Napędy dysków kompaktowych CD
Historia
W 1982 roku opracowany został standard
cyfrowego zapisu dz
więku na płytach CD,
obecnie zwanych CD-DA (ang. Compact Disk -
Digital Audio). Do odtwarzania muzyki z płyt CD
służy urządzenie zwane odtwarzaczem CD,
które odczytuje dane (postać cyfrową dz
więku)
z płyty z szybkością ok. 176 KB/s (44100
próbek 16-bitowych, w ciągu sekundy, dla
każdego kanału stereo).
Trzy lata póz
niej powstał standard CD-ROM
(ang. Compact Disk - Read Only Memory),
umożliwiający odczyt informacji (zapisanej na
stałe) z dysków kompaktowych.
W 1987 roku opracowano standard CD-I (ang.
Compact Disk lnteractive), a następnie
bazujący na nim standard CD-ROM XA (ang.
Extended Architecture), umożliwiający
jednoczesny odczyt danych, dz
więku i obrazu.
W 1990 roku powstała specyfikacja CD-R (ang.
CD-Recordable) dla płyt zapisywalnych (za
pomocą urządzeń zwanych nagrywarkami lub
CD-Recorderami).
Dysk kompaktowy - mały wymienny krążek
wykonany z tworzywa sztucznego o średnicy
12 cm i grubości 1.2 mm potrafi pomieścić ok.
700 MB danych. Informacja ta zapisana jest na
spiralnej ścieżce za pomocą tzw. "pitów" i
"landów". Pity to zgłębienia na powierzchni
dysku powodujące słabsze w stosunku do
powierzchni płaskiej (tzw. landów) odbicie
promienia laserowego. Ścieżka o długości ok. 6
km ma szerokość 0.6 mikrometra, a odległość
między sąsiednimi ścieżkami wynosi 1.6
mikrometra.
Głowica odczytu zawiera laser diodowy emitujący
światło o długości fali ok. 780 nm. Promień po
przejściu przez obiektyw pada na powierzchnię dysku
i odbija się od niej na różne sposoby, w zależności od
zagłębień (pitów) i powierzchni płaskiej (landów).
Głębokość pitów jest tak dobrana, żeby odbijające się
od niego światło zostało w całości wygaszone przez
interferencję. Natomiast światło odbite od landów
trafia poprzez układ optyczny do fotodiody, która
zamienia je na impuls elektryczny. Na dysku
kompaktowym CD dane prezentowane są więc jako
pity i landy. Logiczne zero prezentowane jest przez pit
lub land. jedynka zaś poprzez przejście pomiędzy
pitem a landem lub odwrotnie.
STRUKTURA PA
YTY CD-R
warstwa zabezpieczająca
warstwa odblaskowa
warstwa danych
warstwa tworzywa
sztucznego (poliwęglan)
" Najmniejszą jednostką informacji (zapisanej na dysku
kompaktowym), którą można zaadresować, jest sektor
(zwany też ramką - ang. Frame) zawierający 2352
bajty. Rozróżnia się kilka formatów zapisu danych na
dysku (kilka formatów sektorów):
" CD-ROM Mode 1 - format, w którym sektor zawiera
2048 bajtów danych; 288 bajtów to informacja
kontrolna służąca do detekcji i korekcji błędów,
pozostałe 12 - to bajty synchronizacji i 4 bajty
nagłówka (w nagłówku umieszczono adres sektora),
" CD-ROM Mode 2 - w formacie tym nie występuje
detekcja i korekcja błędów (zakłada się, iż zapisana
informacja posiada własne kody umożliwiające
korekcję błędów); sektor może więc zawierać 2336
bajtów danych; format ten stosowany do zapisu
skompresowanych dz
więków i obrazów
" CD-ROM XA/CD-I (Mode 2 Form 1) - sektor
zawiera również 2048 bajtów danych, 280
bajtów to detekcja i korekcja błędów, a 24 bajty -
to synchronizacja i nagłówek,
" CD-ROM XA/CD-I (Mode 2 Form 2) - format
sektora, zawierający aż 2324 bajty danych,bez
korekcji błędów, stosowany do cyfrowego zapisu
sygnału video,
" CD-DA (CD-Digital Audio) format stosowany
przy zapisie muzyki - cały sektor przeznaczony
do zapisu cyfrowego dz
więku (w przypadku
zapisu dz
więku lub obrazu zbędna jest detekcja i
korekcja błędów, jest ona natomiast konieczna
podczas zapisu i odczytu danych).
W starszych napędach CD, odczyt informacji z dysku
odbywał się ze stałą prędkością, wg tzw. systemu CLV
(ang. Constant Linear Velocity - stalą prędkość liniowa),
którą można osiągnąć poprzez zmienną prędkość
obrotową. Dysk wirował szybciej, gdy głowica odczytu
zbliżała się do środka dysku. Dla przykładu: pierwsze
czytniki CD (podobnie jak standard CD-Digital Audio)
odczytywały dane z szybkością 150 KB/s (prędkość
liniowa nośnika informacji była stała i wynosiła 1,25
m/s). Aby uzyskać stałą prędkość liniową, dysk obracał
się z szybkością od 200 do 500 obr/min, zależnie od
tego czy odczytywana była zewnętrzna czy wewnętrzna
ścieżka. Oczywiście proces dostosowywania prędkości
obrotowej do położenia głowicy, wpływał na zwiększenie
czasu dostępu do danych.
Współczesne czytniki dysków kompaktowych pracują z
szybkościami przewyższającymi kilkadziesiąt razy
szybkość odczytu swego protoplasty. Oczywiście aby
zwiększyć n-krotnie (np. 32-krotnie) szybkość odczytu,
należy zwiększyć również n-krotnie (odpowiednio 32-
krotnie) szybkość obrotową dysków. Jednak przy tak
dużych szybkościach obrotowych (zwłaszcza w
przypadku wymiennego nośnika), bezbłędny odczyt
staje się praktycznie niemożliwy, dlatego najnowsze
napędy podczas odczytu danych pracują wg systemu
CAV (ang. Constant Angular Velocity) ze stałą
prędkością kątową. Szybkość odczytu danych jest n-
krotna (i osiąga maksymalną wartość) tylko dla ścieżek
zewnętrznych. Odczyt danych ze ścieżek położonych
bliżej środka dysku jest zdecydowanie wolniejszy. Np.
w napędzie CD osiągający 50-krotną szybkość
transmisji zastosowano podwójny dynamiczny system
uchwytu płyty (ang. DDSS - Double Dynamie
Suspension System) zapobiega wibracjom napędu.
Płyty DVD  ze względu na ich pojemność
dzielą się na cztery rodzaje:
- płyty jednowarstwowe, jednostronnie
zapisywane, o pojemności 4,7 GB.
- płyty dwuwarstwowe, jednostronnie
zapisywane, o pojemności 8,5 GB (można je
rozpoznać po złotym kolorze nośnika oraz
dwóch numerach seryjnych, umieszczonych na
jednej jego stronie),
- płyty jednowarstwowe, dwustronnie
zapisywane, o pojemności 9,4 GB,
- płyty dwuwarstwowe, dwustronnie zapisywane,
o pojemności 17 GB.
Dyski DVD jednokrotnego zapisu
zawierają warstwę mieszaniny różnych
barwników organicznych, która pełni podobną
rolę jak na nośnikach CD. Barwniki te są
odpowiednio  dostrojone do światła laserowego
o długości fali 650 nm, jakie stosowane jest w
technologii DVD. Nadaje to płytom
charakterystyczny fioletowy kolor. Poważną
zmianą jest znacznie lepsze zabezpieczenie
warstwy przechowującej dane przed
uszkodzeniami. Na płytach DVD dane są
zawsze oddzielone od środowiska grubą
warstwą plastiku.
Każda płyta DVD powstaje w wyniku sklejenia
ze sobą dwóch poliwęglanowych krążków, a
warstwa danych umieszczona jest pomiędzy
nimi. Dane na płytach DVD zapisywane są w
podobny sposób, jak na płytach CD, mianowicie
na jednej spiralnej ścieżce. Same informacje
mają postać niewielkich zagłębień na lustrzanej
powierzchni płyty (nazywane pits). Jeżeli
podczas odczytywania danych promień lasera
trafia na obszar pomiędzy zagłębieniami (obszar
ten nazywa się  land)  ulega on odbiciu.
Jeżeli jednak trafia na obszar pit, to następuje
takie jego odchylenie, iż nie trafia on do
specjalnego fototranzystora, stanowiącego
odbiornik sygnału. Dzięki temu, poszczególne
obszary są identyfikowane, jako bity o wartości
1 lub 0. Podstawowa różnica w stosunku do
płyt CD, to gęstość upakowania danych na
płytce. Jest ona podwyższona na tyle w
stosunku do klasycznej płyty CD, iż jedna
strona jednowarstwowego dysku DVD może
zapisać ponad siedem razy więcej informacji niż
tradycyjny kompakt. Takie zwiększenie gęstości
zapisu wymusiło stosowanie do ich odczytu
laserów mniejszej długości fali.
W standardowym napędzie CD-ROM stosowane
są lasery podczerwone (o długości fali 780
nanometrów), podczas gdy w napędach DVD
używane są już czerwone lasery o długości fali
650 nm. Ciekawie rozwiązano odczyt danych z
dwuwarstwowych płyt. Powierzchnia górnej
warstwy nośnika jest półprzepuszczalna,
umożliwiając tym samym odczyt dwóch warstw
tej samej płyty za pomocą tego samego układu
optycznego, odpowiednio ogniskowego.
Przy płytach dwuwarstwowych odczyt danych
może być realizowany w dwojaki sposób:
1. Dane z dolnej warstwy są odczytywane
naprzemiennie z danymi z warstwy górnej (aby
to osiągnąć potrzebna jest ciągła zmiana
ogniskowej promienia laserowego),
2. Głowica czytnika odczytuje najpierw dane z
jednej ścieżki (wędrując od środka na zewnątrz),
a następnie następuje odczyt z drugiej ścieżki,
umieszczonej na drugiej warstwie (i wtedy
głowica porusza się od zewnętrznej krawędzi
płyty, do jej środka). Takie rozwiązanie
umożliwia odczyt obrazu video, bez
niepożądanych przerw z obu warstw płyty.
Aby uzyskać maksymalną pojemność dysku
DVD (17GB) należy  skleić ze sobą dwa
dwuwarstwowe dyski. Tej pojemności nośniki
spotyka się bardzo rzadko. Przyczyna jest
bardzo prosta  dla potrzeb czterogodzinnego
filmu bez problemu wystarcza jednostronny,
dwuwarstwowy nośnik, którego pojemności
wynosi 8,5 GB. Każdy czytnik DVD jest
wyposażony w system podwójnych soczewek,
co umożliwia im odczyt również tradycyjnych
płyt CD. Nie musimy tez pamiętać o
przestawianiu jakichkolwiek przełączników 
każdy napęd automatycznie rozpoznaje, jaki
rodzaj płyty w nim umieściliśmy.
Dodatkowym atutem, na rzecz istniejących
napędów DVD  jest fakt, iż w przeciwieństwie
do napędów pierwszej generacji  nie sprawiają
one problemów przy odczytywaniu samodzielnie
nagranych płyt CD. Kłopoty pierwszej generacji
napędów były spowodowane tym, iż zielonkawa
bądz
niebieska powierzchnia tych nośników,
pochłaniała zbyt wiele czerwonego światła
laserowego, co zniekształcało odczyt danych. W
obecnie istniejących napędach problem ten
rozwiązano dodając drugi układ optyczny z
laserem świecącym żółtym światłem.
DVD  ROM jest podstawowym formatem i jako
płyta przeznaczona jest do przechowywania
danych.
DVD  Video (często nazywane DVD) określa
format zapisu danych wideo na dysku i sposób
ich odgrywania przez odtwarzacze stacjonarne
lub komputer z napędem DVD. Różnica
przypomina odmienność pomiędzy nośnikami
CD-ROM, a muzyczną płytą CD Audio.
Formaty zapisu DVD: DVD  R, DVD + R, DVD
 RAM, DVD  ROM, DVD  RW, DVD + RW,
DVD + R DL
DVD + RW teoretycznie najszybszy w zapisie,
oferujący pojemność 4,7 GB (wczesne
wersje tylko 3 GB), kompatybilny z DVD, nie
unikający zapisu CD-R i RW (poszczególne
modele).
DVD  RAM (Digital Vesatile Disc-Radom
Memory) pojawił się jako drugi (po DVD-R),
oferując zapis na DVD. Możemy wielokrotnie
zapisać 9,2 GB (wcześniej 5,2), natomiast
specyfikacja tego standardu przewiduje nawet
17 GB!
Główną wadą DVD-RAM jest zupełny brak
kompatybilności z innymi urządzeniami DVD i
brak możliwości kopiowania CD-R i RW.
Przyczyną jest budowa nośnika  płyta jest
bowiem zamknięta w kasetce, przez co
przypomina nieco stare dyski 5,25 .
Dane zapisane są w obszarach, które mają
postać ciągu struktur land-groove (wyspa 
rowek), układających się na powierzchni płyty w
spiralną ścieżkę. Płyta zbudowana jest z
materiału zmieniającego stan z amorficznego
w krystaliczny pod wpływem działania
promienia lasera. Gdy moc promienia lasera jest
większa, materiał staje się krystaliczny
(przepuszczalny)
przy mniejszej mocy promienia  amorficzny
(nieprzepuszczalny). Dla czytnika DVD nie ma
różnicy, czy czyta płytę tłoczoną, czy DVD-RAM.
Promień lasera przechodzi przez warstwę
przezroczystą, dociera do warstwy refleksyjnej,
odbija się i wraca do głowicy  tak samo w płycie
tłoczonej zachowuje się land. Za to w obszarze
amorficznym promień lasera jest zaginany.
Powierzchnia płyty podzielona jest na 24 strefy,
każda strefa zawiera 1888 ścieżek, ścieżki zaś
składają się z sektorów. Obszar najbliższej
środka płyty składa się z 17 sektorów, natomiast
na skrajnym obszarze płyty wypada 40
sektorów.
Każdy taki sektor posiada swój znacznik ID,
dzięki któremu napęd może go zlokalizować.
Precyzyjny zapis dużych strumieni danych
umożliwiają spiralne ścieżki. Format ten nadaje
się głównie do zapisu wszelkiego rodzaju
danych, ponieważ nie możemy odpalić go na
standardowym DVD-ROMie. Jego przewaga
nad pozostałymi formatami to trwałość nośnika
 możemy wykonać 100 000 cyklów zapisu
podczas gdy na DVD-RW przyjmie tylko 1000.
4,7 GB płyta 8,5 GB płyta
jednowarstwowa, dwuwarstwowa,
jednostronnie jednostronnie
zapisywalna zapisywalna
9,4 GB płyta 17 GB płyta
jednowarstwowa, dwuwarstwowa,
dwustronnie zapisywalna dwustronnie zapisywalna
Dwuwarstwowa płyta DVD
Podobnie jak kiedyś w przypadku krążków CD-
R, dziś nabywcy nagrywarek DVD oczekują płyt
o większej pojemności. Tym razem jednak nie
wystarczy nieduża zmiana, na przykład z 650 na
700 megabajtów. Wiele osób kupuje nagrywarki
DVD, aby kopiować filmy, które w oryginalnej
wersji zajmują znacznie więcej miejsca niż 4,7
GB oferowanego przez DVD-/+R. Odpowiedzią
producentów są wielowarstwowe płyty DVD.
W 2003 roku Philips wspólnie z MKM (Mitsubishi
Kagaku Media)
opracował dwuwarstwowy dysk optyczny,
umożliwiający nagranie 8,5 GB danych. Pozwala
to na zapisanie na płycie aż czterech godzin
filmu DVD-Video lub 16 godzin materiału VHS.
