Как Philips и Sony создавали CD: переход с механического на лазерное считывание

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Статья | История

17 августа 1982 года на заводе PolyGram в немецком Лангенхагене состоялась презентация промышленного производства компакт-дисков. Среди первых дисков, изготовленных на новой линии, был альбом The Visitors группы ABBA — первый CD с популярной музыкой. В тот же день на производственной линии продемонстрировали диски с записями классической музыки, в том числе вальсы Шопена в исполнении Клаудио Аррау.

Событие подвело черту под несколькими годами совместных разработок, конкуренции и лабораторных экспериментов двух электротехнических гигантов — Philips и Sony. На смену механическому считыванию массово пришли оптико-цифровые технологии.

Недостатки механического считывания

Прежде вся индустрия звукозаписи упиралась в неизбежный износ носителя. Алмазная игла давила на стенки виниловой канавки с ощутимым усилием. При первом проигрывании пластинка звучала отлично, но за несколько десятков сеансов звукосниматель деформировал тонкие рельефные изгибы. Терялись высокие частоты, появлялся треск, а в канавках накапливалась пыль. Каждое проигрывание физически портило пластинку.

Автор: Sulamith Источник: commons.wikimedia.org

Параллельно существовавшая магнитная запись на кассетах и бобинах также была подвержена износу.

Магнитная головка постоянно с усилием тёрлась о ленту, постепенно истирая рабочий слой из оксида железа или хрома. Резиновый прижимной ролик и тонвал создавали неравномерность протяжки, а собственный шум магнитной ленты заметно ограничивал динамический диапазон. Быстрый переход к нужному треку был невозможен — ленту приходилось долго перематывать.

Попытки заглушить шум системами вроде Dolby помогали уменьшить фон, но кассета всё равно оставалась компромиссным носителем.

Начало разработки и сотрудничество Philips и Sony

Инженерная база CD строилась на технологиях исследовательского центра Philips NatLab в Эйндховене. С начала 1970-х там проектировали видеодиски с лазерным считыванием VLP (Video Long Play).

Презентация видеодиска LaserVision и проигрывателя VLP600 от Phillips на выставке потребительской электроники Firato в Амстердаме, август 1982 года
Презентация видеодиска LaserVision и проигрывателя VLP600 от Phillips на выставке потребительской электроники Firato в Амстердаме, август 1982 года
Автор: Mr. Nostalgic Источник: commons.wikimedia.org

В 1974 году директор аудиоподразделения Лу Оттенс (ранее создавший компакт-кассету) предложил адаптировать оптическое считывание для воспроизведения звука.

Сперва оптический аудиодиск пытались сделать аналоговым, но из-за шумов и дефектов пластика идея быстро себя исчерпала — в 1976 году исследователи перевели проект на цифровую импульсно-кодовую модуляцию (PCM).

В марте 1979 года Philips показала прототип: компактный CD-проигрыватель воспроизводил 115-миллиметровый розоватый диск. Размер взяли по диагонали компакт-кассеты, чтобы носитель легко входил в карман пиджака.

Для вывода формата на мировой рынок Philips объединилась с Sony. Инженеры создали синтез лучших патентных решений: Sony предложила алгоритм коррекции ошибок CIRC, а нидерландец Кеес Схаухамер Имминк разработал кодирование EFM, поднявшее емкость диска еще на треть.

Японская сторона настояла на 16-битной записи (44.1 кГц) вместо 14-битной. Одновременно Sony добивалась увеличения продолжительности записи до 74 минут, что потребовало увеличить диаметр диска до 120 мм. Руководитель Sony Норио Ога объяснял необходимость такой продолжительности желанием уместить Девятую симфонию Бетховена. В Philips приняли предложение, и лишний сантиметр пластика определил стандарты электроники на десятилетия вперед.

Демонстрация покупателям одного из первых коммерческих компакт-дисков и проигрывателя корпорации Philips в начале 1980-х годов
Демонстрация покупателям одного из первых коммерческих компакт-дисков и проигрывателя корпорации Philips в начале 1980-х годов
Автор: Mr. Nostalgic Источник: commons.wikimedia.org

Строение СD

Физически компакт-диск представляет собой многослойный «бутерброд»: на поликарбонатной основе методом штамповки формируется рельефный информационный слой, поверх него — тончайшее отражающее алюминиевое покрытие, которое защищено от царапин лаком и нанесением полиграфии.

A — поликарбонатная основа с закодированными данными, B — отражающий слой, C — защитный лак, D — печатная графика, E — лазерный луч, считываемый датчиком для преобразования в цифровой сигнал
A — поликарбонатная основа с закодированными данными, B — отражающий слой, C — защитный лак, D — печатная графика, E — лазерный луч, считываемый датчиком для преобразования в цифровой сигнал
Автор: Pbrks Источник: commons.wikimedia.org

Под микроскопом эта отражающая поверхность похожа на непрерывную спиральную дорожку длиной около пяти километров, которая начинается с внутренней служебной зоны Lead-in (с оглавлением TOC), идет через рабочую музыкальную область и завершается концевой зоной Lead-out. Вся дорожка состоит из миллионов мелких ямок — питов (pit) — и плоских участков между ними — лендов (land).

Размеры ямок ничтожны: ширина — всего полмикрона, а глубина составляет примерно четверть длины лазерной волны. Пока лазер скользит по плоскому участку, свет зеркально отражается от алюминиевой подложки обратно в датчик. Когда же луч попадает на ямку, часть света отражается от её дна, а часть — от края. Из-за разницы в пройденном пути световые волны накладываются и гасят друг друга.

Питы и ленды компакт-диска под микроскопом
Питы и ленды компакт-диска под микроскопом
Автор: Akroti Источник: en.wikipedia.org

Датчик фиксирует резкое падение яркости. Переход от ямки к плоскому участку или обратно соответствует единице, а отсутствие перехода в течение тактового интервала — нулю. Из этой последовательности электроника восстанавливает цифровой поток данных.

Лазерная головка находится на расстоянии в миллиметр от поверхности диска. При проигрывании скорость вращения постоянно меняется: примерно от 500 оборотов в минуту у центра до 200 у внешнего края, чтобы поддерживать постоянную линейную скорость считывания в 1.2-1.4 метра в секунду. Отсутствие механического трения исключает износ дорожки.

Привод считывания СD дисков
Привод считывания СD дисков
Автор: Curnen Источник: commons.wikimedia.org

Особенности звучания СD

В 1982 году покупатели CD-проигрывателей Sony CDP-101 столкнулись с неожиданной разницей в характере звучания. Ранее винил скрывал погрешности студийной работы за счет аналогового сглаживания и собственного шума иглы. Компакт-диск выдал полную тишину в паузах и высокий динамический диапазон при воспроизведении. Многие привычные записи на CD зазвучали более жестко. Звукорежиссерам пришлось менять методику сведения и компрессии аудиоматериала под новые требования.

Первый в мире коммерческий проигрыватель CD дисков Sony CDP-101
Первый в мире коммерческий проигрыватель CD дисков Sony CDP-101
Автор: Atreyu~commonswiki Источник: commons.wikimedia.org

Второй важный элемент системы — коррекция ошибок. Наладить массовое производство пластиковых дисков без микродефектов невозможно, а при эксплуатации на пластике неизбежно появляются царапины. Алгоритм CIRC и перемешивание данных при записи позволяли CD-проигрывателю исправлять ошибки при поперечных царапинах шириной до 2,4 мм — то есть при обрыве дорожки на участке такой длины.

Однако если царапина шла вдоль дорожки или преломляла луч лазера, коррекция ошибок переставала справляться с повреждением. Проигрыватель начинал терять данные и мог потерять фокусировку или слежение за дорожкой — из-за чего звук с диска заикался или зацикливался.

К концу 1980-х годов себестоимость производства CD опустилась ниже себестоимости производства виниловых пластинок. Результат многолетних инженерных компромиссов победил благодаря отсутствию физического износа, встроенной защите данных и грамотным расчетам.

Угасание индустрии и состояние на сегодняшний день

К 2000 году продажи компакт-дисков в США достигли пика, а CD-проигрыватели стали стандартом в авто. Стремясь одновременно повысить качество звука и защитить музыку от пиратского копирования, индустрия запустила Super Audio CD и DVD-Audio с системами защиты от копирования.

Попытка провалилась: аудитория не захотела массово переплачивать за новые проигрыватели и диски, а преимущества высокого разрешения были заметны далеко не на каждой системе.

Развитие компьютерных сетей нанесло ощутимый удар по индустрии. В двухтысячных файлообменники и приводы CD-RW позволили собирать собственные подборки, а флеш-память и стриминг избавили от необходимости хранить композиции на дисках. Автопроизводители убрали проигрыватели ради сенсорных мультимедиа с Bluetooth. К 2018 году продажи CD в США упали более чем на 94% по сравнению с пиковым 2000 годом, а сети вроде Best Buy убрали их с полок.

Тем не менее, компакт-диск не повторил судьбу кассет и не перешел в разряд музейных раритетов. В Японии формат удерживает около 60% рынка, а в США и Европе продажи вышли на плато за счет коллекционеров, фанатов и ценителей качественного звука. CD занял устойчивую нишу рядом с винилом, оставаясь рабочим стандартом спустя сорок лет после запуска.

Изображение в превью:
Автор: Mr.Nostalgic
Источник: commons.wikimedia.org

6 комментариев

Добавить комментарий

SemenMol
Я из поколения, которое застало пластинки, кассеты и диски, удивительно как быстро развиваются технологии
A
Технологии действительно развиваются быстро!!!
Но только мы где-то застряли в последнее время с развитием интернета и откатываемся немного обратно, что диски опять входят в моду. В принципе это неплохо, когда жёсткие носители информации опять в обиходе. Я к примеру с удовольствием собираю свою коллекцию фильмов на блюрей дисках, чтобы можно было спокойно смотреть фильмы без заблюренных моментов, без навязчивой рекламы и получать удовольствие от просмотра фильмов. Даже имеются у меня фильмы, которых в качестве блюрей никогда официально не выходили, то есть это те самые самиздаты и это не апскейл, это хорошая оцифровка фильмов! Где-то более старых фильмов, где-то более молодых фильмов. Но смотреть фильмы в качестве это круто. В 4К уже вряд ли можно найти такие фильмы, если в обычном блюрей их по сути нет.
A
Про СД диски, тоже становится более актуальным!
Так как на каких-то ресурсах блокируют какую-то музыку, удаляют, а это уже не очень хорошо.
Да и диск, это надолго!!!
Если бережно относиться к дискам.
dimon-ru-80
Про СД диски, тоже становится более актуальным!
Так как на каких-то ресурсах блокируют какую-то музыку, удаляют, а это уже не очень хорошо.
Да и диск, это надолго!!!
Если бережно относиться к дискам.
Ну, помню последние СD-R/RW, портились просто от того что лежали в кассете (коробке в которой они один над одним лежали). Возможно диски были не слишком качественные. Накрылся так фотоархив и с тех пор предпочитаю файловое хранилище NAS на HDD.
i
На фото «презентация компакт-диска» очевидно не CD, a видео диск. Не даром там рядом ТВ стоит. Ну или CD держит великан метров 6 роста с огромными руками, а плеер на деле карманный.
dimon-ru-80
На фото «презентация компакт-диска» очевидно не CD, a видео диск. Не даром там рядом ТВ стоит. Ну или CD держит великан метров 6 роста с огромными руками, а плеер на деле карманный.

Да, вы правы — это видеодиск, LaserVision — поставил иллюстрацию выше по тексту, в место где упоминалось о их разработке.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Квантовые спины впервые сдвинули сантиметровый объект: как физики преодолели барьер микромира

В фундаментальной физике существует давняя граница между микромиром и макромиром. Законы квантовой механики формулировались для отдельных элементарных частиц — электронов, протонов,...

Планшет, ноутбук и холст для рисования в одном флаконе: обзор Ninkear S13 Neo на Intel N150

Тем, кто привык к интерфейсу Windows, но не всегда хочет брать с собой ноутбук, придётся по душе Ninkear S13 Neo. По виду это обычный планшет с 13-дюймовым экраном, внутри которого работает Windows...

Самое странное облако Марса нарушило земные законы физики: почему шлейф длиной 1800 км не должен существовать

Каждое утро в период марсианского лета над южным полушарием планеты возникает гигантское атмосферное явление. Над западным склоном потухшего вулкана Гора Арсия формируется узкое белое облако из...

Почему дайверы со всего мира хотят увидеть дно озера Каинды в Казахстане

Куда только не хотят попасть дайверы-экстремалы: от остатков затонувших кораблей до пещер, из которых не факт, что выйдет выплыть. Но необычные виды и острые ощущения берут верх над чувством...

✦ ИИ  DIY «сделай сам» без мастерской: 7 технических лайфхаков для ремонта, апгрейда и экономии

Большинство мелких поломок дома вовсе не требуют поездки в сервис. Часто достаточно мультиметра, набора отвёрток, паяльника и понимания того, что именно вышло из строя. Собрал несколько DIY (сделай...

✦ ИИ  The Orange Box: 10 октября 2007 года Valve выпустила сборник из пяти игр, который стал легендой

10 октября 2007 года Valve выпустила The Orange Box — необычный игровой комплект, объединивший сразу пять проектов. В одной коробке оказались Half-Life 2, два эпизода, Portal и Team...