Технологии оптических дисков - Дополнительные устройства - Hardware - Каталог статей - fest.ucoz.ru - компьютерная помощь

qark.ru

Главная » Статьи » Hardware » Дополнительные устройства

Технологии оптических дисков

Современное развитие компьютерной техники и средств мультимедиа требует разработки новых носителей информации, имеющих большую информационную емкость и быстродействие. Одним из таких носителей является цифровой многосторонний диск DVD (Digital Versatile Disc). DVD относится к технологии цифровых устройств хранения информации, следующему поколению цифровой оптической дисковой технологии. По мнению аналитиков, записывающие DVD-приводы сохранят лидирующие позиции на рынке как минимум до 2011 года, даже несмотря на появление нового поколения оптических носителей высокой плотности.

Популярность DVD на ближайшие годы обеспечена как за счет универсальности этого формата, так и благодаря доступным ценам на приводы, а также на записываемые популярность DVD на ближайшие годы обеспечена как за счет универсальности этого формата, так и благодаря доступным ценам на приводы, а также на записываемые и перезаписываемые носители. Специалисты считают, что новому поколению оптических приводов, использующих голубой лазер (то есть Blu-ray Disc и HD DVD), для завоевания рынка потребуется от трех до пяти лет.

Стандарт DVD был предназначен как для компьютерных технологий, так и для индустрии развлечений. Вначале DVD расшифровывали как цифровой видеодиск (Digital Video Disc) но позднее переименовали в цифровой универсальный диск Digital Versatile Disc). DVD технология обеспечивает воспроизведение видеосигнала, по качеству не уступающего принимаемому телевизионному вещательному радиосигналу, многоканального звукового сигнала с несколькими вариантами звукового сопровождения, субтитров на нескольких языках, мульти-экранного изображения, а также интерактивное управление с помощью меню. Значительно увеличена емкость диска и его быстродействие. В накопителе DVD используется лазер с меньшей длиной волны, что позволяет считывать более короткие штрихи. Для удвоения размера в накопителе DVD можно использовать две стороны диска и, кроме того, можно записывать данные на два отдельных слоя каждой из сторон. С развитием технологии голубого лазера уже достигнуто увеличение плотности в несколько раз.

В соответствии с старым стандартом DVD-диск - односторонний, однослойный и содержит 4,7 Гбайт информации. Применяя сжатие MPEG-2 на диске можно разместить 135 минут видео (полнометражный полноэкранный фильм с полным количеством кадров, с тремя каналами качественного звука и четырьмя каналами субтитров). Значение емкости диска не случайно: стандарт создавался под эгидой киноиндустрии, давно искавшей недорогую и надежную замену видеокассетам.

Модели накопителей DVD поддерживали двухслойные DVD-диски емкостью 8,5 Гбайт, двухсторонние диски емкостью 9,4 Гбайт на одной стороне, а также двухслойные диски емкостью до 17 Гбайт ( рис.1).

Рис. 1

DVD-диски имели те же размеры, что и CD (диаметр 120/80мм и толщину 1,2 мм), но они в два раза тоньше - 0,6 мм, поэтому их склеивали по два с укрепляющим слоем ( рис. 1), чтобы общая толщина диска оставалась 1,2 мм. В последствии на укрепляющем слое стали также записывать информацию и появились двухслойные диски. Изменяя фокусировку лазерного луча можно сфокусировать его на плоскость второго (наружного слоя) и считывать информацию со второго слоя диска. Для увеличения емкости DVD-дисков стали изготавливать двусторонние двухслойные диски ( рис.1). DVD - диски для цифровой видеозаписи с высокой плотностью представляют собой развитие принципов CD.

Увеличение емкости DVD-диска достигнуто изменением ряда параметров:
- обеспечением более эффективной модуляции;
- повышена эффективность кода коррекции ошибок;
- снижены издержки избыточности кодов коррекции ошибок,
- уменьшены секторы (до 2 048/2 060 байт).
- уменьшена ширина трека (до 0,74 мкм)
- уменьшен размер хранящей ячейки ( до 0,4 мкм),
- увеличена область данных до 87,6 см2.

Накопители DVD позволяют считывать информацию и с обычных CD. Большинству людей было достаточно и 5 Гбайт. Тем не менее потребность в большой емкости в области вычислительной техники быстро растет, поэтому спрос на диски большей вместимости быстро появился.

Компания Philips владеет двумя важнейшими патентами на двусторонний диск (на двусторонний диск с двумя информационными слоями, которые считываются с противоположных направлений) и на процесс нанесения на него слоев. Главное различие между односторонним диском и двусторонним заключается в толщине подложки диска.

Matsushita разработала двухслойный диск, на 0,6-мм подложку которого наносится отражающий слой, а на противоположную сторону - полупрозрачный слой. Несущие слои "смотрят" один на другой через тонкий слой связывающей их смолы. Полупрозрачный сигнальный слой и тщательно соблюдаемая толщина клея являются существенными техническими требованиями при изготовлении двухслойных дисков фирмы Matsushita. Между дисками Matsushita нанесла фотополимерную смолу. При быстром вращении пары дисков слой полимера, заключенный в середине этого "бутерброда", становится одинаковым по толщине и равным 40 мкм, а затем полимер отвердевает под воздействием ультрафиолетового облучения. Коэффициент отражения от полупрозрачного слоя составляет около 30%, что примерно втрое меньше, чем у обычного отражающего слоя. От второго отражающего слоя тоже поступает около 30% излучения, поскольку лазерный луч поглощается при прохождении полупрозрачного слоя. Это приводит к тому, что отношение сигнал/шум у диска Matsushita ниже. Информационная емкость двухслойного диска достигает 4,5 Гбайт на слой, В дальнейшем планировалось увеличить емкость 9-Гбайт диска до 10 Гбайт путем повышения коэффициента отражения и увеличения мощности лазера. Даже при малом коэффициенте отражения диск не нуждается в защитном корпусе (рис. 2).

Рис. 2

У двухслойных дисков вместо отражающего слоя используется полупрозрачный. В свое время, фирмы Sony и Philips одновременно продемонстрировали свой двухслойный вариант компакт-диска мультимедиа емкостью 7,4 Гбайт. Это стало первой публичной демонстрацией двухслойного диска формата HDCD, разработанного с применением технологии фирмы ЗМ, по которой изображение и звук записываются в сжатом виде по алгоритму MPEG-2. По окончании воспроизведения с первого слоя фотосчитывающее устройство переходит на другой слой в течение 3 мс. При воспроизведении непрерывных последовательностей движущихся изображений с использованием микросхем памяти задержка незаметна. Переход с одного слоя на другой в некоторых местах приводит к нарушению непрерывности воспроизведения на несколько секунд. Это происходит из-за того, что данные сжаты по алгоритму MPEG, и при применении этих компакт-дисков для мультимедиа переход со слоя на спой длится 3 мс. Двухслойный диск имеет полуотражающий слой, отстоящий от полностью отражающего слоя на 40 мкм. Первый полуотражающий слой напыляется на подложку диска. Затем на первый слой наносится жидкая смола, отверждаемая ультрафиолетовым излучением. Второй слой после формирования отверждается также ультрафиолетовым излучением.

Несмотря на то, что для двухслойного диска фирме Matsushita могут понадобиться сложные микросхемы контроля второго слоя, так как сигнальный слой наносится в зеркально отраженном виде, оба формата - и фирмы Matsushita, и фирмы Sony - имеют примерно одинаковые возможности. Однако комбинированный диск, продемонстрированный фирмами Philips и Sony, пока обладает более совершенными характеристиками (на комбинированный диск нанесен первый несущий слой и второй слой для данных мультимедиа).

Технология оптических дисков на базе красного лазера постепенно приблизилась к своим физическим пределам. После казавшегося бесконечным потока форматов записи и скоростных рывков дальнейшее совершенствование записывающих накопителей DVD наконец стало почти невозможным. Новые поколения записывающих накопителей DVD появлялись несколько раз в год, в продаже появлялись новые, более совершенные накопители. В настоящее время DVD-технология достигла полной зрелости, естественное решение в такой ситуации - внедрить совершенно новую технологию, чтобы на порядок улучшить характеристики существующих продуктов. Проблема заключается в том, что даже на столь поздней стадии проектирования нет единого мнения о том, какой формат должен прийти на смену DVD.

