Kompaktiniai diskai atsirado kaip revoliucija garso pasaulyje 1980-aisiais, bet šiandien daugelis jaunų žmonių galbūt niekada nėra laikę rankose šio blizgančio disko. Tačiau CD technologija ne tik pakeitė muzikos industriją, bet ir tapo pagrindu daugeliui šiuolaikinių skaitmeninių technologijų. Pažvelkime, kaip veikia šis technologinis stebuklas ir kodėl jis buvo toks svarbus.
Kaip gimė skaitmeninis garsas
Prieš kalbėdami apie CD veikimo principus, verta suprasti, kas iš viso yra skaitmeninis garsas. Analoginiai garso įrašymo būdai – vinilinės plokštelės, kasetės – tiesiogiai atkartoja garso bangų formą. CD veikia visiškai kitaip: jis garso bangas paverčia skaičių seka.
Šis procesas vadinamas analoginio-skaitmeninio keitimo procesu (ADC). Garso signalas yra „mėginamas” dešimtis tūkstančių kartų per sekundę – tiksliau, 44 100 kartų. Kiekvienas toks „mėginys” paverčiamas skaičiumi, kuris išreiškiamas dvejetainės sistemos kodais – nuliais ir vienetais.
Štai kodėl CD gali saugoti tokį tikslų garsą: per sekundę jis turi 44 100 skaitmeninių „nuotraukų” to, kaip skambėjo originalus garsas. Kai šie duomenys atkuriami, specialus keitiklis (DAC) juos vėl paverčia analoginiu signalu, kurį girdime kaip muziką.
Fizinė CD struktūra ir duomenų saugojimas
CD diskas iš tikrųjų yra sudėtingas daugiasluoksnis objektas. Pagrindą sudaro polikarbonato plastikas, ant kurio yra užneštas plonas aliuminio sluoksnis. Šis metalinis sluoksnis ir saugo visą informaciją.
Duomenys CD diske saugomi spiralės pavidalu, kuri prasideda nuo centro ir vingiuoja link krašto. Ši spiralė yra neįtikėtinai ilga – maždaug 5,77 kilometro! Jei ją ištiestumėte tiesiai, ji nusidriekstų nuo Vilniaus centro iki Antakalnio.
Informacija užkoduojama kaip mikroskopiški duobutės (vadinami „pit”) ir plokščios sritys („land”). Šie duobutės yra tikrai maži – jų plotis vos 0,5 mikrono, o ilgis svyruoja nuo 0,83 iki 3,2 mikrono. Tai reiškia, kad ant vieno kvadratinio milimetro CD paviršiaus telpa šimtai tūkstančių tokių duobučių.
Įdomu tai, kad CD skaitytuvas duomenis skaito ne pačias duobutes, o perėjimus tarp duobučių ir plokščių sričių. Kiekvienas toks perėjimas reiškia „1”, o duobučių ar plokščių sričių tęstinumas – „0”.
Lazerio magija: kaip skaitomi duomenys
CD grotuvo širdis yra lazeris – paprastai infraraudonųjų spindulių, 780 nanometrų bangos ilgio. Šis lazeris yra nepalyginamai tikslesnis už bet kokį mechaninį adatos tipą skaitytuvą.
Lazerio spindulys nukreipiamas į CD paviršių per sudėtingą optinę sistemą, kurią sudaro lęšiai, veidrodžiai ir prizma. Kai spindulys pataiko į plokščią sritį, jis atsispindi tiesiai atgal į fotodetektorių. Tačiau kai pataiko į duobutę, šviesa išsisklaidžia ir į detektorių grįžta daug silpnesnis signalas.
Fotodetektorius šiuos šviesos intensyvumo skirtumus paverčia elektriniais impulsais, kurie vėliau dekoduojami į skaitmeninius duomenis. Visas šis procesas vyksta neįtikėtinu greičiu – CD grotuvas per sekundę nuskaito apie 4,3 milijono bitų informacijos.
Kad lazeris tiksliai sekiotų spiralę, CD grotuve veikia sudėtinga sekimo sistema. Ji nuolat koreguoja lazerio poziciją, kad jis neprarastų takelio. Be to, kadangi spiralė link krašto darosi ilgesnė, diskas turi suktis vis lėčiau – nuo 500 apsisukimų per minutę centre iki 200 apsisukimų krašte.
Klaidų taisymo sistema
Vienas iš genialiausių CD technologijos sprendimų yra klaidų taisymo sistema. CD diskuose naudojamas Cross-Interleaved Reed-Solomon kodas (CIRC) – skamba sudėtingai, bet principas gana paprastas.