Firma Philips należy do obozu DVD+RW Allian-
ce, toteż pierwszy zapisywalny krążek o
pojemności 8,5 GB oznaczono symbolem
DVD+R9 lub DVD+DL (ang. Double Layer/ Dual
Layer). Płyty dwuwarstwowe nie mają dokładnie
podwojonej pojemności krążka
jednowarstwowego, gdyż wgłębienia (tak zwane
pity) w spiralnej ścieżce zostały wydłużone w
celu ułatwienia odczytu i zapisu wewnętrznej
warstwy. Owocuje to nieco mniejszą gęstością
zapisu, a więc także pojemnością.
Przy projektowaniu nowego standardu autorzy
musieli pamiętać o zapewnieniu kompatybilności
z już istniejącymi czytnikami DVD
(stacjonarnymi i komputerowymi). Informacje
niezbędne do odczytania danych są zapisane w
sektorze ATIP (ATIP - sektor na płycie, w którym
przechowywane są informacje o typie nośnika )
co umożliwia odczyt płyt DVD+DL w starszych
odtwarzaczach. Dla napędu optycznego każda z
warstw jest widoczna jako autonomiczna
płaszczyzna zawierająca dane.
Dzieli je wystarczająco duża odległość, by
możliwy byt odczyt i zapis danych tylko z
wybranego obszaru płyty. Odczyt dolnej warstwy
nośnika następuje przez odpowiednie
zogniskowanie soczewki lasera. Promień lasera
napędu dociera do wewnętrznej warstwy płyty
dzięki zastosowaniu półprzez
roczystej
wewnętrznej powłoki. Nagrywarki obsługujące
płyty DVD+R DL początkowo zapisywały płyty z
prędkością 2,4x- zapisanie całego nośnika trwa
mniej więcej 45 minut. Z czasem ta wartość
wzrosła do 4x dla DL.
Blu-ray - nowy format zapisu optycznego,
opracowany przez Blu-ray Disc Association
(BDA). Jednowarstwowy dysk Blu-ray umożliwia
zapis 25 GB, a dysk dwuwarstwowy 50 GB
informacji.
Podczas gdy czytniki DVD korzystają z
czerwonego lasera, w BD (skrót od Blue-ray
Disc) laser ma kolor niebieski. Podstawową
różnicą pomiędzy tymi laserami jest długość fali
- czerwony ma 650 nanometrów, niebieski 405.
Pozwala to na dokładniejsze zapisywanie
danych.
Blu-ray Disc, który zapisuje dane na dysku
wykorzystując podwójną, a nie jak w przypadku
obecnego standardu CD i DVD, pojedynczą
wiązkę fal. Dzięki temu i jednoczesnemu
skróceniu długości fal lasera możliwe stało się
skupienie wiązki na mniejszej powierzchni
dysku. Pozwoli to na zapisanie na takiej samej
powierzchni dużo większej ilości danych.
Blu-ray Disc gwarantuje dużą pojemność
zapisu, umożliwiającą nagranie ponad dwóch
godzin programu wideo wysokiej rozdzielczości
lub ponad 13 godzin programu telewizyjnego o
jakości obrazu VHS.
Polski wkład w opracowaniu technologii
niebieskiego lasera
Zespół prof. Sylwestra Porowskiego skonstruował
półprzewodnikową diodę laserową emitującą światło
niebieskie o długości fali 425 nm. Polacy są pierwszą
w Europie grupą naukowców, którzy uzyskali akcję
laserową na strukturach opartych o azotek galu. Przed
Polakami długotrwała akcję udało się osiągnąć tylko
Amerykanom i Japończykom. Sukces ten oparty jest o
unikatową w skali światowej technologię uzyskiwania
monokryształów azotku galu w warunkach bardzo
wysokich ciśnień. Jest to technologia w całości
opracowana w Centrum Badań Wysokociśnieniowych
PAN