этот критерий отражает качество передачи звуковой панорамы, существовавшей в студии во время записи. Если пространственная перспектива передана правильно, то слушатель должен ощущать объем помещения и характер расположения в нем инструментов и исполнителей. Успех воссоздания пространственной перспективы зависит от того, насколько правильно подобраны микрофоны, насколько удачно они расположены в студии и от правильности выбора параметров реверберации. При наличии ошибок ощущение пространства может быть утеряно или возникнет так называемая «многоплановость», когда разные инструменты звучат как бы из разных помещений с разными акустическими характеристиками.
2.	Прозрачность
Этот параметр характеризует степень отчетливости звучания каждого отдельно взятого инструмента на фоне общего звучания оркестра. Зависит от правильности создания акустической обстановки в студии, размещения микрофонов и правильности установки уровней сигналов от каждого из источников звучания. Также зависит от качества исполнения и инструментовки.
3.	Музыкальный баланс
Отражает соотношение уровней громкости звучания отдельных инструментов, исполнителей или их групп (для больших составов). Поиск оптимального музыкального баланса — задача не из легких, и положительный результат здесь целиком и полностью зависит от квалификации звукорежиссера и его практического опыта. Сложность состоит в том, что восприятие музыкального баланса при «живом» звучании оркестра отличается ог восприятия его «электрического отображения» звукоусилительным трактом. Поэтому устанавливать музыкальный баланс приходится либо в изолированной от студии аппаратной, либо в самой студии, но в наушниках. Зависит от правильности расстановки микрофонов и регулируется органами управления микшерного пульта.
4.	Стереофоничность фонограммы
Определяется качеством заполнения звуковой панорамы, четкой локализацией инструментов и отсутствием «провала» в центре, который хорошо ощущается, когда исполнитель, перемещаясь по сцене, вдруг внезапно оказывается далеко впереди по ходу движения.
5.	Тембральная окраска
Она должна сохраняться естественной для данного инструмента, то есть рояль должен звучать как рояль, а фагот — как фагот. Сказанное, конечно, не относится к синтезирующим электромузыкальным инструментам, звучание которых может быть ни на что не похожим. В этом случае тембр можно охарактеризовать только как приятный или неприятный, гармонирующий со звучанием оркестра или выпадающий из него и т.д. Регулируется путем выбора характеристики частотной коррекции сигнала, поступающего от данного инструмента, а также изменением режима искусственной реверберации.
6.	Уровень помех
Шкала оценки данного параметра отличается от шкалы оценки других параметров и выглядит следующим образом:
5 — шумы незаметны;
4 — шумы ощущаются, но не мешают восприятию музыки;
3 — шумы заметны и немного мешают;
2 — шумы мешают.
1 — сильно мешают.
Источники шумов могут быть трех видов:
♦	шумы самой студии, которые возникают от недостаточно хорошей звукоизоляции;
♦	шумы, создаваемые исполнителями — щелчки клапанов духовых инструментов, дыхание исполнителей, шелест одежды и переворачиваемых нотных страниц, скрип мебели и пр.;
•	электрические шумы — собственные шумы усилителей и микрофонов, посторонние наводки (фон), нелинейные искажения, шумы от срабатывания автоматических регуляторов уровня, шумы квантования и интермодуляционные искажения при цифровой звукозаписи.
7. Исполнение
Этот критерий, хотя и входит в число оцениваемых, относится уже к мастерству исполнителей. К технике звукозаписи, равно как и к квалификации звукорежиссера, он отношения не имеет. Поэтому, умолчим о нем.
Кроме вышеперечисленных критериев, иногда приходится оценивать еще и оранжировку музыкального произведения, поскольку качество ее может быть таковым, что никакая звукорежиссура не в состоянии будет исправить допущенные здесь ошибки и сделать запись прозрачной и сбалансированной.
Для того, чтобы можно было сравнивать параметры звучания разных фонограмм, их прослушивание должно производиться в помещении с нормированными акустическими параметрами и с использованием стандартных усилителей и акустических систем.
в_______
<ШЮОРОВ В Ш[ЕЖЕ
мшшшш
ши чт© сле/п&т млеть а ащцц при «вдйдай© СЭ»й^©ыг^ыеете«
В предыдущей главе мы познакомились с тем, как производится студийная запись фонограмм и как оценивается (точнее — должно оцениваться) качество полученной записи профессиональными экспертами. Однако, все это относится к процессу подготовки фонограммы и происходит еще до того, как она записана на мастер-диск и растиражирована. Теперь несколько слов о том, как звучание фонограммы с тиражированного носителя может зависеть от воспроизводящего устройства и условий прослушивания.
Принято считать, что чем выше класс звуковоспроизводящей аппаратуры, тем выше качество ее звучания. В определенной степени это, конечно, справедливо. Трудно сравнивать звучание старого аналогового магнитофона второго класса с полосой 100...12500 кГц, коэффициентом нелинейных искажений 2% и чудовищным уровнем тресков, шипения и детонации со звучанием, скажем, цифрового магнитофона формата R-DAT. Тут даже говорить не о чем. Однако, если сравнивать аппараты примерно одного и
достаточно высокого класса — а именно такими являются большинство проигрывателей компакт-дисков — то здесь различие уже далеко не так заметно и по большей части находится в области субъективных ощущений. Более того, сравниваемые образцы могут иметь совершенно идентичные технические параметры,'но, тем не менее, характер их звучания может несколько отличаться. Такие отличия являются следствием всякого рода незначительных факторов, которые, складываясь вместе, придают звучанию конкретной модели определенное своеобразие, как бы свой индивидуальный «голос». Как правило, это связано с особенностями частотной и фазовой характеристик выходных аналоговых цепей — ФНЧ и согласующих усилителей, которые могут отличаться друг от друга в пределах указанной допустимой неравномерности в полосе пропускания, и, тем более, за ее пределами. Кроме того, свой вклад могут вносить паразитные емкости, величины которых зависят от конструктивного исполнения выходных аналоговых цепей и коммутирующих элементов.
Поэтому звучание одних моделей кому-то может нравиться больше, других — меньше, третьих — совсем не нравиться. Причем это не обязательно связано с уровнем их технических характеристик. Иногда бывает так, что звучание аппарата более низкого класса кому-то кажется приятнее, чем звучание аппарата более высокого класса.
Кроме того, существует целый ряд объективных и субъективных факторов, которые нельзя оценить количественно и трудно учесть при выборе аппаратуры в условиях магазина. Среди таких факторов можно выделить следующие.
Во-первых — это индивидуальность амплитудно-частотной характеристики слухового аппарата каждого отдельно взятого человека. Причем, такая АЧХ может изменяться в достаточно широких пределах. Кто-то не очень хорошо слышит высокие частоты, кто-то — низкие. Да и люди, обладающие по их мнению, очень хорошим слухом, какие-то частоты слышат чуть лучше, другие — чуть хуже. Именно чуть-чуть. В пределах, может быть, единиц или даже десятых долей децибел. Это можно сравнить с тем, как отличаются наши голоса. Вроде бы физиологически у всех примерно одинаковые голосовые связки, но голоса у всех разные. Так же и с ушами, точнее — со слуховым аппаратом.
Во-вторых. Кроме физиологических особенностей слуха, каждый человек может обладать вполне определенным индивидуальным набором пристрастий к определенным частотам. Если дать возможность разным людям при прослушивании одной и той же фонограммы придать ей с помощью, скажем, 20-полосного эквалайзера, наиболее приятное с их
точки зрения звучание, то совокупность положений рычажков эквалайзера при этом у каждого из испытуемых получится своя.
В-третьих. Звучание одной и той же фонограммы, воспроизведенной через одну и ту же аппаратуру, но в условиях разных помещений, с разным набором предметов и по-разному расположенных в ней, будет сильно отличаться.
В-четвертых. Звучание одного и того же источника программ через разные усилители и разные акустические системы также будет довольно сильно отличаться.
В итоге, если влияние каждого из вышеупомянутых факторов выразить в виде своеобразной АЧХ и затем эти АЧХ просуммировать, то результирующая кривая будет очень далека от того идеала, к которому стремятся приблизиться разработчики любой звуковоспроизводящей аппаратуры — как цифровой, так и аналоговой.
И наоборот. Если бы удалось построить звуковоспроизводящий комплекс с идеальной амплитудно-частотной характеристикой в виде горизонтальной прямой с нулевой неравномерностью в полосе пропускания от 0 Гц до, скажем, 20 кГц, строго вертикальным срезом и подавлением до 0 всех частот выше 20 кГц, то маловероятно, что звучание такого комплекса всем показалось бы идеальным. Кому-то обязательно захотелось бы прибавить «низов», кому-то — «верхов», кому-то еще как-нибудь деформировать эту черезчур идеальную АЧХ. А поскольку каждый из отмеченных выше факторов сугубо индивидуален, то их совокупность даст бесконечное множество таких «деформированных» характеристик, учесть которые при проектировании идеального звуковоспроизводящего комплекса невозможно.
Поэтому разработчики и не стараются учитывать то, что учесть невозможно, а просто стараются, чтобы звуковой сигнал был передан как можно более достоверно, оставляя право выбора наиболее приятного ему звучания за самим потребителем путем подбора подходящей модели.
Исходя из этого, понимать приводимые в рекламных и периодических изданиях субъективные оценки звучания какого-нибудь источника программ следует так, что некоему индивиду (эксперту), имеющему вполне определенную характеристику своего слухового аппарата и вполне определенные амплитудно-частотные пристрастия, звучание анализируемого объекта через вполне определенный усилитель и вполне определенные акустические системы в помещении, имеющем вполне определенные акустические характеристики, показалось исключительно приятным (приемлемым, недостаточно хорошим, отвратительным — нужное подчеркнуть).
Но это отнюдь не означает, что лично вам, имеющим свои собственные индивидуальные особенности слуха и восприятия, звучание того же аппарата в вашей собственной комнате через имеющийся у вас усилитель и ваши акустические системы, покажется точно таким же.
Поэтому, при оценке звучания любого объекта, способного издавать хоть какие-то звуки, разумнее всего руководствоваться своими собственными ощущениями, а не доверять мнению «специалистов». Слушать-то все равно вам придется. Если вы, конечно, не собираетесь приобретать себе аудиотехнику вместе с чуткими и авторитетными ушами того самого «квалифицированного эксперта».
Кроме всего вышесказанного, следует иметь в виду, что звучание того или иного аппарата может как подчеркивать прелести музыкальной гармонии какого-то конкретного произведения, так и делать их не столь ощутимыми. Поэтому особенно тонким ценителям идеального звука придется для каждой фонограммы подыскивать специально для нее наиболее подходящий звуковоспроизводящий комплекс и наиболее выигрышные условия для прослушивания, предельно выпукло подчеркивающие ее особенности. Согласитесь — что-то больно много хлопот получается.
Так что, рассуждая об объективных и субъективных оценках звучания какого-либо аппарата, не стоит забывать о том, ради чего весь этот огород городится. Аппаратура — это ведь всего лишь средство материализации законсервированного на носителе эфемерного, но весьма действенного при правильном употреблении продукта — музыки. Именно она здесь главная. И качество звучания аппаратуры имеет значение только до определенных пределов, которые являются производными от того, кто слушает, что именно слушает и для чего. Все-гаки, каждый культурный человек с нормально организованной психикой ставит пластинку на проигрыватель для того, чтобы получить удовольствие от самого музыкального произведения, ощутить гармонию между своим внутренним психологическим состоянием и эмоциональным содержанием музыкальной композиции. А вовсе не для того, чтобы лишний раз убедиться в безупречности звучания своей аудиоаппаратуры. И удовольствие получить уже от этого. Если же дела, не дай Бог, обстоят именно так, то тут есть, о чем задуматься...
шшш. фожлм сэ
Когда компакт-диск впервые появился на потребительском рынке, то это был исключительно звуковой носитель. Ни о каком другом его применении речи тогда не шло. Даже название стандарта на него звучало как «Compact Disc Digital Audio System», т.е. «Цифровая звуковая система Компакт-диск».
Однако, значительная информационная емкость нового носителя (600...650 Мбайт) навела специалистов на мысль использовать его в качестве элемента постоянной памяти для хранения архивных данных. Такая версия компакт-диска появилась в 1985 году и получила название CD-ROM (Read Only Memory — память только для чтения).
Поскольку диск CD-ROM предстояло использовать в составе вычислительных комплексов различной сложности, то для него был разработан специальный дисковод, легко вписывающийся в архитектуру компьютера. Пришлось изменить и структуру данных, записываемых на диск, так как точный фактографический материал и компьютерные программы уже не допускали использования интерполяции и приглушения. Ошибки надо было исправлять только точно — с помощью корректирующих кодов. Для этого были добавлены еще три дополнительные ступени помехоустойчивого кодирования на уровне блоков (1 блок = 98 кадров). Достоверность воспроизведения информации при этом возросла на 3...5 порядков.
Дополнительное кодирование в CD-ROM производится до того, как данные поступают на кодер CIRC, точно такой же, как в системе защиты от
ошибок формата CD-Audio. Для этого данные, содержащиеся в каждых 98 последовательных кадрах, объединяются в блок. Иногда этот массив данных называют сектором (рис. 9.1). Каждый кадр, как уже описывалось в главе 3, содержит в себе 24 исходных информационных символа (байта). В формате CD-Audio эти 24 символа представляют собой 12 поделенных пополам 16-разрядных отсчетов звукового стереосигнала: 6 отсчетов левого канала и 6 отсчетов правого канала (см. рис. 3.2). В формате CD-ROM эти 24 символа являются обезличенными и могут нести в себе какую угодно информацию, лишь бы она была преобразована в двоичную форму и организована в байты. Всего в секторе содержится 24 х 98 = 2352 символа.
Однако, если в CD-Audio все эти символы содержали исходную информацию, то в CD-ROM такую информацию содержат только 2048 символов (рис. 9.2.д). Остальные 2352 — 2048 = 304 — избыточные и нужны для того, чтобы обеспечить дополнительные степени зашиты информационным символам. Из-за наличия этой избыточности диск CD-ROM имеет меньшую информационную емкость (до 650 Мбайт) в сравнении с CD-Audio (до 740 Мбайт), зато информация эта гораздо лучше защищена. Такой ситуацией пользуются за рубежом для хранения архивных фонограмм. Там их записывают не на CD-Audio, как у нас в России, а на CD-ROM. Экономия места в таком деле ни к чему, а материал защищен куда надежнее!
Как всякий ограниченный массив данных, сектор имеет свою синхронизирующую группу. Она состоит из 12-ти последовательных байт и располагается в начале сектора. Структура ее показана на рис. 9.2.6. Символы 0 и F — это цифры шестнадцатеричного кода, двоичное отображение которого показано на рис. 9.2.г. Следующие за синхрогруппой четыре байта — это заголовок, в котором отражены данные о времени (минуты, секунды, блоки) и идентификатор режима заполнения данных (рис. 9.2.в). Таких режимов в CD-ROM несколько. На рис. 9.2.а показан только один из них.
После заголовка следуют непосредственно сами данные — 2048 байт. После них — четыре проверочных байта кода обнаружения ошибок EDC (Error Detection Code). Затем — восемь нулевых байт. И, наконец, проверочные байты двух кодов коррекции ошибок ЕСС (Error Correction Code) — 172 байта кода Р и 104 байта кода Q.
Код EDC в соответствии с названием используется только для обнаружения ошибок. Он относится к числу CRC-кодов (Cyclic Redundancy Check Code — CRCC), которые способны только зафиксировать факт
Рис. 9.1. Формирование блока данных в CD-ROM
DO 1	2352 символа (байта)									D2351 1 1 у
1 1 1						I 1 1 1		
	Синхрогруппа	Заголовок	Данные	EDC	"0"	ЕСС		
	12	4	2048	4	8	Р 172	Q 104	
DO D1 D2 03 04 05 D6 07 08 09 010 011
00 I FF | PF | FF | FF | FF | FF | FF | FF | FF | FF | 00~]
D12	D13	D14	D15
7) | МИН | СЁК | БЛОК | РЕЖ |
0	0000	8	1000
1	0001	9	1001
2	0010	А	1010
3	0011	В	1011
4	0100	с	1100
5	0101	D	1101
6	0110	Е	1110
7	0111	F	1111
Рис. 9.2. Структура данных С-РОМ-диска.
а — блок данных (сектор); б — синхрогруппа; в — заголовок; г — таблица соответствия десятичного и шестнадцатеричного кодов
Цифровая звукозапись Технологии и стандарты	Гпава 9 Варианты формата CD
наличия ошибок, но исправить их не в состоянии. Чтобы обнаружение стало возможным, информационное слово, включающее в себя 2048 байт исходной информации, 4 байта заголовка, 8 нулевых байт, побитно делится на порождающий полином кода CRC:
G(X) = X32 + X31 + X16 + X15 + X4 + X3 + X + 1.
Полученный 32-разрядный остаток (32/8 = 4 байта) записывается на соответствующей позиции в блоке данных, обозначенной аббревиатурой EDC и используется при декодировании для обнаружения ошибок. С этой целью производится та же операция деления, что и во время кодирования. Если полученный остаток совпадает с вычисленным ранее, то ошибок нет. Если не совпадает, то ошибки присутствуют и их следует исправлять. Но исправлять ошибки код CRC не может. Для этого используются коды ЕСС.
Коды ЕСС — Р[26.24.3] и Q[45.43.3] так же как аналогичные коды системы CIRC, являются кодами Рида-Соломона и способны как обнаруживать, так и исправлять ошибки. Причем не битовые, как CRCC, а символьные. Каждый из них способен исправить одну ошибку или два стирания (см. разделы 3.1 и 5.6).
Кодирование этими кодами производится следующим образом. Прежде всего, данные, содержащиеся в каждом секторе (без синхрогруппы), делятся на два равных массива, как показано на рис. 9.3 — четные байты отдельно, нечетные отдельно. Данные каждого массива кодируются независимо друг от друга сначала кодом Р, затем кодом Q. Заметим, что до кодирования в исходном массиве значимыми являются только 1032 символа — заголовок, информация, EDC и нули. Остальные — те, которые должны содержать проверочные символы кодов ЕСС — пока пустые.
Каждое кодовое слово кода Р[26.24.3] содержит 26 информационных и два проверочных символа. Информационные символы выбираются из общего массива не подряд, а по определенному закону, который иллюстрируется рис. 9.4. Каждый столбец в таблице — это кодовое слово кода Р. Верхние 24 символа — информационные, два нижних — проверочные, полученные путем вычисления.
