Оптические дисковые системы записи и хранения информации

 

Основными преимуществами оптических методов записи и хранения информации являются:

- Высокая плотность записи информации (~5´10⁹ бит/см² и более);

- Высокое быстродействие и помехозащищенность информационных систем.

- Отсутствие непосредственного контакта между носителем и системой

записи/считывания.

    История развития оптических дисков насчитывает уже несколько десятилетий, начиная с первых лазерных дисков отражательного типа, разработанных ещё в 1969 году до DVD и Blue-Ray дисков наших дней.

 

LD диски

    Непосредственными предшественниками оптических дисков являются грампластинки, запись звука на которые осуществлялась в результате формирования на поверхности углублений, величина и последовательность которых при воспроизведении преобразовывались в звук. Скорость вращения музыкальных виниловых грампластинок была 33,3 или 45 оборотов в минуту. С целью увеличения плотности записи музыкальных дисков, а также для реализации записи видео, предпринимались многочисленные попытки использования оптических систем записи и воспроизведения. В 1969 году компания Philips разработала видеодиск, работающий в режиме отражения, что имело большие преимущества по сравнению с видеодисками, работающими на пропускание. Совместно с MCA (Music Corporation of America) Philips впервые продемонстрировали видео в 1972 году, а в 1978 году лазерные диски (Laserdisc, LD) появились в продаже (знаменитый фильм Стивена Спилберга «Челюсти»), спустя лишь два года после появления VHS видеомагнитофона и за четыре года до CD, которые основаны на технологии лазерных дисков. LD диски широко использовались для записи и воспроизведения фильмов. Для воспроизведения LD дисков рядом компаний, таких как, например, Philips и Pioneer Electronics, производились видеоплееры. Первые модели плееров для LD дисков выпускались с He-Ne лазером, а затем стали использовать полупроводниковые ИК лазерные диоды. LD диск имел диаметр 30 см (см. рис.4.3) и состоял из двух металлизированных пластиковых дисков склеенных между собой. Первоначально LD диски имели запись видео и звука в аналоговом формате, однако, позднее были разработаны LD диски с аналоговым видео и цифровым звуком. Выпуск LD дисков прекратился в 2000 году в США и в 2001 году в Японии.

 

Рис.4.3 Сравнение размеров LD диска (А) и DVD диска (Б)

 

CD - ROM диски

 

CD-ROM диски (аббревиатура слов "Compact Disc read-only memory") были разработаны и представлены в 1982 году компаниями Philips и Sony и введены как стандарт записи и хранения данных с 1985 года. Хотя изначально CD-ROM диски предназначались для цифровой оптической звукозаписи, в дальнейшем этот формат был расширен для хранения любых данных, записанных в двоичном коде и стал широко использоваться для распространения компьютерных программ, компьютерных игр и мультимедийных приложений. CD-ROM диски изготавливаются из поликарбоната толщиной 1,2 мм на который наносится тонкий слой отражающей поверхности алюминия. Наиболее распространенные размеры CD-ROM дисков составляют 120 мм в диаметре (вес ~ 16 г), а также существует формат Mini CD с диаметром 80 мм и некоторые другие форматы, отличающиеся по форме и диаметру (см. рис.4.4).

Данные хранятся на диске в виде набора микроскопических углублений или «пит» ("pit"). Во время считывания информации когерентный лазерный луч направляется на отражающую поверхность оптического диска и, так как глубина ямки на диске составляет от одной шестой до одной четверти части длины волны лазерного излучения, то при отражении света в этом месте фаза отраженного излучения сдвигается, что приводит к уменьшению интенсивности сигнала, полученного в результате интерференции отраженного и падающего лучей. При считывании информации на вращающемся диске последовательность изменений интенсивности отраженного света преобразуется в двоичные данные. Далее информация попадает в процессор цифровых данных, который совместно с процессором системного управления осуществляет коррекцию ошибок.

 

Рис.4.4. Сечение CD-ROM диска (согласно стандарту   ECMA-130, European Computer Manufacturers Association)

 

 

Поверхность CD-ROM диска разбита на сектора, один сектор содержит 2352 байт (1 байт соответствует 8 битам) и состоит из 98-ми «фреймов» размером 24 байта. Воспроизведение CD-ROM осуществляется с помощью так называемого CD-ROM драйвера (CD-ROM driver), то есть устройства чтения (или привода) CD-ROM диска. Излучение лазерного диода фокусируется со стороны прозрачной подложки. CD-ROM привод может быть подключен к компьютеру через IDE (ATA), SCSI, S - ATA, Firewire или USB интерфейс. Практически все современные приводы CD-ROM могут воспроизводить аудио и видео диски, а также другие стандарты при условии наличия программного обеспечения.

    Время воспроизведения составляет 74 минуты, или 4440 секунд, таким образом, общий объем CD-ROM диска равен 682 Мбайт. Скорость чтения CD-ROM дисков, принятая за единицу (1^х) соответствует скорости воспроизведения аудио данных (153,6 кбайт/с). Увеличение скорости вращения диска позволяет увеличить скорость считывания информации. Так, при увеличении скорости вращения CD-ROM диска до 4000 об/мин (что соответствует скорости 8^х) скорость чтения увеличивается до 1,2 Мбайт/с. Как правило, увеличение скорости до 12^х и выше, приводит к возникновению нежелательных вибраций и проблем с отводом тепла. Тем не менее, в 2004 г. скорость вращения CD-ROM дисков достигла значения 52^x или 10350 об/мин, что соответствует 7,8 Mбайт/с, хотя это значение и достигается только при чтении информации на внешних частях диска, где линейная скорость выше, чем в центральных областях.

Дальнейшее увеличение скорости вращения дисков проблематично, ввиду достижения пределов механической прочности поликарбоната из которого они изготавливаются.

Коррекция ошибок

 

В настоящее время наиболее распространенным методом обнаружения и коррекции ошибок считывания информации с оптического диска является код Рида-Соломона, требующий добавления двух проверочных символов в расчете на одну исправляемую ошибку. Код Рида - Соломона преобразует часть битов в блоках таким образом, чтобы ошибки до некоторого предельного их числа в каждом блоке можно было обнаружить и исправить. Это приводит к уменьшению (примерно на 15%) объема памяти диска, доступной для записи. Коды Рида-Соломона относятся к классу циклических кодов. Кодирование и декодирование, обнаруживающее и исправляющее ошибки - это вычислительные процедуры, которые для циклических кодов удобно выполнять как действия с многочленами и которые допускают относительно простую схемотехническую реализацию на базе регистров с обратными связями.

 

Таблица 1. Объём хранения и время воспроизведения CD-ROM различного типа

Тип	Кол-во секторов	Макс. объём данных (Mбайт)	Макс. объём музыки (Mбайт)	Время (мин)
650 M B	333000	681,984	783,216	74
700 M B	360000	737,280	846,720	80
800 M B	405000	829,440	952,560	90
900 M B	445500	912,384	1047,816	99

 

CD-ROM диски получили большую популярность и на них практически сразу же обратили внимание создатели персональных компьютеров (ПК).

В конце 80-х годов первые CD-ROM начали встраиваться в ПК, а с середины 90-х наличие CD-ROM стало стандартом для ПК.

Тиражирование CD-ROM дисков производится штамповкой, в результате которой диск-копия в точности повторяет структуру диска-оригинала.

CD - R и CD - RW диски

Дальнейшее развитие технологий привело к появлению CD-R (C ompact D isc- R ecordable) в 1988 и CD-RW (C ompact D isc- R e W ritable) оптических дисков в 1997 году.

    CD-R диски имеют возможность однократной записи информации и последующего многократного считывания. Формат этих дисков такой же, что и у CD-ROM, то есть 650 и 700 MB памяти при аналогичном диаметре диска (120 мм). Во время изготовления CD-R на диске из поликарбоната наносятся специальные канавки для направления лазерного луча во время стадии записи и считывания информации. Далее диск покрывают тонким слоем специального органического красителя, а затем тонким слоем серебра, серебряного сплава или золота. Окончательно, сверху наносят фотополимер и полимеризуют его под действием УФ-излучения.

    В качестве светочувствительных красителей используют в основном три следующих вещества: цианин, фталоцианин и азо-красители. Наименьшей устойчивостью к воздействию прямых солнечных лучей обладают диски в состав которых входит цианин, а наибольшей – диски с азо-красителями, которые выдерживают 3-4 недельное экспонирование солнечными лучами.

    Во время записи происходит поглощение лазерного излучения молекулами красителя, что приводит к их нагреву и изменению отражающей способности слоя в области экспонирования. При считывании используется то же лазерное излучение, что и при записи, но гораздо меньшей мощности (для того, чтобы не произвести изменения в слое) и, как и в случае с CD-ROM, изменения отраженного от диска сигнала считываются и декодируются в соответствии с заданным алгоритмом. Скорость записи на CD-R достигла к 2004 году значений 52^х. К сожалению, время хранения информации на CD-R дисках часто не соответствует заявленному производителями и иногда не превышает 1 года.

