Płyta kompaktowa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
To jest stara wersja tej strony, edytowana przez Paweł Ziemian BOT (dyskusja | edycje) o 06:08, 15 sty 2018. Może się ona znacząco różnić od aktualnej wersji.
Logo CD
Spód płyty kompaktowej

Płyta kompaktowa (ang. Compact Disc, CD-ROMCompact Disc – Read Only Memory), rzadziej fonodysk[1]poliwęglanowy krążek z zakodowaną cyfrowo informacją do bezkontaktowego odczytu światłem lasera optycznego. Zaprojektowany w celu nagrywania i przechowywania dźwięku, przy użyciu kodowania PCM, który dzisiaj jest tylko jednym ze standardów cyfrowego zapisu dźwięku, czyli CD-Audio. Dzięki dużej jak na swoje czasy pojemności, niezawodności i niskiej cenie, dysk kompaktowy stał się popularnym medium do zapisywania danych.

Standardowa płyta CD ma średnicę 120 mm i jest w stanie pomieścić 650 MB danych lub 74 minuty dźwięku.

Płyta kompaktowa została opracowana wspólnie przez koncerny Philips i Sony pod koniec lat 70., a jej premiera odbyła się w fabryce w Langenhagen własności PolyGram 17 sierpnia 1982, która wtedy należała do Philipsa.

Pierwszą płytą, która pojawiła się w wersji CD była „The Visitors” grupy ABBA, natomiast pierwszą polską płytę kompaktową pt. "Chopin-Tausig-Wieniawski" wydał w styczniu 1988 roku WIFON z nagraniami Koncertu fortepianowego e-moll op. 11 Fryderyka Chopina (orkiestracja Carl Tausig) i Koncert fortepianowy op. 20 Józefa Wieniawskiego w wykonaniu Orkiestry Symfonicznej Filharmonii Bałtyckiej pod dyrekcją Wojciecha Rajskiego (symbol WCD-001, oficjalnie ogłoszona jako pierwszy polski CD w "Dzienniku Telewizyjnym" TVP 28.01.1988)[2]. Pierwszym polskim albumem kompaktowym z muzyką rozrywkową była płyta z 1988 roku The Best of Urszula & Budka Suflera.

Pierwsze płyty i odtwarzacze CD zostały wprowadzone do sprzedaży we wrześniu 1982 roku w Japonii. W sprzedaży w Stanach Zjednoczonych i Europie pojawiły się w marcu 1983 r.

Historia

Płyta CD to produkt który ma za zadanie przechowywanie informacji w postaci cyfrowej. Historię płyty CD otwiera w 1978 r. firma Philips. Pracująca tam grupa naukowców, po wielu próbach i badaniach doszła do wniosku że najlepszym sposobem na zapis informacji jest płyta w postaci okrągłej, zapisywana i odczytywana optycznie.

W tym samym czasie firma Sony prowadząc podobne badania zaproponowała zapis danych na krążku o średnicy 30 cm, co odpowiadało ok. 2,5-godzinnemu nagraniu. Obie firmy podpisały porozumienie w 1979 roku, dotyczyła ona wspólnej wymiany informacji i kontynuowaniu dalszego rozwoju projektu. Philips oficjalnie zaprezentował płytę kompaktową w marcu 1979 roku.

Rok 1983 był przełomowy, w sprzedaży pojawiły się odtwarzacze CD zwane dyskofonami, po trzech latach katalog płyt CD zawierał 5000 pozycji.

W ostatnich latach XX wieku ludzie zaczęli generować ogromne ilości danych. Zaczęło brakować miejsca na ich przechowywanie na klasycznych nośnikach, którymi wówczas były dyskietki 3,5 cala i dyski twarde. Spowodowało to wzrost popularności płyty CD.

Podział płyt CD

Technologia tworzenia nośnika pozwala na klasyfikację:

  • zwykłe płyty CD to matryca odciśnięta i będąca negatywem
  • płyty CD-R zawierają ścieżki, w których możemy za pomocą lasera zapisać nasze dane
  • płyty CD-RW są podobne do płyt CD-R, ale pozwalają na zapis i wymazywanie danych do ok. 1000 razy

Poza tym są jeszcze płyty CD 8 cm i płyty w kształcie wizytówki, są mniejsze rozmiarami i mają mniejsze pojemności.

