Nośniki zapisu oparte na płycie CD

Wprowadzenie

Opracowany w latach 70-tych przez koncerny Philips i Sony (częściowo niezależnie od siebie), a wprowadzony w roku 1980 (a więc w czasach, kiedy królowały dwa podstawowe nośniki dźwięku, tzn. płyta analogowa winylowa i taśma magnetofonowa) zapis na płycie CD (ang. Compact Disc) – czyli na poliwęglanowym krążku z zakodowaną cyfrowo informacją do bezkontaktowego odczytu światłem lasera optycznego – był prawdziwym przełomem. Przyczyn takiego stanu rzeczy było kilka, a najważniejsze z nich to:

• trwałość zapisu – nagrania cyfrowe przy właściwym obchodzeniu zachowują się przez tysiące odtworzeń i przynajmniej kilkanaście lat przechowywania, pozwalając na wielokrotne odtworzenie dźwięku o wysokiej jakości, doskonałej dynamice i szerokim paśmie przenoszenia. Ponadto, nagrania cyfrowe są odporne na zakłócenia magnetyczne,
• dynamika i związany z nią poziom szumów – przeciętna płyta CD oferuje dynamikę 90 dB, co oznacza, że najgłośniejszy zapisany sygnał ma energię w przybliżeniu miliard razy większą od najcichszego,
• względy ekonomiczno-praktyczne – dzięki zastosowaniu techniki cyfrowej, produkcja nośników dźwięku stała się tańsza, a użycie nośników – wygodniejsze ze względu na natychmiastowy dostęp do dowolnego miejsca na krążku,
• jakość dźwięku – płyta CD generalnie oferuje lepszą jakość dźwięku aniżeli inne sposoby zapisu aczkolwiek do dzisiaj dobra płyta analogowa, odczytana przez dobry gramofon ma swoich zagorzałych zwolenników, chociażby ze względu na zupełnie inną, różną od zapisu na płycie CD, barwę dźwięku.

Krótka historia wynalazku

Compact Disc jest wspólnym wynalazkiem koncernów Philips i Sony będącym pochodną laserowego urządzenia wizyjnego. Prace nad techniką wybierania laserowego rozpoczęto w laboratoriach Philipsa już w 1970 r. Chodziło wtedy o uzyskanie nośnika płytowego obrazów telewizyjnych. System noszący początkowo nazwę VLP – Video Long Play został upowszechniony wówczas jako LV – Laser Vision.

We wrześniu 1972 r. został pokazany pierwszy model odtwarzacza VLP. Konstrukcja zawierała 150 nowych patentów. W następnych latach wobec sukcesów systemu VHS nastąpiło zahamowanie dalszych prac nad rozwojem „laserowidu”. Natomiast pod koniec lat 70-tych ubiegłego stulecia powrócono do zarzuconej koncepcji odczytu laserowego ale już na potrzeby rejestracji sygnałów fonicznych wobec wyraźnego kresu rozwoju zapisu mechanicznego na płycie winylowej.

Specyfika zapisu cyfrowego związanego z przetwarzaniem sygnałów fonicznych skłoniła Philipsa do nawiązania ścisłej współpracy w tym zakresie z koncernem Sony – ówczesnym liderem w technice cyfrowej. Wynikiem tej współpracy jest system Compact Disc wykorzystujący 16-bitową liniową modulację PCM z korekcją błędów CIRC i kodem kanałowym EFM (bardziej szczegółowy opis w dalszej części artykułu).

W roku 1980 odbyła się pierwsza publiczna prezentacja odtwarzacza CD na wystawie „All Japan Audio Fair”.

W 1981 r. twórcy systemu CD Holender Lodevijk Ottens i Japończyk dr Toshidata Doi otrzymali podczas IFA nagrodę Eduarda Rheina, która w świecie elektroników odpowiada nagrodzie Nobla.

W 1982 r. w zakładach PolyGram (należących wówczas do Philipsa) w Hanowerze rozpoczęto budowę nowych hal do produkcji płyt CD. Do wytwarzania dysków zastosowano przezroczysty polimer stosowany do m.in. do produkcji szkieł okularowych i szyb kuloodpornych zwany poliwęglanem (polycarbonate). Czołowymi producentami tego materiału są: General Electric (Lexan®), Bayer (Makrolon®) i DOW CHEMICALS (CALIBRE®).

Natomiast przyjęta średnica dysku 12 cm to nic innego jak wykorzystanie technologii wytwarzania monokryształów krzemu dla przyrządów półprzewodnikowych z walca o tej samej średnicy.

Opisane poniżej różne standardy płyt stanowią przykłady standardów przemysłowych de facto opisanych w kolejnych kolorowych księgach przez twórców CD.

