Kompaktiniai diskai (CD) jau kelis dešimtmečius yra populiari laikmena muzikai, filmams ir kitiems duomenims saugoti. Šiame straipsnyje apžvelgsime įvairius muzikos failų formatus, naudojamus kompaktiniams diskams, jų ypatumus ir technologijas.
Kompaktinis diskas
Kompaktinių diskų technologijos raida
Optinius įrenginius (lazerius) buvo sukurtas vėlyvaisiais 1960. Raselas (James T. audio/video diskus naudojant šviesą, t.y. disko ir nuskaitymo (įrašymo) galvutės. kuriuose buvo šviesūs-tamsūs taškeliai.
1981 m. firma „Sony“ šią technologiją panaudojo stereofoniniams įrašams, buvo sukurtas pirmasis kompaktinių diskų audio grotuvas. Greitai jos pėdomis pasekė analogiška „Philips“ firmos produkcija. „Philips“, kaip ir „Sony“, buvo viena iš pagrindinių šios technologijos kūrėjų. Pagrindine varomąją jėga kuriant kompaktinius diskus buvo garso įrašų industrija.
CD (Compact disc, lietuviškai „kompaktinis diskas“ arba „kompaktinė plokštelė“) technologija dar ir dabar neturi sau lygių konkurentų muzikos pramonėje. Kompiuterių pramonėje kompaktiniai diskai pradėti naudoti žymiai vėliau. Tiek kompiuterių, tiek kompaktinių diskų naudojimas labai plečiasi, taip kaip plečiasi ir informacijos kiekis, kurį reikia išsaugoti.
CD-DA (Compact Disc Digital Audio)
Pirmasis standartas, skirtas skaitmeniniam garsui įrašyti į kompaktinius diskus, pavadintas CD-DA (Compact Disk Digital Audio). Audio kompaktiniuose diskuose analoginiai stereo signalai keičiami į skaitmeninę formą. Skaitmeninio 16 bitų signalo diskretizacijos dažnis Fd=44,1 kHz (aukščiausias perduodamo analoginio signalo dažnis 20 kHz).
Informacija CD-DA diske yra saugoma loginiuose blokuose. saugoma 1/75 sekundės kadruose (frames). (samples per second). šešiolika bitų, dviem kanalais.
Šie bitai grupuojami į 24 blokus po 8 bitus į bloką. Skaitant gautą skaitmeninį signalą gali įsivelti klaidų, todėl reikia naudoti klaidų detekciją ir korekciją. Tam naudojamas „Rido Saliamono“ kodavimas. Rezultate į signalo kadrą įvedami aštuoni kontroliniai blokai (po 8 bitus į bloką) t. y. koreguojantys 64 bitų talpos duomenys.
Toliau prie kiekvieno kadro informacinių ir koreguojančių duomenų pridedamos 8 papildomos skiltys, sudarančios vieną bloką reikalingą valdymui ir indikacijai. Šie duomenys naudojami kaupiklyje reguliuoti ant disko sukimosi greitį, lazerio spindulio fokusavimą, takelio sekimui ir norimo tako radimui. Vėliau vykdoma kanalinė moduliacija pagal kodą 8 / 14. Iš kiekvieno 8 skilčių bloko suformuojamas 14 skilčių žodis (naujas blokas) ir 3 papildomi skiriamieji bitai žodžių kraštuose.
Kiekvieno kadro pradžia pažymima 24 skilčių sinchrožodžiu. Kompaktinio disko duomenų takelis prasideda disko centre ir baigiasi jo pakraštyje. Tai išilginė spiralinė juosta. Disko takelio ilgis siekia 10 km., o takelių tankumas yra apie 16 000 viename colyje (TPI Track Per Inch - takeliai į colį).
CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory)
Augant CD-DA formato populiarumui, 1985 metais muzikinis kompaktinis diskas buvo pritaikytas kompiuterinės informacijos saugojimui ir pavadintas CD-ROM, kas reikštų „tik skaitoma atmintis“ (Compact Disc - Read Only Memory). CD-ROM duomenys yra saugomi sektoriais, kurie skaitomi nepriklausomai, kaip ir iš kieto disko.
