5. Compact Disc/CD - Ψηφιακός οπτικός δίσκος Τεχνολογία - Κατασκευή - Ιδιότητες

5. Compact Disc/CD - Ψηφιακός οπτικός δίσκος Τεχνολογία - Κατασκευή - Ιδιότητες 5.1 Compact Disc Γενική επισκόπηση Το Compact Disk (CD) είναι ένα από τα πιο επιτυχηµένα µέσα αποθήκευσης και αναπαραγωγής που έχουν ποτέ δηµιουργηθεί. Το audio CD παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στην αγορά το 1982 σχεδιασµένο για να αποθηκεύει λίγο παραπάνω από µία ώρα υψηλής ποιότητας στερεοφωνικό ήχο, αν και τα σηµερινά CD µπορούν να αποθηκεύσουν τώρα µέχρι και 80 λεπτά. Ο ήχος αποθηκεύεται σε ψηφιακό format και έτσι ο θόρυβος ο οποίος είναι συνδεµένος µε το βινύλιο και την κασέτα είναι σχεδόν ανύπαρκτος. Το 1984 παρουσιάστηκε το CD Read Only Memory (ROM) επιτρέποντας στο CD να χρησιµοποιηθεί και για την αποθήκευση πληροφοριών για ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Από τότε διάφορα format έχουν εµφανιστεί συµπεριλαµβανοµένου του Enhanced CD, CD-Interactive, και Video CD. Αυτοί οι δίσκοι είναι όµοιοι µε το audio CD αλλά εµπεριέχουν άλλου είδους πληροφορίες (data) όπως κείµενο, εικόνες, βίντεο αλλά και ήχο. Το µέλλον του CD είναι πια υπό την απειλή του Super Audio CD (SACD) και του DVD (Digital Versatile Disc), αλλά παρόλα αυτά, τα προγνωστικά δείχνουν ότι ο οπτικός δίσκος CD θα παραµείνει για αρκετό χρόνο ακόµα ένα από τα βασικότερα µέσα διακίνησης της ηχητικής αλλά και γενικότερα της ψηφιακής πληροφορίας. Υπάρχουν διάφορα είδη οπτικών δίσκων καθώς και µίξεις αυτών των ειδών. Αυτά περιλαµβάνονται στο παρακάτω διάγραµµα (εικ. 5.1) Το CD audio είναι ο πρωτότυπος τύπος πάνω στον οποίο βασίστηκαν όλοι οι υπόλοιποι. Τα CD audio µπορούν επίσης να υποστηρίξουν CD-Graphics ή CD-Text, ενώ ο τύπος CD-Extra προσθέτει δεδοµένα H/Y. Το CD-ROM προέρχεται από το CD-Audio και χρησιµοποιείται για την αποθήκευση δεδοµένων Η/Υ για ηλεκτρονικά παιχνίδια και άλλες εφαρµογές. Το CD-ROM XA (extended Architecture) επιτρέπει το audio και τα άλλα δεδοµένα να αναπαράγονται συγχρόνως και αποτελεί βάση για τους τύπους CD-I Bridge, CD-I, Video CD και Photo CD. Εικ. 5.1: Οι τύποι των ψηφιακών οπτικών δίσκων. 54

5.2 Τα βιβλία των οπτικών ψηφιακών δίσκων Τα δύο βασικά είδη οπτικών δίσκων είναι ο οπτικός δίσκος ήχου (CD Audio) και ο οπτικός δίσκος δεδοµένων (CD-ROM), πάνω στα οποία έχουν βασιστεί όλα τα υπόλοιπα. Για να καταγραφούν οι προδιαγραφές του κάθε τύπου οπτικού δίσκου δηµιουργήθηκαν τα γνωστά «έγχρωµα βιβλία» (colour books) τα οποία περιέχουν όλες τις τεχνικές προδιαγραφές για τον κάθε τύπο. Κόκκινο βιβλίο - Red Book - Audio CD: Ο οπτικός δίσκος ήχου και οι προδιαγραφές του, µε ψηφιακό ήχο 16 bit resolution και 44.1 sample rate. Κίτρινο βιβλίο - Yellow Book - CD ROM: Το τύπος CD Read Only Memory (ROM) µε τις εκτεταµένες προδιαγραφές του για την αποθήκευση πληροφοριών ηλεκτρονικών υπολογιστών. Ο τύπος αυτός εµπεριέχει και την εξέλιξη του CD-ROM XA (extended Architecture) που επιτρέπει την ταυτόχρονη αναπαραγωγή audio και data πληροφοριών και αποτελεί τη βάση για πολλούς άλλους τύπους όπως τα CD Extra, Photo CD και Video CD. Πορτοκαλί βιβλίο - Orange Book - CD-MO/CD-R/CD-RW: Οι προδιαγραφές για τα εγγραφόµενα και επανεγγραφόµενα CD. Λευκό βιβλίο - White Book - Video CD: Ο δίσκος Video CD µε τη δυνατότητα αποθήκευσης Video (και ήχου) 74 λεπτών σε µορφή MPEG1. Μπλε βιβλίο Blue Book Enhanced CD/CD Extra: Συνδυασµός Red και Yellow Book µε CD που περιέχουν πληροφορίες audio αλλά και data H/Y. Μοβ βιβλίο - Purple Book - DDCD: Το Double Density CD είναι ένα format που προορίζεται για αποθήκευση πληροφοριών data Η/Υ και µε διπλάσια χωρητικότητα από το απλό CD-ROM. Photo CD Book - Photo CD: δηµιουργήθηκε από την Kodak και την Philips και είναι ένα τρόπος για να αρχειοθετούνται φωτογραφίες σε CD. 5.3 Γενική περιγραφή των οπτικών δίσκων Η διάµετρος των ψηφιακών οπτικών δίσκων (CD) είναι 12 εκατοστά και το πάχος τους 1.2 χιλιοστά. Η οπή στο κέντρο είναι 15 χιλιοστά. Οι πληροφορίες του ήχου ή των δεδοµένων αποθηκεύονται από την ακτίνα που ξεκινά στα 25 χιλιοστά µετά το σηµείο lead in µέχρι την ακτίνα των 58 χιλιοστών όπου ξεκινά το σηµείο lead out. Εικ. 5.2: Η διάταξη και διαστάσεις του Compact Disk Το µέρος του δίσκου που περιέχει τα δεδοµένα χωρίζεται σε τρεις περιοχές: Lead-in Στη περίπτωση του audio CD αυτή η περιοχή δεν περιέχει ήχο αλλά άλλες πληροφορίες σχετικές µε το περιεχόµενο του δίσκου, όπως ο πίνακας περιεχοµένων 55

