AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

M I N I D I S K Y

1. Úvod. Vývoj elektroakustického záznamu

Každý, kdo se zabývá zvukovými nahrávkami - jejich nahráváním, reprodukcí, úpravami, archivací - je v souvislosti s rozvojem elektroniky čas od času postaven před otázky: "Na jaké médium (nosič) nahrávat?"; "Jaká přístrojová technika je pro moje spektrum žánrů nejoptimálnější?"; "Z jakých zdrojů nahrávat?"; ... atd. V tomto článku se pokusím podělit se svými zkušenostmi v této oblasti za použití minidisků.

Prvním masově rozšířeným elektroakustickým médiem byla gramofonová deska, která zůstávala až asi do 50.let 20.stol. prakticky jediným nosičem pro individuální (domácí) použití - magnetofony se používaly jen v rozhlasových a nahrávacích studiích. S rozvojem slaboproudé elektroniky se pak začaly rozšiřovat nejprve klasické cívkové magnetofony, od konce 60.let pak nastoupily svou cestu masového rozšíření kazetové magnetofony, které částečně vytlačily gramofonové desky. Odstraňovaly totiž dvě hlavní nevýhody gramodesek: 1.Nemožnost nahrávání. 2.Náchylnost na mechanické poškození, opotřebování a ztráta kvality při opakovaném přehrávání. S postupným zlepšováním technologie výroby magnetofonových pásků a zvyšováním technické úrovně magnetofonů (jako bylo zavedení redukce šumu Dolby B,C) bylo přitom prakticky dosaženo akustické kvality gramofonových desek (nových a nepoškozených).

Definitivní konec éry gramofonových desek pak znamenalo zavedení laserových digitálních kompaktních disků CD v 80.letech a jejich všeobecné rozšíření v průběhu let devadesátých. Kompaktní disky CD převyšují gramofonové desky po všech stránkách - podstatně nižší úrovní šumu, nesrovnatelně větším dynamickým rozsahem, odolností vůči poškození, neexistuje opotřebení přehráváním, menší rozměry a podstatně snadnější manipulace.
Poznámka: I nyní se najdou "skalní" zastánci gramofonových desek, tvrdící že zvuk z CD není tak přirozený jako z gramodesek. Tyto názory jsou však subjektivní (snad otázka zvyku na slabý šum a praskot) a u kvalitně nahraných CD se nezakládají na pravdě.

Určitou nevýhodou kompaktních disků CD byla zpočátku nemožnost pořídit si své vlastní nahrávky na tomto médiu - v tom se podobaly původní gramofonové desce. Zhruba od poloviny 90.let se však začaly rozšiřovat zařízení pro nahrávání ("vypalování") na CD, převážně jako součást počítačů PC. Kromě kotoučů CD určených pro jednorázové nahrání (typ R) byly vyvinuty i typy R/W umožňující opakované nahrávání ("přepisování") podobně jako u magnetických médií.

Souběžně s optickým laserovým záznamem a přehráváním systému CD se vyvíjel i záznam digitalizovaného zvuku na magnetický pásek - systém DAT. I přes některé své výhody však nedoznal většího rozšíření; používá se např. při profesionálním nahrávání v terénu. Určitou nevýhodou je zde pomalý přístup k datům typický pro magnetopáskové systémy.

Systém, který spojuje vysokou kvalitu digitálního záznamu s operativností a flexibilností nahrávání a reprodukce (a navíc umožňuje vkládat popisy a poskytuje řadu editačních možností), je MiniDisc. Tento systém vyvinula známá japonská firma Sony na přelomu 80. a 90.let.

2. Princip systému MiniDisc

Systém MiniDisc (MD) je založen na principu magneto-optického záznamu digitalizovaných zvukových dat. Médiem pro záznam a reprodukci je polykarbonátový rotující kotouč o průměru 64 mm opatřený aktivní vrstvou se speciálními ferromagnetickými a optickými vlastnostmi. Povrch minidisku je tvořen třemi vrstvami: slitina železo-kobalt-terbium-chrom jako záznamová vrstva, hliník-titan jako reflexní vrstva a silikonová ochranná vrstva. Středový otvor minidisku má nalisovanou kovovou středovku, která zajišťuje přesné vycentrování a rovněž snižuje mechanické namáhání kotouče v místě nasazení na náhonovou hřídel v přístroji. Vlastní minidisk je zapouzdřen v kazetě rozměru 7cm x 6,75cm, tloušťky 0,5cm, s posuvnými krytkami zakrývajícími otvory pro optickou laserovou a magnetickou záznamovou hlavu. Tato kazeta velmi dobře chrání disk před znečištěním a mechanickým poškozením.

