Кодирование данных на диске. Технология DVD. Технология DVD

Теперь разберемся с завершающей частью 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 -модуляции (Eight-to-Fourteen Modulation). EFM-модуляция представляет собой 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 записи. С учетом того, что единичные биты (1) в записи должны быть отделены друг от друга не менее чем двумя и не более чем 10 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 разбивки 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 каждом секторе содержится 7 203 байт. Таким образом, 74-минутный диск содержит примерно 2,4 Гбайт фактически записываемых данных. После декодирования, удаления кодов коррекции ошибок и дру­гой информации остается примерно 682 Мбайт (650 MiB) действительно используемого объема диска.

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

В следующей табл. приведены способы представления данных после их записи на компакт-диск. В качестве примера взяты символы “N” и “O”.

На рис. представлены эти символы после записи на компакт-диск.

 

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., равны соответственно 4T (четыре перехода), 8T и 4T. Строка нулей (0) и единиц (1) в верхней части рисунка указывает на то, как будет выполняться чтение данных. При этом обратите внимание, что единица (1) считывается 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 показано на рис.

 

Технология DVD

Технология цифровых универсальных дисков (DVD) очень похожа на технологию компакт-дисков. В обеих технологиях используются штампованные поликарбонатные диски одного и того же размера (наружный диаметр 120 мм, диаметр центрального отверстия 15 мм, толщина 1,2 мм) со спиральными дорожками, состоящими из впадин и площадок. Диски DVD, в отличие от обычных компакт-дисков, могут иметь два слоя записи на каждой стороне и быть одно- или двухсторонними. Каждый слой диска штампуется отдельно, после чего они объединяются, образуя в итоге диск толщиной 1,2 мм. Технологический процесс изготовления дисков практически не отличается, помимо того, что слои и стороны DVD штампуются из отдельных поликарбонатных заготовок, которые затем соединяются друг с другом, формируя законченный диск. Основным различием стандартных компакт-дисков и DVD является более высокая плотность записи данных, которые считываются лазером с более короткой длиной волны. Как уже отмечалось, компакт-диски являются односторонними и имеют только один слой записи. В отличие от них, диски DVD могут быть двухсторонними и иметь два слоя записи на каждой стороне.

По аналогии с компакт-дисками каждый слой DVD содержит одну физическую дорожку, которая начинается на внутренней части диска и доходит по спирали к внешней части. Цифровой универсальный диск, если смотреть на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Спиральные дорожки, как и на компакт-дисках, образованы впадинами (штрихами) и площадками (плоскими участками). Каждый записанный слой покрывается тонкой металлической пленкой, отражающей лазерный луч. Благодаря тому, что внешний слой имеет более тонкое покрытие, луч проходит через него и считывает данные, которые записаны на внутреннем слое. Этикетка обычно располагается на верхней части одностороннего диска; на двухстороннем диске для этого отводится узкая кольцевая поверхность в центральной части.

Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча маломощного лазера, отраженного от металлического слоя диска. Лазер посылает сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный рецептор улавливает уже отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую поверхность дорожки), отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на дорожке, обратно не отражается.

Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт-диска, равна 0,105 микрона, а ширина — 0,4 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет примерно 0,4 микрона, максимальная — 1,9 микрона (на однослойных дисках).

Для увеличения емкости DVD-диска можно изменять такие параметры:

§ уменьшать длину штриха (~2,25х, от 0,9 до 0,4 мкм);

§ уменьшать расстояние между дорожками (~2,16х, от 1,6 до 0,74 мкм);

§  увеличивать область данных (~1,02х, от 8,605 до 8,759 мм²);

§ обеспечивать более эффективную модуляцию (~1,06х);

§ повышать эффективность кода коррекции ошибок (~1,32х);

§ уменьшать секторы (~1,06х, от 2 048/2 352 до 2 048/2 064 байт).

На рис. сравниваются диски CR-ROM и DVD.

В накопителе DVD используется лазер с меньшей длиной волны, что позволяет счи­тывать более короткие штрихи. Для удвоения размера в накопителе DVD можно использовать две стороны диска и, кроме того, записывать данные на два отдельных слоя каждой из сторон.

Существуют однослойные и двухслойные, а также односторонние и двухсторонние версии дисков DVD. Двухсторонние диски, в сущности, представляют собой два односторонних диска, склеенных тыльными сторонами друг с другом. Между двух- и однослойными версиями имеется более существенное различие. Длина впадин (штрихов) двухслойных дисков немного больше, что приводит к незначительному уменьшению емкости диска.

Спиральная дорожка разделена на секторы, частота следования которых при чтении или записи составляет 676 секторов в секунду. Каждый сектор содержит 2 048 байт данных.

Секторы организованы в кадры данных, содержащие 2 064 байт, из которых 2 048 байт являются общими данными, 4 байта содержат идентификационную информацию, 2 байта — код обнаружения ошибок ID (IED), 6 байт — данные относительно авторского права на носитель, а 4 байта представляют собой код обнаружения ошибок (EDC) для кадра данных.

Кадры данных, содержащие код коррекции ошибок, преобразуются в кадры ЕСС. Каждый кадр ЕСС содержит 2 064-байтовый кадр данных, а также 182 байта верхнего (PO) и 120 байт нижнего контроля четности (PI), что составляет в целом 2 366 байт для каждого кадра ЕСС.

И, наконец, кадры ЕСС преобразуются отдельными группами размером 91 байт в физические секторы диска. Для этого используется метод модуляции 8/16, при котором каждый байт (8 бит) конвертируется в специальное 16-разрядное значение, выбранное из таблицы. Эти 16-разрядные значения разработаны таким образом, что не могут содержать менее 2 и более 10 смежных бит, имеющих нулевое значение (0). Такая форма кодирования с ограничением длины поля записи (Run Length Limited — RLL) получила название схемы RLL 2,10. По завершении преобразования к каждому кадру добавляется 320 бит (40 байт) данных синхронизации. Таким образом, после преобразования кадра ЕСС в физический сектор общее количество байтов в секторе достигает 4 836.

Структура секторов, кадров и звуковых данных показана в табл.

В цифровых универсальных дисках, в отличие от стандартных компакт-дисков, подкоды не используются. Вместо этого каждый кадр данных содержит идентификационные байты (ID), используемые для хранения номера сектора и другой информации, относящейся к сектору.

Обработка ошибок

Диски DVD отличаются от обычных компакт-дисков более совершенными кодами коррекции ошибок. Как уже отмечалось, компакт-диски имеют различные уровни коррекции ошибок, которые зависят в первую очередь от характера записанных данных (аудио/видео или информационные данные). Цифровые универсальные диски, в свою очередь, обрабатывают всю информацию одинаково, применяя полный цикл коррекции ошибок ко всем секторам.

В дисках DVD обработка ошибок происходит главным образом в кадрах ЕСС. Для выявления и исправления ошибок в кадры данных были введены биты верхнего (столбец) и нижнего (строка) контроля четности. Несмотря на кажущуюся простоту такого решения, оно достаточно эффективно. Информация, находящаяся в кадрах данных, вначале разбивается на 192 строки по 172 байт в каждой. После этого с помощью полиномиального уравнения высчитываются 10 байт контроля четности PI, которые добавляются к каждой строке, увеличивая тем самым их длину до 183 байт. С помощью второго полиномиального уравнения вычисляются 16 байт контроля четности PO, которые, в свою очередь, добавляются к каждому столбцу. Таким образом, при добавлении байтов контроля четности PI и PO объем кадров ЕСС, содержавших вначале 192 строки по 172 байт в каждой, увеличивается до 208 строк по 182 байт.

Для того чтобы объяснить функцию байтов верхнего (PO) и нижнего (PI) контроля четности, воспользуемся следующим примером. Рассмотрим два байта, в которых записаны символы “N” и “O” (N = 01001110, О = 01001111). Чтобы ввести код коррекции ошибок, указанные байты организованы в строки следующим образом.

 

Теперь с помощью функции проверки на нечетность к каждой строке добавляется 1 бит PI. Это значит, что нужно подсчитать количество единичных битов, а затем прибавить бит, имеющий соответствующее значение. Количество единиц в первой строке равно 4, следовательно, для получения нечетной суммы значение бита контроля четности должно быть равно 1. Сумма битов второй строки является нечетными числом, поэтому значение бита контроля четности должно быть равно 0. Вот что получается в результате.

 

Значения битов контроля четности для каждого столбца вычисляются точно так же, после чего добавляются к столбцу. Другими словами, значение бита контроля четности должно быть таким, чтобы сумма единиц каждого столбца была нечетным числом.

 

Теперь код завершен и дополнительные биты сохранены вместе с данными. Таким образом, к 2 байтам данных добавлены еще 11 бит, предназначенных для коррекции ошибок. Во время считывания данных происходит повторное вычисление битов коррекции ошибок и проверка соответствия условиям нечетности. Теперь в качестве примера изменим значение одного из битов данных (тем самым допустим, что произошла ошибка считывания) и повторим вычисление битов коррекции ошибок.

 

Как видите, изменились значения битов PI и PO, вычисленные после считывания данных. В частности, это относится к значениям бита PI в строке 1 и бита PO в столбце 6. Это дает возможность точно определить строку и столбец, где была совершена ошибка. В данном случае это байт 1(строка 1), бит 6(столбец 6). Теперь известно, что этот бит был по ошибке прочитан как 0, поэтому его необходимо изменить на 1. Перед тем как передать данные в систему, схема коррекции ошибки исправляет ошибочное значение. Таким образом, код коррекции ошибок благодаря некоторым дополнительным данным, введенным в каждую строку и столбец, может прямо “на лету” выявлять и исправлять ошибки.

В дисках DVD, помимо организации кадров ЕСС, также проводится шифрование данных с помощью технологии сдвига разрядов и чередования частей кадров ЕСС во время их записи на диск. Эти схемы предназначены для непоследовательного сохранения данных на дисках, что позволяет избежать их повреждения при загрязнении или появлении царапин.

⇐ Предыдущая24252627282930313233Следующая ⇒

Поделиться: