МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

 

Алматинский институт энергетики и связи

 

 

                                                                                                                       УТВЕРЖДАЮ

 

                                   Проректор по учебно-методической

работе ____________ Э.А. Сериков

                                                                 "____"__________2005г.

 

 

 

Т.А.Урусова

ЦИФРОВАЯ ЗАПИСЬ СИГНАЛОВ

ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКА

 

Учебное пособие

 

 

 

 

 

Согласовано:                                                    Рассмотрено и одобрено       

Начальник УМО                                                на  заседании  кафедры

____________О.З.Рутгайзер                                 РАДИОТЕХНИКА

                                                                          протокол №   от «__»__ 05

                                                                          Заведующий кафедрой

“____”_____________2005г.

                                                                              ______А.З.Айтмагамбетов

                                                                               __________________2005г.

 

 

Редактор                                                               Составитель (разработчик) _____________Ж.М. Сыздыкова                       ____________Т.А.Урусова

"____"_____________2005г.

Специалист по стандартизации

   _____________Н.М. Голева

 

 

Алматы 2005

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

 

Алматинский институт энергетики и связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.А.Урусова

ЦИФРОВАЯ ЗАПИСЬ СИГНАЛОВ

ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКА

 

Учебное пособие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2005

 

УДК 378 (075.8):621.37(086.7)

ББК32.871Я 73

У73

У73 Урусова Т.А.

Цифровая  запись сигналов изображения и звука

Учебное пособие / Т.А. Урусова;

АИЭС. Алматы, 2005.-     с.

 

 

 

Учебное пособие содержит описание существующих цифровых способов записи данных, видео, аудио- сигналов  на различные носители,  сравнительные характеристики, преимущества и недостатки каждого из способов. Рассмотрены различные типы внешних запоминающих устройств, а также методы визуализации магнитных полей носителей. Современные цифровые стандарты записи звуковых сигналов.

Учебное пособие составлено в соответствии с новым образовательным стандартом и предназначено для студентов всех форм обучения специальностей 380540 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380340- Радиотехника.

Табл.  ; Ил.  ; Библиогр. -  назв.

ББК32.871Я 73

 

 

 

Рецензенты: проф. Айтмагамбетов А.З., Моисеев А.Г.

 

 

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2005г.

 

У ^4310020000

     00(05)-05

 

ISBN 9965-708-36-3

 

 

 

©Алматинский институт энергетики и связи, 2005г.

 

 

 

 

 

Введение

Информация, будь то игры, рабочие документы или корпоративная база данных,  является самой важной составляющей любой компьютерной системы. Ежегодно  человечество производит порядка 5 экзабайт (5 миллиардов Гбайт)  оригинальной информации, из этого огромного количества более 80% передается и сохраняется при непосредственном участии накопителей, использующих принципы магнитной записи. Для сравнения, 1 Мбайт данных  соответствует приблизительно 300 стандартным текстовым страницам формата А4. При плотности записи 300Гбайт/кв. дюйм на поверхности площадью меньше троллейбусного талончика можно сохранить 90 миллионов листов печатных материалов.

      Приведенные факты свидетельствуют о существовании у человечества, если так можно выразиться, «магнитно-информационной зависимости», вызванной отсутствием в настоящее время технологий, которые могли бы стать реальной альтернативой магнитному хранению информации. В обозримом будущем перспективы избавиться от такой зависимости в

компьютерной индустрии не предвидится, более того, с каждым годом она только возрастает.

      Достижения в технике цифровой магнитной записи опираются на результаты   фундаментальных исследований, проводимых в последние десятилетия  компаниями-производителями магнитных накопителей. Разработаны материалы,  обладающие высокой степенью однородности формы и размеров магнитных доменов, что позволило существенно снизить уровень структурного (магнитного) шума носителя и, вследствие этого, повысить плотность записи.

 Исследования магниторезистивного эффекта привели к созданию более

 чувствительных головок, способных регистрировать намагниченность

 уменьшившихся битов.

          Несмотря на бурный рост возможностей устройств хранения данных на магнитных носителях, физические основы магнитной записи и стирания остаются  неизменными.

 

1 Физические основы магнитной записи и стирания информации

     

В качестве среды записи в магнитных носителях выступают ферромагнетики,  отличительной особенностью которых является наличие микроскопических  однородно намагниченных объемов вещества, называемых доменами. В отсутствие внешнего поля хаотично ориентированные магнитные моменты  отдельных доменов взаимно компенсируют друг друга, поэтому результирующее поле ферромагнетика близко к нулю.

      Зависимость намагниченности ферромагнитных материалов от внешнего  магнитного поля имеет нелинейный характер и описывается так называемой   петлей гистерезиса (рисунок 1.1).

 

 

 

 

Рисунок 1.1 - Петля гистерезиса ферромагнетика

      

      При включении внешнего магнитного поля H домены, направление спонтанной намагниченности которых совпадает с направлением поля, начинают увеличиваться в размерах, что приводит к отличной от нуля результирующей намагниченности М. При увеличении поля ферромагнетик переходит в состояние  насыщения, при котором дальнейшее возрастание поля уже не приводит к изменениям в его доменной структуре и росту его намагниченности. В этом состоянии, которое характеризуется намагниченностью насыщения Ms, магнитные моменты всех доменов ориентированы одинаково, вдоль направления  внешнего магнитного поля. Если намагниченный до насыщения образец начать размагничивать, уменьшая внешнее поле, то из-за необратимого смещения границ доменов даже в его отсутствие сохраняется некоторая намагниченность Mr, называемая остаточной.

      Использование зависимости остаточного намагничивания ферромагнитных   материалов от величины внешнего намагничивающего поля и лежит в основе  процесса записи информации на магнитные носители. Запись информации  осуществляется путем последовательного воздействия внешнего магнитного поля, изменяющегося по закону информационного сигнала, на различные участки носителя, а её считывание - путем последовательной регистрации  остаточного намагничивания этих участков.

      При пропускании тока через обмотку записывающей головки вокруг нее возникает магнитное поле рассеяния, которое воздействует на прилегающую к ней область ферромагнитного рабочего слоя движущегося магнитного носителя. Под воздействием этого поля происходит переориентация элементарных магнитных полей доменов. Домены, намагниченность которых ориентированы  вдоль направления внешнего поля, начинают расти, поглощая соседние, состояние которых менее энергетически выгодно. После прекращения  воздействия поля записи изменения в размерах и ориентации магнитных доменов частично сохраняются. При периодическом изменении поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противоположными направлениями намагниченности, которые соприкасаются друг  с другом одноименными полюсами (рисунок 1.2 в).

а)

б)

в)

 

г)

 

а) ток записи, б) изменения намагниченности, в) распределение намагниченности, г) напряжение считывания

Рисунок 1.2 - Эпюры сигналов записи, считывания и зоны смены знака

                         намагниченности в носителе

      

      

      Таким образом формируется магнитная сигналограмма - последовательность намагниченных участков на рабочей поверхности носителя, однозначно соответствующая временному распределению амплитуд информативного сигнала.

      Именно это пространственное распределение зон остаточной намагниченности регистрирует затем головка считывания. Следует отметить, что в цифровой магнитной записи при считывании детектируются не сами зоны остаточной   намагниченности той или иной полярности, а переходы между ними (рисунок 1.2г).

      Задача уничтожения информации на магнитном носителе, заключающаяся в  разрушении созданных при записи следов остаточной намагниченности, решается либо перемагничиванием носителя, либо намагничиванием его до состояния насыщения.

      На практике первое решение (перемагничивание) реализуют применением специальных головок стирания, которые воздействуют на носитель постоянным или переменным магнитным полем. В технике цифровой магнитной записи, в частности в жестких дисках, головка стирания, как правило, не используется - новая информация записывается непосредственно поверх старой, затирая ее.

      Эти способы достаточно просты, но, кроме значительных затрат времени (сопоставимых со временем записи), они не обеспечивают высокой надежности  уничтожения информации. Возможными причинами этого могут быть недостаточно высокий уровень стирающего поля, несовпадение форматов записи и стирания, неточность позиционирования головки в последовательных циклах записи, дефекты носителей и головок и др.

      Для решения второй задачи (намагничивания магнитных носителей до состояния насыщения) обычно используются специализированные устройства -  намагничиватели, принцип действия которых состоит в воздействии на носитель одним или серией мощных импульсов магнитного поля. Напряженность создаваемого намагничивателем поля может изменяться в зависимости от типа накопителя, но она всегда превышает значение поля насыщения Hs для конкретного материала рабочего слоя. Поэтому носитель равномерно намагничивается до насыщения по всей поверхности, что обеспечивает полное уничтожение информации. Недостатком такого подхода является то, что некоторые типы накопителей, например, жесткие диски, при таком воздействии выходят из строя и дальнейшее их использование становится невозможным.

    

2 Методы визуализации магнитных полей носителей

 

В некоторых случаях, например, в случае гарантийной замены неисправного  накопителя, содержащего конфиденциальную информацию, необходимо существование уверенности в том, что информация гарантированно уничтожена. Под гарантированным уничтожением информации с магнитного носителя будем понимать такое изменение его магнитной структуры, при котором невозможно считывание информации стандартными средствами накопителя, а ее восстановление с помощью специальных средств и методов экономически нецелесообразно. Таким образом, чтобы оценить надежность удаления данных, необходим инструмент, позволяющий зарегистрировать и измерить происходящие  в процессе уничтожения изменения. Задача гарантированного уничтожения информации встает далеко не перед каждым пользователем. А вот восстанавливать информацию приходилось многим. Обычно утерянные в результате ошибок оператора или действия вирусов данные восстанавливают с помощью специализированных утилит. Задача усложняется  при выходе накопителя из строя. В случае неисправности его электронных  компонентов ее можно решить заменой микросхемы, перепрошивкой и т.п. Если же повреждены рабочие поверхности, то стандартными методами восстановить информацию практически невозможно. Как и в случае гарантированного уничтожения, необходим инструмент, который обеспечил бы доступ к информации на физическом уровне. Таким инструментом являются методы визуализации магнитных полей рассеяния,  позволяющие создавать визуальное представление рабочих поверхностей  носителя с разрешением, достаточным для побитового исследования   информации. В настоящее время разработано более десяти различных методов визуализации. В отличие от принятого в технике магнитной записи  трактования понятия «сигналограмма» как временного распределения амплитуд  сигнала записи/считывания, техника визуализации данных на магнитных носителях использует другой подход. Под магнитной сигналограммой  понимается пространственное распределение амплитуд остаточной намагниченности, что дает возможность «увидеть» данные на носителе.

     

2.1 Метод Битера

 

          Это самый старый из известных методов визуализации магнитных полей. Ф. Битер использовал его для исследования магнитной структуры материалов еще  в 1930г., когда еще не была сформирована теория магнитных доменов, поэтому в публикациях говорилось просто о неоднородностях в ферромагнетиках.

      

 

      Рисунок 2.1- Изображения доменов в монокристалле железа

      

            Чтобы понять суть метода, достаточно вспомнить известный школьный  эксперимент, в котором на лист бумаги насыпают железных опилок, а внизу располагают магнит. В результате можно «увидеть» магнитное поле магнита,   поскольку опилки выстраиваются вдоль его силовых линий.

      Битер усовершенствовал эту технологию, применив вместо опилок коллоидную суспензию магнитных частиц, каждая из которых по форме напоминает  микроскопическую иглу размерами всего несколько микрон. Пребывая во  взвешенном состоянии и практически не испытывая трения, такие частицы могут быстро переориентироваться в зависимости от направления приложенного поля. Если нанести на намагниченную поверхность тонкий слой суспензии, они концентрируются вдоль участков образца, где намагниченность меняет свой  знак, формируя так называемые картины Битера, которые можно наблюдать с помощью оптического микроскопа. Для достижения большего контраста образец  иногда помещают в небольшое внешнее магнитное поле, направленное вдоль его

поверхности. Разрешение метода определяется в основном  размерами магнитных частиц и составом раствора, и в меньшей мере разрешающей способностью используемого  микроскопа. Раньше приготовление суспензии было одним из сложнейших этапов подготовки и проведения эксперимента - получение продукта с заданными характеристиками требовало терпения и специальных навыков исследователя.  Сейчас ее изготовление поставлено на промышленную основу. В лучших образцах коммерческих суспензий размеры магнитных частиц составляют  порядка 10 нм, что лежит за пределом разрешающей способности оптических  микроскопов. При проведении исследований с использованием таких суспензий  оптические микроскопы заменяют электронными, а разрешение метода в этом  случае достигает 100 нм. Позволяя быстро и с достаточно высоким разрешением визуализировать  магнитные поля, метод Битера в то же время имеет существенный недостаток - удалить магнитную суспензию с намагниченной поверхности абсолютно невозможно, т.е. метод Битера является разрушающим. Тем не менее, он широко применяется на практике в приложениях контроля и оценки      эффективности уничтожения информации, хранящейся на магнитных носителях.

    

 Описание эксперимента

 

На пластину жесткого диска с помощью шприца наносится пара капель  коллоидной суспензии частиц Fe₂O₃. Затем с помощью специального покровного  стекла суспензия размазывается тонким слоем по ее поверхности, на которой   в отраженном свете проявляется магнитный контраст (рисунок 2.2). Его, в  принципе, достаточно, чтобы даже невооруженным взглядом оценить наличие или отсутствие информации - на рисунке четко видны сервометки,  разделяющие  диск на сектора.

 

 

                                               

Рисунок 2.2- Пластина жесткого диска с нанесенной на ней                   магнитной   суспензией увеличение 30х

 

      При 800-кратном увеличении оптического микроскопа становятся четко различимы отдельные сервометки, несколько хуже выделяются дорожки с данными, записанные более слабым полем (рисунок 2.3а). Затем диск был помещен в камеру размагничивания, где на него в течение 0,1 сек  воздействовал мощный импульс магнитного поля напряженностью

350 кА/м. Этот импульс намагнитил поверхность пластины диска до состояния насыщения,  полностью уничтожив на нем все данные, даже служебную разметку (рисунок 2.3б).

      

            a)                                                                       б)

     

      а) исходное изображение;

      б) изображение после воздействия импульсного магнитного поля.

        Рисунок 2.3 - Участок жесткого диска в районе сервометок,    увеличение  800х.

      Таким образом, метод Битера представляет собой недорогой и эффективный  способ контроля уничтожения информации, обеспечивающий возможность работы даже с современными высокоплотными накопителями. К его достоинствам можно также отнести возможность визуализировать большие участки рабочих поверхностей магнитных носителей, что позволяет за один цикл измерений получить полное изображение пластины жесткого диска или дискеты.      Практическое применение метода ограничивается его разрушающим  воздействием, т.е. после «просмотра» носителя использовать его по прямому назначению (для хранения данных) уже нельзя.

    

2.2 Магнитооптические методы

 

          Магнитооптические методы визуализации, в отличие от предыдущего метода, не  являются разрушающими, они основаны на явлении поворота плоскости  поляризации отраженного от намагниченного материала (эффект Керра) или проходящего через магнитооптическую среду (эффект Фарадея) света. Среди них наиболее перспективными для исследования магнитных носителей являются методы визуализации магнитных полей носителей при использовании пленок  феррит-гранатов.

      Основным элементом устройства визуализации на феррит-гранатовых пленках  является магнитооптический кристалл (МОК), осуществляющий преобразование магнитных полей рассеяния носителя в световое распределение, соответствующее их величине и положению в пространстве.      

      Пленка феррит-гранатов выращивается на подложке из галий-гадолиниевого  граната, верхняя грань которого просветляется для увеличения контраста  наблюдаемой картины. Снизу на кристалл наносится зеркально-защитный слой для увеличения его износостойкости и коэффициента отражения.

      В отсутствие внешнего магнитного поля в МОК существует пространственная лабиринтная доменная структура, причем направления намагниченности в  соседних доменах противоположны и перпендикулярны поверхности кристалла. В отличие от ферромагнетиков, локальное намагничивание пленки феррит-гранатов во внешнем поле происходит путем вращения вектора магнитного момента, а не смещения доменных границ. Поэтому при помещении  кристалла в магнитное поле он быстро перестраивается в соответствии с его пространственными и амплитудными характеристиками, а после снятия поля возвращается в невозмущенное (исходное) состояние. На рисунке 2.2.1 представлен вариант схемы МО визуализации, работающей в  отраженном свете.

      

    

 Рисунок 2.2.1 - Магнитооптическая визуализация в отраженном свете

      

      Свет от источника собирается конденсорной линзой, проходит через поляризатор и, отражаясь от полупрозрачного зеркала, попадает на МО кристалл, прижатый к поверхности исследуемого носителя. Его поле рассеяния воздействует на феррит-гранатовую пленку и перестраивает в ней лабиринтную доменную структуру в соответствии со структурой сигналограммы. Поэтому  поляризованный свет, проходя через МОК, вследствие эффекта Фарадея поворачивает плоскость поляризации в зависимости от того, через какой домен кристалла проходит свет. После отражения от зеркально-защитного слоя  свет снова проходит через кристалл, и плоскость его поляризации опять поворачивается на тот же угол и в ту же сторону, что и при первом прохождении. Таким образом, двойное прохождение света через МОК удваивает угол поворота плоскости поляризации света, увеличивая тем самым чувствительность к магнитному полю. Отраженный от зеркально-защитного слоя свет проходит через полупрозрачное зеркало и анализатор (поляризационный  фильтр), преобразующий модуляцию света по плоскости поляризации в модуляцию света по интенсивности, которая затем регистрируется оптическим  устройством наблюдения. Пространственное разрешение магнитооптического метода визуализации на  пленках феррит-гранатов лежит в пределах от долей до единиц микрон и  достигает максимума при минимальном расстоянии между кристаллом и поверхностью носителя, что объясняется быстрым затуханием поля рассеяния при увеличении этого расстояния. Из-за достаточно высокой жесткости магнитооптического кристалла его сложно плотно прижать его к поверхности  пластины жесткого диска, что приводит к снижению разрешения, поэтому метод  используется преимущественно для изучения низкоплотных гибких магнитных носителей, таких, как дискеты и магнитные ленты.

      В настоящее время магнитооптический метод на пленках феррит-гранатов используется для восстановления информации, исследования подлинности и  контроля целостности магнитных записей. Общеизвестна уязвимость дискет к  различного рода дефектам и внешним магнитным воздействиям. При малейших  нарушениях структуры дорожек записи информацию с таких носителей считать стандартными средствами уже нельзя. Магнитооптические методы, действуя на более низком уровне, позволяют восстановить, казалось бы, утерянные данные.

      На рисунке 2.2.2 приведен пример повреждения структуры магнитной сигналограммы гибкого диска, поддающийся восстановлению с помощью магнитооптических методов.

     

 

 

 

      Рисунок 2.2.2 - Повреждения дорожек, восстанавливаемые МО методами

      

      Несмотря на повреждения фрагментов дорожек записи, делающие невозможным считывание при помощи дисковода, физически информация сохранилась, что обеспечивает возможность ее восстановления. Нередко случается, что утрата информации происходит по вине пользователя.

Удалив случайно файл или папку, он начинает пробовать восстановить данные  с помощью общедоступных утилит. При неквалифицированном подходе это может  только навредить - поверх восстанавливаемых данных записываются новые, что значительно осложняет процесс восстановления, так как штатными средствами носителя считать такую информацию практически невозможно. Из-за неточности  позиционирования головок записи дорожки в последовательных циклах записи  никогда точно не накладываются, что приводит к возникновению зон  остаточной информации на краях дорожки. Визуализировав такие зоны, можно восстановить удаленную информацию.                        

В структуру многих форматов записи заложено существование междорожечных  защитных промежутков, предотвращающих наложение и взаимное влияние  дорожек. Информация считывается только с информационных дорожек, а сигнал от междорожечных промежутков рассматривается как шум и соответственно подавляется. Поэтому, если с помощью специальной головки записать в защитном интервале некие (конфиденциальные) данные, то стандартными устройствами они считываться не будут, что дает возможность маскировать их записью несекретной информации. Пример такой несанкционированной записи

приведен на рисунке 2.2.3 Дорожки 1 и 3 соответствуют формату записи,

а между ними более тонкой головкой сделана несанкционированная запись- 2.

        Более высокого разрешения (до 100 нм) позволяет достичь еще один

магнитооптический метод визуализации магнитных полей - микроскопия Керра.  В таком микроскопе поворот плоскости поляризации светового пучка происходит не при прохождении МО кристалла, а при его отражении  непосредственно от рабочей поверхности носителя. Однако полученные с  помощью микроскопа Керра изображения имеют более низкий контраст, а стоимость оборудования значительно выше, поэтому на практике для  исследования магнитных носителей чаще используют магнитооптический метод   визуализации на феррит-гранатовых пленках.

 

     

 

                              1,3 - форматные дорожки;

 3 - несанкционированная запись в междорожечном   промежутке

 

             Рисунок 2.2.3- Несанкционированная запись в междорожечном промежутке

    

 Магнитная силовая микроскопия (МСМ) - это одна из самых «молодых» технологий визуализации магнитных полей и в то же время одна из наиболее перспективных. Несмотря на сложность используемых физических принципов,  работу магнитного силового микроскопа можно легко объяснить, проведя аналогию с патефоном. Как и в патефоне, в таком микроскопе тонкая игла

движется по некой «дорожке», цепляясь за «неровности» магнитного рельефа образца. Но, в отличие от патефона, отклонения иглы скрывают в себе не музыку, а картину поля рассеяния.

На пространственное разрешение магнитного силового микроскопа влияет множество факторов: выбор зонда, чувствительность электронной схемы, используемый режим измерений и др. Типичные МСМ имеют разрешение 30 нм, некоторые модели позволяют достичь значения 10 нм. Но такое высокое разрешение имеет и негативную сторону - довольно сложно позиционировать участок измерения на образце, а размеры получаемых изображений составляют  всего от единиц до десятков микрон (рисунок 2.2.4).

      Метод не обеспечивает высокую скорость получения результатов, но дает возможность их количественной оценки. Поскольку МСМ изображения содержат информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности, то для правильной их интерпретации необходимо выделить из общей картины магнитную составляющую. Эта задача требует сложных вычислений, но в большинстве современных микроскопов она решается во встроенном контроллере.

      В настоящее время благодаря высокой чувствительности и разрешению магнитная силовая микроскопия становится одним из наиболее популярных  инструментов для исследования ферромагнитных материалов. Единственным сдерживающим фактором является высокая стоимость измерительных устройств, которая может доходить до полумиллиона долларов.

 

    

 Рисунок 2.2.4 - МСМ изображение поверхности жесткого диска.

 Размер «скана»  70х70мкм.

      

 

Методы визуализации магнитных полей являются эффективным инструментом  исследования магнитных носителей информации. С развитием технологий  магнитной записи область их применения все расширяется. Метод Битера позволяет осуществлять быстрый и эффективный контроль уничтожения информации, обеспечивая визуализацию даже современных высокоплотных жестких дисков. Магнитооптические методы, обладающие более низким  разрешением, используются для восстановления информации и контроля      несанкционированных записей преимущественно гибких магнитных носителей с низкой плотностью записи. Магнитная силовая микроскопия, обеспечивающая субмикронное разрешение, используется для исследования магнитных  характеристик носителей и головок  при разработке новых материалов для магнитной записи.

