Из чего состоит компакт-диск
Обновлено: 06.07.2024
Компакт-диск или компакт-диск – это оптический диск, используемый для хранения цифровых данных, изначально разработанный для хранения цифрового аудио. Компакт-диск, доступный на рынке с конца 1982 г., остается стандартным физическим носителем для коммерческих аудиозаписей с 2007 г.
Содержание
Стандартные компакт-диски имеют диаметр 120 миллиметров (мм) и могут содержать около 80 минут аудио, в зависимости от формата записанных песен. Есть также диски диаметром 80 мм, которые иногда используются для синглов на компакт-дисках, которые содержат около 20 минут звука. Позднее технология компакт-дисков была адаптирована для использования в качестве устройства хранения данных, известного как CD-ROM, и включала носители с однократной записью и перезаписываемыми носителями (CD-R и CD-RW). CD-ROM и CD-R остаются широко используемыми технологиями в индустрии персональных компьютеров по состоянию на 2007 год. CD и его расширения были чрезвычайно успешными: в 2004 г. R достиг около 30 млрд дисков.
История
В 1979 году Philips и Sony создали совместную рабочую группу инженеров для разработки нового цифрового аудиодиска. Видными членами целевой группы были Юп Синджоу, Кес Имминк и Тоши Тада Дои. После года экспериментов и обсуждений целевая группа подготовила «Красную книгу», стандарт компакт-диска. Philips внесла свой вклад в общий производственный процесс, основанный на технологии Video LaserDisc. Philips также представила модуляцию от восьми до четырнадцати (EFM), которая обеспечивает как длительное время воспроизведения, так и высокую устойчивость к повреждениям при обращении с диском, таким как царапины и отпечатки пальцев, а Sony предоставила метод исправления ошибок CIRC. История компакт-диска [1], рассказанная бывшим членом рабочей группы, дает справочную информацию о многих принятых технических решениях, включая выбор частоты дискретизации, времени воспроизведения и диаметра диска. По словам Philips, таким образом, компакт-диск был «изобретен коллективно большой группой людей, работающих как одна команда». [2].
Компакт-диск появился на рынке Азии в конце 1982 года, а в начале следующего года - в США и на других рынках. Первыми доступными компакт-дисками были 16 наименований японского производства от CBS / Sony. Это событие часто называют «Большим взрывом» цифровой звуковой революции. Новый аудиодиск был встречен с энтузиазмом, особенно в сообществах любителей классической музыки и аудиофилов, а качество обработки получило особую похвалу. Поскольку цены на проигрыватели быстро падали, компакт-диски начали набирать популярность на более крупных рынках популярной и рок-музыки.
Компакт-диск изначально рассматривался как эволюция граммофонной пластинки, а не в первую очередь как носитель данных. Только позже возникла концепция «аудиофайла» и ее обобщение на любой файл данных. Компакт-диск, зародившийся как музыкальный формат, расширился до других приложений. В июне 1985 г. были представлены компакт-диски (постоянная память), а в 1990 г. — записываемые компакт-диски, также разработанные Sony и Philips.
Физические данные
Компакт-диск изготовлен из диска толщиной 1,2 мм из почти чистого поликарбонатного пластика и весит примерно 16 граммов. Тонкий слой алюминия Super Purity (или редко золота, используемого для долговечности данных, например, в некоторых аудиофильских компакт-дисках ограниченного выпуска) нанесен на поверхность, чтобы сделать ее отражающей, и защищен пленкой лака. Лак обычно печатается напрямую, а не с клейкой этикеткой. Распространенными методами печати компакт-дисков являются трафаретная и офсетная печать.
Данные компакт-диска хранятся в виде серии крошечных углублений (ямок), закодированных в плотно упакованной спиральной дорожке, отформованной в верхней части поликарбонатного слоя. Области между ямами известны как «земли». Каждая ямка имеет глубину примерно 100 нанометров (нм), ширину 500 нм и длину от 850 до 3500 нм. Расстояние между дорожками, называемое шагом, составляет 1,6 микрометра (мкм).
CD считывается путем фокусировки полупроводникового лазера с длиной волны 780 нм через нижнюю часть поликарбонатного слоя. Разница в высоте между ямками и землями приводит к разнице фаз между светом, отраженным от ямы, и светом от окружающей ее земли. Измеряя интенсивность с помощью фотодиода, можно считать данные с диска.
Ямы и поля сами по себе не представляют напрямую нули и единицы двоичных данных. Вместо этого используется кодировка «Без возврата к нулю, инвертированная»: переход от ямы к земле или от земли к яме указывает на единицу, а отсутствие изменения указывает на ноль. Это, в свою очередь, декодируется путем реверсирования модуляции от восьми до четырнадцати, используемой при мастеринге диска, а затем реверсирования кодирования Рида-Соломона с перекрестным чередованием, что, наконец, открывает необработанные данные, хранящиеся на диске.
Ямки располагаются намного ближе к стороне диска с этикеткой, поэтому дефекты и грязь на прозрачной стороне могут быть не в фокусе во время воспроизведения. Следовательно, диски больше повреждаются из-за таких дефектов, как царапины на стороне с этикеткой, в то время как царапины на прозрачной стороне можно исправить, заполнив их пластиком с аналогичным показателем преломления или отполировав.
Формы и диаметры дисков
Цифровые данные на компакт-диске начинаются в центре диска и продолжаются к краям, что позволяет адаптировать его к различным доступным форматам размера. Стандартные компакт-диски доступны в двух размерах. На сегодняшний день наиболее распространенным является 120 мм в диаметре, с емкостью звука 74 или 80 минут и емкостью данных 650 или 700 МБ. Диски диаметром 80 мм («Мини-компакт-диски») изначально были предназначены для синглов на компакт-дисках и могут содержать до 21 минуты музыки или 184 МБ данных, но так и не стали популярными. Сегодня почти все синглы выпускаются на 120-мм компакт-дисках, называемых макси-синглами.
| Физический размер | продается "650 МБ" | продается "700 МБ" | 12 см | 682 МБ (650 МиБ) | 737 МБ (703 МиБ) |
|---|
Аудио формат
Технический формат аудио компакт-диска (Compact Disc Digital Audio — CDDA) изложен в документе, выпущенном в 1980 году совместными создателями формата, Sony и Philips. Документ известен в просторечии как «Красная книга» по цвету обложки. Формат представляет собой двухканальное 16-битное кодирование PCM с частотой дискретизации 44,1 кГц. Четырехканальный звук разрешен в рамках формата Красной книги, но никогда не был реализован.
