Inspelningsbara CD-skivor och DVD-skivor
När CD-skivor först blev populära på 1980-talet såldes de enbart som skrivskyddade ljudkompaktskivor (CD-DA, som man kunde spela upp musik från men inte spela in på). Det dröjde inte länge innan datorföretagen insåg att de kunde använda cd-skivor för att distribuera mjukvara (program) mycket billigt, och vanliga datoranvändare insåg snart att cd-skivor skulle bli ännu bättre om man kunde skriva musik och data på dem och inte bara läsa från dem.Det var så man utvecklade inspelningsbara CD-skivor (CD-R), men problemet var att man bara kunde skriva på dem en gång; man kunde inte radera och återanvända dem.Snart nog utvecklade dock datorsnillen återskrivningsbara CD-skivor (CD-RW) som man kunde radera och skriva om hur många gånger som helst.
Foto: En CD/DVD-brännare/brännare har ett mycket mer sofistikerat laserhuvud för läs- och skrivning än en vanlig CD/DVD-spelare. Beroende på typ av spelare måste läs- och skrivhuvudet kunna läsa vanliga cd-skivor och dvd-skivor, inspelningsbara skivor och omskrivningsbara skivor – så det måste verkligen kunna utföra flera helt olika läs- och skrivoperationer.
Hur fungerar en inspelningsbar cd (cd-r)?
I teorin skulle du, om du ville göra vanliga cd-skivor i ditt eget hem, behöva installera en stor och dyr cd-pressmaskin.Lyckligtvis behöver du inte göra detta – och det beror på att inspelningsbara cd-skivor (cd-r) fungerar på ett helt annat sätt. Den här gången finns det inga nopits och landområden som är intryckta på plasten. Mellan den skyddande polykarbonaten och det reflekterande aluminiumet finns i stället ett lager färgämne. Normalt är färgämnet genomskinligt: laserljus som zoomar in på skivan från en cd-spelare kommer att passera rakt igenom det, träffa det reflekterande aluminiumet och studsa rakt ner igen.
Så långt så bra, men hur lagrar vi information på en sådan här cd-skiva? En cd-brännare har en laser med högre effekt än normalt, som genererar värme när den träffar skivan, ”bränner” färgämnet och skapar en liten svart fläck.När en cd-läsare senare riktar sin laser mot denna fläck absorberas ljuset helt och hållet och reflekteras inte tillbaka. Detta visar att en nolla (”0”) är lagrad på skivan i den punkten. På ställen där färgämnet är oförbränt reflekterar laserljuset rakt tillbaka igen, vilket indikerar att en ”1” är lagrad på skivan. Ser du vart detta leder? Genom att skapa områden med ”brända” punkter och andra ställen där färgämnet är obearbetat skapar en CD-R-brännare ett mönster av binära nollor och ettor som kan användas för att lagra information. Tyvärr är färgämnet, när det väl är ”bränt”, permanent omvandlat: det går inte att ändra tillbaka det igen. Det är därför man bara kan skriva en cd-r-skiva en gång.I förbigående bör vi notera att även om cd-brännare ofta kallas cd-brännare så bränner de faktiskt inte saker (förbränner dem med syre): de använder helt enkelt en laser för att förändra det ljuskänsliga färgämnet.
Illustration: Med en CD-R lagras binär information som ”brända” områden (0) och obrända områden (1) i färgskiktet mellan det skyddande polykarbonatet och det reflekterande aluminiumet.
Hur fungerar en återskrivbar CD (CD-RW)?
Säg att du har i uppdrag att utveckla en typ av cd-skiva som kan skrivas på eller raderas om och om igen. Det är uppenbart att du inte kan använda någon av de metoder som vi hittills har diskuterat (pits andlands-metoden från skrivskyddade ljud-CD-skivor eller den ”brända”-färgningsmetod som används iCD-R-skivor). Vad man verkligen behöver är en cd-skiva tillverkad av ett ämne som lätt kan omvandlas fram och tillbaka mellan två olika former, så att den kan användas för att lagra ett mönster av nollor och ettor, och sedan raderas och användas för att lagra ett annat mönster senare om det är nödvändigt.