CD-DA (ang. Compact Disc Digital Audio, Audio-CD) – to standard cyfrowego zapisu dźwięku na płycie kompaktowej, wykorzystujący do tego celu kodowanie PCM o częstotliwości próbkowania 44,1 kHz i rozdzielczości 16 bitów na próbkę. Minuta muzyki zajmuje ok. 10 MB. Płyty CD-DA zawierają wyłącznie ścieżki wypełnione muzyką w plikach o rozszerzeniu CDA. Technika CD-DA opracowana wspólnie przez Philipsa i Sony została po raz pierwszy zastosowana w 1982 roku, dostarczając na rynek urządzenie do odtwarzania bardzo wysokiej jakości dźwięku cyfrowego.

Muzyka podzielona jest na ścieżki, po których można „przeskakiwać” bez konieczności przewijania. Jeśli płyta została zapisana w systemie Track-At-Once (TAO) między ścieżkami będzie 3-sekundowa przerwa, można to ominąć nagrywając płytę w systemie Disc-At-Once (DAO). Dane zapisywane na dysku CD-Audio poddawane są kodowaniu CIRC, służącemu do korekcji błędów, a następnie kodowaniu kanałowemu EFM, zwiększającemu „upakowanie” danych. CD-DA zawiera standardowo 74 minuty nagrania podzielonego na maksymalnie 99 części. Przy największym dopuszczalnym zwężeniu rowka (1,497 μm) długość nagrania można zwiększyć do 79 minut i 40 sekund. Płyty CD-DA charakteryzują się dosyć wysoką jakością dźwięku, a przy tym są stosunkowo odporne na zabrudzenia (kurz, odciski palców) i zarysowania. Definicja CD-DA była punktem wyjścia do opracowania wszystkich mutacji CD (zdefiniowana w tzw. Red Book – Czerwonej Księdze).

SACD (ang. Super Audio CD) – to standard zapisu muzyki (zapisywany na płytach SACD w formacie Direct Stream Digital będący pewnego rodzaju poszerzeniem możliwości płyty kompaktowej, zarówno poprzez jakość zapisu i odtwarzania dźwięku, jak i poprzez wprowadzenie możliwości odtwarzania dźwięku w trybie wielokanałowym. Format DSD został stworzony przez koncerny Sony i Philips do zapisu na płytach SACD. Format DSD przewiduje użycie trzech rodzajów płyt SACD:

• płyty jednowarstwowej o dużej gęstości zapisu (HD – High Density) i pojemności 4,7 GB,
• płyty dwuwarstwowej z dwiema warstwami o dużej gęstości zapisu i pojemności 8,5 GB,
• płyty hybrydowej z dwiema warstwami zapisu, przy czym jedna z nich jest warstwą HD (4,7 GB), druga zaś jest warstwą konwencjonalną CD o pojemności do 780 MB.

Według oficjalnych informacji podawanych przez koncern Sony, format DSD zdolny jest przenieść dźwięk o częstotliwości do 100 kHz oraz dynamice 120 dB. Ponadto, na płycie SACD możemy zapisać i odtwarzać dźwięk STEREO lub WIELOKANAŁOWY lub oba jednocześnie. Inną ciekawostką, a zarazem spełnieniem oczekiwań milionów przeciętnych użytkowników sprzętu audio, jest stworzenie przez Sony hybrydowej płyty SACD, która zawiera materiał dźwiękowy w formacie DSD oraz materiał w formacie CD-DA, co powoduje, że płyta ta jest kompatybilna z każdym odtwarzaczem CD. W celu maksymalnego zabezpieczenia płyt przed nielegalnym kopiowaniem, zastosowano technologię o nazwie PSP (Pit Signal Processing). Polega ona na wprowadzeniu ukrytego "znaku wodnego" (watermark), tzn. osadzenia na powierzchni dysku specjalnej matrycy mikroskopijnych pitów. Technika PSP umożliwia wprowadzenie dwojakiego rodzaju znaków: widzialnego, który jest odciśnięty na płycie w formie tekstu lub obrazu, lub niewidzialnego.W przypadku gdy znak nie zostanie odnaleziony, odtwarzacz nie będzie zdolny do odtworzenia płyty. Obydwa znaki są prawie niemożliwe do podrobienia, a dzięki znakowi widzialnemu łatwo odróżnić płytę od płyty nielegalnie skopiowanej. Tak więc, format SACD charakteryzuje się chyba najlepszym, dotychczas wynalezionym, zabezpieczeniem antypirackim. SACD promowany jest głównie przez koncerny: Sony i Philips – twórców starego dobrego CD, a wspierany przez wielu innych producentów (takich jak Marantz czy Pioneer).