      В таблице 2.2.1 приведены основные характеристики рассмотренных методов визуализации, позволяющие принять решение об их использовании для анализа конкретного магнитного носителя.

         

   Таблица 2.2.1- Основные характеристики методов визуализации   магнитных полей

	Методы Битера	Магнитооптические методы	МСМ
Макс. разрешение	100 нм	100 нм	10 нм
Типичное разрешение	400 нм	500 нм - 2 мкм	40 нм
Время	0,03 сек	10-8 - 1 сек	1 сек - 10 мин
Толщина образца	нет ограничений	нет ограничений	нет ограничений
Внешнее поле	нет ограничений	нет ограничений	800 кА/м
Работа на воздухе	+	+	+
Возможность количественной оценки	-	+	+
Сложность	низкая	средняя	средняя

 

3 Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

Внешние запоминающие устройства служат для долговременного хранения больших объемов информации. Обмениваться ею непосредственно с процессором они не могут. Все, что накапливается за многолетнюю работу на компьютере (программы, данные, графика, документы и др.), хранится во внешней памяти. При отключении питания компьютера внешняя память, в отличие от оперативной, сохраняет помещенную в нее информацию. Если возникает необходимость ее использования, то на время обработки нужная информация загружается в оперативную память, которая обменивается ею непосредственно с процессором. Из оперативной памяти информация для хранения снова записывается в ВЗУ.

 Внешняя память по сравнению с оперативной работает на несколько порядков медленнее, так как представляет собой не электронные, а электромеханические устройства. В зависимости от технологии записи, хранения и воспроизведения информации устройства внешней памяти бывают магнитные, оптические и смешанные - магнитно-оптические. По способу доступа к информации устройства внешней памяти делят на устройства прямого доступа, или дисковые, и устройства последовательного доступа, или ленточные. Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и считывание информации) и носителя (устройства хранения информации).

3.1 Накопители на гибких магнитных дисках

Дисководы для дискет появились сразу же при создании первого персонального компьютера и достаточно долгое время оставались единственным и поэтому стандартным устройством для хранения информации на сменных носителях. Сама дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску. Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (рисунок 3.1.1), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 об/мин. В накопителе вращается диск дискеты, магнитные головки остаются неподвижными. Диск вращается только при обращении к дискете. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков. В магнитных дисках для хранения информации используется свойство магнитных материалов в течение длительного времени сохранять остаточную намагниченность. Данные на диск записываются намагничиванием участков диска с помощью магнитных головок. К диску подходят 2 головки, чтобы считывать и записывать данные на обе поверхности диска. Запись на диск производится в цифровом коде, вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками, которые расположены по всей поверхности вращающегося диска. Каждая дорожка разделена на части (секторы). Количество дорожек и секторов зависит от формата дискеты. Размер сектора на дискете равен 512 байтам. Устройство всегда считывает и записывает целое число секторов. Дискета емкостью 1,44 Мб имеет 2 стороны  по 80 дорожек, каждая дорожка содержит по 18 секторов.

Кроме накопителей на гибких магнитных дисках, используются сменные носители. Существуют накопители Zip. Они могут хранить 100 или 250 Мб данных на картриджах, напоминающих дискету формата 3,5", они достаточно компактны, а параллельный или USB-порт имеет каждый компьютер, и дисковод можно просто забрать с собой и установить на месте.

3.2 Накопители на жестких магнитных дисках

Жесткий диск предназначен для постоянного хранения программ и данных. Первый носитель, использовавшийся в качестве постоянного накопителя в IBM PC, имел  емкость - 10 Mb. Обозначение одного из дисков той серии (30/30) совпало с обозначением популярной винтовки,  и жесткие диски по традиции называют «винчестерами».

На сегодняшний момент емкость дисков превышает 100 Гб, то есть количественный прогресс в этой области за все время развития магнитных носителей позволил увеличить объем этих носителей в 10000 раз. Винчестер представляет собой набор металлических дисков, покрытых магнитным слоем  и соединенных между собой при помощи шпинделя, который вращается непрерывно с высокой постоянной скоростью (7200 об./мин). Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель, блок головок чтения/записи, а также интерфейсную часть, называемую контроллером жесткого диска. Логически диск состоит из дорожек, секторов и цилиндров. Дорожка - это окружность, вдоль которой ведется чтение/запись. Для того, чтобы на дорожке можно было уместить больше данных, она разбивается на сектора. Так как в «винчестере» несколько дисков, то речь идет не о дорожках, а о цилиндрах, то есть совокупности дорожек, одинаково удаленных от центра (или края) диска.

Форматирование флоппи-дисков и жестких дисков.

          Накопители на машинной основе перед тем, как их можно будет использовать в качестве носителей информации, должны пройти специальную операцию-форматирование. Для форматирования диска обычно используется стандартная программа Windows, которая доступна при вызове контекстного меню соответствующего устройства. Можно форматировать диски доступных floppy  устройств, жесткие диски и диски других устройств, допускающих эту процедуру. Исключение составляет системное устройство, с которого была произведена загрузка системы. Как правило, это устройство с именем С:. Для форматирования носителя этого устройства  необходимо загрузить систему floppy диска А:. Форматировать можно как новые диски, так и б/у, учитывая, что при форматировании будет потеряна информация, записанная на диске. Полное форматирование целесообразно применять для дисков, на которых появились сбойные участки.

Накопители на магнитной ленте

Вряд ли сейчас можно встретить накопители на магнитной ленте -стримеры, использующиеся в компьютерах в качестве накопителя данных.

Однако это не означает, что стримеры считаются устаревшими устройствами. Просто их назначение несколько другое - стримеры применяются не для хранения, а для архивирования больших объемов информации. Наиболее ценная информация с целью ее долговременного хранения записывается на магнитную пленку. Причем стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Носителем информации является лавсановая лента, длиной более 100 м, на которую нанесено магнитное ферролаковое покрытие. Основным преимуществом стримеров перед библиотеками дисковых накопителей является их самая низкая стоимость на единицу информации среди всех устройств  хранения данных, а также очень большая надежность. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

Стример позволяет освободить место на винчестере  за счет того, что на него переписываются редко используемые программы и данные. В домашних условиях в качестве стримера можно использовать обычный видеомагнитофон, для этого компьютер должен быть укомплектован специальной платой.

CD-ROM, CD-RW, DVD- диски

CD-ROM - это односторонний оптический носитель информации, предназначенный только для чтения. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискете, но медленнее, чем на жестком диске. Сам компакт-диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм изготовлен из полимера, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака.

Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов, расположенных на спиральной дорожке, длина которой около 5 км. Записывается информация на диск с помощью луча лазера на фирме-изготовителе. Затем с этого первичного "мастер-диска" производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением. Эти диски нельзя считать полноценными сменными носителями информации, так как они не могут быть использованы ни для сохранения данных, ни для переноса данных с одного компьютера на другой. Единственное их назначение - тиражирование и распространение различных справочников, энциклопедий, обучающих, демонстрационных, игровых и многих других программ. 1 компакт-диск хранит информацию, содержащуюся на 500 дискетах. Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Первые устройства считывания оптических дисков обеспечивали скорость считывания 150 Кбайт/сек (аудиодиски считывались именно с этой скоростью). В дальнейшем появились устройства с 2-х, 4-х,... 52 кратной скоростью передачи данных (по отношению к 150 Кбайт/сек). CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию. Появились и другие оптические диски.

    Диск CD-R - диск с однократной записью и многократным чтением. Он отличается от CD-ROM тем, что информацию на него может записать пользователь. В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. После однократной записи диск становится аналогичным CD-ROM – его можно только читать. Диск CD-RW или CD-E - диск с многократной перезаписью. Он допускает около 1000 циклов перезаписи информации и гарантирует срок ее хранения не менее 10 лет. Для него требуется специальный накопитель, который является универсальным и может обслуживать диски CD-ROM и CD-R. Многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD. На смену им идут цифровые видеодиски DVD . Они, имея те же габариты, что и CD-ROM, вмещают больше информации (до 17 Гб) за счет повышения плотности записи и двусторонней записи  и по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. Сегодня DVD-диск используется в основном для хранения видеофильмов и сверхбольших баз данных.

3.3 Магнитооптические накопители

Есть еще один способ записи на сменный диск - магнитооптический, который совмещает в себе надежность оптической, дешевизну и простоту магнитной технологий. Первые промышленные образцы магнитооптических дисков, которые появились на рынке в середине 80-х годов. Диски не произвели сначала большого впечатления из-за своей дороговизны и сложности, однако со временем отношение к ним сильно изменилось.

Принцип действия магнитооптического диска - при записи лазерный луч нагревает часть поверхности диска, куда должна производиться запись до некоторой точки, называемой физиками "точкой Кюри". В этой точке резко падает магнитная проницаемость вещества, и изменение магнитного состояния его частиц может быть произведено относительно небольшим магнитным полем. Поле переводит все битовые ячейки в одинаковое состояние, при этом стирается вся информация, которая в них хранилась. Затем направление магнитного поля меняется на противоположное, а лазер включается в нужные моменты (то есть когда необходимо изменить ориентацию частиц в битовой ячейке), опять нагревая сплав до точки Кюри. После этой операции сплав охлаждается, и частицы его застывают в новом положении. При чтении используется лазерный луч более низкой мощности (примерно 25% от мощности записывающего луча), отраженный от битовых ячеек свет попадает на светочувствительный элемент, который определяет направление поляризации. В зависимости от этого значения элемент посылает контроллеру дисковода двоичный ноль или двоичную единицу.

Дорожки с информацией образуют единую спираль (как в CD/DVD), которая разбивается на секторы. Диски малой емкости созданы по технологии CAV (Constant Angular Velocity), то есть дорожки всегда разбиты на одинаковое количество секторов. Так как внешние дорожки длиннее внутренних, то много места теряется впустую. Для увеличения емкости носителя в современных дисках применяется технология ZCAV (Zoned Constant Angular Velocity), когда поверхность диска разбита на зоны, и в каждой зоне применяется свой угловой размер сектора. Кроме повышения емкости, данный прием также позволяет несколько увеличить скорость чтения/записи.

Запись информации в магнитооптических носителях осуществляется на диск из стекла, содержащий магнитный слой из сплава тербия, железа и кобальта. Для надежности диск помещается в пластиковый картридж (как у дискеты). И внешне диск очень похож на обыкновенную трехдюймовую дискету, только он раза в два потолще. Стоят диски довольно недорого, что делает их очень привлекательными для многих пользователей, для которых нужно достаточно емкое, относительно скоростное, простое в обращении и надежное средство хранения или архивирования информации.

3.4 Накопители на Flash-картах

USB FLASH ДРАЙВЫ. Официально USB Flash Drive - это мобильный носитель информации flash-типа с "plug & play" подключением к USB. Из основных достоинств данных драйвов можно выделить портативность, компактность, легкость, относительную быстроту, устойчивость к физическому воздействию, длительный срок службы и хранения информации.

Обладают большой емкостью, до четырех Гб. Для того, чтобы USB Flash Drive заработал на компьютере, достаточно, чтобы он был оснащен USB портом . Обычно производятся три основных вида USB Flash Drive:

standart – "стандартный" с ограниченной функцией "plug & play", требует установки драйверов на компьютер под Windows 98 и Windows 2000;

smart – "интеллектуальный" с полной поддержкой функции "plug & play" и не требующий дополнительных драйверов;

secure – "секретный", т.е. замаскированный, например, под брелок для ключей. На данный момент  это самый распространенный вариант. Хотя сейчас уже есть, например, часы, со встроенным USB Flash Drive.

