Blu-ray Disc как новый формат

Рассмотрим подробнее Blu-ray с точки зрения технических характеристик, влияющих на производственную совместимость различных типов дисков R (записываемый однократно), RE (перезаписываемый) и ROM (только для чтения). Общими для этих стандартов являются такие ключевые параметры, как длина волны, числовая апертура, диаметр и толщина диска, диаметр центрального отверстия. Формат Blu-ray использует модуляцию сигнала 17PP ((1,7) RLL (код с ограничением длины пробега) с сохранением чётности), для ECC (код коррекции ошибок) – LDC (код с большим минимальным расстоянием) с BIS (субкод индикации разрыва). Вследствие задания одинаковых физических параметров и одинаковых методов обработки сигнала можно применить общие технологии для оптических головок и микросхем, после чего гораздо легче поддерживать функциональную совместимость R, RE и ROM.
 
Общими для всех типов дисков Blu-ray являются:
— длина волны 405нм,
— числовая апертура линзы 0.85,
— модуляция сигнала – 17PP,
— коррекция ошибок – LDC совместно с BIS.
Отличие ROM от R и RE заключается в способе записи информации – в ROM это делается с помощью тиснения, R и RE записывают данные на вобулированную заранее подготовленную канавку.
 

Физические основы формата

 
В процессе разработки стало очевидным, что система Blu-ray Disc будет последней оптической дисковой системой, использующей видимый свет. В конечном итоге при выборе длины волны остановились на 400нм, поскольку меньшие значения вызывают проблемы долговечности пластмассы подложки. Прозрачность различных типов пластмассы резко снижается при уменьшении волны до значений ниже 400нм. А кроме того, наблюдается эффект «загара», т.е. невосстанавливаемой прозрачности.
 
Также нужно учитывать колебания длины волны во время производственного процесса. Допуск установлен таким образом, чтобы её величина не опускалась ниже 400нм. Самым приемлемым в отношении низкой температурной зависимости оказался GaN 400-нанометровый лазер (на основе нитрида галлия).
 
Наибольшие значения ЧА (см.Технологические решения при разработке формата Blu-ray),  полученные при серийном производстве CD и DVD, были 0.45 и 0.6 соответственно. Для Blu-ray Disc объектив с необходимой ЧА 0.85 сначала был выполнен с помощью складывания двух линз, которые можно было сделать по технологии с ЧА класса 0.6, одна поверх другой. Рабочее расстояние такой линзы могло быть самое большее 0.14мм, и очевидно, что линза будет часто ударяться о диск, в отличие от CD и DVD. Только на ранних этапах развития CD использовались линзы диаметром 4.5мм, и они никогда физически не задевали диск в пределах своего движения.
 
По причине современного компактного дизайна линза может иногда задевать как CD, так и DVD. Следовательно, нельзя игнорировать тот факт, что чем меньше рабочее расстояние линзы, тем выше вероятность задевания диска. Однако можно применить некоторые аппаратные датчики для оценки опасности поражения и активирования цепей защиты или в некоторых случаях амортизаторов. Кроме того, JVC и другие производители недавно взялись за разработку прототипа линзы с рабочим расстоянием 5мм. При прочей практичности это расстояние не будет вызывать никаких проблем.
 
По причине меньшего размера пятна легко можно увидеть, что мощность, требуемая для записи Blu-ray с длиной волны 400нм и ЧА 0.85, составляет ¼ часть мощности, требуемой для записи DVD  с длиной волны 650нм и апертурой 0.6. Полагая, что запись на диск производится с той же энергией, получаем, что чем меньше диаметр (т.е. выше плотность энергии), тем меньшая мощность лазера необходима для записи. Вот одна из причин, почему Blu-ray для записи требует всего 5мВт, тогда как CD и DVD – несколько десятков милливатт при той же скорости записи. В дальнейшем это обеспечит хороший запас мощности для многослойной или высокоскоростной записи.

Диски Blu-ray с самого начала разрабатывались с возможностью применения многослойной записи.
 
Здесь слой L1 следует за L0 с прослойкой из промежуточного слоя толщиной 25мкм, а толщина защитного слоя для L1 составляет 75мкм. Для всех многослойных дисков L0 находится на глубине 100мкм.
 
Поскольку Blu-ray Disc использует новые конструктивные параметры, для совместимости с CD и DVD необходимо также создать и новый совместимый адаптер. Такая же проблема была и при создании DVD-головки, умеющей читать и CD.
 
Формат канавки
Физической структурой Blu-ray диска является канавка (направляющая дорожка), как показано на рисунке. Она имеет слабовыраженную синусоидальную форму.
 
Относительно такого способа записи было много дискуссий, поэтому при создании DVD были приняты несколько форматов записи. К счастью те компании, что разработали три формата записи DVD дисков, объединили свои усилия и наработки для создания единого формата записи Blu-ray. Кроме того, очень полезным было то, что с самого начала была представлена полноценная перезаписываемая система записи, в отличие от CD и DVD, где сначала был разработан формат ROM, а потом к нему адаптировались остальные форматы. Естественно, основной проект Blu-ray Disc был сделан одинаково пригодным и для бытовых устройств, и для компьютеров. Поэтому была применена структура данных с промежутком между блоками, как в DVD-RAM. Кроме того, канавочная система записи использовалась вместо системы поверхность/канавка, чтобы включить в концепцию и диски типа ROM и R. Эта идея была адаптирована также к CD-R, RW, DVD-RW и +RW.
 
Чтобы диски с разным шагом дорожки могли сосуществовать в одном семействе, приходится накладывать ограничения на конструкцию оптического адаптера. Во-первых, для шага дорожки 0.32мкм мастеринг оказался невероятно трудным; сама канавка должна быть сформирована с точностью примерно половины значения 0.32мкм. Кроме того, необходимы дополнительные разработки, чтобы в будущем сделать диск ROM, питы которого формируются тиснением. В результате для дисков класса 25ГБ сначала был внедрён мастеринг с помощью электронного луча (EB), а позднее с помощью глубокого ультрафиолета (UV). Потом ещё была разработана технология с длиной волны луча 400нм, которая устраняет все препятствия к использованию канавочной записи. Технология штамповки дисков такой плотности уже налажена.
 
Более того, для дисков BD-RE и BD-R LTH, учитывая высокое значение NA (0.85), вместо записи на дне (внутри) канавки (In-Groove) был выбран метод записи на выступе канавки (On-Groove). Хотя это нелегко объяснить на плоскости, запись на Выступе была выбрана на основе результатов моделирования и реальных экспериментов, что показано на рисунке.
 

 
Как видно из рисунка, при записи на дне канавки мощность луча записи теряется в радиальном направлении. Узкий шаг дорожки делает очень трудной запись типа поверхность/канавка, которая требует записи и на дне, и на выступе канавки. Во-первых, остаются сомнения, смогут ли диски R отвечать требованиям системы записи на выступе. Однако уже были разработаны диски R LTH типа, которые соответствовали такой структуре, и систему записи на выступе можно было применить для производных форматов, таких как CD и DVD.
 
Позднее диски R LTH типа были доработаны как семейство BD-R. Для этого типа медиа применён органический краситель в качестве записывающего материала. Окрашенный слой записи сделан с использованием технологии вращающегося покрытия, с точки зрения производства для него подходит система записи на дне. Встречаются красители для медиа, которые излучают тепло или взрываются, вызывая физические изменения в районе записываемой метки (пита) во время записи. Метка, сделанная таким типом записывающего механизма, имеет тенденцию к расширению, которое может быть остановлено стенками дна канавки. Поэтому для дисков R типа LTH был принят способ записи на дне канавки (дорожки).
 
Метод адресации
Для принятого метода канавочной записи пустое пространство адресов формируется только методом вобуляции. Такая концепция близка той, что принята для +RW. Хотя сначала была исследована адресация пита, окончательно была принята система адресации без пита, принимая во внимание то, что для создания места заголовка с питом требуется увеличение плотности записи, и то, что в случае многослойной записи адрес пита оказывает существеннное влияние на запись в других слоях.
 
Технология модуляции с вобуляцией в радиальном направлении основана на MSK (Минимальный частотный сдвиг) и форматируется блоками по 64кБ. Основная длина волны вобуляции составляет примерно 5мкм, а 0 и 1 выражены позициями, где синусоидальная волна модулирована по правилу MSK. Хотя энергия модуляции MSK достаточно большая, вследствие локальности информации она легко подвержена влиянию дефектов. Поэтому используется сигнал STW (Пилообразной вобуляции), добавляемый к MSK умножением.
 
Сигнал STW добавляет вторичные гармоники ко всем синусоидальным колебаниям вобуляции, при этом 0 и 1 адресных данных соответствуют полярности добавленных вторичных гармоник. Поскольку энергия сигнала STW распределена в пространстве, в отличие от MSK, он устойчив к воздействию частичных дефектов. Определение адреса в системе Blu-ray Disc надёжно вследствие применения комбинации технологий MSK и STW.
 
Метод коррекции ошибок
Метод коррекции ошибок должен разрабатываться в соответствии с распределением ошибок защитного слоя толщиной 100мкм. Эта операция начинается со статистической обработки распределения ошибок при тестировании на пыль реальной структуры диска и с моделирования этого распределения. В результате получены ошибки коротких разрывов и так называемые пикет-коды со структурой, соответствующей ошибкам длинного разрыва, которые иногда имеют место. Это сделано методом глубокого перемежения в коде с большим минимальным расстоянием – разновидности кода Рида-Соломона размером 64кБ, и последующего добавления индикатора разрыва (BIS).
 
Технология модуляции
Метод модуляции основного канала, записываемого вдоль дорожки, называется 17PP ((1,7) код с ограничением длины пробега, сохранением чётности и запретом длины пробега повторяющегося минимального перехода). Это так называемый код с d=1. Как показывают результаты проверки (в предположении, что сначала рассматриваем перезаписываемый диск), код d=1 следует использовать на сей раз потому, что по сравнению с кодом d=2, используемым для CD и DVD, более выгодным является широкое окно обнаружения. Плюс можно использовать более низкую тактовую частоту канала для высокоскоростной записи.
 
Хотя мастеринг и штамповка пита в BD-ROM представляются сложными, хотя бы потому, что минимальный пит короче, чем такой же для кода d=2, всё же в итоге эти процессы успешно освоены и для ёмкости порядка 25ГБ. Сохранение чётности означает, что DC-баланс можно оценить и без просмотра последовательности 0-1, а это означает эффективное снижение нагрузки на оборудование. Запрет на повторный минимальный пробег кода (RMTR) вводится для того, чтобы не пробегать семь и более раз в 17PP, путём предотвращения длинных пробегов минимальной длины (что представлено словом 101 после модуляции).
 
Носитель информации и стратегия записи
В качестве носителя информации Blu-ray Disc использует плёнку с изменяемым фазовым состоянием. Такая плёнка подразделяется на два типа: схожий пример – то, что называется GST-типом (GeSbTe стехиометрический композит), используемым для DVD-RAM, и другой — эвтектический тип, используемый для CD-RW, DVD-RW и +RW. У каждого типа есть свои преимущества в особенностях повторяющейся записи и высокоскоростной записи. Чтобы допустить применение обоих типов плёнок с изменяемым фазовым состоянием для Blu-ray Disc был создан шаблон записи.

В BD-RE V1.0 самая большая мощность записи при 36Мбит/с составляет 5.2мВт (10.4мВт для двух слоёв).
 

Структура формата файловой системы приложения

 
Стандарт BD-RE состоит из трёх частей: Часть 1 (Физический формат), Часть 2 (Формат файловой системы), и Часть 3 (формат Приложения). Здесь объяснены тезисы формата приложения для R и RE
и формат файловой системы.
 

Формат приложения для R и RE

 
Функция прямой записи цифрового вещания
Эта функция позволяет записывать не только изображения цифрового вещания без
разрушения качества изображения, но в совокупности также и данных телеметрии и данных многоканального звука. С этой целью формат использует MPEG-2TS (Транспортный поток), используемый в цифровом вещании, как тип потока для записи.

Полученные данные MPEG-2TS записываются на диск как фрагмент AV файла потока (рис. 4).
 

 
Функция произвольного доступа и ускоренного воспроизведения
Для обеспечения функции, которая позволяет осуществить произвольный доступ к желаемой сцене в MPEG-2TS и ускоренное воспроизведение, каждый фрагмент AV файла потока снабжён таблицей для получения позиции записанных данных, соответствующих времени воспроизведения, затребованному пользователем. Таблицы хранятся в файле информации о фрагменте (CLIPINF), показанном на рис.4.
 
Функция редактирования и маркировки
Файл PLAYLIST предназначен для удаления ненужных сцен без копирования или переноса записанных данных как в случае с лентой, и редактирования материала, записываемого на диск, без обработки исходного изображения (рис.4). Файл PLAYLIST содержит информацию о порядке воспроизведения, необходимую для того, чтобы определить, какая часть какого Фрагмента AV потока воспроизводится.

Файл PLAYLIST также содержит информацию о закладках для быстрого доступа к избранным сценам.
 
Функция поиска содержимого
В каждом файле, связанном с пиктограммой, которая представляет собой уменьшенное изображение, хранятся эти пиктограммы изображений и закладки для сцен. Это позволяет осуществлять поиск содержимого и закладок, просматривая уменьшенные эскизы.
 

Формат файловой системы

 
Быстрый отклик
Чтобы сократить, насколько это возможно, отклик устройства со времени установки диска в трей до готовности к записи/воспроизведению файлы, не являющиеся файлами потока, хранятся вблизи определённой области на диске.
 
Высокая надёжность
Даже если хранимые данные становятся невозможным прочесть из-за царапин или пыли, следует избегать случаев потери записанных данных насколько это возможно. Поэтому у формата файловой системы есть механизм, который всегда копирует файлы плейлистов, часть файлов пиктограмм, файлы информации о фрагменте и т.д. в другую область записи для резервного копирования.
 
Все эти отличительные особенности формата Blu-ray обеспечивают высокий уровень интерактивности, значительное сокращение времени старта диска, высокую защищённость хранимой информации.