2.4.2 Формат «компакт-диск»

Рассмотрим наиболее известный и распространенный формат CD. При этом достаточно будет обратить внимание только на то, что впрямую влияет на качество звука, не углубляясь в работу систем автоматики, синхронизации и обработки служебной информации.

Вся процедура отображения состоит из трех основных этапов (рисунок 2.57). Первый — это аналого-цифровое преобразование, во время которого непрерывный аналоговый сигнал приобретает вид последовательности 16-разрядных двоичных чисел. Второй — это помехоустойчивое кодирование, защищающее цифровую информацию от воздействия всякого рода искажений. И, наконец, третий этап — это канальная модуляция полученного двоичного потока кодом EFM.

Квадрат с надписью «Блок АЦП» на рисунок 2.57 означает не только само аналого-цифровое преобразование, но и предшествующую ему фильтрацию звукового сигнала фильтрами низких частот (ФНЧ), необходимую для устранения из спектра преобразуемого сигнала всех частотных составляющих выше 20 кГц.

Помехоустойчивое кодирование включает в себя два этапа непосредственно самого кодирования информации кодами Рида-Соломона и три этапа перемежения. Вся эта система в целом носит название CIRC (Cross Interleave Reed-Solomon Code).

Канальная модуляция нужна для того, чтобы преобразовать полученный ранее цифровой поток к виду, удобному для записи на носитель с высокой плотностью и последующего считывания с высокой достоверностью. Код модуляции носит название EFM (Eight to Fourteen Modilation), потому что основан на преобразовании 8-разрядных двоичных групп (символов) в 14-разрядные группы.

Рисунок 2.57 Преобразование звукового сигнала перед записью на носитель

Это что касается процесса преобразования звука перед записью на носитель. При воспроизведении все будет происходить наоборот (рисунок 2.58). Сначала считанный сигнал демодулируется (т. е. преобразуется из 14-разрядной формы в 8-разрядную). Затем производится декодирование помехоустойчивого кода; позволяющее обнаружить и исправить искажения в считанном сигнале. И, наконец, в блоке цифро-аналогового преобразования двоичный поток приобретает форму непрерывного аналогового сигнала, который можно подать на усилитель и услышать звук. Показанный на рисунке 2.58 блок ЦАП также, кроме самого преобразователя цифра/аналог, содержит в себе аналоговые и цифровые ФНЧ и может содержать фильтры передискретизации и модуляторы дельта-сигма.

Рисунок 2.58 Преобразование считанного с носителя цифрового звукового сигнала.

Теперь рассмотрим все это чуть подробнее. Как известно, преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой осуществляется путем кодирования мгновенных значений его амплитуды (отсчетов) 16-разрядным двоичным кодом (см. рисунок 2.59). Тем самым обеспечивается возможность отображения звуковой программы с динамическим диапазоном;

Д=6N+1,8=6х 16+1,8=98 дБ,

где N - число двоичных разрядов, используемых для кодирования.

Отсчеты следуют с частотой 44,1 кГц, которая называется частотой дискретизации.

В формате CD наивысшая частота спектра равна 20 кГц. Таким образом, частота дискретизации 44,1 кГц вполне подходит для целей преобразования такого сигнала.

Поскольку система стереофоническая, то такому преобразованию подвергаются оба стереоканала.

Рисунок 2.59 Преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой при 16-разрядном кодировании.

Затем 16-разрядные выборки обоих каналов делятся пополам на 8-разрядные кодовые символы, и объединяются в одну последовательность (поочередно), каждые 24 последовательных символа образуют один кадр информации. После этого, с целью защиты от возможных искажений при воспроизведении, над ними дважды производится операция кодирования кодами Рида-Соломона и трижды — перемежения.

На каждом из этапов кодирования кодами Рида-Соломона, по имеющимся в пределах одного кадра информационным символам вычисляются по четыре так называемых проверочных символа. Кадр в том случае будет называться кодовым словом. Проверочные символы содержат в себе данные обо всех информационных символах кодового слова и друг о друге. При воспроизведении, с помощью этих символов можно будет установить, достоверны ли символы данного кодового слова. И если это так, и среди них оказались искаженные, то узнать, какие именно и восстановить их первоначальные значения.

В каждом кодовом слове (кадре) таких проверочных символов получается восемь. Значит, вместе с 24-мя информационными всего получается 32.

Перемежение (перемещение символов на другие позиции в цифровом потоке) также является одним из способов защиты информации от искажений. Дело в том, что коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки (коды Рида-Соломона), могут откорректировать не более двух искаженных символов на кадр. А если повреждение будет более или менее длинным, то в один кадр попадет значительно больше ошибок, и исправить их будет невозможно. Если же информацию перед записью перемещать так, чтобы символы одного кадра прераспределились между символами других кадров на достаточно длинном участке дорожки, то даже очень сильное повреждение не сможет испортить более одного-двух символов на каждый кадр. И, после того, как порядок следования будет восстановлен, корректирующие коды легко справятся с такими ошибками.

После выполнения операций помехоустойчивого кодирования и перемежения, к каждому кадру добавляется еще один — 33-й символ. Он является служебным и содержит информацию, необходимую для управления работой проигрывателя. Кроме того, добавляется синхрогруппа, которая определяет границу между соседними кадрами (рисунок 2.60).

После этого полученный цифровой поток модулируется канальным кодом EFМ и записывается на оптический диск с помощью лазера.

На компакт-диске — записанный сигнал имеет вид спиральной дорожки, состоящей из микроуглублений — «пит» — и промежутков между ними. Длина пит колеблется от 0,9 до 3,3 мкм, ширина— 0,6— 0,8 мкм и глубина— 0,1 мкм. Длина промежутков — такая же, как и у самих пит.

Рисунок 2.60 Построение кадра информации.

Шаг дорожки — 1,6 мкм. Питы и промежутки между ними соответствуют «единицам» и «нулям» записанного на диске двоичного кода. При считывании информации лучом полупроводникового лазера, питы рассеивают падающий на них свет, а промежутки — отражают назад в объектив. Разница между интенсивностью попадающего в объектив света при рассеянии на питах и отражении от промежутков соответствует «единицам» и «нулям» цифрового кода.

Информационный слой компакт-диска находится со стороны этикетки, а считывание информации осуществляется со стороны прозрачной основы, т. е. через всю толщину диска, которая составляет 1,2 мм.

Таким образом, записанная информация защищена от повреждений с одной стороны материалом самого компакт-диска, с другой — слоем прочной пластмассы с этикеткой. Поскольку при считывании луч лазера фокусируется только на самой дорожке, то мелкие царапины и пылинки на поверхности диска не особенно влияют на качество воспроизведенного сигнала.

По характеру воздействия на компакт-диск можно выделить три основных фактора:

Первый — это сам носитель информации — диск или лента. Точнее — искажения, обусловленные его качеством и состоянием.

Второй — это механические воздействия на работающее воспроизводящее устройство, а также связанный с ним вопрос устранения влияния неравномерности перемещения носителя (детонации).

Третий — это особенности принципа аналого-цифро-аналогового преобразования и операций, его сопровождающих.