Discos ópticos y sus unidades
Indice
1. Orígenes
2. Discos ópticos
3. Discos magneto ópticos
4. Discos y unidades PD
1. Orígenes
Los discos ópticos aparecieron a fines de la década de los 80’, siendo utilizado como un medio de almacenamiento de información para la televisión. Su alta capacidad y su fácil transportabilidad, hicieron que este dispositivo se popularice y comience a comercializarse en 1988 y a utilizarse en las computadoras.
La primera generación de discos ópticos se invento en Philips, y el desarrollo se realizo con colaboración de Sony.
Los discos ópticos utilizan dos tecnologías para el almacenamiento de datos: WORM (Write Once Read Many) y CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory).
Los discos magneto ópticos utilizan la tecnología WMRA (Write Many Read Always), que permite leer y escribir tantas veces como sea necesario.
2. Discos ópticos
Disco Óptico:
Un disco sobre el que se lee y escribe con luz. En esta categoria se incluye los CD-ROMs, que son grabados en el momento de su fábricación y no pueden ser borrados. Los Worms(Write Once Read Many) que son grabados en el entorno del usuario y tampoco pueden ser borrados. Y los borrables, que son aquellos que pueden ser reescritos una y otra vez, para esto se utiliza la tecnología Magnéto Óptica(MO) y cambio de fase. Estos temas se explicarán a continuación en detalle.
CD-ROM
Estos discos se basan en la misma tecnología que se utiliza en los CDs de audio, y fue la primera que se desarrollo. Este medio de almacenamiento tiene la desventaja de que no es posible reescribir en ellos, esto lo hace un medio ideal para distribuir software. Estos discos pueden producirse en masa, a muy bajo costo y con una maquinaria totalmente automatizada.
Los CD-ROMs se elaboran utilizando un láser de alto poder para formar agujeros en un disco maestro, luego se hace un molde que se usa para imprimir copias en discos plásticos. Luego se aplica en la superficie una delgada capa de aluminio, seguida de otra de plástico transparente para protección.
Los CD-ROMs se leen mediante un detector que mide la energía reflejada de la superficie al apuntar a esta un láser de bajo poder. Los agujeros, que se denominan huecos (pits), y las áreas sin laserizar entre estos, que se denominan zonas planas (lands), producen una diferente reflectividad del haz de láser, lo que hace posible distinguir entre ambos y recibir dos estados posibles: 0 y 1. Pero no se indica un 0 o un 1 con un land o un pit, sino que un pit indica el cambio de estado, o sea de 0 a 1 o de a 1 a 0, y segun la cantidad de lands que haya, el estado se mantiene estable, osea mientras no se cambie de estado se mantiene una zona de lands(Ver figura 1). De esta manera, se trata de realizar la mínima cantidad de huecos(pits) posibles en el disco, y así poder escribir más rápidamente.
Puede estimarse entre 10 y 15 años la permanencia de la información en un CD ROM común, dado que la superficie de aluminio que contiene la información se oxida muy lentamente en ese lapso, salvo que sea sometida a una protección anti-óxido especial, o sea de oro
Los CD-Roms están constituidos por una pista en espiral que presenta el mismo número de bits por centímetro en todos sus tramos(densidad lineal constante),para aprovechar mejor el medio de almacenamiento, y no desperdiciar espacio como sucede en los discos magnéticos. Es por esto que en la lectura y grabación de un CD, a medida que el haz láser se aleja del centro del disco, la velocidad debe disminuir, ya que en el centro el espiral es de menos longitud que en los bordes(ver figura 2). Alternando las velocidades se logra que la cantidad de bits leídos por segundo sea constante en cualquier tramo, sea en el centro o en los bordes. SI esta velocidad sería constante, se leerían menos bits por segundo si la zona esta más cerca del centro, y más si esta más cerca de los bordes. Todo esto significa que un CD gira a una velocidad angular variable.
Para poder lograr que los CDs tengan igual densidad en cualquier tramo de la espiral, en la grabación , el haz láser emitido por la cabeza( que se mueve en línea recta radial desde el centro al borde del plato) genera la espiral a velocidad lineal constante(CLV), esto significa que la cantidad de bits grabados por segundos será constante.
Pero para poder lograr esto, y mantener una densidad lineal constante y la pista en espiral, será necesario que el CD gire a una velocidad angular variable(explicado anteriormente). Por lo tanto, por girar un CD a una velocidad angular variable, y ser escrito a velocidad linear constante, se escriben y leen la misma cantidad de bits por segundo y por centímetro, cualquiera sea la posición del mismo. Mientras que cada vuelta de la espiral contendrá más o menos bits según si este más cerca del centro o del borde.
Uno de los problemas del CD-ROM es que la impresión de discos de aluminio con cubierta plástica no es muy precisa, por lo cual la información digital contiene, por lo general, muchos errores. Existen dos formas para corregir estos errores:
1) La cabeza lectora de la unidad contiene un espejo de precisión manejado por un mecanismo que se utiliza para encontrar errores en la superficie del disco.
2) Los datos se graban utilizando un algoritmo denominado ‘código de corrección de errores de Reed Solomon’. Este es similar al algoritmo de Hamming, pero al utilizar mas bits de paridad, puede corregir mayor cantidad de errores.
Un tipo de CD-ROM de 60 min de duración (también son comunes los de 74 min) presenta la espiral constituida por 270000 marcos conteniendo cada uno 2048 bytes (2 K) para datos. En total se pueden almacenar: 527 Mb. La espiral presenta unas 16000 vueltas por pulgada radial(t.p.i). Se debe tener en cuenta que en el espesor de un cabello entran 50 vueltas.
Antes de grabar el disco "maestro",un programa fracciona cada archivo a grabar en marcos de 2048 bytes de datos, y les agrega, conforme a los campos de un marco.:
a. unos y ceros indicadores de comienzo de marco , que sirven para sincronismo con la lectora de CD.
b. una secuencia de bits que irá en la cabecera (header) de cada marco para poder localizarlo.
Para poder localizar un marco dentro del CD , este se identifica por una dirección formada por 3 variables. Teniendo en cuenta el CD de 60 minutos (antes explicado), las primeras dos variables de la dirección son los minutos y los segundos horarios(mm:ss), los cuales obviamente varían desde 0 hasta el 59. El comienzo del espiral, o sea el centro del CD, tiene la dirección 00:00, este va progresando según va creciendo el espiral, hasta llegar a la dirección 59:59. Pero estas direcciones no son suficientes para localizar cada marco, de ahi viene la utilidad de la tercer variable. Esta variable, indica el numero de marco, teniendo en cuenta los minutos y segundos, y sus valores pueden ser desde el 0 hasta el 74. Osea, que por cada segundo , hay 75 marcos. De esta manera hay 60 valores posibles para los minutos y los segundos, y 75 para cada marco, hay 270 000 direcciones posibles, por lo cual existe una dirección para cada marco.
Teniendo en cuenta esto, podemos deducir, que por ejemplo el marco 155, tendrá la dirección 0:2 4. Esto se deduce ya que sí por c/seg existen 75 marcos, si la dirección es 2 seg, esta pertenece al marco 150, entonces para direccionar el marco 155, el marco es el numero 4.
Existen unidades lectoras de CD-ROM de tipo 2x, 4x, 6x,... velocidad simple de una unidad de CD de audio estándar respectivamente.
Si bien los CD-ROM son los CD más usados para almacenar programas y datos, las unidades lectoras de CD actuales también permiten leer información digital de otros tipos de CD basados en la misma tecnología, con vistas a aplicaciones en multimedia, como ser:
CD-DA (Digital Audio): es el conocido CD que escuchamos en un reproductor de CD para audio. Podemos escuchar la música que contiene mientras trabajamos con una PC, o bien mezclarla en usos multimedia.
