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

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.