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 65 536 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 Никвиста (опубликованная американским физиком Гарри Никвистом (Harry Nyquist) в 1928 году) 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 44 100 Гц: эта частота позволяет максимально точно воспроизвести звуки частотой до 20 000 Гц, что является верхним пределом слышимости человеческого уха.

Звуковые секторы содержат в себе 98 блоков по 33 байт в каждом, что составляет 3 234 байт. Из них только 2 352 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 (tracks)), расположенные на спиральной дорожке, а также служат для передачи дополнительной информации, относящейся к компакт-диску. В каждом блоке (фрейме) хранится 1 байт подкода, что составляет в общей сложности 98 байт подкода в каждом секторе. Из них два байта 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. Интересен тот факт, 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.

Являются ли данные сектора звуковыми (CD-DA) или информационными (CD-ROM). Это позволяет предотвратить попытки "проигрывания" накопителем дисков данных CD-ROM, что может привести к повреждению акустической системы.

Являются ли звуковые данные двух- или четырехканальными. Последние используются очень редко.

Разрешается ли цифровое копирование. К накопителям CD-R и CD-RW это не относится. Данный параметр использовался в накопителях DAT (Digital Audio Tape) для предотвращения копирования цифровых аудиокассет.

Использовалась ли коррекция искажений при записи музыки. Это методика уменьшения шипения или шума.

Расположение звуковой дорожки (песни) на диске. Номер звуковой дорожки (песни).

Минуты и секунды, а также номер фрейма от начала звуковой дорожки (песни). Обратный отсчет в промежутке между звуковыми дорожками (песнями). Минуты и секунды, а также номер фрейма от начала первой дорожки (песни).

Штриховой код компакт-диска.

ш Международный стандартный код записи (International Standard Recording Code - ISRC). Этот код является уникальным 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 ограниченный объем графической и текстовой информации во время воспроизведения звуковых файлов. Такие же под-коды 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 аудиопроигрыва-телях. 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, названия песен и 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 уменьшить 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 дисплея, который используется во многих современных автомобильных радио/CD-плейерах 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.

Обработка ошибок

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 (фрей-

мов). 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 байтам 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 байтам, полученным в предыдущем кодировании, что составляет 32 байта (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 байта для каждого блока. Обратите внимание, 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 фреймах и секторах. Такой подход уменьшает 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 3 874 бит, что составляет 2,6 мм длины дорожки. Кроме того, использование метода интерполяции дает возможность исправлять ошибки длиной до 13 282 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 (Block Error Rate - 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.

Наличие дополнительного уровня обнаружения ошибок и схемы коррекции является характерной чертой музыкальных проигрывателей компакт-дисков и накопителей CD-ROM. 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 компакт-диски 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 уровня, приемлемого для хранения данных.

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.