Obr.1. Princip magneto-optického záznamu digitalizovaných dat na minidisk

Princip záznamu je schématicky znázorněn na obr.1. Optická a magnetická hlavice jsou umístěny proti sobě, mezi nimi se těsně pohybuje vlastní kotouč minidisku. Polovodičový laser vyzařuje při záznamu konstantní (nemodulovaný) světelný paprsek s výkonem asi 5 mW - tento výkon se automaticky dolaďuje při vložení média. Paprsek při dopadu na povrch disku zahřeje lokálně aktivní vrstvu na tzv. Curieovu teplotu (což je teplota, při níž daný materiál ztrácí feromagnetické vlastnosti a stává se látkou paramagnetickou - u materiálů používaných na MD činí jen asi 180^oC). Po průchodu paprsku se teplota povrchu okamžitě sníží pod Curieův bod a feromagnetické vlastnosti se obnoví. Přivedeme-li do magnetické hlavice umístěné naproti z druhé strany disku signál, zůstane díky magnetickému poli v aktivní vrstvě stopa tohoto signálu v podobě změny magnetické orientace. Tato změna magnetizace pak vede i ke změně polarizace odraženého světelného paprsku při čtení-přehrávání (v důsledku tzv. Faradayova jevu).
Magnetooptický Faradayův jev spočívá v tom, že při průchodu polarizovaného světla průzračným optickým prostředím za přítomnosti magnetického pole dochází k pootočení roviny polarizace tohoto světla. Toto pootočení roste s intenzitou magnetického pole a nejvíce se projevuje tehdy, když světlo prochází látkou ve směru magnetického pole. Směr jejího pootočení je stejný jako směr proudu v budícím elektromagnetu. Při odrazu paprsku tam a zpět se úhel pootočení sčítá. Elektrooptická varianta tohoto jevu - Kerrův jev - spočívá ve stáčení polarizační roviny světla procházejícího látkou za působení elektrického pole.

Při čtení (přehrávání, reprodukci) dopadá laserový paprsek (o asi 10-krát menší intenzitě než při zápisu) na povrch rotujícího minidisku, kde místa s různou magnetickou orientací odlišně odrážejí polarizovaný paprsek; takto polarizačně modulovaný odražený paprsek se pak ve fotodiodách čtecí hlavice převádí na elektrický signál reprodukující původní zapsaný signál - obr.2.

Obr.2. Princip optického čtení digitálních elektroakustických dat z minidisku. Odražený paprsek, polarizačně modulovaný podle různě orientované magnetizace zapsané stopy na povrchu minidisku, prochází nejprve analyzátorem polarizace (děličem) . Používá se tzv. Wollastonův dvojlomný hranol, což je kombinace dvou krystalů (většinou vápence CaCO3) opticky stmelených pod úhlem 45^o. V tomto hranolu se z původního směru paprsky s různou polarizací od sebe oddělují a vycházejí pod různými úhly. Fotodiody A a B, na které takto úhlově rozmítané papsky dopadají, pak dávají různě silný signál v závislosti na úhlu polarizace. Odečtením těchto signálů dostáváme po úpravě již digitální signál reprodukující původně zapsanou bitovou kombinaci při magneto-optickém záznamu podle obr.1. Další dvojice fotodiod slouží ke sledování stopy.
Pozn.: Optická čtecí hlavice minidisku obsahuje ještě další čtveřici fotodiod detekujících odražené paprsky v případě použití nahraných (nepřepisovatelných) minidisků, kde je tvar záznamu podobný jako u CD - hliníková reflexní vrstva se signálem uloženým pomocí jamek. O tomto typu minidisků se v našem sdělení (zaměřeném na nahrávání) nezmiňujeme.

