Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Кодирование данных на диске Обработка ошибок чтения.Стандарт HD-DVD

Устройства оптического хранения данных
Кодирование данных на диске

Обработка ошибок чтения
Диск разделен на шесть основных областей.


■ Область фиксирования (посадки) диска. Представляет собой центральную часть компакт-диска с отверстием для вала проигрывателя. Эта область не содержит какой-либо информации или данных.

■ Область калибровки мощности (PCA). Используется только дисководами перезаписываемых дисков для определения мощности лазера, необходимой для оптимального прожига диска. Тестирование области калибровки каждого диска CD-R или CD-RW может проводиться до 99 раз.

■ Программируемая область памяти (PMA). Существует только на перезаписываемых дисках (CD-R/RW) и представляет собой зону, используемую для записи временной таблицы оглавления (TOC). После завершения сеанса записи информация ТОС переписывается на нулевую дорожку.

■ Нулевая дорожка. Содержит оглавление диска (или сеанса) в кодировочном канале Q. Оглавление включает начальные адреса и длины всех дорожек (музыкальных или дорожек данных), общую длину программной области (области данных), а также информацию о каждом сеансе записи. Компакт-диск, записанный полностью за один сеанс (в режиме DAO), содержит только одну нулевую дорожку. Диски, записанные в течение нескольких сеансов, содержат несколько нулевых дорожек, которыми начинается каждый сеанс записи. Нулевая дорожка занимает 4500 секторов диска (одну минуту, если пользоваться единицами времени, или около 9,2 Мбайт данных). Нулевая строка указывает, является ли данный диск многосеансовым (т.е. многократно перезаписываемым); кроме того, она указывает на следующий адрес записи диска, если он не заполнен.

■ Программная (информационная) область. Начинается на расстоянии 25 мм от центра диска.

■ Конечная зона. Отмечает конец программной (информационной) области диска или же завершение сеанса записи на многосеансовом диске. Конечная зона не содержит каких-либо данных и используется только в качестве маркера. Первая конечная зона (или единственная, если диск записан в течение одного сеанса) занимает 6750 секторов (эквивалент 1,5 мин или около 13,8 Мбайт данных). Все последующие конечные зоны многосеансового диска занимают 2250 секторов (0,5 мин или около 4,6 Мбайт данных).

Область фиксирования диска, программная область, нулевая дорожка и конечная зона существуют на дисках любых типов. Кроме того, перезаписываемые компакт-диски (CD-R и CD-RW) дополнительно содержат область калибровки мощности и программируемую область памяти, которые находятся в начале диска.

Описанные области диска, изображенные в относительном масштабе, показаны на рис. 11.4.




РСА РМА

Рис. 11.4. Области компакт-диска (в разрезе)

Обычно спиральная дорожка стандартного диска CD-DA или CD-ROM начинается с нулевой дорожки и заканчивается конечной зоной, расположенной на расстоянии 58,5 мм от центра диска или 1,5 мм от его внешнего края. Длина спиральной дорожки достигает 5,77 км, или 3,59 миль. При использовании накопителя 56x CAV, имеющего постоянную угловую скорость, перемещение данных по отношению к лазеру происходит со скоростью 162,8 миль/ч (262 км/ч). Самое удивительное заключается в том, что, несмотря на довольно высокую скорость перемещения данных, лазерный датчик безошибочно считывает значения битов (переходы впадина-площадка”), размеры которых не превышают 0,9 микрона, или 35,4 миллионной доли дюйма!

В табл. 11.1 приведены основные технические характеристики 74- и 80-минутных компакт-дисков. Первоначальный CD-стандарт создавался с учетом 74-минутного компакт-диска; 80-минутные версии, разработанные позже, отличаются главным образом более компактным расположением витков дорожки.

Спиральная дорожка разделена на секторы, частота следования которых при чтении или записи составляет 75 секторов в секунду. Таким образом, на диске, содержащем в общей сложности 74 мин. информации, может находиться максимум 333000 секторов. Каждый сектор, в свою очередь, разделен на 98 отдельных блоков (кадров) информации. Каждый кадр со­держит 33 байт, из которых 24 байт являются звуковыми данными, 1 байт содержит кодовую
служебную информацию, а 8 байт используются для хранения данных, получаемых при коррекции четности/кода ошибок (ЕСС). В табл. 11.2 приведены параметры секторов, блоков и звуковых данных.






Гц. Герц (тактов в секунду).

Мм. Миллиметр (тысячная часть метра).

Мкм. Микрометр, или микрон (миллионная часть метра).

