Moderní multimediální elektronika (U3V) Prezentace č. 12
Digitální audio přehrávače a rekordéry
Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně
Program prezentace CD-DA (Compact Disc – Digital Audio) SACD (Super Audio Compact Disc) DVD-Audio/Video (Digital Versatile Dics – Audio/Video) MD (MiniDisc) Praktické ukázky reprodukce a ovládání přístrojů v laboratoři Nízkofrekvenční elektroniky UREL FEKT
CD-DA (1978 Philips a Sony) Disk o průměru 120 mm, tloušťka 1,2 mm, polykarbonát, index lomu 1,55. AsGa infračervený laser, monochromatické koherentní záření s λ = 780 nm, rozlišovací schopnost cca 1 µm, kapacita 650 MB ∼ cca 74 min. Modulace EFM (8 na 14) pro dosažení větší hustoty záznamu, modulace NRZI, CIRC Cross-Interleave Reed-Solomonův kód pro zabezpečení dat proti chybám. 16 bitové rozlišení na vzorek vzorkování 44,1 kHz 4,3218 Mbit/s datový tok čtení z disku
Uspořádání pitů v jednotlivých spirálových stopách Rozměry a struktura CD disku
Čtení dat z disku CD Systém čtení obsahuje 3 typy servosystémů: Zaostření paprsku v ose disku (fokusace na odraznou plochu), Sledování stopy v radiálním směru (tracking 625 stop na 1 mm), Otáčení disku napájené z dekodéru dat (čtení do vyrovnávací paměti).
Čtení dat z disku
Uspořádání optiky při čtení CD
Výroba CD disku Na skleněnou desku je nanesen fotorezist, do kterého je laserem vytvořen motiv jednotlivých pitů. Zbylý fotorezist je odstraněn. Napařením kovu a jeho oddělením vzniká master záznam pro tvorbu „otce“, ze kterého vzniká negativní „matka“. Z matky je vytvořen negativní „syn“, který se použije jako raznice do plastu pro omezenou sérii disků. Nanesením odrazné vrstvy a překrytím ochrannou a fokusační vrstvou plastu je výroba hotova.
Jednotlivé kroky výroby CD disku
SACD (Super Audio CD)
– 1999, Sony-Philips
Nekomprimovaný audio záznam (stereo nebo vícekanálový), podporující 1-bitové DSD (Direct Stream Digital) kódování, frekvenční rozsah 100 kHz, dynamický rozsah 120 dB, vlnová délka laseru SACD 650 nm, Master TOC. Systém s vysokým rozlišením – 24 bit/vzorek a 1b vzorkování 64 x 44,1 kHz = 2,8224 MHz vzorkovací frekvence. Hybridní disk – obsahuje 2 vrstvy (standardní CD vrstvu 16b/44,1 kHz a SACD vrstvu s vysokou hustotou záznamu 4,7 GB), průměr 120 mm, šířka 1,2 mm.
Čtení ze dvou vrstev SACD
Konstrukce hybridního disku SACD
Vrstvy SACD disku - ilustrace
DSD modulace – princip 1-bitová pulsní vycházející ze Σ-Δ modulace s vysokým vzorkovacím kmitočtem 2,8224 MHz. Na rozdíl od PCM s převzorkováním není použita PCM kvantizace a decimační filtr na výstupu. Záznam na disk je přímo v 1-bitové reprezentaci.
DSD signál - ilustrace
DSD modulace a srovnání s PCM s převzorkováním
DVD-Audio/Video
– 1997
Digital Versatile Disc – datový formát pro ukládání dat, podobně jako CD. Srovnání – pity hloubka: CD 0,834 μm - DVD 0,4 μm, vzdálenost: CD 1,6 μm DVD 0,74 μm, vlnová délka laseru: CD 760 nm - DVD (650 – 635) nm. Kapacita disků: Průměrný datový tok je 4,8 Mbit/s. DVD-5 (1stranný 1vrstvý - 4,7 GB), DVD-9 (1stranný 2vrstvý - 8,1 GB), DVD-10 (2stranný 1vrstvý - 8,8 GB), DVD-18 (2stranný 2vrstvý - 15,8 GB).
