Цифровая запись сигналов

CD и DVD диски

Главным недостатком аналоговой регистрации аудио- видеосигналов является резкое ухудшение качества изображений и звука при перезаписи сигналов. Новые производственные технологии позволили использовать цифровые технологии, улучшить качество хранимой продукции на носителях записи, решить проблему многократной перезаписи, аудио- видеомонтажа при производстве программ на ТРК.

Диски DVD появились в 1996 г., звуковые компакт диски CD в 1982 г.

Запись аудио- видеоинформации на CD-DVD происходит в цифровом виде.

Полученная при АЦП сигналов импульсная последовательность «1» / «0» («да» / «нет») отображается на диске в форме микроскопических углублений (питов) овальной формы. Считывание информации с дорожки записи производится мизерным лучом (рисунок 5.3).

Конструкция компакт-диска состоит из нескольких слоёв: прозрачной подложки, питов, отражательного слоя, базовой поверхности.

Таким образом, слой с рельефными дорожками, несущими информацию, или рабочий слой, оказывается не на поверхности, а внутри диска; от одной внешней поверхности диска он отделён холостым слоем, а от другой – прозрачной подложкой (рисунок 5.4 и 5.5).

В процессах воспроизведения DVD и грампластинки есть некоторое сходство. Роль металлической иглы звукоснимателя при воспроизведении DVD играет острофокусированный луч лазера – «световая игла», взаимодействующая с пиитами дорожки записи. Она попадает на дорожку не сверху, как при воспроизведении грамзаписи, а снизу, через прозрачную подложку. Свет лазера снизу сфокусирован на плоскую базовую поверхность подложки и при отражении от покрывающего её слоя алюминия почти полностью возвращается в объектив лазерной головки.

Рисунок 5.3 Конструкция компакт-диска:

а – вид со стороны прозрачного слоя;

б – вид – сбоку;

в – фрагмент программной зоны

При попадании в пит свет лазера, также отражаясь от слоя алюминия, рассеивается и в объектив возвращается в значительно меньшем количестве (для выходящего и отраженного света используется один и тотже объектив). Таким образом, при вращении DVD и движении «световой иглы» относительно дорожки записи происходит модуляция интенсивности отражённого света. Отражённый, промодулированный световой сигнал улавливается светоприемниками и в виде электрического сигнала поступает в цепи обработке плеера, а затем на кинескоп телевизора или на дисплей компьютера – так функционирует DVD.

Рисунок 5.4 Питы на заготовке DVD:

а – вид сверху на незакрытый участок АВ дорожки записи с тремя выступами на базовой поверхности подложки; б – разрез вдоль дорожки записи по линии АВ. Если смотреть снизу, то выступы являются углублениями – питами по отношению к базовой поверхности

В процесс воспроизведения DVD не изнашивается при взаимодействии со «световой иглой». Кроме того, царапины, пылинки и небольшие потертости на поверхности DVD мало влияют на качество воспроизведения, поскольку могут находиться только на относительно большом удалении (0,6 мм) от фокального пятна – на наружной стороне диска.

В перспективе DVD скоро вытеснят как CD-ROM, так и обычные VHS – видеокассеты.

Рисунок 5.5 Воспроизведение DVD

1 – прозрачная подложка; 2 – пит; 3 – отражательный слой;

4 – холостой или защитный слой

В чём же заключаются различия между DVD и CD? В первую очередь у DVD дисков меньший диаметр углублений, на дорожке они расположены с меньшим «шагом» и самих дорожек на диске гораздо больше. Использование насечек меньшего размера стало возможным благодаря применению лазера с меньшей длинной волны, посылающего более «плотный» луч. В то время как лазер в обычном устройстве CD-ROM имеет длину волны 780 нанометров, устройство DVD использует лазер с длиной волны 650 или 635 нм, что позволяет покрывать лучом в два раза больше насечек на одной дорожке и в два раза больше дорожек. Кроме того, поверхность диска, отведенная для хранения данных, немного больше, чем у CD-ROM; DVD также предусматривает другой формат секторов и более надёжный код коррекции ошибок. Все эти нововведения позволили достичь примерно в семь раз больше емкости дисков DVD, чем традиционных CD.

Но семикратный прирост емкости диска – это далеко не предел. Пожалуй, самое интересное в спецификациях DVD – это возможность создания двухсторонних и двухслойных дисков.

Двухсторонний диск делается просто: так как толщина диска DVD может составлять лишь 0,6 мм (половина толщины обычного CD-ROM), появляется возможность соединить два диска тыльными сторонами и получить двухсторонний DVD.

Технология создания двухслойных дисков чуть более сложна: данные записываются в двух слоях – нижнем и полупрозрачном верхнем. Работая на одной частоте, лазер считывает данные с полупрозрачного слоя, работая на другой – получает данные «со дна».

