Technologia CD

Odtwarzacze cyfrowe to nowoczesne urządzenia, które wykrzystują technikę komputerową. Płyta CD wraz z odtwarzaczem CD zostały opracowane w laboratoriach firmy Philips już na początku lat 80-tych ubiełego wieku. Przełom lat 80-tych i 90-tych zaowocował bardzo szybkim rozwojem techniki komputerowej, gdzie z powodzeniem zaczęto wykorzystywać płyty CD jako nośnik danych o dużej pojemności. W dzisiejszych czasach trudno wyobrazić sobie komputer, który nie posiadałby na swoim wyposażeniu napędu DVD lub CD.

Najważniejszy element każdego odtwarzacza CD stanowi laser, który służy do odczytu danych, które zawarte są na płycie CD. Samo określenie CD wzięło swoją nazwę od Compact Disc Digital Audio. Płyty CD spotykane najczęściej posiadają średnicę 12 centymetrów, rzadziej spotykane są kompakty o średnicach rzędu 8 centymetrów. Biorąc pod uwagę parametry techniczne, płyty CD przewyższają wielokrotnie płyty winylowe audio i dyskietki komputerowe. Dźwięk, który jest zapisany na płycie jest krystalicznie czysty, nie występują w nim typowe dla płyt winylowych trzaski, natomiast w wypadku płyt CDR oraz CDRW możemy zapisać na nich nawet 500 razy więcej danych niż mieści się na standardowej dyskietce 3,5" o pojemności 1,44MB. Dzięki brakowi mechanicznego styku pomiędzy systemem odtwarzania danych lub dźwięku, zarówno laser jak i płyta nie ulegają zużyciu. O płytach CD można powiedzieć, że posiadają wręcz bezterminową gwarancję. Promień lasera, który zostanie odbity od powierzchni jest odpowiednio modulowany, czyli zmieniany na sygnał elektryczny o dosyć dużej częstotliwości. W następnej kolejności zostaje on zamieniony we wzmacniaczu na sygnał akustyczny, który słyszany jest z głośnika. Podobny proces zachodzi w przypadku odczytywania danych z płyty CD-ROM umieszczonej w napędzie komputera PC. Dane, które zawarte są na płytach CD-ROM lub CD-R i CD-RW zamieniane są analogocznie jak w przypadku płyt audio i dźwięku na program który może być wykonany przez komputer, lub obraz wideo który może zostać na komputerze odtworzony i tak dalej.

Optyczny format cyfrowego zapisu wykorzystywany jest nie tylko do płyt audio, lecz także do danych komputerowych. Płyty CD mają 1,2 mm grubości oraz 12 cm średnicy. Dane cyfrowe zapisane są pod postacią zagłębień - tak zwane pits, oraz fragmentów płaskich - tak zwane lands. Zagłębienia i płaskie fragmenty tworzą na płycie spiralę, która zaczyna się blisko środka płyty, a następnie rozwija się stopniowo ku brzegowi płyty. Skok spirali ma szerokość 1,6 mikrona. Na standardowej płycie CD mieści się 650 MB danych lub 74 minuty muzyki o częstotliwości próbkowania 44100 Hz i rozdzielczości 16 bitów. Dzięki naginaniu specyfikacji wypadkowa pojemność możliwa do zapisu zwiększa się i w większości dzisiejszych płyt CD wynosi 700MB wymiennie z 80 minutami muzyki. Standard CD, który opracowały firmy Philips i Sony wszedł na rynek już na przełomie lat 1982/1983. Pierwotnie płyty CD wykorzystywano jedynie do zapisu audio. Jak już zostało powiedziane do odczytu danych wykorzystuje się laser. Promień laserowy pada na obracający się dysk przez cały czas śledząc spiralę, która utworzona jest z zagłębień. W momencie gdy promień lasera trafia w zagłębienie, światło zostaje automatycznie rozproszone i niewielka jego ilość odbija się w kierunku fototranzystora, który znajduje się w odbiorniku. W momencie kiedy promień lasera natrafi na płaski fragment spiralnej ścieżki, jego światło odbija się w kierunku fotodiody odbiorczej z jedynie minimalną stratą siły sygnału. Odczytywanie danych audio ma miejsce ze stałą prędkością, która jest senchronizowana zegarem odtwarzacza. Z tego powodu pręrkość liniowa w każdej chwili jest stała: CLV - constant licear velocity, natomiast zmienia się prędkość obrotowa. Inaczej sprawa wygląda w wypadku napędów CD - ROM, w których prędkość transmisji jest zmienna i wykorzystywana jest stała prędkośc obrotowa: CAV - constant angular velocity.

Płyty CD - R

Terminem CD - R określamy płytę CD, która posiada możliwość jednokrotnego zapisu CD - Recordable. Nie da się natomiast skasować raz zapisanych dnaych na nośniku CD - R. Większość płyt CD - R jest bezproblemowo odczytywana przez zwykłe odtwarzacze płyt CD oraz przez większość odtwarzaczy DVD. Nagrywarki CD - R Audio mają możliwość nagrywania wyłącznie płyt w formacie Audio. W cenie płyt tego typu wliczone są opłaty dodatkowe, którymi dotuje się organizacje zajmujące się ochroną często łamanych praw autorskich. Różnią się one technicznie od zwykłych płyt przeznaczonych do archiwizowania danych komputerowych jedynie swoim logo, a także specjalnym identyfikatorem, który jest kodowany na płycie w czasie jej produkcji. Płyta CD - R posiada ścieżkę spiralną, która formowana jest już w czasie produkcji. Na ścieżkę tą zapisuje się dane w czasie nagrywania płyty. Spiralna ścieżka posiada identyczną strukturę jak ścieżka znajdująca się na zwykłej płycie CD, skok takiej ścieżki wynosi podobnie jak w zwykłych płytach 1,6 mikrona, natomiast jej szerokość jest równa 0,6 mikrona. Oprocz tego na ścieżkę nałożone jest odchylenie sinusoidalne, które wynosi 0,3 mikrona i jego częstotliwość jest równa 22050 Hz. Częstotliwość odchylenia wykorzystuje się do sterowania prędkością obrotową. Płyta CD - R różni się od zwykłej płyty CD pod względem obszarów danych znajdujących się na nośniku. Posiada ona jednak pewne obszary dodatkowe, które znajdują się w wewnętrznej części płyty. Obszary te nazywają się Program Calibration Area, który znajduje się w najbliższej środka części płyty i jest wykorzystywany do kalibracji lasera, oraz Program Memory Area, który znajduje się bezpośrednio po PCA i jest wykorzystywany do przechowywania numerów poszczególnych utworów i informacji o miejscu ich początku i końca. Każda płyta CD - R składa się z kilku warstw. Licząc od spodu są to: warstwa ochrona, warstwa odbijająca, warstwa przeznaczona do zapisu, czyli barwnik z odpowiednio uformowaną ścieżką, a także substrat. Informacja zapisywana jest na płycie dzięki wypalaniu zagłębień w warstwie zapisu. W momencie nagrywania promień lasera odpowiednio nagrzewa nośnik oraz substrat do temperatury nawet 250 stopni Celsjusza. Podgrzany barwnik szybko się kurczy, natomiast substrat rozszerza się wypełniając sobą powstałą przestrzeń.

Płyty CD-RW

CD - RW oznacza kasowalną płytę CD - ReWritable. Ta odmiana płyt CD pozwala zarówno na wielokrotny zapis, jak i kasowanie informacji już zawartych na nośniku. Biorąc pod uwagę, że współczynnik odbicia płyt CD - RW jest mniejszy nie zawsze są one poprawnie czytane przez stare odtwarzacze CD. Większość nowych odtwarzaczy CD i DVD bez problemu radzi sobie z tymi płytami. Nagrywarki CD - RW Audio wykonują na tych płytach jedynie nagrania typu audio. W cenie płyt tego typu wliczone są opłaty dodatkowe, którymi dotuje się organizacje zajmujące się ochroną często łamanych praw autorskich. Różnią się one technicznie od zwykłych płyt przeznaczonych do archiwizowania danych komputerowych jedynie swoim logo, a także specjalnym identyfikatorem, który jest kodowany na płycie w czasie jej produkcji. Płyta CD - RW posiada ścieżkę spiralną, która formowana jest już w czasie produkcji. Na ścieżkę tą zapisuje się dane w czasie nagrywania płyty. Spiralna ścieżka posiada identyczną strukturę jak ścieżka znajdująca się na zwykłej płycie CD, skok takiej ścieżki wynosi podobnie jak w zwykłych płytach 1,6 mikrona, natomiast jej szerokość jest równa 0,6 mikrona. Oprocz tego na ścieżkę nałożone jest odchylenie sinusoidalne, które wynosi 0,3 mikrona i jego częstotliwość jest równa 22050 Hz. Częstotliwość odchylenia wykorzystuje się do sterowania prędkością obrotową. Płyta CD - RW różni się od zwykłej płyty CD pod względem obszarów danych znajdujących się na nośniku. Posiada ona jednak pewne obszary dodatkowe, które znajdują się w wewnętrznej części płyty. Obszary te nazywają się Program Calibration Area, który znajduje się w najbliższej środka części płyty i jest wykorzystywany do kalibracji lasera, oraz Program Memory Area, który znajduje się bezpośrednio po PCA i jest wykorzystywany do przechowywania numerów poszczególnych utworów i informacji o miejscu ich początku i końca. Każda płyta CD - RW składa się z kilku warstw. Warstwy te to kolejno: warstwa ochronna, warstwa odbijająca oraz warstwa zapisu, która wykonywana jest ze stopu indu, srebra, telluru i antymonu wraz z uformowaną ścieżką, a także substrat. Pierwotna postać warstwy zapisu przyjmuje polikrtaliczną strukturę. W momencie nagrywania promień lasera intensywnie podgrzewa warstwę do temperatury przewyższającej temperaturę topnienia, która wynosi od 500 do 700 stopni Celsjusza. Jak widać w nagrywarkach CD - RW potrzebny jest mocniejszy laser niż w przypadku CD - R. Stopione kryształy stają się stopniowo amorficzne, czyli niekrystaliczne. Stop amorficzny posiada mniejszy współczynnik osbicia światła, co jest równoważne z zagłębieniami na płycie, natomiast stop niestopiony posiada współczynnik odbicia znacznie wyższy, co jest równoważnikiem płaskich części płyt CD. Dane mogą być wymazane na drodze procesu wyżarzenia. Dzięki podgrzaniu stopu powyżej temperatury 200 stopni oraz dzięki utrzymywaniu tej temperatury przez pewien czas, doprowadza się do odtworzenia struktury krystalicznej stopu.

Historia płyt kompaktowych

Wynalazek firmy Philips z roku 1982, aż po dziś dzień owocuje zupełnie nowymi rodzajami nośników służących do zapisywania filmów, danych i dźwięków. W roku 1877 Thomas Alda Edison wynalazł fonograf. Pierwszym nagraniem na woskowym wałku tego urządzenia był krótki wierszyk "Mary had a little lamb", który to wierszyk zyskał wielką popularność po tymwydarzeniu. Ponad sto lat później firma Philips zaskoczyła cały świat nowym rewolucyjnym standardem płyty kompaktowej, za pomocą której można przechowywać i odgrywać dźwięki w niebywałej jakości. Dzięki temu jednemu wynalazkowi zostały pokonane wszelkie uciążliwości, jakie niosły ze sobą popularne w tamtych czasach nośniki dźwięku. Wraz z wprowadzeniem płyt CD problem szumów oraz zakłóceń został ostatecznie wyeliminowany. Od momentu wynalezienia fonografu, na całym świecie trwały intensytne prace mające na celu udoskonalenie wynalazku Edisona. Na początku woskowy wałek został zastąpiony przez płytę gramofonową a następnie przez płytę winylową. Pierwsze płyty gramofonowe pozwalały na zmieszczenie maksymalnie jednego trzyminutowego utworu na pojedynczej płycie. Później po jednej stronie płyty długogrającej udało się zapisać nawet od pięciu do sześciu piosenek. Widać zatem jak ogromny postęp w dziedzinie odtwarzania muzyki wniosły ze sobą płyty kompaktowe.

