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Todo sobre CD's
¿Que es un CD?
Pista física
Producción de un CD
Codificación
Detección y corrección de errores
Velocidad de giro
Un disco compacto en una oblea circular de policarbonato con un diámetro de 120 u 80 mm y 1,2 mm de grueso. El diámetro del orificio del centro es de 15 mm.
Los datos se estampan en una cara sobre una capa fina de aluminio. La capa metálica es reflectante y le permite al láser de la cabeza lectora leer los datos estampados. Los datos, microscópicamente pequeños, se estampan en una espiral que va del centro hacia fuera.
Como protección, la capa metálica se recubre con un barniz de protección.
Todos los soportes de almacenamiento óptico usan un haz láser para leer la información del disco. El haz es generado por un pequeño láser de semiconductor de arsenurio de galio.
Para leer la información se enfoca el haz láser sobre la espiral con la estructura de pits. La luz es reflejada por los pits de forma diferente que por los lands (espacios entre los pits). La luz sale dispersada cuando da en un pit; sin embargo, cuando cae sobre un land, es reflejada y puede ser registrado por un fotodetector.
Para poder leer los pits en el disco tiene que enfocarse el láser sobre un punto muy pequeño. Los pits son de 0,6 µm de ancho y 0,12 µm de profundidad. La longitud puede variar entre 0,833 µm y 3,56 µm. La densidad de las pistas que resulta es de 16.000 pistas por pulgada (tracks per inch, tpi).
Una comparación: un disquete tiene 96 tpi, un disco duro varios cientos. La longitud de la espiral en el disco tiene aproximadamente 6,4 km.
Para hacerse una idea mejor de estas cifras: si el diámetro del disco en lugar de ser 12 cm fuera de 120 metros, las pistas (ampliadas a la misma escala) tendrían sólo una anchura de 0,5 mm. Y la longitud total de la pista atravesaría todos los Estados Unidos.
La producción de un CD es una tarea compleja. Antes de crear el llamado master, se deben preparar los datos. Los archivos y datos se colocan en una estructura lógica y se formatean de acuerdo con los estándares industriales. Se añaden bytes de sincronismo, información de cabecera y códigos para la detección y corrección de errores.
Durante la producción de un CD-i, un ordenador con disco duro grande puede simular los tiempos del disco compacto. Este ordenador puede utilizarse para grabar un CD-R (como disco de prueba) y para generar la cinta maestra.
Con todos los datos que se han de grabar en el CD se crea un archivo imagen y se escribe en la cinta maestra. Esta cinta puede ser una cinta U-matic de ¾ de pulgadas, una cinta de 9 pistas o una de 8 mm. La información de la cinta coincide exactamente con la estructura de pits (pequeñas hendiduras) y lands (intervalos) en el CD que se va a producir.
La forma más conveniente de comprobar un disco antes de producirlo en grandes cantidades es producir un disco grabable. Este CD-R puede ser la base para la producción del CD.
Durante la producción del master se transfiere esta estructura mediante un Laser Burn Recorder (LBR) a la superficie fotosensible de un disco de cristal llamado "glass master".
Este especial proceso se denomina "imaging". Inmediatamente después de la exposición se revela el "glass master". Se aplica revelador sobre la superficie del glass master y la estructura de pits se graba al agua fuerte. El glass master se prepara para el siguiente paso recubriendo la superficie fotosensible con una capa de plata. Finalmente, el glass master tiene tres capas: el soporte de cristal, una capa fotosensible con la estructura de los pits y una capa de plata. En un baño de galvanizado se recubre el glass master con varias capas de níquel. La capa de níquel, tras separarla del glass master, hace de "padre" en el proceso de producción. El "padre" es la imagen simétrica del glass master. En lugar de hendiduras figuran pequeñas elevaciones en la superficie. Con el "padre" se hace la "madre", con la que se producen los "hijos", que son una réplica del "padre". El troquel de estampado para la producción de los discos es el "padre" o un "hijo". En una prensa se estampa la superficie sobre discos de policarbonato. Entonces, el disco transparente se recubre con una capa metálica, por lo que se crea la estructura de hendiduras e intervalos en la superficie de policarbonato. A continuación se le da una laca o barniz de protección al cual se le puede imprimir la etiqueta. Finalmente se empaqueta el disco en una caja o en bolsas de plástico acolchadas.