(table of contents). Το µέγεθος αυτής της περιοχής εξαρτάται από την ποσότητα των δεδοµένων που περιέχει ο πίνακας περιεχοµένων. Program area (περιοχή προγράµµατος) - Η περιοχή που περιέχει τα αποθηκευµένα δεδοµένα. Lead-out: Περιέχει ψηφιακή σιωπή ή µηδέν δεδοµένα και προσδιορίζει το τέλος της περιοχής δεδοµένων. Η διάταξη αυτή είναι πανοµοιότυπη για όλους του τύπους οπτικών δίσκων, ανεξάρτητα αν είναι ηχητικοί ή δίσκοι δεδοµένων Η/Υ, άν και τα αποθηκευµένα δεδοµένα έχουν διαφοροποιήσεις. 5.4 Η τεχνολογία του CD Laser: Οι ψηφιακοί οπτικοί δίσκοι CD βασίζονται στη τεχνολογία laser για την ανάγνωση και την εγγραφή των δεδοµένων. Η λέξη L.A.S.E.R σηµαίνει: Φωτοενίσχυση µε επαυξηµένη εκποµπή ακτινοβολίας (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Το laser παράγει ένα συνεχόµενο φως αποτελούµενο από φωτόνια του ίδιου µήκους κύµατος και φάσης. Αυτό επιτρέπει στην ακτίνα φωτός να µην διαχέεται αλλά να εστιάσει σε ένα πολύ µικρού µεγέθους σηµείο παρόµοιου µε το µήκος κύµατος του ίδιου του φωτός. Η εφεύρεση των lasers και ιδιαίτερα το χαµηλό κόστος των διόδων εκποµπής laser, επέτρεψε στην τεχνολογία των οπτικών δίσκων να γίνει µία από τις πιο επιτυχηµένες καταναλωτικές τεχνολογίες όλων των εποχών. Στα τέλη της δεκαετίας του 60 η Philips δηµιούργησε το σύστηµα του laser videodisk που ήταν και το πρώτο σύστηµα εφαρµογής της τεχνολογίας laser για καταναλωτική χρήση. Ο δίσκος αυτός είχε διάµετρο 30 εκ. και µπορούσε να αποθηκεύσει 60 λεπτά αναλογικού βίντεο και ήχου σε κάθε πλευρά. Ένα σύστηµα laser χαµηλής ισχύος χρησιµοποιούνταν για την ανάγνωση των Εικ.5.3: Τα σηµεία του CD σε µεγέθυνση 1:6000 βίντεο και ήχου πληροφοριών που ήταν αποθηκευµένες µε τη µορφή µικρών κοιλωµάτων στην επιφάνεια του δίσκου (εικ. 5.3). Αυτά τα κοιλώµατα είναι εξαιρετικά µικρά, περίπου 6 microns (εκατοµµυριοστά του µέτρου) σε φάρδος και «τοποθετηµένα» αναλογικά σε σπιράλ διάταξη όπως και στους δίσκους βινυλίου. Εικ.5.4: ιαστάσεις των σηµείων του CD 56

To CD χρησιµοποιεί την ίδια ακριβώς µέθοδο µε το laser disc και µε όµοια µεγέθη στιγµάτων και κενών µεταξύ τους. Τα κοιλώµατα και οι νησίδες αυτές (Εικ. 5.4) χρησιµοποιούνται για να υποδεικνύουν εάν το data bit είναι 0 ή 1. Οι συσκευές ψηφιακών οπτικών δίσκων (CD players) χρησιµοποιούν διόδους laser υπέρυθρης φωτοεκποµπής (infra red light emitting diode lasers) χαµηλού κόστους και µικρού µεγέθους για την ανάγνωση των δεδοµένων που περιέχονται µε τη µορφή αυτών των κοιλωµάτων πάνω στην επιφάνεια του δίσκου. Ο µηχανισµός που διαβάζει τον οπτικό δίσκο CD λειτουργεί ως εξής. Μια ακτίνα φωτός δηµιουργείται από µια καθοδική δίοδο laser και κατευθύνεται προς ένα ανακλαστικό καθρέφτη. Ο ανακλαστικός καθρέφτης είναι ενσωµατωµένος πάνω στην κεφαλή ανάγνωσης. Η παραγόµενη ακτίνα ανακλάται από τον καθρέφτη και µε την βοήθεια ενός ειδικού φακού κατευθύνεται σε συγκεκριµένα σηµεία πάνω στην επιφάνεια του CD. Η ακτίνα, αφού προσκρούσει πάνω στην επιφάνεια του δίσκου CD ανακλάται εν µέρει. Η ποσότητα της ενέργειας που ανακλάται πίσω εξαρτάται από το σηµείο πρόσκρουσης της εκπεµπόµενης ακτίνας πάνω στην επιφάνεια του δίσκου CD. Η αλλαγή κατάστασης στην επιφάνεια του δίσκου CD από κοιλότητα σε απουσία κοιλότητας (νησίδα) ή το αντίστροφο, υποδηλώνει το "1". Σε αντίθετή περίπτωση καταγράφεται "0". Μια σειρά από συλλέκτες, καθρέφτες και ειδικούς φακούς συσσωρεύουν και κατευθύνουν την ανακλώµενη ακτίνα σε έναν ανιχνευτή φωτός (photodetector). Ο ανιχνευτής φωτεινής δέσµης µετατρέπει την ποσότητα της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ποσότητα της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από την ποσότητα της φωτεινής ενέργειας, που φέρει η ανακλώµενη ακτίνα Η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέπεται µε την βοήθεια ειδικών κυκλωµάτων σε ψηφιακό σήµα (ακολουθία άσσων και µηδενικών). Εικ.5.5: Σύστηµα ανάγνωσης του CD. Όταν υπάρχει κοίλωµα η δέσµη laser δεν ανακλάται, ενώ αντίθετα όταν υπάρχει νησίδα η δέσµη ανακλάται στον ανιχνευτή φωτός. Ο ανιχνευτής καταγράφει πάντα µηδέν 0 εκτός όταν υπάρχει αλλαγή κατάστασης, από ανάκλαση σε µη-ανάκλαση και αντίστροφα. 57

PCM (Pulse Code Modulation) κωδική παλµική διαµόρφωση: Το CD χρησιµοποιεί την απλούστερη µορφή ψηφιακής κωδικοποίησης PCM. Η τεχνολογία PCM χρησιµοποιεί δείγµατα της αναλογικής κυµατοµορφής που παίρνονται σε συγκεκριµένα διαστήµατα (sample rate) και σε µία δεδοµένη ανάλυση (resolution) και αποθηκεύει κάθε δείγµα σαν ένα νούµερο σε δυαδική µορφή. Κατά την ανάγνωση του οπτικού δίσκου CD, οι ψηφιακές πληροφορίες (τα 0 και 1 ) συλλέγονται και στη συνέχεια µε τη χρήση ενός DAC (Digital to Analogue Converter) δηµιουργείται το αναλογικό ηχητικό σήµα. Εικ.5.6: Ανάγνωση του CD και δηµιουργία του ηχητικού σήµατος Περιστροφή του CD: Οι πληροφορίες στο CD, αντίθετα µε το δίσκο βινυλίου, τοποθετούνται από το εσωτερικό του δίσκου προς το εξωτερικό, και µε φορά αντίθετη από τους δείκτες του ρολογιού. Στο CD-Audio τα µικρά στίγµατα του δίσκου που υποδηλώνουν το 1 και το 0, διατηρούν παντού την ίδια γεωµετρία (µεγέθη αποστάσεις µεταξύ τους). Αυτό σηµαίνει ότι σε µία πλήρη περιστροφή στο εσωτερικό του δίσκου, θα περιέχονται λιγότερες πληροφορίες από ότι σε µία περιστροφή στο εξωτερικό του. Για να υπάρχει όµως σταθερός ρυθµός µεταφοράς δεδοµένων, ο δίσκος θα πρέπει να επιβραδύνει καθώς το laser µετακινείται προς το εξωτερικό. Αυτό συµβαίνει και στη πραγµατικότητα, καθώς τα CD-Audio περιστρέφονται µε γραµµική ταχύτητα από 210 Rpm (rotation per minutes - στροφές ανά λεπτό) στην εξωτερική σπείρα µέχρι 539 Rpm στην εσωτερική σπείρα που δίνει σταθερό ρυθµό µεταφοράς δεδοµένων 150 KB/sec. Η ταχύτητα αυτή είναι µε ακρίβεια 1,3 µ/δευτ. Η γωνιακή ταχύτητα µειώνεται από το σηµείο lead in στο σηµείο lead out µε ένα παράγοντα 58/23=2,52. Αυτή η τεχνική ονοµάζεται τεχνική σταθερής γραµµικής ταχύτητας (Constant Linear Velocity / CLV) Αυτό σηµαίνει ότι η απόδοση παραµένει σταθερή και τα στίγµατα του δίσκου διατηρούν την ίδια γεωµετρία, Εικ.5.7: Η φορά ανάγνωσης του CD ανεξάρτητα από το σηµείο του δίσκου που διαβάζεται. Στα data-cd (CD-Rom) εφαρµόζεται η ίδια µέθοδος, αλλά έχει αυξηθεί η ταχύτητα περιστροφής σε X2, X4 κτλ για την γρηγορότερη µεταφορά των δεδοµένων. Καθώς οι ταχύτητες αυξήθηκαν ακόµα περισσότερο διαπιστώθηκε πως η µέθοδος CLV παρουσίαζε προβλήµατα. Έτσι χρησιµοποιήθηκε και η τεχνική σταθερής γωνιακής ταχύτητας - Constant Angular Velocity (CAV), κατά την οποία διατηρείται η ίδια ταχύτητα περιστροφής του δίσκου. Έτσι οι συσκευές CD-Rom λειτουργούν και µε τις δύο µεθόδους. 58