Ведущие предприятия отрасли затратили огромные ресурсы на проектирование и рекламу соперничающих семейств оптических дисков на основе синего лазера - HD DVD и Blu-ray. Информационная емкость и пропускная способность этих дисков значительно выше, чем у DVD. Однако пока нельзя с уверенностью сказать, что какой-то из новых форматов будет господствовать на рынке или даже вытеснит современную технологию, хотя создание унифицированного формата планируется уже в 2007 году.

Первые владельцы накопителей с синим лазером, скорее всего, будут использовать их в качестве периферийных устройств хранения данных. В скором времени за внимание потребителей будут соперничать многие другие форматы оптических дисков и служб доставки потокового контента, а диски DVD могут оставаться основным средством хранения и распространения видеоматериалов возможно до конца десятилетия.

В цифровых оптических дисках, таких, как CD и DVD, двоичные данные представлены микроскопическими изменениями высоты поверхности диска, называемыми впадинами (pit) и площадками (land). Биты данных соответствуют переходам между приподнятыми площадками и вытравленными впадинами, которые составляют спираль, похожую на желобок грампластинки. При массовом тиражировании CD этот рисунок отпечатывается на 1,2-мм прозрачном поликарбонатном диске, на который затем наносится сверхтонкое отражающее металлическое покрытие (обычно из алюминия или золота) и этикетка. Для чтения данных луч инфракрасного лазера направляется на поликарбонатную подложку. Затем измеряются характеристики света, отраженного от зеркальной поверхности. Впадины и площадки отражают свет по-разному, и оптический датчик считывает штампованный рисунок, обнаруживая изменения в отраженном луче при лазерном сканировании желобка. Результаты измерений можно преобразовать в исходный цифровой вид.

В DVD используется аналогичный метод, но применяется красный лазер с более короткой длиной волны и более узким лучом света. В результате повышается плотность размещения дорожек, так что удается записать 4,37 Гбайт (4,7 млрд. байт) данных в одном информационном слое (в 6 раз больше, чем на 700-Мбайт CD). DVD отличается от 1,2-мм CD и структурой; диски DVD состоят из двух похожих на CD дисков половинной толщины 0,6 мм, склеенных задними поверхностями. Это не только защищает уязвимое зеркальное покрытие, скрытое в середине диска, но и позволяет получить двусторонние DVD - с данными, отпечатанными на обеих половинках диска, - их можно переворачивать, как грампластинки. На каждом 0,6-мм полу-диске можно хранить огромный объем данных - 7,95 Гбайт, если разделить его на две еще более тонкие пластины, на каждой из которой штампуются данные. После того как диск полностью собран, два массива данных можно считывать независимо друг от друга, изменяя фокусное расстояние лазера. Под слоем, расположенным ближе к оптической считывающей головке (известным как Layer 0), находится полуотражающая поверхность, через которую проходит луч от лазера, сфокусированного на более глубоком слое Layer 1.

Рис. 3

В двухслойном диске слой Data Layer 0, расположенный ближе к лазеру, имеет полуотражающее заднее покрытие. Когда лазерный луч сфокусирован на слое Layer 0, покрытие пропускает лишь слабый, рассеянный свет к расположенному на большой глубине слою Layer 1. Но когда лазерный луч сфокусирован на слое Layer 1, основная часть света в виде когерентного луча проходит сквозь покрытие Layer 0.
Однократно записывающие оптические диски устроены аналогичным образом, но вместо штампованного рисунка данных содержат слой светочувствительного органического красителя. Изменение оптических свойств участка поверхности в результате выжигания точки красителя лазером соответствует штампованию впадины, - таким образом данные записываются на диск.

