Мини-диск

Б. Я. Меерзон, А. Я. Щербаков

Мини-диск (MD) – один из последних форматов в эволюции дисковых носителей звуковой информации, разработанный фирмой Sony.

Он меньше обычных компакт-дисков (диаметр всего 64 мм), но при этом не уступает им в качестве и продолжительности звучания записанной на нем музыкальной программы.

Это достигается за счет сжатия (уплотнения) данных, о стратегии которого речь пойдет ниже. Малый размер MD обеспечивает быстрый доступ к данным в любой точке диска меньше чем за 1 с.

На рис. 1 изображен MD-плейер для проигрывания мини-дисков.

Формат мини-дисков предусматривает использование двух видов носителей – незаписываемых дисков типа CD и записываемых магнитооптических дисков (рис. 2). Последние дают возможность производить на них повторные записи, стирая программы, записанные ранее. Эта "реверсивность" записываемых мини-дисков делает их прямыми наследниками записей на магнитной ленте, незаменимыми при оперативной подготовке программ радиовещания и в других подобных случаях. Оба дисковых формата для защиты от механических повреждений помещены в картриджи. Общий вес такого пакета приблизительно около 18 г.

Незаписываемый мини-диск очень похож на CD. Он записывается заранее обычным для CD оптическим методом (с помощью лазера), тиражируется в заводских условиях  прессованием и предназначается только для воспроизведения. Из-за того что запись в этом формате производится со сжатием данных, записи на этих мини-дисках не совместимы с обычными CD.

Записываемый, или, точнее говоря, перезаписываемый диск в принципе не является новшеством. Это магнитооптический носитель, применявшийся и ранее в компьютерной технике (CD-MO). Но  магнитооптическая среда для мини-диска была усовершенствована, устройство записи стало намного проще, а сама запись требует меньшего потребления энергии.

Принцип записи на мини-диск

Существует несколько методов записи на перезаписываемые ("реверсивные") носители, но для мини-дисков выбран метод модуляции магнитного поля (MFM) как наиболее надежный и дающий возможность производить перезапись практически бесконечное количество (до 1 млн.) раз. Причем, при каждой новой записи старые данные автоматически стираются.

Суть этого метода состоит в том, что при разогреве ферромагнитных материалов выше определенной температуры, называемой точкой Кюри, кривая их магнитной восприимчивости резко стремится вверх и  увеличивается во много тысяч раз. Если разогреть такой материал в некоторой точке до температуры, несколько превышающей точку Кюри, и воздействовать на материал магнитным полем слишком  слабым, чтобы оставить след на холодных участках, то разогретая точка после ее охлаждения до температуры ниже точки Кюри сохранит намагниченность, т. е. ее магнитное состояние  зафиксируется.

Записываемый магнитооптический мини-диск формируется на подложке из поликарбоната, на котором между двумя слоями диэлектрика располагается  магнитооптический (рабочий) слой. Поверх этой конструкции наносятся отражающий алюминиевый слой, защитный слой и смазка из кремнийорганического соединения, по которой должна будет скользить магнитная головка. На рис. 3 изображено сечение диска.

Магнитооптический слой мини-диска представляет собой специальный сплав железа, тербия и кобальта (FeTbCo) с очень низкой коэрцитивностью – приблизительно 80  Эрстед (6,4 кA/м). Это важно для того, чтобы, несмотря на то что магнитная головка не касается непосредственно рабочей среды, величина намагничивающего поля оказалась бы достаточной и не потребовалось бы его увеличения, которое неизбежно повлекло бы за собой большее выделение тепла и повышение потребляемой мощности.      

Чтобы записать информацию на магнитооптический слой, необходимо воздействовать на него не только магнитным  полем головки записи, но и одновременно разогреть соответствующую точку носителя до температуры Кюри. Делается это с помощью луча лазера.

Для применяемого в мини-дисках в качестве носителя записи сплава FeTbCo  температура, соответствующая точке Кюри, примерно равна 185 C.

