Конечным результатом процесса записи видеосигнала является размещение информации на каком-либо физическом носителе.
В настоящее время используются физические носители, использующие один из трех основных методов [13]:
- Метод магнитной записи основан на перемагничивании участков носителя в соответствии со значениями битов записываемой информации. Этот принцип реализуется в устройствах с подвижным носителем в виде диска или ленты, где запись и считывание производится на дорожку (трек). Головка записи вызывает изменение намагниченности участков трека в соответствии с записываемой битовой последовательностью. При считывании регистрируется изменение магнитного поля, связанное с прохождением под головкой участков трека.
- Метод оптической записи основан на изменении оптических свойств участка носителя: степени прозрачности или коэффициента отражения. Способы, какими эти изменения достигаются, различны. В современных оптических устройствах на дисках CD, DVD, BR (Blu-ray) изменение оптических свойств достигается с помощью лазера, выжигающего питы (необратимо, однократно) или изменяющего состояние участка (при многократной записи). К оптическому методу записи можно отнести и технологию голографической записи, при которой запись осуществляется в объеме, а не на поверхности.
- Метод электрической записи на твердотельный полупроводниковый носитель. Метод используется в твердотельной памяти – Flash. Здесь для изменения состояния хранящей ячейки требуется воздействие электрического поля, что и используется при перезаписи информации. Как правило, процесс записи требует значительно большего времени и энергии, чем процесс чтения.
Общим для всех трех методов является необходимость работы с блоками данных. Это значит, что при записи и чтении информации можно прочитать не произвольный байт или бит информации, а некоторый блок данных, к которому возможен произвольный доступ. Обычно размер блока фиксирован, например значением 512 байт.
С аппаратной точки зрения любое устройство хранения прямого доступа можно представить как совокупность секторов, адресуемых тем или иным способом, и каждый сектор может быть записан или считан только целиком независимо от других. Но для большинства применений, включая и цифровую видеозапись, интерес представляет обращение не к отдельным секторам, а к файлам, которые могут занимать произвольное количество секторов. Для облегчения обращения к файлам и упорядочения использования пространства секторов служит файловая система, тесно связанная с логической структурой накопителя.
Метод магнитной записи используется накопителями на жестких дисках и лентах. Первые используются значительно чаще вследствие наличия произвольного доступа к информации.
Рисунок 5.1 Устройство накопителя на жестком магнитном диске.
Схематически устройство накопителя на жестком магнитном диске представлено на рис. 5.1. Носителем информации является диск, на который нанесен ферромагнитный слой. Хранимую информацию представляет состояние намагниченности отдельных участков рабочей поверхности. Диск вращается с помощью двигателя шпинделя, обеспечивающего требуемую частоту вращения, например 7200 оборотов в минуту. На диске имеется индексный маркер, которым отмечается начало каждого оборота диска. Информация на диске располагается на дорожках (треках), которые в свою очередь разбивается на секторы фиксированного размера. Для записи на носитель используются различные методы модуляции сигнала.
Для записи данных необходимо сформировать последовательный код, который должен быть самосинхронизирующимся, т.е. при считывании из него должны извлекаться и данные и синхросигнал, позволяющий восстановить записанную цепочку бит.
Собственно процесс намагничивания участков записи и последующее считывание производятся магнитными головками. При этом возможны различные сбои, связанные с дефектами поверхности, внешними помехами, механическими воздействиями. Поэтому этот процесс не является абсолютно надежным и для повышения надежности применяются различные методы.
Метод кодирования RLL (Run Length Limited Encoding – кодирование с ограничением длины серий) построен на ограничении длины неперемагничиваемых участков трека. Как известно, одним из главных недостатков метода магнитной записи является высокий уровень нелинейности АЧХ пары головка-лента. Для уменьшения влияния неравномерности следует в записываемой последовательности устранить низкочастотные составляющие, которые образуются слишком длинными сериями нулей или единиц.
Дополнительную защиту обеспечивает использование контрольного кода поля данных, например контроль с помощью циклического избыточного кода (CRC), который позволяет обнаруживать ошибки записи. Другой метод – обнаружения и коррекции ошибок (ЕСС) – дополнительно позволяет исправлять ошибки небольшой кратности. Обычно для этого используются избыточные коды Рида-Соломона, который позволяет исправлять ошибки в реальном времени и не требует повторного считывания данных.
Методы магнитной записи цифрового видеосигнала используются также и при записи на ленточные носители.В этом случае обычно используется метод наклонно-строчной записи (Рис. 5.2) . Существуют множество форматов такой записи, среди которых наиболее известным является формат записи DV и его вариант mini-DV. Метод основан на использовании вращающегося барабана с магнитными головками, установленного под небольшим углом к направлению движения ленты. В результате при относительно небольшой скорости движения ленты в лентопротяжном механизме удается получить высокую скорость движения магнитных головок относительно магнитной ленты.
Сигналограмма записи на ленту приведена на рис.5.3. Запись осуществляется на наклонные строчки, между которыми отсутствует защитный промежуток. Каждая строчка записи вмещает в себя видеосектор, звукосектор и служебные области.
Следует отметить, что для борьбы с ошибками здесь используются те же самые методы, что и при записи на магнитные диски, т.е. кодирование с ограничением длины серий, а также код Рида-Соломона.
Рисунок 5.2. Принцип наклонно-строчной записи
Рис. 5.3. Сигналограмма формата DV.
Оптические методы записи используются только на дисковых носителях. В основе этих методов лежит изменение оптических свойств (обычно степень отражения) поверхности носителя (Рис. 5.4.).
Рисунок 5.4. Иллюстрация принципа работы оптического устройства записи и считывания информации.
В процессе считывания при освещении трека лазерным лучом возникает модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого фотоприемником. В модулированном луче закодирована двоичная информация, размещенная на треке. На этом принципе функционируют оптические диски CD, DVD, HD-DVD, Blu-Ray.
Сначала оптическая запись информации производилась в аналоговом виде. Этот вариант был предожен фирмой Philips и использовался в видеопроигрывателях стандарта Laser Vision. На этих устройствах была отработана технология записи и воспроизведения сигналов с использованием лазерного луча, разработаны основные элементы оптического сигналоснимателя, устройств автотрекинга и автофокусировки.
Позже был предложен дисковый носитель для записи звука Compact Disc (CD), который представлял собой уже цифровое устройство. Затем оптические диски этого типа стали использоваться для записи, хранения и воспроизведения данных любого типа. Более поздние варианты оптических дисков (DVD, Blu-Ray) является развитием метода оптической записи, используемого в дисках CD с целью увеличения информационной емкости и скорости записи и воспроизведения (Рис. 5.5).
Рисунок 5.5. Основные технологические отличия форматов CD, DVD и Blu-Ray.
Главным достоинством оптической записи информации является его низкая относительная стоимость. Однако, скорость записи информации сравнительно невелика, что препятсятвует, например, реализации прямой записи несжатого цифрового видеосигнала в реальном времени.
Метод записи на полупроводниковые носители имеет наиболее широкое распространение в технике. В основе этого метода лежит технология электрически перепрограммируемой полупроводниковой памяти. В этом случае используется специальная полупроводниковая структура на основе КМОП-транзистора с плавающим затвором (Рис. 5.6.)
Рисунок 5.6. Структура КМОП-транзистора с плавающим затвором.
Изменение заряда производится приложением между затвором и истоком напряжения потенциала, достаточного, чтобы между каналом транзистора и карманом возник туннельный эффект. После записи заряд в такой ячейке может храниться длительное время. Обычно используется бинарная система, в которой два состояния – условно есть заряд в ячейке и нет его.
Чтение выполняется полевым транзистором, у которого карман выполняет функцию затвора.
Массив таких КМОП-транзисторов объединяется с помощью специальных шин, представляющих собой двумерную матрицу. С помощью этой системы шин осуществляется произвольная адресация к ячейкам памяти. Для этого имеется система демультиплексоров, которые выбирают соответствующие строку и столбец матрицы в соответствии с кодом адреса ячейки памяти.
При одновременной адресации к нескольким ячейкам можно организовать параллельные запись и считывание информации и обеспечить, например, 8, 16 или 32 разрядную организацию цифровых данных.
Полупроводниковая память имеет наиболее высокую скорость записи и считывания информации. Поэтому такие устройства все чаще используются в цифровой видеозаписи.
Среди недостатков следует отметить сравнительно высокую стоимость по сравнению с магнитными и оптическими носителями информации (по состоянию на момент выхода данного учебного пособия). Кроме того запись производится заметно медленнее, чем считывание.
Следует также отметить, что полупроводниковая память имеет свойство постепенной деградации. Обычно каждую ячейку можно перепрограммировать не более 100 тысяч раз. Поэтому при работе с полупроводниковой памятью используют аппаратные или программные методы для равномерного использования всего массива данных в полупроводниковой структуре.
