Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Рис. 10.9. Расположение дорожек на магнитной ленте при цифровой записи по формату D-1

1 – монтажная звуковая дорожка; 2 – дорожка управления; 3 – дорожка временного кода

Расположение дорожек видеозаписи по форматуD-1 представлено на рис. 10.9 [3]. На магнитной ленте под углом q = 5°24¢02¢¢ к базовому краю расположены строчки записи шириной40 мкм (защитный промежуток 5 мкм), на которых записываются видео- и звукоданные. Кроме наклонных строчек на магнитной ленте имеются три продольные дорожки для записи вспомогательных сигналов. Каждая наклонная строчка записи с видео- и звукоданными (программная дорожка) содержит видеосектор, четыре звукосектора, размещенные в центральной части магнитной ленты, и затем снова видеосектор.

Одно поле изображения и соответствующее ему звуковое сопровождение записываются на 12 строчках записи, на которых расположены 24 видеосектора, образующие 6 сегментов и 48 звукосекторов, образующих 3 сегмента (в цифровой видеозаписи наличие сегментов на воспроизводимом ТВ изображении незаметно). Организация секторов программной дорожки производится следующим образом. Сначала записывается первый сектор с видеоданными. Каждый видеосектор содержит преамбулу с синхрословом и словом опознавания, блок данных фиксированной длины, постамбулу с синхрословом и словом опознавания – всего 21 746 байт. Каждой строке ТВ изображения (активной ее части) соответствует 1440 байт, из которых 720 байт составляет яркостный сигнал EY, а 360 байт – сигнал цветности (два цветоразностных сигнала EB-Y и ER -Y ).

Видео- и звуковые данные перед записью подвергают обработке для защиты от ошибок. Коррекция ошибок производится на основе каскадных кодов. При этом в сигналы вводится некоторая избыточность, и скорость записываемого цифрового потока составляет 227 Мбит/с.

Однако на практике массового появления цифровых видеомагнитофонов с форматом записи D-1 не произошло из-за очень высокой стоимости. Наибольшее применение получил другой формат цифровой видеозаписи – D-2. Особенностью формата D-2 является видеозапись композитного сигнала, соответствующего цветному ТВ изображению. В этом случае запись ТВ сигналов осуществляется на магнитную ленту шириной 19 мм. Строчки записи наклонены к базовому краю ленты под угломq = 6°8¢ и содержат один видеосектор длиной 135,4 мм и четыре звукосектора. Запись осуществляется четырьмя видеоголовками, расположенными на барабане, который вращается со скоростью 75 об/с. Скорость движения ленты составляет 131,7 мм/с.

Формату цифровой видеозаписиD-2 присущи те же недостатки, что и системам цветного ТВ с передачей композитных сигналов(PAL, NTSC, SECAM). Это в первую очередь перекрестные искажения между сигналами цветности и яркости.

10.4.Оптическая запись электрических сигналов на компакт-диски

Физические основы оптической записи звуковых сигналов на диски. В последние годы все большее распространение в профессиональной и бытовой звукотехнике приобретает оптическая запись звуковых сигналов в цифровой форме. В упрощенном виде конструкция оптического диска при записи звуковых сигналов представлена на рис. 10.10. На поверхности прозрачного пластмассового диска диаметром 12 см, толщиной 1,2 мм, который играет роль защиты информационного слоя от механических воздействий, формируются маленькие углубления, называемые питами. По спиральной линии последовательно располагаются питы разной длины. При записи используются девять значений длин. Если минимальную длину пита принять за

Рис. 10.10. Конструкция цифрового компакт-диска в разрезе

1 – прозрачный пластиковый диск; 2 – отражающая металлическая пленка; 3 – непрозрачный защитный слой

3 единицы, то размерный ряд будет следующим: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. При скорости записи1,25 м/с длины пит соответственно равны: 0,87; 1,16; 1,45; 1,74; 2,02; 2,31; 2,6; 2,89; 3,18 мкм. Выбор такой сово-

купности длин отдельных пит обусловлен способом модуляции, используемым для записи цифровых звуковых сигналов на компакт-диски [4].

Расположенные в ряд питы образуют дорожку записи. Расстояние между соседними дорожками в оптическом диске равно1,6 мкм, что соответствует примерно 625 дорожкам на 1 мм. Стандартный ком- пакт-диск с центральным отверстием диаметром 15 мм имеет ограниченную зону записи. Ее внутренний диаметр равен50 мм, а наружный – 116 мм. Вне этой зоны располагается так называемая зона «ввода и вывода», содержащая информацию, которая позволяет автоматизировать процесс проигрывания. Общее число витков спирали на одной стороне компакт-диска составляет20 000 при длине дорожки записи, примерно равной 5 км. Благодаря этому и получена возможность проигрывания одной стороны оптического диска более одного часа. Традиционная технология изготовления аудио компактдисков предусматривает длительность проигрывания максимум 74 мин при потоке данных около 1,2 Мбит/с.

