1. Podstawowe informacje o płytach CD 1.1. Budowa płyty CD Jak pokazano na rysunku 1.1, podłoże płyty CD jest plastikowym, przezroczystym krążkiem o średnicy 120 mm i grubości 1.2 mm. Na jednej stronie płyty nagrana jest informacja cyfrowa w postaci wyżłobionych rowków (pits). Głębokość rowków wynosi 0.1µm, odstęp pomiędzy ścieżkami jest równy. Na powierzchnię płyty nałożona jest aluminiowa warstwa odbijająca promień laserowy. Na warstwie aluminiowej znajduje się etykieta z opisem zawartości płyty CD, a całość powleczona jest powłoką ochronną (rys.1.2). Podstawowe parametry systemu CD podano w tabeli 1.1. (Przekrój poprzeczny) 120 (œrednica zewnêtrzna) 33 min. 26 maks. 15 Obszar zaciskania dysku Aluminiowa warstwa odbijaj¹ca Etykieta, pow³oka ochronna 1.2mm (Powiêkszenie) 46 Obszar startowy maks. 50 Pocz¹tek obszaru u ytkowego 117 Obszar koñcowy maks. Etykieta, warstwa ochronna Aluminiowa warstwa odbijaj¹ca Pod³o e poliwêglanowe (wspó³czynnik za³amania 1.5) 33 Obszar u ytkowy Obszar startowy 1.2mm Rowek 0.11µm Obszar u ytkowy Obszar koñcowy Odstêp pomiêdzy œcie kami Pod³o e plastikowe (wspó³czynnik za³amania 1.5) Rys.1.1. Budowa p³yty CD. Cechy charakterystyczne Bezkontaktowy, optyczny system odczytu. Odtwarzanie tradycyjnych płyt gramofonowych, które uległy zabrudzeniu lub zadrapaniu jest nieodłącznie związane z nieprzyjemnymi szumami i zakłóceniami. Przy odtwarzaniu płyt CD wykorzystywany Nadrukowana etykieta Lakier zabezpieczaj¹cy Warstwa aluminiowa ywica poliwêglanowa Soczewka skupiaj¹ca Rys.1.2. Przekrój poprzeczny p³yty CD.
TECHNOLOGIA CD I DVD Tabela 1.1. Podstawowe parametry systemu CD Metoda nagrywania Detekcja sygna³u optyczna D³ugoœæ œwiat³a lasera 770 830 nm(typowo 780nm) Liniowa gêstoœæ nagrywania 43 kbit/cal (1.2m/s) Obszarowa gêstoœæ nagrywania 683 Mbit/cal 2 Specyfikacja sygna³u fonicznego Liczba kana³ów 2 (stereo) Czas odtwarzania 74min 44s (mo ebyæ d³u szy) Pasmoczêstotliwoœci 20 20000Hz Zakres dynamiki >90dB Zniekszta³cenia harmoniczne <0.01% Separacja kana³ów >90dB Ko³ysanie idr enie zale y odstabilnoœci oscylatora kwarcowego Czêstotliwoœæ próbkowania 44.1kHz Kwantyzacja 16-bitowa liniowa Sposób zapisu informacji binarnej kodzuzupe³nieniem do 2 Preemfaza brak lub 50/15 µs Modulacja EFM Przep³ywnoœæ binarna (bit/kana³) 4.3218 Mbit/s Korekcja b³êdów CIRC Szybkoœæ transmisji 2.034 Mbit/s Specyfikacja dysku Œrednica dysku Gruboœæ dysku Œrednica otworu centralnego Przestrzeñ programu Prêdkoœæ skanowania Prêdkoœæ obrotowa Odstêp miêdzy œcie kami Rozmiarœladu bitowego (pitu) 120mm 1.2mm 15mm 50 116mm 1.2 1.4m/s 500 200obr./min. 0.11 0.5 0.9 3.2µm jest system optyczny. Powierzchnia płyty jest płaska, co umożliwia bardzo łatwe usunięcie wszelkich zabrudzeń, które znajdą się na jej powierzchni. Dodatkowo sam system optyczny jest tak zbudowany, że jeżeli nawet pojawią się jakieś rysy lub zabrudzenia na powierzchni dysku, to ich wpływ na jakość odtwarzania jest minimalizowany. Odtwarzanie odbywa się od środka w kierunku na zewnątrz. Płyty tradycyjne obracają się ze stałą prędkością kątową (CAV Constant Angular Velocity). Przy odczycie płyt CD utrzymywana jest stała prędkość liniowa. Dla ścieżek wewnętrznych dysk obraca się około 500 razy na minutę, a dla ścieżek zewnętrznych 250 razy na minutę. Gęstość zapisu informacji jest stała dla całej powierzchni płyty CD. Informacje dodatkowe zapisane na płycie. Oprócz informacji użytkowej (muzyka, programy komputerowe) na płycie CD nagrany jest cały szereg informacji dodatkowych.
