Viskas apie CD ir DVD (II dalis)

I dalis

1. Įvadas.
2. Diskų struktūros.

II dalis

3. CD įtaisai.
4. DVD įtaisai.

III dalis

5. Kompaktinių diskų standartai.
6. DVD diskų standartai.
7. Apsauga nuo "piratų".
8. Naujovės.

CD įtaisai

CD-ROM įtaisai yra skirti kompaktinių diskų skaitymui. Šiems įrenginiams keliami didesni reikalavimai nei kompaktinių diskų grotuvams. Visų pirma šie įrenginiai turi turėti sąsają su personaliniu kompiuteriu, jie turi palaikyti daugelį standartų ir tuo pačiu išgauti maksimalų duomenų perdavimo greitį.

Nors ir yra labai daug CD standartų, skiriasi tik jų realizavimo būdai, o optinė, mechaninė ir elektroninė dalis yra tokia pati. Kompaktinių diskų įrenginį sudaro judantis mechanizmas, dekodavimo įrenginys, klaidų korekcijos įrenginys, takelio sekimo, spindulio fokusavimo, greičio stabilizavimo bei periferiniai įrenginiai.

CD įtaisų struktūra

CD įtaiso valdymo struktūra ir optinio bei mechaninio bloko valdymas pavaizduotas 16 paveiksle.

Visą sistemą tvarko valdantysis įrenginys. Jis reguliuoja variklio sukimosi greitį, takelio sekimą ir paiešką, lazerio spindulio fokusavimą. Optinis blokas atpažįsta optinius disko pakitimus ir verčia juos į skaitmeninę formą. Dekodavimo įrenginys atlieka skaitmeninio signalo dekodavimą į reikalaujamą formą. Taip pat jis turi ryšį su valdymo ir indikacijos kontroleriu, kuris atlieka signalo ir sistemos kontrolę, formuoja valdančiuosius signalus.

Kaupiklių optika ir mechanika

Visi optiniai įrenginiai duomenų skaitymui naudoja lazerio spindulį. Šis spindulys yra generuojamas mažu galio arsenido puslaidininkiu lazeriu. Disko takelio sekimą atlieka sudėtingas ir preciziškas įrenginys, nes takelių tankumas yra apie 16 000 į colį (TPI Track Per Inch – takeliai į colį). Palyginimui galima paimti lankstų diskelį (floppy disc) kuris turi 69 takelius į colį. Kompaktinio disko takelio ilgis siekia 10 km.

Optinė kaupiklių dalis yra pavaizduota paveiksle.

Variklis 1 suka kompaktinį diską, kryptinis puslaidininkio lazerio 3 spindulys surinktas linzės 4 perėjęs skiriamąją prizmę 5, poliarizuojančiąją plokštelę 6 ir fokusuojančią linzę 7 patenka į atspindintį CD disko sluoksnį 2. Atsispindėdamas nuo lygaus paviršiaus lazerio spindulys grįždamas per atskiriančiąją linzę 5 ir fokusuojančią linzę 9 ir patekęs į puslaidininkį fotodiodą 10 bus didžiausio galingumo. Jeigu spindulys patenka į disko pagilėjimą (pitą) tai didžioji jo dalis bus išsklaidoma ir grįžtančiojo spindulio srautas einantis į fotodiodą bus mažas. Krentančio ir atsispindėjusio spindulio atskyrimas linzėje 5 vyksta dėl joje esančio paviršiaus 8. Tokiu būdu yra vykdoma savotiška lazerio spindulio moduliacija. Atitinkamai jai kis ir šviesos srautas. Srautų skirtumas bus pats didžiausias, kai fazių skirtumas išreikštas pitų gyliais bus lygus 180 laipsnių. Taip atsitiks kai pi tų gylis bus lygus:

l / 4 = 0,78 / 4 = 0,19 um.

Jei įvertinsime polikarbonato šviesos lūžio koeficientą (1,5) šis gylis turėtų būti:

0,19 / 1,5 = 0,13 um

Realiai naudojamas pitų gylis siekia iki 0,1 um, tačiau tai duoda pakankamą spindulio moduliaciją loginiams „0“ ir „1“ atpažinti.

Linzės fokusavimo tikslumas neviršija 0,4 um, kai tuo pačiu metu sukantis diskui, jo vertikalūs svyravimai net centrinėje dalyje viršija šią reikšmę apie 100 kartų, todėl reikalingas dinaminis fokusavimo sekimas. Jo valdymui fotodiodo paviršius padalinamas į keturias dalis kaip parodyta paveiksle.