De flesta av oss har lärt oss i skolan att atomerna (eller molekylerna) i fasta ämnen, vätskor och gaser arrangerar sig själva i olika positioner, med atomer i fasta ämnen som är hårt låsta tillsammans. Vissa fasta material är mer komplexa än så: deras atomer (eller molekyler) kan vara arrangerade på två eller flera olika sätt, så kallade fasta faser. (Fast kol kan till exempel existera i flera olika faser som inkluderar grafit och diamant). Det är precis vad vi behöver för att göra en CD-RW-skiva.
Istället för att ha ett lager av färgämne har en CD-RW ett lager av en metallegering som kan existera i två olika fasta former och växla fram och tillbaka mellan dem. Det kallas för ett material med fasbyte eller fasskifte. Ibland är det kristallint, med sina atomer/molekyler ordnade på ett ordnat sätt, så att det är genomskinligt och ljuset kan passera rakt igenom. Andra gånger är dess atomer/molekyler hopblandade i en mycket mer slumpmässig och oordnad form som kallas för ett anamorft fast material, vilket är ogenomskinligt och blockerar ljuset. När en CD-RW-laser träffar detta material förändras små små områden av det fram och tillbaka mellan den kristallina och den amorfa formen. När den skapar ett kristallint område gör den en del av cd-skivan reflekterande och skriver effektivt en etta (”1”). När den skapar ett amorft område gör den cd-skivan icke-reflekterande och skriver en nolla (”0”).Eftersom denna process kan upprepas hur många gånger som helst kan man skriva och skriva om en CD-RW hur många gånger som helst!
Illustration: Med en CD-RW lagras binär information som områden av metallegering som antingen är kristallina eller amorfa. Kristallina områden har en regelbunden struktur som låter ljuset passera igenom till aluminiumområdet och reflekteras tillbaka ner igen, vilket lagrar ettor. Amorfa områden har en slumpmässig struktur som sprider inkommande laserljus så att det inte kan reflekteras tillbaka och nollor lagras. En cd-brännare kan ändra metalllegeringen på cd:n från den ena formen till den andra och tillbaka igen, vilket är anledningen till att denna typ av skiva kan raderas och skrivas om många gånger.
Andra typer av cd-skivor
Cd-skivor användes ursprungligen bara för att lagra musik. Varje skiva kunde lagra 74 minuters stereoljud – mer än tillräckligt för en typisk LP-skiva. Under 1990-talet blev CD-tekniken också populär för att lagra datorprogram, spel och annan information. Kodaks PhotoCD-system (ett sätt att lagra upp till 100 foton på en cd-skiva) lanserades också på 1990-talet.
Den ursprungliga formen av dator-CD kallades CD-ROM (CD-Read Only Memory), eftersom de flesta datorer endast kunde läsa information från dem (och inte lagra någon information på dem). På den tiden behövde man en separat utrustning som kallades ”brännare” för att skriva sina egna cd-skivor, som ofta kallades WORM-skivor (Write Once Read Many). Numera är det vanligare att datorer har CD-R- eller CD/RW-enheter för att bränna egna CD-skivor, även om de flesta nya datorer nu har DVD-enheter i stället.
Skillnaden mellan CD-skivor och DVD-skivor är den informationsmängd som de kan lagra. En CD-skiva kan innehålla 650 megabyte (miljoner tecken) data, medan en DVD-skiva kan rymma minst 4,7 gigabyte (tusen megabyte) – vilket är ungefär sju gånger mer. Eftersom DVD-skivor är lika stora som CD-skivor och lagrar sju gånger mer information måste nollorna och ettorna (eller groparna och landarna) på en DVD-skiva vara motsvarande mindre än på en CD-skiva. De senaste optiska skivorna använder en teknik som kallas Blu-rad för att lagra sex gånger mer data än dvd-skivor eller 40 gånger mer än cd-skivor (se rutan längst ner för en fullständig förklaring).