Podstawowe informacje o płytach CD Informacje dodatkowe określane są mianem subkodów. Na płycie CD znajduje się 8 rodzajów subkodów. Są to między innymi: - sygnał pomiędzy nagraniami używany do wyszukiwania określonych pozycji, - informacja o preemfazie, która umożliwia odtwarzaczowi CD automatyczne włączenie deemfazy, - numer nagrania: dwucyfrowa liczba w kodzie BCD, - czas trwania poszczególnych nagrań, - tabela zawartości dysku. 1.2. Sposób zapisu informacji na płycie CD Podstawowymi elementami informacji są wyżłobienia (rowki) naniesione na płycie CD w procesie produkcji (rys.1.3). Rowki układają się wzdłuż spiralnych ścieżek, które rozwijają się od środka na zewnątrz płyty. Szerokość ścieżki wynosi od 0.4 do 0.5µm. Wyróżnia się 9 długości rowków: od 3T do 11T, gdzie T= 0.2892µm. Częstotliwość zegara: 4.3218MHz. Prędkość liniowa: 1.25m/s. T= 1.25/43218=0.2892µm Stąd otrzymujemy długości rowków: od 3T=0.8677µm do 11T=3.1815µm. Na płycie CD znajduje się 22.188 ścieżek (625 ścieżek na 1mm). Światło lasera jest ogniskowane przez soczewki głowicy odczytującej (rys.1.3). Wiązka światła, która na powierzchni dysku tworzy plamkę o średnicy około 1 mm, jest ogniskowana do punktu o średnicy 1µm na powierzchni odbijającej. Powierzchnia odbijająca znajduje się 1.2mm poniżej powierzchni dysku. Rozwiązanie tego typu minimalizuje wpływ zabrudzeń i zadrapań, które mogą znaleźć się na powierzchni dysku. 1.3. Format zapisu na płycie CD Format zapisu informacji na płycie CD został przedstawiony na rys.1.4. Na płycie CD znajduje się 99 ramek z danymi audio rys.1.5. Ramka jest to blok informacji od jednego sygnału synchronizacji do drugiego rys.1.4. T=0.2892µm Odstêp œcie ek Kierunek obrotu dysku Rozró nia siê 9 d³ugoœci rowków: od 3T do 11T G³êbokoœæ rowka: 0.11µm Rowek Rowek 3T=min Optycznie: 0.11 1.5=0.165µm 11T Plamka wi¹zki laserowej Szerokoœæ 0.4 do 0.5µm oko³o 1µm Brud Rysy oko³o 1mm Zespó³ soczewek Œwiat³o laserowe Warstwa ochronna (30µm) Aluminiowa warstwa odbijaj¹ca (0.1µm) Przezroczysta warstwa plastikowa o wspó³czynniku za³amania 1.5 Rys.1.3. Rozmiary rowków na p³ycie CD.