CD-ROM diskai yra skirti tik skaitomos (read only) informacijos saugojimui. Rašymo į CD-ROM pagrindai yra paimti iš muzikinių plokštelių rašymo metodo -naudojamas besisukantis diskas su spiralės formos takeliu. Optiniame rašyme lazerio spindulys panaudojamas ne tik informacijos įrašymui, bet ir jos nuskaitymui. Pradinis įrašas į diską padaromas ant poliruoto stiklinio disko, padengto 0,12-0,15 um lako, jautraus šviesai, sluoksniu. Rašymas vyksta lazerio spinduliu. Spindulio paveiktos sluoksnio vietos panaikinamos tirpikliu ir lako paviršiuje kas 1,6 mm susidaro 0,12 mm aukščio ir 0,6 mm pločio kauburėliai. Šie kauburėliai vadinami pitais. Jų ilgis atsižvelgiant į įrašomus duomenis būna nuo 1 iki 3 mm.
Diskų kopijų gaminimas taip pat panašus į patefono plokštelių tiražavimą. Nuo stiklinio disko, padengto laku, gaunamos metalinės kopijos, kurios ir naudojamos kaip matricos presuojant karšto (skysto) polikarbonato diskus. Ant šių diskų užgarinamas metalo sluoksnis atlieka reflektoriaus funkciją.
Kompaktinių diskų palyginimas
CD-ROM gali būti lyginamas su lanksčiu diskeliu, kadangi abu diskai yra keičiami. Abu jie turi kišenes priekinėje kompiuterio dėžutės dalyje. CD-ROM diametras yra 4,6 colio. Kai CD-ROM įdedamas į kišenę, jis pradeda suktis ir pasiekia savo darbinį greitį po 1-2 sekundžių. Tuomet tvarkyklė yra pasiruošusi disko skaitymui. Duomenų skaitymas iš CD-ROM vyksta tiesiogiai. Todėl skaitymo galvutė turi šokinėti į skirtingas disko dalis.
Taip pat CD-ROM gali būti lyginamas su kietu disku, kadangi panašios duomenų saugojimo apimtys. Iš tiesų, CD-ROM gali saugoti iki 680 MB duomenų. Tai atitinka 470 lanksčių diskelių. Lanksčių ir kietų diskų plokštelės yra suskirstytos į koncentruotus takelius. Tokių takelių, einant nuo centro link plokštelės išorės, gali būti šimtai. CD-ROM suprojektuotas skirtingai. Jis turi tik vieną takelį, kuris vyniojasi nuo centro link išorės. Taip gaunasi 5 kilometrų ilgio spiralė su 5,5 bilijono taškelių po 1 bitą.
Taip pat CD-ROM turi nuosavą failų sistemą, vadinamą ISO9660. Jis nenaudoja failų išdėstymo lentelės (FAT), kas būdinga tiek lanksčiam, tiek kietam diskui. Kompiuterio CD-ROM tvarkyklė gali groti ir muzikinius CD.
CD-R (Compact Disc Recordable)
1990 metais CD-ROM technika buvo patobulinta, ir dabar galima pačiam įrašinėti kompaktinius diskus. Norint įrašinėti nuosavus CD-ROM, reikia naudoti tvarkyklę, kuri gali rašyti į specialius CD-R diskus. Šie diskai turi temperatūrai jautrų sluoksnį, kuris gali būti pakeistas įrašymo metu. Į CD-R tipo diską galima įrašyti tik kartą.
Tobulėjant optinių kaupimo įtaisų technologijoms, buvo sukurti keli optiniai informacijos įrašymo būdai. Vienas iš jų WORM (Write Once-Read Many, rašyti vieną kartą - skaityti daug kartų). Gaila, bet šis procesas yra negrįžtamas. WORM technologija buvo sukurta Japonijos kompanijoje „Taiyo Yuden“. Šį standartą „Philips“ ir „Sony“ korporacijos priėmė 1990 metais. CD-R diskus galima skaityti su standartiniais CD-ROM įrenginiais. Rašant informaciją, dalį WORM disko galima palikti tuščia. Šią vietą galima užpildyti kitos rašymo sesijos metu. Tai vadinamasis daugkartinio rašymo („multisession“) režimas.
Kompaktinis diskas yra pagamintas iš polikarbonato, kurio vidinis paviršius yra padengtas specialių dažų sluoksniu. Lazerio spindulys gali pakeisti dažų sluoksnio šviesos absorbcijos laipsnį. Sekantis sluoksnis yra pagamintas iš aukso ar paauksuoto metalo (naujausios technologijos jau leidžia naudoti sidabrą). Šis metalo sluoksnis padengtas apsauginiu lako paviršiumi. Šie diskai gamybos metu yra suformatuojami. Tai yra jų neskaidriame dažų sluoksnyje yra suformuotas 0,6-0,7um spiralinis takelis (griovelis), kuris ir „rodo kelią“. Šiame takelyje informacija įrašoma galingu lazerio spinduliu, kuris išdegina skylutes iki atsispindinčiojo sluoksnio.
Informacija skaitoma mažos galios spinduliu, matuojant atsispindėjusios šviesos intensyvumą. Šviesos srauto pokytis atsiranda lazerio spinduliui einant per duobutės kraštą, yra koduojamas vienetu, o nekintantis šviesos srautas - nuliu. Pagrindinis trūkumas dėl ko WORM technologija nepaplito - buvo tas, kad CD-R diskelyje įrašytos informacijos negalima pakeisti.
CD-MO (Compact Disc Magneto-Optical)
Kadangi WORM technologija turi savo trūkumų, buvo pradėta ieškoti naujų optinių informacijos saugojimo būdų. Kitas, jau ne WORM, informacijos saugojimo būdas - magneto optinis. Šiuo būdu išsaugotą informaciją galima keisti kiek norima kartų, išsaugojant panašią įtaisų struktūrą.
Klasikinį CD-MO diskelį sudaro pagrindas, šviesą atspindintis aliuminio sluoksnis, informacinis ir apsauginis sluoksnis. Magneto optinis metodas pagrįstas Kero efektu. Šis efektas pasireiškia tuo, kad įmagnetintas paviršius keičia atsispindėjusio poliarizuoto šviesos srauto poliarizaciją priklausomai nuo magnetinio lauko poliškumo.
Informacinį sluoksnį sudaro tik kelių atomų storio įmagnetintas, temperatūrai jautrus, šviesą poliarizuojančio oksido sluoksnis. Informacijos vienetas įrašomas lazerio spinduliu įkaitinus šio sluoksnio mikrosritį iki Kiuri taško (Kiuri taškas - temperatūra prie kurios medžiagos diamagnetinės savybės susilpnėja, tai yra apie 145 laipsniai Celsijaus) ir tuo pat metu rašymo galvutės sukurtu stipriu magnetiniu lauku mikrosrityje pakeičiant sluoksnio dalelių įmagnetinimo poliškumą, kuris užsifiksuoja mikrosričiai auštant. Įmagnetinimo kryptis ir poliarizacinės mikrosrities savybės priklauso nuo to, kas buvo įrašyta - vienetas ar nulis. Skaitant informaciją, jau mažos galios lazerio spindulys pereina permagnetintą mikrosritį, atsispindi nuo aliuminio sluoksnio ir jau poliarizuotas grįžta į analizatorių, kuris ir nustato, kas toje mikrosrityje buvo įrašyta.
CD-RW (Compact Disc ReWritable)
Ateityje, matyt, labiausiai pasiteisins ir paplis CD-RW diskai. Tai „Compact Disc ReWritable“ (perrašomi kompaktiniai diskai). Nors ir CD-MO diskai yra perrašomi, jie turi daug trūkumų, vienas iš pagrindinių - rašymo proceso sudėtingumas ir nesuderinamumas su ankstesniais CD. CD-RW diskai dar vadinami CD-PD (compact disc phase detected). Tokį diską sudaro: pagrindas, šviesą atspindintis sluoksnis, informacinis sluoksnis ir apsauginis sluoksnis.
