Проект системи запису/відтворення для супер - диску (SACD)

Рис. 4. Одношаровий супер-диск

 

Рис. 5. Двошаровий супер-диск

 

Рис. 6. Гібридний супер-диск

Визначення типу диска

Для розпізнавання типу диска, встановленого  в програвач, визначається різниця  відбиваючої здатності та відстань між двома шарами.

При зчитуванні сигналу фокусуюча лінза (об'єктив) пересувається від нижнього положення до верхнього. У процесі руху точка фокусування лазерного пучка сканує диск по товщині. У той момент, коли ця точка досягає поверхні диску, детектор реєструє слабкий відбитий сигнал, що викликає появу імпульсу на ВЧ-виході. Цей імпульс запускає таймер мікропроцесора. Залежно від проміжку часу між першим і другим імпульсами (коли точка фокусування пучка досягає другого відбиваючого шару) пристрій може розпізнати шар високої щільності всередині диска. Товщина диска дорівнює 1,2 мм, а шар високої щільності заглиблений на 0,6 мм в двошаровому або гібридному диску.

Потім повинна бути виконана процедура  розпізнавання верхнього шару. У  разі двошарового диску відображення буде набагато менше, ніж для CD-шару на гібридному супер-диску. Різниця у відображенні визначається за допомогою зчитування напруги помилки стеження в процесі руху оптичного блоку від центру диска до зовнішнього кола (при ввімкненому фокусуванні). Залежно від рівня сигналу помилки стеження на виході сервосхеми стеження приймається рішення про тип шару (CD/HD). Відбиваючі здатності шарів супер-диску наведені у таблиці 2.

 

Таблиця 2. Відбиваючі здатності шарів  супер-диску

Тип диску	Відбиття (%)
Одношаровий	60-85
Двошаровий	18-30
Гібридний	15-30 (шар високої  щільності, 1HD) >70 (слой СD)

2. Водяні знаки

Ще  однією вимогою підготовчого комітету було включення анти-піратської системи для запобігання незаконного відтворення дисків. Супер-диск також задовольняє ці вимоги. У цю систему входять як видимі, так і невидимі водяні знаки. Детальна інформація закрита для громадськості.

 

Видимі  водяні знаки

Як  передбачає сама назва, видимі водяні знаки є слабким зображенням, надрукованим на сигнальній стороні  диска. Цей друк важко скопіювати і нанести на диск, так як він не повинен порушувати відображення лазерного променя при зчитуванні. Видимі водяні знаки не можуть бути виявлені програвачем. Це надає користувачеві простий спосіб візуальної перевірки автентичності диска. Видимі водяні знаки рекомендовані підготовчим комітетом, але не є обов'язковими.

Невидимі водяні знаки

Невидимі  водяні знаки є системою захисту  авторських прав, яка повинна бути включена в диск. Цей різновид захисту  записується на саму підкладку диска  і робить неможливим зчитування диску програвачем у разі незаконної копії. Ідея невидимих ​​водяних знаків – включити інформацію про захист авторських прав в основний сигнал, але залишити її «невидимою» для вихідних звукових даних.

Для включення в сигнал інформації про  авторські права була розроблена нова технологія, яка називається обробкою сигналу поглиблень (Pit Signal Processing, PSP). Основою технології є модуляція потужності лазерного променя при записі. Більш висока потужність випромінювання призводить до розширення лазерного пучка, змінюючи довжину і ширину заглиблень.

3. Кодування та формат сектору

Аналоговий  вхідний сигнал перетвориться в  цифровий DSD-сигнал і ділиться на блоки  по 2016 байт звукової інформації на кожен  блок.

Крім  звукової інформації велике значення мають додаткові дані і сигнали  синхронізації, які повинні бути записані на супер-диск. Оскільки частота вибірки однорозрядною системою складає 2,8224 МГц, загальний обсяг музичної інформації за 1 с стереозвучання дорівнює 2 х 2822400/8 = 705,6 кбайт. У порівнянні зі стандартним компакт-диском (44,1 кГц, 16 біт, 176,4 кбайт/с) цей обсяг даних у 4 рази більше.

Ці основні  дані діляться на блоки по 2048 кбайт, кожен з яких містить 2016 кбайт звукової інформації, заголовок і додаткову інформацію. До кожного блоку основних даних додаються 4 байти ідентифікатора (ID), 2 байти ідентифікатора виявлення помилок (IED) і 4 байта коду виявлення помилок (EDC). Таким чином формуються сектори даних. Крім того, 6 байт зарезервовані для розширення, в результаті обсяг інформації кожного сектора становить 2064 байти (табл. 3).

Таблиця 3. Склад секторів з даними

Данні ідентифікації	4 байти
Ідентифікатор знаходження помилок	2 байти
Зарезервовано	6 байт
Основні данні	2048 байт
Код знаходження  помилок	4 байти

 

Завдяки еволюції до більш потужного композиційного коду Ріда-Соломона (Reed-Solomon Product Code, RSPC), процедура виправлення помилок може бути реалізована на набагато більшому обсязі даних, ніж у випадку CIRC-корекції помилок для компакт-диску.

Кожні 16 секторів з даними, до яких додається  інформація з корекції помилок, утворюють  блок коду корекції помилок (ЕСС-блок), який показаний на рис. 7.

Дані 2064х16 байт кодуються в матрицю 192 рядки на 172 стовпця. Потім до кожного рядка додаються 10 байт PI-парності, а до кожного стовпця-16 байт РО-парності. За допомогою композиційного коду Ріда-Соломона (RSPC) можуть бути скориговані щонайменше 5 байт помилок на будівлю і 8 байт помилок на стовпець. Декілька послідовних обчислень можуть виправити навіть більшу кількість помилок.

Рис. 7. ECC-блок

Після цього 192 рядки з даними із блоку ЕСС, які розбиті на 16 блоків по 12 звичайних  рядків і 16 РО-рядків, чергуються між  цими блоками. Таким способом створюється  сектор запису (рис. 8).

Рис. 8. Сектор запису

 

Фактично  сектор запису містить інформацію одного сектора даних (12 рядків) або 2064 байт + 12 рядків х 10 байт PI + 1 рядок х 182 байта РВ або 2366 байт.

Потім кожен рядок сектора запису ділиться на дві рівні частини (91 + 91 байт). Здійснюється EFM+ модуляція кожного байта, і до кожної частини додається 32-розрядне слово синхронізації. Слова синхронізації поперемінно додаються до описаних байтових комбінацій у певній логічній послідовності, забезпечуючи тим самим синхронну роботу декодерів.

Кожне слово синхронізації має особливу «ідентифікаційну» бітову структуру  і займає певне місце у фізичному  секторі:

SYNC0 - початок фізичного сектора,

SYNC1 ... 4 - початок непарного кадру  синхронізації,

SYNC5 ... 7 - початок парного кадру синхронізації.

Бітові  структури (послідовності) для слів синхронізації вибираються з  додаткового списку слів, які задовольняють  рекомендаціям EFM (відповідно EFM+), щоб до цих слів не доводилося застосовувати ніякого додаткового EFM-перетворення.

Використання  восьми різних слів синхронізації в  рядках сектора запису (13 рядків) призводить до фізичного сектору, що складається з 13х2 (сінхрослова на рядок) х [32 (біта синхронізації) + 91 байт х х 2 (EFM+) х 8 біт] = 38688 біт (рис. 9).

Але повернемося до розрахунку швидкості  потоку даних. Один сектор даних складає 2048 байт основної інформації. В даний час для формату SACD визначено дві різні структури: три кадри на 14 секторів і три кадри на 16 секторів.

Рис. 9. Фізичний сектор

В системі 3 кадри/14 секторів загальний обсяг звукової інформації, яку містять 14 секторів, дорівнює 28224 байта. Крім того, є 84 байта заголовку і 364 байти додаткових даних, що в підсумку дає 14 х 2048 = 28672 байта.

За  одну секунду зчитуються 75 кадрів, тобто  підсумкова бітова швидкість потоку звукових даних дорівнює 75/3 (система з трьох кадрів) х х 28224 (звукові дані в одному секторі) = 705600 біт/с.

Аналогічний підрахунок можна виконати для системи 3 кадри/16 секторів, що відрізняється за обсягом додаткової інформації.

Очевидно, те ж саме перетворення не можна  пристосувати до багатоканальних застосувань Кінцева швидкість потоку була б занадто високою, що перевищує максимальну швидкість зчитування оптичної системи. Тому використовується спеціальний метод стиснення при передачі прямого цифрового потоку (DST) для зменшення обсягу даних і, як наслідок, швидкості передачі. Остаточне визначення максимальної байтової швидкості:

2 канали (3 кадри/14 секторів) - 716800 байт/с, або 5,7344 Мбіт/с;

2 канали (3 кадри/16 секторів) - 819200 байт/с, або 6,5536 Мбіт/с;

багатоканальний звук (DST) - 1873920 байт/с, або 14,99136 Мбіт/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. СТРУКТУРА SACD ДИСКУ

У структурі диска SACD визначено три  основні області: найближча до центру диску область – область введення (lead-in area), де записана інформація про тип диску (виробник, число шарів і т. д.), програмна область (program area), або зона даних, і область виводу (lead-out area). Остання область використовується в якості буферної зони в разі, коли в результаті удару оптичний блок зміщується до зовнішньої зони диска. У гібридному супер-диску, де верхній шар має ту ж структуру, що і стандартний компакт-диск, в області введення CD-шару знаходиться також таблиця вмісту. Середня область (зона) двошарового диску відсутня в одношаровому та гібридному дисках і в основному виконує ту ж функцію, що і область виводу. Все це показано на рис. 11-13.

Рис. 10. Гібридний супер-диск

Рис. 11. Одношаровий супер-диск

Рис. 12. Двошаровий супер-диск

Зона  даних супер-диску містить інформацію ТОС, а також область файлової системи, область звукових даних і область додаткових даних.

На  рис. 4 зображена загальна структура  запису на диску.

Рис. 13. Стуктура супер-диску

 

Область файлової системи є необов'язковим  простором, де може бути записана інформація, визначена стандартом ISO-9660, або файл унікальності диска (UDF).

На  відміну від компакт-диска, де ТОС  містить інформацію про кількість  треків (фрагментів програми) і часу запису на диску, область master TOC, використовувана на диску формату SACD, несе інформацію про альбом і диск.

 

Рис. 14. Структура трек/канал

Основними розділами master TOC є:

• розташування і розмір області ТОС;
• інформація про диск і альбом (вся інформація про тип диску, номер диска у каталозі, жанр, дата і час і т. д.);
• текстова інформація (кількість текстових каналів на диску, мова і т.д.);
• текст (назва диску, ім'я виконавця і т. д.).

Розглянемо  докладніше область звукових даних, що містить область двоканальних стереоданих і багатоканальну область. Область звукових даних розбита на три основні блоки, як показано на рис. 16.

Блоки ТОС1 і ТОС2 містять одну й ту ж  інформацію про кількість треків, записаних на диску, загальному часі відтворення, розташуванні різних треків і т.д. Метою дублювання ТОС є міркування безпеки на випадок пошкодження області ТОС1.

Фактичні  звукові дані записуються в область  треків.

Область додаткових даних є необов'язковою  частиною диску, призначеної для запису інформації UDF або файлової системи по стандарту IS0-9660.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. DST-СТИСК  ДАНИХ

Як  було зазначено раніше, Міжнародний підготовчий комітет (ISC) рекомендує зберігати 74 хв високоякісного двоканального звуку або ті ж 74 хв шестиканального об'ємного звуку на шарі високої щільності (ємністю 4,7 Гбайт) оптичного диску. Якщо грубо оцінити обсяг пам'яті, необхідний для 74 хв стереозображення то буде видно, що неможливо записати шість звукових каналів з такими ж характеристиками, як при двоканальному записі.

Щоб забезпечити можливість запису шести  каналів інформації, доводиться використовувати методи зниження обсягу інформації. Було розглянуто два можливих варіанти: метод стиснення з втратою частини інформації, оснований на психоакустиці, подібний з Dolby Digital (АСЗ), і метод кодування без втрат.

Для формату SACD був обраний новий  метод кодування без втрат, вже згаданий попередньо, DST-стиснення. Методи кодування без втрат були спочатку розроблені для зменшення обсягу даних стосовно до персональних комп'ютерів. Після декодування вихідний сигнал може бути відновлений біт в біт.

Стиснення DST є досить складним методом, що використовує етапи кадрування, адаптивного передбачення і ентропійного кодування.

Ентропія  заснована на ймовірності появи  символів. Символ, який з'являється  часто, має найкоротший код, а  символ, що з'являється рідко, має найдовший код. Таким способом можна сформувати таблицю підстановки для символів, які з'являються найчастіше.

Другим  базовим методом зменшення обсягу даних є вкорочення кодових слів. Замість відсилання восьми послідовних нулів можна просто закодувати 8x0.

Однак, для DSD-сигналів базовий метод ентропії не дуже ефективний, так як амплітуда звукового сигналу перетвориться в потік даних, а не в абсолютне значення, як у ІКМ.

Тому  був розроблений новий метод  адаптивного передбачення. З використанням  цього нового методу DST-стиснення  здатне знизити обсяг даних приблизно  на 50% без втрати будь-якої інформації.