Duomenys diske saugomi ne tiesiogiai, o su papildoma informacija, kuri leidžia atkurti prarastus ar pažeistus bitus. Tai veikia panašiai kaip kryžiažodis – net jei keli raidės neaiškūs, galite jas atspėti iš konteksto.
CIRC sistema gali ištaisyti iki 4000 iš eilės einančių pažeistų bitų. Praktiškai tai reiškia, kad net 2,5 mm ilgio įbrėžimas ant disko paviršiaus neturėtų paveikti garso kokybės. Jei pažeidimas didesnis, sistema vis tiek bando „atspėti” trūkstamus duomenis, interpoliuodama iš gretimų verčių.
CD evoliucija
Nors pirmieji CD buvo skirti tik garsui, technologija greitai išsiplėtė. 1985 metais atsirado CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory), kuris galėjo saugoti bet kokius skaitmeninius duomenis – programas, tekstus, vaizdus.
CD-ROM talpa – 650-700 MB – tuomet atrodė neįsivaizduojama. Palyginkite: tuo metu populiarūs floppy diskeliai talpino vos 1,44 MB. Vienas CD galėjo pakeisti beveik 500 diskelių!
Vėliau atsirado CD-R (įrašomi) ir CD-RW (perrašomi) diskai. CD-R naudoja organinį dažą, kuris keičia spalvą veikiamas lazeriu – taip susiformuoja „dirbtinės” duobutės. CD-RW naudoja fazinio keitimo medžiagą, kuri gali būti keičiama tarp kristalinio ir amorfinio būvio.
Atsirado ir specialūs CD formatai: Video CD filmams, Photo CD nuotraukoms, Enhanced CD, kuriame buvo ir garso, ir duomenų. Kiekvienas formatas turėjo savo standartus ir galimybes.
Praktiniai patarimai CD naudojimui
Nors CD technologija gana patikima, yra keletas dalykų, kuriuos verta žinoti norint išlaikyti diskus kuo ilgiau. Pirmiausia – kaip teisingai laikyti CD. Niekada nelieskite blizgančio paviršiaus pirštais, laikykite tik už krašto ar centro skylutės.
Jei diskas vis tiek susiteršė, valykite jį minkštu audiniu nuo centro link krašto – niekada ne apskritimu! Apskritimo kryptimi braukiant galite sugadinti duomenų takelį, o radialūs įbrėžimai klaidų taisymo sistemai lengviau „pakeliami”.
Saugokite CD nuo tiesioginių saulės spindulių ir aukštos temperatūros. Polikarbonato plastikas gali deformuotis, o aliuminio sluoksnis – oksiduotis. Idealus saugojimo būdas – specialūs dėklai, kurie apsaugo nuo dulkių ir mechaninių pažeidimų.
Jei CD „šoka” ar sustoja, nebūtinai jis sugadintas. Kartais pakanka jį nuvalyti arba išimti ir vėl įdėti į grotuvą. Seni CD grotuvai kartais „pamiršta” kaip skaityti diskus, ypač CD-R, kurie atspindi šiek tiek kitokį šviesos kiekį nei pramonės būdu pagaminti diskai.
Palikimas ir ateitis skaitmeninėje eroje
Šiandien CD technologija gali atrodyti pasenusi – muzika keliavo į MP3, o duomenys į USB atmintukus ir debesų saugyklas. Tačiau CD palikimas yra milžiniškas. Būtent ši technologija išmokė mus skaitmeniniu būdu saugoti ir perduoti informaciją masiškai.
CD principai tapo pagrindu DVD, Blu-ray ir kitiems optiniams diskams. Net šiuolaikiniai QR kodai veikia panašiai – informacija užkoduojama kaip šviesos ir tamsos sritys, tik skaitomos kamera, o ne lazeriu.
Garso srityje CD nustatė standartą, kuris galioja iki šiol: 16 bitų, 44,1 kHz diskretizacija. Daugelis skaitmeninių garso formatų vis dar naudoja būtent šiuos parametrus kaip atskaitos tašką.
Nors fiziniai CD diskai nyksta iš kasdienio naudojimo, jų technologinė DNA gyvena toliau. Optiniai diskų įrenginiai vis dar naudojami duomenų archyvavimui, nes teisingai saugomi CD gali išlaikyti duomenis dešimtmečiais. O lazerinių skaitytuvų principai pritaikyti nuo brūkšninių kodų skenerių iki tikslių matavimo prietaisų.
Taigi CD buvo ne tik muzikos nešėjas, bet ir tiltas į skaitmeninę erą, kurioje gyvename šiandien.