Компакт-диск вращается против часовой стрелки, если смотреть на него со стороны расположения оптической системы, т.е. со стороны прозрачного слоя. Кроме того, начало дорожки записи у аудио компакт-диска располагается около центрального отверстия.

На диск со стороны пит нанесена тонкая металлическая пленка из алюминия, которая затем покрывается непрозрачной защитной пленкой. Защитная пленка используется, кроме того, в качестве этикетки. Таким образом, дорожка записи располагается между твердой защитной пленкой и пластмассовым диском.

Цифровой сигнал воспроизводится со стороны прозрачного пластмассового диска лазерным лучом. Луч фокусируется на дорожке записи и отражается металлической пленкой на светочувствительный элемент. При этом долговечность цифрового диска практически бесконечна без ухудшения характеристики воспроизводимых сигналов

впроцессе эксплуатации. Царапины, появляющиеся на защитной пленке, совершенно не опасны, так как луч отражается металлической пленкой и не доходит до защитной пленки, царапины или пылинки на нижней поверхности пластмассового диска, конечно, попадают

вобласть прохождения луча лазера, однако на нижней поверхности луч не сфокусирован и имеет диаметр около1 мм, т.е. намного превышает ширину царапины. Таким образом, практически не создается препятствий для прохождения лазерного излучения и не возникают помехи воспроизведению.

Согласно законам волновой оптики лазерный луч посредством преломления с помощью линзы можно сфокусировать только до -ог

раниченного диаметра светового пятна, определяемого дифракционным пределом. Диаметр центральной части светового пятна Dл, в которой сосредоточено 84 % всей энергии, определяется выражением

где l – длина световой волны; NA – числовая апертура фокусирующего объектива. Для определенного диаметра оправы объектива и его фокусного расстоянияf числовая апертура определяется как NA = D/ f, NA < 1. Из соотношения (10.2) следует, что для получения при фокусировке светового пятна с наименьшим диаметром необходимо иметь малую длину волны и большее значение NA.

В настоящее время в массовом производстве находится полупроводниковый лазер на основе сплава галлияалюминия, и мышьяка (GaAlAs), поэтому приходится ограничиваться свойственной ему длиной волны 0,78 мкм.

При выборе числовой апертуры NA требуется учитывать не только диаметр светового пятна, но и следующие важные факторы: глубину резкости, определяемую выражением l( NA )2, допустимый предел наклонов оптического диска, определяемый отношением l( NA )3, допустимый предел в изменениях толщины оптического диска, определяемый отношением l( NA )4. Следует иметь в виду, что достаточная глубина резкости объектива необходима для обеспечения стабильной и надежной работы системы автофокусировки в условиях массового производства воспроизводящей аппаратуры и оптических дисков и эксплуатации их при различных условиях. Изгибы и искривления цифрового оптического диска нарушают перпендикулярность оси светового луча к плоскости дорожки записи, что приводит к ухудшению условий отражения света. Таким образом, оптическая система устройства воспроизведения будет работать тем стабильнее и- на дежнее, чем меньше значение NA. Исследования частотных характеристик оптической системы показали, что на практике следует стремиться к использованию фокусирующего объектива с NA = 0,45. Если уменьшить длину волны l, то стабильность оптической системы повысится, так как появляется возможность использовать линзы с наименьшим значением NA.

Луч лазера, сфокусированный до дифракционного предела, при падении на участок дорожки записи, где нет пит, почти полностью отражается обратно. Если луч попадает на участок, где расположен пит, то он рассеивается. Таким образом, обнаружение (детектирование) записанного сигнала осуществляется посредством модуляции питами количества отраженного света.

Выбор метода модуляции лазерного луча за счет вариаций отражения, а не пропускания обусловлен несколькими причинами. Во-

первых, оптическая система для отражающего диска полностью -со средоточена с одной стороны, что упрощает конструкцию проигрывателя компакт-диска (ПКД). Во-вторых, защитная пленка должна находиться только на одной стороне информационного слоя, в то время как при использовании эффекта пропускания требуется двусторонняя защита. Наконец, способ фокусировки лазерного луча при его отражении от диска более простой, чем при пропускании.