И это обоснованный выбор: ниже возникает зона, где появляется  опасность случайного повышения температуры при простом хранении записей до критической величины, когда возможно разрушение записи.

Более высокие температуры не годятся из-за естественного роста энергии, необходимой для разогрева. Поэтому в качестве материалов для рабочих слоев магнитооптических дисков используют сплавы редкоземельных элементов. Обратите внимание на то, что ошибочное стирание данных на мини-диске практически невозможно, так как для этого требуется одновременное воздействие определенной (выше точки Кюри) температуры и магнитного поля.

Итак, магнитооптические системы записи строятся достаточно примитивно.

Для этого магнитная головка позиционируется поверх лазерного источника на одной с ним оси с противоположной стороны диска (рис. 4). Сфокусированный луч лазера нагревает локальную область дискового носителя, на которую воздействует рассеянное магнитное поле головки записи довольно слабое, чтобы произвести запись на холодных участках. Однако его достаточно, чтобы при вращении диска в первые моменты остывания разогретого участка записать на нем информацию в виде намагниченности  определенной полярности: "север" – N или " юг"- S.

Таким образом, разные полярности намагниченности предварительно нагретых пятен в магнитооптическом слое соответствуют цифровым логическим уровням "1" и "0". Размер такого пятна с записью, а следовательно, и плотность записи на магнитоэлектрические диски определяются размером сфокусированного светового пятна лазера и продолжительностью цикла реверсирования модулирующего магнитного поля головки записи. Для этого была разработана специальная головка, которая допускает быстрое перемагничивание (приблизительно в течение 100 нс). Очевидно, что поверхностные слои диска не препятствуют мгновенному прогреванию рабочего слоя. Запись выполняется наложением новых записей на прежние с автоматическим уничтожением последних.

Считывание информации с дисков

Как уже было сказано, существует два типа дисков и для каждого из них применяется своя система считывания. Незаписываемый диск (MD-DA) подобен компакт-диску. Для его считывания используется тот же лазер, что и при записи, но на более низком энергетическом уровне. Отраженный лазерный луч изменяется по интенсивности в зависимости от информации, записанной в виде питов (углублений) на поверхности диска. На рис. 5 изображен процесс считывания информации с такого диска.

Записываемый диск  (MD-R) использует другую систему считывания, поскольку данные записаны не системой питов, а сохранены в виде изменяющейся от точки к точке полярности намагниченности магнитного слоя. В этом случае считывание информации также выполняется лазером.

Лазерный луч падает на дисковую поверхность, проходит через магнитный слой и затем отражается от отражающего слоя. Однако, проходя через магнитный слой, плоскость поляризации лазерного луча изменяется в зависимости от того, с какой полярностью этот слой в данной точке намагничен. Поворот вектора поляризации пучка света под влиянием магнитной среды, через которую он проходит, называется эффектом Керра.

На рис. 6 изображен принцип считывания информации с записываемого магнитооптического диска.

Итак, имеется два вида считывания мини-дисков:

• считывание незаписываемого диска типа CD, при котором выходной сигнал ВЧ  такой же, как  в CD;
• считывание записываемого диска типа MO:  здесь поток ВЧ непрерывен, но с изменяющейся поляризацией.

Для считывания информации с дисков обоих типов используется один и тот же двухфункциональный лазер. Однако в оптическую головку системы добавляют (если сравнивать с CD) еще один элемент – поляризационный анализатор, так называемую призму Уолластона (Wollaston). Дело в том, что эффект Керра слаб.

Поворот вектора поляризации, даже в самых благоприятных условиях, не превышает одного градуса, и приемники света не реагируют на поляризацию.  Задача призмы Уолластона преобразовать угол поляризации в интенсивность света, который затем направляется на два фотодиода (рис. 7).

Призма Уолластона – это комбинация двух кварцевых резонаторов. Лазерный луч, отражаясь от отражающего слоя диска магнитооптического типа, проходит через этот кристалл и разделяется в нем на основной луч (такой же, как падающий) и его составляющие, побочные лучи. Последние (на рис. 7 они обозначены  I и J) непосредственно связаны с поляризацией падающего лазерного луча.

Причем, при прохождении лазерного луча через намагниченный N-слой на диске его поляризация окажется такова, что один из боковых лучей (луч J) будет больше другого. А если лазерный луч пройдет через S-слой на диске, его поляризация изменится и в этом случае луч I по величине окажется большим.

Итак, падающий луч оказывается разложенным на два составляющих его луча  I и J, соотношение их величин определяется углом Керра или направлением поляризации.

 В том случае, если мы имеем дело с незаписываемым диском типа CD, лазерный луч не подвергается воздействию магнитного слоя, никаких изменений в его поляризации не происходит и поэтому лучи I и J будут равны по уровню.

Далее считанная информация поступает на блок датчика мини-диска (рис. 8), который подобен блоку датчика CD-плейера, но содержит дополнительные датчики.

В случае считывания незаписываемого диска на выходе датчиков I и J появляются лучи, одинаковые по величине.  Далее они поступают на фотодатчики и преобразуются в электрические ВЧ-сигналы. На выходе системы RF-1 после вычитания сигналы взаимно уничтожаются. На выходе же RF-2  сигналы I и J суммируются и создают сигнал, подобный ВЧ-сигналу на выходе обычного плейера  CD.

В случае записываемого диска сигналы I и J различны по величине. На выходе RF-1 образуется  разностный сигнал, полярность которого содержит информацию о данных на диске.

Остальные сигналы с датчиков A, B, C, D – сигнал ошибки фокусировки (A+ C)-(B+D), сигнал автоматической регулировки усиления AGC (A+B)+(C+D), а также сигнал отслеживания лазерного луча (Tracking) с датчиков E и F (E-F), подобны тем, которые используются  в плейерах CD. За исключением сигнала ADIP (Adress in pregroove), несущего информацию адресации и представляющего собой сигнал  (A+D)-(B+C).

ADIP

Записываемый мини-диск до записи не заполнен, т. е. не содержит никакой информации. Однако если бы он не имел предварительной разметки, было бы невозможно производить правильное позиционирование луча лазера как при записи, так при считывании информации.

Поэтому каждый MD-R, аналогично CD-R, имеет U-образную физическую канавку, или предканавку адресов  (ADIP), которая штампуется на диске при его производстве. Предканавка располагается за спиральной дорожкой данных и имеет специальную конфигурацию (рис. 9), содержащую  двухфазный сигнал с основной частотой  22,05 кГц, промодулированный частотами 21,05 и 23,05 кГц.

Разумеется, на всех дисках предканавка совершенно одинаковая. Без ADIP было бы невозможно осуществить правильное позиционирование для любой системы считывания. Поэтому ADIP – нестираемая возможность адресования.

Считывание ADIP подобно считыванию CD, так как лазерный луч в одни моменты времени падает на поверхность диска, а в другие – попадает на углубление, что приводит к модуляции ВЧ. Считывая ADIP-информацию с датчиков A, B, C и D после демодуляции сигнала, получается таблица адресования, которая определяет для каждой позиции на диске свой точный адрес. Тот же самый адрес будет использоваться при новой записи данных.

Схема расположения дорожек

На незаписываемом  диске расположение дорожек  аналогично компакт-дискам: зона, содержащая оглавление диска (TOC – Table of contens), программная зона  и оконечная зона. Что касается записываемых дисков, то у них, кроме начальной зоны, содержащей TOС, есть еще зона UTOC – оглавление пользователя, где последний записывает начальные и конечные адреса музыкальных дорожек.

Таким образом, мини-диск предоставляет возможность изменять номера дорожек, делить дорожку на части и т. д. Все это осуществляется именно в области UTOC. Например, если пользователь хочет разделить одну дорожку на две, в программной зоне музыкальные данные остаются нетронутыми, но адреса и оглавление в зоне UTOC будут изменены.

На рис. 10  изображено расположение дорожек на диске.

Формат данных

Формат данных мини-диска (рис. 11) подобен формату CD, но с частичным использованием формата CD-ROM.

Во-первых, при кодировании применяется известный по CD помехозащищенный код, так называемый каскадный код с перемежением CIRC (Cross interleave Read – Solomon code). Но здесь этот код модернизирован, имеет большее количество чередований и получил поэтому новое наименование – ACIRC.

Во-вторых, используется кластерный формат. Каждый кластер содержит 36 секторов: из них 32 сектора данных и четыре сектора связи (рис. 12). Формат сектора такой же, как в CD-ROM . Содержание секторов связи зависит от типа диска. В незаписываемом диске четыре сектора связи – это фиксированные секторы субданных, которые могут использоваться для информации на диске, графики и т.п.

Применение секторов связи необходимо и в случае записываемого диска. Кластер – это самый маленький записываемый блок. Очевидно, что между любыми двумя из записываемых блоков должна быть буферная зона, чтобы избежать случайной перезаписи с блока на блок.

Первые три сектора каждого кластера используются как связь, четвертый –  сектор  субданных. Это означает, что объем субданных записываемого диска составляет только четверть такового на незаписываемом диске. Однако надо иметь в виду, что субданные – это данные избыточные. На рис. 13 изображен кластерный формат.

Каждый сектор содержит 2352 байта, из которых 2332 байта данных, а первые 20 байтов принадлежат синхронизации, режиму и разделению. Далее следуют звуковые группы; каждая из них имеет 424 байта, из которых 212 байтов музыкальных данных левого канала и 212 байтов – правого канала. Сектор содержит 5,5 звуковых групп, т. е. пять полных групп и одна половина с данными только левого или только правого канала. Соответствующие канальные байты разместятся затем в следующей звуковой группе.

Система адаптивного преобразования акустического кодирования (ATRAC) 

Это ключевая часть технологии мини-дисков. Для кодирования и декодирования звукового сигнала используются методы специального  адаптивного преобразования, которое зависит от структуры входного сигнала  и основывается  на некоторых известных закономерностях психоакустики.

Цель этого преобразования состоит в том, чтобы сжать данные, уплотнить их, сохранив при этом естественность воспроизведения звука.

В стандарте обычной системы CD (16 бит, 44,1 кГц, два канала) поток данных составляет 1,4  Мбит/с. Это до обработки EFM и CIRC. В процессе записи музыки на мини-диск аналоговые сигналы также подвергаются дискретизации  с частотой 44,1 кГц и квантуются обычным АЦП, на выходе которого величина потока, как и для CD, также приблизительно равна 1,4 Мбит/с. Однако чтобы разместить такое количество данных на диске много меньшего размера, скорость передачи информации в битах должна быть уменьшена. Эту функцию и выполняет система cжатия ATRAC, сокращающая скорость передачи данных почти в четыре–пять раз, с 1,41 Мбит/c до приблизительно 292 кбит/с. Это дает возможность уменьшить диаметр диска  с 120 (CD) до 64 мм (мини-диск) при одинаковой длительности звучания 74 мин в обоих случаях.

Сравнительные размеры дисков без сжатия данных и со сжатием изображены на рис. 14.

Причем еще раз подчеркиваем, это уменьшение потока данных не должно   влиять на качество передаваемой музыки. Ведь совершенно очевидно, что абсолютно без потерь здесь не обойтись, поэтому програм-мное обеспечение системы должно быть таким, чтобы ухудшение звучания было бы не заметно на слух даже для самых искушенных слушателей. Достичь этого возможно, если хорошо изучить некоторые известные законы психоакустики и воспользоваться ими.

Психоакустика

Известно, например, что чувствительность человеческого слуха не одинакова  на разных частотах звукового диапазона. Так, звук определенного уровня отчетливо воспринимается на одной частоте и может оказаться вовсе не слышимым на другой частоте, даже с более высоким уровнем. Рис. 15 иллюстрирует психоакустический эффект – изменение порогов слухового ощущения на разных участках звукового частотного диапазона. 

Анализ музыкального сигнала, поступающего на вход записи, позволяет определить, какие части спектра лежат ниже этих порогов. Затем они могут быть удалены и скорость передачи информации в битах, таким образом, может быть уменьшена. Причем чувствительность нашего слухового аппарата (ухо – кора головного мозга) в некоторых, так называемых критических диапазонах частот остается постоянной  и не меняется. Чем выше звук расположен по шкале частот, тем шире полоса критического диапазона, где уровень чувствительности слуха неизменен. В диапазоне 100 Гц ширина критического диапазона приблизительно равна 160 Гц, а на частоте 10000 Гц  она составляет 2500 Гц. Методом субъективной экспертизы определены 25 таких критических диапазонов. Но в ATRAC-системе ради большей точности передачи их используется еще больше – около 52.   

На рис. 15 заметен и другой очень важный психоакустический эффект – маскировка  сигналов. Если два источника звука звучат одновременно, но с разными уровнями, то более громкий звук будет маскировать более тихий. Например, если во время беседы двух людей в небе пролетает самолет, то на какое-то время разговор  придется прекратить из-за полной маскировки голосов шумом мотора, значительно превосходящим их по громкости.

Кроме того, наблюдается действие так называемой предмаскировки и постмаскировки.

Более громкий звук, появляющийся как раз перед более тихим (в пределах 3 мс) или после него (в пределах 200 мс), маскирует этот тихий звук.

Анализируя некоторое количество входных выборок на основе известных из психоакустики закономерностей, можно определить, какие из компонентов входного сигнала из-за маскировки окажутся неслышными и могут быть удалены с минимальной звуковой деградацией. Эффект маскировки тонов поясняется на рис. 16.

Блок-схема кодирования в системе ATRAC

Психоакустические закономерности, изложенные выше, используются системой ATRAC  для уменьшения скорости входного потока с 1,4 Мбит/с до 292 кбит/с и выполняются в определенной последовательности.

Однако надо отметить, что система ATRAC  позволяет изменять системное программное обеспечение, т.е. использовать разные алгоритмы вычисления без создания проблем совместимости.

Сначала обработка ведется во временной области. Из оцифрованного входного звукового сигнала (16 бит, 44,1 кГц) на первой стадии анализа с помощью фильтра  высоких частот выделяется полоса  11,025 –  22,05 кГц. На второй стадии разделительным фильтром отделяются средние и низшие частоты (от 5,025  до 11,025 кГц  и  от 0  до 5,025 кГц соответственно). При этом высшие частоты задерживаются, чтобы сохранить синхронизацию между ними и другими диапазонами.

Блок-схема кодирования приведена на рис. 17.

Последующий анализ сигнала производится уже в частотной области. На основе алгоритма модифицированного дискретного косинуса-преобразования (MDCT), фактически подобного разложению сигнала в гармонический ряд Фурье, спектр входного сигнала анализируется для определения его частотных составляющих и их соответствующих уровней. Однако анализ этот производится поблочно (в отдельных боках – сегментах сигнала). Поэтому до перехода от временной к частотной области производится выбор отдельных блоков времени/ частоты, в каждом из которых и будет произведен анализ входного сигнала  для его преобразования в соответствии с алгоритмом ATRAC.  Определяется количество блоков и их длительность.

Как упоминалось ранее, число критических диапазонов частот установлено экспериментально, но в ATRAC используется намного большее количество диапазонов, временные интервалы которых определяются адаптивно в соответствии со структурой входного сигнала. Длительность каждого блока, который будет проанализирован, должна быть максимум 11,6 мс (или 512 выборок, при частоте дискретизации 44,1 кГц). Причина, по которой временной интервал блока времени/частоты  приходится учитывать, объясняется также законами психоакустики. Дело в том, что при коротком импульсном звуке мы можем заметить только достаточно большие скачки уровня. С другой стороны, при плавной музыке, когда уровень звука меняется  медленно, слух способен зарегистрировать очень тонкие громкостные нюансы.

На основе оценки этих различий в системе ATRAC и производится  выбор как количества блоков, так и их оптимальной длительности. Когда выбор блоков сделан и в каждом блоке проведены MDCT-вычисления  с учетом принципов психоакустики, производится собственно преобразование потока данных.  При этом скорость передачи данных может быть уменьшена, так как избыточная информация удаляется. На рис. 18 изображен процесс ATRAC-кодирования.

Наконец распределение битов произведено. Каждый блок времени/частоты проанализирован. Его уровень определен. Полученные по алгоритму ATRAC сжатые цифровые данные не являются непосредственно звуковыми данными. Они лишь описывают динамический диапазон этого сигнального блока в длинах слов с переменным числом бит от 0  до 15, а также относительный уровень сигнала, который представляет собой коэффициент масштабирования. Остающиеся биты могут быть удалены, так как это шумы квантования. Таким образом, кодируется только значимая часть данных. На рис. 19 представлены ATRAC-данные. 

Цифровые данные, прошедшие кодер ATRAC, как и при кодировании CD, обрабатываются схемой ACIRC и подвергаются канальному кодированию методом модуляции "восемь на четырнадцать" (EFM).

ATRAC-считывание

При воспроизведении мини-дисков выполняются, как и в системе CD, демодуляция EFM и декодирование ACIRC, после чего полученные данные (длины слов, масштабные множители этого спектра) поступают в декодер ATRAC, где производятся обратные вычисления, в результате которых происходит восстановление первоначальных данных (рис. 20). Поскольку данные на входе и выходе устройства записи MD придерживаются стандарта 16 бит, 44,1 кГц, они могут быть непосредственно в цифровой форме скопированы из MD-устройства на CD-R и другие цифровые носители. Однако MD-стандарт включает в себя последовательную систему управления копии (SCMS), которая допускает только первое копирование, запрещая второе. Другими словами, вы не можете делать копию с копии.

Противоударная устойчивость

Очевидным достоинством системы мини-дисков является повышенная устойчивость проигрывателей MD к вибрации и ударам. Это объясняется тем, что звуковые данные считываются с мини-диска намного быстрее (1,4 Мбит/с), чем это необходимо для декодера АТRАС (292 Кбит/с). Потому считываемые данные сначала вводятся в предварительный буфер, откуда и поступают в ATRAC-декодер. Рис. 21 иллюстрирует принцип  противоударной устойчивости.

Каждый 1 Мбит микросхемы буферного ОЗУ, помещенного между звукоснимателем и декодером, сохраняет информацию в течение 3 с звучания музыки в реальном масштабе времени. Когда буферное ОЗУ заполнено, звукосниматель приостанавливает считывание данных до тех пор, пока буфер не будет вновь заполнен. Если происходит сбой воспроизведения из-за удара или тряски, звукосниматель имеет достаточно времени (до 3 с) для возврата на правильную дорожку воспроизведения. Это достигается методом повторного позиционирования сектора. При сбое звукоснимателя система обнаруживает неправильный адрес и возвращает звукосниматель к правильной позиции. Иммунитет к значительным толчкам, вибрациям и ударам в процессе воспроизведения информации особенно ценен, когда проигрыватель MD эксплуатируется не в стационарных условиях.

Заключение

MD-формат обеспечивает произвольный доступ, долговечность, мобильность, удобство в эксплуатации, защиту от ударов и возможность многократной перезаписи. Аналоговые цифровые ленты уступают MD по долговечности и потому, что не имеют присущего дисковым носителям произвольного доступа. Этим и объясняется постепенное вытеснение привычных магнитофонов аппаратурой записи и воспроизведения мини-дисков везде, где быстрота и оперативность формирования звуковых программ является определяющим условием успешной работы.