Табл. 1

Накопители с возможностью одно- и многократной записи отличаются только типом светочувствительного материала. При прожигании DVD-R, DVD+R (форматы с однократной записью) или CD-R происходят необратимые изменения. В DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM и CD-RW (форматы с многократной записью) используется металлический слой с изменяемым фазовым состоянием (отражающее и неотражающее), которое можно менять в обоих направлениях. В табл. 1. приводится существующие стандарты технологий DVD, в табл. 2 показаны сравнительные характеристики CD, DVD, HD DVD, BLU-RAY.
Если DVD и HD DVD очень похожи, то формат Blu-ray - совсем другое дело. Впадины и площадки на диске Blu-ray (также известного как BD) слишком малы, чтобы надежно считывать их с быстровращающегося 0,6-мм слоя пластика, поэтому данные отпечатываются непосредственно на внешней поверхности диска и покрываются защитным слоем толщиной 0,1 мм. Из-за такого сочетания сверхвысокой плотности и короткого фокусного расстояния диски Blu-ray потенциально еще больше уязвимы для царапин, чем DVD. Носители Blu-ray первого поколения, которые продавались только в Азии, даже размещались в защитных картриджах, но в скором времени появились сверхпрочные защитные покрытия компании TDK, Verbatim/MKM и других. Диски DVD-Video хорошо подходили для записи кинофильмов стандартной четкости (standard-definition - SD). На одностороннем двухслойном диске можно легко разместить полнометражный художественный фильм, меню, несколько звуковых дорожек и дополнительные материалы. Но для хранения больших видеофильмов высокой четкости требуется в четыре раза больше места, чем для фильмов SD, и их нельзя было записать в 4,37-Гбайт слои данных с помощью алгоритма сжатия MPEG-2. Эту проблему решает технология изготовления накопителей большой емкости, где применяется фиолетово-синий лазер с меньшей длиной волны, благодаря чему значительно увеличивается плотность записи данных.

Табл. 2

Лазерная головка CD, MD и DVD - сложная электронная система, подверженная естественному старению. Создание эффективных полупроводниковых лазеров позволило в конце 70-х годов прошлого века разработать новые способы сохранения больших объемов информации (аудио, видео, компьютерные данные) на дисковых носителях. Позднее к CD добавились MD и DVD. Увеличивался объем записываемой информации, появились записываемые (R) и перезаписываемые (RW) диски. Однако лазерные головки (LPU - Laser Pick-Up), уменьшаясь в габаритах, мало изменились конструктивно, сохранив почти неизменной и оптическую схему и механику - настолько все оказалось изначально удачным. Самое существенное изменение за почти четверть века - это введение второго (красного) лазера в некоторых типах DVD головок.
Применявшаяся в первых LPU однолучевая схема довольно скоро была практически полностью вытеснена трехлучевой. При этом заметно упростилось получение SERVO-сигнала управления и стабильность работы устройств, тогда как практически не изменилось формирование EFM-сигнала, иногда называемого "EYE PATTERN". Со временем в работе оптического диска начинают появляться сбои. Причин может быть много: от запыления оптики LPU до нарушения энергетики и пространственной когерентности лазерного луча вследствие деградации лазерного кристалла. Падение мощности излучения лазера в некоторой степени можно скорректировать резистором на LPU (рис. 4)
Нарушение когерентности (сильно зашумленная, искаженная "EYE PATTERN") не "лечится", и остается только замена LPU. Установка меньшего значения размаха EFM приводит к неустойчивой работе аппарата. При большей величине EFM заметно уменьшается ресурс лазера.
Для надежного считывания данных DVD потребовалось разработать значительно более прецизионные оптические лазерные головки. Кроме того, для считывания более мелких пит используется лазерный луч с меньшей длиной волны 0,635 - 0,650 мкм и увеличенной до 0,6 апертурой линзы (в CD - проигрывателях используется лазерный луч с длиной волны 0,780 мкм и оптическая система с апертурой 0,45 ). Это позволило сфокусировать лазерный луч на поверхности информационного слоя в пятно гораздо меньших размеров и обеспечить надежное считывание микрорельефа DVD-диска. Вследствие большей плотности записи на DVD-диске и большей чувствительности скомпрессированных сигналов звука и изображения к ошибкам и сбоям цифровых данных, в формате DVD используются более эффективные схемы модуляции цифровых данных "8 в 14" (EFM Plus) и улучшенная схема коррекции ошибок цифровых данных - RSPC (Reed Solomon Product Code). Это позволило почти на порядок повысить надежность считывания данных с DVD-диска.

Рис. 4

Фирмы Matsushita и Sony создали оптический диск DVD-RAM с высокой плотностью записи на основе использования коротковолнового лазера синего цвета ("синий" лазер с длиной волны 0,425 мкм). Такой лазер способен создать на поверхности матрицы DVD-диска питы размером в 0,24 мкм. Это обеспечит возможность записи на DVD-диск стандартного размера 12 см до 12-15 Гбайт цифровой информации. Фирмы-изготовители уже заявили о разработке ими еще более совершенных DVD-проигрывателей - следующего, 3-его поколения. В зависимости от их вида и назначения DVD-диска различают следующие типы дисков:
- DVD-Video - для записи цифровых сигналов звука и изображения, подвергнутых процедуре сжатия цифрового потока;
- DVD-Audio - для записи высококачественного не скомпенсированного цифрового звука с параметрами дискретизации 24 бит/96 кГц или другими альтернативными цифровыми форматами звукозаписи (до настоящего времени требования к стандарту DVD - Audio окончательно не определены);
- DVD-ROM - для записи компьютерных программ и другой цифровой мультимедиа информации;
- DVD-R - диски с возможностью однократной записи информации;
- DVD-RAM (DVD-RW) - диски с возможностью многократной перезаписи данных.

По конструктивному исполнению DVD - диски на 4 различных типа. Они бывают одно- и двухслойными, при этом информация может записываться на одной или на двух сторонах диска. Диски имеют следующие обозначения (цифра в наименовании - это округленное значение емкости в Гбайтах):
- DVD-1 (Single-sided, Single-layer disc), однослойный односторонний диск емкостью 1,36 Гбайт, имеет размеры: диаметр 8 см и толщину 1,2 мм;
- DVD-2 (Single-sided, Double-layer disc), двухслойный односторонний диск емкостью 2,48 Гбайт, имеет два информационных слоя: внутренний слой, на поверхность которого наносится слой из специального полупрозрачного материала, размеры: диаметр 8 см и толщину 1,2 мм;
- DVD-3 (Double-sided, Single-layer disc), двухсторонний оптический диск с одним информационным слоем, обладает емкостью в 2,72 Гбайт. Размеры: диаметр 8 см и толщину 1,2 мм;
- DVD-4 (Double-sided, Double-layer disc), двухсторонний диск с двумя информационными слоями, обладает емкостью в 4,95 Гбайт, размеры: диаметр 8 см и толщину 1,2 мм;
- DVD-5 ( Single-sided, Single-layer disc ), однослойный односторонний диск емкостью 4,7 Гбайт, имеет стандартные для CD размеры: диаметр 12 см и толщину 1,2 мм;
- DVD-9 (Single-sided, Double-layer disc), двухслойный односторонний диск емкостью 8,5 Гбайт, имеет два информационных слоя: внутренний слой, на поверхность которого наносится слой из специального полупрозрачного материала, имеет стандартные для CD размеры: диаметр 12 см и толщину 1,2 мм;
- DVD-10 (Double-sided, Single-layer disc), двухсторонний оптический диск с одним информационным слоем, обладает емкостью в 9,4 Гбайт, имеет стандартные для CD размеры: диаметр 12 см и толщину 1,2 мм;
- DVD-18 (Double-sided, Double-layer disc), двухсторонний диск с двумя информационными слоями, обладает емкостью в 17 Гбайт, имеет стандартные для CD размеры: диаметр 12 см и толщину 1,2 мм.

В DVD используется файловая система микро-UDF - подмножество UDF (Universal Disk Format). Файловая система не зависит от платформы, обеспечивает эффективный файловый обмен, ориентирована на диски CD-ROM и CD-R, основана на стандарте ISO 13346. Имеется расширение UDF для поддержки перезаписываемых дисков. Комбинация UDF и ISO9660, известная как UDF Bridge, позволяет обращаться к данным дисков как из ОС, не поддерживающих UDF (например, Windows 95), так и поддерживающих UDF (Windows 98/2000/XP). Диски DVD-видео и аудио используют только файлы в системе UDF, размер файла не должен превышать 1 Гбайт. Как для компьютерных, так и для телевизионных приложений диски DVD должны иметь единую файловую систему. Видео и аудиофайлы на дисках DVD должны находиться в каталогах VIDEO_TS и AUDIO_TS, соответственно, расположенных в корневом каталоге диска.

Файловая система UDF представляет собой упорядоченный список с древовидной структурой. Основным элементом этой структуры является так называемый блок управления информацией (Information Control Block, сокращенно ICB). В соответствии со стандартом ЕСМА-167, каждая записанная на диск копия файла, должна быть описана в элементе ICB. Файлы и структуры данных файловой системы записываются на диск в виде непрерывных последовательностей блоков. Такая непрерывная последователъность блоков, содержащая некоторую единицу информации (файл или структуру данных), называется экстентом. Размер экстента и его местоположение на диске описывается при помощи дескриптора экстента (Extent Descriptor), который имеет строго определенный формат. Назначение дескриптора некоторой области данных тома описывается с помощью тэга дескриптора. Первичный дескриптор тома (PVD) идентифицирует том и определяет ряд его атрибутов. Структура дескриптора экстента, тэга заимствована из спецификации ЕСМА-167 без дополнений. Имена файлов могут содержать до 255 символов и могут содержать буквы верхнего и нижнего регистров.

Несмотря на широкую поддержку, HD DVD и Blu-ray - не единственные перспективные технологии. Рынок быстро заполняется разнообразными альтернативными форматами оптических дисков.

EVD (Enhanced Versatile Disc - усовершенствованный универсальный диск). Результат попытки китайских специалистов создать как для внутреннего, так и внешнего рынка формат на базе красного лазера, аналогичный DVD. Пользуется поддержкой Beijing E-World Technology, консорциума крупнейших производителей бытовой электроники Китая.

FVD (Forward Versatile Disc - передовой универсальный диск). Благодаря сочетанию увеличенной на 15% плотности данных, алгоритму шифрования AES и кодеку Microsoft Windows Media 9, эта разновидность DVD пригодна для записи контента высокой четкости (HD) с использованием красного лазера. В поддержку формата выступает AOSRA (Advanced Optical Storage Research Alliance), консорциум тайваньских изготовителей оптических накопителей и дисков.

Голографические диски. Голографический метод записи обеспечивает плотность записи и скорость передачи данных, значительно превышающие показатели устройств HD и Blu-ray. В демонстрационных образцах уже достигнуты емкость 200Гбайт и скорость 1 Гбит/с; емкость носителей планируется увеличить до 1,6 Тбайт. Технологию развивает консорциум Holographic Versatile Disc Allianсе, состоящий из шести участников, в частности компаний CMC Magnetics, Fuji Photo Film и Optware. Выделившаяся из состава Lucent фирма InPhase Technologies и многие компании, участвовавшие в разработке DVD, также проектируют голографические носители. В 2006 г. InPhase планирует выпустить устройство однократной записи 300-Гбайт дисков HDS (Holographic Data Storage - голографическое хранилище данных) с начальной ценой от 6000 до 8000 долл. Организация по стандартам Ecma International начала разработку спецификаций для 200-Гбайт HVD-R и 100-Гбайт HVD-ROM, которые могли бы сделать эту технологию архивирования данных аналогичной доставке контента на базе DVD.

Недавно появилось сообщение о создании так называемых трехмерных оптических дисков. Под трехмерностью понимается наличие множества слоев, хранящих информацию. Принцип считывания этих устройств существенно отличается от традиционных. Здесь лазерный луч в радиальном направлении с торцевой (цилиндрической) стороны диска просвечивает один из информационных слоев носителя и вызывает люменесцентное свечение участков, модулированное записанной информацией. Свечение проходит через прозрачные слои носителя (в том числе и другие, несущие информацию) и улавливается фотоприемной считывающей головкой со стороны плоской поверхности диска. Выбор считываемого слоя осуществляется перемещением лазера вдоль оси вращения. Технологичность производства дисков и накопителей сулит невиданно выгодное сочетание емкости и цены при скорости считывания и времени доступа, не уступающих жестким дискам. Прорабатывается и технология индивидуальной записи на эти носители.

Категория: Дополнительные устройства | Добавил: solidax (07 Январь 2014)
Просмотров: 972 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: