U ovom tekstu se nalazi objasnjenje odnosno princip izrade samih CD medija , princip citanja podataka sa CD-a te nacin na koji su podaci zapisani na samom CD-u . Detaljno je opisan hardware za Audio CD buduci da je hardware za citanje identican kod Audio CD-a i CD-ROM-a , a razlikuju se nacini kodiranja podataka . Takoder ima par rijeci o standardima (IEC 10149) i kratak opis vrsta CD-a .
CD tehnologija je vrlo zastupljena u danasnjem drustvu zbog svojih dobrih karakteristika , a to su veliki kapacitet (74 min stereo zvuka ili oko 650 MB podataka) , niska cijena medija odnosno vrlo dobar odnos kolicina podataka/cijena , niska cijena uredaja , prihvatljiva brzina dohvata i prijenosa podataka (Data transfer rate za Single speed CD-ROM iznosi oko 150KBytes/s)te male dimenzije samog diska .
CD kakav se danas koristi u industriji racunala je potekao od Audio CD-a , te su njihovi nacini citanja podataka s CD-ova i njihova zapisivanja identicni . Konvencionalni audio CD je medij za spremanje digitalno sample-iranog zvuka. Audio CD približno može sadržavati oko 74 minute stereo glazbe snimljene sa 16-bitnom rezolucijom , te sadržava i niz tehnika za smanjenje , detekciju i ispravak grešaka.
CD disk je disk promjera 120 mm sacinjen od polikarbonata. U centru sa nalazi rupa promjera 15 mm. Podaci sa nalaze izmedu lokacije promjera 46 mm i lokacije promjera 117 mm. Podrucje od 46 - 50 mm je ulazno podrucje (lead in), a podrucje od 116 - 117 je izlazno podrucje (lead out). Podaci su zapisani iznutra prema van , što omogucuje proizvoljnu promjenu velicine diska.
CD disk se sastoji od niza udubljenja (pits) zapisanih u obliku spirale. RUBOVI udubljenja odgovaraju binarnoj jedinici. Svaka udubina je široka oko 0.5 mikrometara (mikron) i dugacka negdje izmedu 0.83 i 3.56 mikrona. Trake su medusobno razmaknute za 1.6 mikrona. Zbog takvih dimenzija bliskih valnim duljinama svjetlosti (valna duljina zelenog svjetla je oko 0.5 mikrona) ,odnosno zbog difrakcije svjetla CD-ovi izgledaju onako šareno.
Spiralni nacin zapisa podataka na CD
Prostor izmedu udubina zove se kopno (land). Udubine su prekrivene tankim slojem (50 - 100 nm) metala (alumijij, zlato ili srebro). Dodatni tanki sloj polimera (10 - 30 mikrona) pokriva metal . Može se primijetiti da su udubine puno bliže gornjem sloju diska (20 mikrona) nego sloju na strani s koje se cita (1.55 mm).
Izgled udubina(pits) i kopna(land)
Usporedba velicine udubine s prasinom i kosom
Proces zapocinje stvaranjem "staklenog mastera" . To se radi tako da se na staklenu plocu nanese fotorezist , zatim se laserski upišu podaci koje treba CD sadržavati na fotorezist.
Fotorezist na staklu
Upisivanje podataka na fotorezist
Nakon što se fotorezist razvije (odstrani dio koji je bio osvjetljen) nanosi se na njega metalni sloj (tipicno srebro-nikal) naparivanjem.
Naparivanje metela na fotorezist
Master se tada provjerava. Slijedi elektrokemijski proces u kojem se dodatni metal nanosi na srebreni sloj.
Elektrokemijski proces
Kad je metalni sloj dovoljno debel on se odvaja od staklenog mastera. Rezultat je negativ diska koji se zove "otac".
Odvajanje "oca"
Proces se ponavlja na ocu te se dobiva oko 3-6 pozitiva (metalnih otisaka) prije nego što se previše degradira kvaliteta oca. Ovi otisci se zovu "majke".
Nastanak "majke"
Proces se ponavlja još jednom te se od majki dobivaju 3-6 negativa zvanih "sinovi" ili kalupi koji se koriste za proizvodnju finalnih CD-ova injekcijom polikarbonata.
Nastanak "sina"
Proces injekcije polikarbonata
Na polikarbonat se nakon odvajanja nanosi tanki sloj metala (aluminij, zlato, bakar ili srebro) , najcešce se nanosi srebro ili aluminij , jer zlato je preskupo , a bakar ima cudan izgled.
Nanosenje metala na polikarbonat
Nakon metalne depozicije na metal se nanosi tanki plasticni sloj (1-30 mikrona). Na kraju se na gornji dio stavlja natpis.
Finalni proizvod
CD se ustvari cita odozdo tako da sa strane leasera udubine ustvari nisu udubine vec izbocine.
Izbocine
Polikarbonat je ustvari dio optickog sustava za citanje izbocina. Indeks loma zraka iznosi 1.0 dok indeks loma polikarbonata iznosi 1.55. Lasersko svjetlo koje pada na polikarbonatnu površinu ce se refraktirati pod vecim kutem te ce se originalni laserski snop širine 800 mikrona fokusirati na otprilike 1.7 mikrona (na metalnoj površini) cime se smanjuje utjecaj ogrebotina i prašine.
Lom laserske zrake na povrsini polikarbonata
Laser koji se tipicno koristi u CD playerima je AlGaAs laserska dioda sa valnom duljinom u zraku od 780 nm , dok u polikarbonatu ta valna duljina iznosi oko 500 nm (1.55 puta manje , koliki je i indeks loma polikarbonata).
Udubina (odnosno izbocina) je pažljivo izradena tako da je visoka jednu cetvrtinu valne duljine. Ideja je ta da svjetlo koje pada na kopno (land) putuje jednu polovinu valne duljine dulje nego svjetlo koje pada na izbocinu. Svjetlo koje pada na kopno je zakašnjeno za jednu polovinu valne duljine te je suprotno u fazi sa svjetlom reflektiranim na izbocini te se ta dva vala interferencijom poništavaju - tako da nema reflektiranog svjetla.
Odbijanje zrake koja pada na kopno ili izbocinu
Tipicni nacin citanja je citanje sa tri zrake (three beam pick-up). Svjetlost emitirana iz laserske diode prolazi kroz otvor za difrakciju (diffraction grating) gdje se dobivaju tri zrake koje zatim prolaze kroz polarizator koji propušta zrake samo u jednom smjeru (polarizing beam splitter) i zatim zrake prolaze kroz kolimator te kroz plocu jedne cetvrtine valne duljine koja ih konvertira u cirkularno polarizirano svjetlo. Cirkularno polarizirano svjetlo se zatim fokusira na disk. Ako svjelo pogodi kopno ono se ne reflektira , a ako pogodi izbocinu onda se reflektira. Reflektirano svjetlo prolazi opet kroz plocu jedne cetvrtine valne duljine gdje se zbog suprotnog smjera polarizira okomito na originalnu zraku. To svjetlo zatim pada na polarizator na kojem se sada reflektira te se preko leca prenosi na fotodetektor.
Sustav za citanje
Ako lece objektiva nisu u fokusu onda na fotodetektorsku mrežu pada elipticna slika , dok je za slucaj u fokusu slika savršeno okrugla.
Ako je objektiv preblizu
Ako je objektiv predaleko
Oblici na fotodetektoru
Jednostavan krug za autofokus
Princip pracenja trake se sastoji u tome da primarna zraka od one tri prati traku , dok se ostale dvije trebaju nalaziti na kopnu. Te tri zrake su razmaknute medusobno za oko 20 mikrona.
Pozicija zraka pri ispravnom pracenju
Pozicija zraka pri neispravnom pracenju
Moraju se postaviti još dva dodatna detektora koja registriraju druge dvije zrake. Ako su sve tri trake u ispravnom položaju onda pomocni fotodetektori primaju jednake kolicine svjetla . Ako se zrake pomaknu sa svog pravilnog položaja onda centralni detektor dobiva više svjetla nego u ispravnom slucaju , a pomocni detektori nisu u balansu.
Registracije fotodetektora pri ispravnom pracenju
Registracije fotodetektora pri neispravnom pracenju
Podaci na CD-u nisu zapisani jednostavno kao nizovi jedinica i nula nego se izvorni podaci podvrgavaju dodatnim kodiranjima (dodaju se paritetni bitovi i podaci za detekciju i ispravljanje grešaka). Takoder se fizicki podaci moraju promijeniti (EFM kodiranje) da bi se eliminirala mogucnost postojanja susjednih jedinica ("1") zato jer su podaci predstavljeni bridovima izbocenja , a ne samim izbocenjima).
Npr.
1 1 0 1 0 0 0 0 P1 P2 P3 P4
x x x x 1
x x x x 0
x x x x 0
x x x x 1
Ako je doslo do pogreske u nekom bitu ona se moze otkriti i popraviti.
1 2 3 4 5 6 7 8 P1 P2 P3 P4
1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1
x x x x 1
x x x x 1
x x x x 0
x x x x 1
Za dekodiranje digitalnog zvuka na CD playerima koristi se standard IEC 908. CD playeri koriste paritetne bitove i interleaving tehnike za minimizaciju grešaka na disku. Teoretski kombinacijom paritetnih bitova i interleavinga mogu se detektirati i popraviti pogreške do 4000 loših bitova (fizicki defekt od 2.47 mm). Interpolacija može sakriti greške do 13700 bitova (fizicki defekt od 8.5 mm). (Tablica iz standarda IEC 908) koja opisuje algoritam kodiranja .