EFM (Eight to Fourteen Modulation) Οκτώ σε δεκατέσσερα διαµόρφωση: Το EFM είναι ένα σχέδιο επιπρόσθετης ειδικής κωδικοποίησης και ένα πολύ έξυπνος τρόπος για να γίνει πιο εύκολη και σταθερή η διαδικασία κατασκευής, δηµιουργίας και αναπαραγωγής του CD. Σκοπός είναι να µειωθούν οι πολλές µεταλλαγές από 0 σε 1 αποφεύγοντας τα µικρά κοιλώµατα, κάνοντας έτσι πιο οµαλή και σταθερή την αναπαραγωγή. Το EFM κωδικοποιεί µπλοκ των 8-bit σε 14-bit δηµιουργώντας έτσι συνδυασµούς bits στα οποία εµφανίζονται πάντα περισσότερα από δύο και λιγότερα από 10 συνεχόµενα µηδενικά. Παραδείγµατος χάρη, το ψηφιακό 10 όπου σε δυαδικό σύστηµα είναι 00000101 στο EFM είναι 10010001000000. Τα 8-bit περιέχουν 2 8 = 256 συνδυασµούς και από τους πιθανούς 2 14 = 16.384 συνδυασµούς των 14ων bit, 267 από αυτούς καλύπτουν τις απαιτήσεις του EFM (11 περισσότερους από ότι χρειάζονται). ίπλα βλέπουµε ένα µέρος της λίστας των κωδικών του EFM στους αριθµούς 100 µέχρι 106. Το EFM εξασφαλίζει έτσι ότι τα κοιλώµατα στην επιφάνεια του CD θα εµφανίζονται σε διαστήµατα που κυµαίνονται σε µήκος 3ων bits µέχρι 11 bits. Αρ. 8-bit EFM 14-bit. 100 01100100 01000100100010 101 01100101 00000000100010 102 01100110 01000000100100 103 01100111 00100100100010 104 01101000 01000101000010 105 01101001 10010000000010 106 01101010 10010001000010. Εικ.5.8: Απόσπασµα από τη λίστα κωδικοποίησης EFM Εικ.5.9: Με το EFM το µίνιµουµ των συνεχόµενων ίδιων bits είναι πάντα 3 Ο τρόπος µε τον οποίο φτάνουµε στα µπλοκ των 8 bits και στο EFM είναι ο εξής: καθώς έχουµε στερεοφωνικό σήµα, οι ψηφιακές πληροφορίες κωδικοποιούνται σε 16-bit λέξεις για το κάθε κανάλι. Στη συνέχεια κάθε κανάλι διαιρείται σε µπλοκ των 8-bits. Σε κάθε µπλοκ εφαρµόζεται EFM (εικ.5.7). Αριστερό κανάλι εξί κανάλι 16 bits 16 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 14 bits 14 bits 14 bits 14 bits Εικ.5.7: EFM - 8σε14 διαµόρφωση 32 bit 32 bit 56 bit Όταν όµως δύο µπλοκ των 14ων bit ενωθούν υπάρχει η πιθανότητα να εµφανιστεί η µεταλλαγή από 0 σε 1 σε λιγότερο από 3 συνεχόµενα bits και έτσι να µην τηρηθούν οι προδιαγραφές του CD. Γι αυτό χρησιµοποιούνται και 3 bits γνωστά ως merging bits (bits ένωσης), έτσι ώστε να διατηρηθούν οι προδιαγραφές. Εποµένως αν και ονοµάζεται 8-σε-14, στη πραγµατικότητα µπορούµε να πούµε το EFM µετατρέπει 8-σε-17 bits. 59

5.5 ιόρθωση και ανίχνευση σφαλµάτων - Error correction & detection Επειδή είναι αδύνατον να κατασκευαστούν CD τέλεια σε κάθε σηµείο όσο αφορά τα µικροσκοπικά στίγµατα επάνω στο δίσκο, µικρά σφάλµατα κατά τη διάρκεια της εγγραφής ή κατασκευής τους είναι σύνηθες φαινόµενο. Επίσης µικρές γρατσουνιές που µπορεί να δηµιουργηθούν µε τη χρήση µπορεί να αλλοιώσουν την αναπαραγωγή η ακόµη και τη µορφή των στιγµάτων. Αυτά τα σφάλµατα λογικά θα οδηγήσουν σε λανθασµένες αξίες των δειγµάτων και όταν πρόκειται για ήχο σε µία λάθος επανασχηµατισµένη κυµατοµορφή. Χρειάζεται λοιπόν κάποια µέθοδος έτσι ώστε τα σφάλµατα αυτά να µην επηρεάζουν σηµαντικά την αναπαραγωγή του ήχου ή των δεδοµένων. Η προστασία και διόρθωση των σφαλµάτων στα ψηφιακά συστήµατα είναι εξαιρετικά πολύπλοκες αλλά αναγκαίες διαδικασίες και ειδικευµένες ανάλογα µε το µέσο για το οποίο προορίζονται. Όλα τα συστήµατα διόρθωσης σφαλµάτων ξεκινούν µε έναν µηχανισµό ανίχνευσης του σφάλµατος. Parity check: Ο πιο απλός τρόπος να βρεθεί το σφάλµα είναι το parity check (έλεγχος parity). Η ιδέα είναι να προστεθεί ένα επιπλέον στοιχείο στα δεδοµένα που πιστοποιεί κάποια γνωστή κυριότητα της ψηφιακή πληροφορίας. Παραδείγµατος χάρη σε ένα σύστηµα evenparity (ζυγό parity), κατά την εγγραφή των δεδοµένων, ένα data bit προσθέτεται στην πρωτότυπη πληροφορία έτσι ώστε το συνολικός αριθµός των 1 να είναι ζυγός. Έτσι λοιπόν αν ο αριθµός των 1 είναι ζυγός το επιπλέον ψηφίο θα είναι 0, ενώ όταν είναι µονός το ψηφίο θα είναι 1. π.χ. 1011[1] και 1010[0]. Όταν λοιπόν κατά την ανάγνωση βρεθεί µία λέξη στην οποία ο αριθµός των 1 δεν είναι ζυγός το σύστηµα ξέρει πως εκεί υπάρχει ένα σφάλµα. Το parity check µπορεί µόνο να ανιχνεύσει το σφάλµα και όχι να το διορθώσει. Επίσης όταν υπάρχουν δύο εσφαλµένα bits πιθανόν να παρουσιάσουν ένα σωστό έλεγχο parity, πράγµα που δείχνει ότι αυτή η µέθοδος δεν είναι 100% αξιόπιστη. Interpolation - Concealment: Καθώς το parity check µπορεί να βρει αλλά όχι να διορθώσει τα σφάλµατα, όταν βρεθεί ένα σφάλµα, αυτό που µπορεί να γίνει, είναι το σύστηµα να παραµερίσει το λανθασµένο δεδοµένο και να επιχειρήσει να µαντέψει ποια ήταν η πραγµατική του τιµή βασισµένο στη τιµή του προηγούµενου και ακόλουθου δεδοµένου - interpolation (παρεµβολή), ή να αποκρύψει το λανθασµένο δείγµα χωρίς αυτό να γίνει αντιληπτό - concealment (απόκρυψη). Σύµφωνα µε τις προδιαγραφές του CD ένα interpolation θα πρέπει να χρειαστεί σε λιγότερες από µία φορά ανά 10 ώρες αναπαραγωγής ενός δίσκου. Όταν πάντως χρειαστεί, το σύστηµα interpolation µπορεί να παρεµβάλει σε 12.300 bits που ισούται µε 10 milliseconds (χιλιοστά του δευτερολέπτου) ή περίπου 8mm (χιλιοστά του µέτρου) κατεστραµµένης επιφάνειας του δίσκου. Το interpolation λειτουργεί καλά στον ήχο διότι οι αξίες των δειγµάτων γενικά αλλάζουν οµαλά και προβλέψιµα από το ένα δείγµα στο άλλο καθώς η πλειοψηφία της ηχητικής ενέργειας ενέργειας διορθωµένη αξία επικεντρώνεται στις στις λάθος δείγµα χαµηλές συχνότητες. Εικ. 5.8: Εκτίµηση του σωστού δείγµατος µε interpolation υπολογίζοντας το µέσο όρο της αξίας του προηγούµενου και επόµενου δείγµατος. 60

Οι παραπάνω µέθοδοι δεν είναι και πάλι πλήρως αξιόπιστοι διότι το parity check δεν ανιχνεύει όλα τα σφάλµατα και το interpolation µπορεί να βρει τη σωστή τιµή µόνο κατά προσέγγιση. Όταν δεν υπάρχει κάποια αποδεκτή µέθοδος διόρθωσης υπάρχει και η λύση του muting (φίµωση) κατά την οποία τα µη-διορθώσιµα η απόντα στοιχεία ρυθµίζονται σε µηδενική ένταση. Για να µη γίνει αυτό αντιληπτό ηχητικά, η ένταση του σήµατος µειώνεται σταδιακά µε ειδικούς αλγόριθµους και µετά σταδιακά πάλι επαναφέρεται. Muting από 1 έως 4ms δεν γίνεται αντιληπτό από το ανθρώπινο αυτί. ECC (Error Correction Codes) Κωδικοί διορθώσεις λαθών: Με τη χρήση επιπλέον ειδικά σχεδιασµένων δεδοµένων στα ψηφιακά µέσα είναι δυνατόν να διορθώνονται λάθη που συµβαίνουν κατά την αποθήκευση ή αναπαραγωγή. Υπάρχουν όµως διάφοροι κωδικοί οι οποίοι διαφέρουν στο σχεδιασµό και τις λειτουργίες τους. Ο τοµέας των ECC περιλαµβάνει εξαιρετικά περίπλοκα µαθηµατικά. Interleaving & Cross-Interleaving: ύο προσεγγίσεις όσο αφορά τα ECC είναι τα interleaving και cross-interleaving. Όταν ένα λάθος είναι αρκετά µεγάλο και καταλαµβάνει αρκετά data-blocks π.χ. µία µεγάλη γρατσουνιά στο CD τα συστήµατα διόρθωσης δεν µπορούν να το διορθώσουν. Στο interleaving όµως τα δεδοµένα καταχωρούνται διασκορπισµένα στο µέσο και όχι σε συνέχεια, κάνοντας έτσι ένα τέτοιο λάθος να µην καταλαµβάνει συνεχόµενες πληροφορίες. Αυτό επιτρέπει στο σύστηµα να µπορεί να αντεπεξέλθει καλύτερα µε περισσότερα µικρά λάθη σε διάφορα σηµεία από ένα µεγάλο λάθος σε ένα σηµείο. Στο cross-interleaving χρησιµοποιούνται δύο κωδικοί διόρθωσης, αντί του ενός, µε µία µικρή καθυστέρηση µεταξύ τους, πράγµα που δίνει µεγαλύτερη σταθερότητα και καλύτερα αποτελέσµατα. Αρχικά data ιασκορπισµός των datablocks ιασκορπισµένα data-blocks Αποθήκευση σε CD Κατεστραµµένο Αναπαραγωγή των διασκορπισµένων data Τακτοποίηση data-blocks Επανα-τακτοποιηµένα data-blocks ιόρθωση σφάλµατος Εικ.5.8: Απλό παράδειγµα του πως λειτουργεί το interleaving στο error correction. Οι πληροφορίες αποθηκεύονται ανακατεµένες στο µέσο έτσι ώστε σε περίπτωση που ένα µεγάλο συνεχόµενο κοµµάτι καταστραφεί, όταν οι πληροφορίες µπουν και πάλι σε σειρά το σφάλµα αυτό είναι στη πραγµατικότητα πολλά µικρότερα σφάλµατα που µπορούν εύκολα να επανακτηθούν. 61

Reed-Solomon Codes: Οι κωδικοί Reed Solomon επίσης γνωστοί ως CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Codes) είναι οι πιο γνωστοί ECC καθώς χρησιµοποιούνται στα CD, DAT, DVD, ψηφιακή τηλεόραση, ψηφιακή δορυφορική µετάδοση καθώς και ψηφιακό ραδιόφωνο. Οι CIRC εκτός του ότι διορθώνουν, επίσης ανιχνεύουν λάθη χρησιµοποιώντας parity check διαφορετικό όµως από αυτό του even-parity. Συγκεκριµένα οι CIRC εµφανίζονται σε όλους τους τύπους CD, audio και data. Το CD-ROM περιλαµβάνει επιπρόσθετους κωδικούς διόρθωσης και ανίχνευσης, γνωστοί ως layer 3 (L3) οι οποίοι έχουν ακόµα καλύτερα αποτελέσµατα. Οι CIRC διορθώνουν σφάλµατα µέχρι και 3.500 bits (2,4mm σε µήκος) και επανορθώνει σφάλµατα µέχρι 12,000 bits (8,5 mm) όπως αυτά που προκαλούνται από µικρές γρατσουνιές. Jitter: Ο ψηφιακός ήχος βασίζεται στην ιδέα των δειγµάτων ανά τακτά χρονικά διαστήµατα. Για να διατηρηθούν αυτά τα διαστήµατα χρονικά σταθερά απαιτείται ένας συνεπής και σταθερός µετρητής (clock). Εάν η συχνότητα του µετρητή ποικίλει κατά την µετατροπή από αναλογικό σε ψηφιακό σήµα, τότε επειδή η κυµατοµορφή θα βρίσκεται στην λάθος αξία και στο λάθος σηµείο όταν ο ψηφιακό ήχος αναπαράγεται, ο ήχος θα είναι µόνιµα παραµορφωµένος. Γι αυτό είναι σηµαντικό να υπάρχει ένας σταθερός µετρητής κατά τη διάρκεια του µετατροπής αναλογικού σε ψηφιακό σήµα. Κατά τον ίδιο τρόπο, παρόµοια προβλήµατα θα δηµιουργηθούν κατά το D/A conversion. Το αρνητικό αποτέλεσµα αυτό που επιφέρει ένας ασυνεπής µετρητής το αποκαλούµε jitter. Καθώς η ποιότητα του ψηφιακού ήχου όλο και βελτιώνεται το jitter γίνεται ένα σηµαντικό πρόβληµα (από τα λίγα που παραµένουν) ειδικά στα µέσα αναπαραγωγής όπως το CD. Ενώ υπάρχουν τρόποι και µηχανήµατα που καταπολεµούν το jitter όπως τα Audio Master Quality Recording της Yamaha, VariRec της Plextor για CD-R και το K2 Laser Beam Recorder της JVC για mastering σε CD-ROM, ο καλύτερος τρόπος για να αποφευχθεί το jitter είναι οι καλοί µετατροπείςconverters A/D και D/A. 5.6 Κωδικοποίηση των δεδοµένων στο CD - Χωρητικότητες Επειδή το CD κατασκευάστηκε αρχικά για να αποθηκεύει ήχο, η τεχνολογία του διατηρεί τις πρωτότυπες «ηχητικές» του προδιαγραφές. Όπως προαναφέρθηκε το CD χρησιµοποιεί την ψηφιακή κωδικοποίηση PCM Pulse Code Modulation κατά την οποία το ηχητικό σήµα µετριέται µε µία συγκεκριµένη συχνότητα (sample rate) και σε µία δεδοµένη ανάλυση (resolution). Όταν αποφασίστηκαν οι προδιαγραφές του CD όσο αναφορά την αποθήκευση του ψηφιακού ήχου οι κατασκευαστές κατέληξαν στο στάνταρτ της δειγµατοληψίας στα 44.100 δείγµατα το δευτερόλεπτο και ανάλυση 16-bit ανά δείγµα. 62

Αυτό µπορεί να δώσει ένα ακριβή αριθµό χωρητικότητας που καταλαµβάνουν τα δεδοµένα. Παραδείγµατος χάρη: Καθώς το στάνταρτ του CD όσο αναφορά τον ήχο είναι στέρεο (2 κανάλια) 16-bit και 44100 δείγµατα το δευτερόλεπτο, ένα δευτερόλεπτο ήχου θα περιέχει: 16 bits ανά κανάλι 2 κανάλια 44100 δείγµατα/δευτερόλεπτο 1 δευτερόλεπτο = 1.411.200 bits (8 bits = 1 byte) = 176.400 bytes σε κάθε δευτερόλεπτο ήχου Το CD στη συνέχεια κατασκευάστηκε για να οργανώνει τις ηχητικές πληροφορίες σε ενότητες που ονοµάζονται sectors. Καθώς σχεδιάστηκε µε βάση τα δεδοµένα ήχου, οι υπολογισµοί γίνανε αρχικά µε βάση το χρόνο, και έτσι το κάθε δευτερόλεπτο ήχου υποδιαιρέθηκε σε 75 sectors - αριθµός απόλυτα επαρκής για το CD- Audio, καθώς επιτρέπει την ακριβή αναζήτηση του ήχου στο CD στο 1/75 του δευτερολέπτου. Από τα παραπάνω είναι εµφανές πως το κάθε sector θα έχει χωρητικότητα 2352 bytes αφού: 176.400 bytes το δευτ. / 75 sectors σε κάθε δευτερόλεπτο ήχου = 2352 bytes σε κάθε sector Ο λόγος που το κάθε δευτερόλεπτο ήχου χωρίστηκε σε 75 sectors είναι γιατί όταν µετατρέπονται τα ηχητικά δεδοµένα για να τοποθετηθούν ως ψηφιακά σηµεία στον οπτικό δίσκο, τα δεδοµένα αυτά χωρίζονται σε µπλοκ των 6 δειγµάτων (Samples) για κάθε κανάλι. Το κάθε µπλοκ από αυτά ονοµάζεται audio data frame και περιέχει ένα σύνολο 192 bits (6 δείγµατα 2 κανάλια 16 bits) ή 24 bytes (8 bit = 1 byte). Αυτός ο αριθµός διαιρεί τα 2352 bytes του Sector ακριβώς κατά 98. Άρα µε λίγα λόγια: 98 audio data frames είναι η υποδιαίρεση του ενός sector, και τα 75 sectors είναι υποδιαίρεση του ενός δευτερολέπτου ηχητικής αναπαραγωγής στέρεο στα 16 bit και µε δειγµατοληψία 44.1kHz. Όπως φαίνεται πάντως και από το σχεδιάγραµµα 5.5 επάνω, στα ηχητικά δεδοµένα του audio data frame προσθέτονται και τα δεδοµένα των καναλιών του υπο-κώδικα P έως W (subcode channels) (1 byte), τα δεδοµένα error correction (CIRC parity data) (8 bytes) καθώς και πληροφορίες συγχρονισµού (sync) (3 bytes) οι οποίες επιτρέπουν στο player να αναγνωρίζει την αρχή του κάθε sector και όλα αυτά έχουν σαν αποτέλεσµα ένα σύνολο 36 bytes που 63

ονοµάζεται frame. Τέλος όλες αυτές οι πληροφορίες περνάνε από την διαµόρφωση EFM (Eight to Fourteen Modulation) ανά 8-bits, για την εξασφάλιση της σωστής αναπαραγωγής των δεδοµένων. Τα µέρη των Sync, Subcode, και CIRC που καταλαµβάνουν 12 από τα 36 bytes, είναι στάνταρτ σε όλους τους τύπους CD και δεν υπολογίζονται στην χωρητικότητα του δίσκου. Η πραγµατική χωρητικότητα των δεδοµένων προσδιορίζεται από το audio data frame το οποίο είναι 24 bytes όπως προαναφέρθηκε και µόνο αυτό αφορά το µέγεθος του sector. Το CD κατασκευάστηκε αρχικά για να έχει χωρητικότητα µίας περίπου ώρας και στη συνέχεια αυξήθηκε στα 74 λεπτά. Τώρα υπάρχουν και CD µε χωρητικότητα µέχρι και 80 περίπου λεπτά. Η χωρητικότητα των οπτικών δίσκων κανονικά µετριέται σε χρόνο (λεπτά:δευτερόλεπτα:sectors) και όχι σε megabytes (Mb) διότι οι οπτικοί δίσκοι κατασκευάστηκαν εξαρχής µε τις παραπάνω προδιαγραφές. Σύµφωνα όµως µε τα παραπάνω µπορούµε να υπολογίσουµε τη συνολική χωρητικότητα σε bytes ή megabytes ενός ολόκληρου CD: Εάν υποθέσουµε πως έχουµε ένα CD 74 λεπτών θα έχουµε: 74 λεπτά 60 δευτερόλεπτα = 4440 συνολικά δευτερόλεπτα ήχου στο CD και 4440 δευτερόλεπτα 176.400 bytes σε κάθε δευτερόλεπτο = 783.216.000 bytes συνολικά / 1,048576 (µετατροπή σε megabytes) = 746,9 Mb ψηφιακού ήχου 16 bit, 44.1 khz σε ένα CD 74 λεπτών Με παρόµοιο τρόπο ξέρουµε πως ένα CD 74 λεπτών θα έχει και 333.000 sectors συνολικά (4440 δευτ. στο δίσκο 75 sectors κάθε δευτ.). Όσο αναφορά για τα CD των 80 λεπτών (ή 700 Mb) αυτά έχουν δηµιουργηθεί καθώς οι κατασκευαστές βρήκανε τρόπους να µικρύνουν τα στίγµατα της πληροφορίας στην επιφάνεια των CD και να αυξήσουν τα sectors από 333.000 σε 360.000. Θα µπορεί ίσως να παρατηρήσει κανείς ότι τα 746,9 Mb για ένα 74λεπτο CD είναι περισσότερα από τα 650 Mb χωρητικότητας των αντίστοιχων CD-ROM. Ο λόγος για αυτό είναι διότι οι διαφορετικοί τύποι οπτικών δίσκων χρησιµοποιούν τα 2352 bytes καθαρής χωρητικότητας του κάθε sector µε διαφορετικούς τρόπους. Τα audio CD χρησιµοποιούν όλα τα 2352 bytes αποκλειστικά για τα ηχητικά δεδοµένα, ενώ τα CD-ROM και άλλοι δίσκοι δεδοµένων χρειάζονται παραπάνω πληροφορίες sync και error correction (διόρθωσης σφαλµάτων) οι οποίες καταλαµβάνουν µέρος του κάθε sector. Το audio CD παίζεται συνεχόµενα χωρίς διακοπές εκτός όταν µεταπηδάει από track σε track ή όταν βρίσκεται σε γρήγορη αναπαραγωγή (fast forward, Rewind). Όταν αυτό συµβαίνει το CD player δεν µεταπηδάει ακριβώς στο σωστό sector, άλλα αυτό δεν έχει σηµασία διότι αν πέσει σε ένα πλησιέστερο sector δεν θα έχει µεγάλη διαφορά στον ήχο και δεν γίνεται αντιληπτό από τον ακροατή (εξάλλου κάθε sector είναι 1/75 του δευτερολέπτου). Στα data CD όµως αυτό δεν είναι αποδεκτό διότι χρειάζεται µεγάλη ακρίβεια για να διαβαστούν σωστά τα αρχεία. Ένα µικρό λάθος ενός µόνο bit µπορεί να οδηγήσει στη µη σωστή λειτουργία ή και καταστροφή ενός αρχείου. Γι αυτό λοιπόν σε αυτούς τους τύπους CD χρειάζεται έξτρα προστασία από λάθη και οδηγούς συγχρονισµού, τα οποία ενσωµατώνονται σε κάθε sector έτσι ώστε το CD drive να διαβάζει µε ακρίβεια τα σωστά δεδοµένα και στο σωστό σηµείο του δίσκου. Αυτές οι επιπρόσθετες πληροφορίες έχουν σαν αποτέλεσµα να µειώνουν τη 64

χωρητικότητα των δίσκων data αλλά συγχρόνως να τα κάνουν πιο ανθεκτικά στα λάθη και τις αλλοιώσεις του δίσκου γρατσουνιές κτλ. Ανάλογα µε τη διαµόρφωση των sectors οι οπτικοί δίσκοι χωρίζονται σε κατηγορίες που ονοµάζονται Modes και υποκατηγορίες που ονοµάζονται Forms. Η συνολική χωρητικότητα του κάθε τύπου δίσκου εξαρτάται από το εάν πρόκειται για CD 333.000 ή 360.000 sectors. Red-Book - Audio Sector(75p/sec) 2352 bytes ηχητικών δεδοµένων 746.9 Mb ήχου ή 807.5 Mb ήχου Mode 1 - Yellow-Book - CD-ROM Data Sector Sync Header Data EDC Unused ECC 12 4 2048 4 8 276 650.1 Mb ή 703 Mb Mode 2-Form 1 - CD-ROM XA Data Sector Sync Header Subheader Data EDC ECC 12 4 8 2048 4 276 650.1 Mb ή 703 Mb Mode 2-Form 2 - CD-ROM XA (Video CD κτλ) Data sector Sync Header Subheader Data ECC 12 4 8 2324 4 738 Mb ή 797.9 Mb Sync (12 bytes): Χρησιµοποιείται για να επιτρέπει στο player να βρίσκει την αρχή του κάθε sector. Header (4 bytes): Αποτελούµενο από λεπτά, δευτερόλεπτα, sectors και mode ECC (Error Correction Code 276 bytes): Εµπεριέχει επιπρόσθετο επίπεδο διόρθωσης σφαλµάτων CIRC error protection. EDC (Error Detection Code 4 bytes): Χρησιµοποιείται για να ανιχνεύει τα σφάλµατα που θέλουν διόρθωση. Σηµείωση: Λόγο αυτών των διαφορών µεταξύ των audio CD και CD-ROM στην τοποθέτηση των δεδοµένων πάνω στο δίσκο, δεν συνιστάται η µέθοδος audio extraction που προσφέρεται από τα περισσότερα software Η/Υ όταν επιζητούµε την καλύτερη δυνατή ποιότητα µεταφοράς των ηχητικών δεδοµένων. Είναι συνήθως προτιµότερο η ηχητική πληροφορία να εγγραφεί σε πραγµατική ταχύτητα µέσω ψηφιακής σύνδεσης από ένα CD-player καλής ποιότητας. 65

5.7 Βιοµηχανική παραγωγή του CD Για την βιοµηχανική παραγωγή του CD απαιτείται αρχικά η εγγραφή/χάραξη µε ακτίνα laser, (πιο ισχυρού από αυτό που χρησιµοποιείται για την ανάγνωση των CD) για τη δηµιουργία της µήτρας που ονοµάζεται glass master. Κατά τη διαδικασία αυτή η ακτίνα εκθέτει µικρά εναλλασσόµενα κοιλώµατα σε µια φωτο-ανθεκτική επιφάνεια που βρίσκεται πάνω σε ένα περιστρεφόµενο γυάλινο δίσκο - glass master disk. Η διάταξη αυτών των κοιλωµάτων αντιπροσωπεύει τα δεδοµένα που αποθηκεύονται στον δίσκο. Στη συνέχεια η «µήτρα» αυτού του γυάλινου δίσκου επικαλύπτεται «εν κενώ» από άργυρο (ασήµι) για να τον κάνει ηλεκτρικά αγώγιµο. Αµέσως µετά ακολουθούν αρκετές ηλεκτροδιαµορφωτικές επεξεργασίες για να παραχθεί η στάµπα stamper (αρνητικό) η οποία είναι το καλούπι που µπορεί να ανατυπώσει αρκετές χιλιάδες οπτικών δίσκων. Εικ. 5.5: Η δηµιουργία του glass master Οι σηµαντικοί παράγοντες στη διαδικασία αυτή είναι ότι το κάθε κοίλωµα πάνω στο δίσκο πρέπει να εκτυπώνεται µε ακρίβεια και η γύρο περιοχή να είναι επίπεδη και οµαλή. Όταν σκεφτεί κανείς πόσο µικροσκοπικά είναι τα σηµεία αυτά πάνω στην επιφάνεια του CD (6 εκατοµµυριοστά του µέτρου φάρδος) είναι φανερό το πόσο µεγάλη ακρίβεια απαιτείται. Η κατασκευή της µήτρας και της στάµπας των οπτικών είναι λοιπόν µία σύνθετη διαδικασία και γίνεται σε ειδικούς χώρους απόλυτης καθαριότητας (class 1000 clean room). Οι χειριστές φορούν ειδικά ρούχα και µάσκες για την ελαχιστοποίηση των σωµατιδίων που µπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα της στάµπας. Εικ. 5.5: Μία µήτρα CD - glass master τοποθετηµένη σε κενό αέρος 66