Аудио компакт-диск состоит из одной или нескольких стереофонических дорожек, записанных с использованием 16-битного кодирования с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) с частотой дискретизации 44,1 кГц. Частота дискретизации 44,1 кГц унаследована от метода преобразования цифрового звука в аналоговый видеосигнал для хранения на видеоленте, который был самым доступным способом передачи данных из студии звукозаписи производителю компакт-диска во время спецификации компакт-диска. разрабатывался.
Устройство, которое преобразует аналоговый аудиосигнал в звук PCM, который, в свою очередь, преобразуется в аналоговый видеосигнал, называется адаптером PCM. Эта технология может хранить шесть сэмплов (по три семпла на каждый стереоканал) в одной горизонтальной строке. Стандартный видеосигнал NTSC имеет 245 используемых строк на поле и 59,94 поля/с, что составляет 44 056 выборок/с/стереоканал. Точно так же PAL имеет 294 строки и 50 полей, что дает 44 100 выборок в секунду на стереоканал. Эта система может хранить либо 14-битные выборки с некоторой коррекцией ошибок, либо 16-битные выборки практически без исправления ошибок.
Когда рабочая группа Sony/Philips разработала компакт-диск, велись долгие споры о том, следует ли использовать 14- или 16-битные сэмплы, а также 44 056 или 44 100 сэмплов. Philips уже разработала 14-битный цифро-аналоговый преобразователь, но Sony настаивала на 16-битном. В итоге преобладали 16 бит и 44,1 килоотсчета в секунду. Компания Philips нашла способ добиться 16-битного качества с помощью своего 14-битного ЦАП, используя четырехкратную передискретизацию.
Емкость хранилища и время воспроизведения
Первоначальная целевая емкость компакт-диска составляла час аудиоконтента, и диаметр диска 115 мм был достаточным для достижения этой цели. Согласно Philips, вице-президент Sony Норио Ога предложил увеличить продолжительность до 74 минут, чтобы вместить полное исполнение 9-й симфонии Бетховена; [3] но Киз Имминк из Philips это отрицает.
Согласно интервью Sunday Tribune, эта история немного сложнее. В то время (1979 г.) Philips владела Polygram, одним из крупнейших в мире дистрибьюторов музыки. Polygram открыла большой экспериментальный завод по производству компакт-дисков в Ганновере, Германия, который мог производить огромное количество компакт-дисков, конечно, диаметром 11,5 см. У Sony еще не было такой возможности. Если бы Sony согласилась на диск диаметром 11,5 см, у Philips было бы значительное конкурентное преимущество на рынке. Sony знала об этом, ей это не нравилось, и нужно было что-то делать. Длительное время воспроизведения Девятой песни Бетховена, навязанное Охгой, было использовано, чтобы подтолкнуть Philips к принятию 12 см, так что Polygram Philips потерял свое преимущество в производстве дисков.
Время воспроизведения компакт-диска – 74 минуты, что больше, чем у большинства долгоиграющих виниловых альбомов, – часто использовалось в интересах компакт-дисков в первые годы, когда компакт-диски и пластинки соперничали за коммерческие продажи. Компакт-диски часто выпускались с одним или несколькими бонус-треками, что побуждало потребителей покупать компакт-диски из-за дополнительного материала. Однако попытки объединить двойные LP на один компакт-диск иногда приводили к противоположной ситуации, когда на компакт-диске фактически предлагалось меньше треков, чем на LP-эквиваленте. Примером может служить альбом 1987 года Kiss Me, Kiss Me, Kiss Me группы The Cure, в примечаниях к компакт-диску которого говорится: «Трек «Hey You.', который появляется на двойном альбоме, а кассета была опущена, чтобы упростить выпуск одного компакт-диска ». Другим примером является оригинальное переиздание Warner Bros. длинная альбомная версия "Sara" с более короткой сингловой версией. Было подано достаточно жалоб, чтобы в конечном итоге убедить Warner Bros. сделать ремастеринг альбома в середине 1990-х годов с сохранением исходного содержания.
Основные физические параметры
Основные параметры компакт-диска (взятые из спецификации компакт-диска за сентябрь 1983 г.) следующие:
- Скорость сканирования: 1,2–1,4 м/с (постоянная линейная скорость) — эквивалентна примерно 500 об/мин при чтении с внутренней стороны диска и примерно 200 об/мин при чтении с внешнего края. (Диск, воспроизводимый от начала до конца, замедляется во время воспроизведения.)
- Шаг дорожки: 1,6 мкм.
- Диаметр диска 120 мм.
- Толщина диска: 1,2 мм.
- Внутренний радиус программной области: 25 мм.
- Внешний радиус программной области: 58 мм.
- Диаметр отверстия центрального шпинделя: 15 мм.
Площадь программы составляет 86,05 см², а длина записываемой спирали составляет приблизительно 86,05 см² / 1,6 мкм = 5,38 км. При скорости сканирования 1,2 м/с время воспроизведения составляет 74 минуты или около 650 МБ данных на компакт-диске. Если бы диаметр диска был всего 115 мм, максимальное время воспроизведения составило бы 68 минут; то есть на шесть минут меньше. Диск с более плотной упаковкой данных воспринимается большинством плееров (хотя некоторые старые не работают). Использование линейной скорости 1,2 м/с и шага дорожки 1,5 мкм дает время воспроизведения 80 минут или емкость 700 МБ. Даже более высокие емкости на нестандартных дисках (до 99 минут) доступны, по крайней мере, в качестве записываемых, но, как правило, чем сильнее сжаты дорожки, тем хуже совместимость.