Proces wytwarzania pitów na warstwie nośnej to proces zapisu danych na płycie, barwnik i warstwa nośna zostają podgrzane przez laser, którego moc wynosi od 4 do 11 mW. Temperatura uzyskana podczas pracy wynosi ok. 250 stopni Celsjusza, pod jej wpływem warstwa nośna topnieje a barwnik jest rozprzestrzeniany na wolne obszary dysku. Początkowo laser generuje wyższą moc aby uległ stopieniu barwnik, ale w momencie gdy już to nastąpi następuje zmiana mocy, umożliwiającą zapis danych.

Podstawową warstwę płyty CD przed zapisem tworzy powłoka polikrystaliczna, podczas procesu nagrywania, laser rozpoczyna podgrzewanie obszarów nagrywanej ścieżki do temperatury od 500-700 stopni Celsjusza, moc lasera waha się w granicach od 8 do 14 mW. Laser roztapia kryształy tworząc z nich warstwę amorficzną tzw. pity te mają słabsze właściwości odbijania światła co prowadzi do możliwości rozróżnienia tych obszarów, podczas odczytu danych przez czytniki CD-ROM oraz CD.

Proces kasowania danych na płytach CD-RW to droga powrotna ze stanu amorficznego do stanu krystalicznego nośnika. Jest to możliwe po uzyskaniu temperatury 200 stopni Celsjusza[3]. Ten zabieg powoduje, że płyta CD-RW wraca do stanu nie nagranego czystego nośnika.

Aby szybciej skasować dane na płycie, stosuje się metodę polegającą na kasowaniu ostatniej nagrywanej ścieżki tj. wymazaniu subkodu mapy dysku, w której zamieszczone są informacje na temat, rozlokowania danych na płycie. Dane pozostają nienaruszone, ale czytniki rozpoznają płytę jako niezapisaną.

Połączenie dwóch technik zapisu jak i kasowania danych na płytach CD-RW, doprowadziło do procesu nadpisywania informacji. Do zapisu nowych pitów jest używana taka sama energia lasera, jak w przypadku zwykłego zapisu, ale pomiędzy starymi pitami a nowymi powstaje krystaliczna warstwa utworzona, po zmniejszeniu mocy lasera. Ta metoda kasuje poprzednie informacje na płycie a zapisuje nowe.

Tak jak w technice zapisu płyty laser wytwarza wyższą temperaturę roztapiając warstwę nośną, na granicy dwóch pitów laser obniża temperaturę.

Płyty z danymi

Płyta kompaktowa może służyć do zapisu muzyki, filmu (Video CD albo Super Video CD) lub danych – plików komputerowych. Płyty z danymi są zwykle zapisane z użyciem systemu plików ISO 9660 (wcześniej zwanym High Sierra). Format ten ogranicza nazwy plików do stylu MS-DOS-a (8+3). Joliet pozwala na dłuższe nazwy plików i zagłębienia w strukturze katalogów powyżej ośmiu poziomów. Rock Ridge tak jak Joliet wykorzystuje niezdefiniowane pola w standardzie ISO 9660, aby obsługiwać dłuższe nazwy i dodatkowo informacje typowo uniksowe (właściciel pliku, symboliczne dowiązania itp.)

Cechy płyt CD

Pojemność i rozmiar

Standardowa płyta kompaktowa mieści 74 minuty muzyki, zapisanej przy użyciu kodowania PCM, co odpowiada 650 MB danych. Standardowo dźwięk na płycie CD nie jest poddawany kompresji. Powstały również nośniki mieszczące: 700 MB (80 min.) – obecnie najpopularniejsze w sprzedaży, 800 MB (90 min.), 870 MB (99 min.), a nawet 1,4 GB – płyty [dwustronne], przy czym dwie ostatnie występują niemal wyłącznie jako płyty jednokrotnego zapisu. Wśród płyt pierwotnie tłoczonych (komercyjnych) dominują wyłącznie rozmiary 650 MB, 700 MB. Rozmiar 800 MB jest dosyć rzadko spotykany. Płyty większe niż 700 MB często sprawiają problemy podczas odczytu, zwłaszcza w starszych odtwarzaczach.

