Как работают компакт-диски

В наши дни компакт-диски и DVD-диски есть повсюду. Независимо от того, используются ли они для хранения музыки, данных или компьютерных программ, они стали стандартным средством распространения большого количества информации в надежной упаковке. Компакт-диски настолько просты и дешевы в производстве, что America Online рассылает их миллионами каждый год, чтобы привлечь новых пользователей. И если у вас есть компьютер и дисковод 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 приводы компакт-дисков. Мы также рассмотрим различные формы, которые принимают компакт-диски, а также то, что ждет эту технологию в будущем.

Содержание
Понимание компакт-диска: материал
Понимание CD: спираль
Понимание компакт-диска: проблемы
Компоненты проигрывателя компакт-дисков
Что делает проигрыватель компакт-дисков: лазерная фокусировка
Что делает проигрыватель компакт-дисков: отслеживание
Проблемы с кодировкой компакт-дисков
Форматы данных компакт-дисков

Понимание компакт-диска: материал

Как обсуждалось в разделе "Как работает аналоговая и цифровая запись", на компакт-диске может храниться до 74 минут музыки, поэтому общий объем цифровых данных, которые необходимо сохранить на компакт-диске, составляет:

44 100 сэмплов / канал / секунда х 2 байта /сэмпл х 2 канала х 74 минуты х 60 секунд / минута = 783,216,000 байт

Для размещения более 783 мегабайт (МБ) на диске диаметром всего 4,8 дюйма (12 см) требуется, чтобы отдельные байты были очень маленькими. Изучив физическую конструкцию компакт-диска, вы можете начать понимать, 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 куска прозрачного поликарбонатного пластика, отлитого под давлением. Во время изготовления на этом пластике образуются микроскопические выпуклости, расположенные в виде единой непрерывной чрезвычайно длинной спиральной дорожки данных. Мы вернемся к неровностям через мгновение. После формирования прозрачного куска поликарбоната на диск наносится тонкий отражающий слой алюминия, покрывающий неровности. Затем на алюминий наносится тонкий акриловый слой для его защиты. Затем этикетка печатается на акриле. Поперечное сечение полного компакт-диска (без масштабирования) выглядит следующим образом:

Понимание CD: спираль

Компакт-диск имеет единственную спиральную дорожку с данными, идущую от внутренней части диска к внешней. Тот факт, что спиральная дорожка начинается в центре, означает, что компакт-диск при желании может быть меньше 4,8 дюйма (12 см), и фактически теперь есть пластиковые бейсбольные карточки и визитные карточки, которые вы можете поместить в проигрыватель компакт-дисков. На визитках компакт-дисков хранится около 2 МБ данных, прежде чем размер и форма карты срежут спираль.

На картинке справа вы даже не начинаете осознавать, насколько невероятно мала дорожка для передачи данных - ее ширина составляет примерно 0,5 микрона, а расстояние между дорожками составляет 1,6 микрона. (Микрон - это миллионная часть метра.) И удары еще более незначительны...

Понимание компакт-диска: проблемы

Каждый удлиненный выступ, из которого состоит дорожка, имеет ширину 0,5 микрона, длину не менее 0,83 микрона и высоту 125 нанометров. (Нанометр - это миллиардная часть метра.) Глядя сквозь слой поликарбоната на неровности, они выглядят примерно так:

Вы часто будете читать о "ямах" на компакт-диске вместо неровностей. Они выглядят как углубления на алюминиевой стороне, но на той стороне, с которой считывается лазер, это выпуклости.

Невероятно малые размеры выступов делают спиральную дорожку на компакт-диске чрезвычайно длинной. Если бы вы могли снять дорожку данных с компакт-диска и вытянуть ее в прямую линию, она была бы 0,5 микрона в ширину и почти 3,5 мили (5 км) в длину!

Чтобы прочитать что-то такое маленькое, вам нужен невероятно точный механизм считывания с диска. Давайте посмотрим на это.

Компоненты проигрывателя компакт-дисков

Проигрыватель компакт-дисков выполняет поиск и считывание данных, сохраненных в виде выпуклостей на компакт-диске. Учитывая, насколько малы неровности, проигрыватель компакт-дисков является исключительно точным оборудованием. Накопитель состоит из трех основных компонентов:

Приводной двигатель вращает диск. Этот приводной двигатель точно управляется для вращения от 200 до 500 оборотов в минуту в зависимости от того, какая дорожка считывается.
Лазер и система линз фокусируются на неровностях и считывают их.
Механизм отслеживания перемещает лазерный узел так, чтобы луч лазера мог следовать по спиральной дорожке. Система слежения должна быть способна перемещать лазер с микронным разрешением.
Что делает проигрыватель компакт-дисков: лазерная фокусировка
Внутри проигрывателя компакт-дисков имеется хорошая компьютерная технология, используемая для формирования данных в понятные блоки данных и отправки их либо на ЦАП (в случае аудио компакт-диска), либо на компьютер (в случае привода CD-ROM).

Основная задача проигрывателя компакт-дисков - фокусировать лазер на дорожке с неровностями. Лазерный луч проходит через слой поликарбоната, отражается от алюминиевого слоя и попадает на оптико-электронное устройство, которое обнаруживает изменения в освещении. Выпуклости отражают свет иначе, чем "земли" (остальная часть алюминиевого слоя), и оптико-электронный датчик обнаруживает это изменение отражательной способности. Электроника в накопителе интерпретирует изменения отражательной способности, чтобы считывать биты, составляющие байты.

Что делает проигрыватель компакт-дисков: отслеживание

Самое сложное - удерживать лазерный луч в центре дорожки данных. Это центрирование является задачей системы отслеживания. Система слежения при воспроизведении компакт-диска должна постоянно перемещать лазер наружу. Когда лазер движется наружу от центра диска, неровности проходят мимо лазера быстрее - это происходит потому, что линейная или тангенциальная скорость неровностей равна радиусу, умноженному на скорость вращения диска (об / мин). Поэтому, когда лазер движется наружу, двигатель шпинделя должен замедлять скорость компакт-диска. Таким образом, выпуклости проходят мимо лазера с постоянной скоростью, и данные снимаются с диска с постоянной скоростью.

Проблемы с кодировкой компакт-дисков

Если у вас есть привод CD-R и вы хотите создавать свои собственные аудио компакт-диски или компакт-диски, одним из преимуществ, которые вы получаете, является тот факт, что программное обеспечение может обрабатывать все детали за вас. Вы можете сказать своему программному обеспечению: "Пожалуйста, сохраните эти песни на этом компакт-диске" или "Пожалуйста, сохраните эти файлы данных на этом компакт-диске", и программное обеспечение сделает все остальное. Из-за этого вам не нужно ничего знать о форматировании данных компакт-дисков, чтобы создавать свои собственные компакт-диски. Однако форматирование данных компакт-дисков является сложным и интересным, поэтому давайте все равно углубимся в него.

Чтобы понять, как данные хранятся на компакт-диске, вам нужно понимать все различные условия, с которыми пытались справиться разработчики методологии кодирования данных. Вот довольно полный список:

Поскольку лазер отслеживает спираль данных с помощью неровностей, не может быть расширенных промежутков там, где на дорожке данных нет неровностей. Для решения этой проблемы данные кодируются с использованием EFM (модуляция восемь-четырнадцать). В EFM 8-битные байты преобразуются в 14 бит, и EFM гарантирует, что некоторые из этих битов будут равны 1s.
Поскольку лазер хочет иметь возможность перемещаться между песнями, данные должны быть закодированы в музыку, сообщая дисководу, "где он находится" на диске. Эта проблема решается с использованием так называемых данных подкода. Данные подкода могут кодировать абсолютное и относительное положение лазера на дорожке, а также могут кодировать такие вещи, как названия песен.
Поскольку лазер может неправильно распознать выпуклость, для обработки одноразрядных ошибок должны быть коды исправления ошибок. Для решения этой проблемы добавляются дополнительные биты данных, которые позволяют приводу обнаруживать однобитовые ошибки и исправлять их.
Поскольку царапина или пятнышко на компакт-диске могут привести к неправильному прочтению целого пакета байтов (известная как ошибка пакета), накопитель должен иметь возможность восстановиться после такого события. Эта проблема решается путем фактического чередования данных на диске, так что они хранятся непоследовательно по одному из контуров диска. Накопитель фактически считывает данные по одному обороту за раз и отменяет чередование данных для их воспроизведения.
Если несколько байтов неправильно прочитаны в музыке, худшее, что может случиться, - это небольшая путаница во время воспроизведения. Однако, когда данные хранятся на компакт-диске, любая ошибка данных является катастрофической. Поэтому при хранении данных на компакт-диске используются дополнительные коды исправления ошибок.
Форматы данных компакт-дисков
Существует несколько различных форматов, используемых для хранения данных на компакт-диске, некоторые из них широко используются, а некоторые давно забыты. Двумя наиболее распространенными являются CD-DA (аудио) и CD-ROM (компьютерные данные).

Часто задаваемые вопросы о компакт-дисках

Для чего нужен компакт-диск?
Компакт-диск или компакт-диск - это диск, изготовленный из пластика и используемый для хранения данных, таких как видео, аудио и текстовые файлы. Компакт-диски заменили дискеты, потому что они более эффективны в использовании и могут хранить больше данных.

Когда компакт-диски заменили кассеты?
Компакт-диски заменили кассеты, начиная с 1991 года. К концу 2010-х компакт-диски были на исходе, их заменили потоковая музыка и цифровые загрузки.

Что означает DVD?
DVD означает цифровой универсальный диск или цифровой видеодиск.

Выпуск DVD-дисков прекращается?
Потоковые сервисы уже в значительной степени заменили диски, включая DVD. Рост индустрии потокового вещания в будущем сделает DVD-диски еще более устаревшими.

Как я могу воспроизводить компакт-диски без проигрывателя компакт-дисков?
Вы можете скопировать свой компакт-диск в MP3-файл и переместить его на USB-накопитель. Или подключите USB-кабель к внешнему USB-устройству, а другой конец - к USB-порту в вашем автомобиле. Вы также можете использовать свой персональный компьютер или музыкальные системы, которые также оснащены проигрывателем компакт-дисков.