TECHNOLOGIA CD I DVD Na dysku œcie ki u³o one s¹ spiralnie Informacja jest podzielona na bloki Kierunek obrotów CD G³owica optyczna Sygna³ synchronizacji 1. ramka ram a 2. k a ka 3. r m 1. ramka 2. ramka Sygna³ synchronizacji Subkody Bity informacyjne Bity korekcyjne i kontrolne Bity informacyjne Bity korekcyjne i kontrolne Sygna³ synchronizacji Subkody Rys.1.4. Format zapisu na p³ycie CD. Każda ramka składa się z: - sygnału synchronizacji, który informuje o początku ramki (3 bajty), - subkodów zawierających informacje dodatkowe (1 bajt), - 6 próbek informacji użytkowej (24 bajty), - bitów kontrolnych CIRC, umożliwiających korekcję ewentualnych błędów (8 bajtów). Przed zapisem na dysk, sygnał analogowy jest próbkowany z częstotliwością 44.1kHz. Każda próbka poddawana jest procesowi kwantyzacji i zamiany na postać cyfrową. Aby umożliwić skorygowanie ewentualnych błędów odczytu (brakujące lub błędnie odczytane bity), po każdej ramce dodawana jest informacja kontrolna. Zastosowany system kontroli i korekcji jest znany pod nazwą CIRC (Cross Inter-leave Read Solomon Code). W celu zapewnienia zadowalającej jakości odtwarzania stosuje się modulację EFM (Eight to Fourteen Modulation). Każde 8 bitów jest zamieniane na grupę 14 bitową. Do każdej grupy dodawane są 3 bity łączące. Struktura ramki: - synchronizacja 24 bity + 3 bity = 27 bitów - subkody 14 bitów + 3 bity = 17 bitów - dane użytkowe (14 24) bity + (3 24) bity = 408 bitów - korekcja błędów (14 8) bitów + (3 8) bitów = 136 bitów 588 bitów Z częstotliwości próbkowania i ilości próbek otrzymujemy częstotliwość ramek: 44.1kHz/6 = 7.35kHz. Stąd częstotliwość zegara wynosi: 7.35kHz 588 bitów = 4.3218MHz. 1.4. Modulacja EFM Modulacja EFM polega na przekształceniu każdych 8 bitów na grupę 14 bitową, według określonej reguły. Zastosowanie tego typu modulacji jest konieczne dla prawidłowe-
Podstawowe informacje o płytach CD 0 1 98 98 ramek = 1 blok danych 98 24 = 2352 bajty 98 24 bajty Dane subkana³owe (subkana³y P W) Ramka danych audio 2 6 16 = 192 bity = 24 bajty 8 bitów 24 bajty Synchronizacja 3 bajty Dane subkana³owe 1 bajt Dane audio 24 bajty CIRC 8 bajtów 36 bajtów Ramka fizyczna = 36 bajtów 8 bitów (1 bajt) 17 bitów Modulacja EFM go działania kompakt dysku. Teoretycznie, po cyfryzacji sygnału analogowego mogłaby zaistnieć sytuacja, że w ciągu informacji występuje wiele sąsiadujących zer. Zero jest reprezentowane jako brak rowków na powierzchni dysku. Mogłoby to doprowadzić do sytuacji, gdy na stosunkowo długim odcinku ścieżki nie występują przejścia z 0 na 1 i odwrotnie. System śledzący utrzymuje głowicę odczytującą we właściwej pozycji nad ścieżką, bazując na naniesionej strukturze ścieżki. Brak rowka na długim odcinku mógłby spowodować błędy w działaniu układu śledzącego. Na 8 bitach możemy zapisać 256 kombinacji (2 8 ), 14 bitów daje 16.384 kombinacji (2 14 ). Konwersja z 8 bitów na 14 daje możliwość wyboru najlepszych 256 kombinacji, które nie zawierają długich obszarów zer. W celu właściwego połączenia 14-bitowych grup stosuje się 3-bitowe grupy łączące. 1.5. Formaty płyt CD Rys.1.5. Organizacja danych na p³ycie audio. Na bazie płyty CD powstały różne formaty zapisu danych pokazane na rysunku 1.6: 1. Audio CD lub CD-DA (Compact Disc-Digital Audio) sposób zapisu ścieżek audio zdefiniowany w czerwonej księdze (Red Book). Na płycie Audio CD znajdują się stereofoniczne, nieskompresowane pliki dźwiękowe w formacie PCM o częstotliwości próbkowania 44.1kHz i rozdzielczości 16 bitów. Maksymalna ilość ścieżek dźwiękowych wynosi 99. Standardowo ścieżki oddzielone są 2-sekundowymi przerwami, ale można przerwy skrócić lub nawet całkowicie wyeliminować. 2. HDCD (High Density Compatible Digital) system zapisu płyt CD kompatybilny z dotychczasowym systemem Audio-CD, rozszerzający dźwięk płyty o dodatkowe
TECHNOLOGIA CD I DVD informacje o jego przestrzennej strukturze. Informacje te są zapisane w 16., najmniej znaczącym bicie i tradycyjne odtwarzacze traktują je jako szum. Korzystne zmiany można usłyszeć tylko na odtwarzaczach z logo HDCD. System został opracowany przez firmę Pacific Microsonics. 3. CD-G (CD-Graphics) jest rozszerzeniem formatu CD-DA i dodatkowo (oprócz muzyki) może zawierać dane w postaci grafiki i tekstu. Pozwala na dodanie bardzo prostych funkcji realizowanych przez CD-ROM do zwykłej płyty muzycznej. Dodatkowe dane mieszczą się w kanałach subkodu (subcode channels) od R do W, które zajmują tylko około 3% pojemności normalnej płyty CD-ROM, ale wystarcza to na wyświetlanie grafiki i tekstu podczas odtwarzania muzyki. Ten typ dysków wykorzystywany jest przeważnie przez urządzenia do Karaoke przy zastosowaniu sprzętu przystosowanego do odtwarzania takich płyt sprzężonego z telewizorem można oglądać na ekranie grafikę i tekst bieżącego utworu. Dla CD-Graphics zdefiniowano dwa dodatkowe tryby: tryb MIDI zapewnia maksymalny transfer 3.125kb/s dla zastosowań MIDI (Musical Instrument Digital Interface) zgodnie ze specyfikacją International MIDI Association, tryb User jest używany dla zastosowań profesjonalnych; rola danych w tym trybie jest zależna od zastosowania. 4. CD-TEXT to odmiana płyt Audio CD zapisanych w trybie DAO (Disc At Once) wraz z dodatkowymi informacjami o każdej nagranej ścieżce. Tytuł ścieżki oraz nazwę wykonawcy zapisuje się w bloku Lead-In i wiąże z odpowiednią ścieżką. Dane P³yty CD P³yty nagrywalne Audio CD (CD-DA) HDCD CD-R CD-G icd-text CD-ROM CD-RW CD-Extra CD-ROM XA CD Mixed Mode CD-I Bridge Photo-CD Video-CD CD-I PC, gry, itp. SVCD Rys.1.6. Formaty p³yt CD.