Srovnání hustoty záznamu CD a DVD, 4 x více pitů na stejné ploše, 7 x větší kapacita na stejné ploše.
DVD-Audio a obsah disku Obsah disku (volume) je organizován hierarchicky, skupin (group) může být až 9, v každé skupině až 99 stop (track), každá stopa může mít až 99 indexů (index). Příklad uvádí audio ve 2 skupinách a u skladeb 1 a 2 s možností volby #1 pro vícekanálový zvuk a #2 pro stereofonní reprodukci, skladby 3 až 5 umožňují snížení vzorkovací frekvence a skladby ve skupině 2 umožňují využít alternativní kódování pro 2 kanály a prostorový zvuk MPEG.
Hierarchické uspořádání obsahu DVD-A disku (přístup přes číslo skupiny a stopy).
Příklad obsahu disku (pouze audio ve 2 skupinách).
DVD-Audio (specifikace obsahu) Maximální bitová rychlost 9,6 Mbit/s, typicky 6 kanálů 96 kHz/24 b, 74 min záznam na jedné vrstvě, záleží však dále na kompresi a bitovém rozlišení. Disk musí vždy obsahovat nekomprimovanou nebo komprimovanou stopu LPCM, dále může obsahovat kódování Dolby Digital (AC-3) nebo DTS, obrázky a textové informace a menu pro DVD-V přehrávač.
DVD-Video (stručný přehled kódování zvuku) Kromě obrazového záznamu MPEG-1 (1,856 Mbit/s) a MPEG-2 (9,8 Mbit/s) umožňuje DVD-Video záznam zvuku: LPCM (vzorkování 48/96 kHz, 16, 20 a 24 b, max 8 kanálů), MPEG-1,2 (vzorkování 48 kHz, max 384/912 kbit/s, max 8 kanálů), AC-3 (vzorkování 48 kHz, max 448 kbit/s, max 6. kanálů), DTS (vzorkování 44,1, 48, 96 kHz, 20 b, max 8 kanálů).
MD (MiniDisc)
– 1991, Sony
Fokusace a tracking je podobný jako u CD, rozměry pitů a stopy laseru shodné s CD, modulace EFM, zabezpečení CIRC kódem se dvěma stupni pomocí RS kódu, vyrovnávací paměť 4 Mbit a více, ATRAC komprese s redukcí 1:5, zabezpečení proti kopírování SCMS na digitálním výstupu S/PDIF. Struktura disku MD Magneto-optické čtení a záznam, 2 typy disků – 64 mm MD pro přehrávání a MD pro nahrávání, pre-groove – drážka pro sledování stopy, materiálem disku je magneticky tvrdá směs Fe, Ni a Th. TOC – Table of Content, alokační tabulka (pro vyhledávání a přímý přístup), u MD pro přehrávání v Lead-in (zaváděcí stopa).
MD pro přehrávání
MD pro nahrávání
Přehrávání MD Systém je snímání se musí přepínat mezi jasovým a polarizačním způsobem. Při jasovém snímání se mění intenzita odraženého paprsku, při snímání polarizovaným světlem vzniká jasová modulace paprsku na fotodetektoru. Směr magnetické polarizace je převeden polarizaci světla odraženého laserového paprsku – Kerrův efekt.
Přehrávání a) MD pro přehrávání, b) MD pro záznam
Praktické ukázky reprodukce a ovládání
CD přehrávač NAD C542
CD/SACD přehrávač Sony SCD-XE670
CD rekordér Philips CDR765
Univerzální CD/SACD/DVD-A/V přehrávač Marantz DV6500
MD rekordér Sony MDS JE-500