Iš kiekvienos fotodiodo srities gaunamas elektrinis signalas. Tiksliai sufokusavus visi keturi signalai turi būti lygūs. Išfokusavus srovės tampa nelygios. Dėl to suformuojamas ir paduodamas signalas į fokusavimo ritę 11 (17 pav.). Rezultate fokusavimo taškas visad yra formuojamas ant atspindinčiojo disko paviršiaus. Antroji valdymo sistema judina optinį bloką nuo disko vidurio iki pakraščio ir 12 įtaiso pagalba laiko spindulį virš takelio. Variklio 1 sukimosi valdymas vyksta tokiu būdu, kad linijinis skaitymo greitis lieka pastovus ir lygus 1,25 m/s. Tam disko sukimosi dažnis keičiasi nuo 500 aps/min ant takelio su minimaliu spinduliu iki 225 aps/min ant takelio su maksimaliu spinduliu. Linijinio sukimosi greičio pastovumas leidžia rašant užtikrinti vienodą ir didelį įrašo duomenų tankumą, o skaitant supaprastinti informacijos skaitymą ir tolesnį jos apdorojimą.

Kaupiklių duomenų perdavimo sparta

Pirmieji CD kaupikliai duomenis skaitydavo 150 Kb/s sparta ir diskelio sukimosi greitis buvo keičiamas nuo 500 iki 225 aps/min. Toks disko sukimo būdas sutrumpintai žymimas CLV (Constant Linear Velocity - pastovus linijinis greitis) Tokie kaupikliai tiko dirbti tuometinėmis programomis bei atlikti palyginti nesudėtingus darbus. Tobulėjant kompiuteriams ir programinei įrangai duomenis perkelti reikėjo vis greičiau ir greičiau. Buvo pradėti gaminti CD kaupikliai kurie diską suko du kartus greičiau. (1000–450 aps/min). Jie buvo žymimi 2X. Netrukus pasirodė 4X, 6X, 8X, 10X ir 12X įtaisai. Visuose šiuose kaupikliuose diskai buvo sukami tuo pačiu būdu, tik vis greičiau. 12X spartos kaupiklyje disko sukimosi greitis galvutei esant ties vidiniu takeliu yra 6000 aps/min. Esant tokiam greičiui labai kaista įtaiso variklis, atsiranda sunkiai pašalinamos vibracijos ir kyla vėjas, kuris sunkina disko sukimo ir skaitymo galvutės valdymą, tampa sunku patikimai perskaityti duomenis. Tai kritinis greitis, kuriam viršyti reikia gaminti brangesnius įtaisus. Todėl šiuolaikiniuose kaupikliuose atsisakoma CLV duomenų skaitymo būdo.

CD kaupikliuose, kurių sparta viršija 16X yra naudojami du disko sukimo būdai. Jei naudojamas CAV (Constant Angular Velocity – pastovus kampinis greitis) būdas, tai disko sukimo greitis yra pastovus skaitymo galvutei esant ties bet kuria disko vieta. PCAV (Partial CAV) būdas yra toks: kol skaitymo galvutė yra nutolusi nuo centro ne daugiau kaip per 2/3 disko spindulio, diskas sukamas CAV būdu, o jai nutolus daugiau – CLV būdu.

CAV tipo CD kaupikliai didžiausia sparta skaito tik diskelio išoriniame takelyje įrašytus duomenis, nes jame įrašyti duomenys skaitymo galvutės atžvilgiu pralekia greičiausiai. Vidiniame takelyje įrašytus duomenis jie skaito 2,2 karto lėčiau. Pavyzdžiui 24X pažymėtas kaupiklis diską suka pastoviu 5500 aps/min greičiu ir išoriniame takelyje esančius duomenis skaito 3600 Kb/s sparta, tačiau vidiniame takelyje esančius duomenis – tik 1600 Kb/s sparta, kaip CLV metodu valdomas 11X tipo CD kaupiklis. Todėl CAV kaupiklių vidutinė duomenų skaitymo sparta yra gerokai mažesnė už spartą, kuria duomenis skaitytų to paties tipo CLV kaupikliai. PCAV 24X tipo kaupiklyje, kai jis dirba CAV režimu, diskas sukamas pastoviu 6000 aps/min greičiu. Perėjus į CLV režimą (diskelio išorėje), greitis sumažėja iki 5500 aps/min. Atrodo, to paties tipo PCAV tipo kaupikliai turėtų būti spartesni už CAV kaupiklius, nes didžiausią duomenų skaitymo spartą jie pasiekia skaitymo galvutei nutolus nuo centro tik per 2/3 diskelio spindulio, o jai judant link diskelio krašto, duomenų skaitymo sparta nekinta. Tačiau tai ne visada pasitvirtina nes diską sukant CLV būdu ir galvutei peršokus „paimti“ duomenų į kitą disko vietą, reikia papildomo laiko disko sukimo greičiui pakeisti. Tai užtrunka tuo ilgiau, kuo greičiau sukasi diskelis.