Структура данных
Наименьший объект в аудиоформате CD называется кадром. Кадр может вмещать шесть полных 16-битных стереосэмплов; то есть 2×2×6 = 24 байта. Кадр состоит из 33 байтов, из которых 24 аудиобайта (шесть полных стереосэмплов), восемь байтов исправления ошибок, сгенерированных CIRC, и один байт субкода. Восемь битов байта субкода доступны для управления и отображения. В соответствии с правилами модуляции от восьми до четырнадцати (EFM) каждый байт данных/аудио преобразуется в 14-битные слова EFM, которые чередуются с 3-битными объединяющими словами. Всего получается 33*(14+3) = 561 бит. Добавляется 27-битное уникальное слово синхронизации, так что общее количество битов в кадре составляет 588. Слово синхронизации не может встречаться в обычном битовом потоке и, таким образом, может использоваться для идентификации начала кадра. Данные на компакт-диске организованы как в кадрах, так и в секторах, где сектор компакт-диска содержит 98 кадров и содержит 98 × 24 = 2352 (пользовательских) байта, из которых 304 байта обычно используются для идентификаторов секторов и дополнительного уровня. исправления ошибок, оставив 2048 байт для полезных данных.
Существующие производственные процессы позволяют аудио компакт-диску содержать до 77–78 минут (в зависимости от тиражируемого предприятия) без необходимости подписи создателем контента отказа от прав. Таким образом, в текущей практике максимальное время воспроизведения компакт-диска увеличилось при сохранении приемлемых стандартов надежности.
CD-ROM
В первые несколько лет своего существования компакт-диск был чисто аудиоформатом. Однако в 1985 году Sony и Philips установили стандарт Yellow Book CD-ROM, который определил энергонезависимый компьютерный носитель оптических данных, использующий тот же физический формат, что и аудио компакт-диски, читаемый компьютером с CD-ROM. (CDR) диск.
Производство
Репликация компакт-дисков сначала производится серийно с использованием гидравлического пресса. Небольшие гранулы необработанного пластика подаются в цилиндр, в то время как при нагревании и увеличивающемся давлении пластик плавится, а сжиженный материал попадает в полость пресс-формы. Оснащенная металлическим штампом, форма закрывается, позволяя пластику остыть и затвердеть. После открытия подложка диска удаляется из формы с помощью робота-манипулятора и удаляется центральное отверстие диаметром 15 мм (называемое установочным кольцом). Этот метод позволяет получить пустую часть диска из прозрачного пластика. После нанесения металлического слоя на прозрачную чистую подложку диск готов к печати. Для печати компакт-диска сначала вырезается стеклянный мастер с помощью мощного лазера на устройстве, похожем на устройство записи компакт-дисков. Этот мастер по стеклу - позитивный мастер. После испытаний из него изготавливают штамп, прижимая его к металлическому диску. Затем штамп становится негативным изображением: их можно изготовить в зависимости от количества прессов, которые должны выпускать копии окончательного компакт-диска. Затем штамп попадает в пресс, и изображение прижимается к чистому компакт-диску, оставляя окончательное положительное изображение на диске. Затем наносится небольшой круг лака в виде кольца вокруг центра диска, и быстрое вращение равномерно распределяет его по поверхности.Затем диск можно распечатать и упаковать.
Записываемый компакт-диск
Записываемые компакт-диски (CD-R) изготавливаются методом литья под давлением с «пустой» спиралью данных. Затем наносится светочувствительный краситель, после чего диски металлизируются и покрываются лаком. Лазер записи устройства записи компакт-дисков меняет цвет красителя, чтобы лазер чтения стандартного проигрывателя компакт-дисков мог видеть данные так же, как это было бы на компакт-диске, отлитом под давлением. Полученные диски могут быть прочитаны большинством дисководов CD-ROM и воспроизведены на большинстве проигрывателей аудио компакт-дисков. Записи CD-R предназначены для постоянного использования. Однако со временем физические характеристики красителя могут измениться, что приведет к ошибкам чтения и потере данных до тех пор, пока считывающее устройство не сможет восстановиться с помощью методов исправления ошибок. Расчетный срок службы составляет от 20 до 100 лет в зависимости от качества дисков, качества записывающего устройства и условий хранения. Однако испытания показали такое разложение всего за 18 месяцев при идеальных условиях хранения [4] .
CD-RW — это перезаписываемый носитель, в котором вместо красителя используется металлический сплав. Лазер записи в этом случае используется для нагрева и изменения свойств (аморфных или кристаллических) сплава и, следовательно, изменения его отражательной способности. CD-RW не имеет такой большой разницы в отражательной способности, как прессованный CD или CD-R, поэтому многие аудиопроигрыватели компакт-дисков не могут читать диски CD-RW, хотя большинство автономных проигрывателей DVD могут.
CD-R соответствуют стандарту Orange Book.
Защита от копирования
Аудиоспецификация Red Book, за исключением простого бита защиты от копирования в подкоде, не включает какого-либо серьезного механизма защиты от копирования. Начиная с начала 2002 года звукозаписывающие компании предпринимали попытки продавать нестандартные компакт-диски с защитой от копирования, которые нельзя скопировать (скопировать) на жесткие диски или легко преобразовать в MP3. Одним из основных недостатков этих защищенных от копирования дисков является то, что большинство из них не будут воспроизводиться на компьютерных приводах компакт-дисков, а также на некоторых автономных проигрывателях компакт-дисков, использующих механизмы компакт-дисков. Компания Philips заявила, что на такие диски не разрешается наносить логотип Compact Disc Digital Audio, являющийся торговой маркой, поскольку они нарушают спецификацию Красной книги. Более того, диски с защитой от копирования вызвали большой общественный резонанс, поскольку многие видят в этом угрозу добросовестному использованию. Многочисленным системам защиты от копирования противостоят легкодоступные, часто бесплатные программы. Кроме того, любой компакт-диск, который может воспроизводиться на стандартном аудиопроигрывателе компакт-дисков, может быть извлечен через стандартный цифровой выход S/PDIF, что делает любую защиту от копирования неэффективной.
Примечания
- ↑ Кис А. Шухамер, The CD Story. Проверено 27 октября 2007 г.
- ↑ Koninklijke Philips Electronics N.V., Изобретатель компакт-диска. Проверено 27 октября 2007 г.
- ↑Philips, Девятая симфония Бетховена важнее, чем технологии. Проверено 27 октября 2007 г.
- ↑ Джером Л. Хартке, Показатели долговечности CD-R. Проверено 4 ноября 2007 г.
Ссылки
- Полманн, Кеннет С. 1992. Справочник по компакт-дискам. Миддлтон, Висконсин: AR Editions. ISBN 0-89579-300-8
- Мейндерс, Эрвин Р. 2006. Оптические носители для хранения данных с фазовым переходом и запись. Дордрехт: Springer. ISBN 1402042167
- Саффади, Уильям. 1990. Оптические диски и магнитные накопители. Вестпорт: Меклер. ISBN 0887367038
- Томинага, Джунджи и Такаши Накано. 2005. Наука и технология оптической записи ближнего поля. Берлин: Springer. ISBN 354022128X
Внешние ссылки
Все ссылки получены 15 марта 2017 года.
Цилиндр фонографа (1877 г.) • Граммофонная пластинка (1895 г.) • Проволочная запись (1898 г.) • Катушечная лента (1940-е гг.) • SoundScriber (1945 г.) • Серый аудиограф (1945 г.) • Диктопояс (1947 г.) • Запись с микроканавками ( 1948) • Картридж с лентой RCA (1958) • Fidelipac (1959) • Stereo-Pak (1962) • Компакт-кассета (1963) и кассетный сингл (1982) • Stereo 8 (1964) • PlayTape (1966) • Мини-кассета (1967) • Микрокассета (1969 г.) • Стено-кассета (1971 г.) • Elcaset (1976 г.) • Пикокассета (1985 г.)
Soundstream (1976) • 3M (1979) • X80/ProDigi (1980) • DASH (1982) • Компакт-диск (1982) • Цифровая аудиокассета (1987) • ADAT (1991) • Минидиск (1991) • Цифровой компакт Кассета (1992 г.) • Компакт-диск с расширенным разрешением (1995 г.) • Цифровой формат, совместимый с высоким разрешением (1995 г.) • Музыкальный диск 5.1 (1997 г.) • Super Audio CD (1999 г.) • DVD-Audio (2000 г.)
Кредиты
История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света:
Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.
компакт-диск (CD), литой пластиковый диск, содержащий цифровые данные, которые сканируются лазерным лучом для воспроизведения записанного звука и другой информации. С момента своего коммерческого появления в 1982 году аудио компакт-диск почти полностью заменил фонографический диск (или пластинку) для высококачественной записи музыки. Компакт-диск, изобретенный совместно Philips Electronics NV и Sony Corporation в 1980 году, не только для аудиозаписей, но и для других целей хранения и распространения, в частности для компьютеров (CD-ROM) и развлекательных систем (DVD).
Механические особенности
Физические характеристики
Стандартный компакт-диск имеет диаметр 120 мм (4,75 дюйма) и толщину 1,2 мм (0,05 дюйма). Он состоит из прозрачной поликарбонатной пластиковой подложки, отражающего металлического слоя и прозрачного защитного покрытия из акрилового пластика. На отражающем металлическом слое аудиоданные считываются в виде мельчайших (до 0,83 микрометра) впадин (ямок) и контрастирующих плоских областей (площадок), которые располагаются в виде спиральной дорожки (канавки), извивающейся от внутреннего отверстия диска к его внешний край. Центры соседних канавок расположены на расстоянии 1,6 микрометра (0,0016 мм) друг от друга. Меньший CD-сингл (80 мм [3,1 дюйма] в диаметре) также используется для распространения звука.
В проигрывателе DVD используется лазер большей мощности и соответственно более точная точка фокусировки, чем в проигрывателе компакт-дисков. Это позволяет ему разрешать более короткие питы и более узкие разделительные дорожки и, таким образом, объясняет большую емкость DVD.
Кто производитель iPhone? В каком году был представлен DVD? Айпод? Отсканируйте эти вопросы и проверьте свои знания об электронике и гаджетах.
Запись и репликация
Производство компакт-диска начинается с цифровой мастер-ленты, предоставленной студией звукозаписи (см. также цифровая звукозапись). Информация на этой ленте используется для модуляции луча света от синего лазера, когда он следует по спирали на поверхности вращающегося стеклянного диска. Стекло покрыто светочувствительным материалом, который растворяется под воздействием лазерных импульсов, образуя ямки. Этот «стеклянный шаблон» покрывается тонким слоем никеля, образуя «металлический шаблон», а металлический шаблон, в свою очередь, используется для изготовления ряда «материнских образцов». Каждая мать служит мастером для нескольких металлических «штамповок», на которые впрыскивается расплавленный поликарбонат для литья в прозрачные пластиковые диски. Каждый диск подвергается воздействию потока испаренного или распыленного алюминия, который образует отражающий слой, а затем покрывается защитным акриловым слоем. Весь производственный процесс осуществляется в условиях лабораторной чистоты и контроля.
Однако к середине 1990-х годов развитие компьютерных технологий продвинулось так, что запись и тиражирование компакт-дисков могли избежать необходимости в цифровом мастере ленты. Высококачественные звуковые записи могут быть отправлены с микрофона или другого устройства непосредственно в компьютерные программы, цифровые файлы которых могут храниться на жестком диске компьютера (или магнитном носителе) перед переносом на компакт-диск.
Воспроизведение
Метод лазерного сканирования, используемый в проигрывателях компакт-дисков. Инфракрасный лазер фокусируется на металлическом отражающем слое диска, где спиральная дорожка из «ямок» и «площадок» представляет собой нули и единицы цифровых сигналов. Обратный сигнал преобразуется фотодиодным датчиком в цифровой электрический сигнал, который преобразуется в аналоговую форму для воспроизведения исходного записанного звука. Оптическая запись, представленная Sony Corporation и Philips Electronics N.V. в 1982 году, позволяет точно воспроизводить звук практически во всем диапазоне человеческого слуха.
