Компьютерра - Журнал "Компьютерра" №757

При чтении луч лазера по-разному отражается от впадин и выпуклостей, что фиксируется чувствительным фотодатчиком через фокусирующую линзу. Последняя находится на подвижной оси, аналогично головкам жесткого диска, и может, подобно им, подстраивать свое положение по максимуму сигнала. Скорость работы системы управления фокусирующей линзы такова, что эффективно отслеживаются вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения. Однако свыше 4000–5000 об./мин. (что соответствует скоростям чтения 48–52х) диски раскручивать нецелесообразно: из-за неизбежной при массовом производстве несбалансированности дисков и возникающих при этом вибраций, качество чтения начинает падать в среднем уже при скоростях выше 40х. Периодическое "завывание" скоростных приводов обусловлено тем, что они ищут оптимальный режим чтения: свыше некоторой скорости процесс замедляется из-за того, что приходится делать слишком много повторов для исправления ошибок. Так что если у вас есть возможность, то лучше сразу ограничивать "аппетиты" привода с помощью программ ограничения максимальной скорости (приблизительно до 32–40х) - "завываний" станет значительно меньше, а время готовности диска даже снизится.

Простейший оптический способ хранения информации, когда нули-единицы кодируются выпуклостями и впадинами на прозрачном (первоначально стеклянном) диске придуман голландским физиком Классом Компааном в 1969 году. В следующем году Компаан совместно с инженером Питом Крамером из компании Philips завершил изготовление прототипа, и инженеры пришли к необходимости использования лазерного луча для чтения информации. Привычный пластмассовый компакт-диск родился позднее - в 1977 году Mitsubishi, Hitachi и Sony представляют на Токийской выставке первый прототип аудиодиска, а в следующем году Philips предлагает в качестве основы компакт-диска применять и поныне используемый поликарбонат. В 1981 году с подачи Sony и Philips был принят первый Compact Disk Standard, известный ныне как CD-DA.

Первые компакт-диски были предназначены исключительно для распространения музыки. Согласно легенде, емкость аудио-CD (74 минуты 33 секунды звучания), выпущенного на рынок совместно компаниями Sony и Philips в 1982 году, была обусловлена вкусами супруги исполнительного директора Sony, очень любившей классическую музыку: именно столько длится 9-я симфония Бетховена. Разумеется, это не более чем легенда: емкость скорее всего выбиралась так, чтобы соответствовать времени звучания стандартных музыкальных альбомов, выпускавшихся тогда на виниловых пластинках.

Компакт-диски унаследовали от винила не только объем, но и способ записи: единой концентрической дорожкой, только от центра к краям, а не так, как на виниле (и, заметим, на магнитных дисках), - от края к центру. При этом читающий лазер следует за дорожкой, подобно игле звукоснимателя на традиционном проигрывателе.

Далее сходство заканчивается: в отличие от винила, на компакт-диск записываются цифровые данные. Согласно стандарту так называемого CD-качества, которое, говорят, устраивает абсолютное большинство слушателей, звук оцифровывается с частотой 44,1 тысяча отсчетов в секунду, каждый из которых записывается в двухбайтном формате (то есть с 65536 градациями уровня сигнала). Проделав элементарные арифметические операции, вы обнаружите, что для передачи такого потока данных нужен канал не менее 86 Кбайт/с, а для стерео - более 170 Кбайт/с. Так что формальная величина "однократной" (1х) скорости для CD, равная 150 Кбайт/с, на самом деле означает 176400 байт/с - именно с такой скоростью данные записываются, а также поступают из привода в программу воспроизведения. Легко также подсчитать, что аудиодиск должен содержать около 750 Мбайт "чистых" данных.

Реально же количество информации на CD еще много больше, так как данные пишутся не напрямую: каждые 8 бит кодируются специальным 14-битным кодом EFM (Eight-to-Fourteen Modulation - кодировка 8 в 14). 24 таких "символа" данных образуют звуковой кадр, содержащий 6 отсчетов (сэмплов) левого канала и 6 отсчетов правого канала (по 16 бит каждый). К каждому кадру добавляется 8 бит коррекции ошибок (используется так называемый помехозащитный код Рида-Соломона) и один служебный, что в сумме дает 33-битный кадр. С учетом того, что каждый "символ" разделяется тремя битами, общее число "символов" в кадре составляет 588. Такие кадры, как легко подсчитать, исходя из частоты дискретизации 44,1 кГц, идут со скоростью 7350 раз в секунду. 98 кадров образуют единовременно считываемую единицу: звуковой сектор, содержащий 2352 байта данных. Общий поток "физических" данных при скорости 1х, с учетом кодов коррекции и служебных байт, составляет 4,3 Мбит/с.

