Как устроен дисковод CD-ROM?
Какие здесь используются интерфейсы?
Чем объясняется неравномерная скорость вращения диска?
Что означает "n-скоростной" CD-ROM?
"Нелегальные" диски читаются хуже фирменных?
Определяется ли качество диска визуально?
Каково качество проигрывания звуковых дисков на CD-ROM?
Какова максимальная емкость компакт-диска?
Что такое CD-R и CD-E/CD-RW?
Отчего иногда при записи WAV-файла на CD-R появляются помехи?
Допустимо ли применять с IDE-дисководом драйвер от другой модели?
Можно ли считать с музыкального компакт-диска звук в цифровом виде?

Как устроен дисковод CD-ROM?

Типовой дисковод CD-ROM состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и механизма загрузки диска.

На плате электроники размещены все управляющие схемы дисковода, интерфейс с контроллером, разъемы интерфейса и двухконтактный разъем выхода звукового сигнала. Большинство дисководов используют одну плату электроники, однако в некоторых моделях отдельные схемы выносятся на небольшие вспомогательные платы.

Шпиндельный двигатель (шпиндель) служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменения угловой скорости диска в зависимости от положения оптической головки. При поиске фрагментов он может вращаться быстрее, нежели при считывании данных, поэтому двигатель должен обладать хорошей динамической характеристикой. Шпиндель применяется как для разгона, так и для торможения диска.

На оси двигателя закреплена подставка, поверхность которой обычно покрыта резиной или мягким пластиком для предотвращения проскальзывания диска. Последний прижимается к ней после загрузки с помощью расположенной сверху шайбы: подставка и шайба имеют постоянные магниты, которые взаимно притягиваются и фиксируют диск.

Система оптической головки включает саму головку и механизм ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, выполненный на основе инфракрасного лазерного светодиода, устройство фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Устройство фокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной звуковой катушкой (voice coil), которая аналогична применяемой в громкоговорителе. С изменением напряженности магнитного поля линза сдвигается и происходит перефокусировка лазерного луча. Благодаря малой инерционности такая система эффективно отслеживает вертикальные биения диска даже при значительных скоростях вращения.

Механизм перемещения оптической головки имеет собственный двигатель, приводящий в движение каретку с головкой посредством зубчатой либо червячной передачи. Для исключения люфта предусмотрено соединение с начальным напряжением: при червячной передаче это подпружиненные шарики, а при зубчатой - подпружиненные в разные стороны пары шестерен.

Загрузка диска выполняется в трех вариантах: с помощью специального футляра (caddy), вставляемого в приемное отверстие привода; с использованием выдвижного лотка (tray) и путем прямой вставки в приемную щель привода. Во всех случаях система содержит двигатель для втягивания/выдвижения лотка, футляра или самого диска, а также устройство для перемещения рамы, на которой закреплена вся механическая часть вместе со шпинделем и приводом оптической головки, в рабочее положение, когда диск ложится на подставку шпиндельного двигателя.

При загрузке с обычного лотка дисковод CD-ROM невозможно установить в иное положение, кроме горизонтального. В моделях, допускающих монтаж в вертикальном положении, конструкция лотка предусматривает фиксаторы, удерживающие диск при выдвинутом поддоне.

На передней панели CD-ROM обычно расположены кнопка для загрузки/выгрузки диска (Eject), индикатор обращения к дисководу и гнездо для подключения наушников с электронным или механическим регулятором громкости. В ряде моделей есть еще дополнительная кнопка Play/Next для воспроизведения музыкальных дисков и перехода между звуковыми дорожками. Кнопка Eject здесь служит, как правило, для остановки проигрывания без выбрасывания диска. В моделях с механическим регулятором громкости, выполненным в виде ручки, проигрывание и переход инициируются нажатием на ее торец.

В большинстве дисководов на передней панели имеется также небольшое отверстие, предназначенное для аварийного извлечения диска в тех случаях, когда обычным способом это сделать невозможно, - например, при выходе из строя привода лотка, отключении питания и т.п. Если в отверстие вставить шпильку или распрямленную скрепку и аккуратно нажать, то блокировка лотка или дискового футляра снимается и его можно выдвинуть вручную.

