Компакт-диск хранит музыку в цифровом виде вдоль одной спиральной оптической дорожки. Слабый лазер фокусируется на дорожке через прозрачный поликарбонат, фотодатчик замечает изменения отражённого света, а электроника восстанавливает последовательность закодированных битов. После исправления ошибок и распаковки служебной структуры цифро-аналоговый преобразователь создаёт непрерывное электрическое напряжение, которое усилитель направляет к колонкам или наушникам.
Где на диске находится запись
Основу CD делают из прозрачного поликарбоната. При изготовлении в нём формируют микроскопический рельеф, затем наносят отражающий металлический слой, защитное покрытие и печать. Лазер смотрит на рельеф снизу, проходя через сравнительно толстый прозрачный пластик.
Дорожка начинается возле центра и идёт к краю, в отличие от обычной виниловой пластинки. На ней чередуются углубления, которые принято называть питами, и ровные участки. Однако питы не являются простым визуальным набором отдельных нулей и единиц. Информация связана прежде всего с переходами между уровнями и правилами канального кодирования.
Спираль очень длинная и плотная. Привод вращает диск быстрее у центра и медленнее ближе к краю, чтобы дорожка проходила над оптической головкой примерно с постоянной линейной скоростью. Сервомеханизм непрерывно удерживает лазер в фокусе и ведёт его по спирали.
Как свет превращается в биты
Луч отражается от металлического слоя и возвращается к фотодиоду. Возле границы пита и ровного участка условия отражения меняются, поэтому датчик видит изменение интенсивности. Аналоговая электроника превращает эти колебания в импульсы, а декодер восстанавливает записанные символы.
Данные на диске специально преобразованы так, чтобы переходы не располагались ни слишком близко, ни слишком далеко друг от друга. Это помогает синхронизации: проигрыватель извлекает не только значения, но и ритм, с которым их нужно читать.
Музыкальные данные перемешаны со служебными и кодами коррекции ошибок. Если небольшая область загрязнена или повреждена, проигрыватель часто вычисляет пропущенную информацию по избыточным данным. Более длинный дефект он может скрыть интерполяцией между соседними отсчётами. Только когда восстановить поток не удаётся, слышен щелчок, пропуск или остановка.
Откуда берутся цифровые отсчёты
При подготовке аудио аналоговый сигнал измеряют много раз в секунду. Каждый результат округляют до одного из допустимых уровней. Для стандартного аудио-CD используются два канала, частота дискретизации 44,1 килогерца и 16 бит на отсчёт.
Это не означает, что между измерениями в музыке остаются физические дырки. Если частота дискретизации и фильтрация выбраны правильно, последовательность отсчётов однозначно задаёт непрерывный сигнал в поддерживаемом диапазоне. Цифро-аналоговый преобразователь создаёт ступенчатое электрическое представление, а выходной фильтр удаляет высокочастотные компоненты преобразования.
CD хранит эти отсчёты без сжатия с потерями. Позднее формат MP3 научился передавать похожее восприятие при значительно меньшем объёме, но для этого анализирует, какие детали можно закодировать менее точно.
Почему лазер не царапает дорожку
У виниловой пластинки игла физически касается борозды, а пыль и износ меняют движение. Лазер CD не соприкасается с отражающим слоем. Обычное воспроизведение поэтому не стирает запись.
Это не делает диск неуязвимым. Царапина на нижней поверхности рассеивает свет, отпечаток пальца ухудшает фокусировку, а повреждение защитного слоя сверху может затронуть металлическое покрытие. Небольшие радиальные царапины обычно перекрывают короткие фрагменты разных участков и лучше исправляются. Длинная царапина вдоль дорожки способна закрыть непрерывный поток данных.
Протирать диск безопаснее мягкой тканью от центра к краю, а не круговыми движениями. Так случайный след реже совпадёт с направлением спирали.
Что происходит после чтения
Поток проходит несколько этапов: выделение такта, канальное декодирование, исправление ошибок, восстановление порядка данных и разделение левого и правого каналов. Буфер на короткое время сохраняет отсчёты, чтобы небольшое колебание механики не сразу нарушило звук.
Далее цифро-аналоговый преобразователь выдаёт напряжение, соответствующее отсчётам. Оно слишком слабое для динамика, поэтому сигнал проходит фильтр, предусилитель и усилитель мощности. Громкоговоритель превращает электрические изменения в движение диффузора, а тот – в колебания воздуха.
Кнопка перехода к треку не заставляет головку угадывать место. На диске есть таблица содержания с адресами начала дорожек. Привод быстро перемещает оптический блок к нужной области и захватывает спираль.
Почему CD стал отдельной системой
Sony и Philips согласовали параметры формата в ходе совместной разработки. В 1982 году появились первые коммерческие проигрыватели и диски. Важен был не только сам носитель, но и единый набор требований: диаметр, способ кодирования, длительность, оптика и структура данных.
Для слушателя CD устранил перемотку кассеты, снизил слышимый фоновый шум и позволил быстро выбирать композицию. Компакт-кассета всё ещё была удобнее для домашней записи, но фабричный диск обеспечивал повторяемое цифровое воспроизведение.
Следующий переход состоял в отделении музыки от оптического предмета. Те же цифровые отсчёты можно хранить на диске компьютера и передавать по сети. Сначала этому помогло сжатие файлов, затем потоковая доставка. CD показал массовому слушателю, что звук может существовать как данные, а не только как физический рельеф или намагниченная плёнка.
Почему поцарапанный диск иногда продолжает играть
Данные на CD записаны не как непрерывная звуковая линия. Перед изготовлением их перемешивают по определённой схеме и дополняют кодами коррекции ошибок. Небольшая царапина повреждает соседние участки поверхности, но после обратного упорядочивания потерянные значения оказываются разделены. Проигрыватель может восстановить их математически или кратко интерполировать звук между известными отсчётами.
Защита имеет предел. Глубокая радиальная царапина, повреждение отражающего слоя или сильное загрязнение закрывают слишком большой объём информации. Тогда привод повторяет чтение, пропускает фрагмент либо останавливается. Поэтому цифровая запись устойчива к малым дефектам, но сам физический носитель не является неуязвимым.