Такой подход позволяет не очень заботиться об ошибках при записи и чтении. Так, наличие царапин на традиционном аудио-CD до некоторого предела никак не сказывается ни на качестве звука, ни на стабильности воспроизведения: использование кодов коррекции позволяет исправить до 3500 групповых ошибок подряд (занимающих на диске зону около 2,5 мм вдоль дорожки). Другое дело - диски с данными (Data CD), где ошибки недопустимы, и количество полезной информации еще меньше. Величина 650 Мбайт полезной информации, характерная для дисков с данными, получается потому, что в них используется еще один дополнительный в сравнении с аудиодиском уровень коррекции ошибок, на который приходится тратить часть дискового пространства: из упомянутых 2352 байт в каждом секторе аудиодиска, Data CD использует лишь 2048 байт (величина, кратная 512 байтам, образующим сектор на жестком диске).

Заметим, кстати, одно свойство аудиодисков: информация с них должна поступать с совершенно определенной, точно заданной скоростью, зависящей в первую очередь от скорости вращения, которую приходится повышать в областях, расположенных ближе к центру диска, и снижать к краям (полный диапазон изменения угловой скорости - примерно вдвое). Упреждающее чтение с накоплением информации в буфере, что позволило практически избавиться, в частности, от джиттера (заметных на слух дефектов воспроизведения из-за неравномерности поступления цифровой информации), стали использовать позднее - сначала приводы еле успевали воспроизводить то, что поступало в реальном времени. Первые приводы CD вообще не "умели" читать аудиоданные с диска в цифровой форме с точностью до бита, ведь небольшие сбои и пропуски в аудиопотоке на слух незаметны. Так что копию "бит в бит" аудиодиска с помощью этих приводов было сделать невозможно, что очень устраивало производителей.

Заметим в скобках, что истоки монополии лейблов, за которую они так яростно сражаются и по сей день, именно оттуда: при почти полном отсутствии средств качественного копирования музыки[ В этом отличие ситуации 1960–80-х годов за рубежом и в нашей стране, где рынок в области поп- и рок-музыки, по сути, отсутствовал и большинство записей у нас распространялось путем аналогового копирования - вполне незаконного с сегодняшней точки зрения. Большинство же зарубежных бытовых моделей магнитофонов-плееров вообще линейного входа для записи не имели; к тому же процедура довольно сложна с точки зрения рядового зарубежного "чайника" и приводит к заметному снижению качества, так что в условиях насыщенного западного рынка попросту была нецелесообразна. По этим причинам наличие на рынке некоторого количества моделей магнитофонов с возможностью записи лейблы тогда совершенно не беспокоило.] пользователь был вынужден покупать что дают - например, целый альбом ради одного хита. Странно только, что лейблы посчитали такую ситуацию вечной и были страшно удивлены, когда с распространением цифровых средств копирования пользователи стали поголовно отказываться покупать музыку "оптом", предпочитая набирать "синглы" по собственному вкусу.

Существует два режима записи дисков: DAO и TAO. Название первого расшифровывается как "диск за один раз" (Disk-at-once). Такие диски еще называют односессионными, так как весь диск записывается за один прием, без выключения лазера. Одна сессия, впрочем, не означает наличие только одной звуковой дорожки - в современных дисках дорожек (треков, Tracks) обычно столько, сколько записывается отдельных аудиокомпозиций. Это удобно и при записи, и при обратном преобразовании (каждый файл оригинала соответствует своему треку), и с точки зрения контроля за пользователями, которые вечно норовят все куда-нибудь скопировать (для каждого трека можно проконтролировать длительность и составить контрольную сумму, с помощью которой ее легко в дальнейшем "отловить" в пиринговых сетях). Естественно, какой-нибудь концерт может быть растянут и на весь объем диска - тогда и трек всего один.

В процессе записи в режиме DAO важно, чтобы поток данных, поступающих в привод, не прерывался, иначе "болванка" (даже перезаписываемая) может быть испорчена навсегда. Не все старые компьютеры справлялись с таким требованием, да и по сей день при записи на высоких скоростях не рекомендуется в процессе работы привода запускать другие приложения. На ПК последних моделей (с большим количеством оперативки и особенно использующих скоростные интерфейсы приводов типа SATA) можно, впрочем, об этом не задумываться.