После завершения кодирования кодом Р, значимых символов в массиве станет уже 1118 (вместе с вычисленными проверочными символами).
Далее полученный массив кодируется кодом Q[45.43.3], который содержит 43 информационных и два проверочных символа. Информационные символы выбираются из массива по закону, который иллюстрируется рис. 9.5. Здесь кодовое слово — это строка в таблице. Слева — 43 информационных символа, справа — два вычисленных по ним проверочных.
Заголовок, данные,
з
м с
				2351 1169
		2350 1169		
				
				
				2349 1168
		2348 1168		
				
				
				2347 1167
		1 1 1 1 1 1 1 1		
1 1 1 1 1 1 1				
				Ю см со
		гм со		
				
				
				СП см ш
		см см со		
				
				
				см чг
		о СМ тг		
				
				
				«- СО
		со »- со		
				
				
				см
	•к.	СО »- см		
				
	л			
				ю
				
				
				
				” О а
		D12 0		
				
				
6 О)
о s Q.
	0	1	2	40	41	42
0	0000	0001	0002	....	....	0040	0041	0042
1	0043	0044	0045	....	0083	0084	0085
2	0086	0087	0088	....	....	0126	0127	0128
22	0946	0947	0948	....	...	0986	0987	0988
23	0989	0990	0991	....	1029	1030	1031
24	1032	1033	1034	....	1072	1073	1074
25	1075	1076	1077	....	....	1115	1116	1117
Рис. 9.4. Образование кодовых слов кода Р[26, 24, 3]
	0	1		2	3	40	41	42	43	44
0	0000	0044	0088		0642	0686	0730	1118	1144
1	0043	0087	0131		0645	0729	0773	1119	1145
2	0086	0137	0147		0648	0772	0816	1120	1146
9	0387	0438	0448		1029	1073	1117	1127	1153
23	0989	1033	1077		0513	0557	0601	1141	1167
24	1032	1076	0002		0556	0600	0644	1142	1168
25	1075	0001	0045		0599	0643	0687	1143	1169
Рис. 9.5. Образование кодовых слов кода О[45, 43, 3]
Такая система кодирования и перемежения в формате CD-ROM позволяет практически свести к нулю вероятность появления неисправленной ошибки и надежно защитить записанную на диск информацию.
Поскольку кодирование данных в формате CD-ROM включает в себя, как необходимый атрибут, кодирование по стандарту CD-Audio, то все дисководы CD-ROM способны считывать диски CD-Audio и нуждаются только в наличии звуковой платы, которая преобразует цифровой код в звуковой сигнал. Проигрыватели же CD-Audio воспроизвести CD-ROM не в состоянии (даже если там записана звуковая информация), поскольку их процессоры не рассчитаны на декодирование кодов EDC и ЕСС, равно как и осуществление других операций, заложенных в основу формата CD-ROM.
Информация о том, что данный компакт-диск является диском CD-ROM, записана в служебных данных канала Q (см. раздел 3.3). Четырехразрядная группа «Управление» в этом случае будет выглядеть
как OIXO (X зависит от типа CD-ROM и может принимать значение как 0, так и 1 — см. рис. 3.13).
Кроме CD-Audio и CD-ROM, на потребительском рынке существует еще и диск Video-CD. Этот диск может содержать видеопрограмму продолжительностью до 74 минут с качеством обычного VHS, что обеспечивается за счет использования компресии по стандарту MPEGI. Широкое распространение такой диск получил, в основном, в странах Азии. Однако, в связи с широкомасштабным внедрением технологии DVD, ему в скором времени придется, видимо, сойти со сцены.
Следует отметить, что основные форматы CD-дисков иногда связывают с определенными цветами. Например, формат CD-Audio называют «Red Book» (Красная Книга), CD-ROM — «Yellow Book» (Желтая Книга), a VideoCD — «White Book» (Белая Книга). Такие названия вошли в обиход из-за того, что в Книге Стандартов, где приведены описания всех разновидностей CD, такие описания отделены друг от друга цветными закладками. Их цвета и стали символами соответствующих форматов.
Несколько лет назад можно было встретить еше один вариант компакт-диска — интерактивный диск CD-I, который использовался для записи компьютерных игр и обучающих программ. Эта разновидность компакт-диска существовала как обособленная группа, обозначенная в Книге Стандартов зеленым цветом (Green Book), хотя по сути представляла собой одну из разновидностей CD-ROM. Сейчас почти не встречается, так как вытеснена «настоящим» CD-ROM.
Диски CD-Audio, VideoCD и CD-ROM, записанные и тиражированные в заводских условиях, относятся к классу дисков «только для чтения». Запись нового материала на них невозможна. Однако, кроме них существуют диски, специально созданные для того, чтобы на них можно было производить запись. Эго диски CD-R (Recordable), на которые можно записать информацию только один раз, и диски CD-RW (Rewritable), допускающие многократную перезапись. Эти диски в Книге Стандартов связаны с оранжевым цветом и часто именуются «Orange Book».
Диск CD-R с однократной записью разработан еще в начале 90-х годов. Кроме самого диска, пришлось разрабатывать также и более мощный полупроводниковый лазер, поскольку для осуществления записи требуется создание в области регистрирующего слоя высокой температуры. Если мощность считывающего лазера может быть не более 1 мВт, то записывающий лазер должен иметь мощность порядка 4...8 мВт при скорости записи, равной скорости считывания, 8... 10 мВт — при двукрат-
нои скорости, 10...12 мВт — при четырехкратной, 12...14 мВт — при шестикратной, 14...18 мВт — при восьмикратной и т.д.
Конструкция диска CD-R показана на рис. 9.6. В качестве регистрирующего слоя в настоящее время используются органические красители, оптический спектр поглощения которых совпадает с длиной волны излучения лазера. В период разработки CD-R было создано около полусотни таких красителей, но до промышленной технологии доведено только зри из них — цианин, фталоцианин и азотокраситель.
Рис. 9.6. Конструкция диска CD-R (разрез поперек дорожек)
Цианиновые слои отличаются достаточно высокой чувствительностью к излучению лазера, но, вместе с тем, и относительной неустойчивостью, так как со временем разлагаются под воздействием света. Этот недостаток впоследствии был устранен путем введения в цианин добавок специального стабилизирующего вещества, благодаря которому их долговечность теперь составляег около 70 лет. Диски с цианиновым регистрирующим слоем имеют зеленый цвет. Выпускаются они фирмами BASF, TDK, MITSUBISHI, RICOH и др.
Фталоцианиновые слои более устойчивы к воздействию естественного светового излучения, и срок их службы достигает 100 лет. Диски с такими слоями лучше других работают при повышенных скоростях записи, когда мощность лазера велика. Выпускаются компаниями KODAK, MITSUI и TOATSU CHEMICALS. Имеют золотисто-коричневый цвет.
Цианиновые и фталоцианиновые диски содержат отражающий слой из золота, что является ограничивающим фактором в стремлении производителей снизить их стоимость. Серебряный отражающий слой имеют диски с регистрирующим слоем из азотокрасителя, разработанные фирмами MITSUBISHI и VERBATIM. Такие диски хорошо работают при низ
ких скоростях записи — до 4-кратной. Их срок службы — до 100 лет. Со стороны регистрирующего слоя они выглядят синими, с обратной стороны — бесцветными.
Во время записи информации лучом лазера происходит разогрев структуры подложка-слой органического красителя-отражающий слой и она деформируется, образуя питы (рис. 9.7). При считывании свет лазера на таких питах будет рассеиваться, обеспечивая разницу в интенсивности осаженного пучка на деформированных и недсформированных участках дорожки.
Рис. 9.7. Формирование пита на регистрирующем слое диска CD-R
Кроме дисков с регистрирующим слоем из органического красителя, разработаны и другие их разновидности. Но в промышленных технологиях они пока не используются.
Дорожки на дисках CD-R служат для обеспечения автотрекинга во время записи. Их ширина — 0,8 мкм, шаг — 1,6 мкм. Формируются они во время изготовления диска методом литья под давлением. Затем на поверхность поликарбонатной основы методом центрифугирования наносится регистрирующий слой (органический краситель), а поверх него методом вакуумного напыления — отражающий слой. Все это покрывается защитным слоем из прочной пластмассы, а сверху формируется этикетка (рис. 9.6).
К семейству дисков CD-R относятся и диски PhotoCD, предназначенные для записи высококачественных неподвижных изображений (фотографий). Своим появлением они обязаны известной фирме KODAK. Программное обеспечение, разработанное этой фирмой специально для
записи PhotoCD, предусматривает четыре основных формата хранения изображений, отличающихся степенью сжатия и, как следствие, их качеством. Характеристики этих форматов приведены в табл. 9.1.
Таблица 9 1
Характеристики форматов сжатия изображений
Формат изображения	Размер изображения а пикселях	Объем данных для хранения одного изображения, МБ	Количество изображений на диске	Примечания
BASE	512х 76B	0,75	800	Соответствует телевизионному изображению вещательного качества. Для просмотра в телевизоре и создания домашних альбомов
4BASE	1024х 1536	1.5	400	Для высококачественных фотографий и архивирования
16BASE	2048 x 3072	4,5	120	Для полиграфии и печати фотографий большого формата
64BASE	4096x6144	20	30	Для высококачественной полиграфии и специальных видов фотосъемки
Диски CD-R, производимые фирмой KODAK специально для записи изображений в формате PhotoCD, еще в процессе их изготовления снабжаются специальным кодом, содержащим в себе индивидуальный номер диска и его тип, который характеризует возможность записи на нем изображения вполне определенного качества. Таких типов — три. Их характеристики приведены в табл. 9.2.
Запись дисков PhotoCD и распечатка изображений с них возможна только на специальном оборудовании фирмы KODAK, хотя просматривать их можно с помощью компьютера либо на его мониторе, либо на экране телевизора.
Реверсивные диски CD-RW, допускающие многократную перезапись, конструктивно похожи на диски CD-R. Однако, вместо органического красителя здесь роль регистрирующей среды выполняет слой неорганического вещества, способного многократно менять свое состояние из кристаллического в аморфное и обратно. Для записи информации на них
Таблица 9 2
Характеристики дисков PhotoCD
Тип диска	Количество и качество записываемых изображений
Master PhotoCD	До 120 с качеством не хуже 16ВАБЕ
PortfolioPhotoCD	До 800 с любым качеством, кроме 64BASE
ProPhotoCD	До 30 с качеством 64ВASE
требуется лазер с меньшей мощностью, чем для записи CD-R, но и контраст записанной дорожки получается меньший, поэтому качество записи будет несколько хуже.
Все диски CD-R и CD-RW после осуществления записи приобретают свойства того формата, в котором эта запись производилась и могут воспроизводиться соответствующими устройствами. Если записывалась музыка в формате CD-Audio, то диск можно воспроизводить с помощью обычного CD-проигрывателя, если записывалась программа в формате CD-ROM, то — с помощью любого компьютерного дисковода. Однако не следует забывать, что контраст записи как у дисков CD-R, так и у дисков CD-RW, всегда ниже, чем у нормального тиражированного диска, не говоря уж о гораздо большем количестве ошибок, которые вносятся на него при записи. Поэтому качество такого воспроизведения не гарантируется.
ю___
ЗМЖМ'Ь шшшш шющш ШЖШПМ
Не исключено, что после всего вышеизложенного у некоторых читателей возникло непреодолимое желание самим записать что-нибудь на компакт-диск. Если у вас в наличии имеется компьютер с CD-рекордером, звуковой платой и достаточно «вместительным» жестким диском, то удовлетворить такое желание будет несложно, хотя бы для того, чтобы можно было в общих чертах представить себе этот увлекательный процесс. В данной главе мы попробуем разобраться с тем, как лучше подготовить музыкальную программу для записи ее на компакт-диск и как произвести такую запись. А также, какими соображениями при этом следует руководствоваться.
Прежде всего вам нужно решить, что именно вы собираетесь записывать и в каком формате.
Что касается источников музыкальных программ, то они могут быть самыми разными: аналоговый проигрыватель виниловых дисков, аналоговый магнитофон, телевизор, радиоприемник, тюнер, проигрыватель компакт-дисков, Интернет и даже обыкновенный микрофон, с помощью которого вы можете увековечить свой собственный голос, а также голоса своих друзей или родственников.
А вот что касается способа записи, то здесь может быть всего два варианта: без компрессии в формате CD-Audio и с компрессией по стандарту MPEG Audio Layer 3.
Проанализируем имеющиеся в нашем распоряжении возможности и попытаемся сделать из них разумные выводы. К примеру, заманчиво было бы записать что-нибудь из эфира: иногда там звучат мелодии, вполне достойные того, чтобы их сохранить для прослушивания. Но как узнать, когда именно они прозвучат? К записи ведь надо быть готовым, повторять нужную мелодию никто не будет. Значит этот вариант отпадает. Теоретически можно, но практически — довольно затруднительно.
Можно записать что-то извлеченное из «всемирной паутины». Но там все только со сжатием (MP3). Можно, конечно, «разжать» это программными методами, но качество от этого не улучшится. Да и зачем портить хороший диск, если всего этого можно до тошноты наслушаться через тот же Интернет или записать его на жесткий диск компьютера. Сильным аргументом в пользу такого варианта является то, что записать можно в том же самом сжатом виде на CD-диск в формате CD-ROM — очень много ведь получится! Но, с другой стороны, слушать такой CD-ROM придется только через тот же компьютер. На CD-проигрывателе его не воспроизведешь — ни на стационарном, ни на портативном. Какой же тогда смысл его записывать. Значит, этот вариант тоже отпадает
А вот записать что-нибудь с аналогового диска или с магнитной ленты смысл есть. Такие записи имеют свойство со временем ухудшаться, и, если запись представляет для вас определенную ценность, то, чтобы приостановить процесс ухудшения, очень неплохо было бы перенести ее на «вечный» компакт-диск, причем в формате CD-Audio, без компрессии.
Имеет смысл также изготовить свой компакт-диск, переписав на него отдельные произведения с других CD. Выпускаемые звукозаписывающими компаниями компакт-диски редко содержат в себе программы, состоящие только из очень хороших мелодий. Какие-то из них могут нравиться больше, какие-то меньше, а какие-то совсем не нравиться. Бывает так, что из всей программы нравится-то всего одна-две мелодии. Поэтому вполне уместно попробовать сформировать свою собственную программу, выбрав для нее самые интересные мелодии с разных компакт-дисков,
Ну и конечно, иной раз хочется записать какое-то «живое» звучание, воспользовавшись микрофоном — песни под гитару, исполняемые кем-то из вашей компании, речь вашего малыша, который только учится говорить, или еще что-нибудь, отражающее наиболее знаменательные эпизоды вашего бытия Конечно, такая запись особым качеством блистать не будет. Но в данном случае этого и не требуется. Главное — чтобы сохранилось на долгие годы. И здесь как раз имеет смысл записывать не на
CD-Audio, а на CD-ROM в формате MP3. Качества этого формата вполне достаточно для таких целей, зато записать можно будет много. Да и воспроизводить ведь все равно придется только дома.
На основании только что проделанного анализа можно уже сделать определенные выводы — какой звуковой материал вообще имеет смысл записывать и что куда писать.
Теперь еще вот о чем. Если вы собираетесь производить запись в формате CD-Audio, то материал надо предварительно накопить на жестком диске компьютера так, чтобы получилась полновесная программа продолжительностью до 74 минут или около того. При этом следует помнить, что каждая минута нскомпрессированного звука занимает около 10 Мбайт дисковой памяти. Поэтому, прежде чем что-то записывать, нужно позаботиться о том, чтобы на жестком диске было достаточное количество свободного места. Если предполагается запись 74-минутной программы, то для этого потребуется 740 Мбайт дисковой памяти. Подобные меры обусловлены тем, что запись диска CD-Audio лучше всего производить за один прием (хотя, в принципе, возможно и иное). Нужно, чтобы программа, подготавливающая массив данных для записи на диск, могла сформировать оглавление. Как известно, оглавление записывается в самом начале диска, сразу после вводной дорожки — для того, чтобы воспроизводящее устройство, прочитав его, могло в дальнейшем реализовать все положенные ему сервисные функции — поиск, программирование, повтор и т.д. (см. раздел 3.3). Если запись производить по частям, то в оглавлении будут указаны параметры только того материала, который записывался в первый раз. То, что дописывалось позже, там уже фигурировать не будет. Воспроизводить такой диск будет затруднительно.
Если же вы собираетесь производить запись на CD-ROM, то тут таких ограничений нет. Информацию в этом случае можно дописывать сколько угодно раз.
Итак, попробуем в качестве примера записать музыкальную программу с винилового диска на CD-R в формате CD-Audio. Все остальные варианты записи также станут очевидными по ходу пояснений к рассматриваемой процедуре.
Процедура записи состоит из двух основных этапов. Первый этап — это запись материала на жесткий диск компьютера без применения компрессии в виде так назывесмого WAV-файла. Второй — запись подготовленного WAV-файла на диск CD-R за один прием. Рассмотрим эти этапы.
10.1.	Запись музыкальной программы на жесткий диск компьютера
Существует множество программ, с помощью которых можно записать звуковой материал на жесткий диск компьютера — Sound Forge, Digital Performer, Media Composer, WaveLab, ProTools, Samplitude, Cool Edit Pro и т.д. Большинство из них, правда, больше приспособлены к профессиональной работе со звуком и не относятся к числу широкодоступных. Для наших целей лучше взять что-нибудь попроще и попонятней. Например, программу CD Spin Doctor из пакета программ Easy CD Creator 4.0 Deluxe компании ADAPTEC, который можно загрузить себе в компьютер с сервера этой компании в Интернете по адресу: http://www.adaptec.com. Если, конечно, вы не приобрели такой пакет вместе с дисководом CD-R, который иногда им комплектуется.
Рассмотрим все необходимые действия по порядку.
1.	Соедините линейный выход проигрывателя виниловых дисков (электрофона) с соответст вующим входом звуковой платы при помощи специального кабеля.