Дискретизация

Во время записи музыкальных компакт-дисков происходит дискретизация данных с частотой 44100 тактов в секунду (Гц). Каждая выборка (sample) звуковых данных имеет отдельный компонент левого и правого каналов (стерео), причем каждый компонент канала преобразован в 16-разрядное число. Таким образом, возможно 65536 разных значений, которые представляют амплитуду звуковой волны канала в определенный момент.

Частота дискретизации определяет диапазон звуковых частот, которые могут быть представлены в цифровой записи. Чем выше частота дискретизации волны, тем ближе полученный результат к оригиналу. Теорема Найквиста-Котельникова гласит, что для точного восстановления исходного сигнала частота дискретизации должна быть по крайней мере вдвое выше наиболее высокой частоты, существующей в выборке. Это объясняет, почему компании Philips и Sony при создании компакт-дисков выбрали частоту дискретизации, равную именно 44100 Гц: она позволяет максимально точно воспроизвести звуки частотой до 20000 Гц, что является верхним пределом слышимости человеческого уха.

Звуковые секторы содержат 98 блоков по 33 байт, что составляет 3234 байт. Из них только 2352 байт фактически являются звуковыми данными. Остальные байты распределены следующим образом: 98 байт подкодовых (по одному байту на каждый блок) и 784 байт, используемых для контроля четности и коррекции ошибок (ECC).

Подкоды

Байты подкода позволяют накопителю находить песни (которые иногда называются звуковыми дорожками), расположенные на спиральной дорожке, а также служат для передачи дополнительной информации, относящейся к компакт-диску. В каждом блоке (кадре) хранится 1 байт подкода, что составляет в общей сложности 98 байт подкода в каждом секторе. Из них 2 байт используются в качестве маркеров стартового и конечного блоков, а оставшиеся 96 байт применяются для хранения данных подкода. Эти байты, в свою очередь, разделены на восемь 12-байтовых блоков, каждому из которых присваивается буквенное обозначение P-W. Каждый подкодовый канал может содержать около 31,97 Мбайт данных, что составляет примерно 4% от общей емкости музыкального диска. Интересно, что подкодовые данные равномерно распределены по всему объему диска. Другими словами, подкодовые данные содержатся почти в каждом секторе компакт-диска.

Блоки подкода P и Q имеются на дисках практически любого типа, а блоки R-W используются только в компакт-дисках формата CD+G или CD TEXT (т.е. графического и текстового типов).

Подкод P используется для идентификации начала звуковых дорожек компакт-диска. Подкод Q, в свою очередь, содержит множество различных данных, которые определяют ряд условий.

■ Наличие звуковых (CD-DA) или информационных (CD-ROM) данных сектора. Это позволяет предотвратить попытки проигрывания” накопителем дисков данных CD-ROM, что может привести к повреждению акустической системы.

■ Наличие двух- или четырехканальных звуковых данных. Последние используются очень редко.

■ Возможность цифрового копирования. К накопителям CD-R и CD-RW это не относится. Данный параметр использовался в накопителях DAT (Digital Audio Tape) для предотвращения копирования цифровых аудиокассет.

■ Использование коррекции искажений при записи музыки. Это методика уменьшения шипения или другого шума.

■ Расположение звуковой дорожки (песни) на диске.

■ Номер звуковой дорожки (песни).

■ Минуты и секунды, а также номер кадра от начала звуковой дорожки (песни).

■ Обратный отсчет в промежутке между звуковыми дорожками (песнями).

■ Минуты и секунды, а также номер кадра от начала первой дорожки (песни).

■ Штриховой код компакт-диска.

■ Международный стандартный код записи (ISRC). Этот код уникален для каждой звуковой дорожки (песни) компакт-диска.

Подкоды R–W используются в графических дисках формата CD+G для хранения графических и текстовых данных. Это позволяет отображать во время воспроизведения звуковых файлов ограниченный объем графической и текстовой информации. Такие же подкоды используются в дисках CD TEXT для хранения информации, относящейся к диску и звуковым дорожкам, которая применяется в стандартных музыкальных компакт-дисках. Это позволяет воспроизводить стандартные диски на CD-совместимых аудиопроигрывателях. Данные CD TEXT хранятся в виде символов ASCII в каналах R-W, расположенных на нулевой дорожке, а также в программной области компакт-диска. Подкоды, находящиеся на нулевой дорожке диска CD TEXT, содержат текстовую информацию о содержании диска, например название музыкального альбома и песен, а также имена исполнителей. Подкоды, включенные в программную область диска, в свою очередь, содержат текстовую информацию, относящуюся к воспроизводимой в данный момент звуковой дорожке (песне). Сюда входит название дорожки, имена авторов, исполнителей и т.п. Данные CD TEXT повторяются на каждой дорожке, что позволяет сократить время задержки при поиске данных.

