Chip 1996 April

home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search

/ Chip 1996 April / CHIP 1996 aprilis (CD06).zip / CHIP_CD06.ISO / hypertxt.arj / 9506 / VIDI6.CD < prev next >

Wrap

Text File | 1996-03-08 | 23KB | 346 lines

@VAmikor a korong megszólal@N Az optikai adattárolásról szóló cikksorozatunk eddigi részeiben megkíséreltünk átfogó képet adni a hazai CD-gyártás helyzetérôl, a CD típusú optikai adattároló médiák rendszerérôl -- ezek csak olvasható, úgynevezett ROM (Read Only Memory) típusú optikai rendszerek -- és a CD-gyártástechnológia fejlôdésérôl. Ebben a részben választ kapunk az alapkérdésre: miért optikai adattároló a CD, s milyen a mûködési mechanizmusa? Az optikai adattároló rendszerek egyik eleme a média, az információt tároló elem (CD), a másik az információt leolvasó (""drive", ""lejátszó", ""meghajtó"), de léteznek írható-olvasható optikai rendszerek is. A két rendszer egymás mellett élése hosszú idôre biztosított, hiszen az egyre bôvülô alkalmazási területek ösztönzik mindkét rendszer párhuzamos fejlôdését. Mivel a felhasználó által írható optikai rendszerek ismertetése késôbbi terveinkben szerepel, célszerûbbnek tûnik elôször a ROM típusú rendszerek mûködésének ismertetése, annál is inkább, mivel a csak olvasható és az írható-olvasható rendszer mindkét eleme alapvetôen más elven mûködik. Az optikai adattároló rendszerek egyik lényegi tulajdonsága, hogy az információ leolvasásánál -- ellentétben a mechanikus és a mágneses elven mûködô adattároló rendszerekkel -- a média és az olvasófej (""pick up") mechanikusan nem érintkezik. Ez az alapvetô különbség az egyik oka annak, hogy az optikai médiák nagyságrendekkel hosszabb életûek, mint az eddig ismert tároló médiák bármelyike. (A hanglemez -- az LP -- a használat során folyamatosan kopik, a mágneses elven mûködô tárolók szintén érintkeznek valamilyen formában a mágneses tárolóréteggel, s ez lerövidíti az élettartamukat.) @KAz ""optikai tároló" elnevezés a médián tárolt @Kinformáció leolvasásának módjára utal, függetlenül attól, @Khogy milyen (mechanikai, optikai, esetleg magneto-optikai) @Kmódszerrel rögzítettük azt.@N A ROM típusú optikai adattárolóknál az információolvasás mechanizmusa mint alapelv mindegyik CD-típusra érvényes, ""csupán" a CD-n tárolt információ kódolási algoritmusában, illetve az olvasás után annak dekódolásában különböznek. A CD típusok megjelenésekor a szabványalkotók (Philips és Sony) -- talán tudatosan is -- nem fordítottak elég nagy figyelmet a kompatibilitás elônyeire, a CD-ket szinte típusonként más és más átmérôvel (80, 120, 200, 300 mm) specifikálták, ami megdrágította a média gyártását, s a nagyon eltérô geometriai méretek miatt a meghajtógyártást is költségesebbé tette, nem beszélve az alkalmazási oldalon jelentkezô kompatibilitási problémákról. Mára a professzionális és a szórakoztatóipari alkalmazások közeledése miatt egyre nagyobb hangsúlyt kap a kompatibilitás kérdése, s úgy tûnik, a 80 és a 120 mm átmérôjû CD-k az optimálisak, melyek maximális tárolókapacitása 220, illetve 680 Mbyte. (A 80 mm-es CD nem tûnik perspektivikusnak, bár mindegyik újonnan megjelenô CD-típusnál szabványosítják, s csaknem az összes új CD-meghajtó caddy nélkül tudja fogadni.) A médiák és a meghajtók kompatibilitását táblázatban foglaltuk össze. Jól kitûnik a két perspektivikus meghajtórendszer: a számítógépes hardverre alapozott CD-ROM és a tévére alapozott CD-I/Digital Video. Mielôtt a médián tárolt információ olvasásának alapelveit ismertetnénk, fel kell hívni a