MP3-CD – jest to po prostu płyta CD, na której muzyka została zapisana w formacie MP3 (ang. MPEG-1 Audio Layer-3). Format MP3 to opracowany w 1991 roku format kompresji danych (o jakości dźwięku porównywalnej do radia UKF FM), o którym można powiedzieć, że zrewolucjonizował świat muzyki. Ponieważ cyfrowy zapis dźwięku zajmuje znaczną objętość, a przesyłanie go może spowodować „zatkanie” łączy, to aby tego uniknąć, stosuje się tzw. kompresję. Jednym z formatów kompresji danych jest właśnie MP3.

WMA-CD – (ang. Windows Media Audio – WMA) opracowany przez Microsoft algorytm kompresji dźwięku (rezultaty kompresji są lepsze niż dla MP3, ale wymagania sprzętowe kodeka są wyższe). Zarówno w trakcie kompresji, jak i odtwarzania, system jest obciążany w znacznie większym stopniu niż podczas pracy w standardzie MPEG warstwy III.

CD+G (CD+Graphics) – to specjalny typ płyty CD z nagraną muzyką i dodatkowymi danymi graficznymi (przechowywanymi na zarezerwowanym obszarze płyty), co umożliwia połączenie jakości dźwięku z CD z elementami grafiki wykorzystywanymi przy wyświetlaniu tekstu, a także z prostymi obrazami. Rozdzielczość elementów graficznych wynosi 300 x 216 pikseli z paletą 4096 kolorów (z tym, że tylko 16 z tych kolorów może być wykorzystywanych jednocześnie). Grafika nie jest wykorzystywana jedynie do wyświetlania tekstu utworów – niektóre płyty CD+G wyświetlają również proste obrazy, względnie implementują proste efekty w rodzaju rotacji palety bądź przewijającego się tekstu lub obrazów. Płyty CD+G można zapisywać i przechowywać na twardym dysku w formacie MP3+G, który składa się z dwóch plików: ścieżka audio (skompresowana do formatu MP3) oraz dane graficzne (przechowywane w pliku cdg). Płyty CD+G mogą być odtwarzane na zwykłych odtwarzaczach CD oraz na odtwarzaczach typu CD+G, które mogą wyświetlać zapisane obrazy (zwykle odtwarzacz CD+G podłączony jest do zestawu telewizyjnego lub monitora komputerowego) – funkcja ta jest wykorzystywana przede wszystkim do prezentowania tekstu piosenek dla wykonawców karaoke. Zdefiniowana w tzw. Red Book – Czerwonej Księdze.

CD+Tekst – to wymyślone przez koncerny Philips i Sony rozszerzenie standardu Audio-CD, umożliwiające zapis na płycie audio dodatkowych informacji tekstowych, typu: nazwa płyty, nazwisko wykonawcy, nazwa utworu, czas jego trwania oraz graficznych (np. kolorowego logo), etc. Zapisane w ten sposób dane są "niewidoczne" dla odtwarzaczy CD czy CD-ROM nie odczytujących CD-Tekstu, a z drugiej strony – w niczym nie przeszkadzają im w odtwarzaniu muzyki. Blok CD-Tekstu może się składać z maksimum 256 tzw. „pakietów” – 4 z nich zarezerwowane są do zastosowań wewnętrznych, pozostałe 252 mogą być w całości wykorzystane dla informacji o płycie. Ponieważ każdy pakiet mieści 12 znaków, tak więc cała informacja o zawartości płyty nie może przekroczyć 3024 znaków.

CD-ROM (ang. CD – Read-only Memory) – odmiana płyty CD przeznaczona do zapisu informacji w postaci binarnej. Specyfikacja płyty została opublikowana przez Philipsa i Sony w 1985 roku w tzw. Żółtej Księdze. CD-ROM jest obecnie najtańszym i najpopularniejszym nośnikiem do dystrybucji programów komputerowych.

CD-R (ang. CD-Recordable, czyli nagrywalna płyta kompaktowa) – jest to rodzaj „czystej” płyty CD, na której można jeden raz zapisać dane za pomocą rejestratora. Po nagraniu danych płytę można odczytać w napędzie CD-ROM, DVD lub rejestratorze. Płyty CD-R, w zależności od typu mogą pomieścić od 650 MB do 700 MB (co daje ponad 325 000 stron maszynopisu). Poliwęglanowy krążek, z którego wykonana jest płyta CD-R, ma spiralny rowek, który prowadzi wiązkę lasera w trakcie odczytu lub zapisu danych. Generalnie CD-R możemy nagrać jedynie raz. Jednak istnieje wiele sposobów by upodobnić CD-R do CD-RW (z tym, że raz nagrane dane nigdy nie są fizycznie usuwane i z każdym kolejnym nagraniem zmniejsza się pojemność nośnika). Są to:

• nagrywanie dysku fragmentami (tzw. wielosesyjność),
• wielosesyjność poszerzona o wielowoluminowość,
• i chyba najwygodniejszy tryb zapisu, tzw. tryb pakietowy (pierwotnie przeznaczony dla płyt CD-RW).

