CD — это цифровой оптический носитель, разработанный Philips и Sony для хранения и воспроизведения цифровых данных: аудио, видео и компьютерных файлов.
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.
Magnific
Как устроен CD и его спирали
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.
Схема слоев компакт-диска
Хвостик дорожки данных находится в центре диска, а потом она как бы «разматывается» наружу. 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
Видео
Продолжение
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
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.
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.
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 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).
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 применяются дополнительные коды коррекции, потому что ошибка в данных катастрофичнее, чем помеха в музыке.
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