figyelmet arra, hogy a CD és a meghajtó együtt alkotja az optikai tárolórendszert, s egy adott probléma akkor kezelhetô (vagy minôsíthetô) biztonsággal, ha e két elem együtt vizsgálható meg. A CD-n való jobb tájékozódás érdekében a szabványalkotók egyes -- geometriailag is jól meghatározható -- területeket fenntartottak a CD-meghajtók támogatása érdekében. Specifikálták a belsô kör sugarát (lead in), ahol a TOC (Table Of Content -- amely gyakorlatilag a CD térképe), tehát az elsô információ olvasható, s rögzítették a programterület kezdetének sugarát és a programterület külsô sugarát is. A CD-re az információt annak gyártásakor -- típustól függôen -- meghatározott kódrendszerben, egy 1,6 µm menetemelkedésû spirális pálya mentén 0,5 µm széles, 0,11 µm mély, s -- a tárolandó információnak megfelelôen, egy egységnyi hosszúság egészszámú többszöröseként -- 0,833--3,056 µm hosszú gödröcskék, úgynevezett ""pitek" formájában rögzítjük (1. ábra). A pit méretét az információt letapogató lézerfény hullámhossza (780 nm), a sugárnyaláb átmérôje -- a hordozó polikarbonátba (üvegbe) való belépéskor kb. 0,8 mm --, az információs rétegen keletkezô foltméret (kb. 1,7 µm), valamint az információs réteget hordozó üveg vagy polikarbonát vastagsága (1,2 mm) és annak törésmutatója (n=1,46) határozza meg. A pitek letapogatásánál a fényinterferencia jelenséget használjuk ki. A mintegy 1 mW teljesítményû lézerdiódából származó koherens (állandó hullámhosszúságú, stabil fázisállapotú) fény alkalmas arra, hogy le lehessen tapogatni a tükrözô bevonattal ellátott pitrendszert. Amikor a letapogató nyaláb eléri a tárolóréteg pitek közti sima felületét (land), s onnan visszaverôdik, ez jelenti a digitális ""1" jelet. Miután a nyaláb elérte a pitet (ez csak optikailag gödör, a valóságban a tükrözô réteg felé egy kidudorodás, ezért nô meg a tükrözô rétegig a fény útja, s tûnik úgy, hogy itt egy gödröcske van), a visszaverôdés -- a pit méretei és formája miatt -- ellenkezô fázisban (180 fokos fáziseltolódással) történik, emiatt (teljes interferencia) a beesô nyaláb egy részét kioltja, s így a visszavert fény intenzitása jelentôsen csökken (nem lehet több, mint a beesô fény 70%-a), ez adja a digitális ""0" jelet (1. ábra). A logikai szintek megbízható detektálhatóságához stabilan kell tartani a CD-t megvilágító lézer fényenergiáját. Az olvasásnál a visszavert fényenergiát detektálni kell, össze kell hasonlítani a beesô és a visszavert nyalábenergia-értékeket, s az eredménytôl függôen digitális ""1"-et, vagy digitális ""0"-át kell írni a meghajtó e célra kialakított memóriájába. A kódolt információ dekódolás után visszanyerhetô. A CD-n tárolt információ leolvasása (""letapogatása") az óramutató járásával ellentétes irányban, a CD címkézett oldalával szembeni oldalról történik. Olvasás közben az olvasás helyétôl függôen a CD fordulatszámát változtatni kell (kb. 250-500 fordulat/perc), hogy a letapogatás sebessége, illetve az információ kiolvasási sebessége állandó lehessen. A leolvasás elve egyszerû. A kérdés: hogyan lehet egy 120 mm átmérôjû felületen egy adott információt hordozó sávot megtalálni, azon az olvasó sugárnyalábot vezetni, a változó sebességû forgás közben rezgômozgást végzô, adott esetben kissé deformált, apró porszemeket és karcokat is tartalmazó CD tükrözô rétegére az olvasó nyalábot fókuszálni, s onnan a pitrendszert leolvasni? A CD felületén való ""tájékozódáshoz" általában három sugárnyalábot használnak (3 beam push pull tracking), amelybôl egy az olvasó és fókuszáló, kettô pedig az információs sávon (track) tartásért felelôs (2. ábra). A három sugárnyaláb egy lézerdiódából származó nyalábból nyerhetô egy úgynevezett optikai rács segítségével (réshatás). Mivel a lézerdiódából származó nyaláb divergál, ezért szükség van egy nyalábpárhuzamosító és átmérôbeállító, úgynevezett kollimátor lencsére. A fókuszálást és a sugárnyalábok két síkban való vezetését az úgynevezett objektív (aszférikus) lencse végzi. A visszaverôdô fény útja megegyezik a beesô fényével, mivel a sugárnyalábok merôlegesen esnek a tükrözô felületre. A detektálhatóság érdekében a beesô és a visszavert nyalábokat szét kell választani. E célra a nyaláb útjába elhelyeznek egy úgynevezett polarizációs prizmát, amely a lézerdiódából érkezô nyalábokat irányváltoztatás nélkül továbbengedi a CD irányába, a CD-rôl visszavert fényt viszont 90 fokkal eltéríti. A visszavert és 90 fokkal eltérített nyalábokat egy henger lencse segítségével egy úgynevezett kvadráns detektort is magában foglaló, 6 fotodiódából álló detektorcsoportra vezetjük, ahova leképezzük a CD-n levô foltot. A leképezett foltok által keltett jelek segítségével vezérelhetjük az objektív lencsét. A kvadráns detektor jele egyrészt segít a fókuszálásnál, másrészt szolgáltatja az információs jelet. A kiegészítô két detektor jele pedig a folt tracken tartását biztosítja (3. ábra). A pitek biztonságos kiolvashatóságához a sugárnyalábokat **+-** 0,1 **Y**m pontossággal a tükrözô felületre kell fókuszálni (a CD síkjára merôleges mozgással, a fókuszálás mélységélessége kb. 2 **Y**m), illetve az információs sávon kell vezetni (a CD síkjával párhuzamosan). Ezt a feladatot látja el az optikai pick up úgynevezett aktuátora, amely megoldásában hasonlít egy hangszóró lengôtekercséhez, csak itt a membrán helyett az objektív lencse mozog mágnesek között egy rajta lévô tekercs vezérlésének megfelelôen. Az objektív lencse vezérlése az egyik legnehezebb feladat, amit az optikai pick up létrehozásánál meg kellett oldani. A vezérlést egy érzékeny szervo rendszer végzi. A vezérlés mechanizmusa a következô: @K1. A sugárnyaláb fókuszálása:@N a hengerlencse által a kvadráns detektor (4 fotodióda) síkjába leképzett folt ""alakjából", azaz a fotodiódák detektált jelének összehasonlításából egyértelmûen megállapítható a CD tükrözô felületét elérô sugárnyalábok fókuszáltsága. A detektor jelei vezérlik az aktuátort, amely az objektív lencsét állítja a ""fókuszpozícióba", azaz beállítja a beesô nyalábok optikai útjának hosszát. A fókuszálást 1,2-1,4 m/s forgási sebességnél kell folyamatosan végezni úgy, hogy forgás közben (például rázkódás, vagy deformáció miatt) a CD akár 1 mm-t is kilenghet. Az objektív lencse CD felülettôl mért távolsága kb. 2 mm. @K2. A sugárnyaláb információs sávon tartása:@N az optikai rács által létrehozott nyalábok közül a ""fô" nyaláb mellett kiválasztjuk a két legnagyobb intenzitású (+ elsô rendû illetve - elsô rendû) nyalábot. Az elsô rendû nyalábok segítik a pick up-ot a tracken tartásban. A szóbanforgó nyalábok foltjai az információs rétegen elölrôl (jobbról) és hátulról (balról) közrefogják a fô foltot -- amely a pitek letapogatását és a fókuszálást végzi (2. ábra) --, és a tükrözô rétegrôl visszavert jelük a kvadráns detektor mellett elhelyezett detektorokra vezetve elegendô pontossággal adja meg a szervo rendszernek a pick up helyzetét. A két detektoron mért jelnek azonosnak kell lennie. Ha az egyik detektált jel csökken -- jelzi, hogy a vezetô nyaláb a track sáv felé elmozdult --, a másik vezetô nyaláb jele nôni fog, hiszen