CD-RW (ang. CD-ReWritable) – jest to rodzaj płyty CD do „wielokrotnego zapisu”, tzn., że zapisane dane można zastąpić nowymi. Proces powtórnego zapisu może być wykonywany wielokrotnie, jednak istnieje granica wytrzymałości nośnika, która zazwyczaj wynosi ona około 1 tysiąca cykli nagraniowych (przyjmując, że daną płytę kasuje się raz w tygodniu, zostałaby ona zniszczona dopiero po 19 latach nieprzerwanego użytkowania). Pojemność CD-RW waha się od 650 do 700 MB. Płyta CD-RW zasadniczo różni się budową i zasadą działania od płyty CD-R. Płyta między dyskiem z tworzywa sztucznego, a odbijającą światło warstwą aluminium, zawiera warstwę będącą stopem czterech metali (srebro, ind, antymon, tellur). Warstwa ta ma specjalne własności fizyczne. Promień lasera może czynić ją przezroczystą lub pochłaniającą światło. Dzięki temu, że warstwa ta może przechodzić dowolnie z jednego stanu w drugi, zapis na CD-RW nazywany jest zapisem zmiennofazowym (jest on w pełni odwracalny – płytę można także „wyczyścić”). Pierwotnie nośniki CD-RW mogły być nagrywane z prędkością 1x – 4x, obecnie mogą być zapisywane z prędkościami nawet 32x. Dla porównania nośniki CD-R mogą być nagrywane z maksymalną prędkością 54x.

CD-i (ang. CD-Interactive, czyli interaktywna płyta kompaktowa) – to płyta zapisana w specjalnym formacie, przeznaczona głównie do celów edukacyjnych. Format ten został opracowany wspólnie przez firmy Philips i Sony. Obecnie jest on praktycznie nie używany, gdyż wymaga specjalnych czytników.

VCD (ang. Video CD) – odmiana płyty CD przeznaczona do zapisu filmów w standardzie MPEG-1 w rozdzielczości 352 x 288 i 25 ramkach na sekundę dla systemu PAL. Przepływność bitowa wynosi 1150 kbit/s. Standard został opracowany przez Philipsa i Sony w tzw. Białej Księdze w 1993 r. Pojemność nośnika wystarcza na nagranie ok. 70 min. filmu o jakości VHS. Do odczytu potrzebny jest komputer z czytnikiem CD-ROM lub specjalna konsola CD-I.

XVCD (ang. eXtended Video CD) – standard rozszerzony płyty Video CD. Wykorzystuje dużo wyższą przepływność (3.5 Mbit/s), zapewniając wyższą jakość obrazu przy podobnej pojemności (ok. pół godz.). Nie jest to oficjalny standard więc trudno jest znaleźć odtwarzacz dla tego formatu.

SVCD (ang. SuperVideo CD) – odmiana płyty CD przeznaczona do zapisu filmów w standardzie MPEG-2 w rozdzielczości SDTV. Przepływność bitowa wynosi 2600 kbit/s. Pojemność nośnika wystarcza na nagranie ok. 60 min. filmu o jakości pomiędzy VCD a DVD. Standard został opracowany w Chinach w celu ominięcia konieczności wnoszenia opłat patentowych na rzecz właścicieli praw do DVD.

XSVCD (ang. Super Extender Video CD) – jeszcze jedna odmiana Video CD.Przepływność bitowa wynosi 9,8 Mbit/s czyli tyle samo co DVD i może być odtwarzana na większości czytników DVD. Jedyną poważną wadą jest, że mieści niewiele treści wideo.

Photo CD (ang. Kodak Photo CD) – standard opracowany przez firmę Kodak w 1992 r. przeznaczony dla profesjonalnego zapisywania fotografii w postaci danych cyfrowych na dyskach optycznych. Zapisane obrazy domyślnie mają rozdzielczość 2048 x 3072 pikseli. Obrazki można oglądać, obrabiać lub wysłać na drukarkę mając odpowiednie oprogramowanie. Na płycie mieści się 100 zdjęć zakodowanych w specjalnym programem Kodaka.

Picture CD (ang. Kodak Picture CD) – standard wyprowadzony przez firmę Kodak z wcześniejszego Photo CD dla zapisywania fotografii w postaci danych cyfrowych na dyskach optycznych. Obrazy zapisane na płycie CD-ROM domyślnie mają rozdzielczość 1024 x 1536 pikseli i są poddane kompresji JPEG.

Zobacz wszystkie odtwarzacze audio w Infotece