Podstawowe informacje o płytach CD te zostaną odczytane i wyświetlone przez obsługujące tę funkcję odtwarzacze audio. Jeżeli odtwarzacz nie obsługuje formatu CD-TEXT, to ścieżki dźwiękowe zostaną odtworzone jak z tradycyjnej płyty audio bez pogorszenia jakości. 5. CD-Extra lub Enhanced CD lub CD Plus na takiej płycie sesja ze ścieżkami audio poprzedza jedną lub więcej sesji z danymi. Ponieważ pierwszą sesją jest sesja ze ścieżkami audio, typowe odtwarzacze CD widzą tylko tę sesję i ją odtwarzają. Kolejna sesja z danymi jest widoczna dla wszystkich napędów CD-ROM. 6. CD Mixed Mode jest jednosesyjną odmianą płyt CD Extra (zawierającą ścieżki audio oraz dane) z tym wyjątkiem, że sesja z danymi jest nagrana jako pierwsza. W rezultacie taki dysk widzą tylko specjalne odtwarzacze CD lub napędy CD-ROM. 7. CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) lub CD-ROM Mode 1 jest używany do zapisu danych innych niż dźwięk. Sposób zapisu zdefiniowany jest w żółtej księdze. Zawartość płyty zapisana jest w TOC (Table of Contents). TOC podczas odczytu zamieniany jest przez rozszerzenia systemu na system plików FAT16. Na płytach CD-ROM wydawane są programy i gry komputerowe, encyklopedie, zbiory tekstowe, obrazy itp. 8. CD-ROM XA (CD-ROM extended Architecture) lub CD-ROM Mode 2 jest to wielosesyjny zapis danych, łączący zwykły zapis CD-ROM oraz CD-I. Format opracowany przez firmy Philips, Sony i Microsoft. 9. CD Bridge to zapis informacji CD-I na dysku CD-ROM XA. Używany dla dysków Photo-CD i Video-CD. 10. Photo-CD to zdefiniowany w pomarańczowej księdze format zapisu plików graficznych możliwy do odczytania zarówno w komputerach PC, jak i Macintosh. 11. Video-CD (VCD) to zdefiniowany w białej księdze zapis plików filmowych MPEG na płycie CD. Filmy takie można odtwarzać w zwykłych napędach CD-ROM oraz urządzeniach przeznaczonych do odczytu danych w formacie MPEG-1. Video-CD jest systemem umożliwiającym przenoszenie i odtwarzanie pełnoekranowych animacji, którym towarzyszy dźwięk, na dyskach pokroju CD. Wizja i fonia są skompresowane z wykorzystaniem algorytmów kompresji MPEG-1 i nagrane na dysku CD Bridge. 12. SVCD (Super Video CD) to standard zapisu filmu o wysokiej jakości obrazu na standardowej płycie CD. Obraz zapisywany jest w takim samym standardzie kodowania MPEG-2 i rozdzielczości jak na płycie DVD, a dźwięk w formacie MP2. Płyta Super Video CD może pomieścić około 30 minut filmu. 13. CD-I (Compact Disc Interactive) to system interaktywnej rozrywki bazujący na płytach CD dokładnie opisany w zielonej księdze. Pliki nie są zapisane w formacie ISO 9660, ale w formacie dla procesorów 680x0 i dane odtwarzane są za pomocą specjalnego sprzętu wideo i audio. W jednym sektorze takiej płytki mieści się 2352 bajtów danych bez dodatkowych informacji dla korekcji błędów. Ze wzrostem popularności płyt CD-ROM płyty CD-I straciły na znaczeniu. 14. CD-R (Compact Disc Recordable) dysk kompaktowy jednokrotnego zapisu. Zawiera warstwę barwnika, który pod wpływem wiązki laserowej zmienia swój współczynnik odbicia światła. Zmiana ta ma charakter stały i nie ma możliwości powrotu do poprzedniej wartości. Własność ta służy do jednorazowego zapisu danych na płycie kompaktowej. Płyty CD-R w zależności od warstwy odbijającej i warstwy barwnika
TECHNOLOGIA CD I DVD posiadają odpowiednią barwę całej płyty. W zależności od typu mogą pomieścić 650 800MB. 15. CD-RW (Compact Disc-ReWritable) dysk kompaktowy wielokrotnego zapisu. Używa nieco innego mechanizmu zapisu danych niż CD-R. Metaliczna warstwa stopu Ag-In-Sb-Te pod wpływem wiązki laserowej zmienia swoją postać alotropową. Postać ta w zależności od mocy padającej na warstwę wiązki może przyjmować dwa rodzaje: krystaliczną lub amorficzną (bezpostaciową), co z powodzeniem symuluje tradycyjne pity i landy. Przewagą płyt CD-RW jest możliwość wielokrotnej (około 1000 cykli) zmiany struktury warstwy aktywnej. 1.6. Kolorowe księgi Kolorowe księgi i ich zastosowanie przedstawiono w tabeli 1.2. Tabela 1.2. Kolorowe ksiêgi Standard Czerwona ksiêga (Red Book) ó³ta ksiêga (Yellow Book) Zielona ksiêga (Green Book) Pomarañczowa ksiêga (Orange Book) Niebieska ksiêga (Blue Book) Bia³a ksiêga (White Book) Zastosowanie Audio CD (CD-DA), CD-G (CD-Graphics), CD-Text CD-ROM, CD-ROM XA CD-I (CD-Interactive) CD-MO, CD-R, CD-RW CDExtra Karaoke CD, Video CD, Internet, SVCD (Super VCD) 1. Czerwona księga (Red Book) powstała w 1985 r. i opisuje fizyczne właściwości płyty Audio CD i ustala zarówno rozdzielczość informacji na dysku (16 bitów i 44.1 khz), jak i sposób w jaki dane audio są rozmieszczone. Specyfikacja Czerwonej Księgi pozwala na umieszczenie utworów na płycie jako oddzielne ścieżki. Dodatkowo w 1991 r. w Czerwonej Księdze opisano format płyty CD Graphics i różne jej zastosowania włącznie z grafiką i MIDI. W 1996 r. opisano w tej księdze format płyty CD Tekst. 2. Żółta księga (Yellow Book) powstała w 1984 roku, aby opisać sposób przechowywania danych komputerowych na płytach CD. 3. Zielona księga (Green Book) opisuje płytę, odtwarzacz i system operacyjny CD-Interactive (CD-I) z danymi wideo z kodowaniem MPEG. Do odtwarzania płyt tego typu nadają się również stacjonarne odtwarzacze CD-I oraz komputerowe napędy CD-ROM. Sposób wyszukiwania danych na tych płytach oparto na ISO9660. 4. Pomarańczowa księga (Orange Book) ujęła w standardy płyty magnetooptyczne wielokrotnego zapisu CD-MO (1993 r.) oraz płyty optyczne jednokrotnego zapisu CD-R (1998 r.) początkowo zwane CD-WO Write Once i wielokrotnego zapisu CD-RW (1998 r.). By umożliwić nagrywanie płyt CD-R, w pomarańczowej księdze podzielono płytę CD-R na dwa główne obszary: obszar systemowy (System Use Area) i na obszar informacyjny (Information Area). 5. Niebieska księga (Blue Book) definiuje specyfikację CD Extra dla wielosesyjnych płyt tłoczonych zawierających sesje z danymi i audio. Tego typu płyty przeznaczone
Podstawowe informacje o płytach CD były do odtwarzania w normalnych odtwarzaczach i w napędach CD-ROM. Niebieska księga zawiera specyfikację płyty i formaty sesji danych i audio, strukturę plików i katalogów dla informacji CD Extra, obrazów i danych oraz format obrazów MPEG. 6. Biała księga (White Book) wprowadziła w 1993 r. rozszerzenie do płyt Audio-CD, takie jak Karaoke system pozwalający wyciszyć z utworów wokalistę. Przede wszystkim jednak wprowadziła ona nowe systemy rejestracji obrazu wideo na płytach CD. W 1995 r. opisano specyfikację płyty Video CD i formatu MPEG1. W 1998 r. pojawiła się specyfikacja płyty SVCD i nowej wersji kompresji wideo MPEG-2 (pozwalającej na większą rozdzielczość i lepszą kompresję). W 1997 r. pojawił się również standard zapisu na płytach stron internetowych i odnośników do tych stron. Standard Photo-CD stworzony przez firmę Kodak pozwala na zapis zdjęć w formacie Photo-CD wraz z klipami dźwiękowymi w specjalny sposób, tak że mogą być one czytane również w stacjonarnych odtwarzaczach wideo CD i niektórych odtwarzaczach DVD.