Какие здесь используются интерфейсы?

Дисководы CD-ROM со встроенными SCSI- и IDE-интерфейсами подключаются непосредственно к магистрали SCSI или IDE (ATA) с заданием номера устройства для SCSI или Master/Slave для IDE. Дисководы IDE обычно работают в стандарте ATAPI (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс ATA).

В старых моделях CD-ROM встречаются также интерфейсы Sony, Mitsumi, Panasonic - три наиболее распространенных формата, поддерживаемых многими звуковыми картами и некоторыми адаптерами. Mitsumi и Panasonic используют 40-контактный соединительный кабель, аналогичный применяемому для жестких дисков в формате IDE, а Sony - 34-контактный, как для дисководов гибких дисков.

Существуют дисководы CD-ROM и с так называемым собственным интерфейсом изготовителя (Proprietary Interface). Они поставляются в комплекте со специальным адаптером и соединительным кабелем.

В настоящее время дисководы CD-ROM выпускаются только с интерфейсами SCSI и IDE.

Чем объясняется неравномерная скорость вращения диска?

Информация на компакт-диске записана с постоянной линейной плотностью, поэтому для достижения равномерной скорости считывания скорость вращения диска изменяется в зависимости от перемещения считывающей головки. Стандартная скорость его вращения равна 500 об/мин при чтении с внутренних зон и 200 об/мин - при чтении с внешних (информация записывается начиная с внутренних дорожек).

Что означает "n-скоростной" CD-ROM?

При стандартной скорости вращения диска скорость передачи данных составляет около 150 Кбайт/с. В n-скоростных CD-ROM эта скорость пропорционально возрастает (например, до 1200 Кбайт/с для восьмискоростных дисководов).

Поскольку физические параметры диска (неоднородность массы, эксцентриситет и т. п.) стандартизованы для основной скорости вращения, на скоростях, кратных 4-6 и выше, уже возникают значительные вертикальные биения, и надежность считывания, особенно с дисков нелегального производства, может ухудшаться. Некоторые CD-ROM при ошибках чтения способны снижать скорость вращения, однако большинство из них после этого не могут вернуться к максимальной скорости до тех пор, пока не будет заменен диск.

На скоростях свыше 4000-5000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 10-скоростных (и более) CD-ROM ограничивают верхний предел скорости вращения. При этом на внешних дорожках скорость передачи данных соответствует номинальной (например, 3600 Кбайт/с для 24-скоростных моделей), а по мере приближения к внутренним - падает до 1200-1800 Кбайт/с.

"Нелегальные" диски читаются хуже фирменных?

Стандарт на компакт-диски определяет их физические и оптические параметры: толщину и отражающую способность алюминиевого слоя, глубину и форму питов (элементов записи), расстояние между дорожками, прозрачность защитного слоя, эксцентриситет и т. п. Ведущие фирмы-производители компакт-дисков владеют отработанными технологиями и надежным оборудованием, позволяющими выдерживать эти параметры; аппаратура же и технологии нелегальных производителей их зачастую не обеспечивают.

В принципе механика и оптика различных моделей CD-ROM имеют разные допуски и разные средства подстройки, из-за чего одни и те же диски могут какими-то моделями уверенно читаться, а другими не читаться вовсе. Кроме того, в результате эксплуатационного износа параметры привода со временем ухудшаются. Это приводит к сбоям при чтении дисков, чего, разумеется, не могло быть на новом приводе.

Определяется ли качество диска визуально?

Да, но только приблизительно. Нужно тщательно исследовать рабочую поверхность диска - ровная ли она, нет ли на ней царапин, замутненных участков, выпуклостей или впадин, а также "разводов" на отражающем слое. Затем посмотрите диск на свет (рабочей стороной к себе). Он может быть слегка прозрачным, но без явных отверстий в отражающем слое. Чем прозрачнее диск, тем выше вероятность его неуверенного считывания.

Дешевые диски (особенно китайского производства) обычно не имеют с обратной стороны защитного лакового покрытия - даже мелкая царапина на этой стороне может привести к полному отказу считывания соответствующей области диска.

Каково качество проигрывания звуковых дисков на CD-ROM?