Основные принципы работы проигрывателя компакт-дисков.

Для оптического считывания записи с компакт-диска предназначены ПКД, обеспечивающие выполнение следующих функций:

-фокусировку лазерного излучения в световое пятно заданного размера на поверхности компакт-диска;

-разделение отраженного и падающего лучей лазера;

-оптическое считывание информации в отраженном излучении;

-регистрацию амплитудно-модулированного отраженного излучения с помощью фотодетектора;

-измерение радиального смещения сфокусированного лазерного луча относительно дорожки, образованной питами;

-обеспечение перемещения сфокусированного пятна перпендикулярно информационной поверхности и вдоль радиуса диска для удержания его на «питовой» дорожке;

-преобразование цифровой формы информации в аналоговую для дальнейшего усиления.

Структурная схема лазерного проигрывателя приведена на рис. 10.11

[4].Основу проигрывателя составляет оптический звукосниматель, преобразующий информацию, заложенную в питы, в электрический сигнал. Луч лазера 1 мощностью 2…3 мВт через поляризационный расщепитель 2, четвертьволновую пластину 3 и объектив 4 попадает

на оптический диск 5, отражаясь от которого, вторично проходит через объектив и четвертьволновую пластину. Расщепитель отражает луч на фотодиод 6 и препятствует его попаданию на лазер.

Схема разделения лучей, изображенная на рис. 10.11, работает следующим образом. Кварцевая четвертьволновая пластина преобразует линейно поляризованное излучение в излучение с круговой поляризацией. Расщепитель представляет собой куб, состоящий из двух прямоугольных призм, соприкасающихся между собой наклонными плоскостями, на одной из которых формируется многослойная пленка. Расщепитель обладает свойством пропускать без затухания составляющую поляризованного излучения, параллельную плоскости падения (Р – составляющая, у которой вектор электрического поля E лежит в плоскости падения), и отражать наклонными плоскостями призм составляющую, перпендикулярную плоскости падения (S – составляющая, у которой вектор электрического поляE ортогонален плоскости падения). Многослойная пленка усиливает эффект расще-

Рис. 10.11. Структурная схема лазерного проигрывателя

пления. Таким образом, расщепитель пропускает линейно поляризованный свет, если направление поляризации параллельно плоскости падения. Далее световое излучение поступает в четвертьволновую пластину, на выходе которой имеем световые лучи с круговой поляризацией. При отражении от компакт-диска световых лучей вид поляризации сохраняется, но направление вращения вектора электрического поля меняется на противоположное. После этого световое излучение вторично проходит четвертьволновую пластину и круговая поляризация вновь преобразуется в линейную. Однако направление поляризации этого светового излучения перпендикулярно направлению поляризации исходного излучения. Поэтому расщепитель не пропускает отраженный свет, а поворачивает его на90°, предотвращая его попадание в резонатор лазера. При этом мощность лазерного излучения, попадающего в фотоприемник, который преобразует световую энергию в электрическую, будет пропорциональна коэффициенту отражения светоделительной поверхности для лазерных -лу чей S-поляризации. В качестве фотоприемника используется фотодиод, действующий на основе внутреннего фотоэффекта.

Компакт-диск устанавливается на устройство вращения информационной поверхностью вниз и фиксируется для обеспечения дальнейшего вращения. Луч лазера сфокусирован на поверхности диска, и при отражении от нее сигнал на фотодиоде оказывается наибольшим.

При попадании луча в область пита происходит рассеивание луча, но часть его, отражаясь от пита, попадает на фотодиод. Различие между интенсивностью лучей, отраженных от пита, и промежутка между питами будет небольшим в том случае, если разность их фаз равна 180°, что возможно при глубине пит l/4. Если l = 0,78 мкм, то с учетом коэффициента преломления акрила или поликарбоната, из которых изготовлен компакт-диск, равного 1,5, оптимальная глубина пита составляет (0,78/4)1,5 = 0,13 мкм. Реально принято значение 0,1 мкм, что мало сказывается на уровне воспроизводимого сигнала и глубине модуляции луча при передаче символов 1 и 0.

На выходе фотодиода образуется электрический сигнал, который поступает в декодер 7, где исправляются ошибки, происходит цифровая обработка и осуществляется цифро-аналоговое преобразование.

На выходе декодера формируется аналоговый стереофонический сигнал.