Технические характеристики:

-емкость: от 8Мб, 16Мб, 32Мб до 4096Мб;

-интерфейс: USB;

-питание: не требует внешнего источника питания, использует питание шины USB в диапазоне напряжения от 4.5 до 5.5V;

-скорость чтения: 700 Кбит/сек;

-скорость записи: 350 Кбит/сек;

ZiV - это мобильный жесткий диск, подключаемый через порт USB.

Его технические характеристики (ZIV2):

-интерфейс стыковки с ПК: USB 2.0 полностью совместим с USB 1.1;

-скорость копирования с/на мобильного накопителя ZIV2 на/с; устройство-получатель по интерфейсному кабелю от 16Мб/с до 18Мб/с в зависимости от типа передаваемых данных и электромагнитного окружения соединительного USB кабеля;

-пропускная способность порта USB 2.0 составляет 480Mbps;

-емкости накопителей: 20Гб, 30Гб, 40Гб, 60Гб;

-физические характеристики: размеры: 12х72х11 мм;

-вес: 130 г.

ZIV2 - это уникальное решение для записи больших объемов информации и, следовательно, необходимостью ее оперативной транспортировки и резервирования. ZIV2 является решением проблем с переносом данных для дизайнеров, видеомонтажеров, системных администраторов и др.

 

4 DVD В 1995 году утвержден новый единый стандарт записи видео- и аудиоизображения на оптические диски DVD-Video (Digital Video Disk - цифровой видеодиск). Почти одновременно утвердили формат для записи компьютерных данных DVD-ROM. Второй вариант расшифровки аббревиатуры - Digital Versative Disk (многопрофильный цифровой диск) связан с тем, что DVD с самого начала виделся как универсальный носитель. На нем можно записывать компьютерные библиотеки, программы, аудиозаписи, интерактивные игры и многое другое. Спектр  применения DVD постоянно расширяется.   Основные требования к DVD-Video:   -воспроизведение на дисках DVD должно продолжаться без переключений  на протяжении всего фильма (от 2 до 8 часов); -качество изображения должно соответствовать вещательному стандарту ITU-R601. Высокое качество изображения при сжатии MPEG2. Данные при этом передаются со скоростью до 15 Мб/с. Максимальное качество достигает 720х576 строк с частотой 25(30) кадров в секунду;  -возможность использования не только аналогового, но и цифрового звука, применение формата Dolby Surround (до 6-ти звуковых каналов: правый и левый передние, правый и левый задние, фронтальный и сабвуфер для низких частот). Воспроизведение, при котором достигается полная иллюзия того, что источник звука передвигается в любом направлении.  -соотношение сторон кадра 4 : 3 и 16:9 ;  -фильм необходимо надежно защитить от перезаписи. А также от распространения в регионах, где он еще не разрешен к прокат;  -формат должен обеспечить выбор одного из нескольких вариантов голосового сопровождения (дублируется на разных языках) и субтитров; -требуется полная совместимость с телевизорами и звуковыми системами домашнего театра. Фильм можно просматривать сразу с любого момента. Можно переходить от языка оригинала к переводу. Или же пустить перевод титрами. Существует кодировка от просмотра нежелательных сцен детьми…   Примем за эталон четкость  изображения в формате SECAM (625 строк 25 к/сек. Для сравнения  запись на кассете VHS - 250 строк, S-VHS - 400, LD - 350 строк. На DV - до 500 строк, а это самый четкий носитель информации, используемый в домашних условиях. Не меньшее значение для восприятия имеет ширина спектра, которым передается сигнал и количество используемых цветов. При соотношении сторон экрана 4:3 каждая строка будет содержать 833 столбца. То есть всего в кадре содержится 625х833=520000 точек. При полумегапиксельном качестве изображения (SECAM ) при полной оцифровке для передачи 25 кадров в секунду требуется скорость: 25х3х8х520000=314000000 бит/сек.=40 Мбайт/с, учитывая, что каждая цветная точка формируется тремя лучами RGB.  Каждый из этих компонентов кодируется 8 бит словом. Получается, что час такого видео занял бы 141 Гбайт. Даже для современных компьютерных систем это трудная задача, явно не для домашнего компьютера или тем более для бытовой системы. ТВ-сигнал кодируется по-другому: передается одна яркостная компонента (она формирует черно-белое изображение) и две цветоразностных (YСrCb). Но при этом скорость передачи не уменьшается. Все равно передаются три компоненты. Возникла проблема передачи и обработки такого большого потока данных. Цифровая форма записи имеет более четкое изображение, меньше помех и т.д., но при этом «цифра»' занимает гораздо больше места.       4.1 Способы записи звука на DVD   Звук на дисках DVD не менее высокого качества, чем видео. Всего на видеодиске может быть 8 различных звуковых дорожек . На каждой дорожке может быть как простой монозвук (низкой дискретизации), так и цифровое стерео уровня CD и даже Surround (звук с 6 каналами). Для записи используют форматы MPEG, PCM, Dolby Digital, DTS Digital Surround. PCM - это цифровой звук, несжатый, как на аудио CD. MPEG - включает в себя: - MPEG1 (стерео со скоростью передачи до 384 кбит/с); - MPEG2 (объемный звук до 912 кбит/с); Причем Surround звук может проигрываться как обычный стерео на простых системах. -Dolby Digital - стерео или 5.1 звук (48 кГц до 24 бит); DTS (Digital Theater Systems) - 5.1-канал качества 20 бит.   Обычно используется Surround звук или звук в формате MPEG2-audio, или Dolby-AC3 (Audio Coding 3). Для воспроизведения звука требуется специальный декодер (в бытовые DVD-плееры он иногда встраивается) и звуковая система из шести колонок и ресивера. При отсутствии такой установки можно воспользоваться обычной стереосистемой. При этом стереозвук лишается пространственных эффектов.   Технология  DVD   Высокое качество DVD требует значительного места на носителях записи. Внешне DVD диск практически не отличается от CD, но на DVD помещается от 5 Гб - 18 Гб.   Лазер DVD   Диск состоит из прозрачной подложки, на которую нанесены углубления (питы), отражающего слоя (золото, серебро, платина, алюминий или сплавы) и защитного слоя. В качестве считывающего устройства используется лазер. Луч лазера проходит через подложку, отражается и возвращается назад почти без потерь, а если попадает в питы, то рассеивается. Из этой модуляции излучения и получаются «1» и «0», составляющие цифровую запись. У DVD тоньше подложка - 0,6 мм (1,2 мм у CD). Для того чтобы уровнять общую толщину диска (для совместимости), у DVD защитный слой толще. Размер пит обуславливается длиной волны лазера: чем она меньше, тем меньшее по диаметру пятно можно сделать.  В CD-ROM приводах  длина волны 780 нм, а в DVD 650 нм.  За счет этого у CD-ROM размеры пит 0.8, а расстояние между дорожками 1.6 мкм, а у DVD - 0.4 мкм и 0.74 мкм соответственно. Сейчас анонсированы DVD с голубым лазером (410- 430 нм), что позволяет создать пятно диаметром 0,26 мкм, а шаг дорожки уменьшить до 0.44 мкм.  Стандарт DVD-RAM для следующего поколения оптических дисков. В них запись/чтение производится голубым (точнее фиолетовым) лазером с длиной волны 405 нм, что позволит на одной стороне диска размещать до 27 Гбайт, а в двухслойном варианте – 50 Гбайт. В таких дисках, которые называются Blu-Ray Disc, расстояние между треками  уменьшено до 0,32 мкм, а минимальный размер пита составляет 0,138 мкм. При этом они позволяют размещать до 13 часов видео стандартного разрешения. Параметры Blu-Ray диска и «обычного» DVD-RW приведены в таблице 4.1 .  Таблица 4.1 Параметры Blu-Ray Disc DVD-RW Диаметр диска, мм 120 120 Толщина диска, мм 1,2 1,2 Емкость одного слоя, Гбайт 23,3/25/ 27 4,7 Длина волны лазера, нм 405 650 Числовая апертура лазера 0,85 0,6 Скорость передачи, Мбит/с До 36 До 10 Способ записи Изменение фазового состояния Изменение фазового состояния Количество перезаписей, не менее 10 000 1 000 Ширина трека, мкм 0,32 0,5 Минимальная длина пита, мкм 0,160/0,149/0,138 0,4  «Голубые» диски используются для записи видеофильмов высокой четкости, так как длительность только на одной стороне может достигать 2 часов. Существующие форматы записываемых и перезаписываемых DVD: DVD-RAM; DVD-RW; DVD+RW; DVD-R.  Они не совместимы между собой. Обычные приводы DVD-ROM не читают ни один этих дисков. Приводы для записи каждого из этих форматов, кроме него самого, читают только DVD-ROM. В перезаписываемых DVD так же, как и в CD-R/CD-RW, на подложке формируются круговые канавки, в которых находится рабочий слой. Выступы между канавками покрываются отражающим слоем. Под воздействием лазерного луча, рабочий слой меняет фазовое состояние и становится непрозрачным, модулируя поток отраженного излучения.   DVD-RAM Первым форумом 1997 г. был выработан стандарт для перезаписываемых дисков DVD-RAM и однократнозаписываемых DVD-R. При записи диска используется изменение фазового состояния. На одной стороне диска DVD-RAM может находиться 2,3 Гб информации. Такой диск можно держать в специальном защитном картридже. Возможны двусторонние диски (они постоянно находятся в картридже).   DVD-R Формат DVD-R предназначен для однократной записи. Односторонний диск содержит 3,95 Гб, двусторонний - 7,9 Гб. В отличие от DVD-RW рабочий слой создан из органического материала, допускающего только однократное изменение состояния. DVD-R диски могут быть 12 и 8 см диаметром. Для записи - лазер с длиной волны 635 нм.   DVD-RW Этот формат несовместим с DVD-RAM и имеет большую плотность записи. На одной стороне располагается до 3 Гб информации. Диски используются без защитных картриджей.   DVD-R/W Емкость диска до 3,95 Гб. Отражающие способности такого диска выше, чем у DVD-R и DVD-RW, поэтому они должны читаться всеми обычными приводами DVD.   Защита авторских прав   Одно из основных требований, выдвинутых к производству DVD-Video, состоит в защите авторских прав. Видео настолько высокого качества нужно защитить от копирования. Для этого cуществует несколько систем аналогового и цифрового шифрования.  Во-первых, фильм с DVD можно выводить на TV, но нельзя записать на видеомагнитофон. Это осуществлено за счет спецсигналов, которые передаются в невидимой для телевизора зоне экрана. При воспроизведении на экране ТВ они не видны, но при попытке записать на видеомагнитофон или просто подключить магнитофон между DVD-плеером и телевизором, на записи (и на экране) появляются помехи. Изображение очень сильно теряет в качестве, становится смазанным. Цифровая защита. Нельзя смотреть фильм, скопированный с DVD-диска на жесткий диск. Здесь также срабатывает защита. На диске записан спецкод, который читается только при воспроизведении фильма. Скопировать же на второй DVD в домашних условиях пока технически невозможно.   Диски  DVD-ROM   Запись фильмов - не единственный способ применения DVD-дисков. Благодаря большой емкости на них можно записать информации в 7-30 раз больше, чем на обычный диск DVD.Существуют аудио-DVD-диски. Современные игры, для которых раньше требовалось 5-10 CD-дисков, теперь умещаются на одном DVD. Мультимедиа библиотеки, программные курсы, рекламные презентационные акции и многое другое - спектр применений DVD-дисков.

 

Cамоуничтожающиеся диски.

