طورت تقنية الأقراص الليزرية شركتا فيليبس وسوني عام 1981 كوسط لتسجيلات موسيقا الستريو , فقد كانت الاسطوانات القديمة مصنوعة من مادة معرضة للتلف بسهولة وكانت تعاني من مشكلة تداخل الكلام, حيث يمكن أن نسمع المقاطع الموسيقية ذات الصوت المرتفع من خلال المقاطع الموسيقية ذات الصوت المنخفض المجاورة لها, حلت تقنية الأقراص الليزرية جميع هذه المشاكل بالإضافة الى أنها قدمت العديد من المزايا الأخرى حيث أنها تستخدم الصوت الرقمي الذي يمتاز بأنه أكثر دقة من الصوت التماثلي في عملية توليد الصوت ,فرأس القراءة الليزري لايلامس القرص أبداَ مما يقلل من احتمالات الاهتراؤ و التلف كما أن ظاهرة التداخل في الكلام لاتحدث أبدا في الصوت الرقمي لأن البيانات الصوتية مخزنة على شكل عينات رقمية مخزنة كسلسلة من البتات على مسار حلزوني يبدأ من مركز القرص و يمتد نحو حافته الخارجية.

1. 1
الجمهورية العربية السورية
المعهد العالي للعلوم التطبيقية
السنة الثالثة- قسم الاتصالات
حلقة بحث
STORING AUDIO ON LASER DISCs
تخزين الصوتيات على الأقراص الليزرية
تقديم : محمد الشريف
إشراف : د.أيمن السواح
2013

2. 2
تعريف بالأمواج الصوتية:
الامواج الصوتية هي أمواج ميكانيكية وليست كهرمغنا طيسية لا تنتقل بالفراغ و تتولد من اهتزاز في وسط مادي يتراوح ترددها ما بين 20Hz
و 20KHz ، اذا تجاوزت 20KHz نسميها بالامواج فوق الصوتية "سونار" والتي تقل عن 20Hz تسمى بالامواج تحت الصوتية.
سرعة الصوت بالهواء هي 343 m/sec بدرجة حرارة 20C تكون سرعة الصوت بالاجسام الصلبة أكبر مماهي عليه في السوائل كما تكون سرعة
الصوت بالسوائل أكبر مما هي عليه في الغازات. ترتبط سرعة الصوت بدرجة الحرارة حيث تزداد بمقدار 0.6 m/sec لكل درجة واحدة أكبر. تميز
الأذن البشرية بين صوتين متتاليين اذا كان الزمن الفاصل بينهما أكبر من 0.1 sec و الا يحدث التداخل بين الصوتين.
طرق تسجيل الصوت:
توجد طرق عديدة لتسجيل اشارة الصوت من أهمها
 التسجيل الميكانيكي: تستخدم هذه الطريقة في أجهزة الغرامفون ظهرت هذه الطريقة في مطلع القرن العشرين وتمتاز بسهولة الحصول
على عدة نسخ للقرص المسجل و تؤمن نوعية جيدة لتسجيل الصوت واستعادته و لكنها لا تسمح بإجراء عملية "محو" للتسجيل .
 التسجيل المغناطيسي : تستخدم في أشرطة الكاسيت التي انتشرت بشكل كبير في السبعينات من القرن العشرين و تتم باستخدام رأس
مغناطيسي خاص يعطي حقلا مغناطيسيا متناسبا مع اشارة الصوت و تستعاد الاشارة المسجلة برأس مغناطيسي مناظر يعطي جهد
متناسب مع درجة تمغنط النقاط المختلفة للشريط, تمتاز هده الطريقة بإمكانية استعادة الاشارة المسجلة فورا و امكانية محو التسجيل عن
طريق ازالة التمغنط بحيث يمكن استخدام الشريط لتسجيلات جديدة .
 التسجيل الضوئي : تستخدم في الأقراص الليزرية المستخدمة حاليا و هي ما يهمنا في هذا البحث .