Луч лазера диаметром менее1 мкм должен быть точно сфокусирован на сигнальную дорожку компакт-диска. Для этой цели служат несколько следящих систем. Одна из них (8) (совместно с исполнительным устройством 9) поддерживает постоянное расстояние между объективом 4 и поверхностью диска. В ПКД используется следящая система 10, перемещающая луч в радиальном направлении. Для этой цели служит специальный двигатель11, управляемый контуром радиального смещения 12. Скорость ведущего двигателя 13 также регулируется специальной системой управления 14.

Особенности цифрового представления звукового сигнала.

В системе записи на оптический диск аналоговый звуковой сигнал дискретизируется с частотой 44,1 кГц, что достаточно для воспроизведения максимальной частоты звука20 кГц, затем производится квантование отдельных отсчетов. К полученному цифровому сигналу добавляются символы синхронизации.

Однако при обработке и записи ИКМ-звукового сигнала могут возникнуть ошибки, связанные с режимами работы отдельных устройств ПКД, которые приводят к нарушению сигналов синхронизации и -уп равления.

Для обнаружения и исправления ошибок к импульсам основного сигнала добавляются проверочные импульсы или даже блокиим пульсов, распределение которых осуществляется с помощью помехоустойчивого кодирования. Наиболее распространенными кодами, позволяющими проводить обнаружения и исправления ошибок в зависимости от условий их создания, являются коды 2RC (двойной код Рида – Соломона с перемежением (CIRC)), которые и используются

в системах записи на оптические диски.

Код CIRC – это двухступенчатый блоковый код со сверточным межблочным перемежением и внутриблочной перестановкой симво-

338 Глава 10. Аудио- и видеозапись

лов для обеспечения возможности исправления коротких и длинных пакетов ошибок. В обеих ступенях кодирования используется код Рида – Соломона. В этом случае на вход первого кодера цифровые данные двух звуковых каналов попадают в виде16-разрядных слов, разделенных на два символа А и В по 8 бит (соответственно старшие и младшие разряды). В блок данных входят 24 информационных символа (по шесть слов левого и правого каналов). Перед первым кодированием сначала производится перестановка символа в блоке, при

которой слова левого и правого каналов группируются по три и эти группы чередуются. Затем осуществляется межблочное перемежение четных слов левого и правого каналов с интервалом в два блока. Этими преобразованиями обеспечивается возможность частичного исправления очень длинных выпадений и пакетов ошибок. Во втором кодере производится вычисление четырех проверочных символов первой ступени кодирования.

Перед вторым кодированием производится межблочное перемежение символов с постоянным интервалом, равным 4 блокам, которое обеспечивает возможность полного исправления выпадений и пакетов ошибок длиной до 16 блоков. Во втором кодере вычисляются проверочные символы второй ступени кодирования. Короткое перемежение символов А длиной всего в один блок обеспечивает возможность полного исправления выпадений и пакетов ошибок длиной до16 блоков. Во втором кодере вычисляются проверочные символы второй ступени кодирования. Короткое перемежение символов А длиной всего в один блок обеспечивает возможность полного исправления - ко ротких пакетов ошибок в первой ступени кодирования.

На практике записываемый на оптический диск исходный цифровой звуковой сигнал разбивается на группы (символы) длительностью по 8 цифровых бит и каждый такой символ в соответствии со специ-

ально стандартизованной таблицей заменяется соответствующей комбинацией из 14 канальных бит. Поэтому такой способ канальной модуляции получил название EFM, т.е. «восемь в четырнадцать». Использование данного преобразования исключает в процессе демодуляции влияние отдельных выпадений на множество последующих символов.

После добавления дополнительных бит в цифровой звуковой сигнал и его преобразования для целей модуляции и коррекции ошибок результирующий поток бит с частотой4,3218 МГц записывается на диск. «0» соответствует низкому уровню сигнала, а «1» – высокому, поэтому информационная дорожка оптического диска состоит из -уг лублений и промежутков дискретной длины. Причем переход от пита к промежутку не должен занимать более 0,3 мкм.

Дополнительные применения цифровых компакт-дисков[5].

Одним из первых дополнительных направлений приложения аудио

компакт-дисков стали оптические запоминающие устройства для хранения архивной информации. Система, использующая компакт-диск в качестве источника архивных данных совместно с ЭВМ, получила название CD-ROM (Compact-Disk-Remember Optical Memory). Исполь-

зуя терминал ЭВМ, пользователь системы получает доступ к любой справочной информации, руководствам, фотографическим данным и т.д., записанным на диск в буквенно-графическом виде. Система CD-ROM сохранила механизм считывания, конструкцию, скорость вращения, размеры диска и элементов записи, используемые в ПКД. CD-ROM отличаются от звуковых ПКД только БИС декодера буквен- но-графической информации и периферийными устройствами.

Система CD-ROM предназначена в основном для использования совместно с персональным компьютером. На базе цифровых лазерных проигрывателей с декодерами и дисками по системеCD-ROM могут быть созданы комплексы электронных библиотек и банков данных научного и бытового назначения. Это объясняется тем, что емкости одного диска CD-ROM (около 600 Мбайт) достаточно для записи одного из приведенных ниже объемов информации:

-200 000 страниц текста формата А4 (объем 20–30 книг);

-20 000 графических рисунков;

-2000 ТВ статических изображений;

-30 секунд видеоизображения;

-18 часов звуковой программы среднего качества.

Более того, носимый проигрыватель CD-ROM массой 350–500 г,

с верхней лицевой панелью в виде жидкокристаллического экрана представляется прообразом книги XXI века, но не печатной, а электронной, объемом до 30 томов, которая всегда под рукой и удобна

вобращении.

Всистеме CD-ROM требуется значительно большая надежность хранения цифро-буквенной информации, поэтому введены дополни-

тельно еще три ступени кодирования. Информация объединяется в кадры, каждый из которых равен 98 блокам или 58 ´ 98 = 57 624 битам в коде EFM (2352 символам). Работа может быть реализована в нескольких режимах. Основным является режим «1». Он используется при записи буквенно-графической информации, где необходимы высокая достоверность воспроизведения и надежная коррекция ошибок при декодировании. Каждый кадр в системеCD-ROM отделен от предыдущего синхрогруппой из12 байт. За синхрогруппой следуют 4 байта заголовка, состоящего из адреса (3 байта) и указателя режима начала воспроизведения диска. Для этого в адресе есть байты информации времени (минуты и секунды). Далее следует массив 2048 байт, в котором содержится полученная информация.

Особенности интерактивных компакт-дисков. Следующим ша-

гом после системы компакт-дисков, предназначенных для воспроиз-

340 Глава 10. Аудио- и видеозапись

ведения звуковой информации и системыCD-ROM, обеспечивающей воспроизведение буквенно-цифровой информации, стало создание системы интерактивного обмена – CD-I (Compact-Disc-Interactive).

Возможности этой системы существенно расширены и включают обработку звуковой, видео (неподвижные стоп-кадры) и буквеннографической информации. Ее основное назначение– системы дистанционного обучения, компьютерные игры, реклама, электронный гид в путешествиях (карты, устройства для навигации, туристическая информация, различные анимационные программы в реальном времени, системы диагностики), звуковые словари в диалоговом режиме, торговые каталоги. К проигрывателям систем CD-I могут одновременно подключаться акустические системы, компьютеры, графический дисплей, телевизор. Система рассчитана на воспроизведение -ин формации в виде цветных мультипликаций, неподвижного ТВ изображения с высокой разрешающей способностью.

В системе CD-I применяются дифференциальная ИКМ для записи звуковых сигналов. Цифровой звуковой сигнал компрессируется и размещается так, чтобы его можно было воспроизводить вместе с видеоданными. Записанный звуковой сигнал на уровне речьмоно без записи других данных занимает объем до16 ч непрерывного воспроизведения, а запись-стерео высококачественного звукового сигнала гарантирует воспроизведение в объеме двух часов. При одночасовой записи звукового сигнала в освободившемся блоке можно записывать видео и графическую информацию.

Фотографические компакт-диски. На основе обычных компакт-

дисков разработаны фотографические компакт-диски (Photo CD). В этом случае с обработанной35-миллиметровой фотопленки на компакт-диск записывается информация о слайдах и негативах, которые могут быть как черно-белыми, так и цветными. На оптическом диске записывается пять цифровых копий каждого снимка следующих размеров: карманного (128 строк по 192 точки), открытки (256 ´ 384), стандартного (512 ´ 768), увеличенного (1024 ´ 1536) и большого

(2048 ´ 3072).

На одном оптическом диске типаPhoto CD размещается от 100 до 150 снимков (число черно-белых снимков на диске может быть большим, поскольку для их записи требуется меньшее количество информации по сравнению с цветными изображениями).

Если имеются воспроизводящее оборудование и соответствующее программное обеспечение, то, считав информацию с Photo CD, можно просмотреть все его содержимое в обзорной форме(в виде уменьшенных изображений), открыть файл любого изображения и записать его на жесткий магнитный диск, отредактировать изображения (вырезать фрагмент, изменить цветовые соотношения, геометрические параметры).