Носители данных

Увеличение ёмкости хранимой информации стало возможным благодаря полному использованию допусков на изготовление дисков. Так, например, расстояние между дорожками по стандарту ECMA-130 составляет 1,6 ± 0,1 микрометра, линейная скорость вращения диска 1,2 или 1,4 м/с ± 0,01 м/с при тактовой частоте 4,3218 Мбит/с. Ёмкость в 650 Мбайт соответствует скорости 1,41 м/с и расстоянию между дорожками равному 1,7 микрометра, а ёмкость в 800 Мбайт — скорости в 1,39 м/с и расстоянию между дорожками в 1,5 микрометра.

Табл.4, емкость компакт-дисков

Геометрия диска

Компакт-диск представляет собой поликарбонатную подложку толщиной 1,2 мм и диаметром 120 мм, покрытую тончайшим слоем металла (алюминий, золото, серебро и др.), защищенного слоем лака, на который обычно наносится графическое представление содержания диска. Принцип считывания через подложку позволяет весьма просто и эффективно осуществить защиту информационной структуры и удалить её от внешней поверхности диска. Диаметр пучка на внешней поверхности диска составляет порядка 0,7 мм, что повышает помехоустойчивость системы к пыли и царапинам. Кроме того, на внешней поверхности имеется кольцевой выступ высотой 0,2 мм, позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм. Вес диска без коробки составляет ~15,7 г. Вес диска в обычной джуэл-коробке («jewel», не «slim») равен ~74 г.            Рис.6, Компакт-диск

Кодирование информации

Формат хранения данных на диске, известный как Red Book («Красная книга»), был разработан компанией Philips. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Благодаря коррекции ошибок с помощью кода Рида — Соломона, лёгкие радиальные царапины не влияют на читаемость диска. Philips также владеет всеми правами на знак «Compact disc digital audio», логотип формата аудио-компакт-дисков.

Информационная структура

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки из питов (англ. pit — углубление), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются лендом (англ. land — пространство, основа). Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм. Питы рассеивают или поглощают падающий на них свет, а подложка — отражает. Поэтому записанный компакт-диск — пример отражательной дифракционной решётки с периодом 1,6 мкм. Для сравнения, у DVD период — 0,74 мкм.

Различают диски только для чтения («алюминиевые»), CD-R — для однократной записи, CD-RW — для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах. В некоторых CD-плеерах и музыкальных центрах такие диски могут не воспроизводиться (в последнее время все производители бытовых музыкальных центров и CD-плееров включают в свои устройства поддержку чтения CD-R/RW).

Считывание информации

Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм, излучаемого полупроводниковым лазером. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации изменения интенсивности отражённого света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то приёмный фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует ме́ньшую интенсивность света.

Различие между дисками «только для чтения» (CD) и дисками однократной/многократной записи (CD-R/RW) заключается в способе формирования питов. В случае диска «только для чтения» питы представляют собой некую рельефную структуру (фазовую дифракционную решетку), причём оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице фаз в половину длины волны между светом, отражённым от пита и светом, отражённым от ленда. В результате в плоскости фотоприёмника наблюдается эффект деструктивной интерференции и регистрируется снижение уровня сигнала. В случае CD-R/RW пит представляет собой область с бо́льшим поглощением света, нежели ленд (амплитудная дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует снижение интенсивности отражённого от диска света. Длина пита изменяет как амплитуду, так и длительность регистрируемого сигнала.

Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 Кб/с (то есть 153 600 бит/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 × 150 = 7200 Кб/с (7,03 Мб/с).

Защита от копирования

Спецификация компакт-дисков не предусматривает никакого механизма защиты от копирования — диски можно свободно размножать и воспроизводить. Однако начиная с 2002 года, различные западные звукозаписывающие компании начали предпринимать попытки создать компакт-диски, защищённые от копирования. Суть почти всех методов сводится к намеренному внесению ошибок в данные, записываемые на диск, так, чтобы на бытовом CD-плеере или музыкальном центре диск воспроизводился, а на компьютере — нет. В итоге получается игра в кошки-мышки: такие диски читаются далеко не на всех бытовых плеерах, а на некоторых компьютерах — читаются, выходит программное обеспечение, позволяющее копировать даже защищённые диски и т. д. Звукозаписывающая индустрия, однако, не оставляет надежд и продолжает испытывать всё новые и новые методы.

Philips заявила, что на подобные  диски, не соответствующие спецификациям «Red book», запрещается наносить знак «Compact disc digital audio».

Для дисков с данными также существуют разнообразные методы защиты от копирования, например технологии StarForce, SecurDisc и др.

Компакт-диск (CD-ROM) длительное время был основным носителем для переноса информации между компьютерами (вытеснив с этой роли флоппи-диск). Сейчас он медленно уступает эту роль более перспективным твердотельным носителям, которые работают существенно быстрее, и занимают меньше места.

Дальнейшим развитием компакт-дисков стали DVD.

   DVD (англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc — цифровой видеодиск) — носитель информации, выполненный в форме диска, имеющего такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой.

История

Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 года в Японии, и в марте 1997 года в США и СНГ.

В начале 1990-х годов разрабатывалось два стандарта для оптических информационных носителей высокой плотности. Один из них назывался Multimedia Compact Disc (MMCD) и разрабатывался компаниями Philips и Sony, второй — Super Disc — поддерживали 8 крупных корпораций, в числе которых были Toshiba и Time Warner. Позже усилия разработчиков стандартов были объединены под началом IBM, которая не хотела повторения войны форматов, как было со стандартами кассет VHS и Betamax в 1970-х. Официально DVD был анонсирован в сентябре 1995 года, тогда же была опубликована первая версия спецификаций DVD. Изменения и дополнения в спецификации вносит организация DVD Forum (ранее называвшаяся DVD Consortium), членами которой являются 10 компаний-основателей и более 220 частных лиц. DVD является самой быстрорастущей категорией бытовой электроники в истории человечества.

Первый привод, поддерживающий запись DVD-R, выпущен Pioneer в октябре 1997 года. Стоимость этого привода, поддерживающего спецификацию DVD-R версии 1.0, составляла 17 000 долл. Чистые диски объёмом 3,95 ГБ стоили по 50 долл. США.

Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже, когда стало ясно, что носитель подходит и для хранения произвольной информации, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). Toshiba, заведующая официальным сайтом DVD Forum’а, использует «Digital Versatile Disc». К консенсусу не пришли до сих пор, поэтому сегодня «DVD» официально вообще никак не расшифровывается.

Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм. Шаг дорожки — 0,74 мкм, это более чем в два раза меньше, чем у компакт-диска. Записанный DVD, как и компакт-диск — пример дифракционной решётки с периодом, равным шагу дорожки.

Формат DVD по структуре данных бывают четырёх типов:

DVD-видео — содержат фильмы (видео и звук);

DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках);

DVD-Data — содержат любые данные;

смешанное содержимое.

В отличие от компакт-дисков, в которых структура аудиодиска принципиально отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF (для данных может быть использована ISO 9660). DVD-видео, для которых существует требование «быть проигранным на бытовых проигрывателях», используют ту же файловую систему UDF[источник не указан 398 дней], но с рядом ограничений (документ ECMA-167) — например, не допускается фрагментация файлов. Таким образом, любой из типов носителей DVD может нести любую из четырёх структур данных (см. выше).

 

Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит ёмкость диска (из-за чего 8-см диски получили названия DVD-1, −2, −3, −4, а 12-см диски — DVD-5, −9, −10, −14, −18, по принципу округления ёмкости диска в Гб до ближайшего сверху целого числа):

Табл.5, Ёмкости и номенклатура DVD

Записываемые DVD

Первоначально HP разработала записываемые DVD media для сохранения данных при резервном копировании и переносе.

Записываемые DVD теперь используются и в бытовых аудио- и видеопроигрывателях или рекордерах. Существуют три формата записываемых и перезаписываемых DVD-R/RW, DVD+R/RW (плюс) и DVD-RAM (минус, тире). DVD-R распространён двух типов: General, с длиной волны записи 650 нм и Authoring, с длиной волны записи 635 нм. Оба типа проигрываются на любом DVD плеере, запись осуществляется в зависимости от модели. DVD-авторинг видео возможен для любого, из этих типов, но только для последнего возможна запись видео с использованием Content Scramble System.

Сейчас DVD рекордеры, в основном могут записывать как DVD+R/RW, так и DVD-R/RW форматы (обычно указывают DVD±R или для каждого формата отдельно лотипы DVD Forum и DVD+RW Alliance), а проигрыватели читать оба этих формата, однако выпущенные ранее могут иметь сложности с «+». А некоторые первые модели DVD плееров могли привести к повреждению DVD±R/RW/DL при попытке их проиграть.

DVD диски, c возможностью многократной перезаписи RAM, в отличие от RW, обладают более высокой надёжностью, возможностью большего числа циклов перезаписи (до ~100 тыс., RW «всего» более ~1 тыс.), но так же и более высокой стоимостью.

Форматы DVD-R и DVD+R

Стандарт записи DVD-R(W) был разработан в 1997 году японской компанией Pioneer и группой компаний, примкнувших к ней и вошедших в DVD Forum, как официальная спецификация записываемых (впоследствии и перезаписываемых) дисков.

Созданные на базе DVD-R диски DVD-RW, первоначально имели неприятность, связанную с несовместимостью старых приводов с этими новыми дисками (проблема заключалась в отличие оптического слоя, ответственного за «запоминание» информации, который имел меньшую (по сравнению с носителями с однократной записью и штампованными дисками) отражающую способность). В дальнейшем данная проблема была почти полностью решена, хотя раньше именно из-за этого старые DVD-приводы не могли нормально проигрывать новые перезаписываемые диски.

Так как при разработке стандартов DVD-R и DVD-RW не были учтены разработки фирм Sony, Philips и некоторых других (а также цена лицензии на эту технологию была слишком высока), то эти производители записывающих приводов и носителей для записи объединились в DVD+RW Alliance (англ.), который и разработал в середине 2002 года стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже.

Созданный альтернативный формат, получивший название DVD+R и DVD+RW, имел другой материал отражающего слоя и специальную разметку, облегчающую позиционирование головки (LPP, Land pre-pits — предзаписанные питы между дорожками, содержащие данные адресации и другую служебную информацию, эти данные позволяют приводу DVD записывать информацию в желаемые места на диске) — основное отличие подобных «плюсовых» дисков от «минусовых». С помощью этого диски DVD+RW способны в несколько приемов осуществлять запись (поверх существующей), как в обычном кассетном видеомагнитофоне, исключая утомительное предварительное стирание всего содержимого (для DVD-RW вначале необходимо целиком стереть имеющуюся запись).

Помимо этого, во время использования перезаписываемых «плюсовых» дисков количество ошибок уменьшается, а корректность записи увеличивается, в результате чего сбойный сектор можно с легкостью перезаписать, а не стирать и не записывать весь диск заново. Следовательно, если вы намерены активно пользоваться функцией перезаписи и записи, лучше выбрать рекордер, поддерживающий «плюсовой» формат (на что сейчас способно большинство моделей). 
DVD-видео

Для воспроизведения DVD с видео необходим DVD-оптический привод и декодер MPEG-2 (то есть либо бытовой DVD-проигрыватель с аппаратным декодером, либо компьютерный DVD-привод и программный проигрыватель с установленным декодером). Фильмы на DVD сжаты с использованием алгоритма MPEG-2 для видео и различных (часто многоканальных) форматов для звука. Битрейт сжатого видео варьируется от 2000 до 9800 Кбит/с, часто бывает переменным (VBR). Размер видео кадра для стандарта PAL равен 720×576 точек, а для стандарта NTSC — 720×480 точек.

Аудиоданные в DVD-фильме могут быть в формате PCM, DTS, MPEG или Dolby Digital (AC-3). В странах, использующих стандарт NTSC, все фильмы на DVD должны содержать звуковую дорожку в формате PCM или AC-3, а все NTSC-плееры должны эти форматы поддерживать. Таким образом, любой стандартный диск может быть воспроизведён на любом стандартном оборудовании.