2.	Установите уровень записи входного сигнала с помощью стандартных средств самой операционной системы Windows. Для этого включите электрофон (нс забыв поставить на него пластинку) и выведите на экран монитора окно «Громкость». В этом окне нужно выключить все входы, кроме линейного, к которому у нас подключен электрофон. Установите нужную громкость, а регулятор баланса поставьте в среднее положение. Нажав кнопку «Прочие», выведите на экран окно «Дополнительные параметры. Громкость». В этом окне установите регуляторы тембра «Высокие частоты» и «Низкие частоты» в среднее положение. Такие установки для тембра и баланса следует проделать, чтобы не искажать исходное звучание фонограммы. Хотя, конечно, можно что-то и изменить, если захочется. После этого закройте окно «Дополнительные параметры. Громкость» и окно «Громкость».
3.	Установите на дисковод CD-рекордсра чистый диск CD-R.
4.	Запустите программу CD Spin Doctor. На мониторе появится рабочее окно этой программы.
5.	Нажмите кнопку «I» в левой части окна. Появится окно «Select music source» (Выберите источник музыки) с перечислением всевозможных источников в программе.
6.	Поскольку ко входу звуковой платы у нас подключен электрофон, то его и выберем, щелкнув «мышью» значок «LP» и нажав кнопку «Select». При этом на экран монитора вернется рабочее окно программы CD Spin Doctor, но левая часть его изменится.
7.	В измененной левой части этого окна заслуживает внимания команда «Automatically stop recording when silent» (Автоматическое прекращение записи, когда тихо). Активизируйте ее щелчком «мыши». Теперь в паузах между отдельными музыкальными фрагментами запись будет останавливаться.
8.	Далее нажмите кнопку «Options» (параметры) в том же окне. На экране появится окно «Recording options»(Параметры записи). Ознакомьтесь с его содержимым. Из всего многообразия параметров записи (7 кнопок с соответствующими пояснениями), открывшихся в этом окне, для нас пока могут представить интерес две верхние, так как остальные можно использовать только после записи звукового материала на жесткий диск. Одна из этих кнопок (автоматический шумоподавитель) позволяет удалять из звукового сигнала свист, шипение, щелчки и прочие дефекты, а другая дает возможность использовать различные виды частотной коррекции звука и искусственную реверберацию. Последней при перезаписи фонограмм с виниловых дисков пользоваться не стоит, чтобы не искажать исходную запись. А вот насчет первой надо подумать. Если запись не очень сильно зашумлена и особой ценности для вас не представляет, то эту кнопку есть резон нажать для того, чтобы избавиться от лишнего шума. Но бывают случаи, когда к вам в руки попадает какая-нибудь редкая пластинка (скажем, взяли у кого-то на время), которую вам хотелось бы иметь у себя. Но пластинка старая, запись очень плохого качества и с высоким уровнем шумов. В данном случае можно поступить следующим образом. Сделать с нее две копии на двух компакт-дисках. Одну, для прослушивания, попытаться насколько возможно очистить от шумов подручными средствами — в данном случае — нажав кнопку автоматического шумоподавления. Другую записать как есть — со всеми шумами и тресками, и спрятать ее в надежном месте. Может быть в будущем представится возможность как следует ее отреставрировать на профессиональном оборудовании либо самому, либо отдать в студию ремастеринга. Вспомните, что по этому поводу говорилось в главе 7. Реставрация таких фонограмм — дело нелегкое, требующее соответствующего оборудования, многолетнего опыта в подобной работе и хорошего музыкального вкуса. Не имея всего этого, за реставрацию лучше не браться.
9.	Когда кнопка удаления шумов нажата, следует нажать и кнопку «Properties» (Свойства) в том же окне, чтобы установить параметры шумо

подавления. Откроется окно «Option Properties» (Характеристики параметров), которое позволит выбрать фильтры очистки фонограммы от шумов и щелчков и отрегулировать их параметры.
10.	Результаты действий с содержимым этого окна определяются опытным путем — на слух. Переключая фильтры и двигая рычажки регуляторов, нужно каждый раз прослушивать то, что при этом получается. Для этого нажимают кнопку «Preview».
И. В этом же окне на вкладке «Temporary Files» (Временные файлы) можно включить инструкцию «Do not delete temporary files after an error or cancellation», которая позволит программе не удалять временные файлы, появляющиеся у вас в процессе подготовки аудиоматериала к записи, после сделанной ошибки или отмены операции.
12.	В этом же окне на вкладке «Track Splitting» (Разбиение дорожек) можно задать способ разбиения фонограммы на дорожки (музыкальные произведения), которые и будут впоследствии записываться на диск. При записи с винилового диска, чтобы не задумываться над этим вопросом можно установить инструкцию «Split Wherever a Silence is Detected» (Разбивать везде, где встретится пауза). Тогда разбиение на дорожки будет происходить автоматически и в тех самых местах, где положено. В этом случае нужно будет еще определить порог срабатывания (чувствительность) датчика паузы. Если виниловый диск сильно зашумлен и в паузах явно ощущаются потрескивания, то чувствительность надо уменьшить, чтобы такие трески не воспринимались как полезный звуковой сигнал. В общем, здесь тоже нужно поэкспериментировать. Чувствительность датчика паузы, устанавливаемая на данной вкладке, относится также и к инструкции по автоматической остановке записи «когда тихо» (см. п.7). Другие вкладки рассматриваемого окна — «Internet» и «MP3 Files» для нас пока интереса не представляют.
13.	После того, как все необходимые параметры записи установлены, следует нажать кнопку «ОК», после чего эти параметры вступят в силу. Окно «Option Properties» исчезнет и появится окно «Recording Options». С ним мы тоже уже разобрались, поэтому уберем и его, нажав кнопку «ОК». Вместо него вновь появится окно программы CD Spin Doctor, где будет присутствовать информация о том, что фильтры автоматического шумоподавления включены (нажатая кнопка на панели инструментов и значок рядом с кнопкой «Options» в нижней части экрана).
14.	Теперь нам предстоит определить, куда мы будем записывать свою звуковую программу. Для этого следует нажать кнопку «2» в правой поло
вине окна программы CD Spin Doctor. Оно сменится другим окном — «Select Music Destination» (Выберите место для размещения музыки).
15.	Поскольку мы собираемся записывать диск в формате CD-Audio (без компрессии), то звуковой материал нужно сначала записать на жесткий диск в виде WAV-файла. Для этого выберем тот вариант из предложенных в данном окне, который обозначен надписью «Filc(s) on hard drive» (не перепутайте с «MP3 flle(s) on hard drive» — там co сжатием в MP3).
После этого нужно нажать кнопку «Select». Правая сторона окна изменит свой вид. Здесь будет отображено имя папки, куда следует производить запись, а в поле «Space available on disc» (Объем свободного пространства на диске) отразится количественное выражение этого объема в мегабайтах и в продолжительности записи (запись в формате WAV).
16.	Запись музыкального материала для будущего комакт-диска лучше производить в новую пустую папку, которую можно создать с помощью программы «Explorer» (Проводник). Для этого следует нажать длинную кнопку «Change Directory» (Изменить каталог) в той же правой половине окна программы CD Spin Doctor. Оно исчезнет и появится окно «Browse for Folder» (Обзор папок).
17.	Выберите диск из числа имеющихся в вашем компьютере, папку для записи WAV-файлов и нажмите кнопку «ОК». Окно «Browse for Folder» исчезнет и вместо него снова появится окно программы CD Spin Doctor.
18.	Чтобы подготовить программу к записи WAV-файла, нажмите кнопку «Record to disc» справа от заголовка CD Spin Doctor. На мониторе появится окно «Ready to Record» (Готов к записи).
19.	Подготовьте электрофон к записи и, нажав кнопку «Record» (Запись) в окне «Ready to Record», включите его, установив иглу на начало диска (или на начало какой-то другой мелодии). Все! Процесс записи начался. На экране монитора появится окно «Recording Progress», где будет отражаться текущее время записи и процент заполнения свободного объема памяти на жестком диске.
20.	Когда первая мелодия закончится, следует остановить запись, нажав кнопку «Stop», чтобы занести в файл название этой мелодии. После остановки записи окно «Recording Progress» исчезнет с экрана и снова появится окно программы CD Spin Doctor, в правой части которого записанная мелодия будет отражена под безликим названием «Sampled Audio, wav». Тут же будет указана ее длительность в минутах и секундах и объем заполнения ею памяти в мегабайтах. Точно таким же образом отражались бы и другие записанные мелодии, если бы вы продолжили запись. Поэтому лучше сразу
переименовать их в соответствии с их собственными названиями, которые можно прочитать на этикетке винилового диска
21.	Для этого щелкните по имени записанного файла правой кнопкой «мыши» и выберите из появившегося контекстного меню инструкцию «Rename» (Переименовать).
22.	Название мелодии наберите с помощью клавиатуры компьютера, оставив справа от него расширение «wav» и нажмите клавишу «Enter». Файл будет переименован.
23.	Теперь можно продолжить запись мелодий с винилового диска, повторяя уже проделанные операции, начиная с п.18.
24.	Когда весь диск будет записан, работу с программой нужно закончить, выбрав инструкцию «Exit» (Выход) из меню «File» (Файл). Окно программы CD Spin Doctor закроется. Наша задача выполнена. Все мелодии с винилового диска перекочевали на жесткий диск компьютера.
10.2.	Перенос фонограммы
с жесткого диска на CD-R
После того, как нужные мелодии занесены на жесткий диск компьютера, их можно переписать на диск CD-R в формате CD-Audio. Такой диск потом можно будет воспроизводить с помощью обычного проигрывателя CD. Для записи CD-R вновь воспользуемся программой CD Spin Doctor.
1.	Выведем на экран монитора окно программы CD Spin Doctor. Из меню «Select» выберем команду «New Source» (Новый источник). На экране появится окно «Select Music Source» (Выберите источник музыки).
2.	В открывшемся окне выберем источник «Filc(s) on hard drive», где находится переписанная нами с винилового диска музыкальная программа, и нажмем кнопку «Select». На экране появится окно «Open» (Открыть).
3.	В окне «Open» в поле со списком «Look in» (Заглянуть в) выберем диск, а в перечне папок — папку, где хранятся записанные нами мелодии. Откроем эту папку двойным щелчком «мыши».
4.	Выделим все записанные мелодии, удерживая мышью клавишу «Shift» (Сдвиг) и нажмем кнопку «Add» (Добавить). Окно «Open» исчезнет, а вместо него появится окно программы CD Spin Doctor, в левой части которого будут записаны нужные нам мелодии (файлы) с указанием их длительности в минутах и секундах. Ниже — в поле «Total» (Обшсе) будет
отражено количество файлов (мелодий), объем занимаемой ими памяти в мегабайтах и общая длительность звучания. Запись этих мелодий на CD-R будет производиться в том порядке, в котором они перечислены в списке файлов. Если требуется изменить этот порядок, то это можно сделать с помощью «мыши», нажав левую кнопку у названия файла и, удерживая ее в таком положении, перетащить файл куда требуется.
5.	Теперь выберем устройство, куда будет производиться запись музыки. Для этого нажмем титульную кнопку правой части окна. Появится окно «Select Music Destination» (Выберите то, куда будете записывать музыку).
6.	Здесь выберем строку «CD-Recorder» и нажмем кнопку «Select». Окно «Select Music Destination» исчезнет и вновь появится окно программы CD Spin Doctor, в правой части которого отразится информация о вашем CD-рекордере (тип и скорость записи).
7.	В поле «Title» введем с клавиатуры название будущего компакт-диска, в качестве которого можно использовать название винилового диска, с которого производилась запись, или придумать какое-то другое.
8.	Обратите внимание на положение кнопки, которая включает фильтры автоматического шумоподавления. Если она нажата, то отпустите ее, так как все,что требовалось для очистки фонограммы, мы уже сделали при записи мелодий на жесткий диск.
9.	Нажмите кнопку, определяющую режим записи файлов на компакт-диск как тестовый.
10.	Нажмите кнопку начала записи на компакт-диск. На экране появится окно «Recording Progress» (Ход записи), отображающий процесс записи. С этим окном мы уже встречались, когда записывали мелодии на жесткий диск компьютера (см. п.19).
11.	Если тестовая запись прошла успешно, то после ее окончания на экране появится окно «Test was successful» (Тест был успешным), а в нем вопрос: «Woild you like to do an actual record now?» (Собираетесь ли вы производить настоящую запись прямо сейчас?).
12.	Подтвердите свое желание нажатием кнопки «Yes» (Да). На экране снова появится окно «Recording Progress». Теперь оно будет отражать уже действительную, а не тестовую запись компакт-диска.
13.	Когда запись закончится, окно «Recording Progress» исчезнет с экрана и вместо него появится окно программы CD Spin Doctor. В правой части его будет отражено все, что вы только что записали. При этом в поле «Space available on CD» (место, оставшееся на CD) будет показано, сколько свободного места на диске еще осталось. На это место, в принци
пе, можно было бы потом дописать что-нибудь еще. Но делать этого вообше-то не стоит, поскольку программу мы сформировали на этапе подготовки WAV-файла и лучше ее не смешивать ни с чем, тем более, что недописанный диск трудно будет воспроизвести. Так что лучше всего диск закрыть, нажав длинную кнопку «Close CD now» (Закрыть диск сейчас). Однако, чтобы вы могли еще раз задуматься над правильностью принятого решения, на экране монитора при этом появится окно «Unclosed CD» (Незакрытый компакт-диск), где будет предупреждение о том, что после закрытия диска на него уже ничего не запишешь.
14.	Еще раз подтвердите свое решение о закрытии диска нажав кнопку «Close CD». Снова на экране появится окно «Recording Progress», в котором будет отражаться процесс закрытия диска.
15.	Когда диск наконец-таки будет записан, программа выдвинет и снова задвинет лоток со свежезаписанным диском, демонстрируя тем самым, что он вполне готов к эксплуатации. Окно «Recording Progress» сменится окном программы CD Spin Doctor. Теперь можно окончательно завершить работу с ней, выбрав из меню «File» команду «Exit» (Выход). Окно программы исчезнет.
Все! Диск записан и вы можете слушать его сколько угодно! Хоть на компьютере, хоть на CD-проигрывателе! С чем я вас и поздравляю!
11 U______________________________
ЖТЕШ
шки ЖШ.
В 1992 году на потребительских рынках Японии, Америки и Европы появился новый вид цифровой аудиоаппаратуры — проигрыватель минидисков (MD). Размеры нового носителя вполне соответствовали его названию — диск был действительно миниатюрным, всего 64 мм в диаметре. Но, несмотря на скромные размеры, длительность записанной на нем программы достигала 74 минут — так же, как и у компакт-диска. И даже качество записи соответствовало формату CD — те же 16 разрядов квантования при той же частоте дискретизации 44,1 кГц. Все основные этапы преобразования звукового сигнала в системе «Минидиск» также соответствовали формату CD.
Однако, в отличии от компакт-диска, на минидиск можно записывать, причем как аналоговый сигнал, так и цифровой. Последнее означает, что фонограмма с компакта-диска или DAT-кассеты может быть скопирована на новом аппарате практически без потери качества.
Казалось бы, этот факт должен бы вызвать бурный протест со стороны звукозаписывающих компаний, как это было в случае с магнитофонами формата R-DAT. Но не вызвал. Дело в том, что на минидиск производится запись не точной копии материала, а его версии, полученной путем сжатия исходной информации в 5-6 раз по стандарту ATRAC (Adaptive
Transform Acoustic Coding). Именно применением компрессии в основном и объясняется возможность использования столь миниатюрного носителя для записи столь продолжительных программ.
Сжатие информации по методу ATRAC основано на устранении так называемой психофизической избыточности звукового сигнала, то есть той его части, которую человеческое ухо все равно не воспринимает. Те же принципы лежат в основе сжатия по стандартам MPEGI и MPEG2, особенно с высоким уровнем компрессии (Layer 3). Удаленная при сжатии избыточность во время воспроизведения не восстанавливается, поэтому записанные на минидиск программы уже не могут считаться точными копиями, а следовательно, никакого нарушения авторских прав при копировании не происходит.
Для того, чтобы расширить возможности системы MD в отношении записи фонограмм в цифровом виде, большинство минидисковых аппаратов имеет в своей структуре преобразователь частоты дискретизации. Как говорилось выше, внутренняя частота дискретизации минидисковых сис-те'м — 44,1 кГц. Наличие же преобразователя позволяет производить запись цифровых сигналов и с частотами дискретизации 48 кГц и 32 кГц.
Для зашиты от пыли и механических воздействий минидиск помещен в пластиковую кассету. Размер такой кассеты — 68x72x5 мм. Доступ к рабочей поверхности диска осуществляется через специальное окно, которое вне дисковода закрыто сдвигающейся шторкой.
Диаметр центрального отверстия диска — 11 мм.
Существует две разновидности носителей, различающихся продолжительностью записываемых на них программ. Одна из них допускает 74-минутную запись при скорости сканирования (перемещения луча относительно дорожки) 1,2 м/с, другая — 60-минутную при скорости сканирования 1,4 м/с.
11.1. Физические основы магнитооптической записи
Систему MD можно рассматривать как некий промежуточный вариант между системой оптической записи «Компакт-диск» и системой магнитной записи R-DAT. Запись информации здесь осуществляется путем формирования магнитограммы на поверхности дискового носителя, а
считывание этой информации производится уже оптическими методами — с помощью сфокусированного луча полупроводникового лазера.
В основе процесса считывания лежит магнитооптический эффект Керра.
В общем случае, магнитооптический эффект — это изменение оптических свойств вещества в зависимости от его намагниченности или от силы приложенного к нему магнитного поля. Под оптическими свойствами здесь следует понимать отражение, пропускание, поляризацию света и другие явления. Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект, называются магнитооптическими веществами. Среди них могут быть ферромагнетики, имеющие в своей структуре магнитные атомы, — такие, как Y3Fe50i2 или GdFejO^; ортоферриты, образующие магнитные домены — такие, как CdTbFe или TbFeCo и другие материалы, содержащие металлы и редкоземельные элементы. Тонкие пленки из таких материалов обладают преимущественно перпендикулярной намагниченностью, т.е. силовые линии магнитного поля, образуемого ими, перпендикулярны поверхности пленки.
Магнитооптический эффект Керра состоит в следующем. Если пленку, содержащую участки с противоположной намагниченностью, осветить лучом линейно поляризованного света, то углы поляризации пучка, отраженного от этих участков, будут различными (рис. 11.1). Угол между векторами поляризации света VA и VB, отраженного от разнополярных участков, называется углом Керра.