Στάδια βιοµηχανικής παρασκευής του οπτικού δίσκου Η κατασκευή του οπτικού δίσκου CD µπορεί να χωριστεί αναλυτικά σε δώδεκα στάδια. 1. Αρχικά µία γυάλινη πλάκα οµαλοποιείται και γυαλίζεται. Γυάλινος δίσκος 2. Στη συνέχεια επιστρώνεται ένα φωτο-ανθεκτικό υλικό πάνω στη πλάκα. Φωτο-ανθεκτικό υλικό 3. Το laser χαράζει επάνω στο φωτο-ανθεκτικό στρώµα τα ψηφιακά δεδοµένα σε µορφή σηµείων (αυλακιών). Χάραξη laser 4. Μετά από τη διαδικασία τα σηµεία είναι παρόντα στην επιφάνεια του δίσκου και υποδηλώνουν τα 0 και τα 1 της ψηφιακής πληροφορίας. Glass master 5. Η επιφάνεια καλύπτεται µε ασήµι για να προστατέψει τα σηµαντικά άκρα των σηµείων. Επίστρωση Ασηµιού 6. Εφαρµόζεται νικέλιο για την παραγωγή µεταλλικού master (metal master). Μεταλλικό master 7. Το µεταλλικό master και το glass master διαχωρίζονται. Μεταλλικό master Glass master 67

8. Μητρικές πλάκες φτιάχνονται από το µεταλλικό master µε πρεσάρισµα. Μητρική πλάκα Μεταλλικό master 9. Οι µητρικές πλακέτες χρησιµοποιούνται για να φτιάξουν στάµπες. Αυτές είναι αρνητικά του τελικού CD. Στάµπα Μητρική πλάκα 10. Οι στάµπες χρησιµοποιούνται για να παράγουν σε µεγάλες ποσότητες τους τελικούς δίσκους αποτυπώνοντας τις πληροφορίες αρχικά σε ένα δισκάκι αποτελούµενου από ένα υλικό που ονοµάζεται πολύκαρβονίδιο. Στάµπα ίσκος CD (πολυκαρβονίδιο) 11. Μία στρώση από αλουµίνιο ατµοποιείται πάνω στο τελικό CD για να δηµιουργήσει τη ανακλώµενη επιφάνεια πάνω στην οποία το laser του CD player θα ανακλάται. Ανακλώµενη επιφάνεια Επιφάνεια σήµατος CD (πολυκαρβονίδιο) 12. Τέλος µία λεπτή µη διαφανής και προστατευτική µεµβράνη λάκας προστίθεται. Σε αυτή τη πλευρά τοποθετείται και η ετικέτα του CD. Μεµβράνη λάκας Στη πραγµατικότητα όπως διαπιστώνει κανείς η επιφάνεια στην οποία βρίσκονται τα δεδοµένα είναι το επάνω µέρος του CD δηλαδή εκεί που βρίσκεται η ετικέτα. Το laser ανακλάται στην ανακλώµενη επιφάνεια που περιγράφεται στο 11 ο στάδιο και επιστρέφει και έτσι «διαβάζει» τις πληροφορίες. Γι αυτό και οι γρατσουνιές στην κάτω πλευρά του CD µπορεί πολλές φορές να µην είναι τόσο επιβλαβείς στην αναπαραγωγή όσο αυτές στη πάνω πλευρά. 68

Απαραίτητο στάδιο για την βιοµηχανική παραγωγή είναι βέβαια και το πακετάρισµα των δίσκων καθώς και η δηµιουργία των εξώφυλλων Εικ 7.2: Το πακετάρισµα των οπτικών δίσκων Απαραίτητος είναι και ένας ποιοτικός έλεγχος για να εξασφαλισθεί η ακεραιότητα του κάθε δίσκου όπου αποτελείται από µία σειρά τεστ: Έλεγχος της στάµπας για τυχόν λάθη και όπου µπορεί να παιχτεί σε ένα ειδικό stamper player, καθώς και έλεγχος της δοµής του PQ list για τους σωστούς χρόνους. Επιθεώρηση του κάθε δίσκου για προβλήµατα που φαίνονται οπτικά όπως γρατσουνιές και σηµάδια. Μετρήσεις των δίσκων για να εξασφαλιστεί ότι τα σηµεία (αυλάκια) είναι στις σωστές διαµέτρους κτλ. οκιµές περιβάλλοντος κατά την οποία οι δίσκοι δοκιµάζονται σε διαφορετικές θερµοκρασίες και βαθµούς υγρασίας. Έλεγχος σύµφωνα µε το πρωτόκολλο ποιότητας ISO 9002. Ένα µηχάνηµα όπως το monoliner µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να παράγει οπτικούς δίσκους αφού η στάµπα έχει φτιαχτεί. Το monoliner εµπεριέχει όλα τα απαραίτητα εργαλεία για τη δηµιουργία αντιτύπων από την στάµπα, συµπεριλαµβανοµένου εκτυπωτή και ποιοτικού ελέγχου. Εικ 7.3: Το Discjet 600 monoliner παρέχει την επίστρωση αλουµινίου, λάκας την εκτύπωση ετικέτας, ποιοτικό έλεγχου, αλλά και το πακετάρισµα των δίσκων. 69