Tento systém při nízkém příkonu (několik mW) optické i magnetické záznamové hlavice umožňuje vysokou hustotu záznamu, možnost přímého lokálního přepisu přesně definované oblasti na disku, vysoký počet přepisových cyklů (prakticky neomezený, uvádí se min. 1milion), velmi nízkou chybovost zápisu/čtení, malou citlivost na mechanickou kolmost záznamové hlavice.
Při záznamu a reprodukci je navíc použita velká polovodičová vyrovnávací paměť, která zajišťuje kontinuální přehrávání bez výpadků i v případě, že hlavice dočasně ztratí stopu (vlivem lokálně poškozeného místa na disku či mechanického názazu nebo vibrace). Při této poruše se data přehrávají z paměti a řídící systém mezitím najde místo kde došlo ke ztrátě signálu, začne opět číst z povrchu minidisku a vyrovnávací paměť se naplní novými správnými zvukovými daty. Velikost vyrovnávací paměti se pohybuje obvykle od 2MB u stolních přístrojů (odpovídá asi 6sec. nahrávky) do cca 16MB u MD walkmanů (odpovídá cca 40sec.); u přenosných přístrojů je vzhledem k možnosti častých nárazů a vibrací potřebná větší buffer-paměť.

Tedy zjednodušeně shrnuto:
Záznam na MD je magneto-optický, čtení je čistě optické podobně jako u CD.

3. Digitalizace signálu, ATRAC, režim Long Play

Elektrický signál přiváděný na záznamovou magnetickou hlavici (obr.1) není běžný elektroakustický signál jako u analogového záznamu, ale signál digitalizovaný pomocí analogově-digitálního převodníku. Z původní časové oblasti (časový průběh elektroakustického signálu - na vodorovné ose grafického vyjádření je čas, na svislé amplituda signálu) je signál pomocí diskrétní Fourierovy kosinové transformace převeden do spektrální oblasti (při grafickém vyjádření je na vodorovné ose frekvence harmonické kosinusovky, na svislé ose amplituda jejího zastoupení). Takto vzniklé spektrální koeficienty jsou kvantovány a převedeny na digitální bitovou informaci - kombinaci logických "0" a "1", které se ve formě elektrických impulsů již vedou na záznamovou magnetickou hlavici (obr.1). Mechanismem zmíněným v předchozím odstavci jsou tyto bitové kombinace zaznamenány v aktivní vrstvě minidisku jakožto místa s lokálně změněnou magnetickou orientací.

Při čtení dopadá laserový paprsek na povrch minidisku, místa s různou magnetickou orientací odlišně odrážejí polarizovaný paprsek, který se ve čtecí hlavici převádí na elektrický signál reprodukující původní zapsanou bitovou kombinaci (obr.2). Ta se pak pomocí digitálně-analogového převodníku převádí na spektrální koeficienty a dále pomocí inverzní kosinové Fourierovy transformace s použitím tónového generátoru zpět do časové oblasti - syntetizuje se obvyklý elektroakustický signál (jako směs harmonických funkcí o příslušných frekvencích) rekonstruující zaznamenanou hudbu.

Pro redukci datového toku je u MiniDisku použit originální algoritmus zvaný ATRAC (Adaptive TRansform Acoustic Coding).*) Diskrétní kosinová transformace se děje odděleně ve třech frekvenčních pásmech (přibližně 20Hz-5kHz, 5-12kHz, 12-20kHz) a při spektrální kvantizaci ("digitalizaci") se velikost transformačních bloků adaptivně mění podle charakteru signálu ...... Vychází se přitom z psychoakustických vlastností lidského sluchu (jako je frekvenční charakteristika hlasitosti či časově-spektrální rozlišení). Použitý algoritmus ponechává pouze "akusticky významné" bity, "nadbytečné" bity které se ve výsledném akustickém signálu neprojeví, vynechává. Při používané 16-bitové kvantizaci a vzorkovacím kmitočtu 44kHz dochází efektivně k asi 5-násobné redukci toku dat.

Struktura zaznamenaných zvukových dat rozděluje nahrávku do bloků, z nichž každý se skládá ze 36 sektorů - 32 sektorů nese zvukovou informaci, čtyři jsou využívány pro pomocná data a pro adresy navazujících předchozího a následujícího bloku. Záznam na disku lze rozdělit na 255 separátních tracků (záznamů, skladeb). Všechny tyto informace o obsahu minidisku jsou zaznamenány v tzv. "Table Of Contens" (TOC) - nese informace o adresách začátků a konců skladeb, názvy skladeb, údaje o režimu nahrávky (jako je LP2/4). Tato informační tabulka se při vložení minidisku přehraje do pracovní paměti přístroje, při záznamech a editacích se aktualizuje a při vyjmutí disku se uloží obsah TOC do příslušného místa disku (poblíž středové části) - teprve po zápisu TOC vydá nahrávač vlastní disk. Případné porušení TOC vede ke ztrátě přístupu k nahraným datům.

4. Nahrávání na minidisk v režimu Long Play 2x/4x

Komprimovaný režim LP4 nabízí lákavou možnost nahrát na jediný kotouč minidisku čtyřikrát větší množství zvuku, tedy 320 minut na disk MD80. Jak je to však s kvalitou zvuku? - jakým snížením kvality zvuku je "zaplaceno" toto výrazné prodloužení nahrávací kapacity? Provedeme-li elektroakustická měření, zjistíme následující skutečnosti:

• V režimu LP nedochází k žádnému zvýšení šumů či jiných rušivých signálů oproti základnímu režimu.
• Měříme-li frekvenční charakteristiku sinusovým signálem z tónového generátoru, zjistíme v základním i LP režimu velmi vyrovnanou křivku v celém používaném akustickém rozsahu 20Hz-20kHz. Režim LP tedy nezhoršuje základní frekvenční chrakteristiku.
• Poněkud jiná situace nastane, když nahráváme smíšený signál obsahující několik frekvencí. Zde teprve nastupují redukční algoritmy systému ATRAC - při vysokém zastoupení středních frekvencí dochází k mírnému snížení (o cca 3dB) amplitudy nejnižších a nejvyšších frekvencí.
• Redukční algoritmy systému ATRAC se dále uplatňují tam, kde dochází k náhlým změnám intenzit a frekvencí smíšeného signálu ....
• Základní režim a režim LP2 zpracovává odděleně levý a pravý kanál. Režim LP4 však vzhledem k potřebné redukci toku dat levý a pravý kanál zpracovává multiplexně, přičemž využívá okamžitých podobností signálu v levém a pravém kanále. V režimu LP4 lze tedy očekávat určité snížení steroefonního efektu. Měření na osciloskopu při jednoduchých harmonických frekvencích však ukazují dokonalou separaci levého a pravého kanálu, efekt snížení srereoefektu se projevuje jen dynamicky při složitých akustických signálech.

Elektroakustická měření poskytují sice objektivní údaje o záznamově-reprodukčních charakteristikách systému, důležitá je však i praktická poslechová zkušenost (byť může být subjektivně ovlivněná). Svou zkušenost mohu shrnout takto:

1. Při poslechu v běžných bytových podmínkách (dvě dvoupásmové reprosoustavy, přiměřená hlasitost, běžná úroveň akustického pozadí) posluchač nepozná, zda je reprodukována hudba či slovo z CD, nebo z minidisku v režimu LP2/4.
2. Při poslechu ze sluchátek nebo z dobrých reprosoustav v prostředí s nízkou hladinou akustického pozadí již poznáme ve srovnání s reprodukcí z kvalitního CD určité ovlivnění:
   - Není taková "průzračnost" zvuku v nejjemnějších niancích, ozvěnách, dozvucích.
   - Je poněkud zahlazena ostrá "průraznost" zvuku v místech náhlých změn (nástupů).
   - Je poněkud zeslaben stereofonní efekt a naopak zesíleny stopy dynamických"přeslechů" mezi oběma kanály (projevuje se opět především ve sluchátkách).

Pro aspoň částečnou eliminaci těchto rozdílů a subjektivní zlepšení poslechu se mi osvědčilo signál při nahrávání mírně filtrovat (zdůraznit) grafickým ekvalizérem v dolní a hlavně horní části frekvenčního spektra: nízké frekvence v oblasti 20-60Hz zesílit o cca 3dB, vysoké frekvence v oblasti 6-15kHz zesílit o cca 3-6dB, střední frekvence nechat neovlivněné. Obohatí se tím již při nahrávání ty okrajové části spektra, které během komprese datového toku mohou být nejvíc redukovány.

5. Přednosti a výhody minidisku

Hlavní přednosti minidisků můžeme shrnout do následujících bodů :

1. Poskytuje digitální nahrávky zvuku vysoké kvality analogické jako CD.
2. Malé rozměry, odolnost vůči poškození, ...
3. Rychlý přístup k datům - okamžité vyhledání nahrávek ...
4. Široké možnosti editace - operativní rozdělování, slučování, mazání, přesuny libovolných úseků nahrávek, vkládání a editace textů ...
5. Pohotovost při přehrávání i nahrávání z široké skupiny zdrojů zvuku - vstupy analogové i digitální ...
6. Možnost připojení k počítači ...
7. V režimu Long Play můžeme na jeden minidisk nahrát více než 5 hodin (320min. na MD80).
8. Miniaturní přenosné MD Walkmany snadno umožňují v terénu nejen poslouchat, ale přes mikrofony i nahrávat živě v digitální kvalitě.

Můžeme tedy říci, že minidisk po všech stránkách převyšuje klasické audiokazety, které může na vyšší úrovni nahradit. Obecně je minidisk velmi výhodný všude tam, kde potřebujeme kvalitně a operativně nahrávat z různých zdrojů elektroakustického signálu včetně mikrofonu.

6. Nevýhody minidisku

1. Dosud malé rozšíření minidisků může omezovat kompatibilitu s ostatními fonoamatéry. Pošleme-li třebas poštou svému kolegovi audiokazetu či CD, můžeme si být jisti, že si je úspěšně přehraje. Minidisk má smysl poslat jen tomu, kdo má příslušný přehrávač.
2. Svévolné zablokování opakovaného přehrávání z jednoho minidisku na druhý přes digitální vstup/výstup může být nepříjemným omezením při vážnějších pracech s minidiskovou fonotékou - např. když chceme na jeden minidisk setřídit tématicky podobné skladby překopírováním z několika jiných minidisků; pokud tyto skladby byly digitálně nahrány, lze je takto paradoxně překopírovat jen přes analogový vstup/výstup. Za tuto chybu nemůže výrobce - tomu toto bylo vnuceno mafiánskými praktikami asociací na "ochranu autorských práv", které se i za cenu brzdění technického pokroku snaží zachovat a zmnožit neopodstatněně vysoké zisky showbysnisu.
3. Za drobnou technickou chybu lze považovat obtíže při editaci (mazání a spojování) dvou blízkých míst v nahrávce, kdy se neopodstatněně objeví hlášení "Impossible" a dokončení editačních prací tohoto místa již není možné.

7. Návrhy na zdokonalení MD nahrávačů

Na základě svých zkušeností s používání systému Minidisc bych měl dva skromné návrhy, které by mohly tento systém ještě dále zdokonalit .... :

• Zrušit umělé omezení bránící opakovanému nahrávání přes digitální vstupy. Toto omezení nejen že je v rozporu s technickým pokrokem a je nefér vůči fonoamatérům pracujícím se svými nahrávkami, ale je zcela malicherné a neadekvátní i z hlediska svého (ostatně a priori pochybného) původního cíle. Zdlouhavé "sériové" přehrávání z jednoho minidisku na druhý naprosto neumožňuje komerční zneužití a nelegální kopírování firemních nahrávek. Problém pirátských kopií by šel nepochybně řešit nikoliv na úkor technického pokroku, ale systémově; např. jiným systémem financování autorů a interpretů a jinou cenovou politikou - tak, aby se pirátské kopírování přestalo finančně vyplácet.
• Rozšířit vyrovnávací ("bufferovou") paměť v minidiskových nahrávačích na rozsah cca 700MB (snížení ceny polovodičových pamětí to umožňuje bez výrazného nárustu nákladů a ceny). To by potom otevíralo velmi užitečné nové editační možnosti. Veškeré nahrávání a editace by mohly probíhat souběžně v této pracovní paměti a na vlastní kotouč minidisku by se přehrál až konečný výsledek. Přehrávání z jednoho minidisku na druhý by se dalo provádět v rámci jediného přístroje a to bez převzorkování, včetně popisů, pro každou nahrávku by bylo možno operativně volit stupeň komprece (LP2/4). .......

Já sám nemám žádné možnosti tyto návrhy nějak prosazovat, ale možná někoho z čtenářů, který by tyto možnosti měl, mohou inspirovat...

8. Závěr - chvála minidisků

Na závěr bych se pokusil shora popsanou objektivní technickou analýzu doplnit a zkonfrontovat s vlastními zkušenostmi s použitím minidisků.

Hlavním minidiskovým přístrojem, který používám k nahrávání a editaci, je MDS-JB980 (výrobek SONY), který (spolu s MDS-JA333ES) je nejvyšším modelem stolních minidiskových rekordérů. Má všechny nahrávací, regulační, editační, filtrační a reprodukční funkce jež byly dosud u MD zavedeny a rovněž všechny analogové a digitální vstupy a výstupy, včetně připojení k počítači. Přístroj mám zapojen prostřednictvím analogových a digitálních vstupů a výstupů jako součást větší elektroakustické aparatury ("věže") sestavené z komponentů stejné třídy jako je MDS-JB980. Obsahuje: receiver se zesilovačem zapojeným na 6 reproduktorů včetně subwooferu (systém Dolby Surround Prologic), kazetový magnetofon (se 3 hlavami, 3 motory a s kalibrací předmagnetizace), CD přehrávač a digitální ekvalizér. Práce s tímto přístrojem je velmi elegantní a flexibilní, jsem s ním naprosto spokojen.

Jako další minidiskový přístroj používám MDS-JE470, který má sice menší spektrum funkcí a vstupů a výstupů, avšak kvalita nahrávek je v podstatě identická jako u výše zmíněného typu. Používám jej jako 2.přístroj a při vzájemném přehrávání z jednoho minidisku na druhý. Opět s velmi dobrými zkušenostmi s výjimkou nesmyslného umělého omezení zabraňujícímu opakovanému digitálnímu přepisu.
Dále je to miniaturní bateriový MD walkman MZ-R900 pro použití v terénu. Ten používám sporadicky pouze k nahrávání a reprodukci. Veškerou editaci provádím zásadně na stolních přístrojích které jsou pro tyto úkony nesrovnatelně dokonalejší.

Nakonec jsou to dvě "minivěže" CHC-CL5MD a CMT-M100MD vybavené minidisky. Ty používám pro reprodukci již nahraných minidisků, i když umožňují též nahrávání, ale bez manuální regulace a bez kontroly úrovně nahrávaného signálu. Jelikož tyto mikrosystémy obsahují v kompaktní formě rozhlasový tuner, kazetový magnetofon, CD přehrávač a minidisk, jsou ideálním prostředkem pro běžný poslech nahrávek ze všech běžných typů médií; jejich výhodou je snadná a rychlá obsluha bez nutnosti znát vlastnosti a propojení jednotlivých komponentů.

Pomocí uvedených přístrojů jsem úspěšně nahrál, zeditoval a opatřil texty několik set minidisků. Nahrával jsem z radiopřijímače, z CD, z dalších minidisků a především z audiokazet. Prakticky celou svou fonotéku čítající asi 800 kazet jsem "zdigitalizoval" na minidisky; původní kazety jsem uložil "hluboko do archivu". Přineslo to pronikavé zlepšení přehlednosti, rychlosti přístupu k jednotlivým nahrávkám a jejich částem (bez zdlouhavého převíjení pásků), snadnější manipulaci a naprostou reprodukovatelnost přehrávání (ve srovnání se staršími kazetami, kde nerovnoměrné navinutí pásku mohlo vést ke kolísání, různé magnetofony přehrávaly různé pásky s odlišnou charakteristikou, docházelo k "prokopírování" mezi sousedními závity pásku a podobné nestandardnosti).

Tento článek mohu uzavřít konstatováním své jednoznačně kladné zkušenosti s používáním minidisků. Jejich přednosti rozhodně převažují nad drobnými nedostatky zmíněnými v odstavci 6.

Vojtěch Ullmann

*) Podrobný technický popis systému ATRAC je v originální práci ATRAC: Adaptive Transform Acoustic Coding for MiniDisc