Klaidų detekcija ir korekcija

Visi CD formatai iš 33 bitų paketo naudoja 9 bitus takelio kontrolei ir klaidų detekcijai bei korekcijai.

Yra dvi skirtingos klaidų atsiradimo priežastys. Pirmasis klaidų tipas gali būti gautas disko gaminimo procese: maži oro burbuliukai ar mikroskopiniai nešvarumai gali interferuoti su lazerio spinduliu. Kitos klaidos gali atsirasti nuo pirštų antspaudų, įbrėžimų ar nešvarumų. Raudonoji Knyga (RedBook – CD standarto aprašymas) leidžia iki 250 klaidų per sekundę. Visos šios klaidos taisomos specialia klaidų korekcijos sistema.

Visų klaidų detekcijai ir korekcijai yra naudojama papildoma informacija ir specialūs matematiniai algoritmai. Tai padeda atrasti klaidas ir atstatyti tikras duomenų vertes. Klaidų detekcijos ir korekcijos schemos yra vadinamos EDC (error detection code), ECC (Error Correction Code), ir EDAC (Error Detection and Correction Code). CD Klaidų korekcijos kodo pagrindas yra pavadintas Reed Solomon Code. Audio CD grotuvai ir CD kaupikliai naudoja vidinę klaidų korekcijos schemą pavadinta CIRC (Cross Interleaved Reed Solomon Code). Toks dekoderis yra integruotas kaupiklių mikroschemose. Ši klaidų korekcija yra pati galingiausia, ji duoda geriausius rezultatus, ji iš 109 klaidų palieka tik vieną (audio CD). Kompiuterių kaupikliams bet kokios klaidos yra neleistinos, todėl dar naudojama lygiagreti klaidų korekcija. Ji pavadinta sluoksnine ECC ir yra įrašoma kartu su vartotojo sektorių duomenimis. Sluoksninė ECC gali būti dekoduojama tiek elektrinėje tiek ir programinėje dalyje.

DVD įtaisai

DVD diskasukiai gali atkurti bet kokius CD diskus. Bet pasikeitimas formatais nėra visas. CD įrenginiai negali perskaityti DVD kaupiklių. Pats pagrindinis DVD pranašumas – atminties dydis. CD diskai apriboti 650 MB, o DVD kaupiklių atminties dydis prasideda nuo 4,7 GB. Pažanga susijusi su naujos lazerinės technologijos taikymu.

Jau dabar yra keletas DVD-ROM kaupiklių kartų. Pirmosios kartos kaupikliai turi daug bendrų bruožų. Visų pirma jie turi bendrą duomenų perdavimo greitį – 1380 KB/s. Šis dydis faktiškai tapo DVD duomenų spartos matavimo vienetu. Šie kaupikliai turi pakankamai sunkią optinę galvutę, kas sukelia didelį inertiškumą ir ilgą segmento paieškos laiką (200 ms).

Paskutiniu metu DVD-ROM gamintojų ratas labai išsiplėtė ir patys įtaisai tapo labiau universalūs. DVD režime duomenų perdavimo greitis padidėjo dvigubai, o skaitant kompaktinius diskus jis siekia 20X ir 24X kartos CD-ROM įtaisus. Patobulintos buvo ir optinės galvutės – jos tapo lengvesnėmis ir paslankesnėmis. Todėl beveik ketvirčiu sutrumpėjo kreipties laikas. Labai svarbu, kad praktiškai visi antros kartos DVD-ROM įtaisai gali skaityti duomenis iš CD-R ir CD-RW diskų.

DVD veikimas

Atsitiko taip kaip ir turėjo atsitikti, DVD naudojamas kompiuteryje ir kaip video grotuvas namuose, kuris valdomas taip pat kaip ir video magnetofonas. Dar prie to turi ir papildomų valdymo galimybių, tokių kaip disko skanavimas ir fragmentų ieškojimas, pauzė ir sulėtintos peržiūros galimybė.