    CD-RW содержит в своем составе записывающий слой, в котором под воздействием ИК-лазера происходит нагрев до температуры плавления (~400⁰ С) и переход вещества из одного фазового состояния (кристаллическое) в другое (аморфное). Результатом изменения фазового состояния также является изменение отражательной способности слоя в тех местах диска, где произошел фазовый переход и, таким образом, реализуется запись информации. Для стирания информации лазерным лучом снова нагревают поверхность диска до более низкой температуры с целью отжига аморфной составляющей и перевода её обратно в кристаллическое состояние. В качестве записывающего слоя чаще всего используют сплав AgInSbTe. CD-RW диски, как правило, производятся в наиболее распространенных форматах, таких, как 650 и 700 МB. Теоретически CD-RW диски допускают 1000-кратный цикл записи/стирания, однако, на практике, эта цифра значительно ниже. Продолжительность хранения записанной информации на CD-RW дисках несколько меньше (~25 лет), чем на CD-R (более 30 лет), что связано с некоторой декристаллизацией слоя во времени.

DVD диски

    Несмотря но то, что CD диск остается стандартом де-факто для звукозаписи, дальнейшее развитие систем оптической записи и воспроизведения информации привело к появлению систем DVD-ROM с многослойной структурой записи информации на диск и емкостью носителя 7...10 Гбайт, поэтому в настоящее время для мультимедийных записей и оптического хранения данных в основном используются DVD диски.

    DVD диск (изначально аббревиатура от "Digital Video Disk", затем от "Digital Versatile Disc") стал непосредственным преемником CD дисков. Имея такие же геометрические размеры, что и CD, DVD диски имеют объем памяти более, чем в 6 раз больше (см. таблицу 2). Область применения DVD дисков – это, в основном, запись фильмов, программных продуктов и архивных данных. Производство DVD дисков было развернуто в 1996 году, опять-таки первоначально для видео и аудио записи.

    По аналогии с CD дисками DVD диски подразделяются на DVD-ROM, на которых данные могут быть только считаны, но не записаны, DVD-R диски могут быть записаны один раз (также имеют обозначение DVD-ROM) и DVD-RW диски, которые могут быть перезаписаны многократно.

    Емкость однослойных DVD дисков достигает 4,7 ГБ, а для двуслойных DVD она равняется 8,5 ГБ. Диаметр пятна при записи/считывании DVD дисков уменьшен с 2,11 мкм до 1,32 мкм по сравнению с CD дисками. Шкала скорости записи DVD дисков отличается от таковой для CD дисков, поэтому скорости с обозначением 1^х  соответствует значение 1350 кБ/с. В настоящее время существуют модели приводов, обеспечивающие скорость до 18^х-20^х.

Таблица 2 Технические параметры CD и DVD дисков

 

Тип оптического диска	CD	DVD
Емкость	0,65 ГБ	4,7 ГБ (на 1 слой)
Длина волны излучения	780 нм	650 нм
Числовая апертура	0,45	0,6
Плотность дорожек	630 на мм	1340 на мм
Минимальная длина «пита»	0,83-0,97 мкм	0,4 мкм
Плотность записи (доступная)	60 МБ на см2	430 МБ на см2
Скорость считывания	1,47 МБ/с	11,08 МБ/с

 

Как видно из Таблицы 1, увеличение плотности записи на DVD дисках достигается не только за счет уменьшения длины волны лазерного излучения, но также увеличением числовой апертуры оптической схемы записи/считывания.

 

HD DVD и Blu - Ray диски

 

Дальнейшее развитие технологий создания дисков и оптических систем записи/считывания информации привело к появлению следующего поколения DVD дисков формата HD DVD («High Definition Digital Versatile Disc), принятые международным сообществом в 2003 году. Емкость HD DVD дисков достигает 51 ГБ. Первые записывающие HD DVD формат приводы для компьютеров появились в 2006 году, а плееры начали выпускать Японии с 2007 года.

Конкурирующий с HD DVD дисками формат Blu-Ray (или BD диски) впервые был разработан компанией Sony в 2006 году и получил свое название благодаря использованию сине-фиолетового (blue-violet) лазера с длиной волны 405 нм (см. рис.4.5). Один слой BD диска может хранить до 25 ГБ информации, а для двухслойного диска емкость достигает 50 ГБ, что почти 6 раз больше, чем для двойного слоя на DVD (8,5 ГБ). В таблице 3 для сравнения приведены различные параметры дисков форматов HD DVD и Blu-Ray.

Несмотря на жесткую конкуренцию форматов, в 2006 году появились первые приводы для компьютеров, которые способны использовать оба формата, а в 2007 году гибридные плееры (см. рис.4.6).

 

 

Рис.4.5. Геометрия и плотность записи на CD, DVD и Blu-Ray дисках

 

 

 

Рис.4.6. Первый гибридный плеер LG BH100 компании LG для воспроизведения форматов Blu-Ray и HD DVD (2007 г.)

 

 

Таблица 3. Сравнительные параметры дисков DVD, HD DVD и Blu-Ray.

Формат диска