Как в CD умещается 5 километров данных и зачем он меняет скорость? Физика компакт-диска

Мода на ностальгию сначала заставляет пересматривать старые фильмы, потом перебирать фотографии, а там и до музыки на компакт-дисках недалеко. И наша редакция не устояла! Разбираемся, как маленький диск вмещает огромную цепь информации, и почему он вертится по-разному.
Юлия Перфилова
Юлия Перфилова
научный редактор
Как в CD умещается 5 километров данных и зачем он меняет скорость? Физика компакт-диска
Magnific

Как устроен CD и его спирали

CD — это цифровой оптический носитель, разработанный Philips и Sony для хранения и воспроизведения цифровых данных: аудио, видео и компьютерных файлов.

Стандартный диск имеет диаметр 120 мм и толщину 1,2 мм.

В основе — поликарбонатный слой, на который с одной стороны нанесен отражающий слой: обычно алюминий, но бывает и золото. Сверху металл защищен лаком, на него наносится та самая этикетка. Данные хранятся в виде микроскопических углублений, между которыми остаются ровные участки. Итого, диск — это многослойный оптический пирог: начинка из информации впечатана в пластик и покрыта зеркальной металлической глазурью.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Схема слоев компакт-диска
Схема слоев компакт-диска WikiCommons // Pbroks13

Хвостик дорожки данных находится в центре диска, а потом она как бы «разматывается» наружу. Программная область занимает радиус от 25 до 58 мм. Расстояние между соседними витками спирали — всего 1,6 мкм!

Общая длина записываемой спирали CD диска — около 5,38 километра.

А размеры ямок и того меньше. Каждая ямка имеет глубину около 100 нм, ширину около 500 нм и длину от 850 нм до 3,5 мкм. Со стороны чтения эти углубления выглядят как выступы шириной 0,5 мкм, минимальной длиной 0,83 мкм и высотой 125 нм. Некоторые источники расходятся по высоте — 100 нм или 125 нм, — но в любом случае речь идет о нанометрах.

Продолжение ниже Продолжение
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Именно поэтому CD требует очень точного механизма чтения. Дорожка шириной около 0,5 мкм и расстоянием между витками 1,6 мкм грубых ошибок не прощает.

Как лазер читает ямки CD

Чтение, что логично, происходит через нижнюю прозрачную сторону поликарбоната. Внутри проигрывателя стоит полупроводниковый лазер с длиной волны 780 нм — это ближний инфракрасный диапазон. Луч фокусируется на дорожке, проходит сквозь поликарбонат, отражается от металлического слоя и попадает на фотодиод.

Ямки и площадки CD диска под микроскопом
Ямки и площадки CD диска под микроскопом WikiCommons // Akroti
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

И здесь, как всегда, есть нюанс: ямки и площадки отражают свет по-разному. Ямка углублена в верхний слой, но читается через прозрачное основание, поэтому со стороны лазера она выглядит как выступ. Высота такого выступа — примерно ¼ длины волны лазера. Из-за этого свет, отраженный от вершины выступа, проходит путь на 1\2 длины волны больше, чем свет, отраженный от площадки вокруг. Возникает противофаза, и отражение частично гасится. Фотодиод измеряет изменение интенсивности отраженного света, и это изменение превращается в модулированный сигнал.

Почему диск вращается с разной скоростью

В CD-проигрывателе есть три основных компонента:

  • двигатель: вращает диск;

  • лазер с линзовой системой;

  • механизм слежения: перемещает лазер вдоль спирали.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Двигатель вращает диск со скоростью от 200 до 500 оборотов в минуту в зависимости от читаемой дорожки. При этом используется постоянная линейная скорость: диск вращается так, чтобы дорожка проходила под лазером с постоянной скоростью 1,2–1,4 м/с. Это значит, что у центра диск крутится быстрее — примерно 500 об/мин, а у края медленнее — примерно 200 об/мин. Поэтому при воспроизведении от начала к концу скорость вращения постепенно снижается.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Unsplash

Удерживать лазер точно на дорожке — та еще задачка. Механизм слежения двигает лазерный блок наружу по мере чтения. В типичном варианте используются салазки, которые движутся по рельсу: они могут приводиться червячной передачей или линейным двигателем. Для более тонкой подстройки применяется короткоходовой линейный двигатель в виде катушки и магнита, который компенсирует эксцентриситет диска на высокой скорости. Некоторые приводы Philips 1980-х и начала 1990-х использовали поворотный рычаг — он чем-то похож на тонарм граммофона.

Как из ямок получается звук или видео

Ямки и площадки сами по себе не означают нули и единицы напрямую. Используется кодирование NRZI: переход от ямки к площадке или наоборот означает 1, а отсутствие перехода — серию нулей. При этом между двумя единицами должно быть не меньше двух и не больше десяти нулей, что определяется длиной ямки. Затем сигнал декодируется обратно через eight-to-fourteen modulation (EFM), а после — через cross-interleaved Reed–Solomon coding (CIRC).

Почему CD такой уязвимый?
Фото: Unsplash

Дело в том, что ямки находятся ближе к стороне этикетки, поэтому дефекты и загрязнения на прозрачной стороне оказываются не в фокусе при воспроизведении. Царапины на прозрачной стороне хотя бы можно попытаться отполировать или заполнить пластиком с похожим коэффициентом преломления. Помимо этого, края дисков иногда герметизированы не полностью, поэтому газы и жидкости могут проникать внутрь, разрушать металлический слой и мешать фокусировке лазера. А при высокой температуре и влажности на диске может поселиться грибок Geotrichum candidum, который питается поликарбонатом и алюминием, из которых и сделан CD. Словом, устройство очень чувствительное.

EFM преобразует 8-битные байты в 14 бит, чтобы в дорожке не было длинных участков без единиц. Это нужно, потому что лазер отслеживает спираль по ямкам, и слишком длинные промежутки без переходов затрудняют слежение. Кроме того, в данные добавляется subcode — информация о положении лазера на диске, которая позволяет переключаться между песнями и хранить названия треков. Для защиты от ошибок используются корректирующие коды: они исправляют одиночные ошибки, а данные на диске перемежаются так, чтобы царапина или пятно не уничтожили целый пакет байтов. Для CD-ROM применяются дополнительные коды коррекции, потому что ошибка в данных катастрофичнее, чем помеха в музыке.

Unsplash
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Итак, у нас есть 74 минуты музыки. Рассчитывается этот объем данных так: 44 100 сэмплов на канал в секунду, 2 байта на сэмпл, 2 канала, 74 минуты, 60 секунд в минуте. Итого — 783 216 000 байт. Эти данные должны уместиться на диске диаметром 12 см. Дальше сигнал с фотодиода поступает на электронику привода. В случае аудио он идет к цифро-аналоговому преобразователю (DAC), а в случае CD-ROM — к компьютеру. DAC превращает цифровой поток в аналоговый сигнал, который затем усиливается и подается на колонки. В случае видео или данных сигнал обрабатывается еще и нужным декодером.

Да, технология CD уходит в прошлое, но его физика — это классика оптической записи, которая никуда не исчезла. И возможность «включить» ностальгию у вас всегда есть!

Загружаем