Jūs galite filmą žiūrėti kadrais ir kiekvienas kadras bus labai geros kokybės. Meniu ar distancinio valdymo pagalba galėsite „peršokti“ į bet kurią filmo vietą, galėsite keisti žiūrėjimo dydį (visam ekrane ar dalyje jo). Numatyta ir speciali funkcija, leidžianti apriboti nuo vaikų, filme tam tikrų scenų rodymą (pvz.: smurto ir t. t.). Bet didžiausia turbūt DVD galimybė – tai didelė duomenų talpa. Sakot filmui tiek duomenų nereikia? O kaip tada dėl vertimo? PVZ: Galimybė mėgautis filmų peržiūromis įvairiomis kalbomis, gali būti verčiama ir su titrais. Distancinio pulto ar tam tikros programos pagalba galite pasirinkti iš 8 skirtingų įgarsintų kalbų, ar pasirinkti iš 23 kalbų titrais.

Bene maloniausia galimybė peržiūrinti filmus – tai tų pačių scenų peržiūra iš skirtingų padėčių. Įsivaizduokite kaip būtu šaunu žiūrėti krepšinio varžybas, iš savo pasirinktos padėties, ar ją staigiai keisti, artėjant žaidėjui prie krepšio žiūrėti iš viršaus ar iš po krepšio :) Jus galite pasirinkti daugiausiai keturias kameros padėtis, be abejo tai turi būti numatyta kuriant ir montuojant filmą.

DVD diskų informacijos kodavimas

Sukūrus kompaktinius diskus ir panaudojus juos kompiuterijoje iškilo daug nesuderinamumo problemų. Skirtingos OS (operacinės sistemos) turi savo duomenų laikymo formatus todėl joms keistis informacija yra gana sudėtingas už davinys.

Kuriant DVD buvo prisiminta ši problema ir pabandyta jos išvengti. Nuspręsta sukurti vieningą duomenų saugojimo formatą. Toks formatas buvo pavadintas UDF (Universal Disk Format – universalusis diskų formatas). Jis, matyt, ateityje pakeis visus kitus nesuderinamus formatus. UDF yra suderinamas su visais perrašomais ir WORM diskais.

Šis formatas yra „skaidrus“ keičiantis informacija tarp visų CD-ROM diskų. Formate yra numatoma skaitymo, rašymo bei kitos funkcijos. Informaciją saugomą UDF formate, gali skaityti ir IBM ir MAC tipo kompiuteriai nepriklausomai nuo OS (DOS, UNIX, „Windows“). Šį formatą palaikantys įrenginiai gali skaityti CD-ROM bei CD-R diskus.

Nepriklausomi kompiuterinės įrangos gamintojai gamina įrangą palaikančią UDF visose „Windows 95“ įskaitant OSR-2 versijose. „Microsoft“ planuoja UDF formatą padaryti vienu iš pagrindinių „Windows 98“ sistemoje.

DVD įtaisų struktūra

Nors tarp pirmos ir antros kartos įtaisų yra skirtumų, pagrindiniai jų komponentai yra tie patys. Buitiniai DVD įtaisai yra skirti atkurti tik vaizdui bei garsui ir gali būti naudojami kaip videomagnetofonai. Jų funkcijos yra gana apribotos. Šiems įtaisams reikia atkurti garso ir vaizdo signalus, o personalinių kompiuterių DVD įtaisams reikia apdoroti visokios rūšies duomenis. Buitinių DVD įtaisų struktūrinė schema pavaizduota paveiksle.

Panagrinėkime atskirų šios schemos komponentų funkcijas.

Disko sukimo ir skaitymo mechanizmas

Šį mechanizmą sudaro variklis ir jo kontroleris, optinis mechanizmas informacijos nuskaitymui. Optinėje galvutėje yra naudojamas raudonasis lazeris (bangos ilgis 640 nm). DVD DSP ( DVD Digital Signal Processing – DVD skaitmeninis signalo apdorojimas). Tai integrinė schema kuri keičia lazerio spindulio pakitimus į elektrinius skaitmeninius signalus, kad juos galėtų naudoti Audio/Video dekoderis.

Skaitmeninis Audio/Video dekoderis

Šis integrinių schemų kompleksas atpažįsta ir atkoduoja suspaustus disko duomenis. Šiuos duomenis dekoderis dekoduoja į aukštos kokybės video ir audio signalus. Jį sudaro virš vieno milijono tranzistorių ir tai yra pats sudėtingiausias DVD įrenginio komponentas. Dekoderis atlieka šias funkcijas:

• Atskiria ir sinchronizuoja garso ir vaizdo signalus.
• Dekoduoja vaizdo duomenis.
• Dekoduoja garso signalą.

Be šių pagrindinių funkcijų garso/vaizdo kontroleris gali suformuoti vaizdą vaizde papildomos informacijos išvedimui. Tai vadinamoji OSD (On-Screen Display) grafika. Kontroleris gali dekoduoti šešis audio takelius Dolby ProLogic formate.

Mikrokontroleris

Šis įtaisas kontroliuoja kaupiklio operacijas, atkoduoja valdymo panelio, išorines ar distancinio valdymo bloko komandas.

DVD optika

DVD įtaisai naudoja raudonąjį lazerį kurio bangos ilgis –- 640 nm. CD kaupikliuose naudojamas infraraudonais 780 nm bangos ilgio lazeris. Lazerio bangos ilgio sumažinimas leido padidinti fokusavimo tikslumą bei sumažinti informacinio vieneto (pito) plotį.

Daugelio įtaisų lęšių sistemose naudojamos holografiniai lęšiai su dviem skirtingais židinio nuotoliais. Tai leidžia skaityti kompaktinius ir DVD diskus su viena optine galvute. Kai kurie DVD įtaisai skirtingiems diskų tipams skaityti naudoja skirtingus lazerius ir lęšius. Pirmosios kartos PC-DVD diskasukiai negalėjo skaityti CD-R diskų. Antrosios kartos įtaisai naudojantys dvigubą lazerį ir vieną lęšį jau gali skaityti CD-R diskus.

Kadangi DVD diskai būna ir dvisluoksniai reikalingas dvigubas fokusavimas. Tai irgi atliekama su holografiniais lęšiais, turinčiais du fokuso taškus.

Personalinių kompiuterių DVD įrenginiai

Šiuo metu beveik visi PC turi CD-ROM įtaisus. Kai šie kaupikliai 1986 metais buvo pasiūlyti vartotojams, dauguma kietų diskų buvo tokios pat talpos kaip ir kompaktiniai diskai, ir net dauguma programinės įrangos neužpildydavo vieno disko. Tačiau tai ilgai nesitęsė, nes programos viršijo gigabaito barjerą, ir CD-ROM diskai nebepatenkino vartotojų poreikių. Šiuo metu kompiuterių konstruktoriai pradeda DVD technologiją taikyti vis plačiau, nes ji suteikia platesnes galimybes multimedia terpei.

Paveiksle matome DVD ir PC ryšių struktūrinę schemą. Matome, kad DVD įrenginys yra naudojamas, kaip standartinis kaupiklis. Pasiaiškinkime šių įtaisų funkcijas.

Procesorius yra pagrindinė šios sistemos dalis. Jis atlieka visų įrenginių valdymą ir kontrolę. Valdymo, adresų ir duomenų signalai siunčiami į globalinę PCI (Peripherial Component In terconnect) magistralę, kuri ir jungia visu komponentus į vieningą sistemą. Kietasis diskas ir DVD įrenginys yra sujungtas SCSI sąsaja. SCSI kontroleris per sąsają valdo abu kaupiklius ir siunčia duomenis iš kaupiklių į PCI magistralę.

Specialiosioms DVD funkcijoms atlikti yra naudojamas DVD dekoderis, kuri su DVD kaupikliu jungia DVD jungtis. Taip pat jis išskiria garso signalą, kurį vėliau galima paduoti į linijinį išėjimą. Antroji DVD dekoderio paskirtis – atskirti ir atkoduoti vaizdo signalą. Toks signalas yra paduodamas į vaizdo spartintuvą (Graphics Accelerator), kuris įgalina atkurti aukščiausios kokybės vaizdą monitoriuje neapkraunant centrinio procesoriaus. Operatyvinė atmintis (RAM) yra naudojama visų šios sistemos komponentų.

Taigi, kaip matome, apdorojamus vaizdo bei garso duomenis tvarko DVD dekoderis. Na, o su paprastais ne multimedia duomenimis dirbama kaip įprasta skaitmenine informacija.

Toliau skaitykite III dalį.