Когда диск вставляется в проигрыватель компакт-дисков, дорожка диска сканируется низкоинтенсивным инфракрасным лазером с фокусным расстоянием в 1 микрометр. Чтобы лазер поддерживал постоянную скорость сканирования, скорость вращения диска уменьшается с 500 до 200 оборотов в минуту по мере того, как луч света выходит из центра диска по спирали. (Некоторые проигрыватели компакт-дисков используют два дополнительных лазера для управления вращением диска и фокусировкой сканирующего лазера.) Когда луч света попадает на землю, он отражается обратно на фотодиод, и генерируется электрический импульс. Однако, когда световой луч попадает в яму, электрический импульс не генерируется. Это связано с тем, что свет, отраженный от ямки, глубина которой составляет примерно четверть длины волны сканирующего инфракрасного луча (0.78 микрометров), не совпадает по фазе со светом, отраженным от соседней разделительной дорожки, и, таким образом, отраженный свет уменьшается ниже уровня, необходимого для активации фотодиода. Каждая «темная» ямка на дорожке интерпретируется (в зависимости от ее длины) как последовательность нулей в двоичной логике, а каждая «светлая» площадка интерпретируется (опять же в зависимости от ее длины) как последовательность единиц. Устройство, известное как цифро-аналоговый преобразователь, необходимо для преобразования (и исправления ошибок чтения данных из-за незначительных дефектов поверхности на диске или несовершенной лазерной центровки) этой двоичной информации в аудиосигналы для воспроизведения (см. также цифро-аналоговое преобразование). Стандартный компакт-диск содержит более часа музыки.
С момента изобретения фонографа в 1876 году музыка стала популярным источником домашних развлечений. В последние годы компакт-диски стали предпочтительным носителем для воспроизведения записанной музыки.
Компакт-диск или компакт-диск – это оптический носитель информации, на котором записаны цифровые данные. Цифровые данные могут быть в форме аудио, видео или компьютерной информации. При воспроизведении компакт-диска информация считывается или обнаруживается с помощью сильно сфокусированного источника света, называемого лазером (отсюда и название «оптический носитель»). В этой статье речь пойдет об аудио компакт-дисках, которые используются для воспроизведения записанной музыки.
Историю компакт-дисков можно проследить до развития электронных технологий, особенно цифровых электронных технологий, в 1960-х годах. Хотя первое применение этой технологии было не в области звукозаписи, по мере развития технологии она находила все более широкое применение в аудиокомпонентах.
В тот же период многие компании начали экспериментировать с оптическим хранением информации и лазерными технологиями. Среди этих компаний заметных успехов в этой области добились электронные гиганты Sony и Philips.
К 1970-м годам цифровые и оптические технологии достигли такого уровня, когда их можно было объединить для создания единой аудиосистемы. Эти технологии позволили решить три основные проблемы, с которыми столкнулись разработчики цифрового аудио.
Первой задачей было найти подходящий метод записи аудиосигналов в цифровом формате. Этот процесс известен как кодирование звука. Практический метод кодирования звука был разработан на основе теорий, опубликованных Ч. Шенноном в 1948 году. Этот метод, известный как импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), представляет собой метод, который сэмплирует звук в течение короткого интервала времени и преобразует семпл в числовое значение. значение, которое затем модулируется или сохраняется для последующего извлечения.
Для хранения аудиосигналов в цифровой форме требуется большой объем данных. Например, для хранения одной секунды музыки требуется миллион бит данных. Поэтому следующей задачей было найти подходящий носитель для хранения любого значительного количества звука. Решение этой проблемы пришло в виде оптических дисков. Оптический диск может хранить большие объемы данных, плотно сжатых вместе. Например, один миллион бит данных на компакт-диске может занимать площадь меньше булавочной головки. Эта информация считывается с помощью лазерного луча, способного фокусироваться на очень узкой области размером до 1/2500 дюйма.
Последняя задача цифрового аудио заключалась в том, чтобы достаточно быстро обрабатывать плотно упакованную информацию на компакт-дисках для непрерывного воспроизведения музыки. Решение было найдено благодаря развитию технологии интегральных схем, которая позволяет выполнять миллионы вычислений всего за микросекунды.
К концу 1970-х годов совместными усилиями Sony и Philips был разработан общий набор стандартов для оптических дисков. Консорциум из 35 производителей оборудования согласился принять этот стандарт в 1981 году, а первые компакт-диски и проигрыватели компакт-дисков были представлены на рынке в 1982 году.
Изготовление компакт-диска включает в себя сначала подготовку стеклянного "мастера диска". Затем этот мастер кодируется с желаемой информацией и проходит через ряд этапов гальванопластики. При гальванопластике металлические слои наносятся на стеклянную основу с помощью электрического тока. Когда окончательная мастер-версия готова, ее информация переносится на пластиковый диск. Наносится отражающий алюминиевый слой, затем прозрачный акриловый защитный слой и, наконец, этикетка.
Сырье
Компакт-диск – это обманчиво простое устройство, учитывая технологии, необходимые для его изготовления. Компакт-диски состоят из трех слоев материалов:
- Основной слой из поликарбонатного пластика.
- Тонкий слой алюминиевого покрытия поверх поликарбонатного пластика.
- Прозрачное защитное акриловое покрытие поверх алюминиевого слоя.
Некоторые производители используют серебряный или даже золотой слой вместо алюминиевого слоя при производстве своих компакт-дисков.
Дизайн
Компакт-диск разработан строго в соответствии со стандартами, установленными Sony и Philips, для обеспечения универсальной совместимости. Компакт-диск имеет диаметр 4,72 дюйма (120 миллиметров) и толщину 0,047 дюйма (1,2 миллиметра). Позиционирующее отверстие посередине имеет диаметр 0,59 дюйма (15 миллиметров). Компакт-диск обычно весит около 0,53 унции (15 граммов).
Стандартный компакт-диск может хранить до 74 минут данных. Однако большинство компакт-дисков содержат всего около 50 минут музыки, и вся она записана только на одной стороне компакт-диска (нижней стороне). Записанные данные на компакт-диске имеют форму непрерывной спирали, начинающейся изнутри и двигающейся наружу. Эта спираль или дорожка состоит из серии углублений, называемых ямками, разделенных участками, называемыми площадками. Крошечный лазерный луч, движущийся по дорожке, отражает свет обратно на фотодатчик. Датчик видит больше света, когда он находится на суше, чем когда он находится в яме, и эти изменения интенсивности света преобразуются в электрические сигналы, которые представляют собой изначально записанную музыку.