Совместимые с CD TEXT проигрыватели обычно включают в себя текстовый дисплей, предназначенный для отображения дополнительной информации. Существует множество различных дисплеев, начиная от одно- или двухстрочного 20-символьного, который используется во многих современных автомобильных радио/CD-плеерах системы RBDS (Radio Broadcast Data System), и заканчивая дисплеями, содержащими до 21 строки 40-цветных, алфавитно-цифровых или графических символов, которые предназначены для домашних или компьютерных проигрывателей. В спецификации также учитывается дальнейшее развитие стандарта CD TEXT, например вывод изображений формата JPEG. Для просмотра текста в дисплеях может использоваться интерактивное меню.

Примечание

Современные версии проигрывателя Windows Media не поддерживают диски CD TEXT ни для записи, ни для воспроизведения. В то же время с этими дисками работают такие популярные программы, как VuPlayer (www.vuplayer.com), RealPlayer (www.realplayer.com) и Winamp (www.winamp.com). Среди приложений для создания дисков CD TEXT можно выделить Nero версий 6 и 7 (www.nero.com), а также Roxio Easy Media Creator 7.5, 8.0 и 9.0 (www.roxio.com).

Обработка ошибок чтения

При разработке стандарта компакт-дисков Red Book основное внимание было уделено обработке ошибок. Для уменьшения влияния возможных ошибок в компакт-дисках используются методы контроля четности и чередования, получившие название перемежающего кода Рида–Соломона (CIRC). Эта технология работает на уровне блоков (кадров). При сохранении информации 24 байт данных каждого блока сначала обрабатываются шифратором Рида– Соломона, создающим 4-байтовый код контроля четности (так называемый Q-контроль четности), который добавляется к исходным 24 байт данных. Полученные в результате этой операции 28 байт передаются второму шифратору, использующему другую схему, который, в свою очередь, создает дополнительный 4-байтовый код контроля четности (Р-контроль четности). Этот код добавляется к 28 байт, полученным при предыдущем кодировании, что составляет 32 байт (24 исходных байта данных плюс байты Q- и P-контроля четности). Затем вводится дополнительный подкодовый байт данных (информация о дорожке), в результате чего получается 33 байт для каждого блока. Следует отметить, что байты P- и Q-контроля четности не имеют никакого отношения к ранее упомянутым подкодам P и Q.

Для того чтобы минимизировать влияние царапин или физических дефектов, которые могут привести к повреждению смежных блоков, непосредственно перед записью блоков проводится несколько операций чередования. С помощью линий задержки осуществляется перекрестное чередование 109 блоков, т.е. эти блоки располагаются в различных кадрах и секторах. Такой подход снижает вероятность воздействия царапин и дефектов на смежные данные, так как запись данных осуществляется, по сути, непоследовательно.

Схема CIRC, используемая в музыкальных компакт-дисках и дисках данных CD-ROM, позволяет исправлять ошибки длиной до 3874 бит, что составляет 2,6 мм длины дорожки. Кроме того, с помощью метода интерполяции можно исправлять ошибки длиной до 13282 бит (или 8,9 мм по длине дорожки). Интерполяция представляет собой процесс приблизительного вычисления или усреднения данных, позволяющий восстановить отсутствующие данные. Этот метод, конечно, не годится для компьютерных дисков CD-ROM, поэтому он применяется только в музыкальных компакт-дисках. Стандарт компакт-дисков Red Book определяет частоту блоков с ошибками (BLER) как отношение количества блоков с какими-либо ошибками (98 блоков в каждом секторе) ко времени их считывания, выраженному в секундах. Необходимо, чтобы полученное значение не превышало 220. Если это условие соблюдается, то компакт-диск, содержащий до 3% блоков с ошибками, все еще будет работоспособен.