               

Технология для защиты цифровых видеодисков (DVD) от повторного использования - специальное покрытие толщиной около полмикрона, благодаря которому диск начинает медленно разрушаться в тот момент, когда его первый раз воспроизводят. Время разрушения в зависимости от толщины покрытия - от нескольких минут до нескольких дней. На самом деле диск не разрушается, а как бы "чернеет", так что лазер DVD-плеера не может его читать повторно.

 

Терабайтный диск

Разработан оптический диск размером с CD или DVD, в котором помещается 1 терабайт данных (или 472 часа высококачественного видео), что на порядки больше не только по сравнению с DVD-ROM, но и перспективным диском формата Blu-Ray. Формат назван MODS (Multiplexed Optical Data Storage). Его секрет заключается не только в размерах одного или их плотной упаковке- один пит в MODS кодирует не один бит (1 или 0, как у всех прежних систем записи), а десятки бит, а в том, что каждый пит в новом формате не симметричен. Он содержит небольшую дополнительную впадинку, наклонённую вглубь под одним из 332 углов.

Создана  аппаратура и специальное программное обеспечение, позволяющее точно идентифицировать тонкие различия в отражении света от таких питов. Эти приводы будут обратно совместимыми с DVD и CD, хотя  нынешние дисководы MODS-диски прочитать не смогут.

 

 

5 Флэш-память

 

Флэш-память - вид энергонезависимой перезаписываемой          полупроводниковой памяти.

Энергонезависимая, не требующая дополнительной энергии для хранения данных (только для записи).

Перезаписываемая, допускающая изменение (перезапись) хранимых  данных.

Полупроводниковая (твердотельная), не содержащая механически движущихся частей, построенная на основе интегральных микросхем.

В отличие от других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти хорошо масштабируется, что достигается не только уменьшением размеров транзисторов, но и конструктивными решениями, позволяющими в одной ячейке хранить несколько бит информации.

Флэш-память происходит от ROM (Read Only Memory) памяти и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

 Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может храниться от 20 до 100 лет  и способна выдерживать механические нагрузки в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков, потребляет в 10-20 и более раз меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других механических носителях информации большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память компактнее большинства других механических носителей.

Используется в качестве накопителя в портативных: цифровых фото- и видеокамерах, сотовых телефонах, диктофонах, компьютерах, MP3-плеерах…

 

Во флэш-памяти стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо для определённого блока (кластера, кадра, страницы). Обычный размер такого блока 256 или 512 байт, однако в некоторых видах флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров. Стирать можно как блок, так и содержимое всей микросхемы сразу. Для того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок, где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока, изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись измененного в буфере блока. Такая схема снижает скорость записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, но увеличивает быстродействие при последовательной записи данных большими порциями.

          Преимущества флэш-памяти:
          - высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт     стирания информации блоками.
          -себестоимость производства флэш-памяти.

Недостаток: медленная запись в произвольные участки памяти.

Ячейки флэш-памяти бывают на одном и  двух транзисторах.В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом туннелирования.

Как правило, наличие заряда на транзисторе -логический "0", а его отсутствие -  "1". Современная флэш-память обычно изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.

Принцип работы ячейки флэш-памяти

Простейшая ячейка флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Поведение транзистора зависит от количества электронов на "плавающем" затворе. "Плавающий" затвор хранит запрограммированное значение.

Помещение заряда на "плавающий" затвор в такой ячейке производится методом инжекции "горячих" электронов, а снятие заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-Нордхейма.

При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе под воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется

n-канал в подложке между истоком и стоком  и возникает ток.

Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет ВАХ транзистора т.о., что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и ток между истоком и стоком не возникает.

При программировании на сток на управляющий затвор подаётся высокое напряжение (причём на управляющий затвор напряжение подаётся в 2 раза выше). "Горячие" электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют ВАХ транзистора. Такие электроны называют "горячими"  за высокую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.

При стирании высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

Эффект туннелирования  использует волновые свойства электрона, преодолевающего потенциальный барьер малой "толщины". В структуре, состоящей из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область), электрон не может преодолеть этот слой (не хватает энергии). Но при создании определённых условий (напряжение и т.п.) электрон проскакивает диэлектрик (туннелирует), создавая ток.

Другие виды ячеек

Кроме наиболее часто встречающихся ячеек с "плавающим" затвором, существуют ячейки на основе транзисторов, которые не содержат плавающего затвора. В таких транзисторах функцию "плавающего" затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик.

 SONOS-транзистор (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) как полупроводник-диэлектрик-нитрид-диэлектрик-полупроводник.

Технология хранения двух и более бит в одной ячейке называется MLC (multilevel cell - многоуровневая ячейка). Известно об успешных тестах прототипов, хранящих 4 бита в одной ячейке.

В технологии MLC используется аналоговая природа ячейки памяти. Как известно, обычная однобитная ячейка памяти может принимать два состояния - "0" или "1". Во флэш-памяти эти два состояния различаются по величине заряда, помещённого на "плавающий" затвор транзистора. В отличие от "обычной" флэш-памяти, MLC различает более 2-х величин зарядов, помещённых на "плавающий" затвор, и большее число состояний.

Во время записи на "плавающий" затвор помещается количество заряда, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на "плавающем" затворе зависит пороговое напряжение транзистора, которое можно измерить при чтении и определить по нему записанное состояние  и записанную последовательность бит.

 

Основные преимущества MLC микросхем:

-более низкое соотношение цена/объем записываемых данных [МБ];

-при равном размере микросхем и одинаковом техпроцессе "обычной" и MLC-памяти  последняя способна хранить больше информации (размер ячейки тот же, а количество хранимых в ней бит  больше);

-на основе MLC создаются микросхемы большего, чем на основе однобитных ячеек, объёма.

Рисунок 5.1

Основные недостатки MLC:

-снижение надёжности  по сравнению с однобитными ячейками и соответственно необходимость встраивать более сложный механизм коррекции ошибок (чем больше бит на ячейку, тем сложнее механизм коррекции ошибок);

-быстродействие микросхем на основе MLC зачастую ниже, чем у микросхем на основе однобитных ячеек;

- размер MLC- ячейки такой же, как и у однобитной,  но дополнительно тратится место на  схемы чтения/записи многоуровневых ячеек.

 

Доступ к флэш-памяти

Существует три основных типа доступа:

-обычный (Conventional): произвольный асинхронный доступ к ячейкам памяти;

-пакетный (Burst): синхронный, данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова. Считанные данные передаются последовательно, передача синхронизируется. Преимущество перед обычным типом доступа - быстрое последовательное чтение данных. Недостаток - медленный произвольный доступ;

-страничный (Page): асинхронный, блоками по 4 или 8 слов. Преимущества: очень быстрый произвольный доступ в пределах текущей страницы. Недостаток: относительно медленное переключение между страницами.

Существуют Флэш-карты 2-х типов: с параллельным (parallel) и с последовательным (serial) интерфейсом.

Параллельный:

-PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash);

-CompactFlash (CF) ;

-SmartMedia (SSFDC);

Последовательный:

-MultiMedia Card (MMC);

-SD-Card (Secure Digital - Card);

SmartMedia (SSFDC - Solid State Floppy Disk Card).

Интерфейс: параллельный, 22 контактный. 8 из 22-х контактов карты используются для передачи данных, остальные - для питания микросхемы, управления и другиx вспомогательныx функций.

Толщина карты 0,76мм.

SmartMedia - единственный формат флэш-карт (из рассматриваемых), не имеющий встроенного контроллера.

Карты SmartMedia бывают как на одном, так и на двух чипах.

Существует две разновидности: 5-и и 3 вольтовые (внешне отличаются маркировкой и тем, с какой стороны у карты скошен угол).

На карте имеется специальное углубление (в форме кружочка). Если в это место приклеить соответствующей формы токопроводящий стикер, то карта будет защищена от записи.

По сравнению с другими картами флэш-памяти, в которых используется полупроводниковая память, размещённая на печатной плате вместе с контроллером и другими компонентами, SmartMedia устроена проще. Карта собирается без пайки и, кроме микросхемы-памяти, не содержит в себе никакой другой микроэлектроники.

xD-Picture Card

Интерфейс: параллельный, 22 контактный.

Теоретически емкость карт xD может достигать 8ГБ.

Скорость записи данных на xD достигает 3 Мбайт/с, а скорость чтения - 5 Мбайт/с.

Размеры карты: 20 х 25 х 1,7 мм. Контакты у XD расположены на лицевой части карты, xD не содержит контроллера. Теоретический предел емкости – 8GB.

MMC (MultiMedia Card)

Интерфейс: последовательный, 7 контактный. Карты MMC содержат 7 контактов, используется 6, седьмой считается зарезервированным на будущее. По стандарту MMC способна работать до 20МГц. Карточка состоит из пластиковой оболочки и печатной платы, на которой расположена микросхема памяти, микроконтроллер, и разведены контакты.

 

Контакты MMC:
-1 контакт на передачу данных (в SPI - Data out);
-1 контакт на передачу команд (в SPI - Data in);
-1 часы;
-3 на питание (2 земли и 1 питание);
-1 зарезервирован (в SPI режиме - chip select).

По протоколу MMC данные и команды могут передаваться одновременно.

ММС работает с напряжением 2.0В - 3.6В, но спецификацией предусматриваются карты с пониженным энергопотреблением (напряжение 1.6В - 3.6В). Выпускаются укороченные карты MMC длиной всего 18мм, вместо обычных 32-х.

Накопители на флэш-памяти с последовательным интерфейсом USB (USB - брелки) могут поддерживать парольную защиту, содержать переключатель защиты от записи, могут быть загрузочными. Бывают с поддержкой USB 2.0.

 SDMI-совместимые флэш-карты:

-SDMI (Secure Digital Music Initiative) - Инициативная группа по защите цифровой музыки;

-SDMI-совместимый – соответствующий требованиям комитета SDMI.

В попытке остановить незаконное распространение и продажу "пиратской" музыки и разработать метод защиты распространяемых через Интернет аудиофайлов более 130 компаний и организаций из секторов пользовательской электроники, провайдеров интернет, технологий безопасности и медиа-индустрии в начале 1998 года создали форум, названный Secure Digital Music Initiative. Инициативная группа предложила двухэтапный план разработки "публично" доступного формата для проигрывания, хранения и распространения цифровой музыки.

Этап 1

В аудио-файлы будут добавляться цифровые "водяные знаки", обнаруживающие их программное обеспечение(ПО). Портативные плееры, соответствующие спецификациям первого этапа, уже выпускаются.

Этап 2

ПО, поставляемое вместе с устройством, оповестит пользователя о наступлении второго этапа SDMI и предложит обновить ПО устройства. Пользователи, пожелавшие использовать SDMI-совместимые аудиозаписи, будут вынуждены обновить ПО, в противном случае воспроизведение SDMI II-совместимых аудиозаписей невозможно.

Во втором этапе предусматривается обязательное внедрение цифровых "водяных знаков" в контент. Программное обеспечение и устройства, совместимые с SDMI-II, позволят пользователю делать копии аудиозаписей (rip) с CD (DVD), однако воспроизведение CD/DVD-копий, созданных таким ПО, будет возможно лишь на устройствах (компьютере и плеерах), принадлежащих пользователю. Кроме того, это же ПО будет опознавать "пиратскую" музыку (т.е. такую музыку, распространение которой в несжатой незащищённой форме не авторизовано) и не позволит загружать её из Internet на компьютер пользователя и воспроизводить её на SDMI-совместимых плеерах.

В настоящий момент для всех наиболее распространенных флэш-карт существуют версии, соответствующие соглашениям SDMI о "защите" цифрового контента.