Princip CIRC kodiranja je slijedeci :
Tako kodiranim podacima sad se dodaje 8-bitni subkod koji sadrzi informacije o pocetku i zavrsetku pjesme , te podatke za sinkronizaciju. Takvi podaci se zatim EFM kodiraju te im se dodaju po 3 "merge" bita - nule "0" (bitovi za spajanje) koji sluze zato da se izmedju EFM rijeci koje zavrsavaju ili pocinju s "1" ne bi pojavile susjedne jedinice (npr. 128 je EFM 01001000100001 ,a 57 je EFM 10000000001000 da njih dva ne bi imali susjedne "1" izmedju njih se dodaju tri "0" koje se pri citanju izbacuju). Svakom frameu se jos dodaje na pocetak 24 bitna rijec za sinkronizaciju (100000000001000000000010).
Slijedi da svaki frame (588 byte) sadrzi samo 192 byte podataka zvuka , a ostalo su podaci za detekciju i korekciju pogreske.
CD/ROM je ustvari proširenje Audio CD formata.
| CD-Audio | IEC 908 | Red Book |
| CD-ROM | ISO/IEC 10149 | Yellow Book |
| CD-i | Green Book | |
| Video CD | White Book | |
| CD-R | ISO-IEC 11172/1/2/3 | Orange Book (1990) |
| CD-ROM | ISO-9660 | High Sierra |
| CD-R | ECMA 168 / IS 13940 | Frankfurt proposal |
Osnovna struktura podataka je drukcija nego kod audio CD-a jer se pokusalo bolje iskoristiti prostor (da ima sto vise korisnih podataka).
Kod standarda IEC 10149 koristi se superstruktura od 98 frameova da bi se dobilo više korisnickog prostora. Superstruktura osigurava 24 bytea po frameu na 98 frameova što daje rezultat od 2352 bytea. Ta superstruktura se naziva sektor. Od 2352 bytea minimalno je 2048 byteova rezervirano za korisnicke podatke (2048 u Modu 1 i 2336 u Modu 2).Sektori su organizirani tako da prvih 12 byteova sadrži sinkronizacijske informacije, 12., 13. i 14. byte sadrže podatke za adresiranje , 15. byte definira mod ; za Mod 1, od 16. - 2063. bytea nalaze se korisnicki podaci , a od 2064. - 2351. bytea se nalaze podaci za detekciju i korekciju pogreški , za Mod 2 se od 16. - 2351. bytea nalaze korisnicki podaci.
Redni broj bytea Sadrzaj
0 0000 0000
1-10 1111 1111
11 0000 0000
12 Minute - 74 max
13 Sekunde - 59 max
14 Broj bloka unutar sekunde (75 blok/sec)
15 Mode 02
16-2351 Korisnicki podaci
Redni broj bytea Sadrzaj 0 0000 0000 1-10 1111 1111 11 0000 0000 12 Minute - 74 max 13 Sekunde - 59 max 14 Broj bloka unutar sekunde (75 bloc/sec) 15 Mode 01 16-2063 Korisnicki podaci 2064 - 2067 4 byta EDC 2068 - 2075 8 bytova 0000 0000 2076 - 2247 172 byta P-pariteta 2248 - 2351 104 byta Q-pariteta
Objasnjnje MODE 1 :
EDC bytovi se koriste za tzv. Cyclic Redundancy Check , a nastaju na osnovu bytova od 0-2063.
P i Q su paritetni bitovi.
Mijesanje (scramble) se vrsi na bytovima od 12-2351 za svaki sektor.
Sada se sektor dijeli na frameove od 24 byta svaki , parni i neparni bitovi unutar framea zamijene mjesta te se ti frameovi kodiraju kao kod Audio CD-a.
CD je danas najzastupljeniji medji za pohranu podataka i zvuka , brzine citanja driveova se iz dana u dan povecavaju , a cijene CD pisaca se smanjuju sto dodatno donosi njegovoj popularnosti . CD je dobio i svog nasljednika tzv. DVD-ROM (Digital Video (Versatile) Disc) koji je ustvari poboljsanje standardnog CD-a (poboljsana je tehnologija pisanja i citanja CD-a smanjene su fizicke dimenzije izbocina (oko 2 puta) i razmak izmedu trackova ) te je na taj nacin dobiven kapacitet od oko 4.7 Gbyte na jednoj strani , a buduci da se moze citati i pisati s obje strane to za dvostrani DVD iznosi oko 8.5 Gbytea . Zbog smanjenja fizickih dimenzija ujedno je i znatno povecana i brzina prijenosa podataka . Same dimenzije diska CD i DVD su jednake (120 mm) . Buducnost CD-a svakako lezi u DVD-u .