Основные принципы записи информации на компакт-диск

Аналоговая информация (речь, музыка и т.п.) записывается на компакт-диск не непосредственно, а после сложной обработки. Вначале непрерывный сигнал переводится в цифровую форму, то есть происходит аналого-цифровое преобра­зование сигнала (рис. 4.15 этом используются две операции. Первая - диск­ретизация - предполагает замену записываемого аналогового колебания Sa(t) (рис. 4.15а) его отсчетами Soтсч(t) (рис. 4.15б), взятыми за очень короткое время и следующими друг за другом со стандартной частотой Fд= 44,1 кГц. Данная ве­личина выбрана не случайно. В соответствии с теоремой Котельникова (или тео­ремой Шеннона), известной из курса радиоэлектроники, для обратимого преоб­разования «непрерывный сигнал - отсчетный сигнал» частота дискретизации Fд должна быть больше удвоенной верхней частоты спектра аналогового коле­бания. Поэтому для аудиосигналов с частотным диапазоном 20 Гц - 20 кГц, применяемых в технике класса Hi-Fi, частота дискретизации выбирается из условия Fд > 40 кГц, которому как раз и удовлетворяет стандартное значение 44,1 кГц.

Вторая операция - квантование, то есть замена мгновенных значений напря­жения отсчетов на ближайшие значения из разрешенной сетки квантования Sц(t) (рис. 4.15в). Уровни квантования отличаются на величину шага Д, каждый из них соответствует определенному коду, записываемому последовательностью нулей и единиц (двоичный код). В результате такой обработки входному аналоговому сигналу ставится в соответствие последовательность цифровых кодов.

Рис. 4.15. Последовательность операций при аналого-цифровом преобразовании сигнала

Точность цифрового представления и ди­намический диапазон обрабатываемых сиг­налов зависят от правильности выбранных параметров. Уменьшение величины кванта Д повышает точность преобразования, но соответственно возрастает и количество воз­можных уровней в сетке квантования, что на­прямую связано с разрядностью N аналого- цифрового преобразователя (АЦП), то есть количеством разрядов (нулей и единиц) кода. Из-за трудностей технического выпол­нения элементов данный параметр обычно ограничен. Кроме того, бесконечное увели­чение разрядности не приводит к посто­янному росту качества воспроизведения аудиосигналов. Считается, что достаточное количество разрядов АЦП для высококаче­ственной записи и последующего воспроизве­дения аудиосигналов - 14. На практике используется величина N = 16. При этом точность преобразования 5 и динамический диапазон D обрабатываемого сигна­ла можно определить по формулам:

Конечная разрядность представления отсчетов непрерывного сигнала в любом случае приводит к некоторому его искажению, которое выражается в так называ­емом шуме квантования, несколько ухудшающем общее отношение сигнал/шум. Таким образом, на выходе АЦП имеется последовательность появляющихся с частотой 44,1 кГц 16-разрядных двоичных кодов отсчетов аудиосигнала. Для та­ких кодов используется термин «слово». Слово может быть разложено на две 8-разрядные половины: старший (С) и младший (М) байт или символ. При запи­си стереофонического аудиосигнала отсчеты левого (Л) и правого (П) каналов оцифровываются по очереди, то есть за словом левого канала следует слово пра­вого, затем опять левого и т.д. (рис. 4.16)Тогда частота следования отсчетов удва­ивается и становится равной 88,2 кГц. Такой порядок преобразования позволяет обеспечить очень высокую степень разделения стереоканалов проигрывателей компакт-дисков - более 90 дБ.

Рис. 4.16. Формирование цифрового потока данных из аналогово сигнала

Чтобы при воспроизведении можно было однозначно восстановить поток ин­формационных данных, слова компонуются в блоки, называемые кадрами. В каж­дом кадре по 12 слов: 6 - для левого канала и 6 - для правого. Частота следова­ния кадров составляет величину FK = 88,2/12 = 7,35 кГц.