Общие положения

Все "защищённые" карты памяти имеют уникальный ID, который так или иначе, в явном или неявном виде, используется для шифрования и расшифровки "защищённых копирайтом" данных, и дополнительный набор команд для операций чтения ID, шифровки/дешифровки контента и т.п. Часто для улучшения криптостойкости заголовки файлов сохраняются в отдельном файле, а содержимое "защищённых" файлов шифруется отдельно. Для карт с CPRM-защитой и SMMC предусмотрено динамическое обновление защищённых областей (для CPRM-совместимых карт могут динамически обновляться MKB, а для SMMC - сертификаты) в специальных устройствах (скорее всего без ведома пользователя) наподобие музыкальных киосков.

Часто системы "защиты пользователя от контента" предполагают раздельную дистрибуцию зашифрованного контента и лицензии. Лицензия в этом случае представляет собой  набор данных, без которого воспроизведение контента невозможно. Лицензия может быть ограничена по времени, количеству допустимых воспроизведений  и количеству работоспособных копий. Основа лицензии – ключ для расшифровки контента.

Кроме шифрования, в качестве дополнительной меры защиты  могут применяться "водяные метки".

 

CPRM-1 суть технологии

Лицензирующая организация располагает некоторой таблицей. Эта "мастер-таблица" есть матрица, в которой "a" строк и "b" столбцов, заполненная ключами устройств. Каждое устройство содержит "b" таких ключей (по одному ключу из столбца). Ключи раздаются производителям оборудования лицензирующей организацией и записываются в устройство (плеер) в процессе производства. Комбинация ключей, полученных каждым устройством, уникальна и идентифицирует его.

На носитель на этапе производства записывается уникальный идентификационный номер и блок ключей (MKB). MKB совпадает по количеству строк и столбцов с "мастер-таблицей". В каждой ячейке MKB записан ключ носителя, зашифрованный соответствующим ключом устройства из "мастер-таблицы". "Защищённый" контент шифруется ключом сессии и записывается на CPRM-совместимый носитель. Ключ сессии шифруется ключом накопителя и также записывается на носитель.

 Приведенная схема позволяет однократно шифровать контент одним единственным ключом сессии для всего тиража. Производителю необходимо только вычислять новое значение кода для каждого носителя и шифровать при помощи него ключ сессии.

Зашифрованный контент с защищённого CPRM-носителя можно скопировать на другой CPRM-носитель. Также можно скопировать и заголовок, в котором хранится зашифрованный ключ сессии. Однако мы не сможем скопировать Media-ID и не сможем скопировать MKB (по крайней мере это маловероятно). Соответственно  устройство будет не в состоянии получить с копии такого носителя ключ сессии и не сможет расшифровать записанные на таком носителе данные.

В этой схеме возможен отзыв взломанных ключей устройств. Ключи отзываются из "мастер-таблицы" лицензирующей организацией и в дальнейшем не используются в MKB. Вследствие этого, теоретически возможна ситуация, когда устройство не сможет декодировать совершенно легально приобретенный контент.

В CPRM-1 на каждое устройство приходится 16 ключей (т.е. количество столбцов в MKB и "мастер-таблице" - 16). Также сказано, что отзыв каждого устройства обходится

 в 300 байт.

 

 

 

                                                                            

                                                                                  Рисунок 5.2

 

CPRM 2

В основе CPRM 2 лежит схема распределения ключей устройств, основанная на полном бинарном дереве (вместо "мастер-таблицы" CPRM I). В этой схеме устройства (u) представлены в виде листочков бинарного дерева.

На этапе инициализации каждому узлу бинарного дерева присваивается случайная метка (LABEL_i).

Рисунок 5.3

Затем для каждого узла вычисляется множество вторичных меток (LABEL_i,j). Вторичная метка вычисляется для каждой пары узел-предок (V_i) – узел-наследник (V_j). Таким образом, количество вторичных меток, приписанных каждому узлу, равно количеству предков этого узла. Назначение вторичных меток производится при помощи специальной рекурсивно используемой функции G, исходным значением для которой является первичная метка узла-родителя (LABEL_i). Сама функция (точнее, тройка криптографически стойких функций G = [G_L, G_M, G_R]) вычисляет вторичные метки для левых (G_L) и правых (G_R) узлов-детей, а также на основе полученных вторичных меток генерирует (G_M) ключи (L_i,j).

Вторичная метка соответствует паре поддеревьев, вложенных одно в другое [корнем первого поддерева является узел-предок (V_i), а корнем второго поддерева является узел-наследник(V_j)]. Вложенное поддерево покрывает все отозванные устройства, а оставшиеся непокрытыми устройства внутри большего поддерева считаются неотозванными. Таким образом, каждая вторичная метка (LABEL_i,j) соответствует потенциальному подмножеству неотозванных устройств (S_i,j).

В приведенной схеме, как и в CPRM I, контент шифруется ключом сессии, а заголовком контента считается ключ сессии [связанный с ID-носителя], зашифрованный ключами L_i,j. Набор ключей L_i,j, которыми шифруется ключ сессии, выбираются таким образом, чтобы число соответствующих этим ключам подмножеств S_i,j было минимальным.

                                                

 

Рисунок 5.4

Каждое устройство получает все вторичные метки всех узлов, лежащих по бокам на пути от корня дерева к устройству-листочку. Кроме того, каждое устройство получает функцию G, т.е. способно вычислить все вторичные метки, которые могут быть получены из набора вторичных меток, имеющихся у устройства.

На этапе дешифровки контента устройство находит в заголовке контента запись с зашифрованным ключом сессии, соответствующую подмножеству S_i,j, к которому оно принадлежит. Затем (используя одну из вторичных меток, имеющихся у устройства, и, возможно, функцию G) вычисляет вторичную метку LABEL_i,j для своего подмножества S_i,j, а затем соответствующий ей ключ L_i,j, которым дешифруется ключ сессии. Полученным ключом сессии дешифрует контент. Отозванное устройство не может дешифровать ключ сессии, а соответственно не сможет дешифровать контент, потому что не найдет соответствующую запись в заголовке, а также потому, что при помощи своего набора вторичных меток не сможет вычислить ключ L_i,j.

Пример - ключ сессии зашифрован ключом L_0,4. Устройства 9 и 10 в данном случае оказываются отозванными.

Рассмотрим случаи для устройств u₈, u₁₀ и u₁₃.
Устройство u₈ получило метки LABEL (0,2; 0,4; 1,4; 0,7; 1,7; 3,7).
Устройство u₁₀ -LABEL (0,2; 0,3; 1,3; 0,9; 1,9; 4,9).
Устройство u₁₃ -LABEL (0,1; 0,5; 2,5; 0,14; 2,14; 6,14).

u₈ сможет вычислить L_0,4, поскольку имеет метку LABEL_0,4 в явном виде, т.е. L_0,4 = G_M(LABEL_0,4).

u₁₃ сможет вычислить L_0,4, поскольку имеет метку LABEL_0,1, из которой может получить LABEL_0,4 , т.е. L_0,4 = G_M(G_R(LABEL_0,1)).

u₁₀ не может вычислить L_0,4, поскольку среди имеющихся у устройства меток нет LABEL_0,4, и её значение невозможно вычислить, используя другие метки, полученные устройством u₁₀ (подобно тому, как это удалось для u₁₃).

 

6 Способы хранения цифрового звука 

Для хранения цифрового звука существует много различных способов. Оцифрованный звук являет собой набор значений амплитуды сигнала, взятых через определенные промежутки времени. Таким образом, во-первых, блок оцифрованной аудиоинформации можно записать в файл последовательностью чисел (значений амплитуды). В этом случае существуют два способа хранения информации.

Рисунок 6.1- Импульсно-кодовая модуляция

Первый (рисунок 6.1) - PCM (Pulse Code Modulation - импульсно-кодовая модуляция) - способ цифрового кодирования сигнала при помощи записи абсолютных значений амплитуд (бывают знаковое или беззнаковое представления). Именно в таком виде записаны данные на всех аудио CD. Второй способ (рисунок 6.2) - ADPCM (Adaptive Delta PCM - адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция) – запись значений сигнала не в абсолютных, а в относительных изменениях амплитуд (приращениях).

Во-вторых, можно сжать или упростить данные, чтобы они занимали меньший объем памяти. Здесь тоже существуют два способа.

Кодирование данных без потерь - это способ кодирования  аудио, которое позволяет осуществлять 100%-ное восстановление данных из сжатого потока. Такой способ уплотнения данных используют, когда сохранение оригинального качества данных критично. Например, после сведения звука в студии звукозаписи, данные необходимо сохранить в архиве в оригинальном качестве для возможного последующего использования. Существующие сегодня алгоритмы кодирования без потерь позволяют сократить занимаемый данными объем на 20-50%, но при этом обеспечить стопроцентное восстановление оригинальных данных из полученных после сжатия. Подобные кодеры – это своего рода архиваторы данных (как ZIP, RAR и другие), только предназначенные для сжатия именно аудио.

 

Рисунок 6.2 - Адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция

Имеется и второй путь – кодирование данных с потерями. Цель такого кодирования - любыми способами добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при меньшем объеме данных. Это достигается использованием алгоритмов, «упрощающих» оригинальный сигнал (исключая из него слабослышимые детали), что приводит к тому, что декодированный сигнал перестает быть идентичным оригиналу, а лишь похоже звучит. Методов сжатия, а также программ, реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является MP3), MPEG-2 AAC (advanced audio coding), MPEGPlus и прочие. В среднем коэффициент сжатия таких кодеров 10-14 раз. В основе всех кодеров «с потерями»  использование психоакустической модели. Механизм подобных кодеров выполняет анализ кодируемого сигнала, в процессе которого определяются участки, в определенных частотных областях которых имеются неслышные человеческому уху нюансы (замаскированные или неслышимые частоты), после чего происходит их удаление из оригинального сигнала. Таким образом, степень сжатия оригинального сигнала зависит от степени его «упрощения»; сильное сжатие достигается путем «агрессивного упрощения», такое сжатие приводит к сильному ухудшению качества, поскольку удалению подлежат не только незаметные, но и значимые детали звучания.

Современных кодеров «с потерями» существует достаточно много. Наиболее распространенный формат – MPEG-1 Layer III (MP3). Это был первый распространенный кодек подобного рода, который достиг столь высокого уровня компрессии при отличном качестве звучания. Сегодня ему имеется множество альтернатив. Преимущество MP3 – широкая распространенность и достаточно высокое качество кодирования. Альтернативы MP3 – кодек Microsoft Windows Media Audio (Файлы .WMA и ASF), MP3 Pro, который является развитием MP3, он совместим с MP3 назад (полностью) и вперед (частично), пригоден больше для ведения аудио трансляций в Internet, а также для создания превью песен и музыки.

 Преимущества и недостатки цифрового звука 

У цифрового представления данных есть одно очень важное преимущество – при сохранном носителе данные на нем не искажаются со временем. Если магнитная лента со временем размагничивается и качество записи теряется, если пластинка царапается и к звучанию прибавляются щелчки и треск, то компакт-диск ( винчестер), электронная память либо читается (в случае сохранности), либо нет, а эффект старения отсутствует.