Для музыкальных проигрывателей компакт-дисков и накопителей CD-ROM характерно наличие дополнительного уровня обнаружения ошибок и схемы коррекции. Музыкальные проигрыватели преобразуют цифровые данные, хранящиеся на компакт-диске, в аналоговые сигналы, обрабатываемые стереофоническим усилителем. При использовании этой схемы некоторая неточность воспроизведения данных вполне допустима, так как человеческое ухо просто не в состоянии это услышать. В свою очередь, накопители CD-ROM не могут допустить какую-либо ошибку, так как каждый бит данных должен считываться предельно точно. Поэтому CD-ROM, наряду с основными данными, содержат большой объем дополнительной информации ЕСС. Код коррекции ошибок (ЕСС) позволяет выявлять и исправлять большинство мелких ошибок, повышая тем самым надежность и точность обработки данных до приемлемого уровня.

При воспроизведении музыкального компакт-диска отсутствующие данные могут быть интерполированы, т.е. существует определенный шаблон данных, позволяющий угадать” отсутствующие значения. Например, если три значения данных музыкального компакт-диска выражены серией последовательных чисел 10, 13 и 20, а среднее значение из-за повреждения или загрязнения поверхности диска пропущено, то его можно с достаточной степенью точности определить как 15, т.е. среднее арифметическое чисел 10 и 20. Хотя значение восстановлено неточно, слушатель может не заметить этой погрешности при воспроизведении звуковой записи. Если же аналогичные значения будут на CD-ROM в исполняемой программе, то определить правильное значение средней выборки просто невозможно. Метод интерполяции здесь не применим, так как команды или данные исполняемой программы должны быть безошибочными; в противном случае произойдет повреждение приложения или неверное считывание данных, необходимых для выполнения вычислений. Использовать ранее описанный метод при считывании исполняемой программы с CD-ROM практически невозможно.

Наряду с основными данными, CD-ROM содержит дополнительную информацию, введенную в каждый сектор и применяемую для выявления и исправления ошибок, а также для более точного определения секторов данных. Для этого из 2352 байт каждого сектора, используемых первоначально для хранения звуковых данных, 304 байт применяются для синхронизации (синхронизирующие биты), идентификации (биты идентификации), кода коррекции ошибок (ЕСС), обнаружения и исправления ошибок (EDC). Фактически в каждом секторе остается 2048 байт пользовательских данных. За одну секунду на стандартном устройстве (1х) считывается 75 секторов, поэтому базовая скорость считывания данных с CD-ROM достигает 2048 × 75 = 153600 байт/с, что составляет 153,6 Кбайт/с, или 150 Кибайт/с.

Примечание

Некоторые схемы защиты от копирования, которые используются в музыкальных компакт-дисках, смешиваются со звуковыми данными и перемежающимся кодом Рида--Соломона (CIRC) таким образом, что информация, записанная на оригинальном диске, воспроизводятся корректно, а проигрывание копий звуковых файлов или всего диска сопровождается шумом и различными помехами. Более подробно о защите от копирования звуковых компакт-дисков и дисков данных, а также о том, где можно найти программное обеспечение, позволяющее обойти эту защиту, речь идет далее.

Емкость компакт-диска

Максимальный объем данных, содержащихся на стандартном компакт-диске, считывается в течение 74 мин., причем за каждую секунду обрабатывается 75 блоков по 2048 байт. Это позволяет вычислить абсолютную максимальную емкость CD-ROM, которая составляет 681984000 байт — 682 Мбайт, или 650 мебибайт. Структура и расположение секторов CD-ROM, используемых для хранения данных, представлены в табл. 11.3.

Таблица 11.3. Емкость и параметры секторов CD-ROM



Приведенная в таблице информация представлена в соответствии с условием, что данные сохранены в формате Mode 1, который используется фактически во всех дисках данных. Более подробно о форматах Mode 1/Mode 2 можно узнать далее.

Итак, из 3234 байт, существующих в каждом секторе, только 2048 байт фактически являются пользовательскими данными CD-ROM. Большая часть из оставшихся 1186 байт используется при обнаружении и исправлении ошибок, что гарантирует безотказную работу системы.

Кодирование данных на диске

Теперь разберемся в завершающей части процесса записи данных на компакт-диск. После того как все 98 блоков скомпонованы в один сектор (звуковой или сектор данных), начинается заключительный процесс кодирования информации, получивший название EFM-модуляция, т.е. процесс преобразования каждого байта (8 бит) в 14-разрядное значение. Эти 14-разрядные коды преобразования разработаны таким образом, что не могут содержать менее двух и более 10 смежных битов, имеющих нулевое значение (0). Эта форма кодирования с ограничением длины поля записи (Run Length Limited — RLL) получила название RLL 2,10 (в общем виде — RLL x,y, где x — минимальное, а y — максимальное значение поля нулевых битов). Такая схема позволяет избежать появления длинных строк нулевых битов (нулей), которые могут быть считаны неправильно, а также ограничить минимальную и максимальную частоты переходов, существующих на носителе. С учетом того, что единичные биты (1) в записи должны быть отделены друг от друга не менее чем двумя и не более чем десятью нулями (нулевыми битами), минимальным расстоянием между единицами являются три временных интервала (обозначаемые обычно как 3Т), а максимальным — 11 временных интервалов (11T).

Некоторые коды EFM начинаются и заканчиваются единицей (1) или более чем пятью нулями (0), поэтому после каждого 14-разрядного значения EFM, записанного на диске, добавлены три дополнительных бита, называемые объединяющими битами (merge bits). Обычно объединяющие биты являются нулями (0), но могут в случае необходимости содержать и единицы (1), используемые для разбиения длинной строки смежных нулей (0), образованной соседними 14-разрядными значениями EFM. В дополнение к образованному 17-разрядному значению (EFM плюс объединяющие биты) к началу каждого блока добавляется 24-разрядное число синхронизации (плюс еще три объединяющих бита). В общей сложности в каждом блоке диска содержится 588 бит (73,5 байт). С учетом того, что в каждом секторе расположено 98 блоков, получаем, что в нем содержится 7203 байт. Таким образом, 80-минутный диск содержит примерно 2,6 Гбайт фактически записываемых данных. После декодирования и удаления кодов коррекции ошибок и другой информации остается примерно 737 Мбайт (703 мебибайт) реально используемого пространства диска.

Основные параметры EFM-кодированных блоков и секторов приведены в табл. 11.4.

Таблица 11.4. Параметры EFM-кодированных данных


Границы впадин преобразуются в двоичные биты, значение которых представлено единицей (1). Первичный 8-разрядный код каждого символа преобразован в 14-разрядный, и каждый 14-разрядный код EFM отделен от последующего тремя объединяющими битами (в этом примере — все нули). Длины впадин, показанных на рис. 11.5, равны соответственно 4T (четыре перехода), 8T и 4T. Строка нулей (0) и единиц (1) в верхней части рисунка указывает, как будет выполняться чтение данных. При этом обратите внимание, что единица (1) счи-тывается при переходе впадина–площадка”. Следует заметить, что приведенный рисунок выполнен в относительном масштабе, т.е. длина и ширина впадин пропорциональны друг другу. Если на поверхность компакт-диска посмотреть через микроскоп, то слово NO”, записанное на диске, будет выглядеть примерно так, как на рис. 11.5.


Стандарт HD-DVD

Данный стандарт, также известный как Advanced Optical Disc (AOD), — это еще один формат оптических дисков следующего поколения с использованием синего лазера, разработанный компаниями Toshiba и NEC. Стандарт HD-DVD очень похож на стандарт Blu-ray (но не совместим с ним) и также использует синий лазер для обеспечения высокой емкости. На записываемых дисках HD-DVD-R может поместиться до 15 Гбайт (на однослойном диске) или 30 Гбайт (на двухслойном) данных. На перезаписываемых дисках HD-DVD-RW может вместиться до 20 Гбайт (на однослойном диске) или 32 Гбайт (на двухслойном) информации. Консорциум DVD Forum утвердил формат HD-DVD в качестве преемника формата DVD.

Сравнительная характеристика спецификаций Blu-ray, DVD и HD-DVD приведена в табл. 11.9.

Таблица 11.9. Сравнение спецификаций Blu-ray Disc, HD-DVD и DVD



1. Для поддержки 8 каналов требуется HDMI 1.1. В большинстве домашних кинотеатров используются 2 канала или кодеки с потерями для объемного звука 5.1 или 7.1.

К сожалению, разработка формата HD-DVD и его поддержка консорциумом DVD Forum еще не означает, что не развиваются другие форматы DVD следующего поколения. Продукция Blu-ray и HD-DVD впервые появилась на рынке в 2006 году.

Несмотря на то что уже появились комбинированные приводы Blu-ray/HD-DVD, также поддерживающие старые стандарты CD и DVD (первенцем был привод Super Multi Blue от

компании LG), пройдет еще не один год, пока какая-нибудь из этих технологий вытеснит с рынка DVD1.

Примечание

Более подробно о технологиях Blu-ray Disc www.dvdforum.org соответственно.

и HD-DVD можно узнать на сайтах www.blu-raydisc.com

Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Кодирование данных на диске Обработка ошибок чтения.Стандарт HD-DVD", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:

Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
   


Copyright © 2008 - 2017 Дискета.info