Płyta ma średnicę 120 mm, grubość 1.2 mm i przeciętnie waży ok. 15 g (standard CD Audio Red Book dopuszcza masę od 14,1 g do 33 g). Długość spirali z zapisanymi danymi na typowej płycie to ok. 5,4 km (dla DVD ok. 11,6 km).

Początkowo koncern Sony postulował, by średnica płyty wynosiła 12 cali (czyli tyle samo co w przypadku płyty gramofonowej), lecz gdy okazało się, że na tak dużej płycie zmieściłoby się 12 godzin muzyki, postanowiono tę średnicę zmniejszyć[potrzebny przypis]. Kolejnym pomysłem był, by płyta mieściła 60 minut muzyki analogicznie np. do kasety i miała średnicę 100 mm (Sony) lub 115 mm (Philips)[4]. Istnieje miejska legenda mówiąca, że to austriacki dyrygent Herbert von Karajan przekonał wynalazców CD, by zwiększyli jej pojemność do 74 minut, aby można było na jednym krążku zmieścić całą IX symfonię Beethovena. Zaprzeczył temu później współwynalazca systemu Kees Immink[5]. Ostatecznie zdecydowano by płyta miała średnicę 12 cm (czyli tyle co popularna wówczas dyskietka 5,25 cala), co pozwala zapisać od 74 do 80 minut muzyki.

Częstotliwość próbkowania dźwięku zapisanego na CD to 44,1 kHz, co pozwala na odwzorowanie dźwięku o częstotliwości do 22,05 kHz. (szczegóły patrz częstotliwość Nyquista).

Trwałość

Po wprowadzeniu standardu trwałość płyt szacowano na kilkaset lat - szacunki takie opierano na założeniu, że skoro żaden element odtwarzacza nie ma fizycznego kontaktu z powierzchnią płyty (jak to miało miejsce w przypadku płyt gramofonowych czy taśm magnetofonowych), to praktycznie nie będzie ona ulegała zużyciu.

Dla płyt produkowanych w latach 80. i początkach lat 90. te szacunki były prawdziwe - ówczesne płyty były wysokiej jakości. Wraz z popularyzacją standardu i spadkiem cen samych płyt spadała także ich jakość, co negatywnie odbija się na trwałości zapisu - choć dla odpowiednio przechowywanych płyt tłoczonych wciąż liczony on jest w dziesiątkach lat.

Kolor

Nagrywarki zapisują dane na płytach pokrytych różnymi kolorami. Jest to powiązane z barwnikiem użytym w warstwie odbijającej. Płyty zmieniają swój kolor na zielony, niebieski, żółty, złoty oraz czarny. Kolor nośnika nie ma znaczenia przy odczycie danych, aktualnie wszystkie nowoczesne CD-ROM-y i nagrywarki potrafią odczytywać i zapisywać na nich dane.

Złote płyty mają złotą warstwę odbijającą, prześwituje ona przez dolną stronę płyty i w ten sposób nadaje to jej kolor złoty. Żywotność takich płyt szacowana jest na 100 lat.[potrzebny przypis]

Nowoczesne płyty mają pigment ftalocyjanianowy, który nadaje im kolor czarny.

Budowa nośnika, zapis danych

Mikrofotografia wgłębień i pól
Schemat przekroju płyty tłoczonej

Standardowa płyta kompaktowa często określana jako audio CD, dla odróżnienia od późniejszych wariantów, przechowuje cyfrowy zapis dźwięku w standardzie zgodnym z „czerwoną księgą” (ang. red book). Płyty kompaktowe wykonane są z poliwęglanowej płytki o grubości 1,2 mm i średnicy 12 cm pokrytej cienką warstwą glinu (aluminium), w której zawarte są informacje (w postaci kombinacji mikrorowków i miejsc ich pozbawionych). Odczytywane są one laserem półprzewodnikowym (AlGaAs) o długości fali około 780 nm. Zapis tworzy spiralną ścieżkę biegnącą od środka do brzegu płyty.

Prędkość obrotowa płyty zmienia się w taki sposób, że stała jest prędkość liniowa głowicy odczytującej względem ścieżki i dla prędkości odczytu x1 zawiera się w zakresie od 1,2 do 1,4 m/s. Odczyt płyty odbywa się od środka na zewnątrz, a prędkość obrotowa maleje wraz z oddalaniem się od środka płyty.

Dane przed zapisaniem na dysku są kodowane w standardzie "8 w 14" i zapisywane w postaci pól (ang. land) i wgłębień (ang. pit). W płytach tłoczonych wgłębienia mają głębokość 1/4 długości fali w materiale płyty lasera odczytującego (około 125 nm), w wyniku interferencji światła odbitego od otoczenia i wgłębienia następuje wygaszenie fali. Wgłębienia mają szerokość 500 nm, a odległości między kolejnymi ścieżkami wynosi 1,6 µm. Różnice w odbiciu światła są wykorzystywane przez serwomechanizm soczewki do prowadzenia wiązki po ścieżce i jej ogniskowania.

System kodowania "8 w 14" zapewnia, że najmniejsza długość pitu i landu wynosi 3 bity (833 nm), a największa 11 (3560 nm). Podczas odczytu płyty przez wiązkę laserową, otrzymuje się sygnał, w którym informację nie przenosi bezpośrednio stan "pit/land" a czas między kolejnymi zmianami sygnału. Każda zmiana sygnału zmienia poziom sygnału wyjściowego (NRZI)[6].

Budowa płyty CD-R

 Osobny artykuł: CD-R.

W skład płyty CD-R wchodzą 4 warstwy:

  • Poliwęglanowa warstwa nośna w postaci plastikowego krążka
  • Warstwy odbijającej złotej lub aluminiowej
  • Warstwy barwnika który ulega stopieniu w momencie zapisu
  • Warstwy ochronnej z lakieru.

Budowa płyty CD-RW

 Osobny artykuł: CD-RW.

Kolejnym nośnikiem wykonanym w technologii CD jest nośnik CD-RW (ReWritable), jak sama nazwa wskazuje to płyta umożliwiająca nam zapis, odczyt i dodatkowo kasowanie informacji. Moc lasera użytego do zapisu płyty powoduje, że część obszarów ma postać krystaliczną a pozostała amorficzną. To powoduje że promieniowanie odczytujące jest przekazywane lub pochłaniane. Wynika to z zastosowania specjalnego stopu metali, ale jest to tajemnica producentów. Warstwa poliwęglanu posiada rowek prowadzący, nad nią znajduje się warstwa ZnS-SiO2, zapewnia ona odpowiedni odbiór ciepła podczas zapisu laserowego płyty. Wyżej naniesiono odbijającą warstwę aluminiową, całość kończy specjalna powłoka lakierowana na której zazwyczaj występuje napis z logo producenta. Każdy z producentów odpowiednio dla swojej marki dobiera grubości poszczególnych warstw lecz tajemnicą jest jakie wartości wchodzą w grę.

Budowane w ten sposób płyty CD-RW powodują pewne ograniczenia w zapisie danych, może on się odbywać z niskimi prędkościami. Również trwałość nośnika jest niska, producenci zapewniają tylko do ok. 1000 skasowań.

Technika zapisywania informacji na płytach CD-RW jest porównywalna do zapisu płyt gramofonowych. Na płytach CD-RW jest również rowek „prowadzący” dzięki któremu laser zapisujący lub odczytujący dane na jej powierzchni zna drogę. Od tego małego rowka zależy czy nagrywanie danych na płycie zakończy się powodzeniem czy też krążek wyrzucimy do śmietnika. Wymiary rowka w droższych modelach płyt są takie same i wynoszą:

  • Głębokość 200 nm.
  • Szerokość na górze 700 nm.
  • Szerokość na dole 400 nm.
  • Kąt nachylenia ścianek bocznych wynosi 50 stopni

Tańsze modele płyt nie mają zachowanych równych proporcji, dlatego zapis danych na ich powierzchni jest bardziej ryzykowny.