CD-I son las iniciales de disco compacto interactivo. De tecnología semejante al CD-ROM, puede combinar datos, audio y video, conforme a un estándar multimedia propuesto por Phillips y Sony en 1986. Este también define métodos para codificar y decodificar datos comprimidos, y para visualizarlos. Almacena 72 minutos de audio digital estéreo ó 19 horas de conversación de calidad en mono, ó 6000 a 1500 imágenes de video - según la calidad deseada- que pueden buscarse interactivamente y mezclarse. Para utilizarse el mismo, se requiere de una plaqueta especial.
CD-ROM XA (de extended Architecture): es un estándar para sonido e imagen propuesto por Phillips, Sony y Microsoft, extensión de las estructuras de un CD-ROM, que especifica la grabación comprimida de sonido en un CD-ROM por el sistema ADPCM, también empleado en CD-I. Esto hace que un CD-ROM XA sea un puente entre el CD-ROM y el CD-I.
DVI es un tipo de CD ROM que integra video, televisión, gráficos con animación, audio multicanal y textos. Necesita plaquetas adicionales. Debido a una técnica de compresión de datos, éstos ocupan 120 veces menos lugar, permitiendo ver una hora de video de 30 imágenes por segundo. A esta velocidad, dado que una imagen de TV ocupa 600 KB, para ver un segundo se requieren 600 KB x 30 = 18 MB. De no existir compresión, los 600 MB de un CD ROM sólo permiten unos 600/18 » 30 seg. de visión. Los reproductores de CD actuales pueden leer CD-ROM, CD-R (de varias sesiones), CD-ROM XA, Photo CD, Video-CD, CD-I, CD-plus, y CD-DA.
WORM
Los WORMs (Write Once Read Many) son discos òpticos en los que, como el nombre lo indica, se puede escribir una sola vez, y acceder a los datos tantas veces como se quiera. Estos aparecieron ya que este dispositivo permite al usuario escribir el mismo en el disco. Sin embargo, una vez que se ha laserizado un hueco en la superficie, este ya no puede borrarse. Los discos que utilizan la tecnología Worm más conocidos en el mercado son los CD-R (Compact Disc Recordable), llamados anteriormente CD-WO(Write Once).
El proceso de grabación se realiza de la siguiente manera: el CD contiene una espiral, parcialmente pregrabada de fabrica que contiene las direcciones de los marcos, que sirve de guía para el láser. Este espiral posee una capa orgánica(un pigmento) translúcida que cuando el haz incide en una posición, esta se calienta decolorando el pigmento. En sima de esta capa se encuentra un capa de oro que sirve para reflejar el haz láser en cada lectura.
En la lectura, la capa orgánica deja pasar el haz láser hacia la capa de oro, o sea la capa reflectora, reflejandose de forma distinta según el haz haya atravesado un punto decolorado o no, simulando de esta manera en la lectura pits para las zonas decoloradas, y lands para las zonas donde no incidió el láser. Esto sucede ya que las zonas decoloradas producen una reflexion similar a la de un pit, y lo mismo con la de una zona sin decolorar con un land. Es por esto que CD-R ya grabado se lee como un CD-ROM .
Un CD-R no es necesariamente grabado en una sola sesión, se puede grabar en varios momentos como archivos que se quiere incorporar, hasta llegar a los 650 Mb(llamamos sesión a cada momento que se graba una determinada cantidad de archivos en un CD-R). Es por esto que un CD-R se debe grabar con la siguiente estructura para poder contener múltiples sesiones:
Los primeros 4 mm de ancho radial de una espiral de un CD-R o de un CD-ROM constituyen el "lead in", que antecede a la zona de datos. Esta es de unos 29 mm de ancho, y le sigue el "lead out" de 1 mm.
En un CD-R, el "lead-in" es precedido por dos áreas necesarias para alinear el haz láser a fin de poder grabar lo que sigue. Cada sesión de grabado de la espiral debe comenzar con la escritura de un "lead in", y terminar con la de un "lead out". A su vez, cada "lead in" debe contener la tabla de contenidos ("Table of contents" TOC), índice de los datos grabados en la sesión correspondiente.
Debe mencionarse que un CD-R grabado en "multisesiones" debe ser leído por un lector de CD-ROM apropiado (como son los actuales). De no serlo, sólo leerá la primer sesión.