По различным причинам, связанным с эксплуатацией компакт-дисков, при считывании возможны ошибки. Для их обнаружения и исправления цифровую информацию подвергают специальному кодированию. Каждое слово данных разделяется на два символа, далее символы перемежаются. Под перемежением понимается перестановка в определенном порядке участков цифрового сигнала, в результате которой он оказывается «разбросанным» по разным местам инфор­мационной дорожки компакт-диска. Это снижает вероятность поражения большо­го фрагмента фонограммы возникшим в одном месте дефектом воспроизведения. В процессе воспроизведения должна быть предусмотрена процедура деперемежения, то есть «обратного сращивания» разбросанных символов.

Следующая операция - кодирование с применением метода перекрестного кон­троля избыточности (CIRC-кодер или кодер Рида-Соломона). В результате в по­ток данных вводится дополнительная информация (четыре проверочных символа), с помощью которой затем по специальному алгоритму можно обнаружить несо­ответствия, возникшие из-за ошибок, и исправить их.

Для повышения эффективности защиты информации используют три переме- жения и два CIRC-кодирования. После добавления проверочных символов дли­на кадра увеличивается до 32 символов.

Далее к каждому кадру данных, несущему аудиоинформацию, прибавляется символ управляющей информации, называемый субкодом. Субкод содержит слу­жебные сведения. В зависимости от структуры служебной информации различа­ют восемь разрядов (каналов) субкода; например, Р-канал отвечает за опознава­ние начала и конца фонограмм, Q-канал содержит данные о номере музыкального фрагмента, продолжительности записи и ряде других параметров. Последователь­ность служебных символов также делится на блоки, частота следования которых в 98 раз ниже частоты информационных кадров и составляет FБЛ = 75 Гц. Структу­ра получаемого таким образом информационного кадра показана на рис. 4.17.

Последний этап обработки сигнала при записи - преобразование 8-разрядных кодов в 14-разрядные канальные коды или EFM модуляция (eight-to-fourteen modulation). Одна из задач такого канального кодирования состоит в устранении длинных последовательностей нулей или единиц в потоке двоичной информации, которые могут привести к сбоям синхронизации и ошибкам при декодировании. При этом общее количество нулей и единиц в потоке становится приблизительно которой связан через усилители схемы управления с электродвигателем приво­да компакт-диска.

Рис. 4.17. Структура информационного кадра

Информационный сигнал, в свою очередь, проходит стадию EFM демодуляции и далее разделяется на поток, содержащий аудиоинформацию, и поток, содержа­щий информацию субкода. Алгоритмы их последующей обработки подробно будут рассмотрены в разделе 4.4.1. Здесь отметим лишь, что при воспроизведе­нии осуществляются операции, обратные процедурам, которым подвергались сиг­налы при записи. Стереосигналы, сформированные в результате такой обработ­ки, для дальнейшего усиления и регулировки поступают в низкочастотный тракт аудиосистемы. Сигналы, получаемые в результате декодирования субкода, ис­пользуются контроллером управления проигрывателя компакт-дисков, который связан с внешними устройствами управления (клавиатурой, системным контрол­лером и т.п.).

Система загрузки служит для установки компакт-дисков в механизм воспро­изведения. В самых простых моделях диск вставляется вручную. Принципы по­строения системы загрузки компакт-дисков различны; все зависит от места установки проигрывателя, способа открывания дископриемника, количества одновременно устанавливаемых дисков и т.п. В любом случае имеется электродвигатель загруз­ки со схемой управления, перемещающий дископриемник (поворотный столик или крышку дископриемника). Схема управления получает информационные сигналы от контроллера проигрывателя. В моделях, где возможна установка несколь­ких дисков одновременно (пакетом или магазином), дополнительно присутствует лифтовый механизм. С помощью электродвигателя он перемещает дископриемник в вертикальной плоскости для выбора заданного диска из пакета. Для этого в схеме предусмотрен соответствующий датчик и счетчик компакт-дисков.