С пользовательской точки зрения программы и данные записаны на диске в формате DVD-ROM аналогично традиционному CD-ROM. Для считывания таких дисков в компьютере должен быть установлен накопитель DVD-ROM, который внешне похож на привод CD-ROM, использует те же интерфейсы SCSI-2 или IDE (ATAPI) и точно также устанавливается. Причём DVD-ROM может читать и старые CD-ROM, а также воспроизводить звуковые компакт-диски. Однако, не все приводы DVD-ROM одинаковы, и, хотя технология DVD разработана сравнительно недавно, в продаже проходили уже несколько поколений накопителей DVD-ROM.

Все DVD-плееры и компьютерные приводы должны читать двухслойные диски – этого требует спецификация. Все плееры и дисководы также проигрывают двусторонние диски, но, как правило, их надо переворачивать, так как двухголовочных моделей, которые могли бы воспроизводить обе стороны без переворачивания, пока нет, хотя практически все диски ранних выпусков – двусторонние, а двухслойная продукция распространяется только в последнее время.

Для самостоятельно записи DVD-дисков в настоящее время имеются две разновидности: DVD-R – однократно записываемый диск (аналог CD-R) и DVD-RW для многократной, стираемой записи (аналог CD-RW).

Флэш-память

Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически-программируемой флэш-памяти. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они не назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в ёмкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.

Флэш-память – особенный вид энергонезависимой, перезаписываемой полупроводниковой памяти. Рассмотрим подробнее: энергонезависимая - не требующая добавочной энергии для хранения данных (энергия требуется лишь для записи), перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных и полупроводниковая (твердотельная) то есть не содержащая механически передвигающихся частей (как обычные жёсткие диски либо CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip). В различие от многих иных типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не включает конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры.

Ячейка флэш-памяти превосходно масштабируется, что достигается не лишь благодаря успехам в миниатюризации габаритов транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации. Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует аналогично RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM, но в различие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не исчезают. Не смотря на такие отличительные способности Flash-памяти, замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш работает значительно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень продолжительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие крайне позволенные для обычных жёстких дисков). Отметим главные превосходства флеш памяти перед жёсткими дисками носителями CD-ROM. Flash-память потребляет кардинально (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и иных механических носителях информации, великая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства иных механических носителей. Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видеокамеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, МР3-плееры, цифровые диктофоны и т.д.

Blu-ray Disk

Blu-ray Disk, BD (англ. blue ray — синий луч и disk — диск; написание blu вместо blue — намеренное) — формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA. Представлен на международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES), которая прошла в январе 2006 года. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.

Blu-ray (букв, «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине- фиолетового) лазера. Буква «е» была намеренно исключена из слова «blue», чтобы получить возможность зарегистрировать торговую марку, так как выражение «blue ray» является часто используемым и не может быть зарегистрировано как торговая марка.

С момента появления формата в 2006 году и до начала 2008 года у Blu-ray существовал серьёзный конкурент — альтернативный формат HD DVD. В течение двух лет многие крупнейшие киностудии, которые изначально поддерживали HD DVD, постепенно перешли на Blu-ray.

В технологии Blu-ray для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно (635 нм для DVD-R for Authoring).

Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных.

Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера позволяет хранить больше информации на 12 см дисках того же размера, что и у CD/DVD. Эффективный «размер пятна», на котором лазер может сфокусироваться, ограничен дифракцией и зависит от длины волны света и числовой апертуры линзы, используемой для его фокусировки. Уменьшение длины волны, использование большей числовой апертуры (0,85, в сравнении с 0,6 для DVD), высококачественной двухлинзовой системы, а также уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи. Это позволило записывать информацию в меньшие точки на диске, а значит, хранить больше информации в физической области диска, а также увеличить скорость считывания до 432 Мбит/с.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3/25/27 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6/50/54 или 66 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием четырёх и восьми слоев соответственно. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырёхслойного диска объёмом 100 Гб.

Выводы

Развитие цивилизации связано в первую очередь с накоплением данных, информации и необходимостью обмена этой информацией. Если сравнивать электронные и бумажные носители, то первые выигрывают. На обычный DVD диск поместится огромная библиотека. Доходит информация в электронном виде до любой точки планеты практически мгновенно, ее гораздо проще хранить и обрабатывать, чем информацию записанную в другом виде. Преимущества неоспоримы, но привычное нам сейчас было не всегда. Электронные носители информации прошли достаточно сложный этап эволюции. Как и в любом развитии были и удачные решения и неудачные, есть реликты которые, не смотря на практически полное несоответствие современным требованиям, существуют до сих пор. Наиболее распространенные носители на сегодняшний день это DVD диск , флеш - память, HD – диск.

Вопросы для самоконтроля

1. Поясните принцип записи на магнитную ленту.

2. В чем преимущество цифровой записи перед аналоговой?

3. Поясните принцип записи на CD и DVD диски.

4. Чем отличаются CD и DVD диски друг от друга?

5. Каким образом происходит считывание информации с CD и DVD дисков?

6. Какие преимущества у DVD дисков перед CD дисками?

7. Дайте определение флеш-памяти.

8. Какие преимущества у флеш-памяти перед CD и DVD дисками?

9. Дайте определение Blu-ray Disc.

10. Какова емкость Blu-ray Disc?