Информация на всех типах компакт-дисков хранится покадрово, и каждый кадр имеет заголовок, по которому его возможно идентифицировать. Однако различные типы CD имеют различную структуру и используют различные методы маркировки кадров. Повсеместное распространение и дальнейшее развитие уже упомянутых кодеров «с потерями» аудио (MP3, AAC и других) открыло широкие возможности распространения и хранения  аудио. Современные каналы связи уже давно позволяют пересылать большие массивы данных за сравнительно  небольшое время, однако самой медленной остается передача данных между конечным пользователем и поставщиком услуг связи. Телефонные линии, по которым пользователи в основном связываются с интернетом, не позволяют осуществлять быструю передачу данных, поэтому протоколы передачи аудио по каналам мобильной связи работают на тех же принципах, что и музыкальные кодеры. Поэтому дальнейшее развитие в области кодирования аудио неизменно ведет к уменьшению стоимости передачи данных в мобильных системах, от чего конечный пользователь только выигрывает. Дешевеет связь, появляются новые возможности, продлевается время работы батарей мобильных устройств и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8.1-  Классификация способов ЦМЗ

 

Это может позволить при использовании многопозиционных сигналов увеличить плотность записи цифровой информации. В выражении  квадратные скобки указывают на целое число.

По типу несущих сигналов способы ЦМЗ могут быть подраз­делены на способы с постоянным гармоническим и импульсным несущими сигналами (носителями).

 Способы записи двоичной информации, основанные на использовании гармонического но­сителя, в настоящее  время практически не используются, так как они, не обеспечивая высокой достоверности цифровых сигна­лов при воспроизведении, не обеспечивают также и достаточно высокой плотности записи. Однако следует отметить, что использование модуляции гармонического несущего сигнала по частоте многоуровневыми сигналами исследовано в настоящее время мало.    Наибольшее применение в ЦМЗ получили способы с постоянным носителем, например, без возвращения в нуль (БВН) и без возвра­щения в нуль модифицированный (БВНМ). Достаточно широко используются также способы с импульсными носителями, напри­мер, с удвоением частоты и некоторые другие. Отметим, что постоян­ный носитель в процессе записи-воспроизведения отфильтровы­вается трактом магнитной записи, не пропускающим постоянный ток.

 По признаку использования групповой модуляции способы ЦМЗ могут быть разделены на две группы: без использования групповой модуляции и с групповой модуляцией.

 В настоящее время появляются сообщения о применении групповой модуляции (кодирования), при использовании которой объединяют несколько разрядов двоичного кода в группу и каждой комбинации символов в группе ставят в соответствие определенную позицию сигнала. Полезный эффект групповой модуляции — увеличение плотности записи — аналогичен полезному эффекту от использования мно­гопозиционных сигналов. Другим положительным свойством груп­повой модуляции является увеличение окна детектирования.

Так называемая модифицированная групповая модуляция, описание которой будет приведено ниже, может уве­личить плотность записи.

По виду модуляции несущего сигнала способы ЦМЗ могут подразделяться на способы с амплитудной (AM), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляцией, а также с импульсной амплитуд­ной (АИМ), временной (ВИМ), широтной (ШИМ) и периодной (ПМ) модуляцией. Возможно также использование двух и более видов модуляции одновременно.

Перечисленные виды модуляции, используемые в ЦМЗ, имеют определенную специфику, поскольку модуляции подвергается в основном постоянный носитель, а не гармонический или импульс­ный, как это имеет место в системах передачи данных и других системах связи. Чаще других видов модуляции используется амплитудная модуляция постоянного носителя (БВН, БВНМ), проявляющаяся в изменении уровня тока записи. В результате фильтрации постоянной составляющей и ограничения спектра записываемых (регистрируемых) частот сверху, имеющих место в тракте магнитной записи, сигналы воспроизведения имеют колоколообразную форму и возникают в моменты времени, соот­ветствующие изменениям (перепадам) тока записи. Кроме ампли­тудной модуляции, постоянный носитель может модулироваться импульсно, причем параметры импульса, например длительность или положение во времени, могут дополнительно изменяться (мо­дулироваться). Изменение временного положения импульса или перепада тока в ЦМЗ часто называют «модуляция задержкой».

По характеру намагничивания способы ЦМЗ могут подразде­ляться на способы с перемагничиванием носителя из одной по­лярности в противоположную (БВН) и на способы с намагничи­ванием носителя от размагниченного состояния в состояние на­магниченности любой полярности ВН. Первые из этих способов часто называют двухуровневыми, вторые — трехуровневыми с на­магничиванием от нулевого уровня намагниченности.

 Многоуров­невые способы записи с четырьмя и более уровнями намагничен­ности в системах ЦМЗ в настоящее время практически не исполь­зуются.

При двухуровневой записи (наиболее распространенной) оста­точная индукция в зависимости от значений символов кода может принимать два значения: +В_r или —В_r. Часто используется сим­метричный режим записи, когда | +В_r | = |—В_r|, в процессе которого носитель может перемагничиваться до уровней макси­мальной остаточной индукции

 ± B_{r max}. Отметим, что работа в режиме полного перемагничивания не всегда является наиболее выгодной, поскольку из-за нелинейности тракта записи этот ре­жим может привести к расширению характеристического импульса тракта, уменьшению его разрешающей способности и, следова­тельно, к уменьшению предельной плотности записи.

По степени самосинхронизации сигналов воспроизведения способы ЦМЗ могут условно подразделяться на способы с высо­кой, средней и низкой степенью самосинхронизации. От степени самосинхронизации сигналов воспроизведения зависит точность согласования временных шкал информационного и синхронизи­рующего каналов, которая во многом определяет величину эффек­тивного окна детектирования и, следовательно, предельную плот­ность записи.

Степень самосинхронизации удобно оценивать коэффициен­том k_cc. Для способов с высокой степенью самосинхро­низации k_cc приближается к 0,5. Наибольшей степенью само­синхронизации обладают ЧМ и ФМ способы ЦМЗ, для которых k_cc = k_ccmaх = 0,5. К способам, обладающим высокой степенью самосинхронизации, могут быть отнесены способы со значениями коэффициента k_cc = 0,25 ... 0,5. К таким способам относятся, например, способ МФМ (код Миллера) (k_cc = 0,25), способы (4/5) БВНМ

 (k_cc  = 0,33), (9/10) БВНМ (k_cc = 0,25) и некоторые другие.

К способам со средней степенью самосинхронизации могут быть отнесены способы со значениями коэффициента k_cc= 0,1 ...0,25.

Способы, для которых k_cc  < 0,1, могут быть отнесены к спо­собам со слабой степенью синхронизации. К способам со слабой степенью самосинхронизации могут быть отнесены широко извест­ные способы БВН и БВНМ.

По основанию кода способы могут быть подразделены на двоич­ные, троичные и многоосновные,  для которых основание кода более 3. Чаще всего записи на магнитный носитель подвергаются символы двоичного кода. Известны случай представления и за­писи цифровой информации троичным кодом.

 

8.2 Импульсные способы записи

При использовании импульсных способов ЦМЗ носитель в те­чение тактового интервала или в пределах окна детектирования перемагничивается как минимум дважды. Наиболее известным из способов ЦМЗ является способ возвращения в нуль. Способ ВН нашел также применение в цифровых автономных регистраторах, используемых в качестве звеньев информационно-измерительных систем.       

Способ ВН имеет две основные разновидности. При использовании пер­вых из них (рисунок9.1.1 а) в головку записи при записи 1 подают импульс тока длитель­ностью  t < T_r  любой по­лярности, а при запи­си 0 сигналы тока запи­си не формируют. В ре­зультате при записи 1 на магнитном носителе образуются импульсы остаточной намагниченности (рисунок9.1.1б),  длительность которых

 

DS_п = v_зt_и +D_э.з   ,

 

где Dэ. з — эффективная ширина РЗ головки записи.

 

В результате дифференцирующего действия воспроизводящей головки на ее выходе возникают двухполярные импульсы, сим­метричные относительно оси абсцисс, форма которых приведена на рисунке 8.2.1, в.

Рассмотренная разновидность способа ВН имеет очевидный недостаток — свойство самосинхронизации сигналов воспроизве­дения у нее выражено слабо (k_cc = 0), так как при поступлении на запись серии 0 в сигналах

воспроизведения образуется пауза.

Использование второй разновидности способа ВН позволяет избавиться от этого существенного недостатка. Эту разновидность иногда называют ВН1. В этом случае так же, как и в преды­дущем, запись проводят на размагниченный носитель; при этом символу 1 соответствует импульс тока положительной поляр­ности, а символу 0 — отрицательной.

Сигналы тока записи и сигналы воспроизведения для способа ВН1 приведены соответственно на рисунках 8.2.1, г и д.

 

 

Рисунок 8.2.1- Сигналы тока для импульсных способов цифровой записи

 

Основным общим для способов ВН и ВН1 недостатком яв­ляется двукратное перемагничивание носителя записи, приходя­щееся на один символьный (тактовый) интервал кода. Это приво­дит к ограничению в плотности записи, которая для этих способов ЦМЗ относительно невелика. Вторым недостатком способов ВН является неполное (приблизительно

50 %) использование ампли­тудной характеристики канала записи - воспроизведения. Это сни­жает отношение сигнал—шум на входе устройства восстановле­ния сигналов воспроизведения, уменьшая надежность его работы.

Для способа ВН этот недостаток может быть устранен исполь­зованием режима записи не от нуля намагниченности, а от неко­торого начального уровня, задаваемого постоянным смещением; поэтому этот способ иногда называют способом возвращения к смещению (ВС). Кроме возможности записи импульсных сигна­лов на предварительно не размагниченный носитель, способ ВС позволяет полностью использовать амплитудную характеристику канала и за счет этого приблизительно вдвое (для больших t), по сравнению со способом ВН, увеличить амплитуду

воспроизво­димых сигналов. Эпюры тока записи для способа ВС приведены на рисунке 8.2.1, е.

Для способа ВН1 может быть снижено влияние уменьшения амплитуды воспроизводимых сигналов, возникающего за счет неполного использования амплитудной характеристики канала записи воспроизведения, если восстановление сигналов воспроиз­ведения проводить по их нуль-пересечениям. Такое восстановле­ние для ВН1 можно осуществить на высоких плотностях записи. Действительно, при высокой плотности записи структуры сигна­лов воспроизведения для ВН1 и для способа удвоения частоты (ЧМ) аналогичны, что позволяет использовать одинаковый спо­соб их нелинейной обработки (восстановления) по нуль-пересече­ниям воспроизводимых сигналов и, следовательно, получить при использовании ВН1 достоверность сигналов, незначительно отличающуюся от достоверности, которая может быть получена при использовании способов ЧМ.

Достоинствами способа ВН1 являются: высокая степень са­мосинхронизации сигналов воспроизведения, экономичность и простота устройства записи, реализующего этот способ, относи­тельно высокая достоверность (при обработке сигналов воспроиз­ведения по нуль-пересечениям). Несмотря на эти достоинства, способ ВН1 в настоящее время практически не используется из-за относительно невысокой плотности записи, которую он может обеспечить.

К импульсным способам записи относится также способ за­писи с использованием широтной модуляции (ШИМ). При его использовании 1 кода соответствует, например, максимальная длительность записываемого на носитель импульса, а 0 — ми­нимальная. В результате образуются двухпозиционные сигналы, которые при воспроизведении обеспечивают высокую степень самосинхронизации. Предельная плотность, которая может быть достигнута при использовании двухпозиционных ШИМ сигна­лов, меньше, чем предельная плотность, которую  при одной и той же разрешающей способности тракта магнитной записи мо­жет обеспечить способ ВН1.

          Для повышения плотности записи используют многопозиционные, например четырехпозиционные, сигналы, т. е. используется принцип групповой модуляции. При сохранении высокой степени самосинхронизации это может уменьшить частоту следования импульсных сигналов записи в 2 раза, по сравнению с тактовой частотой символов кода, и, сле­довательно, вдвое увеличивает окно детектирования.

Использование четырехпозиционных ШИМ сигналов вызывает заметное увеличение сложности устройств нелинейной обработки этих сигналов в цифровом канале воспроизведения, не вызывая заметного увеличения плотности записи, по сравнению с двухпозиционными ШИМ сигналами; поэтому четырехпозиционные циф­ровые ШИМ сигналы также не нашли широкого использования в ЦМЗ.

 

 

8.3 Потенциальные способы записи

 

В отличие от импульсных способов записи цифровой информа­ции потенциальные способы характеризуются однократным перемагничиванием носителя в течение символьного (тактового) интер­вала двоичного кода. Эти способы наиболее часто используются в практике ЦМЗ, так как однократное перемагничивание обеспе­чивает более высокую плотность записи двоичной последователь­ности на магнитный носитель, чем у импульсных способов.

Широко известны  два основных потенциальных способа: способ БВН и способ БВНМ. При записи с использованием способа БВН носи­тель перемагничивается в двух противоположных направлениях при приходе 1 и 0, например, положительная полярность перемагничивания может соответствовать 1, отрицательная — 0. При воспроизведении устройство восстановления должно различать воспроизводимые сигналы по полярности, что осуществляется достаточно надежно и просто, например, с помощью схем диод­ных ограничителей. Недостатком способа БВН является возмож­ность размножения одиночных или групповых ошибок, возни­кающих в канале записи-воспроизведения.

Способ записи без возвращения к нулю.

 

Существует два варианта способа записи без возвращения к нулю. Сигналы записи и воспроизведения_, соответствующие этому способу, приведены на pисунке 8.3.2 .

Каждой «единице» информации, поступающей на запись, соответствует перепад тока в магнитной головке (рисунок 8.3.2 а). Верхний уровень тока I_в намагничивает носитель до насыщения в одном направлении (например, + Mr), нижний уровень I_н - в проти­воположном направлении (- Mr).Типичная схема устройства записи-воспроизведения по способу записи БВНМ приведена на рисунке 8.3.1 .

Импульсы «единиц» информации поступают на счетный вход триггера I. Потенциальные выходы триггера  подключены к усилителям записи 2 и 3, с выходов которых парафазные сигналы подаются на две полуобмотки магнитной головки 4. Сигнал  «Разрешение записи» открывает усилители только на время записи определенного массива, после чего оба усилителя закрываются. При воспроизведении каждому перепаду тока соответствует импульс с магнитной головки. Импульс, образующийся при воспроизведении одиночного перепада намагниченности, может быть аппрок­симирован различными функциями. Сигнал воспроизведения БВНМ является прерывистым. Для выделения информации в этом случае применим только метод амплитудно­го детектирования.

После усиления линейным усилителем 5 сигнал воспроизведения поступает на симметричный ограничитель 6. Порог срабатывания ог­раничителя показан на рисунке 8.3.1 б. Импульсы с выхода ограничителя 6 поступают на элемент ИЛИ 7.

 

Рисунок 8.3.1- Канал записи-воспроизведения по способу БВНМ.

Выходной сигнал с элемента ИЛИ 7 стробируется  синхросерией в элементе И 8. При этом максимально допустимое смещение во времени информационного импульса относительно импульса синхронизации теоретически равно ± 0,5Т. Эта величина является окном детектирования для сигналов БВНМ. Как и способ с возвращением к нулю, способ БВНМ  не облада­ет самосинхронизацией, однако имеет то преимущество, что инфор­мационная емкость сигнала воспроизведения в этом способе  увели­чена вдвое. Каждый период сигнала БВНМ переносит два двоичных знака. Сочетание такой информационной емкости с окном детектирования, равным ± 0,5Т,  позволяет при использовании способа БВНМ реализовать наибольшую плотность записи по сравнению с другими, если существует возможность обеспечить синхронизацию сигналов воспроизведения.

Фазовая и частотная модуляции

 

Сигналы записи и воспроизведения, соответствующие способам ФМ и ЧМ, приведены соответственно на рисунках 8.3.3  и  8.3.4 .  

При записи фазовой модуляцией «нулям» информации в центре цифровой позиции соответствует перепад тока в направлении от уровня I_в  до уровня I_н (рисунок 8.3.3 б), а «единицам» информации - перепад тока противоположного направления (изменение фазы на 180°). Для того чтобы обеспечить такое кодирование, на грани­цах цифровой позиции вводится

Рисунок 8.3.2  - Способ записи БВНМ.

 

Рисунок 8.3.3 - Сигналы в канале МЗВ по способу ФМ.

 

служебный перепад. Этот перепад не формируется при переходе от «единицы» к «нулю» и наоборот.

При записи частотной модуляцией ток записи всегда переклю­чается на границе цифровой позиции (рисунок 8.3.4 в). Кроме того, «единицам» информации соответствует перепад тока в центре цифровой позиции, т.е. при записи «единиц» частота переключения тока увеличивается вдвое. Направление перепада тока в этом способе не имеет значения.

Рисунок 8.3.4 -Сигналы в канале МЗВ по способу ЧМ

 

Частотная и фазовая модуляции обеспечивают формирование двухчастотного сигналя записи. Период переключения тока может принимать только два значения: Т и  0,5Т, где Т - период синхросерии.

Спектр сигнала записи содержит постоянную составляющую и имеет максимум на частоте   f = 1/ T, в  окрестности которой сос­редоточена основная мощность сигнала. Сигналы воспроизведения показаны на рисунках 8.3.3 и 8.3.4, в  и  г , для  ФМ к ЧМ соответственно.  В отличие от сигналов ВН и БВНМ здесь образуются непрерывные в пределах массива сигналы воспроизведения. Непрерывный сигнал имеет два существенных достоинства.

          Во-первых, он позволяет работать при больших амплитудных коле­баниях, во-вторых, такой сигнал обладает самосинхронизацией.

Формирование сигнала целесообразно выполнять по пикам сигнала, снимаемого с магнитной головки. Детектирование по пикам производится путем дифференцирования сигнала с последующим симметричным ограничением в компараторе с нулевым порогом переключения. Дифференцирование обеспечивает получение перехода через нуль в соответствии с пиком импульса. При ограничении в компараторе используется только та часть сигнала, которая расположена в непосредственной близости к нулевой оси (на расстоянии единиц милливольт).

Следовательно, всю информацию, содержащуюся в сигнале, переносят точки пересечения этого сигнала с осью симметрии.

При записи информации по способам ФМ и ЧМ один двоичный
знак переносится целым периодом сигнала. Следовательно, инфор-­
мационная емкость сигнала воспроизведения здесь вдвое меньше
по сравнению с БВНМ.

Модифицированная фазовая модуляция

 

Популярность этого способа объясняется тем,  чтo он, с од­ной стороны, имеет информационную емкость способа БВНМ, (поло­вина периода на один двоичный знак), а с другой - обладает самосинхронизацией.

Временные диаграммы записи и воспроизведения по способу МФМ приведены на рисунке 8.3.5

Сигнал записи формируется по следующему правилу. «Единице» информации всегда соответствует перепад тока записи в начале цифровой позиции, занимаемой этой «единицей». «Нулю» информации соответствует перепад тока в центре цифровой позиции, занимае­мой этим «нулем». «Нуль» не вызывает переключения тока в том случае, если следующий знак записываемой информации - «единица».

Таким образом, если на запись непрерывно поступают «единицы» или «нули», то перепады тока следуют на расстоянии 1Т. Переходу от «единиц» к «нулям» и наоборот всегда соответствует интервал между перепадами в 1,5Т.

Рисунок 8.3.5-Сигналы в канале МЗВ по способу MФМ

 

И, наконец, при кодовой последовательности 101 возникает интервал в 2Т. Этим трем случаям соответствуют мгновенные спектры с максимумами на частотах f_о/2; f_о/3 и f_о/4, где f_о/2- частота, соответствующая непрерывной последовательности одинаковых двоичных знаков. По этой причине способ МФМ называют трехчастотным.

Сигнал воспроизведения изображен на рисунке 8.3.5 в. Этот сигнал, аналогично сигналам ФМ и ЧМ, является непрерывным и обла­дает самосинхронизацией.  К нему полностью применим метод пико­вого детектирования. Сказанное справедливо, если запись ведется с перекрытием. При отсутствии перекрытия сигнал МФМ  аналогичен сигналу БВНМ.

Обработка МФМ сигнала в устройстве воспроизведения состо­ит из типовой последовательности операций: дифференцирование, симметричное ограничение, формирование импульсов по фронтам ограниченного сигнала. Максимально допустимое смещение импульсов информации относительно сигнала синхронизации, вследствие фазовых искажений и других причин (окно детектирования), теоретически равно

 + 0,25Т .

 Способ записи МФМ  обладает основными достоинствами спосо­бов ФМ и ЧМ: непрерывностью сигналов воспроизведения и самосинхро- низацией. Допуск на фазовые искажения сигналов у этих трех способов одинаков. В то же время частота сигнала записи МФМ снижена вдвое по сравнению с ФМ и ЧМ. Соответственно ширина спектра сигнала воспроизведения при одинаковой тактовой часто­те информации также уменьшена вдвое. Период сигнала воспроизведения переносит два бита информации. Следовательно, при одинаковой полосе пропускания канала

способ МФМ позволяет получить вдвое большую плотность записи по сравнению с ФМ и ЧМ.

По сравнению с БВНМ способ МФМ имеет один недостаток: вдвое меньшее окно детектирования» что приводит к определенным трудностям при выделении информации из сигналов воспроизведения и не позволяет реализовать плотность записи, достижимую при ис­пользовании способа БВНМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение                                                                                                   

1Физические основы магнитной записи и стирания информации                4

2 Методы визуализации магнитных полей носителей                                    7

2.1 Метод Битера                                                                                           8

2.2 Магнитооптические методы                                                                 11

3Внешние запоминающие устройства                                                           17

3.1 Накопители на гибких дисках                                                        17                 

3.2 Накопители на жестких дисках                                                      18                                                       

3.3 Магнитооптические накопители                                                     21

3.4 Накопители на Flash-картах                                                            22

4   Cтандарт DVD                                                                                            23

4.1 Способы записи звука на DVD                                                       24

5  Флеш-память                                                                                               28

6  Способы хранения звука                                                                             40

7  Способ записи CD-RW дисков                                                                   42

8  Цифровые способы записи                                                                         45

8.1 Классификация                                                                                48 

8.2 Импульсные способы записи                                                          51

8.3 Потенциальные способы записи                                                     54

Список литературы                                                                                         61

 

 

 

 

Список литературы

1. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения: Пер. с японского. - М.: Мир, 1987. - 419с.

2.Айтмагамбетов Запись сигналов в системах передачи информации- Алматы.: ПМЛ КазПТИ, 1983

3.http://www.ak-cent.ru">АК-Цент Микросистемс</a>. Наконечный Андриан, e-mаil: andrew@ak-cent.ru

4.С.В. Левый, В.Г. Вишневский, Ю.С. Агалидин, С.В. Дубинко. Магнитооптические средства технической защиты информации.

5.Коженевский С.Р. Особенности хранения, восстановления и уничтожения информации на жестких дисках.

6.Коженевский С.Р., Прокопенко С.Д. Методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования поверхностей накопителей информации и восстановления данных.

7.http://www.lad.org.ua/

 

 

Татьяна Андреевна Урусова

 

 

 

 

ЦИФРОВАЯ ЗАПИСЬ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКА

 

Учебное пособие

 

Редактор Ж.М.Сыздыкова

Доп. тем. План 2005г., поз.46

 

 

 

Сдано в набор

Формат 60х84 1/16

Бумага типографская №2

Уч.-изд. Лист.- 3,9. Тираж 100 экз. Заказ___. Цена 124 тенге.

Подписано в печать.

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

480013 Алматы, Байтурсынова, 126