1. Podstawowe informacje o płytach CD

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 1.6µm. 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.
120 (œrednica zewnêtrzna)
33 min.
26 maks.
15
(Przekrój poprzeczny)
Obszar zaciskania
dysku
Aluminiowa
warstwa
odbijaj¹ca
Etykieta,
pow³oka ochronna
1.2mm
46
Obszar startowy maks.
50
Pocz¹tek obszaru u¿ytkowego
Pod³o¿e poliwêglanowe
(wspó³czynnik za³amania 1.5)
33
Obszar u¿ytkowy
117
Obszar koñcowy maks.
(Powiêkszenie)
1.2mm
1.6µm
Etykieta,
warstwa ochronna
Aluminiowa warstwa
odbijaj¹ca
Obszar startowy
Obszar u¿ytkowy
0.11µm
1.6µm
Rowek
Odstêp pomiêdzy
œcie¿kami
Obszar koñcowy
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
Obszarowa gêstoœæ nagrywania
43 kbit/cal (1.2m/s)
2
683 Mbit/cal
Specyfikacja sygna³u fonicznego
Liczba kana³ów
2 (stereo)
Czas odtwarzania
74min 44s (mo¿e byæ d³u¿szy)
Pasmo czêstotliwoœci
20 ÷ 20000Hz
Zakres dynamiki
> 90 dB
Zniekszta³cenia harmoniczne
Separacja kana³ów
< 0.01%
> 90dB
Ko³ysanie i dr¿enie
zale¿y od stabilnoœci oscylatora kwarcowego
Czêstotliwoœæ próbkowania
44.1kHz
Kwantyzacja
Sposób zapisu informacji binarnej
16-bitowa liniowa
kod z uzupe³nieniem do 2
Preemfaza
brak lub 50/15 µs
Modulacja
EFM
Przep³ywnoœæ binarna (bit/kana³)
4.3218 Mbit/s
Korekcja b³êdów
SzybkoϾ transmisji
CIRC
2.034 Mbit/s
Specyfikacja dysku
Œrednica dysku
120mm
GruboϾ dysku
1.2mm
Œrednica otworu centralnego
15mm
Przestrzeñ programu
50 ÷ 116mm
Prêdkoœæ skanowania
Prêdkoœæ obrotowa
1.2 ÷ 1.4m/s
500 ÷ 200obr./min.
Odstêp miêdzy œcie¿kami
1.6µm
Rozmiar œladu bitowego (pitu)
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.
oko³o 1µm
T = 0.2892µm
Warstwa ochronna
(30µm)
Rozró¿nia siê 9 d³ugoœci rowków:
od 3T do 11T
G³êbokoœæ rowka: 0.11µm
Rowek
Odstêp œcie¿ek
1.6µm
1.6µm
3T=min
Rowek
Optycznie:
0.11×1.5=0.165µm
Aluminiowa warstwa
odbijaj¹ca (0.1µm)
Brud Rysy
Przezroczysta
warstwa
plastikowa
o wspó³czynniku
za³amania 1.5
oko³o
1mm
11T
Plamka wi¹zki laserowej
Szerokoœæ 0.4 do 0.5µm
Zespó³ soczewek
Kierunek obrotu dysku
Œwiat³o
laserowe
Rys.1.3. Rozmiary rowków na p³ycie CD.
TECHNOLOGIA CD I DVD
Na dysku œcie¿ki
u³o¿one s¹ spiralnie
G³owica optyczna
CD
Informacja jest
podzielona na bloki
Sygna³
synchronizacji
ka
1.
ra
m
ka
Kierunek
obrotów
3. ram
ka
ram
.
2
2. ramka
1. ramka
Sygna³
synchronizacji
Subkody
Bity
Bity
Bity korekcyjne
Bity korekcyjne
informacyjne i kontrolne informacyjne
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 ramek = 1 blok danych
98 × 24 = 2352 bajty
98
98 × 24 bajty
Ramka danych audio
2 × 6 × 16 = 192 bity = 24 bajty
Dane subkana³owe
(subkana³y P ÷ W)
8 bitów
Synchronizacja
3 bajty
Dane subkana³owe
1 bajt
24 bajty
Dane audio
24 bajty
CIRC
8 bajtów
36 bajtów
Ramka fizyczna = 36 bajtów
8 bitów (1 bajt)
Modulacja EFM
17 bitów
Rys.1.5. Organizacja danych na p³ycie audio.
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 (28), 14 bitów daje 16.384 kombinacji (214). 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
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)
CD-G i CD-Text
HDCD
CD-ROM
CD-R
CD-RW
CD-ROM XA
CD-Extra
CD-I Bridge
CD Mixed Mode
Photo-CD
Video-CD
CD-I
SVCD
Rys.1.6. Formaty p³yt CD.
PC, gry, itp.
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
Zastosowanie
Czerwona ksiêga (Red Book)
¯ó³ta ksiêga (Yellow Book)
Audio CD (CD-DA), CD-G (CD-Graphics), CD-Text
CD-ROM, CD-ROM XA
Zielona ksiêga (Green Book)
Pomarañczowa ksiêga (Orange Book)
Niebieska ksiêga (Blue Book)
Bia³a ksiêga (White Book)
CD-I (CD-Interactive)
CD-MO, CD-R, CD-RW
CD Extra
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.