Foto: De har nu ersatts av MP3-spelare och digitala nedladdningar. Varför? Titta hur svårt det är att hålla bara ett dussin cd-skivor i handen. Till och med en Apple iPod MP3-spelare på 20 GB kan rymma 400-500 CD-skivor med musik utan att man behöver blinka – och den ryms i skjortfickan! Med det sagt kommer ett musikspår på CD alltid att låta bättre än motsvarande MP3, av skäl som vi förklarar i vår artikel om MP3-spelare och digital musik.
Mer om de där nollorna och ettorna
Det är trevligt och enkelt att förklara CD-skivor genom att säga att gropar motsvarar nollor och landar motsvarar ettor, men det är inte riktigt sant.Informationen på en cd-skiva är kodad på ett mycket mer subtilt sätt som använder komplexa och smarta tekniker för datakodning, bland annat åtta till fjorton-modulering (EFM) och NRZI-kodning (NRZI, non-return to zero inverted). Det låter extremt tekniskt, men det är inte så svårt att förstå. EFM innebär i princip bara att korta datamönster omvandlas till längre (paradoxalt nog) för att lagra dem effektivare och med mindre risk för fel. NRZI innebär att lasern i stället för att läsa av enskilda lander och gropar letar efter förändringar mellan en grop och ett land, eller långa strängar av gropar och lander, och omvandlar dessa till ettor och nollor i stället. Om den till exempel läser en lång grop och plötsligt stöter på ett land, tolkas det som en etta. Om den läser ett land och plötsligt stöter på en grop tolkas det också som en etta. Å andra sidan tolkas oförändrade områden av land eller grop båda som nollor.
Artwork: Hur gropar och landningar kodar nollor och ettor på en cd-skivas yta. Övergången från grop till land, eller från land till grop, kodar ett ett; en längd av oavbruten grop eller land kodar en nolla.
Varför använda den här typen av tekniker i stället för den enkla ”grop är lika med noll, land är lika med ett”-metoden som jag beskrev ovan? Den utnyttjar skivutrymmet mer effektivt (så att vi kan packa in mer data på en skiva), undviker behovet av mycket korta eller långa pit eller land, och minimerar betydelsen av bitar som går förlorade på grund av repor eller smuts (så att den hjälper till att korrigera mot fel). Om du inte bygger din egen CD-spelare eller leker med datakommunikation behöver du egentligen inte veta exakt hur dina data lagras på en CD eller DVD, så om du vill tänka dig att pits är nollor och lands ett, är det en mycket bra approximation av vad som händer – och allt de flesta av oss vill veta. (För mycket mer detaljer, se avsnittet om datakodning i The Compact Disc Handbook av Ken C. Pohlmann, från sidan 74 och framåt.)
Vem uppfann cd-skivor?
Tekniken bakom cd-skivor uppfanns i slutet av 1960-talet av James T. Russell (1931-). Han var en ivrig musikälskare och längtade efter ett ljudinspelningssystem som skulle återge musiken mer exakt än LP-skivor och kassettband. Han patenterade det första optiska ljudinspelningssystemet 1970 och förfinade det under de följande åren. Ljud-CD:erna gjorde sin kommersiella debut i Europa 1982, lanserade av elektronikföretagen Sony och Philips, och kom ut i Förenta staterna året därpå. Cd-roms blev populära på 1990-talet, då förlag som Encyclopedia Britannica, Broderbund och DorlingKindersley gav ut populära ”multimediala” uppslagsverk som innehåller skriven text, ljud, bilder, animationer och videoklipp. Cd-roms är mindre populära i dag tack vare World Wide Web (WWW), som gör det lättare att publicera och uppdatera information direkt och länka samman sidor från många olika källor.