Л9,10,11 / Л11_DVD

DIGITAL VERSATILE DISK (DVD)

1. Общие сведения о дисках DVD.

Диски DVD представляют собой большое семейство носителей информации. Главные члены этого семейства – ближайшие родственники и наследники компакт-дисков CD; они имеют такие же размеры, строение, как и CD, в принципе так же записываются, изготавливаются и воспроизводятся. Основное различие между ними состоит в том, что посредством DVD можно записать значительно больше информации и воспроизводить её с существенно более высокой скоростью. Простейшие диски DVD c наименьшей информационной емкостью способны передавать в 7 раз больше данных, чем CD.

Размеры питов и расстояния между ними на дисках CD (слева) и DVD (справа)

В сфере своего наиболее массового применения диски DVD позволяют реализовать домашнее кино с высоким (вещательным) качеством видеоизображения, многоканальным цифровым звуком и большими удобствами эксплуатации. DVD называют многопрофильными дисками потому, что они могут функционировать в различных сферах применения – быть носителями высококачественной записи кинофильмов с пространственным звуком, носителями только звуковых записей (больших концертов, альбомов и т.п.) с превосходными характеристиками звукопередачи, содержать компьютерные программы, базы и библиотеки данных, а также различные мультимедийные комбинации изображений, звуков и текстов.

Все DVD для этих различных целей внешне очень похожи, имеют один

итот же диаметр (120 мм), толщину (1,2 мм), посадочное отверстие (15 мм)

иво многих случаях могут воспроизводиться на одном и том же проигры-

Запись сигнала на DVD представляет собой спиральную дорожку на пластмассовой подложке. Изменение рельефа на DVD имеет вид чередующихся недеформированных, т.е. плоских, участков поверхности подложки и деформаций – микроскопических углублений с одинаковыми глубиной и шириной, но с различной длиной. Эти углубления называют питами (от англ. pit – углубление, впадина, ямка). Последовательность питов с различными длиной и расстоянием между ними представляет собой в кодированной форме цифровую запись информации.

При изготовлении DVD питы формируются на прозрачной пластмассовой подложке, покрытой со стороны питов отражательным слоем алюминия. В простейшем одностороннем DVD на отражательный слой наносят непрозрачный холостой слой также из пластмассы. Таким образом, слой с рельефными дорожками, несущими информацию (рабочий алюминиевый слой), оказывается не на поверхности, а внутри диска; от одной внешней поверхности диска он отделен холостымслоем, аотдругой– прозрачной подложкой.

С питами дорожки записи DVD при воспроизведении взаимодействует луч лазера, «световая игла», попадающая на дорожку через прозрачную подложку. Свет лазера снизу сфокусирован на плоскую базовую поверхность подложки и при отражении от покрывающего её слоя алюминия почти полностью возвращается в объектив лазерной головки. При попадании в пит, свет лазера рассеивается и в объектив возвращается в значительно меньшем количестве (для выходящего и отраженного света используется один и тот же объектив). Таким образом, при вращении DVD и движении «световой иглы» относительно дорожки записи происходит модуляция интенсивности отраженного света. Отраженный, модулированный световой сигнал воспринимается фотоприемниками и в виде электрического сигнала поступает в цепи обработки проигрывателя, а затем на кинескоп телевизора или дисплей компьютера.

DVD вращается против часовой стрелки, если смотреть со стороны прозрачного слоя и лазерного луча, а спиральная дорожка с питами разворачивается от центра диска к его краю, точнее, от внутренней границы зоны

записи к внешней. Диски DVD не изнашиваются от взаимодействия со «световой иглой». Кроме того, царапины, пылинки и небольшие потертости на поверхности DVD почти не влияют на качество воспроизведения, поскольку могут находиться только на наружной стороне диска, т.е. на относительно большом удалении (0,6 мм) от рабочего слоя.

Требования к дискам DVD.

Консорциум DVD при разработке стандарта на диски DVD руководствовался следующими требованиями, выдвинутыми комитетом голливудских студий, возглавляемым компанией Warner Bros.

Диски DVD должны обеспечивать:

•длительность воспроизведения, достаточную для демонстрации без переключений большинства полнометражных художественных фильмов. Она может быть различной – от 120-135 мин (односторонний диск с одним рабочим слоем; считается, что 2 ч достаточно для большинства фильмов) и до 8 ч (двухсторонний диск с двумя рабочими слоями на каждой стороне);

•качество изображения, значительно более высокое, чем у видеокассет формата VHS. При безупречном изготовлении диска оно должно достигать вещательного стандарта, соответствующего рекомендациям ITU-R601 (Основной международный стандарт ТВ-вещания с числом строк разложения изображе-

ния 525 и 625);

•качество звука такое же, как в цифровых многоканальных форматах MPEG-2 Audio и Долби АС-3, а также качество двухканального звука, как в компакт-дисках CD и в формате MPEG-1 Audio;

•независимые потоки звуковыхданных, необходимые дляпередачи звуко-

вого сопровождения фильма на 2-5 языках в различных форматах (максимум 8 независимых потоков звуковых данных);

•выбор субтитров на одном из многих языков(максимум30 вариантов);

•выбор угла зрения на объектсъемки, т.е. возможность демонстрирования объекта съемки, снятого под различными ракурсами (максимум с 9 точек);

•защиту от копирования записанного на диске фильма;

•блокировку воспроизведения программ «не для детей»;

•выборформатаизображения: широкоэкранный формат изображения с отношением сторон изображения 16:9 или стандартный с соотношением 4:3;

•функционирование согласно региональному коду, который исключает возможности воспроизведения дисков, выпущенные для одного региона, на плейерах, предназначенных для другого региона;

•совместимостьплейеровDVD ссистемой компакт-диск CD, т.е. способность одного и того же плейера воспроизводить как диски DVD, так и CD;

•подключение плейера DVD ко всем телевизорам и системам стерео или пространственного звучания.

2.Система DVD

Диски DVD появились в 1997 г., звуковые компакт-диски CD — в 1982 г. Несколько раньше, в 70-е годы, были выпущены аналоговые лазерные видеодиски, близкие к DVD и CD по технологии изготовления. В основу системы DVD лёг огромный научно-технический потенциал, накопленный к концу XX в., связанный прежде всего с видео, лазерной и вычислительной техникой. с созданием различных систем записи и воспроизведения сигналов.

Особое место в системе DVD занимает подготовка данных (видео, аудио, текстов, графики, сигналов управления и программирования) для получения оригинала записи диска. Этот процесс называется premastering. Все данные в цифровой форме подвергаются сложной и кропотливой предварительной обработке, в частности, компрессии, т.е. сжатию или сокращению объема данных. Каждый из видов данных (видео, аудио и др.) первоначально обрабатывается отдельно и записывается на отдельных магнитных носителях. Затем компрессированные и обработанные видео, аудио и другие сигналы сводятся на один магнитный носитель, образуя на нем одну дорожку записи с одной последовательностью цифровых импульсов. На этой дорожке попеременно записаны все сигналы (видео, аудио и др.). Они сгруппированы в блоки так, что каждый блок содержит весь набор видео, аудио и других сигналов, передаваемый в данный короткий отрезок времени. Внутри блоков сигналы

разделены импульсами управления и программирования. Последние при воспроизведении DVD позволяют выделить из передаваемых блоков данные каждого сигнала (видео, аудио и др.), состыковать и направить их в соответствующие каналы, обеспечивая, в частности, синхронность изображения и звука. Такие выделение и стыковка данных каждого потока возможны благодаря очень высокой скорости их передачи (до 9,8 Мбит/с). Соответственно скоростными должны быть и обрабатывающие процессоры.

Магнитный носитель с записанным «прообразом» оригинала DVD поступает на предприятие-изготовитель дисков. На нём происходит перезапись сигналов с магнитного носителя на первый оригинал диска – получение первого оригинала DVD. Здесь процесс производства впервые сталкивается с оптической записью сигналов, поскольку воспроизводимый с магнитного носителя сигнал записывается на диск первого оригинала посредством именно такой записи.

3. Оптический блок Считывание информации, записанной на компакт-диске, производит-

ся оптическим блоком, который в принципиальных схемах обозначается как Optical Pick-up Block. Оптический блок предназначен для восстановления цифровых данных, закодированных в виде питов на спиральной дорожке компакт-диска.

Оптический блок является законченным оптико-механическим узлом, в состав которого входят:

•Лазерный диод – полупроводниковый оптический квантовый гене-

ратор и фотодиод, контролирующий мощность излучения лазерного диода, конструктивно выполненные в одном корпусе.

•Оптическая система, служащая для формирования считывающего

пятна на поверхности компакт-диска, разделения прямого и отраженного лучей, формирования световых сигналов для фотоприемника.

•Исполнительные устройства систем фокусировки и слежения за до-

рожкой записи – фокусная катушка (focus coil) и трекинг-катушка (tracking

coil). Исполнительные устройства служат для перемещения объектива оптического блока в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Основные элементы оптического блока одной из моделей серии KSS фирмы SONY показаны на рис. 3.I. Оптические преобразователи этой серии наиболее часто используют в своих конструкциях производители проигрывателей. Разные модели серии KSS имеют индивидуальные особенности оптической системы, повышающие надежность, технологичность, устойчивость к внешним воздействиям и т.п.

Рис. 3.1. Вариант технического решения оптического блока

Рассмотрим принцип работы данного блока и назначение отдельных элементов конструкции.

Расходящийся пучок излучения лазерного диода сначала проходит дифракционную решетку, создающую из падающего на нее пучка коге-

рентного света спектр. В результате излучение лазерного диода расщепляется на основной и боковые лучи (рис. 3.2).

Основной луч используется для считывания информации с DVD. Два боковых (вспомогательных) луча первого порядка используются системой слеживания за дорожкой записи. Боковые лучи более высоких порядков не используются. Три луча попадают на поляризационный рас-

щепитель, преломляются им и направляются на зеркальную призму. Преломленные боковой гранью зеркальной призмы три луча фокусируются объективом на поверхности компакт-диска.

Объектив смонтирован на подвижной платформе, позволяющей ей перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях, т.е. для фокусировки и отслеживания дорожки записи. Отраженные от поверхности диска лучи проходят этот путь в обратном порядке: объектив, боковая грань зеркальной призмы, поляризационный расщепитель. Поляризационный расщепитель направляет отраженные лучи на цилиндрическую линзу, тем самым отделяя их от лучей на выходе дифракционной решетки. Пройдя цилиндрическую линзу, основной луч, модулированный питами, и два боковых попадают на фотоприемник.

Фотоприемник оптического блока состоит из четырех основных фотодиодов А, В, С, D и двух вспомогательных Е и F. С помощью системы привода оптическая головка перемещается в пределах зоны записи от центра диска к его краю. Из-за вертикальных биений диска система фокусировки постоянно перемешает линзу объектива вверх-вниз, чтобы питы были в фокусе. Система слежения за дорожкой записи управляет перемещением объектива в горизонтальной плоскости. Оптическая система, в которой используется 3 луча, называется трехлучевой (3 beam mechanism).

Лазер – основной инструмент оптической записи Для высококачественной записи полнометражного кинофильма на

площади поверхности DVD нужна плотность записи, по меньшей мере, 106 на 1 мм2, что следует из соответствующего объема информации. А миллион различимых точек на площадке 1 мм2 можно получить при диаметре точки менее 1 мкм. Столь высокая плотность записи может быть достигнута только с помощью источника когерентного монохроматического света – лазера, который позволяет получить фокальное пятно диаметром менее 1 мкм. Таким образом, оптическая запись – это регистрация данных фокусированным лучом лазера на светочувствительном носителе. Результат воздействия лазерного луча на носитель, т.е. вид сигналограммы, может быть различным. В подавляющем большинстве случаев в системе DVD сигналограмма, приобретает вид последовательности деформированных и недеформированных участков дорожки на рабочем слое диска. Но в системе DVD есть диски (DVD-R и DVD-RW), у которых оптическая сигналограмма имеет другой вид.

Лазер – прибор, генерирующий излучение – содержит активное вещество, и систему возбуждения и управления излучением. Для генерации излучения активное вещество лазера должно быть возбуждено. При возбуждении в активном веществе происходит рекомбинация носителей электрических зарядов, сопровождающаяся выделением энергии. Эта энергия выделяется в виде квантов света, вынужденного излучения лазера. Оно имеет ряд особенностей по сравнению с излучением обычных тел накала: излучение лазера когерентно, т.е. определенным образом упорядочено, линейно поляризовано и распространяется в одном или преимущественно в одном направлении, а не во все стороны, как, например, излучение поверхности расплавленного металла. Кроме того, излучение лазера монохроматическое, т.е. лазером генерируется свет с одним значением длины волны. Эти особенности позволяют получать очень острую фокусировку излучения. Фокальное пятно лазера может иметь круглую форму с диаметром порядка десятых долей микрометра и с очень

высокой концентрацией энергии. По применяемому активному веществу и устройству лазеры подразделяются на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. Для записи первого оригинала DVD применяют газовые лазеры, а для воспроизведения DVD в плейерах – полупроводниковые. Последние применяются также и для записи в массовых аппаратах оптической записи-воспроизведения, в которых осуществляется однократная запись дисков DVD-R или многократная на дисках DVD-RW.

Газовый лазер в системе DVD – прибор не массового применения, он может быть относительно крупногабаритным и дорогостоящим. Но на нем легче получить фокальное пятно малого диаметра, чем на других разновидностях лазеров. При записи оригинала диска диаметр фокального пятна должен быть меньше, чем при воспроизведении DVD. Полупроводниковый лазер – прибор массового применения; он имеет малые размеры, низкую стоимость и длительный срок службы.

Полупроводниковые лазеры называют лазерными диодами. К их выводам подводятся два проводника, через которые проходит ток, называемый током накачки, стимулирующий возбуждение активного вещества. Строение лазерного диода схематически показано на рис. 3.3. Плоские электроды – контактные слои плюс и минус – приложены к трехслойной полупроводниковой структуре. Толщина пакета из всех слоев вместе с электродами не превышает 100 мкм, а стороны пакета имеют длину 400 и ширину 300 мкм. При прохождении через лазерный диод тока накачки в активном слое происходит процесс генерации света.

Основные отличия лазерного диода от светодиода заключаются в том, что лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор и работает при значительно больших значениях токов накачки, что позволяет при повышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют гораздо меньшую ширину спектра излучения 1-2 нм против 30-50 нм у светодиодов. Оптический резо-