الأقراص الليزرية :
طورت تقنية الأقراص الليزرية شركتا فيليبس وسوني عام 1981 كوسط لتسجيلات موسيقا الستريو , فقد كانت الاسطوانات القديمة مصنوعة من
مادة معرضة للتلف بسهولة وكانت تعاني من مشكلة تداخل الكلام, حيث يمكن أن نسمع المقاطع الموسيقية ذات الصوت المرتفع من خلال المقاطع
الموسيقية ذات الصوت المنخفض المجاورة لها, حلت تقنية الأقراص الليزرية جميع هذه المشاكل بالإضافة الى أنها قدمت العديد من المزايا الأخرى
حيث أنها تستخدم الصوت الرقمي الذي يمتاز بأنه أكثر دقة من الصوت التماثلي في عملية توليد الصوت ,فرأس القراءة الليزري لايلامس القرص
أبدا مما يقلل من احتمالات الاهتراؤ و التلف كما أن ظاهرة التداخل في الكلام لاتحدث أبدا في الصوت الرقمي لأن البيانات الصوتية مخزنة على
شكل عينات رقمية مخزنة كسلسلة من البتات على مسار حلزوني يبدأ من مركز القرص و يمتد نحو حافته الخارجية .

3. 3
تكنولوجيا الليزر:
تعتمد الأقراص الليزرية على تكنولوجيا الليزر في كتابة وقراء المعطيات, ان كلمة الليزر ترمز الى العبارة" Light Amplification Simulated Emission of Radiation " وتعني تضخيم الضوء بواسطة إثارة موجاته الإشعاعية, جهاز الليزر عبارة عن مصدر للضوء،
يعمل على تجميع الإشعاعات الضوئية، التي تتولد داخل الجهاز، وتركيزها، وتقويتها، على شكل حزمة ضوئية رفيعة جدا في اتجاه واحد مركز،
وهي أشعة كهرومغناطيسية متجانسة ومتماسكة، وتستطيع قطع مسافات لا نهائية في خط مستقيم. وتتميز بأنها تزداد شدتها، ويقوي بعضها بعضا عند
الانطلاق . يسمح ذلك بأن يركز شعاع الضوء السابق الى بقعة صغيرة جدا أبعادها من أبعاد طول الموجة الفعلي للضوء نفسه، إن ظهور مولدات
الليزر وبالأخص emitting diodes lasers منخفضة الكلفة سمح لتكنولوجيا القرص المضغوط بأن تصبح واحدة من أكثر التقنيات الإلكترونية
استهلاك ا.ً
بنية القرص الليزري:
القرص الليزري عبارة عن ساندويتش كما هو في المخطط سمكها 1.2 mm و قطرها 12 cm يتكون معظمها من مادة بلاستيكية من البولي
كاربونيت وهي التي تعطي القرص لونه الفضي المميز هده المادة محقونة ومضغوطة بصدامات ميكروسكوبية مرتبة بشكل مسار)او اكثر( من
البيانات مستمر لولبي الشكل ثم يرش بطبقة رقيقة عاكسة من الألمنيوم بسمك 1.25 نانومتر ثم توضع مادة الورنيش للعزل والحماية حيث تطبع
لافتة القرص
يبدأ المسار الحلزوني من مركز القرص و يستمر حتى الحافة الخارجية للقرص,ان ابعاد المسار صغيرة جدا حيث يبلغ طوله حوالي 5Km ,
وعرضه 0.5 ميكرون و المسافة بين مسارين متجاورين 1.6 ميكرون تتناوب على المسار تجاويف صغيرة جدا بحيث يبلغ عمق التجويف 0.11
ميكرون تمثل .

4. 4
تخطيط القرص الليزري:
يبلغ قطر ال CD 12cm أما قطر الثقب المركزي فهو 1.5cm تخزن البيانات الصوتية بدءا من نصف قطر 2.5cm حتى نصف قطر 5.8cm
وتقسم المساحة الحلقية للقرص الى ثلاث مناطق رئيسية هي :
 منطقة الـ Lead-in : لا تحوي هذه المنطقة على معطيات audio لكن تحوي معلومات أخرى متعلقة بهذه المعطيات ,تستخدم تلك
المعلومات لتسمح لرأس الليزر المتحرك بتتبع المسارات و التزامن مع المعطيات الصوتية قبل بداية الصوت.
 منطقة الـ program area : يمكن أن تحوي 74 دقيقة من المعطيات الصوتية من الممكن أن تقسم ألى 99 مسار بشكل أعظمي تستخدم
لتفصل الأغاني على القرص, كل مسار طوله على الأقل 4 ثانية, هناك أيضا فترة توقف silence 2 ثانية تحشر بين المسارات, اذن
الصوت يمكن أن يقسم فيزيائيا الى مسارات بفترات توقف بينها أو تشغيل متواصل على مسار واحد او أكثر.
 منطقة الـ Lead-out : تحتوي معطيات التوقف النهائي .
ان تخطيط القرص من أجل جميع الـ CDs هو نفسه سواء كانت المعطيات صوتية أو غير صوتية بالرغم من أن المعطيات نفسها سوف تختلف .
الفهارس وجدول المحتويات:
إن أيا من المسارات ينبغي أن يوصل اليه بسرعة كما انه يتم تشغيل هذه المسارات بشكل عشوائي وبالتالي كل مسار يجب أن يضم Code يسمى
ISRC لتصنيف هذا المسار, المسارات المستقلة تقسم الى فهارس عادة, المسار يضم فهرسين 0 أو 1 ,الفهرس 0 يحدد فترة التوقف في بداية كل
مسار عادة 2 ثانية بينما الفهرس 1 فهو من أجل الجزء الرئيسي من المسار, توجد قيم فهرس أضافية حتى 99 بمجملها. عندما تكون ال 99 مسار
غير كافية يمكن أن نستخدم قرص مضغوط يحوي قصاصات صوتية audio clips قصيرة بحيث يمكن أن يشتمل أكثر من 99 مسار وذلك بتقسيم
بعض المسارات الى قيم فهارس مختلفة.
جدول المحتويات (Table Of Contents)TOC يضم أزمنة كاملة من أجل بداية كل مسار و يستخدم هذا الجدول من قبل مشغلات الـ CD
للوصول إلى كل مسار ، هذا الاستخدام يسمح بوصول عشوائي إلى المسارات, يضم جدول المحتويات شيفرة زمنية > timecode < لكل مسار،
بالإضافة إلى أن هذه الشيفرة تخزن ثلاثة أزمنة لكل مسار )دقائق ،ثوانٍ ،أجزاء( تحدد زمن البدء لكل مسار فهي تعرف نوع المسار .آخر شيفرة
زمنية ) AA كقيمة ست عشرية ( موجودة ضمن جدول المحتويات تعطي بداية منطقة الـ Lead-out .يجب أن تكون منطقة الـ Lead-in طويلة
كفاية حتى تخزن جدول محتويات من أجل 99 مسار .

5. 5
مشغل الأقراص الليزرية:
يقوم جهاز مشغل الأقراص الليزرية بالبحث عن المعلومات المخزنة على شكل بتات على المسارات اللولبية وقراءتها و هذا يتطلب دقة عالية،
ويستخدم ديود مولد لليزر ينتج ضوء بطول موجة 780 نانومتر يستخدم الأشعة تحت الحمراء من أجل قراءة المعطيات المحتواة في المسارات،
ويمكن تقسيم مشغل الاقراص الليزرية الى ثلاثة أقسام رئيسية:
 الموتور: يقوم بتدوير القرص الليزري والتحكم بسرعته التي تتراوح من 200 الى 500 دورة في الدقيقة.
 الليزر: وهو الأداة المستخدمة لقراءة البيانات من القرص .قابل للتحرك باستقامة من مركز القرص الى حافته الخارجية بسرعة ثابتة
 الباحث: وهو الذي يقوم بتوجيه شعاع الليزر على المسارات المخصصة للبيانات بدقة فائقة.
وتجدر الاشارة الى أن مشغل الأقراص يحتوي على قطع الكترونية تحول البيانات المخزنة رقميا Digital الى اشارة تماثلية Analogue عند
استخدامه لسماع الموسيقى .

6. 6
توليد الصوت من القرص الليزري:
ان دراسة اقراص الصوت الليزرية ليس بالامر البسيط , فهي تتعلق بعدة تقنيات ومفاهيم وأدوات فهي نتيجة تكامل علم الضوء )الليزر( مع علم
هندسة المواد )بنية القرص الليزري( مع الالكترونيات)أنصاف للنواقل و الفوتوديود وغيرها( مع الدارات الرقمية )التشفير وفك التشفير( مع علم
الاشارات )التقطيع ( ويوضح المخطط هذا الترابط :
تستخدم أقراص الـ Audio الصوت الرقمي المبني على معدل مسح العينات )او معدل التقطيع( بتردد 44.1 KHz وهذا يؤمن استجابة ترددية
مناسبة للأصوات التي يصل تردد الخطوة فيها حتى 20 KHz تحتوي كل عينة 16 بت من البيانات التي تؤمن 65536 مستوى مطالي مختلف
للصوت,وهذا العدد يؤمن مجالا ديناميكيا واسعا للمقاطع الموسيقية الصاخبة و الهادئة,للحصول على صوت ستريو يتم تسجيل نفس الصوت في
مسارين )قناتين( متجاورين.
ان عدد العينات الأعظمي هو 44100 عينة اذا ضربنا عدد العينات بعدد القنوات وهو اثنتين سنحصل على معدل نقل البيانات:
عينة بالثانية 44100x2=88200
كل عين تتألف من 16 بت أي 2 بايت فتكون سرعة النقل: 44100x2x2=176400 Bytes/sec = 176.4 Kbytes/sec
وتنقل سواقة الأقراص الليزرية البيانات بهذا المعدل, ان جزء من تيار البيانات يستخدم للمعلومات المتعلقة بتصحيح الأخطاء ممايؤدي الى انخفاض
معدل نقل البانات الفعال للسواقة الى 150 كيلوبايت بالثانية.
إذا حدث خطأ في أحد بتات المعلومات من مسار القرص الليزري الصوتي فإن التأثير السمعي قد لايكون ملحوظا على جودة الصوت.

7. 7
يمكن تخزين حتى 74 دقيقة من الصوت على قرص CD وهذا مايعادل: 74minute x 60sec x 150 Kbytes/sec = 666 Mbytes يمثل الرقم الناتج السعة التخزينية النظامية الفعلية للقرص الليزري الصوتي
تخزن البيانات مسار حلزوني واحد مؤلف من قناتين كما أسلفنا, وهذا يعني أن رأس القراءة يقرأ كمية أكبر من البيانات في دورة واحدة عندما يكون
عند الحافة الخارجية من القرص بالمقارنة مع البيانات التي يقرؤها عندما يكون أقرب الى مركز القرص,حتى تتم قراءة الصوت بشكل صحيح يجب
ان يكون معدل نقل البيانات ثابتا وبالتالي تتطلب الأقراص الليزرية الصوتية تدفقا ثابتا ومنتظما للبيانات ممايعني أن القرص يجب أن يدور بشكل
أسرع عندما يكون رأس القراءة قريبا من مركز القرص,وهذا ما يسمى بالتصميم ذو السرعة الخطية الثابتة CLV ,بينما يدور القرص الصلب
النموذجي بسرعة ثابتة فنقول ان تصميمه ذو سرعة زاوية ثابتة CAV . تعتبر سرعة 150 KBps كافية لنقل البيانات الصوتية من الأقراص
الليزرية,بينما تكون هذه السرعة بطيئة من أجل التطبيقات والعاب الملتميديا
ما ذا يحدث عندما نضع القرص الليزري في مشغل الأقراص ؟
ان الوظيفة الأساسية لمشغل الأقراص الليزرية هي تركيز أشعة الليزر على المسارات
التي تتناوب فيها التجاويف pits على الارضية land ,) الأرضية عبارة عن منطقة
ملساء خالية من التجاويف(, حيث تنفذ أشعة الليزري من الطبقة البلاستيكية لتسقط على
طبقة الالومنيوم العاكس يرتد الضوء المنعكس من خلال موشور prism وينعكس على
حساس ضوئي يتغير توتر خرجه اعتمادا على شدة الضوء التي يتلقاها,لاتمثل التجاويف
و الأرضية بشكل مباشر الأصفار والواحدات بل إن الانتقالات بين التجاويف والأرضية
هي التي التي تمثل البيانات,فعند تسليط الضوء على التجويف فإنه يتناثر بشكل أكبر من
تناثره عند تسليطه على الأرضية ,لأن التجويف ابعد عن مصدر الضوء من الأرضية,ان
هذا التناثر يجعل الشدة الضوئية المنعكسة عن التجويف أصغر مما هي عليه عند
انعكاسها عن الارضية,ويستطيع رأس القراءة بهذه الطريقة تحسس الانتقالات بين
التجاويف و الأرضية في المسار, فيكون الشعاع المنعكس عبارة نبضات متقطعة هي
بمثابة 0 او 1 هذه النبضات يقرؤها فوتوديود يحول النبضة الضوئية الى تيار كهربائي
تقوم أجهزة الكترونية في مشغل الأقراص بتفسير هذه التيارات الكهربائية الناتجة و
يمكنها بالتالي اعادة توليد الصوت او البيانات.
.

8. 8
يعطي مشغل الأقراص الليزرية على خرجه اشارة مربعة "رقمية" يتم تحويلها بواسطة محول DAC الى اشارة تماثلية ثم يتم تضخيم الاشارة
التماثلية الناتجة ليعطي المضخم على خرجه اشارة صوتية مسموعة و يلخص الشكل التالي كامل العملية:
ان عملية الكشف عن التجاويف تتم عبر ارسال ثلاث حزم من الليزر حزمة أساسية على جانبيها حزمتان للتتبع يتم توليدهما عن طريق مطياف
ضوئي
يتم التأكد من وجود التجويف عندما تنعكس جميع هذه الحزم عن تجاويف ويكون عندها للجهد الناتج تناظر معين يمكن من خلال التحقق من هذا
التناظر تتبع التجاويف وكشفها وهذا ما يوضحه الشكل التالي:

9. 9
تسجيل الصوت على الأقراص الليزرية:
يوجد ثلاث أنواع أساسية من الأقراص الليزرية
 القرص القابل للقراءة فقط read only disc
 القرص القابل للقراءة والكتابة writable disc
 القرص القابل للمحي re-writable disc
و تختلف من ناحية البنية والمواد,الأقراص القابلة للقراءة فقط جيدة عندما نكون بحاجة الى عدد كبير من النسخ لنفس القرص حيث يتم نسخ الأقراص
عن طريق قالب ثابت يوضع في جهاز ناسخ للأقراص.