az ezzel egy idôben a trackek közti tükrözô sáv felé volt kénytelen elmozdulni, vagyis a trackeken lévô pitek által okozott interferenciahatás kevésbé csökkenti a visszavert fény energiáját. Ha a szervo megfelelôen beavatkozik, a pick up pozíciójának korrekciója megtörténik, és a letapogató nyaláb ismét optimális helyen fut. A szervo rendszer beavatkozásainak mértéke és gyakorisága is minôsíti a CD-t, amit az RN (Radial Noise), a radiális zaj paraméterrel jellemzünk. @K3. A pit letapogatása:@N a pit hosszával kódolt információt a fô sugárnyaláb tapogatja le. A trackek mentén elhelyezett pitek és sima tükrözô felületek a fényinterferencia jelenség révén modulálják a beesô fényt, a modulált fényt detektáljuk, átalakítjuk digitális ""1" és ""0" jelekké, és egy FIFO (First In First Out) tárolóba írjuk (1. ábra). A FIFO szerepe csupán annyi, hogy szinkronizálja az optomechanikát (optikai pick up és a szervo rendszer) és a dekódoló elektronikát. A pick upról származó jelek aszinkron íródnak a FIFO-ba, s a jelfeldolgozáshoz (dekódolás) egy nagyon pontos óra ütemére kiolvasva kerülnek. A FIFO nagysága különbözô, néhány Kbyte, de akár 1 Mbyte is lehet. A dekóderrôl lekerülô digitális információ a CD típusától függôen további jelfeldolgozást igényel, de ez már nem érinti az olvasási mechanizmus lényegét. A CD-k olvasási alapsebessége 1,2-1,4 Mbit/s (150-175 Kbyte/s). A többszörös olvasási sebességû meghajtóknál erre az alapra értendô a többszörözés. A CD-meghajtók folyamatosan fejlôdnek, újabb és újabb elektronikai ""trükkökkel" segítik az optomechanika által szolgáltatott digitális információ egyre tökéletesebb leolvashatóságát, amit idônként a gyártómûvön is feltüntetnek jól látható helyen (például az elôlapon: 3 beam laser, 4 times oversampling, digital filter, digital data processing stb.). A Digital Video, az interaktív médiák egyre gyorsabb fejlôdése, a CD alkalmazási területeinek bôvülése, fejlôdése egyre nagyobb sebességi és minôségi elvárásokat támaszt az optikai adattároló rendszerek fejlesztôivel szemben. Ennek megfelelôen fejlôdnek a kódolási és dekódolási megoldások, s nem hagyják érintetlenül a meghajtó, az olvasási mechanizmusok területét sem. Egy ilyen kihívás a HDCD megjelenése, amely ha alapvetôen nem is, de jelentôsen módosítja az optikai tárolórendszerek mûködését, a komponensek gyártását. Nyomatékosan érvényes ez a két tárolórétegû HDCD rendszerekre. Reméljük, hogy az alapelvek ismeretében könnyebb megérteni az újabb és újabb megoldásokat. @KSzékesfehérvár, 1995. április 2. Baráth István@N Meghajtótípus CD-típus CD-A CD-ROM Photo-CD Karaoke Video CD CD-I CD-I/DV ■ CD-A + - - - - - - CD-ROM + + + + + + + Photo CD + - + - - - - Video CD + - - + + - - CD-I/DV + - + + + + + CD-I + - + - - + - @VA CD-meghajtók hibajavító mechanizmusa@N A CD-n lévô információ kiolvasáskori hibajavítása optikai és elektronikus módon történik. Olvasáskor maga a pick up végzi el a CD olvasási oldalán lévô apróbb porszemek, mechanikai sérülések okozta hibák elsôdleges javítását (4. ábra). Ebben segítséget kap az 1,2 mm vastag, n=1,46 törésmutatójú hordozótól azáltal, hogy a belépô sugárnyaláb -- amely a hordozó túlsó oldalán lévô tükrözô információs felületre fókuszálva kb. 0,8 mm átmérôjû -- a felületen már csak kb. 1,7 µm átmérôjû foltot jelent. (Ez a folt több mint háromszorosa a 0,5 **Y**m széles információt hordozó pitnek, tehát bôven lefedi azt. Ha megfelelô a pit formája, akkor a beesô és a visszaverôdô fény közötti teljes interferencia elegendô fényerôcsökkenést eredményez ahhoz, hogy azt biztonsággal detektálni lehessen. Egyben azt is jelenti, hogy nagy a pitekrôl visszavert fény intenzitása, bár a teljes interferencia azt detektálható mértékben csökkenti.) A nyalábátmérô 0,8 mm-rôl 1,7 **Y**m-re történô leképezése azt eredményezi, hogy a letapogató fény oldalán lévô, 0,5 mm-nél nem nagyobb (szélesebb) mechanikai sérülés vagy porszem nem okoz hibás olvasást. A gyakorlatban természetesen -- még megfelelô kezelés mellett is -- elôfordulnak ettôl durvább szennyezôdések és sérülések, sôt, a CD gyártásánál is keletkeznek olyan hibák, amelyek korrigálására a meghajtó dekódere hivatott. A detektált információ elektronikus hibajavítón megy keresztül, amely azáltal képes hibajavításra, hogy a gyártás egyik fázisában, a kódolásnál az információt bôségesen ellátták hibajavító kóddal, amely ugyan redundanciát okoz, de lehetôvé teszi nem csak az egyes pithibák, hanem a blokkokban (például az információs réteg néhány mm átmérôjû felületén keletkezô mechanikus sérülés miatt) jelentkezô pithibák javítását is. Az olvasott információ javíthatóságát segíti elô az az algoritmus, amely szerint az ""összetartozó" adatok fizikailag nem egymás mellé kerülnek, így egy adott sérülésnél rendkívül kicsi a valószínûsége, hogy megsérülnek az összetartozó adatok. A hibajavítás mértékét viszonyszámokkal mérjük, s ezek nagyságát a szabványok szigorúan rögzítik. A dekóder által jelzett hibák: BLER (BLock Error Rate), E11-E31, E12-E22 (Error XX). Egy adott CD minôségét nem csupán a dekóder által jelzett hibák határozzák meg! A különbözô CD-típusoknál -- nyilvánvalóan a felhasználási területtôl függôen -- eltérnek a megengedhetô hibaarány-értékek. A gyártáskor felvitt hibajavító kódok csak lehetôséget adnak az olvasáskor észlelt hiba kijavítására. A meghajtók hibajavító képessége különbözô, s ez az, amit többek között egy adott meghajtóban meg kell fizetni! @VA HDCD megjelenése@N A HDCD (High Density Compact Disc) szabványtervezetét a Philips és a Sony 1994. december 16-án hozta nyilvánosságra. Ezt a CD-típust nagy adatsûrûségû multimédiaként jellemezték. A HDCD-n MPEG-2 kódolással 135 perc videofilm tárolható (kapacitása 3,7 Gbyte egy tárolóréteg esetén), sôt, akár 270 perc is (kapacitása 7,4 Gbyte két tárolóréteg esetén). A fejlesztésben a 3M is részt vesz. Az optikai tárolás, a letapogatás alapelve megmaradt, a szabványalkotók csupán a pitstruktúra méreteit módosították. A nagyobb információsûrûség eléréséhez meg kellett változtatni a trackosztást, a pitméreteket, a kiolvasó lézer hullámhosszát, s természetesen biztosítani kell a meghajtóknak a többi CD-típussal való kompatibilitását is! Ezt valójában nem könnyû megoldani, hiszen a meglévô CD-rendszerek nagyon széles területet ölelnek át. A HDCD-vel csaknem egy idôben jelent meg a Toshiba a saját rendszerével, amely a Philips/Sony eljárástól eltérô megoldású. Annyi bizonyos, hogy a HDCD komoly kihívás a jövô század számára. A számítástechnikai óriások, az IBM, az Apple, Compaq és a Microsoft már dolgoznak a HDCD-ROM alkalmazásain. A HDCD-t az ISO 9660 szabványba javasolják felvenni, biztosítva ezáltal a CD-ROM alkalmazások zavartalan átvételét és ezzel együtt a kompatibilitást. @VA HDCD-k néhány jellemzô paramétere@N Åtmérô: 120,0 mm Hordozó vastagsága: 1,2 mm Kapacitás egy réteg esetén: 3,7 Gbyte Kapacitás két réteg esetén: 7,4 Gbyte Letapogató fény hullámhossza: 635 nm Tracksûrûség: 0,84 µm Minimális pithossz: 0,451 µm Pitszélesség: 0,3 µm Letapogatási sebesség: 3,7-11 Mbit/s @<9506\abrak.gif>■■@N Åbrák