5.8 CD-R & CD-RW (Εγγράψιµα και επανεγγράψιµα CD) Το CD-R - CD Recordable (εγγράψιµος οπτικός δίσκος) παρουσιάστηκε το 1990 από την Philips και Sony. Το CD-R προσέφερε τη δυνατότητα στο χρήστη για να γράψει δικά του δεδοµένα διατηρώντας τα χαρακτηριστικά ενός τυπικού δίσκου CD. Tο βασικό χαρακτηριστικό ενός οπτικού δίσκου CD-R είναι η δυνατότητα να γράψουµε πάνω του µια φορά και να διαβάσουµε πολλές και οι προδιαγραφές για τα CD-R βρίσκονται στο part II του πορτοκαλί βιβλίου. Λόγω του ότι ο τρόπος κωδικοποίησης του CD είναι οπτικός και όχι µαγνητικός όπως στις κασέτες, αρχικά δεν κατέστη δυνατό να γράψουµε σε ένα τυπικό δίσκο CD. Σε έναν τυπικό οπτικό δίσκο η κωδικοποίηση των ψηφιακών δεδοµένων, που αντιπροσωπεύονται από µονάδες και µηδενικά, γίνεται µε φυσικές, µη αναστρέψιµες µεταβολές στην επιφάνεια τα του δίσκου. Με άλλα λόγια, οι πληροφορίες στο φυσικό επίπεδο χαράσσονται στην κυριολεξία, ως κοιλότητες (µηδέν) και νησίδες (µονάδα) επάνω στο πολυκαρβονικό υπόστρωµα του δίσκου. Οι δίσκοι CD-R αποτελούνται από ένα πολυκαρβονικό υπόστρωµα, όπως και τα αντίστοιχα βιοµηχανικά CD. Η κάτω όµως πλευρά του υποστρώµατος, στην περίπτωση των CD-R, δεν πρεσάρεται για να σχηµατιστούν οι κοιλότητες, όπως στα βιοµηχανικά CD, αλλά καλουπώνεται µε έναν οδηγό-αυλάκι µε σπειροειδή µορφή. Ο οδηγός CD-R χρησιµοποιεί αυτό το αυλάκι για να ακολουθήσει τη σειρά των δεδοµένων και να τον εγγράψει στο δίσκο. Η πλευρά του πολυκαρβονικού υποστρώµατος στα CD-R επιστρώνεται µε µια ειδική, φωτοευαίσθητη, οργανική βαφή, συνήθως πράσινη ή χρυσή. Η τεχνολογία των CD-R απαιτεί, εξαιτίας της ειδικής κατασκευής των δίσκων, οδηγούς µε διαφορετική αρχιτεκτονική και τρόπο λειτουργίας από τους συνηθισµένους οδηγούς CD-ROM. Η ιδιαιτερότητα που κάνει έναν οδηγό CD-R πολύ διαφορετικό από έναν κοινό οδηγό CD- ROM, είναι το ειδικό laser που χρησιµοποιεί εφόσον αυτό "καίει" το στρώµα µε την οργανική βαφή, γράφοντας έτσι την ψηφιακή πληροφορία στο δίσκο. Συγκεκριµένα, όταν ένας δίσκος CD-R εγγράφεται, η δέσµη της ακτίνας laser ακολουθώντας τη σπιράλ διαδροµή του αυλακιού, "καίει" τη φωτοευαίσθητη επιφάνεια µε την οργανική βαφή, αλλάζοντας τη χηµική της σύσταση στα σηµεία που "χτυπά". Εκεί λοιπόν, που χτυπά η δέσµη φωτός σχηµατίζεται κάτι ανάλογο µε την κοιλότητα ενός βιοµηχανικού CD, που πέφτοντας µέσα της το φως, διαχέεται. Αντιθέτως, τα σηµεία που δεν αγγίζει η δέσµη του laser σχηµατίζουν νησίδες, από όπου όλο το φως ανακλάται πίσω επιστρέφοντας στην κεφαλή ανάγνωσης. Με λίγα λόγια, ένας γραµµένος δίσκος CD-R αποτελείται στην κυριολεξία από "καµένες" και "άκαυτες" περιοχές, που µιµούνται τις κοιλότητες και τις νησίδες αντίστοιχα, ενός βιοµηχανικού CD Επειδή η διαδικασία εγγραφής των πληροφοριών βασίζεται στις αρχές της θερµότητας, της χηµείας και στις φυσικές αλλαγές που αυτές επιφέρουν στο µέσο, οι όποιες µεταβολές γίνονται στην επιφάνεια του δίσκου, είναι µόνιµες και µη αναστρέψιµες (write once). Τα CD-R έχουν ένα σοβαρό περιορισµό, αφού η εγγραφή σε συγκεκριµένο σηµείο του δίσκου επιτρέπεται µόνο µια φορά. Αυτός ο περιορισµός ξεπεράστηκε από την τεχνολογία των CD- RW - Rewriteable CD (επανεγγράψιµων οπτικών δίσκων) που δίνουν τη δυνατότητα της εγγραφής και να αναπαραγωγής από έναν οπτικό δίσκο όπως ακριβώς και από µια δισκέτα. Η τεχνολογία των CD-RW στηρίζεται σε µαγνητικο-οπτικά µέσα, σε αντίθεση µε τα CD-R που 70

στηρίζονται σε καθαρά οπτικά µέσα. Οι προδιαγραφές κατασκευής και λειτουργίας των οδηγών CD-RW και των δίσκων CD-RW, περιγράφονται στο part ΙΙΙ του πορτοκαλί βιβλίου. Τα CD-RW ιαθέτουν µια πολυκαρβονική επιφάνεια µε έναν οδηγό-αυλάκι µε σπειροειδές σχήµα, που χρησιµεύει ως καθοδηγητής κατά την εγγραφή των δεδοµένων. Η επιφάνεια εγγραφής των δίσκων CD-RW είναι διαφορετική από την αντίστοιχη επιφάνεια των δίσκων CD-R. Στους δίσκους CD-RW το στρώµα της οργανικής βαφής έχει αντικατασταθεί από ένα ειδικό στρώµα που µπορεί να αλλάζει κατάσταση ανάλογα µε τις συνθήκες που επικρατούν. Συγκεκριµένα, η χηµική σύσταση της ειδικής βαφής έχει την ικανότητα να αλλάζει καταστάσεις κάτω από την επίδραση ενέργειας, ακριβώς όπως το νερό µπορεί να πάρει τη µορφή ατµού ή πάγου ανάλογα µε τη θερµοκρασία στην οποία υπόκειται. Η ειδική χηµική σύσταση όταν εκτεθεί σε υψηλή θερµοκρασία αλλάζει τη φυσική της κατάσταση, την οποία όµως στη συνέχεια µπορεί να διατηρήσει, ακόµα και αν πάψουν να υφίστανται οι συνθήκες που την προκάλεσαν. Η σύσταση αυτή για να αλλάξει εκ νέου φυσική κατάσταση, πρέπει να εκτεθεί στις ίδιες υψηλές συνθήκες θερµοκρασίας. Όταν το υλικό των CD-RW θερµαίνεται σε µια συγκεκριµένη θερµοκρασία και στη συνέχεια ψύχεται, παίρνει κρυσταλλική µορφή. Όταν όµως το υλικό θερµαίνεται σε υψηλότερες θερµοκρασίες και στη συνέχεια ψύχεται παίρνει µη κρυσταλλική µορφή. Η ανάκλαση του φωτός είναι µεγαλύτερη όταν το υλικό έχει κρυσταλλική µορφή, παρά όταν έχει µη κρυσταλλική µορφή. Κατά µια έννοια η κρυσταλλική µορφή του υλικού µοιάζει µε τις νησίδες, ενώ η µη κρυσταλλική µορφή θυµίζει τις κοιλότητες που χαρακτηρίζουν τα CD-R. Ο οδηγόςαυλάκι και τα υπόλοιπα στρώµατα του CD-RW παραµένουν αναλλοίωτα. Παρόλα τα πλεονεκτήµατα που παρουσιάζουν τα CD-RW, έχουν ένα µεγάλο µειονέκτηµα συµβατότητας µε τα CD players και αρκετούς οδηγούς CD-ROM. Στη πράξη αυτό σηµαίνει ότι αν γράψουµε µουσικά δεδοµένα πάνω σε ένα δίσκο CD-RW, τότε δεν θα µπορέσουµε να τον αναπαράγουµε σε κανέναν CD player, καθώς επίσης πολύ λίγοι οδηγοί CD-ROM θα είναι σε θέση να διαβάσουν τα µουσικά δεδοµένα του δίσκου. 71