Проигрывание звуковых дисков является побочной функцией для CD-ROM и реализуется, как правило, "по остаточному принципу" - через простейший (часто 12- или 14-разрядный) ЦАП и несложный выходной усилитель. Массовые CD-ROM значительно уступают в этом отношении стационарным проигрывателям Hi-Fi, и лишь отдельные модели приближаются к недорогим переносным устройствам. В любом случае качество сигнала на выходе для наушников (передняя панель) хуже, чем на линейном (задняя стенка) за счет дополнительных искажений при усилении.

Качество ЦАП весьма низкое, да и большинство CD-ROM не выполняют ни передискретизации цифрового сигнала для улучшения соотношения сигнал/шум, ни интерполяции и маскирования для сглаживания кривой и частичной компенсации неисправленных ошибок. Отсутствие интерполяции и маскирования приводит к заметным искажениям и щелчкам при ошибочном считывании дисков, в то время как на звуковом проигрывателе ошибки считывания не так заметны.

Многие современные CD-ROM имеют дополнительный аудиовыход в цифровом формате S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format - формат цифрового интерфейса Sony/Philips). Такой дисковод можно подключить к студийной или бытовой аппаратуре, у которой есть вход S/PDIF или AES/EBU, что позволяет воспроизводить звук практически без искажений (некоторые искажения могут вноситься декодером CD-ROM). Выход выполнен в виде двухконтактного разъема на задней стенке дисковода и чаще всего обозначается как "Digital Audio".

Какова максимальная емкость компакт-диска?

Стандартом установлено, что продолжительность записи составляет 74 мин (650 Мбайт), а скорость потока данных - 153 600 байт/c. Однако при более плотном расположении дорожек или самих питов на диске эти характеристики могут быть улучшены. Правда, диски с отклонениями от стандарта неустойчиво считываются некоторыми дисководами CD-ROM либо не считываются вовсе.

Что такое CD-R и CD-E/CD-RW?

Эти аббревиатуры определяют форматы однократной (CD-Recordable - записываемый CD) и многократной (CD-Erasable - стираемый CD или CD-Rewritable - перезаписываемый CD) записи компакт-дисков. Терминами CD-R и CD-E/CD-RW обозначаются как дисководы, так и сами диски.

Для однократной записи чаще всего используются так называемые "золотые" диски. Это обычные компакт-диски, в которых отражающий слой выполнен из золотой пленки, а непосредственно прилегающий к нему прозрачный слой пластика - из материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи нагреваемые лазерным лучом участки пластика темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя "промежутки" между питами - неизменно прозрачными участками. В качестве отражающего покрытия применяются также различные сплавы. Кроме того, с помощью ряда полимеров создается еще и затеняющий слой, поэтому цвет рабочей поверхности диска постоянно меняется - от желтого до зеленого или синего.

Диски CD-R изготовляются со вспомогательной разметкой, что облегчает слежение за информационной дорожкой во время записи. При считывании такое слежение осуществляется, как правило, по записанной дорожке питов.

Некоторые версии программного обеспечения (скажем, CDR Publisher) позволяют записывать загружаемые диски. Для загрузки с таких дисков BIOS компьютера должен поддерживать эту возможность (она предусмотрена в последних версиях AWARD и Phoenix BIOS).

Отчего иногда при записи WAV-файла на CD-R появляются помехи?

Причина, видимо, в том, что многие звуковые редакторы (например, Cool Edit и Sound Forge) помещают в конец WAV-файла свою служебную информацию, оформляя ее в виде дополнительной записи в полном соответствии с форматом RIFF. Однако программное обеспечение некоторых CD-R игнорирует поле длины звукового фрагмента, считая весь остаток файла после заголовка единым фрагментом, в результате чего эта служебная информация попадает на диск в формате цифрового звука и воспроизводится как шум или щелчки в конце программы. Для устранения такого явления необходимо либо запрещать звуковым редакторам сохранение в WAV-файле служебной информации, либо убирать ее с помощью других программ.

При многосеансовой записи отдельных звуковых дорожек в начале и конце каждого сеанса формируются вводная и выводная зоны, попадание на которые при воспроизведении вызывает появление случайного сигнала. Звуковые диски рекомендуется записывать в один сеанс и заранее формировать полный звуковой файл, если программное обеспечение CD-R не позволяет объединять файлы в процессе записи.