Производственный
процесс
Компакт-диски должны изготавливаться в очень чистых и беспыльных условиях в «чистом помещении», в котором практически отсутствуют частицы пыли. Воздух в помещении специально фильтруется для защиты от грязи, а находящиеся в номере люди должны носить специальную одежду. Поскольку средняя частица пыли в 100 раз больше средней ямки и земли на компакт-диске, даже самая маленькая частица пыли может сделать диск бесполезным.
Подготовка мастера диска
- 1 Исходная музыка сначала записывается на цифровую аудиокассету. Затем аудиопрограмма переносится на 3/4-дюймовую (1,9 см) видеоленту, а затем к аудиоданным на ленте добавляются данные (называемые субкодами), используемые для индексации и отслеживания музыки. На этом этапе лента называется предварительным мастером.
- 2 Премастер-лента будет использоваться для создания мастер-диска (также называемого стеклянным мастер-диском), который представляет собой диск, изготовленный из специально подготовленного стекла. Стекло полируется до гладкости и покрывается слоем клея и слоем фоторезиста. Диск имеет диаметр примерно 9,45 дюйма (240 миллиметров) и толщину 0,24 дюйма (шесть миллиметров). После нанесения клея и фоторезиста диск отверждают в печи.
- 3 Затем и лента-премастер, и мастер-диск помещаются в сложную машину для лазерной резки. Машина воспроизводит аудиопрограмму на предварительно мастер-ленте. При этом программа передается на устройство, называемое CD-кодером, которое, в свою очередь, генерирует электрический сигнал. Этот сигнал приводит в действие лазерный луч, который обнажает или «вырезает» канавки в фоторезистивном покрытии на стеклянном диске (шаблоне диска).
- 4 Обнаженные канавки затем удаляются химическими веществами; эти протравленные канавки образуют ямки на поверхности компакт-диска. Затем на диск наносится металлическое покрытие, обычно серебро. Мастер-диск теперь содержит точную дорожку pit-and-land, которая будет на готовом компакт-диске.
Гальванопластика
- 5 После травления мастер диска подвергается процессу, называемому гальванопластикой, при котором на поверхность диска наносится еще один металлический слой, например никель. Фраза «электро» используется потому, что металл осаждается с помощью электрического тока. Диск омывается раствором электролита, например, сульфаматом никеля, и при подаче электрического тока на мастер-диске образуется слой металла. Толщина этого металлического слоя строго контролируется.
- 6 Затем вновь нанесенный металлический слой отделяется от мастер-диска, который откладывается в сторону. Металлический слой, или отец, содержит негативное впечатление от мастер-трека диска; другими словами, дорожка на металлическом слое является точной копией, но в обратном порядке, дорожки на мастер-диске.
- 7 Металлический "отец" затем подвергается гальванопластике для получения одного или нескольких "материнских" слоев, которые представляют собой просто металлические слои, которые снова имеют положительные впечатления от исходной мастер-дорожки диска. Используя тот же процесс гальванопластики, каждая мать затем создает сына (также называемого штампом) с негативным отпечатком дорожки. Именно сын затем используется для создания фактического компакт-диска.
- 8 После отделения от матери металлического сына промывают, сушат, полируют и помещают в штамповочный станок, который вырезает центральное отверстие и формирует желаемый внешний диаметр.
Репликация
- 9 Металлический сын затем помещают в полую полость — матрицу — соответствующей формы диска в машине для литья под давлением. Затем в эту форму заливается расплавленный поликарбонатный пластик, который формируется вокруг металлического сына.После охлаждения пластик принимает форму сына, с ямками и канавками — опять-таки в положительном впечатлении от исходной мастер-дорожки диска — сформированными на одной стороне.
- 10 Затем центральное отверстие пробивается из пластикового диска, который снаружи прозрачен.
Готовый компакт-диск содержит ряд дорожек или углублений, называемых «площадками» и «ямами». Проигрыватель компакт-дисков использует лазерный луч, чтобы считывать эти слои и преобразовывать отражение сначала в электрический сигнал, а затем в музыку.
Контроль качества
Компакт-диск — это очень точное и аккуратное устройство. Микроскопический размер данных не допускает ошибок в производственном процессе. Мельчайшие частицы пыли могут сделать диск нечитаемым.
Первой задачей контроля качества является обеспечение надлежащего контроля за чистотой помещения с контролируемой температурой, влажностью и системами фильтрации. Кроме того, контрольные точки контроля качества встроены в производственный процесс. Мастер-диск, например, проверяется на гладкость, а его фоторезистивная поверхность на надлежащую толщину с помощью лазерного оборудования. На более поздних этапах процесса, например, до и после нанесения алюминиевого покрытия и после нанесения защитного акрилового покрытия, диск автоматически проверяется на наличие деформаций, пузырей, частиц пыли и ошибок кодирования на спиральной дорожке. Эта механическая проверка сочетается с осмотром человеком с помощью поляризованного света, что позволяет человеческому глазу обнаруживать дефектные ямки на дорожке.
Помимо проверки дисков, необходимо тщательно обслуживать оборудование, используемое для их изготовления. Станок для лазерной резки, например, должен быть очень устойчивым, потому что любая вибрация сделает невозможным правильную резку. Если не поддерживать строгий контроль качества, процент отказа от компакт-дисков может быть очень высоким.
Будущее
Большие возможности хранения, точность данных и относительная устойчивость к износу сделают компакт-диски популярным носителем для музыкальных и видеоприложений. Самая горячая новинка, вызывающая общественный интерес, — это CD-Interactive или CD-I, мультимедийная система, которая позволяет пользователям взаимодействовать с компьютерами и телевизором.
Технологии производства будут совершенствоваться и совершенствоваться, что потребует меньших мощностей и меньшего вмешательства человека в процесс, что приведет к снижению уровня брака компакт-дисков. Уже в первое десятилетие производства компакт-дисков процессы производства и контроля качества стали практически полностью автоматизированными.
Где узнать больше
Книги
Брюэр, Брайан. The Compact Disc Book: A Complete Guide to the Digital Sound of the Future. Harcourt Brace, 1987.
Накадзима, Х. Технология компакт-дисков. IOS Press, 1991.
Полманн, Кен С. Принципы цифрового звука. 1985 г.
Полманн, Кен С. Справочник по компакт-дискам, 2-е изд., AR Editions, 1992 г.
Периодические издания
Бернард, Йозеф. «Компакт-диски — по крупицам», Radio-Electronics, август 1986 г., с. 62.
Бирчалл, Стив. «Магия производства компакт-дисков», Stereo Review, октябрь 1986 г., с. 67.
< бр />
Первый работающий цифровой компакт-диск, предшественник ныне повсеместно распространенных CD/DVD, был изобретен в конце 1960-х годов американским физиком Джеймсом Расселом.
В 1953 году Рассел получил степень бакалавра физики и окончил Рид-колледж в Портленде. После этого он работал физиком в близлежащих лабораториях General Electric в Ричленде, где его жена Барбара работала химиком. В GE, работая на атомной электростанции в Хэнфорде и назначенный «назначенным специалистом по решению проблем» для экспериментальной установки GE, Рассел инициировал множество практических проектов по созданию контрольно-измерительных приборов. Он был одним из первых, кто использовал цветной экран телевизора и клавиатуру в качестве основного интерфейса между компьютером и оператором. Он также спроектировал и построил первый аппарат для электронно-лучевой сварки.
Краткие факты
В 1950-х и начале 1960-х годов Рассел, страстный любитель музыки, полностью разочарованный износом своих виниловых пластинок и их плохим качеством звука, пытался улучшить проигрыватель. Сначала он пытался использовать кактусовую иглу вместо стальной для стилуса, но безуспешно.
В одиночестве дома субботним днем он вдруг понял, что износа пластинок из-за контакта стилуса с пластинкой можно избежать, если использовать свет для чтения нот, не прикасаясь физически к диску.Более того, поскольку он был знаком с цифровыми данными (в форме перфокарты или магнитной ленты), он мог выполнять эту задачу в цифровом виде более эффективно и результативно. Он понял, что если ему удастся сделать двоичный код достаточно компактным, то он сможет хранить не только симфонии, но и целые энциклопедии на небольшом кусочке пленки.
В 1965 году базирующийся в Огайо Мемориальный институт Баттелла открыл Тихоокеанскую северо-западную лабораторию в Ричленде и взял на себя управление лабораторией Хэнфорда, а Джеймс Рассел присоединился к этой работе в качестве старшего научного сотрудника. Таким образом, он получил аудиторию для своих более надуманных идей и сразу же засыпал Баттела предложениями новых коммерческих концепций.
Цифровая оптическая технология изначально была воспринята скептически, так как не считалось, что можно оцифровать звук. Однако в конце концов Баттель позволил Расселу продолжить проект, и после многих лет работы ему удалось изобрести первую цифро-оптическую систему записи и воспроизведения (самый ранний патент Рассела, US3501586, был подан в 1966 году, выдан в 1970 году). /p>
Джеймс Рассел и цифровая оптическая технология
Рассел нашел способ записывать на светочувствительную пластину крошечными «кусочками» света и тени, каждый микрон в диаметре. Лазер считывал небольшие ямки (бинарные шаблоны), а компьютер преобразовывал данные в электрический сигнал, который затем было сравнительно просто преобразовать в слышимую или видимую передачу.
На протяжении 1970-х годов Рассел продолжал совершенствовать компакт-диски, адаптируя их к любой форме данных. Однако, как и многие другие идеи, намного опередившие свое время, CD-ROM поначалу не нашел заинтересованных инвесторов. Наконец, в 1971 году Эли С. Джейкобс, венчурный капиталист из Нью-Йорка, стал пионером коммерциализации, создав Digital Recording Corporation для дальнейшего улучшения продукта для рынка потребительского видео, и нанял Рассела и команду технических специалистов для разработки видеодиска. Их усилия привели к созданию 20-минутного видеодиска в 1973 году.
В 1974 году корпорация Digital Recording представила на выставке в Чикаго оптическую цифровую телевизионную записывающую и воспроизводящую машину, первое устройство для оцифровки цветного изображения. Реакция крупных потенциальных инвесторов была относительно прохладной.
Представители Philips Electronics посетили лабораторию Рассела в Баттелле летом 1975 года и отвергли всю предпосылку его работы. Они сказали: это все очень хорошо для хранения данных, но вы не можете сделать это для видео или аудио. Philips только что выпустила свой лазерный диск, аналоговый оптический видеоплеер, и они были убеждены, что аналоговый способ — единственный выход.
SONY CDP-101, первый коммерческий проигрыватель компакт-дисков
Sony выпустила CDP-101 — первый коммерческий проигрыватель компакт-дисков в 1982 году. Sony и Philips выплачивали лицензионные отчисления с продаж проигрывателя компакт-дисков компаниям Battelle и Optical Recording Corporation. Time-Warner и другие производители дисков договорились с Optical Recording Corporation в 1992 году, заплатив 30 миллионов долларов за нарушение патентных прав. Суд постановил, что Optical Recording обладает исключительными правами на технологию, упомянутую в патентах. Но поскольку патенты по праву принадлежали работодателю Рассела, он не получил ни цента ни от одной сделки.
Компакт-диск: как это работало
Компакт-диски – это переносные устройства хранения, используемые для записи, хранения и воспроизведения видео-, аудио- и других форм цифровых данных. Так как же работает компакт-диск?
Каждый раз при воспроизведении компакт-диска лазерный луч фокусируется на дорожке данных компакт-диска, поскольку она быстро вращается; лазерный луч по-разному отражается от алюминиевого слоя компакт-диска — такие разные уровни отражения фиксирует датчик. Эти множественные отражения затем преобразуются в цифровую информацию, интерпретируемую как музыка, видео или любой другой цифровой носитель.
Этот процесс происходит быстро и максимально точно, что делает технологию компакт-дисков существенной революцией в том, как люди обмениваются цифровым контентом.
Компакт-диск: историческое значение
К 1985 году Рассел получил 26 патентов на технологию CD-ROM. Затем он основал свою собственную консалтинговую фирму, где продолжил создавать и патентовать улучшения в оптических системах хранения данных, а также сканеры штрих-кода, жидкокристаллические затворы и другие промышленные оптические инструменты. Его последнее изобретение — высокоскоростной оптический регистратор и проигрыватель данных без движущихся частей. Рассел получил еще 11 патентов на это устройство «Оптическая оперативная память».
В целом, с момента достижения рекламируемого пика в 2008 году продажи компакт-дисков значительно снизились, примерно на 10 млн в год.
Это можно объяснить изобретением нескольких других устройств для хранения и воспроизведения аудио и видео. Например, в 2001 г. компания Apply запустила iTunes, платформу, на которой люди могут покупать и воспроизводить песни в Интернете, не имея компакт-диска; Spotify также был запущен в 2008 году — платформа, на которой люди могут транслировать неограниченное количество песен за абонентскую плату и т. д.
Несмотря на то, что на протяжении многих лет компакт-диски служили множеству целей, с момента их изобретения эта технология постепенно отходит на второй план, открывая новые способы хранения, воспроизведения и обмена цифровыми медиаданными. Технология компакт-дисков также привела к цифровой видеозаписи и DVD.
Объяснение компакт-диска — все, что вам нужно знать, часто задаваемые вопросы (часто задаваемые вопросы)
Что такое компакт-диск?
Компакт-диски – это небольшие пластиковые диски, которые используются для хранения цифровой информации, такой как музыка, видео и т. д.
Когда был изобретен компакт-диск?
Сколько стоили компакт-диски?
Для чего используются компакт-диски?
Компакт-диски изначально использовались для хранения аудио и данных
Что является примером компакт-диска?
Примером компакт-диска является DVD-диск с предварительно записанными фильмами.
Можно ли купить компакт-диски?
Да. Компакт-диски по-прежнему широко используются.
Как работает компакт-диск?
Целенаправленный лазерный луч кодирует данные, хранящиеся на компакт-диске. Полученные данные преобразуются в музыку, видео и т. д. или в любую другую форму цифровых данных.
Компакт-диски и DVD-диски сегодня повсюду. Независимо от того, используются ли они для хранения музыки, данных или компьютерного программного обеспечения, они стали стандартным средством распространения больших объемов информации в надежном пакете. Компакт-диски настолько просты и дешевы в производстве, что America Online ежегодно рассылает миллионы таких дисков, чтобы привлечь новых пользователей. А если у вас есть компьютер и привод CD-R, вы можете создавать свои собственные компакт-диски, включая любую информацию, которую вы хотите.
В этой статье мы рассмотрим, как работают компакт-диски и дисководы для компакт-дисков. Мы также рассмотрим различные формы компакт-дисков, а также то, что ждет эту технологию в будущем.
Понимание компакт-диска: материал
Как описано в разделе «Как работает аналоговая и цифровая запись», на компакт-диске можно записать до 74 минут музыки, поэтому общий объем цифровых данных, которые должны храниться на компакт-диске, составляет:
44 100 отсчетов/канал/секунда x 2 байта/отсчет x 2 канала x 74 минуты x 60 секунд/минута = 783 216 000 байт
Чтобы поместить более 783 мегабайт (МБ) на диск диаметром всего 4,8 дюйма (12 см), отдельные байты должны быть очень маленькими. Изучив физическую конструкцию компакт-диска, вы сможете понять, насколько малы эти байты.
Компакт-диск представляет собой довольно простой кусок пластика толщиной около четырех сотых (4/100) дюйма (1,2 мм). Большая часть компакт-диска состоит из отлитого под давлением куска прозрачного поликарбонатного пластика. Во время производства на этот пластик наносятся микроскопические выпуклости, образующие единую непрерывную чрезвычайно длинную спиральную дорожку данных. Мы вернемся к ударам через мгновение. Как только прозрачный кусок поликарбоната сформирован, на диск напыляется тонкий отражающий слой алюминия, покрывающий неровности. Затем на алюминий напыляется тонкий акриловый слой для его защиты. Затем этикетка печатается на акриле. Поперечное сечение полного компакт-диска (не в масштабе) выглядит так:
Понимание компакт-диска: спираль
На компакт-диске имеется одна спиральная дорожка данных, проходящая от внутренней части диска к внешней. Тот факт, что спиральная дорожка начинается в центре, означает, что при желании компакт-диск может быть меньше 4,8 дюймов (12 см), и на самом деле теперь есть пластиковые бейсбольные карточки и визитные карточки, которые можно вставить в проигрыватель компакт-дисков. Визитные карточки на компакт-дисках содержат около 2 МБ данных, прежде чем размер и форма карточки обрывают спираль.
Что изображение справа даже не начинает вас впечатлять, так это то, насколько невероятно мала дорожка данных — ее ширина составляет примерно 0,5 микрона, а 1,6 микрона отделяют одну дорожку от другой. (Микрон – это миллионная доля метра.) А неровности еще мельче.
Понимание компакт-диска: Bumps
Удлиненные выступы, образующие дорожку, имеют ширину 0,5 микрона, длину не менее 0,83 микрона и высоту 125 нанометров. (Нанометр — это миллиардная доля метра.) Глядя через слой поликарбоната на выпуклости, они выглядят примерно так:
Вы часто будете читать о "ямах" на компакт-диске вместо неровностей. Они выглядят как ямки на алюминиевой стороне, но на стороне, с которой считывается лазер, они представляют собой выпуклости.
Невероятно маленькие размеры выступов делают спиральную дорожку на компакт-диске чрезвычайно длинной. Если бы вы могли снять дорожку данных с компакт-диска и растянуть ее в прямую линию, она была бы равна 0.5 микрон в ширину и почти 5 км в длину!
Чтобы прочитать что-то такое маленькое, вам нужен невероятно точный механизм чтения дисков. Давайте посмотрим на это.
Читайте также: