Как делаются CD-R диски? (часть 1)

Что делают питы в "алюминиевых" дисках

Всем известно, что информация на компакт-диске ("настоящем", который называется CD-ROM) представляется в виде "питов" (pit - яма, углубление). Внешний вид основы (до нанесения отражающего слоя) приведён на рис. 1. Трёхмерное изображение поверхности основы CD-ROM построено по результатам измерений, проведенных в лаборатории атомно-силовой микроскопии Института физики полупроводников Национальной академии наук Украины. Измерения выполнены с помощью атомно-силового микроскопа (Atomic Force Microscope) NanoScope IIIa фирмы Digital Instruments.

рис. 1

Каждый пит - это не биты записанной информации, нельзя питы и ленды связывать с "1" или "0". Каждый пит или ленд представляет сразу несколько бит информации.

Дело в том, что информация, подготовленная к размещению на компакт-диске, подвергается ряду сложных преобразований. В первую очередь это мощная система помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивое кодирование и особенно система, примененная в компакт-дисках, - это очень интересная, но и весьма сложная тема. В рамках данного цикла статей мы её касаться не будем. Для правильного понимания дальнейшего материала нам важно вспомнить только два момента.

Во-первых, то, что информация представлена в последовательном коде.

Во-вторых, то, что после всех преобразований, связанных с помехоустойчивым кодированием, непосредственно перед размещением информации на компакт-диске осуществляется ещё одно, так называемое канальное кодирование. В компакт-дисках применяется канальный код EFM (Eight to Fourteen Modulation). Этот код разработан фирмой Philips специально для лазерной звукозаписи. Суть канального кодирования EFM заключается в том, что каждый байт информации заменяется 14-разрядным словом из специальной таблицы преобразования. К полученному таким образом 14-разрядному слову по определённому правилу добавляется ещё три так называемых соединительных разряда. В результате канального кодирования получается непрерывная последовательность бит, причём между двумя единицами никогда не может быть меньше двух или больше десяти нулей.

Именно эта последовательность бит, в которой между двумя единицами не меньше двух и не больше десяти нулей, и представлена на компакт-диске питами. Причём питы и ленды чередуются в моменты, соответствующие началу бита, равного "1". Если до этого был, например, "ленд", то становится "пит", и наоборот. Таким образом, питы и ленды с точки зрения представления информации равнозначны и характеризуют только временные интервалы между двумя единицами в последовательности бит. Поскольку состояние (ленд или пит) изменяется в моменты, соответствующие именно началу бита, равного "1", то протяженность каждого участка (и пита, и ленда) лежит в пределах от 3 периодов тактовой частоты (это называется интервалом 3Т) до 11 периодов (11Т), т.е. включает и длительность одного бита, равного "1" (рис. 2).

рис. 2

От участка, который называется "ленд", свет лазера отражается и попадает в фотоприёмники. От участков, которые называются "пит", свет, конечно, тоже отражается, но из-за расфокусировки луча в фотоприёмники не попадает (рис. 2а).

Размеры каждого пита чрезвычайно малы, меньше диаметра сфокусированного пятна лазера. Поэтому ток фотоприёмника не мгновенно появляется и исчезает, а плавно изменяется от минимального до максимального значения (рис. 2б). Это так называемый высокочастотный информационный сигнал.

Чтобы можно было выделить информацию, высокочастотный информационный сигнал преобразуется компаратором в последовательность прямоугольных импульсов (рис. 2в).

Длительность каждого из полученных таким способом прямоугольных импульсов кратна периоду следования битов последовательного кода (рис. 2г). Каждые 14 последовательных периодов декодируются в один байт информации, соединительные разряды просто отбрасываются.

Такая сложная система появилась, конечно, не от хорошей жизни. Питы, кроме того, что в их расположении на диске содержится записанная информация, выполняют и другие, очень важные для считывания этой информации функции.

Дело в том, что на компакт-диске информация упакована с очень высокой плотностью. Размеры каждого пита очень малы - порядка 0,6 мкм, а шаг спирали - всего 1,6 мкм. При таких размерах точно позиционировать считывающую головку можно только с помощью замкнутой системы автослежения. Все приводы CD-ROM имеют достаточно сложный механизм автослежения (автотрекинга). Причём какой-либо дополнительной разметки на диске нет. Слежение осуществляется за самой дорожкой с данными и именно за расположенными по спирали питами. Управляющий сигнал для системы автослежения может вырабатывается только тогда, когда присутствуют тёмные участки (питы), поскольку ленд - это на самом деле вся остальная (кроме питов) поверхность диска, и какая-либо информация на ней отсутствует.

Благодаря описанному выше способу представления информации тёмные участки (питы) не могут отсутствовать больше, чем 10 периодов тактовой частоты. Этого вполне достаточно, чтобы следящая система успевала своевременно корректировать положение головки.

Вторая трудная задача, которая возникает при считывании информации с компакт-диска, - это точное выделение временных интервалов, соответствующих периоду следования символов последовательного кода. Ведь на самом деле период следования символов зависит от скорости вращения диска. Поддерживать скорость вращения диска с требуемой точностью практически невозможно. Поэтому было принято другое решение: скорость вращения диска только примерно соответствует требуемой, а временные интервалы определяются периодом следования встроенного тактового генератора. Частота и фаза этого генератора подстраивается под реальную скорость поступления информации с помощью инерционной системы автоподстройки. Благодаря инерционности этой системы корректировать частоту и фазу генератора не обязательно каждый период. Но периодическая коррекция всё же требуется, и канальный код EFM как нельзя лучше подходит для данной задачи.

(продолжение следует)