Если отраженный свет пропустить через анализатор (пластинку из анизотропного вещества), то его интенсивность также получится различной. Поместив далее на пути луча фотоприемник, можно получить электрическое отображение информации, содержащееся в сочетании зон намагниченности регистрирующего слоя.
Чтобы записать информацию на магнитооптический носитель, используется термомагнитный эффект. Он состоит в том, что если участок пленки, имеющий определенную намагниченность, поместить в магнитное поле противоположного направления и нагреть лучом лазера выше некоторой температуры, называемой точкой Кюри, то этот участок приобретет направление намагниченности, совпадающее с направлением внешнего магнитного поля (рис. II.2). При охлаждении пленки, приобретенная таким образом ориентация магнитного поля сохраняется.
Рис. 11.2. Термомагнитный эффект
Существует два основных способа формирования магнитограммы на магнитооптическом носителе.
Первый состоит в том, что регистрирующий слой, нанесенный на поверхность диска, предварительно намагничивается в определенном направлении. В процессе записи на него воздействуют слабым магнитным полем противоположного направления и, одновременно с этим, — лучом лазера, мощность которого модулируется информационным сигналом. Там, где мощность лазера велика, регистрирующий слой нагревается выше точки Кюри и вектор намагниченности меняет свою ориентацию в соответствии с внешним полем. Там, где мощность лазера мала, нужного нагрева не получается и ориентация магнитного вектора остается прежней. В результате, на поверхности диска формируется магнитограмма, соответствующая модулирующему сигналу.
Такой метод использовался в ранних системах магнитооптической записи, которые обозначались аббревиатурой E-DAD (Erasable Digital Audio Disc). Образцы таких систем демонстрировались в конце 80-х годов фирмами SANYO, SHARP, THOMSON и др.
7 Зак 542
793
Однако, этот метод оказался неудобным, так как старую информацию перед записью новой нужно было предварительно стереть. Или же применять систему из трех независимых лазеров, один из которых стирал старую информацию, другой записывал новую, а третий использовался для автофокусировки и автотрекинга. Система получалась чересчур сложной и дорогой.
Поэтому в системе «Минидиск» применен другой метод. В режиме записи луч лазера используется только для нагрева дорожки выше точки Кюри, а модулирующий сигнал подается на магнитную головку, которая и обеспечивает формирование магнитограммы. При таком способе записи новая магнитограмма никак не зависит от того, что было записано на диске раньше.
Считывание в обоих случаях производится одинаково — лучом того же самого лазера, но работающего в режиме пониженной мощности, чтобы не повредить магнитограмму.
Шаг дорожки в системе E-DAD — 1,6 мкм (как и у компакт-диска), а в системе MD — 1 мкм. Минимальная длина пита у обоих систем одинакова — около 1 мкм.
Считывание минидиска, как и компакт-диска, осуществляется от центра к периферии. Минимальный диаметр зоны записи — 32 мм. Количество циклов записи — не менее миллиона.
Типичная структура магнитооптического диска показана на рис. 11.3. Основой его, как и в случае компакт-диска, служит поликарбонат. Регистрирующий слой в данном случае — соединение тербия (ТЬ), железа (Fe)
Рис. 11.3. Структура магнитооптического диска
и кобальта (Со). Для защиты от коррозии регистрирующий слой с обеих сторон окружен слоями нитрида кремния SiN. В качестве отражающего слоя используется алюминий (Л1).
Наиболее часто в качестве основного магнитного материала используется кобальт, поскольку' его атомы обладают способностью ориентироваться так, что их магнитные оси оказываются перпендикулярными поверхности носителя. К тому же он относительно дешев.
Однако, как показали исследования фирм PHILIPS и DU PONT, еще лучшими характеристиками обладают диски с регистрирующим слоем из кобальта и платины. В них намагниченность строго перпендикулярна поверхности слоя. Слой, содержащий только кобальт, такой ярко выраженной перпендикулярностью не обладает. А это очень важно с точки зрения минимизации шумов носителя. Также важна величина угла поворота плоскости поляризации (угол Керра). Чем он больше, тем больше разница в уровнях сигналов, полученных от зон с противоположной намагниченностью (глубина модуляции) и тем меньше относительный уровень шумов носителя.
В случае кобальт-платиновых структур самые лучшие характеристики получаются, если чередовать тончайшие слои кобальта (толщиной в несколько атомов) с такими же тонкими слоями платины — до тех пор, пока не получится требуемая толщина регистрирующего слоя. Это объясняется тем, что способность атомов ориентироваться в магнитном поле увеличивается у поверхности. Чем больше поверхностей, тем лучше ориентируемость по всей толщине слоя. Кроме того, кобальт-платиновые структуры обладают большим углом вращения Керра на коротких волнах, что можно считать перспективным, поскольку длина волны излучения полупроводниковых лазеров имеет тенденцию к уменьшению. Единственным их недостатком можно считать относительно высокую стоимость.
11.2. Устройство минидискового аппарата
Блок-схема проигрывателя минидисков показана на рис. 11.4.
В режиме записи, если сигнал аналоговый, то он вначале преобразуется в цифровой, т.е. в последовательность 16-разрядных отсчетов, следующих с частотой 44,1 кГц.
Рис. 11.4. Блок-схема проигрывателя минидисков
Если сигнал цифровой, но его частота дискретизации отлична от 44,1 кГц, то осуществляется ее преобразование. Для этого частота дискретизации вначале увеличивается с помощью ряда каскадно соединенных трансверсальных фильтров (см. главу 2). Затем осуществляется прореживание полученной последовательности отсчетов до частоты 44,1 кГц с помощью фильтров-дециматоров. Пример схемы такого преобразования показан на рис. 11.5.
Для повышения частоты дискретизации в данной схеме использованы три трансверсальных фильтра. Два из них увеличивают частоту дискретизации втрое, один — в 49 раз. Общее увеличение — в 441 раз. Если источник программ имеет частоту дискретизации 48 кГц, то после этого следует децимация в 480 раз, если 32 кГц, то в 320 раз. Таким образом, в
Трансверсальные фильтры-интерполяторы
Т рансверсальные фильтры-дециматооы
Рис. 11.5. Преобразователь частоты дискретизации
обоих случаях результирующей частотой дискретизации будет частота 44,1 кГц, которая и соответствует формату записи в системе «Мини-диск» Показанные на схеме переключатели частоты дискретизации «48 кГц — 32 кГц» являются электронными и срабатывают автоматически, без вмешательства пользователя, поскольку информация о частоте дискретизации присутствует в данных, передаваемых по интерфейсу.
После этого следует операция компрессии цифрового сигнала в кодеке ATRAC, в результате чего объем данных сокращается в 5-6 раз
Далее полученная последовательность кодируется системой CIRC, модулируется кодом EFM и подается на управляющий вход магнитной головки. Головка формирует переменное магнитное поле, соответсчвую-щее единицам и нулям записываемой информации. Эта информация фиксируется рабочим слоем носителя в точке его разогрева, который обеспечивается сфокусированным лучом лазера, работающего в режиме повышенной мощности.
При воспроизведении луч того же самого лазера, но работающего в режиме пониженной мощности, сканирует поверхность диска. Отраженный пучок с промодулированной магнитограммой плоскостью поляризации, проходя через анализатор, поступает на фотоприемник, который формирует электрический сигнал, содержащий считанную информацию.
Дальнейшее — так же, как и при воспроизведении фонограмм в системе «Компакт-диск» за исключением того, что преобразованию цифрового сигнала в аналоговую форму предшествует операция декомпрессии по стандарту ATRAC.
Так же, как и проигрыватели компакт-дисков, минидисковые аппараты для устранения детонации оснащены буферной памятью, а переносные модели — еще и системой электронной защиты от ударов.
В конце 90-х годов специалисты в области звукотехники и потребители бытовой аудиоаппаратуры стали свидетелями захватывающего соперничества двух новейших технологий цифровой лазерной звукозаписи — DVD-Audio и SuperAudioCD (SACD). Это соперничество приобрело настолько острый характер, что некоторые журналисты называли его «третьей мировой войной форматов». Каждая из представленных новинок имела как своих убежденных сторонников, так и непримиримых противников.
Однако, с точки зрения потребителя, т.е. слушателя музыкальных программ, оба формата настолько совершенны, что отдать предпочтение одному из них можно только в силу каких-то субъективных обстоятельств. Кое-кто из пишущей братии резонно заключил, что разгоревшиеся в прессе баталии по этому поводу являются скорее всего своего рода рекламной кампанией, направленной на то, чтобы, подогревая интерес покупателя к обеим новинкам, заставить его поскорее выложить деньги.
И в самом деле, у DVD-Audio и SACD довольно много общего. В особенности это касается носителя. Размеры обоих дисков такие же, как и у CD: диаметр — 12 см (или 8 см), толщина — 1,2 мм. Как диск DVD-Audio, так и диск SACD, представляют собой две склеенные вместе половинки толщиной по 0,6 мм каждая, что и дает в сумме 1,2 мм. Проигрыватели обоих форматов совместимы с форматом CD-Audio и способны воспроизводить обычные компакт-диски.
Однако, по способу представления информации DVD-Audio и SACD в корне различны. Если DVD-Audio использует обычное линейное квантование, хотя и со сверхвысокой точностью (частота дискретизации может быть 44,1, 88,2 и 176,4 кГц или 48; 96 и 192 кГц при 16, 20 и 24-разрядным разрешением), то в SACD применено одноразрядное дельтасигма преобразование аналогового сигнала (Direct Stream Digital-DSD) с частотой дискретизации 2,8 МГц. Это дает SACD ряд преимуществ, заключающихся в относительной простоте реализации аппаратуры при высочайшем качестве звучания фонограммы.
Но не будем забегать вперед и рассмотрим оба формата по отдельности.
12.1.	Digital Versatile Disc (DVD)
12.1.1.	История появления DVD
К концу 1994 года в технической прессе стали появляться сообщения о том, что известный тандем SONY/PHILIPS, подаривший миру технологию CD, готов представить на суд потребителю еще более совершенный носитель, идеально подходящий для записи информации практически любого характера. Система на основе нового носителя была разработана с учетом самых последних достижений в области прикладной химии, оптики, микроэлектроники, информатики и способна в недалеком будущем прийти на смену всему тому, что было создано на базе CD.
В процессе работы над новым носителем несколько раз менялось его название, отражая основные намерения разработчиков на том или ином этапе: MMCD (MultiMediaCD), HD-DVD (High Density Digital Video Disc, HD-CD (Hiqh Density CD). С целью скорейшего завоевания рынка проигрыватели новой системы планировалось сделать совместимыми со всеми существовавшими тогда носителями информации в формате CD. Правда, совместимость могла быть только односторонней — проигрыватели CD и дисководы CD-ROM не смогли бы воспроизводить диски MMCD.
Объяснялось это наличием множества технических новшеств, справиться с которыми CD-устройства были бы не в состоянии. Прежде всего, это двухслойная структура диска MMCD. Кроме обычного отражающего информационного слоя, толщина которого равнялась 0,05 мкм (у — 0,1 мкм), над ним располагался еще один информационный слой (0,05 мкм) — полупрозрачный (или полуотражающий — как кому больше
нравится). Расстояние между этими двумя слоями всего 0,04 мкм. В остальном конструкция диска похожа на CD — подложка из поликарбоната (1,2 мкм), защитный лаковый слой со стороны информационного — 10 мкм. Поверх него — этикетка (рис. 12.1).
Но емкость каждого информационного слоя должна была быть 3,7 Гбайт — почти в 6 раз больше, чем у CD. А всего на двухслойном диске планировалось разместить 7,4 Гбайт.
Такая большая емкость диска объясняется использованием лазера с более короткой, чем у CD длиной волны излучения — 0,635 мкм (красный свет), и оптической системы с числовой апертурой 0,52. У CD те же параметры — 0,78 мкм и 0,45 сответственно. Такие усовершенствования позволяют получить световое пятно гораздо меньших размеров, чем у CD, что в свою очередь обеспечивает возможность уменьшения более, чем в два раза геометрических размеров пит и расстояния между дорожками. При использовании компрессии по стандарту MPEG2 на таком диске можно разместить 135 минут видеозаписи вещательного качества.
Вскоре, однако, выяснилось, что не только SONY и PHILIPS озабочены созданием нового высокоплотного носителя. Группа компаний во главе с японской фирмой TOSHIBA (MATSUSHITA, HITACHI, PIONEER, THOMSON, MCA, TIME WARNER и MCM(UA)) неожиданно для многих предложила свой стандарт на дисковый носитель, подобный диску MMCD. Даже названия у них были чем-то схожи: SD-DVD (Super Density Digital Video Disc) перекликается c HD-DVD. Другое название — SDD (Super
Поликарбонат
Рис. 12.1. Конструкция диска MMCD
Полупрозрачный информационный слой (Au)
Непрозрачный (отражающий) информационный слой (А1)
Защитный лаковый слой
Этикетка
Density Disc) похоже на HD-CD. Совпадают и основные параметры обоих дисков. SD-DVD тоже имеет двухслойную структуру, однако, она несколько иная, чем у MMCD, ибо образуется за счет того, что склеиваются вместе две половинки диска, каждая из которых имеет толщину 0,6 мм (рис. 12.2). Поэтому считывание такого диска должно производиться с
Рис. 12.2. Конструкция диска SD-DVD
обеих сторон. Глубина расположения информационного слоя у SD-DVD получается при этом вдвое меньше. Зато информационная емкость каждой стороны оказывается больше — 5 Гбайт против 3,7 у MMCD. Всего на обеих сторонах помещается Ю Гбайт — почти в 15 раз больше, чем у обычного CD. Для записи видеофильмов здесь также предполагалось использование компрессии по стандарту MPEG2 так, чтобы получалось 135 минут видеоизображения вещательного качества. Технические параметры стандарта SD-DVD приведены ниже.
Диаметр диска, мм........................120
Толщина диска (склеенного из двух половинок), мм..................1,2
Информационная емкость, Гбайт:
на одной стороне.....................5
на двух сторонах.....................10
Шаг дорожки, мкм.........................0,725
Длина волны излучения лазера, нм...........650
Числовая апертура объектива................0,6
Коррекция ошибок...........................код Рида-Соломона
Время записи видеоизображения, мин: на одной стороне.....................135
на двух сторонах......................270
Средняя скорость потока данных (звук и изображение одновременно), Мбит/с.........4,94
Оказалось, что такое сходство стандартов, разработанных разными группами фирм, вовсе не случайно. Обе группы при разработке учли рекомендации, ранее сформулированные для них консорциумом крупнейших представителей индустрии развлечений Hollywood Digital Video Disc Advisory Croup, включающего в себя таких гигантов, как Columbia Pictures, MGM, Disney, MCA/Univcrsal, Paramount, Viacom и Warner Brothers. Эта группа подготовила целый ряд предложений, направленных на кардинальное повышение качества выпускаемой видеопродукции и защите авторских прав на нес.
С этой целью летом 1994 года по инициативе группы было организовано и проведено широкое обсуждение направлений создания нового носителя совместно с фирмами-изготовителями аппаратуры для цифровой видеозаписи.
Как подчеркивалось в выдвинутых предложениях, непременными свойствами нового носителя видеозаписи должны быть следующие:
♦	возможность записи на один диск полнометражного художественного фильма;
♦	качество изображения должно быть лучше, чем у любого существующего видеоаппарата, включая проигрыватель лазерных видеодисков;
♦	новые аппараты должны быть совместимыми со всеми существующими CD-устройствами;
♦	должна быть обеспечена возможность записи звукового сопровождения не менее, чем на трех-пяти языках;
♦	запись должна быть защищена от пиратского копирования;
♦	должна быть предусмотрена возможность изменения формата записи, т.к. в будущем предполагается расширение рынка широкоэкранных фильмов;
♦	должна быть предусмотрена возможность записи на одном диске .. нескольких версий одного и того же материала с возможностью введения пароля.
После долгого и всестороннего обсуждения двух предложенных вариантов стандарта на систему высокоплотной записи к концу 1995 — началу 1996 года заинтересованные стороны наконец-таки пришли к единому мнению относительно технических параметров нового носителя. Требования эти были сформулиро1!аны вначале только для видеозаписи, поскольку основной задачей, поставленной перед разработчиками, было все-таки создание именно видеоносителя. Даже название его — «DVD» вначале означало именно «Digital Video Disc» (вопреки бытующему сейчас мнению) — как и у прототипов (HD-DVD и SD-DVD). Но, поскольку было ясно, что новый носитель годится и для хранения любой другой информации, то название «DVD» надо было поменять на какое-нибудь другое, отражающее его универсальность. Однако, название всем нравилось и менять его никто не хотел. Поэтому решили подыскать для буквы «V» иное, более подходящее значение. Перебрав множество вариантов из словаря, остановились на слове «versatile», которое означает «многопрофильный, разносторонний, легко изменяющийся». Надо заметить — слово не очень удачное в смысле его произношения — и не только для русских, но и для французов, итальянцев, испанцев и немцев — не говоря уж о японцах, китайцах, корейцах и других представителях восточных государств. Но ничего более подходящего на букву «V» найти не удалось. Так и осталось за аббревиатурой «DVD» словосочетание «Digital Versatile Disc».
В конструкции самого диска отразились технические решения обеих групп разработчиков — диск может быть односторонним однослойным, односторонним двухслойным, двухсторонним однослойным и двухсторонним двухслойным, т.е. может иметь до четырех информационных слоев.
Окончательные параметры DVD следующие:
Диаметр диска, мм.......................120
Толщина диска, мм.......................1,2 (0,6x2)
Емкость диска, Гбайт....................4,7 на каждом
информационном слое
Шаг дорожки, мкм........................0,74
Минимальная длина пит, мкм..............0,451
Длина волны излучения лазера, нм........650/635
Числовая апертура объектива.............0,6
Коррекция ошибок........................CIRC Plus
Модуляция сигнала.......................EFM Plus (8-16)
Среднее значение скорости потока данных, Мбит/с....................4,69
Тип компрессии видеоданных...............MPEG2
Звуковой сигнал.................—	CD-Audio
— MPEG 1 Audio или MPEG2 Audio
— Dolbl Digital (AC-3)
Максимальное число звуковых каналов....8
Максимальное число дополнительных каналов (субтитры) ....32
Длительность видеозаписи на каждом информационном слое, мин...133
12.1.2.	Конструкция диска DVD
К настоящему времени получили распространение четыре конструктивно различных типа дисков, имеющих от одного до четырех информационных слоев. С учетом того, что кроме 120-миллиметрового диска выпускается еще и 80-миллиметровый, всего получается 8 наименований, отличающихся своей информационной емкостью. Их данные приведены в табл. 12.1.
Таблица 12 1
I Конструк- 1 тивный 1 тип диски	80 мм		120 мм	
	Емкость, Гбайт	Наименование	Емкость, Гбайт	Наименование |
SSSL	1.46	DVD-7	4,7	DVD-5
SSDL	2,66	DVD-2	8,54	DVD-9
DSSL	2,92	DVD-3	9,4	DVD-10
DSDL	5,32	DVD-6	17,08	DVD-17
Рассмотрим эти типы дисков подробнее.
Однослойный односторонний — SSSL (Single Sided Single Layer) (рис. 12.3). Представляет собой две склеенные подложки толщиной 0,6 мм каждая. Одна из них — та, на которой имеется информационный слой, изготовлена из прозрачного поликарбоната. Другая изготовлена из непрозрачной пластмассы. На ней, разумеется, информационного слоя нет, и предназначена она только для того, чтобы обеспечить нужную толщину диска. На нее наносится этикетка. Информационный слой металлизирован слоем алюминия толщиной 0,05 мкм.
Рис. 12.3. Конструкция диска SSSL
Двухсторонний однослойный (флиппср-диск) — DSSL (Double Sided Single Layer) (рис. 12.4). Аналогичен SSSL, но информационный слой имеется на каждой из двух подложек. Отсюда — общая емкость диска в два раза больше, чем у SSSL. Неудобен тем, что в проигрывателях с одной считывающей головкой при просмотре фильма приходится извлекать его из дисковода и переворачивать.
Рис. 12.4. Конструкция диска DSSL
Односторонний двухслойный — SSDL (Single Sided Double Layer) (рис. 12.5). Так же, как и DSSL, имеет информационный слой на каждой подложке, но считывается, в отличие от него, с одной и той же стороны. Дело в том, что информационный слой на одной из подложек (той, сквозь которую осуществляется считывание) металлизирован не алюминием, а тончайшим полупрозрачным слоем золота или кремния. При считывании луч лазера может фокусироваться либо на поверхности полупрозрачного слоя, либо на поверхности непрозрачного слоя, металлизированного алюминием. При склеивании двух подложек между ними вводится расплавленный прозрачный фотополимер, который затем подвергается облучению потоком ультрафиолетовых лучей и затвердевает. Толщина его составляет доли микрона. Поскольку уровень шумов носителя здесь значительно выше, а уровень полезного сигнала ниже, чем у SSSL и DSSL, питы приходится делать гораздо крупнее стандартных и информационная емкость диска получается меньше, чем у DSSL, который тоже имеет два информационных слоя.
Особенностью диска SSDL является то, что если на нем записан DVD-Video или DVD-Audio, то первый слой (полупрозрачный) считывается как обычно — от центра к краю, а вот второй (непрозрачный) — от края к центру. Это делается для того, чтобы во время перехода от одного слоя к другому программа, записанная на нем, не прерывалась. Однако, если диск SSDL представляет собой DVD-ROM, то оба слоя считываются от центра к краю.
Поликарбонат
Полупрозрачный информационный слой
Фотополимер
Непрозрачный информационный слой
Поликарбонат
Двухсторонний двухслойный — DSDL (Double Sided Double Layer) (рис. 12.6). Диск с двумя информационными слоями на каждой из подложек. При изготовлении таких подложек один информационный слой покрывают полупрозрачным слоем золота или кремния, после чего наносят жидкий фотополимер и прикладывают матрицу с рельефом второго информационного слоя. После отвердевания фотополимера под воздействием ультрафиолетовых лучей на получившийся рельеф напыляют слой алюминия. Две подложки склеивают вместе и получают диск с четырьмя информационными слоями. Емкость его в два раза выше, чем у SSDL.
Цифры в названиях типов дисков отражают их примерную емкость (DVD-5, DVD-9, DVD-10 и т.д.).
По характеру записанной информации диски можно разделить на три типа — DVD-Video, DVD-Audio и DVD-ROM.
На DVD-Video записываются видеопрограммы. DVU-Audio служит источником высококачественных звуковых программ. На DVD-ROM, как правило, записываются компьютерные программы, текстовая, графическая и прочая информация, в том числе может записан звук или видео. В этом отношении DVD-ROM, кроме гораздо большей информационной емкости, ничем не отличается от CD-ROM.
По отношению к возможности записи на диски новой информации их тоже можно разделить на три типа.
Поликарбонат
Полупрозрачн ый информационный слой
Фотополимер
Непрозрачный информационный слой
Фотополимер
Полупрозрачный информационный слой
Поликарбонат
Рис. 12.6. Конструкция диска DSDL
1.	Диски только для чтения.
К ним относятся диски всех трех вышеупомянутых типов в случае, если они изготовлены путем тиражирования в заводских условиях. Изменение записанной на них информации невозможно.
2.	Диски для однократной записи — DVD-R (Recordable).
Как правило, имеют емкость SSSL — 4,7 Гбайт, хотя уже появились диски DVD-R с емкостью DSSL. Запись на них можно производить всего один раз, так же как на CD-R. В зависимости от содержания и способа размещения данных, диск DVD-R после записи приобретает свойства того формата, в котором производилась запись (DVD-Video, DVD-Audio или DVD-ROM) и в дальнейшем может воспроизводиться теми же устройствами, что и одноименные диски заводского производства. Но может и не воспроизводиться. Причин такого явления две.
Во-первых, оптический контраст записи на DVD-R значительно ниже, чем у записи на тиражированном диске, и далеко не все дисководы способны надежно распознавать информацию в таких условиях, то есть все зависит от типа дисковода.
Во-вторых, при подготовке записываемого материала должен быть проведен полноценный премастеринг, включающий в себя формирование всей необходимой для считывания данного формата информации служебного характера. Если подготовка проводилась по какой-нибудь другой программе, то воспроизведение будет возможно только на том дисководе, на котором производилась запись. Или на другом, но с применением той же программы. Ее, кстати, можно записать на том же диске.
3.	Диски для многократной записи.
Их сейчас известно три вида — DVD-RW, DVD+RW и DVD-RAM. Это однослойные односторонние диски и емкость их не превышает SSSL. Запись их так же как и CD-RW осуществляется путем изменения фазового состояния вещества информационного слоя. В качестве такого вещества может использоваться сплав германия, сурьмы и теллура (GeSbTe), который при разогреве до соответствующих температур способен переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Ниже слоя такого вещества располагается отражающий слой. При считывании информации лучом лазера малой мощности отраженный пучок меняет свою интенсивность.
DVD-RW (Rewritable — перезаписываемый). Основной разработчик-фирма PIONEER. Поддержан фирмами JVC, HITACHI, KENWOOD, LG, MITSUBISHI, SHARP. Утвержден консорциумом по DVD. Емкость — 4,7 Гбайт.
DVD+RW. Основной разработчик — PHILIPS. Поддержан фирмами SONY, THOMSON, YAMAHA. Консорциумом no DVD нс утвержден. Емкость — 2,8 Гбайт. Некоторые особенности характера записи DVD+RW позволяют считывать с него информацию только с помощью аппаратов PHILIPS, SONY, THOMSON и YAMAHA.
DVD-RAM (Read Access Memory — память с произвольным доступом). Основной разработчик — Panasonic. Поддержан фирмами HITACHI, TOSHIBA и SAMSUNG. Утвержден консорциумом по DVD. Емкость может быть от 2,8 до 5,2 Гбайт. Это магнитооптический диск, подобный минидиску, поэтому его запись и считывание могут осуществляться только соответствующими устройствами или устройствами, специально адаптированными для этого.
Перезаписываемые диски так же как и DVD-R в случае копирования на них информации с дисков DVD-Video, DVD-Audio или DVD ROM, приобретают свойства того формата, к которому относится эта информация и теоретически должны считываться соответствующими DVD-устройствами. Но, как и в случае с DVD-R, это не всегда так. Оптический контраст записи (разница между интенсивностью отраженного от поверхност и диска света, соответствующего нулям и единицам записанного сигнала) у тиражированных дисков составляет 45...85% («О» — «1»), а у дисков DVD-RW и DVD+RW — всего 18...30% (за 100% здесь принята интенсивность падающего пучка). Те дисководы, которые не рассчитаны на воспроизведение записей с таким контрастом (в их число входят все дисководы первых поколений), конечно же считывать реверсивные диски не смогут.
Что же касается DVD-RAM, то они имеют еще меньший контраст — 12...25%. Кроме того, в силу характера магнитооптической записи, для ее воспроизведения требуется несколько иная конструкция оптической головки.
Как говорилось выше, все диски DVD имеют защиту от прямого копирования, что не позволяет осуществлять их перезапись в цифровом виде. Поэтому подготовку информации для записи (премастеринг) придется проводить с помощью имеющихся в наличии средств — DVD-рекордера или компьютера с приводом DVD-RW (или другого типа). Как следствие, организация записанного материала может отличаться от той, которую «понимает» DVD-плейер и воспроизведение может стать невозможным именно по этой причине.
Как уже отмечалось, по характеру записанной информации диски DVD делятся на три типа: DVD-Video, DVD-Audio и DVD-ROM, причем последний отличается от CD-ROM только гораздо большей емкостью. Два других типа, в отличии от их аналогов формата CD, предполагают совершенно иное качество материала. Имеет смысл рассмотреть их более подробно.
12.1.3.	DVD-Video
Этот тип диска DVD, как следует из его названия, является носителем видеопрограмм. Программы, записанные на нем, имеют высочайшее качество, приближенное к вещательному. Кроме того, благодаря большому объему содержащейся на диске служебной информации, проигрыватели DVD-Video обеспечивают пользователю невиданное ранее количество разнообразных сервисных возможностей.
Видеоинформация, в том числе субтитры и прочие графические элементы изображения, записываются на диск, как правило, с использованием технологии сжатия данных по стандарту MPEG2. Такая технология предполагает неравномерность скорости потока информации, считываемой с диска. В процессе воспроизведения скорость потока зависит от динамики видеосюжета — если в кадре много движения, то скорость потока увеличивается, если картинка статична или в ней мало движения, то снижается. Средняя скорость общего потока данных (видео, звук, субтитры и пр.) — 4,69 Мбит/с. Максимальная же может достигать 9,3 Мбит/с. Разрешение видеоизображения при таком способе сжатия получается 720 пикселей на 480 строк, а продолжительность фильма, который можно записать на один информационный слой диска — до 135 минут.
Кроме того, видеоизображение может быть записано со сжатием по стандарту MPEG1, который предполагает фиксированную скорость кодирования потока данных. Картинка при этом получается менее качественной, с разрешением всего 352 пикселя на 240 строк.
Одной из экзотических особенностей DVD является то, что пользователь может рассматривать происходящее на экране телевизора в нескольких различных ракурсах, свободно переходя от одного к другому по своему усмотрению. Для этого ему достаточно нажимать кнопку «Изменение угла зрения» на пульте дистанционного управления проигрывателем. Такая возможность обеспечивается за счет того, что фильмы для записи на DVD снимаются несколькими камерами, видеопотоки от которых мультиплексируются и записываются на диск. Число камер может быть от одной до девяти. Здесь все зависит как от замысла режиссера, так и от продолжительности фильма. Если фильм длинный и его продолжительность приближается к максимальной (135 минут), то суммарная скорость потока данных, который получается при совмещении нескольких видеопотоков и потока звуковых данных, может оказаться настолько большой, что превысит возможности системы DVD. Тогда количество ракурсов придется ограничить. Если же фильм достаточно короткий, то число
ракурсов определяется только возможностями съемки и замыслом режиссера. Следует отметить, что при одновременной записи видсопотоков от большого количества камер, максимальную скорость данных внутри каждого из них приходится ограничивать и качество изображения получается несколько хуже. Тем не менее, оно все еще остается достаточно высоким.
Еще одной особенностью DVD является то, что фильмы здесь можно смотреть в двух вариантах — в стандартном формате с соотношением сторон 4:3 и широкоэкранном — I6 9. Записывается на диск один вариант— стандартный 4:3. Но декодер MPEG2 может трансформировать изображение в широкоэкранное.
Очень примечательно звуковое сопровождение фильмов на DVD-Video. Оно может быть в четырех вариантах.
Первый соответствует стандарту CD-Audio, а если уж быть точным, то стандарту R-DAT — I6 бит/ 48 кГц. Компрессия здесь не используется. С точки зрения качества — это самый лучший вариант. Записанный таким способом звук может быть перекодирован в объемный по системе Dolby Surround. Но это зависит от того, предусмотрена ли такая система перекодирования в конкретной модели проигрывателя, что совсем не обязательно.
Второй вариант — многоканальный звук по системе Dolby Digital (АС-3). Этот вариант обеспечивает шесть звуковых каналов — пять основных (передние — правый, центральный и левый; задние — правый и левый) с полосой частот 3...20000 кГц и один дополнительный — низкочастотный с полосой 3...120 Гц. Такая система известна как 5,1-канальная. Разрешение здесь может быть от 16 до 24 разрядов при частоте дискретизации 48 кГц, но со сжатием. Поскольку воспроизведение такого звука предполагает наличие в проигрывателе соответствующего декодера, а также соответствующего усилителя и акустических систем, то предусмотрено его преобразо-вание в Dolby Surround, когда эффект объемного звучания достигается с помощью только двух акустических систем. Если же нет и такого декодера, то звуковое сопровождение будет обычным — моно или стерео.
Третий вариант — с использованием компрессии по стандарту MPEG1 Audio либо по стандарту MPEG2 Audio. Последний позволяет перекодировать звук как в Dolby Digital, так и в Dolby Surround. Но это также зависит от наличия в проигрывателе соответствующих транскодеров. Такой вариант звукового сопровождения чаще всего используется в Европе.
И, наконец, четвертый вариант — это также шестиканальный (5,1-канальный) цифровой объемный звук мастер-класса в стандарте DTS (Digital Theatre Systems). Этот вариант — самый лучший с точки зрения
эмоционального восприятия — до недавнего времени был редкостью на дисках DVD, поскольку кодирование звукового материала по стандарту DTS Digital Surround осуществлялось только в центральной студии компании Digital Theatre Systems. После того, как сотрудничающая с ней компания Sonic Solutions начала оснащать свои системы подготовки DVD Sonic Studio HD и DVD-Creator новым процессором Sonic HDSP для DTS-кодирования, внедрение технологии DTS стало доступным для тысяч студий во всем мире и диски DVD с этим вариантом звука перестали быть редкостью.
Что же касается речевого сопровождения, то оно может быть записано на восьми языках (хотя может быть и меньше). Пользователь может выбрать любой из них по своему усмотрению.
Кроме того, изображение может сопровождаться субтитрами на 32-х языках мира, в том числе самых экзотических. Пользователь также может выбрать один из них или убрать титры с экрана. Для этого на пульте ДУ предусмотрены кнопки «Субтитры. Вкл./Выкл.» и «Изменение субтитров». Однако, количество каналов речевого сопровождения, так же как и каналов с субтитрами, зависит только от желания создателей фильма и их может быть гораздо меньше и даже может не быть совсем.
Еще одной новинкой, использованной в системе DVH-Video, является так называемый «родительский код». Этот код не позволяет детям до определенного возраста просматривать содержимое некоторых дисков или определенных фрагментов на них. Возможность введения «родительского кода» закладывается еще на стадии изготовления диска. Если кодируются фрагменты фильма, то предусматриваются их варианты с более «мягким» содержанием. Родители имеют возможность подтвердить запрет введением своего кода в проигрыватель. После того, как подтверждающий код введен, просмотреть запрещенный материал можно только после введения соответствующего пароля, который могут знать только те, кому его сообщили. В противном случае будет воспроизводиться другой вариант фрагмента, на который запрет не распространяется. Такого рода кодирование нашло своих сторонников в основном в США. В Европе же особым успехом не пользуется.
Обеспечив пользователя широким набором сервисных возможностей, разработчики и производители DVD-продукции вместе с тем создали для него еще и ряд серьезных ограничений. К числу таких ограничений относятся региональное кодирование и системы защиты от копирования.
Как было заявлено с самого начала, целью введения регионального кодирования является защита рынков сбыта видеопродукции путем ограничения импорта. Для этого диски DVD и DVD-проигрыватели снабжа
ются региональным кодом, который позволяет считывать содержимое дисков только аппаратами своего региона. Весь мир поделен на шесть географических зон, каждой из которых присвоен свой код:
1	— США и Канада;
2	— Япония, Западная Европа, ЮАР, Турция и Средний Восток;
3	— Юго-Восточная Азия;
4	— Австралия, Новая Зеландия, Океания и Латинская Америка;
5	— Россия, страны СНГ, Африка, Центральная Азия и Северная Корея;
6	— Китай.
Идея введения регионального кода принадлежит Голливуду и направлена, судя по всему, в первую очередь на защиту своей собственной продукции. Опыт нескольких лет существования DVD показал, что, как и ожидалось с самого начала, такая идея ничего, кроме массы неудобств, пользователю не принесла. Зато производители видеофильмов сполна восспользовались ею в своих интересах, устанавливая цены с большой разницей на одну и ту же продукцию в разных регионах. В Европе и в Японии региональное кодирование успехом не пользуется, поэтому производимые там диски не всегда имеют региональный код, а конструкция проигрывателей DVD позволяет потребителю тем или иным способом обойти это неудобство. Да и сами пользователи научились переделывать свои проигрыватели так, что региональный код перестает действовать. Для этого существует несколько способов, самый надежный из которых состоит в том, что проигрыватель обеспечивается способностью распознавать региональный код диска и автоматически перестраиваться на него. Кроме того, у проигрывателей первого поколения переключатель кодов находится на корпусе под фирменной пломбой. Те из пользователей, для которых расширение возможностей своего аппарата дороже фирменной гарантии, просто взламывают пломбу и ставят его в нужное положение, соответствующее коду диска.
Региональное кодирование можно также обойти, если воспользоваться для воспроизведения диска компьютером с дисководом DVD-ROM, не имеющим региональной защиты. Такие дисководы выпускаются сейчас многими известными фирмами, например: TOSHIBA (дисководы SD-С2002, SD-M1102, SD-M12O2, SD-M12I2), HITACHI (CD-2000, CD-2500. CD-2500BX, CD-3000), Panasonic (SR-8583), PHILIPS (PCA532). SAMSUNG (SDR-430) и другие. Воспроизведение в этом случае должно осушсств-
ляться с помошыо программного декодера, например, Xing DVDPlayer фирмы XING, WinDVD фирмы INTERVIDEO или PowerDVD фирмы CYBERLING и т.д. Такие декодеры тоже имеют региональный код и рассчитаны на воспроизведение дисков только своего региона, однако, при необходимости программный декодер можно просто переустановить, заменив на декодер другого региона. Здесь, правда, следует иметь в виду, что программные декодеры, в отличии от аппаратных, работают за счет вычислительной мощности процессора самого компьютера, и, чтобы качество воспроизведения было хотя бы приемлемым, она должна быть достаточно велика. В операционной системе Windows — не меньше, чем у Pentium II 300, в операционной системе Macintosh — не меньше, чем у G3. Но даже в этом случае могут быть срывы и пропадания изображения — особенно во время динамичных сцен.
Однако, самым главным неудобством для потребителя стали разнообразные системы запрета копирования, с помощью которых производители дисков охраняют свои права, препятствуя размножению видеопрограмм путем их перезаписи. Причем запрет может распространяться не только на прямое цифровое копирование, но и на перезапись в аналоговой форме. Это не говоря уж о том, что проигрыватели DVD конструктивно не имеют цифрового выхода, а DVD-рекордеры — цифрового входа. Так что, даже если бы кода запрета копирования не было, осуществить перезапись в цифровой форме было бы затруднительно.
Одну из систем запрета копирования в аналоговой форме разработала компания MACROVISION. Называется она ACPS (Analog Copy Protection System). Суть се заключается в том, что к видеосигналу, считываемому с диска, подмешивается сигнал помехи, который нарушает синхронизацию в тракте записи DVD-рекордера, из-за чего качество копии получается очень плохим. При ее воспроизведении изображение начинает дрожать, искажаться и терять цвет. В то же время при воспроизведении самого диска (того, с которого делалась копия) сигнал помехи не влияет на качество телевизионной картинки, поскольку присутствует только во время обратного хода луча.
Однако система эта, к счастью для пользователей, очень несовершенна и довольно легко нейтрализуется путем подавления (отсекания) с помощью простых аппаратных средств. Каждый, кто знаком с формой телевизионного сигнала, сам может придумать, как избавиться от такой помехи. Другая система — CGMS (Copy Generation Management System) — позволяет пользователю сделать определенное число цифровых или аналоговых копий, но не
более разрешенного количества. Кроме того, данная система запрещает делать копии с копий. Существует в двух вариантах — CGMS/A (для ограничения аналогового копирования) и CGMS/D (для ограничения цифрового копирования). Коды запрета CGMS записываются в служебную информацию диска DVD и передаются по цифровому интерфейсу (например — IEEE 1394 Fire Wire) при наличии у проигрывателя или дисковода DVD цифрового выхода. Те же коды способствуют формированию сигналов помехи на аналоговом выходе проигрывателя.
Еще одну хитроумную систему — DCPS (Digital Copy Protection System) разработали фирмы SONY, MATSUSHITA, HITACHI и TOSHIBA совместно с фирмой INTEL. Эта система, кроме запрета многократного цифрового копирования, позволяет производителям дисков DVD-Video еще и следить за тем, как пользователи, имеющие разрешение на производство копий, пользуются своим правом. Для этого информация о количестве уже сделанных копий DTCP (Digital Transmission Content Protection) передается по цифровому интерфейсу и записывается на очередной диск-копию. Контролер в любой момент может считать эту информацию с только что записанного диска и таким образом определить, сколько всего сделано копий.
Наиболее надежной же считается система CSS (Content Scrambling System), разработанная производителями дисков DVD-Video для предотвращения их размножения с помощью компьютеров. Принцип ее действия основан на перемешивании определенным образом записанных на диск информационных символов — подобно перемежению, используемому для защиты от ошибок. Проигрыватель (или дисковод компьютера) должен иметь микросхему, которая восстанавливает нужный порядок их следования перед декодированием. С 1999 года такой системой снабжаются все выпускаемые DVD-дисководы. Нейтрализовать такую систему было бы сложно, даже если известен закон перемешивания, ибо схема, реализованная на другой элементной базе, получилась бы достаточно громоздкой. Однако скопировать диск с такой защитой, тем не менее, можно, не расшифровывая его, если снять сигнал непосредственно с демодулятора проигрывателя (дисковода), не размыкая никаких соединений, и подать его на модулятор рекордера, отключив штатный сигнал. Правда, при этом выпадения, присутствующие в потоке считанных данных, перейдут на записываемый диск (поскольку не будет осуществляться их коррекция) и суммируются с дефектами диска-матрицы (или DVD-R, DVD-RW и пр.). Поэтому такая операция имеет смысл только если копируемый диск имеет очень хорошее состояние. Иначе запись получится сильно зашумленной и будет плохо воспроизводиться.
12.1.4.	DVD-Audio
Требования к звуковой версии DVD в общих чертах были сформулированы еще в середине июня 1998 года, однако массовое производство дисков и проигрывателей долгое время сдерживалось из-за неясности ситуации с защитой от копирования.
Основным требованием, обеспечивающим сверхвысокое качество звуковых программ, записанных на DVD-Audio, является использование линейного кодирования материала (без компрессии) со следующими характеристиками:
Частота дискретизации, кГц......44,1; 88,2; 176,4 и 48; 96; 192
Разрядность квантования, бит.... 16, 20, 24
Число независимых каналов.......от 1 до 6 (5.1)
Таким образом, даже наихудший из всех возможных вариантов должен обладать качественными показателями, аналогичными CD-Audio (16 бит/44,1кГц). Следовало бы предположить, что наилучшим будет шестиканальный звук (5,1-канальный) с параметрами кодирования в каждом из каналов 24 бита/196 кГц. Однако этот вариант, к сожалению, невозможен, поскольку скорость потока данных, которая потребовалась бы для считывания такого объема информации в реальном масштабе времени должна приближаться к значению 27,6 Мбит/с. Максимальная же величина этого параметра у DVD — 9,6 Мбит/с. Поэтому звук с параметрами 24бит/192 кГц (а также 24 бит/178,4 кГц) возможен только в двух- или одноканальном вариантах (стерео или моно).
Более того, шестиканальное звучание с параметрами 24 бит/96 кГц (скорость потока данных 13,8 Мбит/с) возможно только с использованием специального вида компрессии (все-таки компрессия!) — MLP (Meridian Lossless Packing — упаковка «без потерь», разработанная фирмой MERIDIAN). Правда, этот вид компрессии обеспечивает полное восстановление данных после декодирования — как будто никакой компрессии и не было. Именно поэтому он и допустим в DVD-Audio. Степень сжатия в MLP невелика — объем данных уменьшается всего на 25...55%. Тем не менее, этого достаточно, чтобы данный вариант кодирования можно было воспроизводить в реальном масштабе времени.
Программа с шестиканальным звучанием может быть записана на диск либо по технологии Surround Dolby Digital, либо по технологи DTS (Digital Theatre Systems). Однако с учетом того, что большинство воспроизводящих систем домашнего пользования являются все-таки стереофоническими,
предусмотрено, что в проигрывателях DVD-Audio шестиканальный звук может воспроизводиться как стерео. Для этого аппарат должен включать в себя систему автоматического сведения шести каналов в два. Такая система называется SMART — System Managed Audio Resource Technique (техника системного управления звуковыми ресурсами). В отдельных случаях двухканальный (стерео-) вариант может быть записан на диске вместе с шестиканальным. Тогда проигрыватель должен выбрать воспроизведение именно этого варианта, поскольку всякое автоматическое сведение всегда хуже оригинальной записи, сделанной звукорежиссером. Если же двухканальный вариант отсутствует, то будет воспроизводиться шестиканальный и перекодироваться в стерео с помощью системы SMART.
Учитывая то, что емкость диска DVD-Audio хотя и велика, но не беспредельна, стандартом предусмотрены различные комбинированные варианты с разным разрешением в разных каналах при шестиканальной записи. Наивысший приоритет в таких вариантах отдается правому и левому фронтальным каналам, за ними могут следовать либо центральный, либо задние боковые каналы и, наконец, низкочастотный.
Не так давно стандарт на DVD-Audio был дополнен и теперь он предусматривает возможность записи на диск кроме звукового сигнала еще и элементов видеоинформации — мультимедийного и текстового сопровождения музыки. Таким образом, в будущем, вместе с проигрывателями DVD-Audio и DVD-Video, все большее число моделей будет обладать универсальными функциями, т.е. воспроизводить как диски DVD-Audio, так и диски DVD-Video.
Кроме того, планируется, что проигрыватели DVD-Audio в дальнейшем смогут воспроизводить диски SuperAudioCD с одноразрядным кодированием DSD (Direct Stream Digital). Но об этом — чуть позже.
12.1.5.	Проигрыватели DVD
На рис. 12.7 представлена структурная схема проигрывателя DVD-Video
Сигнал, считанный с диска оптической головкой, поступает на блок предварительных усилителей, после чего из него формируется цифровой код и выделяются импульсы тактовой синхронизации. Кроме того, сигнал с оптической головки поступает на сервопривод, который выделяет и отрабатывает возникающие при воспроизведении диска ошибки фокусировки и автотрекинга.
Рис. 12.7. Структурная схема проигрывателя DVD-Video
Информационный сигнал и тактовые импульсы поступают на демодулятор и блок зашиты от ошибок (декодер CIRC Plus) В качестве модулирующего кода в DVD используется канальный код 8-16 (EFM Plus), который ставит в соответствие каждому байту информации 16-разрядную канальную группу. Соединительные разряды здесь, в отличие от простого EFM-кода, не используются, поскольку устранение постоянной составляющей и соблюдение ограничений на минимальный и максимальный интервалы обеспечивается другими способами — путем выбора одной из нескольких возможных 16-разрядных комбинаций.
После демодуляции (обратного преобразования 16-разрядных канальных групп в исходные байты информационного потока) из него выделяются служебные данные и направляются в центральный процессор, управляющий работой всех систем проигрывателя. А видео- и аудиоданные обрабатываются декодером CIRC Plus, который осуществляет депереме-жение и коррекцию обнаруженных ошибок. Здесь же происходит выделение сигнала управления двигателем, вращающим диск и сигналов блочной, кадровой и прочих видов синхронизации.
После этого информационные данные поступают на систему VBR (Variation Bit Rate), которая управляет потоком данных для видеодекодера MPEG2. Поскольку его работа предполагает неравномерную скорость этого потока, зависящую от динамики видеосюжета, то система VBR выполняет роль буфера, накапливающего в ОЗУ данные, считываемые с диска и передающего их декодеру MPEG2 в ответ на его запрос.
Видеодекодер, кроме того, может работать с данными, компрессированными по технологии MPEG1, которая предполагает постоянную скорость потока данных.
После декомпрессии видеоинформация преобразуется в тот или иной телевизионный формат (NTSC, PAL, SECAM) и поступает на выход проигрывателя (вход телевизора).
Звуковая информация поступает на блок аудиодекодеров (MPEG2, АС-3, DTS), где в зависимости от способа ее представления на диске, технических возможностей проигрывателя и желания пользователя, происходит ее декодирование или перекодирование. Полученная в результате последовательность отсчетов либо преобразуется в аналоговую форму с помощью внутренних ЦАП, либо поступает на выход в цифровой форме для преобразования во внешнем декодере.
Работой всех систем проигрывателя управляет центральный процессор, который, в свою очередь, управляется пользователем либо с пульта
и
дистанционного управления (ДУ), либо с помощью органов управления на передней панели проигрывателя. У DVD-дисководов роль органов управления выполняет соответствующий драйвер компьютера.
К настоящему времени выпущено уже более сотни моделей DVD-проигрывателей — как стационарных, так и переносных, отличающихся друг от друга объемом сервисных функций, способностью декодировать многоканальный звук, количеством оптических головок (1 или 2), совместимостью с другими разновидностями дисков DVD и CD, качеством воспроизводимого изображения и звука и прочими особенностями.
Что касается совместимости с другими носителями, то здесь неукоснительно выполняется только одно условие — все DVD-проигрыватели способны воспроизводить диски CD-Audio и CD-Video. По отношению к CD-R, CD-RW, а также DVD-R м DVD-RW такого требования нет, поэтому чаще всего проигрыватели DVD их не воспроизводят или воспроизводят без гарантии качества. Причем последнее относится только к проигрывателям с двумя головками, одна из которых укомплектована лазером с длиной волны излучения 635/650 нм, другая — с длиной волны излучения 780 нм (как у проигрывателей CD) Как говорилось в главе 9, записываемые диски имеют цветную отражающую поверхность и свет красного лазера DVD-проигрывателя ею частично поглощается.
Структурная схема проигрывателя DVD-Audio показана на рис. 12.8. Она значительно проще схемы проигрывателя DVD-Video и больше похожа на схему проигрывателя CD-Audio. Работа ее понятна без пояснений.
12.2.	SuperAudioCD (SACD)
Формат цифровой звукозаписи SACD является детищем тандема SONY/PHILIPS и разрабатывался этими авторитетными фирмами в качестве альтернативы звуковой версии формата DVD — диска DVD-Audio.
Формат SACD коренным образом отличается от всех прочих цифровых звуковых форматов (CD, DAT, MD, DVD-Audio) тем, что запись материала на носитель здесь производится не в форме линейных ИКМ-отсчетов, а в виде непрерывного цифрового потока, полученного путем одноразрядного квантования аналогового звукового сигнала со скоростью 2,8224 МГц. Следует заметить, что технологии одноразрядного квантования используются сейчас и для преобразования звука в других форматах.
однако там полученный одноразрядный поток в конце концов все-таки приводится к последовательности многоразрядных отсчетов (16-, 20-, 24-разрядных) и в дальнейшем все операции по формированию потока данных перед записью на носитель производятся уже с ними. В формате SACD ничего подобного не делается. Полученный в результате квантования цифровой поток так и записывается на носитель со скоростью преобразования 2,8224 МГц. К нему только добавляется необходимая служебная и синхронизирующая информация. Такая технология названа разработчиками Direct Stream Digital (DSD).
В результате, извечный враг цифровой звукозаписи — шум квантования — так и остается в своей наиболее «безопасной» форме с частотой первой гармоники 2,8 МГц и легко отфильтровывается (точнее, перемещается в область неслышимых частот) при воспроизведении записи, не требуя для этого сложных аппаратных средств.
Вследствие этого технические характеристики SACD отличаются очень высокими показателями, а проигрыватели — простотой реализации. Динамический диапазон и отношение сигнал/шум в звуковом диапазоне достигают 120 дБ и выше, а амплитудно-частотная характеристика получается линейной, вплоть до частоты 100 кГц. Хотя здесь надо сделать оговорку — такая характеристика отнюдь не означает, что отношение сигнал/шум в 120 дБ сохраняется до 100 кГц.
С целью скорейшего продвижения SACD на рынке его создатели предусмотрели совместимость нового диска с проигрывателями CD. Для этого на диске SACD, кроме версии материала в форме DSD, записывается еще и версия того же материала в обычном формате CD-Audio Red Book. Одним словом, диск SACD может воспроизводиться на любом из существующих ныне CD-проигрывателей или CD-дисководов. Такая совместимость заложена в конструкции диска SACD. Неясно, правда, зачем владельцу обычного CD-проигрывателя покупать дорогой диск SACD, если он все равно нс сможет услышать его «более дорогое» звучание? Но это уже, видимо, вопрос философский.
12.2.1.	Диск SACD
Размеры диска SACD такие же, как у CD и DVD — диаметр 120 мм, толщина 1,2 мм. Физическая структура его представляет собой нечто среднее между обычным диском CD и односторонним двухслойным DVD (SSDL) (рис. 12.9).
Рис. 12.9. Конструкция диска SACD
Так же как диск DVD, он состоит из двух склеенных вместе подложек толщиной 0,6 мм каждая. Так же как у диска SSDL, внешняя (для считывающего луча) подложка содержит в себе полупрозрачный информационный слой высокой плотности (4,7 Гбайт), образованный путем напыления тончайшей пленки золота. Этот слой является носителем данных DSD и считывается оптической головкой с числовой апертурой 0,6 лучом лазера с длиной волны излучения 650 нм. Однако, второй информационный слой с непрозрачным алюминиевым покрытием располагается не вблизи места склейки подложек (как у диска SSDL), а у противоположной поверхности — той, которая покрыта защитным слоем из прочной пластмассы. Этот информационный слой содержит в себе версию материала в стандарте CD-Audio (16 разрядов при частоте дискретизации 44,1 кГц) и доступен только для считывания оптической головкой обычною CD-проигрывателя или дисковода с числовой апертурой 0,45 и длиной волны излучения лазера 780 нм. Расстояние от этого слоя до внешней поверхности диска получается таким же, как и у CD — около 1,2 мм. Таким образом достигается полная совместимость как дисков, так и проигрывателей CD и SACD.
Информационный слой DSD позволяет записать на нем до 74 минут музыки в стереозвучании или с использованием технологии сжатия Direct Stream Transfer, разработанной фирмой PHILIPS, к стерсоварианту добавляется еще и шестиканальный вариант (чаще всего — SDDS — SONY Dinamic Digital System).
Информационный слой CD Red Book содержит версию того же материала, полученную путем понижения частоты дискретизации в 64 раза с помощью разработанного фирмой SONY алгоритма Super Bit Mapping Direct. Может, конечно, присутствовать и оригинальная запись, изначально сделанная в формате CD-Audio.
12.2.2.	Защита от копирования в SACD
Для защиты материала, записанного на диск SACD, от копирования разработчики предусмотрели так называемую систему PSP — Pit Signal Processing. Суть ее заключается в следующем.
В процессе изготовления мастер-диска к потоку данных подмешивается специальный идентификационный сигнал, который записывается на диск.
Кроме того, ширина записываемых пит модулируется по определенному закону, создавая дополнительную степень защиты информации. Причем этот вид защиты невозможно скопировать никаким известным способом. Оба вида защиты находятся во взаимном соответствии и дополняют друг друга. Такое соответствие проверяется специальным анализатором проигрывателя SACD. Если оно отсутствует, что неизбежно произойдет при перезаписи, то выход проигрывателя блокируется.
12.3.	Сравнительная оценка DVD-Audio и SACD
Что касается субъективных оценок звучания DVD-Audio (24/96) и SACD, то оба формата настолько совершенны, что трудно однозначно определить, который из них лучше. Здесь все зависит от условий прослушивания и от конкретного содержания музыкального материала. Каждый из форматов имеет своих сторонников и своих противников. Поэтому единственное, что можно заметить, если прослушать один и тот же материал, так это то, что есть разница. Но какой из вариантов лучше, сказать трудно. Как кому покажется.
Более того, если прослушать один и тот же материал в одних и тех же условиях с обычного CD и, скажем, с диска DVD-Audio с разрешением 24/96 кГц, то разницу можно заметить только при непосредственном
сравнении, когда после прослушивания CD тут же прослушивается DVD. Конечно, звучание DVD более прозрачно и детализированно. Но если слушать то и другое в разных условиях, в разное время и не зная, что это — CD или DVD, то разницу заметить будет очень трудно.
Одним словом, цифровая звукозапись уже с появлением CD вплотную подошла к тому рубежу, за которым дальнейшее улучшение технических характеристик, в сущности, мало что дает. Разницу можно заметить только при наличии воспроизводящего комплекса, состоящего из компонент очень высокого класса. Только для такой аппаратуры оптимальным можно считать разрешение порядка 24/96 кГц или 24/192 кГц. Дальнейшее улучшение ухо все равно уже не оценит. А в обычных домашних условиях прослушивания качества CD более, чем достаточно.
Гораздо большее эмоциональное воздействие на слушателя оказывает не повышение разрешения, а увеличение числа каналов воспроизведения. Панорамный 5,1-канальный звук в формате Dolby Digital (АС-3) или Digital Theatre Systems (DTS) даже при разрешении 16/48 кГц существенно выигрывает в сравнении с любым двухканальным — хотя бы и с разрешением 24/192 кГц. Так что достигнутые на сегодняшний день технические характеристики цифрового звука (при условии, конечно, высокопрофессиональной записи музыкальных программ и такой же высокопрофессиональной разработке аппаратуры звукозаписи и звуковоспроизведения) вполне достаточны для удовлетворения потребностей в качестве человеческих органов слуха, усилия имеет смысл направить на увеличение информационной емкости носителей, которая хотя и весьма велика, но все еще очень далека от предельно возможной.
IB________
13.1	.Форматы компакт-дисков повышенной емкости
13.1.1.	Компакт-диск двойной плотности DDCD
Еще летом 2000 года компания SONY анонсировала выход новых форматов DDCD и MDLP. Формат MD Long Play (MDLP) является усовершенствованным форматом MD (Mini Disc — «мини-диск»), MDLP-формат позволяет записывать информации вдвое или даже вчетверо больше чем на обычный «мини-диск». В результате продолжительность записи становится равной примерно 5 часам 20 минутам против обычных 74 минут, максимально возможных для MD-формата. Формат MDLP компания SONY позиционирует для любителей записи музыки в домашних условиях, профессиональных музыкантов, слушателей аудиокурсов иностранных языков, а также нынешних покупателей компакт-кассет и MD-дисков.
Формат Double Density CD (DDCD) является новым форматом компакт-дисков повышенной плотности. Разработан он совместно компаниями SONY и PHILIPS. По сравнению с обычным компакт-диском DDCD позволяет хранить вдвое больше информации, то есть вместо 650 МБ — целых 1,3 Гб.
Формат DDCD задуман для всеобщего использования, так как при всех достоинствах «классического» CD-формата он вдобавок еще обладает двойной емкостью. Широкому распространению DDCD способствует тот факт, что для перехода на новую технологию практически не требуется создания новых производственных мощностей. Потому как значительного увеличения емкости удалось достичь «косметическими» средствами, то есть путем незначительных модификаций обычного CD-формата.
Новый дисковый формат подразумевает более узкую дорожку и меньшую длину пита по сравнению с CD-форматом для записи одинакового количества информации (рис.13.1). За счет этого уменьшается площадь, занимаемая информацией. В результате компакт-диск стандартных геометрических размеров позволяет хранить в два раза больше информации.
Рис. 13.1. Схематичное сравнение поверхностей дисков, a) Double Density CD; б) CD
К достоинствам формата DDCD можно отнести усовершенствованный алгоритм коррекции ошибок (CIRC7) и расширенный формат адресного пространства (ATIP). Сравнительные характеристики форматов CD и Double Density CD приведены в табл. 13.1.
Таблица 13.1
Сравнительные характеристики CD и Double Density CD
Параметр	CD	DDCD
Емкость диска	650 Мбайт	1,3 Гбайт
Количество бит на сектор	2048	2048
Длина волны луча считывающего лазера, нм	780	780
1 Геометрические размеры диска диаметр, мм толщина, мм	120 1,2	120 1,2
Ширина дорожки, мкм	1,е	1.1
Минимальная длина нита, мкм	0,833	0,623
Скорость считывания дорожки, м/с	1,2-1,4	0,9
Алгоритм коррекции ощибок	CIRC	CIRC7
Модуляция	EFM	EFM
Компания SONY пошла на встречу крупнейшим производителям аудиовидеопродукции и включила в спецификацию DDCD специальный механизм защиты от несанкционированного копирования.Что касается остального, то формат DDCD во всем является наследником своего предшественника. Также как и обычный компакт-диск, DDCD представлен в трех видах: диски только для чтения (DDCD-ROM), однократно записываемые (DD-R) и перезаписываемые (DD-RW) диски.
Технология Double Density CD пушена в серийное производство, и уже сейчас можно прибрести как сами DD-диски, так и их проигрыватель. Одним из пионеров среди DD-проигрывателей стала модель SONY Spressa CRX200E/A1 с интерфейсом IDE (рис. 13.2). Обычный CD-плейер для DD-дисков не годится.
Параметры SONY Spressa CRX200E/A1 проигрывателя следующие:
♦	максимальная скорость записи дисков DD-R и CD-R равна 12х;
♦	максимальная скорость записи дисков DD-RW и CD-RW равна 8х;
♦	максимальная скорость считывания составляет 32х;
*	средняя скорость доступа равна 150 мс;
♦	объем буфера — 8 Мбайт;
♦	розничная цена на начало 2002 года — 180 долларов.
Все продукты, использующие технологию Double Density CD имеют соответствующий логотип, показанный на рис. 13.2.
DD ПСОМРАСТ
Rewritable
Рис. 13.2. Логотип Double Density CD
13.1.2.	Технология многоуровневой записи MultiLevel Recording
В ответ на разработки SONY, компания TDK недавно предложила свой формат компакт-диска высокой плотности MultiLevel Recording. Технология, разработанная для TDK фирмой CALIMETRICS, позволяет увеличить объем хранимой на компакт-диске информации в три раза. Это составляет более 2 Гб.
Основа технологии MultiLevel Recording заключается в многоуровневом принципе записи. Как известно на обычном компакт-диске данные кодируются питами. Длина пита характеризует количество единиц двоичного кода, длина интервала между питами — количество нулей двоичного кода (рис. 13.3). Розработчики CALIMETRICS предложили использовать для записи данных не только длину питов, но и их глубину. Теперь пит единичной длины может принимать значение не только 1, но также 2, 3, 4, 5, 6 и 7 (рис. 13.4).
0	110	0	10
Рис. 13.3. Разрез стандартного компакт-диска
0	1	7	3	5	2	0
Восьмиуровневая поверхность
ML-диска
Рис. 13.4. Разрез ML-диска
Отраженный луч считывающего лазера в зависимости от глубины пита создает свой особый сигнал. Распознает эти сигналы специальный чипсет, встроенный в проигрыватель компакт-дисков. В результате использования глубины удается записать больше информации на единицу площади. Что кроме всего остального позволяет значительно увеличить скорость считы-вания/записи данных. И действительно, скорость записи на ML-диски составляет Збх, а считывания до 90х и более. Также как и в случае с Double Density CD переход на диски ML не требует создания дополнительной производственной инфраструктуры. По уверениям разработчиков вполне достаточно вставить небольшую схемку в обычный CD-проигры-ватель, чтобы он смог поддерживать ML-диски. Это уже на самом раннем этапе означает относительную дешивизну и доступность технологии MultiLevel Recording.
Таким образом, на сегодняшний момент в тираж выходят два формата компакт-дисков высокой плотности. Double Density CD от компании SONY и MultiLevel Recording от компании TDK. Успех того или другого из них зависит от прозорливости менеджеров данных компаний. Оба формата призваны занять промежуточное положение между обычным CD и DVD.
13.2	. Многослойные оптические диски FMD
Настоящим прорывом в технологии записи информации следует считать разработку американской фирмой C3D трехмерного флуоресцентного дискового носителя. При этом запись осуществляется не только по площади диска (двухмерная запись), но и по его глубине на нескольких слоях. Ограничивающим фактором обычной двумерной записи является то, что ее невозможно реализовывать при наличии более чем двух информационных слоев. Начинают сказываться интерференция, рассеяние, шумы, перекрестные помехи, которые возникают из-за того, что падающий и отраженный пучки имеют одну и ту же длину волны и являются когерентными. При увеличении числа слоев полезный сигнал уже невозможно будет отделить от шумов.
Трехмерный диск фирмы C3D использует принципиально иную технологию записи информации, основанную на свойстах излучения флуоресцентных материалов и допускает наличие очень большого числа слоев (рис. 13.5).
FM-диск является абсолютно прозрачным и не имеет отражающего слоя. В основе работы флуоресцентных дисков лежит явление фотохромизма, которое заключается в изменении физических свойств (в частно-
сти появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазера. В наибольшей степени подобным свойством обладают вещества из группы фульгидов (рис. 13.6), которые были открыты и изучены советскими учеными еще много лет назад. Наиболее подходящим представителем данной группы веществ является фотохром.
Рис. 13.6. Общая формула веществ группы фульгидов
R = Aik, Ar, Het
R,=H, Aik. Ar
R2= R3 = Aik, Ar
Сам FM-диск представляет собой слоеный пирог, каждый слой которого является прозрачным и имеет спиральные канавки (по аналогии с обычным компакт-диском их можно назвать питами), заполненные флуоресцентным материалом. При возбуждении такого материала лазерным лучом он начинает излучать как когерентный, так и некогерентный свет. Информация записывется только некогерентным светом. При считывании возбужденный фотохром излучает свет, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину (в пределах 30...50 нм), что позволяет легко различить сигнал лазера и свет, излучаемый материалом диска. В результате удается избежать ухудшения характеристик сигнала из-за явлений, связанных с когерентностью, и его качество при увеличении числа слоев снижается незначительно. Разработчики утверждают, что даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильного искажения сигнала
При считывании лазер фокусируется на определенном слое и возбуждает его флуоресцентные элементы (рис. 13.7), после чего это свечение улавливается фотодетектором. Согласно теоретическим выкладкам, при использовании синего лазера (480 нм) становится возможным увеличение плотности записи информации до нескольких Тбайт на один FM-диск.
Рис. 13.7. Принцип работы FM-диска
Важная особенность формата FMD заключается в возможности параллельного считывания сразу с нескольких слоев многослойного диска. При этом, если записывать последовательность бит не вдоль дорожки, а вглубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки данных. Именно за эту особенность FM-диски и прозвали «трехмерными».
Что касается технологии производства FMD, то здесь очень много сходства с производством обычных компакт-дисков. Из прозрачного поликарбоната отдельно изготовляются информационные слои, которые затем связываются между собой. Единственное что очень важно при производстве FM-диска, так это получение точной формы пита, так как в дальнейшем он заполняется флуоресцентным веществом. Для этих целей используется никелевая матрица (штамп).
Для производства FMD используются две стандартные технологии: метод горячего тиснения и метод фотополимеризации. Метод горячего тиснения заключается в изготовлении каждого слоя путем прессовки поликарбонатной заготовки двумя штампами при высокой температуре. Полученные таким образом слои, несут информацию на обоих своих поверхностях (см. рис. 13.8). После этого осуществляется заполнение питов флуоресцентным материалом. Затвердевшие слои затем под дарением спрессовываются.
Второй метод состоит в том, что многослойный диск складывается из отдельных слоев, каждый из которых несет информацию только на одной стороне, полученной методом фотополимеризации.
Уже сейчас ведутся активные разработки записываемых FM-дисков. Специалисты C3D предлагают два принципа записи своих дисков' термический и химический.
Рис. 13.8. Схематичный разрез FM-диска, изготовленного грячим прессованием
Термический принцип основан на использовании материала, изначально обладающего флуоресцентным свойством (соответствует значению 1). В процессе записи участки, подпадающие под термическое воздействие лазера, теряют это свойство (приобретают значение 0).
Химический принцип основан на использовании материала не обладающего флуоресцентным свойством. Воздействие записывающего лазера приводит к фотохимической реакции, в результате которой определенные участки наделяются флуоресцентным свойством. Для возбуждения такой реакции достаточно маломощного лазера или обычного светодиода. А лучше светодиодной матрицы: ее использование позволяет осуществлять одновременную запись целого массива информации, что ускоряет сам процесс.
Абсолютно реальной становится возможность создания FM-дисков, часть слоев которых предназначена для чтения, а часть слоев — для записи. Не правда ли замечательно! В рамках технологии FMD возможно создание и перезаписываемых дисков. Для этого предусматривается использование материала, способного переходить из стабильного состояния в состояние подверженное флуоресценции и наоборот.
Что касается широкого применения FM-дисков, то фирма C3D еще в 2000 году демонстрировала 10-слойный диск, с размерами, равными размерам обычного CD (диаметр 120 мм, толщина 1,2 мм), но обладающий емкостью в 140 Гбайт. Сейчас она готова продемонстрировать 100-слой-ный диск емкостью в 1 терабайт. Фирма также сообщает о принципиаль-
ной готовности к выпуску проигрывателей, которые будут способны воспроизводить вместе с флуоресцентными дисками также диски CD и DVD (рис.13.9, 13.10). Благо, что FMD, CD и DVD поддерживают одну и ту же систему распределения данных на каждом слое.
Рис. 13.9. Внешний FM-привод
Рис. 13.10. Модель аудиоплейера на FM-дисках
Допускаю, что кое-кто из читателей уже несколько обескуражен подобным известием. Он только-только собрался стать счастливым обладателем последней модели DVD-проигрывателя, втайне надеясь «блеснуть» им перед своими знакомыми, а вдруг оказывается, что этот «визг моды» уже безнадежно устарел! Обидно получается!
Хочу успокоить такого читателя: внедрение нового носителя, предназначенного для массового применения — вопрос не столько технический, сколько стратегический. И прежде всего — вопрос стандартизации. Чтобы материал, записанный на таком носителе, был совместим с любым воспроизводящим аппаратом, независимо от того, где и кем он произведен, вся система должна быть стандартизована. А чтобы появился международный стандарт, его должны поддержать крупнейшие транснациональные компании. Сейчас полным ходом идет широкомасштабное внедрение DVD. Крупнейшие производители аудио- и видеоаппаратуры уже успели вложить в DVD огромные средства, DVD стандартизован, налаживается производство проигрывателей, наращивается парк видео и звуковых программ, развертывается сеть студий мастеринга и премастеринга. Повернуть всю эту' огромную машину куда-то в сторону не так-то просто. Пока вложенные деньги себя не окупят и нс принесут хорошей прибыли, никто из производителей ни на какие другие новинки отвлекаться не будет. Так что еще по крайней мере лет десять о флуоресцентном диске можно не беспокоиться.
И в заключение — о самом главном. Несмотря на бурный прогресс в совершенствовании дисковых носителей записи, будущее все же не за
ними. Лавры победителя, безусловно, достанутся совсем другому носителю, который пока еще остается в глубокой тени, но там, в этой самой тени, бурно прогрессирует. Это твердотельный объемный носитель. Сейчас к этой категории носителей можно отнести устройства постоянной и оперативной памяти (ПЗУ и ОЗУ), хотя и не только их. Емкость подобных устройств уже достигла таких размеров, когда вполне реально записать часовую музыкальную программу с качеством DVD в блок постоянной памяти, имеющий очень небольшие габариты. Правда, пока это дорого. Стоимость такого носителя будет равняться стоимости нескольких десятков или даже сотен компакт-дисков. Но такие накопители уже широко используются в служебных целях — там, где их стоимость решающей роли не играет. Например, в качестве «черного ящика» для записи информации на борту самолета.
Достоинства твердотельных накопителей очевидны. Записывающие и воспроизводящие устройства для них не нуждаются ни в какой механике. Не нужно, чтобы что-то вращалось, перемещалось, за чем-то следило. Они также не боятся ни тряски, ни ударов, ни вибраций. И размеры их, в принципе, могут быть сколь угодно малыми.
Еще в 1998 году в Дармштадтском техническом университете (Германия) физиком Корнелией Денц демонстрировался голографический способ объемной записи информации в кристалл ниобата лития (LiNbO3) высокой чистоты с внедренными в кристаллическую решетку атомами железа (0,015%).
Кристалл объемом всего 1 см3 может содержать до 1 терабайта информации. Данные содержатся в решетке показателей преломления, которая возникает за счет высвобождения зарядов в местах, содержащих примеси, и изменениях статического электрического поля решетки. Такое состояние кристалла может сохраняться до 1000 лет, однако легко стирается путем равномерной засветки.
Сейчас трудно сказать, когда твердотельный носитель станет массовым. Но то, что в конце концов это произойдет, сомневаться не приходится. И может быть еще при жизни нынешнего поколения молодых людей мечта писателей-фантастов о магическом кристалле, в котором заключена вся мудрость человеческой цивилизации, станет реальностью

Приложение 1
Проигрыватели компакт-дисков
R Фирма	Модель	ЦАП: число бит, В кратность пере- fi дискретизации [	Полоса частот, 1 Гц-кГц	Отношение с/ш, дБ	Коэффициент	' гармонических | искажений, %	Цифровой выход *	Цена, $
DENON	DCD- 1650AR DCD- 1550AR DCD- 1450AR	20-8х 20-8х 20-8х		118 112 112	0.0018 0,0025 0,0025	к, о к. о к. о	820 560 480
JVC	XL-Z232 XL-F254BK XL-F154BK	16-8х 16-8х 16-8х	2-20 2-20 2-20	106 98 98	0,0025 0,0022 0,0022	о	130
KENWOOD	DP 5090	16-8х	4-20	114	0,002	к, 0	220 |
NAKAMICHI	MB-10	16-8х	5-20	too	0,003	к. о	600
PIONEER	PD 107 PD-207		2-20 2-20	98 98	0.003	о о	140 160
SONY	CDP-XB740QS CDP-XE530 CDP-XE330 CDP-XE220		2-20 2-20 2-20 2-20	102 100 100 100	0,0035 0,0045 0,005 0,005	к. 0 о о о	200 760 |
TEAC	CD-P1820 CD-P1120 CD-P1440	16-8х 16-2х 16-2х	5-20 5-20 5-20	100 100 100	0,03 0,03 0.03	о	230 I /60 260 I
TECHNICS	SL-PS7 SL-PG590A SL-PG490A SL-PG390A	MASH MASH MASH MASH	2-20 2-20 2-20 2-20	100 96 92 92	0,0023 0,004 0,007 0,007	о о о о	250 1 /20 //0 I /00
YAMAHA	CDX-596 CDX-496 CDX-396		2-20 2-20 2-20	115 105 105	0.0025 0.003 0.003	к. О о о	3/0 [ 250 200
* К — коаксиальный электрический (SPDIF, RCA, BNC) О — оптический пластиковый (Toslink, EIAJ)
CD-рекордеры
Фирма	Модель	Запись	Воспроизведение			Цена, $
			Полоса частот, Гц-кГц	Отношение с/ш, дБ	Коэффициент гарм. иск., %	
DENON	CDR-1000	CD-R		100	0.003	780 |
	CDR-W1500	CD-R/RW	20-20			850 |
JVC	XL-R5000	CD-R/RW	20-20	94	0,0063	
	DR-17	CD-R/RW	20-20	105	0,003	1600
MARANTS	DR-700	CD-R/RW	20-20	105	0,005	650 |
	DR-6050	CD-R/RW	20-20	100	0,005	690
	DR-6000	CD-R/RW	20-20	100	0,005 ~~	550
ONKYO	DX-RD511	CD-R/RW	5-20	98	0,0056	
PHILIPS	CDR-775	CD-R/RW	2-20	85		500
	CDR-950	CD-R/RW	20-20	90		550 |
	PDR-609	CD-R/RW	2-20	92	0.004	320
PIONEER	PDR-509	CD-R/RW	20-20	108	0,002	430
	PDR-W839	CD-R/RW	2-20	92	0,004	
	RW-800	CD-R/RW				920
TEAC	RW-H500	CD-R/RW	20-20	87	0,007	1100
	RW-H300	CD-R/RW	20-20			1100
YAMAHA	CDR-S1000	CD-R/RW				570 |
Приложение 2
Минидисковые рекордеры
Фирма	Модель	Полоса частот, Гц-кГц	О) а ч it О о	Коэффициент гармонических искажений, %	Цифровой вход *	Цифровые выходы *	Цена, | $
	DMD-1800AL	4-20	110		К, 0x2	о	1150
DENON	DMD-1000	4-20	105		К, 0x2	о	500
	XM-448	5-20	96		0x2		280
JVC	XM-228	5-20	96		0x2		250
	DMF-9020	8-20	110	0,004	К х2, О	к, о	580
KENWOOD	DMF-5020	8-20	105	0,007	К. О	к, о	320
	DMF-3020	8-20	100	0,01	К, О	о	260
NAKAMICH1	MJ-D508	8-20	100		К, О	о	280
	MDS-JA555ES	5-20	108		К, 0x2	к, о	950
	MDS-JA333ES	5-20	106		К. 0x2	к, о	890
SONY	MDS-JE640	5-20	98		к, о	о	360
	MDS-JE440	5-20	96		О		270
	MDS-JE340	5-20	94		к, о	о	270
	MD-8	10-20	103	0,008	О	к, о	1000
TEAC	MD-5	10-20	98	0,008	О	о	520
YAMAHA	MDX-596	10-20	99		0x2	о	320
* К — коаксиальный электрический (SPDIF, RCA, BNC) О — оптический пластиковый (Toslink, EIAJ)
Приложение 3
Проигрыватели DVD-Video
Фирма	Модель	Видеоаыходы	Встроенные аудиодекодеры	Выход цифрового ( звука, бит/кГц	а	Совместимость с дисками CD	Цена, $
ARCAM	DV-88	Композитный, S-Video, RGB	DD AC-3	24/96	CD-A/V/R/RW	1200
DENON	DVD-2500	Композитный, RGB		16/48	CD-A/V	720
NARMAN/ KARDON	DVD-1	Композитный, S-Video, RGB		16/48	CD-A/V	640
KENWOOD	DVF-9010	Композитный	DD AC-3	24/48	CD-A/V	1200
NAD	T-550	Композитный, RGB	DD AC-3	24/48	CD-A/V	720
NAKAMICHI	DVD-10	Композитный	DD AC-3, DTS	24/96	cd-a/v	860
PIONEER	DV-717 DV-525	Композитный, RGB Композитный, RGB		24/96 24/96	CD-A/V/R/RW CD-A/V/R/RW	780 570
PHILIPS	DVD-750	Композитный		24/48	CD-A/V/R/RW	570
SONY	DVP-S725 DVP-S7700 DVP-S9000ES	Композитный, RGB Композитный, S-Video, RGB Композитный, S-Video, RGB	DD AC-3 DD AC-3, DTS	24/48 24/48 24/96	CD-A/V CD-A/V/R CD-A/V. SACD	730 1300 1900
TOSHIBA	SD-9000	Композитный, S-Video		24/48	CD-A/V	1150
YAMAHA	DVD-S795 DVD-S796	Композитный, RGB Композитный, RGB	DD AC-3 DD AC-3	24/96 24/96	CD-A/V/RW CD-A/V/RW	750 550
Проигрыватели DVD-Audio
Фирма	Модель	Совместимость	Характеристика звука			Видеовыходы	।	Цена, $	Примечание
			Отношение с/ш, дБ	Коффициент гармонических искажений, %	Полоса частот, Гц-кГц			
JVC	XV-723D	DVD-Video, CD-A/V	120	0.005	2-20	Композитный, S-Video, RGB	720	Декодеры АС-3, MLP
KENWOOD	DVF-R9030	DVD-Video, CD-A/V	108	0,002	20-20	Композитный	1300	5 дисков
ONKYO	DV-S939	DVD-Video, CD-A/V/R/RW	108	0,011	20-20	Композитный, S-Video, RGB	2600	
TECHNICS	DVD-A10	DVD-Video, CD-A/V	110	0,002	2-20	Композитный, S-Video	1300	Декодер АС-3
Цены на проигрыватели SACD фирмы SONY
Модель	Цена, S	|
SCD-1	4200
SCD-777ES	2500
SCD-555ES	1700
SCD-XB940	700
'	DVP-S9000ES (совмещен с DVD-Video)	1900
№РЕЧШ» А6ЕРШШШК ЮР&ШОИЦШЖЯ 9 ШИП
А
ASM (Anilshock Memory) ... система электронной защиты от ударов, разработанная фирмой MATSUSHITA и используемая ею в своих моделях проигрывателей компакт-дисков (Panasonic Technics).
АС-3 (Acoustic Coding 3) ... система акустической компрессии звука.
ACPS (Analog Copy Protection System) ... система защиты от копирования в аналоговой форме, используемая в технологии DVD. Разработана фирмой MACROVISION.
ATRAC (Adaptive TRansform Acoustic Coding) ... способ компрессии звукового сигнала, используемый в системе Минидиск.
С
CD (Compact-Disc) ... компакт-диск
CIRC (Cross Interleave Reed-Solomon Code) ... система защиты от ошибок, включающая в себя три этапа перемежения данных и два этапа кодирования кодами Рида-Соломона. Используется в формате CD
CCMS (Copy Generation Management System) ... система защиты от копирования дисков DVD
CRCC (Cyclic Redundancy Check Code) ... семейство кодов, обнаруживающих ошибки. Один из таких кодов используется в формате CD-ROM.
CSS (Content Scrambling System) ... система защиты от копирования дисков DVD, основанная на перемешивании информации.
Ш)
DAT (Digital Audio Таре) ... система цифровой магнитной записи звука на ленту.
DCPS (Digital Copy Protection System) ...система контроля копирования дисков DVD.
DD (Dolby Digital) ... технология цифрового кодирования звука, разработанная компанией DOLBY.
DSD (Direct Stream Digital) ... технология одноразрядного преобразования звукового Сигнала, используемая для записи дисков SuperAudioCD.
DSDL (Double Sided Double Layer) ... диск DVD с четырьмя информационными слоями.
DSSL (Double Sided Single Layer) ... диск DVD с двумя информационными слоями, которые требуют двухстороннего считывания.
DST (Direct Stream Transfer) ... технология сжатия цифрового звукового Сигнала, которая используется для записи на диск SACD шестиканального варианта звукового сигнала вместе с двухканальным (стерео). Разработана фирмой PHILIPS.
DSV (Digital Sum Value) ... величина числовой суммы, используемая для минимизации постоянной составляющей при канальном кодировании информационного сигнала по способу EFM.
Перечень аббревиатур, встречающихся в книге
DTCP (Digital Transmission Content Protection) ... способ кодирования информации о количестве сделанных копий, используемый в системе контроля копирования дисков DVD по методу DCPS.
DTS (Digital Theetre Systems) ... способ кодирования шестиканального звука. Название фирмы-разработчика этого способа
DVD (Digitel Versatile Disc) ... цифровой многофункциональный диск.
В
ЕСС (Error Correction Code) ... код коррекции ошибок, используемый в формате CD-ROM.
E-DAD (Erasable Digital Audio Disc) ... система магнитооптической записи звука, разработанная в конце 80-х годов, но не получившая массового распространения
EDC (Error Detection Code) ... код обнаружения ошибок, используемый в формате CD-ROM.
EFM (Eight to Fourteen Modulation) ... канальный код, используемый для модуляции информационного сигнала в формате CD путем замены 8-разрядных символов 14-разрядными.
ESA (Electronic Shock Absorption) ... система электронной защиты от ударов, разработанная фирмой PHILIPS и используемая ею в своих переносных моделях проигрывателей CD.
ESP (Electronic Shock Protection) ... система электронной защиты от ударов фирмы SONY.
в
GF (Galois Field) ... поле Галуа. Так называется множество элементов, в котором определены операции сложения, вычитания, умножения и деления по правилам линейной алгебры. Названы по имени их первого исследователя Эвариста Галуа. Арифметика полей Галуа используется в теории помехоустойчивого кодирования.
и
HD-DVD (High Density Digital Video Disc) ... цифровой видеодиск, один из предшественников DVD. То же, что MMCD и HD-CD.
HD-CD (High Density CD) ... см. выше.
L
LV(Laser Vision) ... аналоговый лазерный видеодиск, предшественник компакт-диска.
№
MASH (Multi Stage Noise Shaping) ... способ кодирования цифрового звукового сигнала с преобразованием спектра шума дискретизации, разработанный фирмой MATSUSHITA.
MD (MiniDisc) ... система магнитооптической записи звука «минидиск». Носитель информации в этой системе.
MLP (Meridian Lossless Packing) ... способ компрессии «без потерь», используемый для записи на диск DVD-Audio шестиканального звука с разрешением 24 бита/96 кГц. Разработан фирмой MERIDIAN.
MMCD(Multi MediaCD) ...см. HD-DVD.
MPEG (Motion Picture Expert Grour) ... рабочая группа, осуществляющая разработку стандартов на компрессию информации о движущихся изображениях.
MP3 (Media Player) ... способ компрессии данных, используемый для передачи звуковой информации по компьютерным сетям. Отличается высокой степенью сжатия.
Цифровая звукозапись. Технологии и принципы
Я
NA (Numerical Aperture) ... числовая апертура считывающего объектива.
NRZI (Non Return to Zero Inverted) ... способ преобразования цифровых данных, при котором  единице соответствует изменение логического уровня сигнала а «нулю» — отсутствие такого изменения.
NTSC (Netlonal Television System Committee) ... система телевизионного вещания, используемая в США и Японии.
р
PAL (Phase Alienation Line) ... система телевизионного вещания, используемая в большинстве стран Западной Европы.
PSP (Pit Signal Processing) ... система защиты от копирования, используемая в технологии SACD
S
SACD (Super Audio CD) ... звуковой компакт-диск co сверхвысоким разрешением.
SBMD (Super Bit Mapping Direct) ... технология понижения частоты дискретизации, разработанная фирмой SONY и используемая в технологии SACD для получения из одноразрядного потока многоразрядных отсчетов.
SDD (Super Density Disc) ... цифровой видеодиск, один из предшественников DVD. То же, что SD-DVD.
SDDS (SONY Dinamic Digital System) ... технология шестиканального звучания, разработанная фирмой SONY.
SD-DVD (Super Density Digital Video Disc) ...то же, что SDD.
SECAM (Systeme Sequentiel a Me moire) ... система телевизионного вещания в России, СНГ и во Франции.
SMART (System Managed Resourse Technique) ... технология автоматического сведения шестиканального звука в двухканальный (стерео).
SSDL (Single Sided Double Layer) ... диск DVD с двумя информационными слоями, считываемыми с одной стороны.
SSSL (Single Sided Single Layer) ... диск DVD с одним информационным слоем.
V
VBR (Variation Bit Rate) ... система регулирования скорости потока данных, поступающих на декодер MPEG2 в проигрывателях DVD.
/шшш
1.	Applied Optics, 1998-2001.
2.	Audio 1998-2001
3.	EBU Technical Review, 1998-2001.
4.	Electronic Design, 1998-2001.
5.	Electronics and Communications in Japan, 1998-2001.
6.	IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1998-2001
7.	IEEE Transactions on Information Theory, 1998-2001.
8.	IEEE Transactions on Magnetics, 1998-2001.
9.	Image Teshnology 1998-2001.
10.	Hi-Fi News, 1998-2001.
11.	JAES, 1998-2001.
12.	Optical Engineering, 1998-2001.
13.	Optical Review, 1998-2001.
14.	Studio Sound, 1998-2001.
15.	Video, 1998-2001.
16.	Тэрэбидзен Гаккайси, 1998-2001.
17.	Эйдо Дзехо Мэдиа Гаккайси, 1998-2001.
18.	Эрэкутороникусу Райфу, 1998-2001.
19.	Звукорежиссер, 1998-2001.
20.	Техника кино и телевидения, 1998-2001.
21.	Ю А. Василевский. Империя DVD. «Леруша». М : 1999.
22.	М. Борн. Э. Вольф. Основы оптики. М.: «Наука», 1973.
23.	Г.С. Ландсберг. Оптика. М.: 1976.
24.	В.А. Никамин Компакт-диски и CD-устройства. СПб. «Лань», 1997.
25.	В.А. Никамин Парадоксы цифрового звучания. СПб. «Лань», 1998.
26.	В.А. Никамин. Форматы цифровой звукозаписи. СПб. «ЭЛБИ», 1998
27.	Проспект фирмы «ТРАКТ», 1999.
СОЛ№ЖАНШ
Предисловие .........................................................  3
Глава 1. История появления компакт-диска...............................5
Глава 2. Принципы цифрового представления звука.....................  13
2.1.	Преобразование акустических колебаний в электрический сигнал.... 16
2.2.	Основные понятия........................................23
2.3.	Принципы работы АЦП и ЦАП...............................33
2.4.	АЦП и ЦАП на основе сигма-дельта модуляции..............44
2.5.	Особенности звучания цифровых фонограмм, обусловленные аналого-цифровым преобразованием............................51
Глава 3. Преобразование звукового сигнала в системе «Компакт-диск» .... 58
3.1.	Система защиты от ошибок................................64
3.2.	Канальное кодирование (модуляция)...................... 74
3.3.	Служебная информация....................................ВО
3.3.1.	Канал Р.......................................   81
3.3.2.	Канал О......................................... 82
Глава 4.	Компакт-диск............................................... 86
Глава 5.	Проигрыватель компакт-дисков............................... 96
5.1.	Оптическая головка......................................96
5.2	Система автофокусировки..............................  110
5.3.	Слежение за дорожкой (автотрекинг).................... 121
5.4.	Выделение цифрового сигнала и импульсов
тактовой синхронизации................................ 127
5.5.	Демодулятор, система автоматического регулирования
скорости вращения диска. Буферная память.............. 131
5.6.	Блок коррекции ошибок. Интерполяция и приглушение...... 139
Глава 6. Влияние качества и состояния компакт-диска на его звучание или что следует иметь в виду при покупке CD......................... 145
Глава 7. Подготовка фонограмм для записи на компакт-диск............ 152
Гпава В. Роль субъективных факторов в оценке звучания аудиоаппаратуры
или	что следует иметь в виду при покупке CD-проигрыаателя... 164
Глава 9. Варианты формата CD ....................................... 168
Глава 10. Как записать компакт-диск с помощью компьютера ........... 180
10.1.	Запись музыкальной программы на жесткий диск компьютера ... 183
10.2.	Перенос фонограммы с жесткого диска на CD-R......... 187
Глава 11. Система магнитооптической записи звука «минидиск».......... 190
11.1.	Физические основы магнитооптической записи........... 191
11.2.	Устройство минидискового аппарата.................... 195
Глава 12. DVD и SuperAudioCD......................................... 198
12	1. Digital Versatile Disc (DVD)....................... 199
12.1.1.	История появления DVD . .	  199
12.1.2.	Конструкция диска DVD..........................204
12.1.3.	DVD-Video......................................210
12 14 DVD-Audio....................................... 216
12.1.5.	Проигрыватели DVD............................. 217
12.2.	SuperAudioCD (SACD)...................................221
12.2.1.	Диск SACD..................................... 222
12.2.2.	Защита от копирования в SACD...................224
12 3.	Сравнительная оценка	DVD-Audio	и SACD ................224
Глава 13. Перспективы развития дисковых носителей информации.......... 226
13.1.	Форматы компакт-дисков повышенной емкости............ 226
13.1.1.	Компакт-диск двойной плотности DDCD........... 226
13.1.2.	Технология многоуровневой записи MultiLevel Recording ... 229
13.2.	Многослойные оптические диски FMD.................... 231
Приложения........................................................... 237
Перечень аббревиатур, встречающихся в книге...........................242
Литература ...........................................................245