يطلق على عملية تسجيل الصوت على القرص الليزري اسم "الحرق" Burning تتم هذه العملية باستخدام السواقة الحارقة للأقراص "حارق
الاقراص",يجب أن تسجل البيانات الصوتية على القرص بشكل رقمي, ويجب أن
يكون القرص الناتج " مطرزا"بسلسلة من التجاويف pits والأرضية lands
تستخدم السواقة الحارقة للأقراص حزمة ليزرية مشابهة للحزمة المستخدمة في
قارئة الأقراص لكن ليزر الكتابة يتمتع باستطاعة أعلى من ليزر القراءة بحوالي
40 mW ,يتفاعل ليزر الكتابة مع الطبقة العاكسة للقرص ويغير ملامح
سطحها,يتم تسليط وتركيز الليزر على بقعة معينة من السطح المعدني العاكس
للقرص فيصبح لونها غامق وكأن الليزر قد قام بحرق هذه البقعة,ان عملية
"تغميق" لون البقعة هذه يجعلها أكثر امتصاصا للضوء, فتصبح غير عاكسة
للضوء بشكل كبير,وتتحرك حزمة الليزر بشكل مستمر من مركز القرص وحتى
حافته الخارجية من جهة ومن جهة أخرى يقوم محرك دوران في السواقة بتدوير
القرص الليزري بسرعات مختلفة,في نهاية العملية تكون الطبقة المعدنية العاكسة
عبارة عن سلسلة تتناوب فيها البقع العاكسة "الارضية" مع البقع غير العاكسة تتم
قراءتها من مشغل الاقراص على شكل اصفار و واحدات.
ان هذه الطريقة ليست مقتصرة على الب يانات الصوتية فقط بل هي مستخدمة من أجل كتابة مختلف البيانات على القرص الليزري.
يتم تحديد سرعة الكتاية على الأقراص الليزرية عن طريق اجراء معايرة بين سرعة دوران القرص و سرعة حركة حزمة الليزر,يوجد عدة سرعات
متفق عليها عالميا للمتابة على الأقراص الليزرية منها السرعة :
 1X : تكون سرعة الكتابة مساوية لسرعة القراءة,وهذا يستغرق 60 دقيقة لكتابة 60 دقيقة من البيانات الصوتية.
 2X : نصف سرعة القراءة, 30 دقيقة لكتابة 30 دقيقة من البيانات الصوتية
الا أن السرعات الأكثر استخداما في الكتابة هي 16X,24X,32X,56X ,إنه من الأفضل تجنب السرعات العالية لأنه عند استخدام سرعات عالية
في الكتابة بعض البيانات لن يتم تخزينها بشكل صحيح وقد لا تخزن ابدا .
إن أفضل سرعة لكتابة البيانات الصوتية هي 16X و 24X .

10. 11
القرص القابل للمحي writable disc-Re :
تستخدم ا لأقراص القابلة للمحي "او القابلة لإعادة الكتابة" طبقة إضافية من مادة عاكسة هي خليط من الفضة و التيليريوم و الانديوم توضع فوق طبقة
الألومنيوم,تتمتع هذه المادة بلدونة عالية فعند تعرضها لحرارة عالية
قريبة من حرارة الانصهار ) 600 درجة سيليزيوس( تعود هذه المادة
للتبلور من جديد عند درجة حرارة 200 درجة سيليزيوس.
فحين تسلط حزمة الليزر على بقعة محروقة من طبقة الالمنيوم العاكسة
فإنه يسخنها و يسخن الطبقة الخليطة التي فوقها ويستمر الليزر برفع
درجة حرارة البقعة حتى الانصهار حيث تختلط ذرات الالمنيوم مع
ذرات المادة الخليطة العاكسة و بعد ذهاب الليزر تبرد البقعة فتعود
المادة الخليطة للتبلور من جديد في مكانها الجديد لتشكل بقعة عاكسة
تحل محل البقعة المحروقة,وبعد إجراء هذه العملية على عدد معين من
البقع الأخرى نكون قد قمنا فعليا بعملية حذف للبيانات إذ أن البقع
المحروقة تمثل أصفارا أو واحدات و بإزالة هذه البقع نكون قد حذفنا
هذه الأصفار أو الواحدات,وهكذا نحصل على قرص فارغ يمكن الكتابة
عليه مرة أخرى.
ان ليزر المحي له استطاعة أخفض من استطاعة ليزر الكتابة و أعلى من استطاعة ليزر القراءة.و إلا فأن عملية الكتابة على القرص القابل لأعادة
الكتابة لن تتم.
MHSH2025@Gmail.Com