Sala koncertowa

Płyta CD umożliwiła odtworzenie dźwięku na tyle zbliżonego do rzeczywistego, że właściwie nie sposób znaleźć pomiędzy nimi dwoma jakiekolwiek różnice. Igłę zastąpiono laserem, natomiast płytę winylową srebrnym dyskiem wykonanym z tworzywa sztucznego. Nie da się ukryć, że płyty kompaktowe o średnicy 12 centymetrów wielokrotnie przewyższają swoją wydajnością oraz czystością dźwięku stare 30 - centymetrowe płyty winylowe. Mogą one bez większych kłopotów pomieścić nawet 80 minut muzyki, przy czym drobne zarysowania w ogóle nie wpływają na jakość odtwarzanego dźwięku. Wskutek braku kontaktu mechanicznego z laserem, rowki z danymi w ogóle się nie zużywają. Niezależnie od częstotliwości odtwarzania płyta CD może zachować swoją początkową jakość nawet przez kilkadziesiąt lat.

Technologia cyfrowa

Zapis na płycie CD może być realizowany w technologii cyfrowej, jest on więc kombinacją zer i jedynek. Dzięki układowi połączeń elektronicznych, który jest na wyposażeniu każdego odtwarzacza CD, każde drobne błędy które zakradną się do płyt kompaktowych są automatycznie korygowane. Odpowiednie filtry i przetworniki ciągle dbają o to, by dźwięk odtwarzany był możliwie jak najbardziej zgodny z naturalnym. Wszystko to jeszcze niedawno było nieosiągalne w wypadku stosowania jedynie urządzeń analogowych, które dominowały w elektronice jeszcze kilkadziesiąt lat temu. Znamiennym jest fakt, że zaraz po wprowadzeniu na rynek nowum, jakie stanowiły płyty kompaktowe, pojawiły się głosu jakoby z płyt CD płyną mniej ciepłe i przyjemne dla ucha dźwięki. W miarę przyzwyczajenia się do nowego standardu krytyka szybko ustała a możliwości techniki cyfrowej pokazały jak krystalicznie czysty dźwięk można uzyskać. Płyt ykompaktowe są w obecnym czasie standardem jeśli chodzi o zapis dźwięku.

Obraz

Dla wielu milionów osób płyta CD była pierwszym zetknięciem z technologią cyfrowego zapisu informacji, chociaż nie była ona pierwszym produktem tego typu wprowadzonym na tynek przez firmę Philips. Płyta kompaktowa, traktowana jako nośnik dźwięku stanowiła ewolucję płyty video, która była dyskiem o średnicy 30 centymetrów i której używano do zapisu filmów fabularnych. Płyta typu Very Long Play, czyli VLP stanowiła pierwszy opracowany przez firmę Philips produkt technologii optycznych nośników informacji, nie odniosła ona jednak w tamtych latach chociażby w ułamku procenta takiego sukcesu jak 10 lat później uczyniły to płyty DVD.

Współpraca w tworzeniu standardu

Chociaż firma Philips jest oficjalnym wynalazcą standardu CD, nie jest jedyną firmą, która poparła tą technologię i wprowadziła ją na rynek. Tak przy opracowaniu poszczególnych produktów, jak i w miarę ustalania konkretnych standardów, Philips owocnie współpracował z firmą Sony. Współpraca tych dwóch firm była w mniejszym stopniu podyktowana trudnościami technicznymi, chodziło głównie o przekonanie, że taki rewolucyjny system ma szansę na odniesienie sukcesu jedynie wtedy, jeżeli będzie wspieranu przez odpowiednio duże grono znanych producentów. Przewidywania analityków w pełni się sprawdziły. Nowa technologia została już w trakcie pierwszej prezentacji je możliwości szeroko poparta przez wielu producentów sprzętu grającego oraz przez szeroko rozumiany przemysł muzyczny, którego opinia była kluczowa dla końcowego sukcesu nowej technolowii. Ostatecznie ocenę jakości dźwięku mieli jednak ocenić sami kondumenci, którzy musieli zdecydować się, czy rezygnować z popularnych odtwarzaczy kasetowych na rzecz, dosyć drogich w ówczesnych czasach, odtwarzaczy CD. Nie biorąc pod uwagę ceny, większość klientów bardzo szybko zauważyła walory zupełnie nowej jakości dźwięku oferowanej przez płyty kompaktowe. Niespełna pół roku po tym jak wprowadzono na rynek nową technologię, sprzedano już dziesiątni tysięcy odtwarzaczy płyt CD oraz setki tysięcy tychże płyt.

Uniwersalny standard

Na początku lat 80-tych kilka firm próbowało jeszcze wylansować własne, alternatywne wobec płyt CD rozwiązania. Okres ten nie trwał jednak długo i obecnie nie pamięta się nawet z jakimi propozycjami poszczególne firmy wychodziły. Płyta kompaktowa została przyjęta przez cały przemysł jako standard światowy z dziedziny zapisu audio i pozycję tę zajmuje po dziś dzień. Po wprowadzneiu tego uniwersalnego standardu, zaczęto myśleć nad kolejnymi przeznaczonymi do innych zastosowań. Płyta kompaktowa okazała się być idealnym wręcz nośnikiem dla danych komputerowych. Płyta CD - ROM, czyli Compact Disc - Read Only Memory, stała się tak popularnym nośnikiem danych w rynku komputerowego jak płyta CD Audio w przypadku rynku muzycznego. Obecnie każdy komputer do właściwego i eleastycznego działania wymaga obecności napędu CD lub DVD. Popularność płyt CD wzrosła jeszcze bardziej w momencie, gdy na rynku pojawiły się takie nagrywarki CD, za pomocą których użytkownicy komputera mają możliwość samodzielnej archiwizacji danych na płytach CD - R. Niedługo po wprowadzeniu CD - R powstały płyty CD - RW, czyli takie płyty które umożliwiają wielokrotny zapis i kasowanie zawartości płyty. Użycie najnowszych głowic laserowych umożlwia nawet tysiąckrotne zapisywanie płyt CD - RW bez żadnych błędów. Ogromny sukces płyt kompaktowych jest zasługą uzgodnieniom powstałym pomiędzy największymi producentami na światowym rynku elektronicznym. Standardy opisywanych tutaj płyt CD zawarte są w księgach: niebieskiej, zielonej oraz pomarańczowej, które nazwane zostały na podstawie koloru ich oprawy. Dzięki tym unormowaniom każdy producent ma pewność, że kupione przez niego płyty CD będą mogły być odtwarzane w każdym odtwarzaczy płyt CD na świecie, nie ważne jakiego byłby on producenta. Podobnie wygląda sprawa płyt kompaktowych wypalanych przez użytkownika komputera, ma on pewność, że będą one odtwarzane we wszystkich nowych odtwarzaczach CD dostępnych na rynku.

Technologia DVD

Płyty DVD wzięły swoją nazwę od angielskiego sformułowania Digital Video Disc lub Digital Versatile Disc. Pod koniec roku 1995, po wzajemnym porozumieniu ze sobą związanych z branżą firm, powstał format DVD. Szybki wzrost popularności odtwarzaczom DVD zagwarantowała wsteczna kompatybilność ze standardem CD. Nawet sposób zapisu krążków DVD jest niemal identyczny jak w przypadku płyt CD. Płyta DVD charakteryzuje się jednak znacznie większą pojemnością, a odczyt danych następuje wielokrotnie szybciej. Stanowią one najpopularniejszą obecnie formę pamięci optycznych. Ich zaletami w porównaniu do tradycyjnych płyt CD są większa szybkość zapisu i odczytu informacji oraz ośmiokrotnie większa pojemność pojedynczej płyty przy zachowaniu tych samych rozmiarów. Dzięki swojej pojemności mogą one pomieścić zarówno pełnometrażowe filmy video najwyższej jakości, dane komputerowe, jak i dźwięki o jakości, choć trudno w to uwierzyć, znacznie lepszej w porównaniu do CD. DVD łączą więc zalety kina domowego i komputera, co sprawia że wypierają one w chwili obecnej tradycyjne płyty CD, laserdyski, kasety video oraz gry komputerowe rozpowszechniane na innych nośnikach. Technologia DVD uznawana jest przez największe firmy elektroniczne i informatyczne, a także przez branżę filmową i muzyczną. Dzięki takiemu wsparciu ze strony wielkich korporacji, w ciągu kilku lat DVD stało się w zasadzie standardowym wyposażeniem każdego komputera oraz integralną częścią zestawów kina domowego.

Dane zapisywane są na płytach DVD w sposób identyczny, jak w przypadku płyt CD, mianowicie stanowią one jedną spiralną ścieżkę. Informacja zapisywana jest w postaci małych zagłębień znajdujących się w lustrzanej powierzchni płyty, zagłębienie nazywane są z języka angielskiego pits. Jeśli w trakcie odczytu danych promień lasera natrafi na obszar znajdujący się między zagłębieniami, które nazywane są z angielskiego land, to ulega on odbiciu i nie wraca do detektora. Jeśli promień natrafi na pit, następuje jego odbicie, dzięki czemu trafia on do do fototranzystora, który stanowi odbiornik sygnału. Poszczególne obszary identyfikowane są w postaci logicznych 0 i 1. Różnicą w sposobie zapisu danych pomiędzy płytami DVD, a CD jest gęstość danych umieszczonych na płycie. Jak wiemy, gęstość ta jest na tyle większa od klasycznej płyty CD, że jedna ze stron jednowarstwowego dysku DVD potrafi pomieścić aż osiem razy więcej informacji. Aby technologia była możliwa do zrealizowania przy takich samych rozmiarach płyty co CD, naukowcy opracowali technikę odczytu laserowego operującego na mniejszej długości fali. Standardowe lasery w napędach CD pracują w podczerwieni i długość ich fali wynosi 780 nm, natomiast lasery stosowane w napędach DVD pracują w pełnej czerwieni i długość fali ich światła wynosi 640 nm.

Jeżeli spojrzymy pierwszy raz na płytę DVD, zobaczymy identycznych wymiarów krążek, co w przypadku najzwyklejszej płyty CD. Jak to możliwe, że na DVD można zapisać aż 17GB danych? Ze względu na swoją pojemność płyty DVD można podzielić na następujące rodzaje:

  • jednostronne zapisywane jednowarstwowe płyty, każda o pojemności 4,7 GB,
  • jednostronnie zapisywane dwuwarstwowe płyty, każda o pojemności 8,5 GB (rozpoznać ją można po dwóch numerach seryjnych, które umieszczone są na jednej ze stron płyty),
  • dwustronnie zapisywane jednowarstwowe płyty, każda o pojemności 9,4GB,
  • dwustronnie zapisywane dwuwarstwowe płyty, każda o pojemności 17GB.

DVD-ROM

Powinniśmy dostrzegać istotną różnicę pomiędzy fizycznymi formatami płyt DVD jak DVD-ROM oraz DVD-R, a rodzajami zastosowań właściwie każdej z tych płyt, czyli na przykład DVD - Audio i DVD - Video. DVD-ROM stanowi format podstawowy płyty DVD i jest przeznaczony do przechowywania różnego rodzaju danych. DVD-Video jest formatem zapisu filmów video na płycie, oraz zbiorem odpowiednich norm odgrywania filmów przez zestawy kina domowego lub zwykły komputer wyposażone w napęd DVD. Różnica pomiędzy tymi zastosowaniami płyt DVD przypomina bardzo różnicą pomiędzy płytami CD-ROM i CD-Audio. Innymi formatami fizycznego zapisu dysku DVD są DVD-R, DVD+R, DVD-RW, DVD-RAM.

DVD-R

DVD-R oraz DVD+R stanowią format zapisu jednorazowego, którego możemy dokonać we własnym domu posiadając nagrywarkę DVD. Większość napędów sprzedawanych obecnie stanowią właśnie nagrywarki DVD, sprzedawane jako podzespoły komputerów. Za ich popularnością przemawia niska cena zarówno napędów, jak i nośników. Nagrywarki są naturalnie kompatybilne z innymi standardami i potrafią bez problemu odczytywać płyty DVD i CD, a także nagrywac płyty CD-R oraz CD-RW. Fakt, że spotykamy dwa rodzaje płyt DVD R nie powinien nas niepokoić, większość współczesnych napędów odtwarza bowiem bez żadnych problemów oba formaty, posiadają one również takie same pojemności.

DVD-RW

DVD-RW jest formatem oferującym nam możliwość zapisu wielokrotnego oraz pojemność 4,7 GB na jedną warstwę płyty. Dużą zaletą tego typu płyt jest fakt, że jest odczytywana przez większość komputerowych napędów DVD oraz zestawów kina domowego. Nagrywarki wyposażone w opcję nagrywania DVD-RW umożliwiają również nagrywanie wcześniej opisywanych standardów. Rozmiar 4,7 GB świetnie nadaje się przykładowo do wymiany filmami z wakacji ze znajomymi, a po skopiowaniu danych płytę możemy wyczyścić i będzie ona gotowa do następnego nagrania.