Pagrindinė šios struktūros dalis - informacinis sluoksnis. Jį sudaro: sidabras, indis, antimonis, telūras (Ag-In-Sb-Te). Tai keičiantis savo fazę sluoksnis. Trumpam lazerio spinduliu įkaitinus mikro sritį, ji pakeičia savo būseną - iš amorfinės į kristalinę, įkaitinus dar kartą sritis grįžta į pradinę būseną iš kristalinės į amorfinę. Informacijos nuskaitymo metodas yra labai paprastas ir pagrįstas tuo, kad amorfinė medžiagos būsena yra neskaidri, o kristalinė atvirkščiai - skaidri, grįžtančiojo lazerio spindulio intensyvumas priklauso nuo informacinio paviršiaus fazės.
Kiti formatai ir technologijos
Be pagrindinių formatų, buvo sukurta ir kitų technologijų, skirtų patobulinti CD galimybes:
- CD-ROM/XA: CD-ROM standartas su patobulintu garso ir vaizdo apdorojimu.
- VIDEO CD (VCD): Standartas, leidžiantis saugoti vaizdo įrašus CD diskuose.
- CD-Extra: Hibridinis formatas, leidžiantis diske talpinti tiek audio, tiek kompiuterinius duomenis.
- Super Video CD (SVCD): Patobulintas VCD variantas su geresne vaizdo kokybe.
Failų sistemos
Kompaktiniuose diskuose naudojamos įvairios failų sistemos, užtikrinančios duomenų organizavimą ir suderinamumą su skirtingomis operacinėmis sistemomis:
- ISO 9660: Standartinė failų sistema, plačiai naudojama CD-ROM diskuose.
- UDF (Universal Disk Format): Universali failų sistema, dažnai naudojama perrašomuose diskuose.
- HFS (Hierarchical File System): Failų sistema, naudojama Macintosh kompiuteriuose.
Duomenų suspaudimas
Duomenų suspaudimas leidžia taupyti vietą, bei laiką persiunčiant duomenis. Spartėjant internetui, bei pingant vietai diske vis rečiau tenka susidurti su *.rar ir *zip, bet reikia nepamiršti, jog duomenų suspaudimas egzistuoja ir nuotraukų, video, garso įrašų failuose.
Deflate yra duomenų suspaudimo algoritmas naudojamas gzip, png, zip failų formatuose. Duomenys jame suspaudžiami naudojant Huffman kodą, bei žodyną.
MP3 Tikriausiai populiariausias skaitmeninis audio formatas, muzikos mėgėjų dažnai peikiamas, bet ne be reikalo, kadangi tai yra formatas su kokybės praradimu(lossy). MP3 suspaudamas garsą išnaudoja mūsų klausos netobulumą pašalindamas tą garso informaciją kurią sunkiai arba išvis nesuvokiame.
Audio kasetės buvo paskutinis populiarus analoginis garso saugojimo formatas prieš išpopuliarėjant kompaktiniams diskams, kuriuose muzika saugoma jau skaitmeniniame formate.
Imant ekstremalų pavyzdį vienas nesuspaustas 1920×1080 kadras spalvą koduojant 24 bitais užima apie 6 MB. Esant 30 kadrų per sekundę viena sekundė sveria - 180 MB. Valanda 632 GB.
Kompaktinių diskų ateitis
Nors kompaktiniai diskai pamažu užleidžia pozicijas naujesnėms technologijoms, tokioms kaip skaitmeninis platinimas ir USB laikmenos, jie vis dar yra svarbi laikmena muzikos mėgėjams ir tiems, kurie vertina fizinius duomenų nešiklius. Nuolat tobulinamos technologijos leidžia didinti disko talpą ir pagerinti garso kokybę.
Apibendrinant, galima teigti, kad kompaktiniai diskai yra universalus ir patikimas būdas saugoti muziką ir kitus duomenis. Nuo CD-DA iki CD-RW, kiekvienas formatas turi savo privalumų ir trūkumų, todėl vartotojai gali pasirinkti tinkamiausią variantą pagal savo poreikius.