Кроме того, помехи могут возникать из-за нестабильности потока данных в CD-R (переполнение внутреннего буфера или прерывание потока), в результате отклонений от нормы параметров записываемого сигнала, режима работы лазера или скорости вращения диска, вследствие заводских дефектов последнего, а также по вине проигрывателей, неспособных уверенно считывать конкретные экземпляры дисков. В случае некачественной записи данных положение нередко спасают корректирующие коды больших объемов, предусмотренные в некоторых форматах CD-ROM.

Допустимо ли применять с IDE-дисководом драйвер от другой модели?

В большинстве случаев - да, если CD-ROM поддерживает стандарт ATAPI. Однако некоторые драйверы могут неправильно работать с чужими моделями CD-ROM.

Можно ли считать с музыкального компакт-диска звук в цифровом виде?

Можно. Для этого нужен CD-ROM, поддерживающий команду Read Long и способный находить звуковые секторы в режиме прямого доступа (например, многие дисководы со SCSI-интерфейсом, большинство моделей Panasonic и Sony), а также специальная программа grabber для считывания полных звуковых секторов, скажем, CDGRAB, CDDA, CDT, CD2HDD или CD2WAV - для DOS, WinDAC или CD-Worx - для Windows 95.

Программа WinDAC, помимо простого чтения звуковых дорожек, позволяет одновременно преобразовывать их в другие форматы с помощью системы ACM (к примеру, в MPEG-3 при установленном Fraunhofer IIS ACM Codec).

Часто к таким программам прилагается список моделей CD-ROM, поддерживающих команду длинного чтения. Из-за небольших различий в интерфейсах некоторые дисководы с одними программами могут работать, а с другими - нет.

В среде DOS желательно иметь "родной" драйвер применяемого дисковода CD-ROM либо один из универсальных драйверов, использующих команду Read Long. Для контроллеров PIIX (установленных на системных платах с набором микросхем Intel Triton) можно рекомендовать универсальный драйвер TriCD.sys от Triones.

Под управлением Windows 95 при наличии контроллера PIIX и стандартного драйвера IDE ATAPI может возникнуть проблема с чтением обычных звуковых дисков. В этом случае также нужно установить либо собственный драйвер CD-ROM в среде Win95, либо драйвер от Triones версии 3.22 или старше. Можно попытаться задействовать драйвер MKEATAPI из серии CD-ROM Panasonic ATAPI.

Одна из основных проблем при считывании звуковых дисков - устранение ошибок синхронизации секторов. Они возникают тогда, когда читающая диск программа не успевает выдать команду чтения очередного сектора до момента переполнения внутреннего буфера дисковода CD-ROM и данные в начале этого сектора теряются. В подобной ситуации CD-ROM вынужден выполнять позиционирование, а покадровая структура звуковых дисков не позволяет приступить к чтению в точности с нужного места. В результате таких сбоев в формируемом программой файле происходит выпадение данных или образуется несколько лишних отсчетов сигнала. Для борьбы с ошибками синхронизации в некоторых программах предусмотрена проверка правильности стыковки соседних секторов. При использовании CD-ROM с большим объемом буфера вероятность появления ошибок снижается.

При чтении звуковых дисков на различной аппаратуре с помощью различных программ и даже при повторном чтении начало звуковых данных в файле может сдвигаться - по причине невозможности точного позиционирования на требуемый сектор дорожки. Нарушения синхронизации вследствие позиционирования часто называют "jitter". На самом деле применение здесь этого термина не совсем корректно. Им принято обозначать дрожание фазы цифрового сигнала из-за мгновенных колебаний скорости потока, порожденных изменением скорости вращения диска и его вертикальными биениями, хотя в некотором смысле нарушения синхронизации тоже являются фазовыми ошибками, но более высокого уровня.


Евгений Музыченко - специалист лаборатории "Системы мультимедиа" (MSG), Новосибирск, НТК "Велгас". Тел.: (3832) 21-61-64, 2:5000/14@FidoNet, E-mail: music@spider.nstu.nsk.su

1617