Las fases de producción de un CD:
- desarrollo de la aplicación
- preparación de los datos
- pre-mastering
- mastering
- duplicación
- impresión de la etiqueta
- empaquetado
A primera vista se podría pensar que la codificación de los datos en un disco es muy simple: los pits representan los unos y los lands los ceros, o vice versa.
Pero no es así. Tanto los pits como los lands representan ceros lógicos. Los unos son representados por la transición de un pit a un land o de un land a un pit. La longitud de los pit y lands indican el número de ceros.
La representación de bits mediante una combinación de pits y lands compone los llamados channel bits (bits de canal). Codificando una cadena de bits usando pits y lands es imposible representar unos continuos. Aún usando los pits y lands más cortos posibles (según la especificación) habría siempre dos ceros entre dos unos. Si las transiciones de pits a lands estuvieran más juntas, no las podría leer el haz láser o se producirían errores de lectura. Por este motivo no se puede representar un byte con 8 bits de canal. Se sabe que un byte puede representar 28 = 256 valores diferentes. Para obtener 256 combinaciones diferentes de bits se necesitan 14 bits de canal. 14 bits de canal es el mínimo que se requiere para representar 8 bits de usuario en un CD. Se necesita, por tanto, una tabla para la conversión de 14 bits de canal en 8 bits de usuario, es decir, un byte. Por otra parte, al producir un disco, se tienen que transformar los 8 bits de un byte en 14 bits de canal. Esta transformación se denomina modulación de ocho a catorce (Eight to Fourteen Modulation, EFM).
Aún queda un problema. Si al representar un byte con 14 bits de canal, el byte acaba en uno, este uno podría estar muy cerca del siguiente byte (representado también por una cadena de 14 bits de canal) que puede empezar con otro uno. Por eso deben interponerse bits entre los bloques de 14 bits de canal. Se utilizan 3 bits de fusión para resolver este problema. En total se necesitan 14 + 3 bits de canal para representar un byte en un CD.
24 bytes de usuario componen un "paquete" llamado "frame" ("marco"). Un frame es la unidad básica de almacenamiento de datos en un CD. 98 de estos frames forman un sector. Pero un frame no se compone solamente de los 24 bytes de usuario; está formado por una combinación de sincronismo compuesta por 24 bits de canal y 3 bits de fusión. Un frame contiene un byte de información para los bytes de control y los llamados subcanales, además de 8 bytes de detección y corrección de errores.
Un frame se compone por tanto de:
- Combinación de sincronismo 24+3 Bits de canal
- Código de subcanal 1x (14+3) Bits de canal
- Datos de usuario 24x (14+3) Bits de canal
- Detección y corrección de errores 8x (14+3) Bits de canal
En total se necesitan 588 bits de canal para un frame. Al leer los datos del CD, lo primero que hace el dispositivo es quitar los 27 bits de sincronismo. Los restantes 561 bits de canal son convertidos mediante la modulación de ocho a catorce inversa (Eight to Fourteen Modulation, EFM) en 33 bytes [561/(14+3)=33]. Uno de estos bytes, el del subcanal, es enviado a un descodificador especial y 8 bytes se usan para la detección y corrección de errores. Todos los reproductores de CD y las unidades CD-ROM disponen de un hardware especial de detección y corrección de errores para estos 8 bytes. Si no hay errores, o tras corregirlos, se eliminan estos 8 bytes. Quedan, por tanto, 24 bytes de dato de usuario en un frame. 98 frames forman un sector (bloque) con 2.352 bytes (98 frames x 24 bytes). En total son más datos por sector: 98 bytes para el subcanal (98 frames x 1 byte) y 784 bytes para la detección y corrección de errores (98 frames x 8 bytes). El sector es el segmento lógico básico de un CD. La mayoría de los formatos de CD se diferencian en la subdivisión de los sectores. En un segundo pasan 75 sectores. La información de un CD se direcciona en minutos, segundos y sectores (mm:ss:ss).
Todos los formatos de CD (CD-DA, CD-ROM, CD-ROM/XA, CD-i etc.) usan 9 bytes de los 33 mencionados anteriormente como byte de control del subcanal (1) y para la detección y corrección de errores (8).
Dos tipos de errores diferentes se pueden producir en un CD. Primeramente se pueden producir errores durante la producción del CD, como burbujas diminutas de aire o suciedad microscópica en el policarbonato, que pueden interferir el haz láser.
El RedBook permite 250 errores por segundo. Otros errores pueden originarse por huellas dactilares, rayones o suciedad. Los errores son suprimidos por un sistema de corrección especial.
Todos los métodos de corrección de errores están basados en información redundante en combinación con algoritmos matemáticos para detectar el error y reconstruir los datos originales. Estos métodos se llaman EDC (error detection code), ECC (error correction code) y EDAC (error detection and correction code).
El código de corrección de errores de un CD se basa en el conocido código de corrección llamado Reed Solomon Code. Los reproductores de CD de audio y las unidades CD-ROM usan un método internacional de corrección denominado Cross Interleaved Reed Solomon Code (CIRC). El descodificador esta integrado en el hardware.
Esta corrección de errores es muy potente, por lo cual surge como máximo un error incorregible en 109 bytes de un CD de audio. Para almacenar datos de ordenador en CD-ROM se requiere una corrección de errores adicional. Ésta se llama Layered ECC y se transmite con los datos de usuario del sector. El Layered ECC es descodificado por el firmware (software fijo en la electrónica) del dispositivo CD-ROM o por un controlador de software.
Existen dos técnicas diferentes para escribir y leer infor-maciones en soportes de almacenamiento óptico. Estas técnicas se denominan CLV y CAV. Se usan para dos tipos de discos de vídeo.
CAV es la abreviatura de "Constant Angular Velocity", velocidad angular constante. El disco de vídeo CAV gira a una velocidad constante de 1.800 revoluciones por minuto (r.p.m.) en NTSC (1.500 r.p.m. en PAL y SECAM). A esta velocidad se pueden guardar 36 minutos de vídeo en cada cara del disco láser.
La pista CAV se mueve de forma continua del centro hacia fuera. Las pistas están colocadas en aros concéntricos que se van haciendo más grandes de dentro hacia fuera. Cada pista guarda una imagen de vídeo.
Los discos de vídeo CAV se utilizan para aplicaciones interactivas (Computer Based Training/CBT, aplicaciones POS etc.).
CLV es la abreviatura de "Constant Linear Velocity", velocidad lineal constante. El disco no gira con una velocidad constante. El láser es el que lee las informaciones de forma constante. Cuando está leyendo en el centro, el disco gira más rápido, y cuando está leyendo más afuera, gira más despacio porque la circunferencia exterior del disco es mayor que en el centro. La velocidad oscila entre 500 y 1.800 r. p. m., dependiendo de la posición del disco (también depende del sistema de vídeo empleado, NTSC, PAL o SECAM).
Con CLV se pueden guardar 60 minutos de vídeo en cada cara del disco. Eso viene muy bien para películas, pero también tiene sus inconvenientes: por ejemplo, no se tiene acceso selectivo a cada una de las imágenes, no se puede hacer cámara lenta o rápida o congelar imágenes.
En los discos de vídeo se graban señales analógicas; en los CD, por el contrario, se almacena la información en forma de señales completamente digitales. De esta manera se puede combinar la ventaja de alta capacidad mediante CLV con el acceso selectivo a todas las informaciones en el disco. Todos los CD operan con CLV y velocidades de rotación de 200 a 500 r.p.m. El tiempo medio de acceso de un CD es relativamente lento, comparado con el disco duro, porque necesita algo de tiempo para ajustar la velocidad de rotación a la posición del láser. Las buenas unidades CD-ROM tienen un tiempo medio de acceso inferior a las 300 milésimas de segundo.
La pista de entrada (lead-in) se encuentra en los primeros 4 mm del CD. La tabla de contenidos (Table of contents, TOC) está contenida en la pista de entrada. Los siguientes 33 mm (máximo) contienen los datos. La pista de salida (lead-out) está en el último milímetro.