Napędy CD-ROM

Napędy pierwszej generacji pracowały z prędkością ok. 150 KB/s. Producenci sprzętu zaprezentowali następnie napędy podwójnej prędkości (300 KB/s), czterokrotnej prędkości (600 KB/s) i szybsze. Najszybsze napędy CD osiągają 54-krotną prędkość odczytu (8100 KB/s), jest to jednak prędkość maksymalna, osiągana tylko na pewnym obszarze płyty. Swego rodzaju ewenement stanowił zaprezentowany w 1999 roku przez firmę Kenwood czytnik CD osiągający 72-krotną prędkość odczytu (10800 KB/s). Osiągnięcie tak wysokich transferów było możliwe dzięki zastosowaniu innowacyjnej technologii TrueX, polegającej na odczytywaniu danych z 7 ścieżek jednocześnie. Pozwoliło to na ograniczenie prędkości obrotowej dysku z ok. 11 000 obr/min (napędy 52x) do 2700-5100 obr/min i tym samym znaczne zmniejszenie poziomu hałasu i wibracji generowanych podczas pracy. Rozwiązanie to - pomimo niewątpliwych zalet - nie rozpowszechniło się zbyt szeroko, co mogło być spowodowane nadchodzącą erą dominacji napędów DVD.

Większość napędów CD-ROM komunikuje się z komputerem za pomocą interfejsu SCSI, lub IDE EIDE, wykorzystując najczęściej protokoły ATAPI lub ASPI. W latach 90. wiele napędów CD-ROM wyposażonych było w zewnętrzne gniazdo słuchawkowe (3,5 mm), pozwalające odtwarzać płyty Audio-CD bez konieczności użycia jakiegokolwiek oprogramowania, oraz wewnętrzne wyjście cyfrowe S/PDIF umożliwiające czytanie ramek danych z płyt Audio-CD w formie cyfrowej. Z końcem lat 90. producenci coraz częściej rezygnowali z montażu dodatkowego, przedniego złącza audio - tzw. gniazda słuchawkowego.

Dostępne są także nagrywarki CD (zapisujące płyty CD-R oraz CD-RW). Używają one innych środków i specjalizowanego wyposażenia do nagrywania, ale płyta wynikowa CD-R może być odczytana przez jakikolwiek napęd CD-ROM.

Na przełomie 2004 i 2005 roku, nagrywarki następnego standardu, DVD, znacznie staniały. Niższa cena nowych nagrywarek, potrafiących nie tylko zapisywać dyski DVD (+R/-R/+RW/-RW/RAM/DL), ale również CD: R/RW, sprawiła znaczne obniżenie popytu na nagrywarki i czytniki CD.

Oznaczenia płyt audio CD

Technologia wytwarzania płyt CD

Premastering

Tu tworzy się prototyp płyty CD-RW, układ danych na matrycy, które zostaną następnie przeniesione na krążek i powielone.

Proces tworzenia matrycy

Glasmastering

Dane wejściowe pobierane są z nośnika fizycznego np. płyty CD-R, DVD, taśm 8 mm, taśm DLT bądź bezpośrednio z cyfrowego obrazu płyty (DDP Image). Za pomocą specjalnego urządzenia tworzy się tzw. szklany wzorzec (glassmaster). Obecnie wykorzystywane są dwie technologie produkcji glassmasterów:

Starsza technologia dye-polimerowa, w której spiralna ścieżka danych jest fizycznie wypalana w warstwie polimeru. W tej technologii wykorzystywane są lasery gazowe. Wymiary takiego glassmastera:

  • średnica 30 cm
  • grubość 1 cm

Szklany dysk, po uprzednim pokryciu cienka warstwą dye-polimeru, zostaje umieszczony w laserze. Po skończonym wypalaniu danych, glassmaster wygrzany, a następnie pometalizowany.

Nowszą technologią jest technologia fotorezystywna, w której ścieżka danych jest naświetlana na materiale światłoczułym. Na powierzchnię szklanego dysku (o średnicy od 16 cm x 3 mm bądź 18 cm x 2 mm) nakładana jest emulsja czuła na światło, po czym specjalne urządzenie laserowo naświetla obraz spirali - wzdłuż niej będą znajdować się pity i landy. Spirala ma szerokość 1 mikrometra - dla porównania, średnica ludzkiego włosa ma około 12 mikrometrów. Emulsja w momencie wywoływania zostaje usunięta, szklany dysk jest trawiony, po czym uzyskuje się całkowity obraz spirali z zapisem danych. Po skończonym procesie wytrawiania, szklany dysk jest metalizowany. Dokładność tego procesu wpływa na późniejszą jakość płyty CD.

Proces galwaniczny

Pometalizowany glassmaster zakładany jest w specjalnym uchwycie na wannę galwaniczną. Po procesie trwającym około godziny otrzymuje się niklową matrycę "ojca" o grubości 0,3 mm, mogącego służyć już jako stempel produkcyjny. W produkcji wieloseryjnej, z "ojca" również przy pomocy odpowiedniego procesu galwanicznego (proces trwa około godziny), otrzymywana jest tzw. "matka". Płyta matka posłuży do wykonania jej niklowej repliki, jest to swoisty stempel dzięki któremu tłoczy się płyty CD/DVD. Z jednego stempla (matrycy) można wytłoczyć od kilkunastu do kilkudziesięciu tysięcy gotowych płyt.

Schemat tłoczenia płyt kompaktowych

Obecnie w produkcji płyt kompaktowych używa się poliwęglanu, materiał na płytę CD poddawany jest w pierwszej fazie osuszeniu w temperaturze 125 stopni Celsjusza.

Technologia używana do wyrobu tworzyw termoutwardzalnych jest stosowana do formowania krążka z rowkami.

Powstaje w ten sposób przezroczysty dysk, który jest studzony, a po wytłoczeniu na krążek nanosi się warstwę aluminiową metodą metalizacji. Cały proces odbywa się w próżni z użyciem argonu. Specjalny lakier ochronny pokrywa powierzchnię metalizowaną przy użyciu szybkoobrotowej maszyny, która równomiernie rozkłada lakier na powierzchni. Lampa ultrafioletowa doprowadza do utwardzenia rozłożonej warstwy lakieru.

W końcowym etapie specjalny układ optyczny kontroluje jakość płyty, określając jej przydatność i eliminując bezwartościowe wytwory.

Cały cykl powstawania płyty trwa od 3 do 5 sekund, a coraz doskonalsza technologia kontroli jakości zapewnia bezstratny proces produkcyjny.

Drukowanie etykiet

Warstwa odbijająca jest chroniona dodatkowo poprzez nadrukowanie etykiety producenta, która zabezpiecza ze względów komercyjnych górną część płyty przed uszkodzeniem.

Przyszłość

Obecne na rynku płyty CD-R i CD-RW mają zastosowanie głównie w urządzeniach takich jak odtwarzacze audio CD. Ich pojemność ogranicza ich zastosowanie w innych aktualnie rozwijających się dziedzinach techniki. Popularne dyski DVD oferują znacznie większą pojemność. Stosunkowo nowe na rynku są nośniki Blu-ray. Na jednej ich warstwie mieści się ok. 25 GB danych. Wystarcza to na pomieszczenie materiału wideo o jakości HD. Jednak nośniki Blu-ray są drogie w porównaniu z CD-R oraz DVD i dlatego nigdy nie stały się popularne[7].

Zobacz też

Przypisy

  1. CD - to nie tylko muzyka. „Audio Video Hi Fi”, 1987. Audio-Video Sp. z o.o.. ISSN 0239-8435. 
  2. opis pierwszego polskiego kompaktu muzycznego Wifonu na stronie: https://archive.is/alr5t
  3. Winn L. Rosch: Hardware bible : [your complete guide to all PC's and all peripherals]. Indianapolis, Ind.: 2003. ISBN 978-0-7897-2859-3.
  4. Kees A. Schouhamer Immink. Shannon, Beethoven, and the Compact Disc. „IEEE Information Theory Newsletter”, s. 42–46, 2007. [dostęp 2007-12-12]. 
  5. Maciej Łukasz Gołębiowski. Herbert von Karajan - dyrygent z powołania. „Hi-Fi i Muzyka”, 2008. [dostęp 2008-11-10]. 
  6. Rejestracja sygnałów cyfrowych na dyskach CD. Odczyt CD. [dostęp 2012-04-01].
  7. Blu Ray Is Dead [online], www.huffingtonpost.co.uk [dostęp 2017-11-26] (ang.).

Linki zewnętrzne