Los sistemas operativos de una PC utilizan para la lectura de un CD-ROM el formato lógico HSG/ISO 9660. Este es un estandar de una organización interna de los CD –ROM establecida en 1985 por la empresa High Sierra Group, utilizado para establecer normas de compatibilidad entre los CDs.
Uno de los usos del CD-R que no se mencionó es el del Photo Cd. Este es un estándar elaborado en 1990 por Phillips y Eastman Kodak que especifica el procedimiento para convertir fotografías de 35 mm en señales digitales para ser grabadas en un CD-R en una o varias sesiones. La grabación se realiza durante el revelado de la película. Así se guardan cientos de fotos color en un CD-R.
Estos discos aparecieron en el mercado en el año 1996, llamados MO(magneto- ópticos)con la posibilidad de escribir y borrar en ellos tantas veces como sea necesario, debido a que apareció la necesidad de poder actualizar el software sin la necesidad de tirar los discos.
Estos discos están formados por una fina capa de material magnetisable y reflectante, protegida entre 2 capas de material de plástico transparente. El material magnetizable tiene la función de almacenar la información en pistas concéntricas, a diferencia de los ópticos que se graban en espiral. Por esto, estos discos se leen y graban a una velocidad angular constante, similar a los discos magnéticos. Esto significa que siempre que se lee la misma cantidad de sectores por segundo, y de esta manera la cantidad de bits leídos por segundo siempre es la misma.
Método de escritura:
La escritura termomagnètica involucra el uso de un haz de láser que modifica la temperatura de Curie de la película magnética. La temperatura de Curie de un material magnético es la temperatura a la cual el material pierde su campo magnético coercitivo. Esto sucede entre los 150 y 200 ºC para la mayoría de las películas magnéticas usadas. Cuando esto ocurre, el material pierde toda memoria de su magnetización anterior y puede adquirir una nueva magnetización si se lo enfría en presencia de un campo magnético externo.
La grabación se realiza invirtiendo un dominio magnético para indicar un uno y dejándolo igual para marcar un cero. Para poder hacer esto, se necesita inicializar todos los dominios en cero. Esto significa que para grabar datos, es necesaria una pasada de borrado que debe ser realizada antes de la escritura para inicializar los dominios.
Lectura:
Para leer los datos almacenados en un disco magneto óptico se debe interpretar el cambio en la reflexión de la luz reflejada en un haz reflejado. Este fenómeno físico en el cual se basa la tecnología de los discos magneto óptico regrabables, es conocido como el efecto Kerr. Este se manifiesta en un cambio en el estado de la polarización de la luz mediante la interacción con un medio magnetizado.
También existe otro método de lectura que esta basado en el efecto Faraday, que en algunos aspectos es similar al de Kerr.
Tecnología de cambio de fase:
Esta tecnología, que es la utilizada por los CD ópticos re-escribibles llamados CD-E (CD-Erasable), hoy designados CD-RW (CD ReWritable), se basa en la propiedad que posee una capa de material como el teluro (mezclado con germanio o antimonio), de cambiar del estado amorfo (0) al cristalino (1) si se alcanza la "temperatura transición" (100 ºC ó más); y de volver de cristalino a amorfo, si se alcanza la "temperatura de fusión" y se deja enfriar. Para escribir un uno en un punto de una pista del disco, un láser con baja potencia lo calienta rápidamente hasta la temperatura de transición. Si el estado físico del punto era amorfo, pasa a cristalino; y si ya está en este estado, quedará igual. Un cero se escribe calentando el punto hasta la temperatura de fusión, usando el láser con alta potencia. Al enfriarse pasa al estado amorfo, y si estaba en ese estado volverá al mismo.
La lectura de las pistas así grabadas se realiza con el mismo cabezal, recorriéndoles con el láser de Potencia diez veces menor. La luz láser reflejada al ser sensada permite detectar, por diferencias de reflectividad, los cambios de un estado físico al otro, a lo largo de la pista. Un punto en estado cristalino refleja el 70% de la luz incidente, y en estado amorfo el 18%.
Se debe aclarar que esta tecnología es puramente óptica, sin magnetismo, requiriéndose una sola pasada para escribir, a diferencia de la MO, que necesita borrar (escribir todos ceros) y luego escribir los unos.
Los discos PD (Phase change/Dual) se basan en la tecnología de cambio de fase tratada, pero las pistas generadas son concéntricas, como en los discos magnéticos (en los CD-WR se tiene una sola pista en espiral) Las unidades PD también pueden leer discos con espiral (CD-ROM, CD-R, CD-RW), de donde proviene la denominación "dual". Por tal motivo aparecen con la denominación PD/CD-ROM
Otras Tecnologías
DVD-ROM
Los DVD-ROM (Digital Versatil Disk) de "simple capa" tienen el mismo tamaño que un CD-ROM de 680 MB, y se basan en la misma tecnología de grabación y lectura que éstos, pero pueden almacenar 4,7 GB de datos (7 veces más), video o audio. Típicamente pueden transferir unos 1,3 MB/seg para computación (como un CDx1O). Esto se ha logrado:
· Disminuyendo a la mitad la longitud de los "pits" en relación a un CD-ROM
· Llevando al doble que un CD-ROM el número de vueltas por pulgada radial de la espiral(un CD-ROM presenta 16000 vueltas por pulgada radial).
· Usando un haz láser de color azul, de menor longitud de onda que el rojo, a- fin de poder sensar "pits" de menor longitud.
El DVD estándar que se comercializará en el mercado es fruto del acuerdo entre Phillips - Sony y Toshiba. Este DVD puede almacenar 2 hs de video de calidad, con títulos y sonido. Asimismo, los 4,7 GB permiten guardar 135 minutos de films (duración típica de una película de cine) en reemplazo de una cinta de video. Esto es así, dado que con compresión MPEG2 se requiere, para transferir imagen, sonido y títulos, cerca de 0,5 MB/seg. Si efectuamos: 135 min x 60 seg/min x 0,5 MB/seg., resulta un valor cercano a 4,7 GB.
Los DVD-ROM de "doble capa" presentan (figura 3) una capa semi-transparente reflectiva con oro (que puede guardar 3,8 GB), la cual se encuentra debajo de la capa reflectora (4,7 GB) metalizada con plata. Sumando ambas capacidades resultan en total 8,5 GB.
Para leer la capa semi-transparente el haz láser es enfocado en ella con baja potencia, mientras que la lectura de la capa reflectiva se realiza enfocando en ésta el haz, ahora con mayor potencia, para que atraviese la capa semi-transparente al incidir, y cuando se refleja.
También se están fabricando DVD-ROM de "simple capa" y "doble cara", para ser leídos en ambas caras, con lo cual se logra 4,7 GB x 2 = 9,4 GB; y DVD-ROM de "doble capa" y "doble cara", de 8,5 x 2 = 17 GB. Estos CD están muy expuestos a las rayaduras, por ser más finas las capas protectoras transparentes( Ver figura debajo).
(Gráfico perteniciente al sitio de internet Metodologias Informáticas)
Figura 3 DVD-ROM de doble capa
DVD-RAM
Un DVD-RAM es análogo a un CD-RW re-escribible antes descripto, pero tiene mayor capacidad, merced al empleo de un láser de menor longitud de onda que los usados.
Debido a las limitaciones de fabricación masiva de láseres azules de potencia de corta longitud de onda, la capacidad de los DVD-RAM es de 2,6 GB frente a los 4,7 GB de los DVD-ROM.
Potencialmente, los DVD-RAM pueden ser competidores de las cintas magnéticas para "backups" si el costo por byte almacenado lo justifica.
Sintetizando
Las tecnologías de grabación (escritura) a desarrollar son:
· por moldeado durante la fabricación, mediante un molde de níquel (CD-ROM y DVD ROM),
· por la acción de un haz láser (CD-R y CD-RW, también llamado CD-E),
· por la acción de un haz láser en conjunción con un campo magnético (discos magneto-ópticos - MO).
Son aplicaciones comunes de los discos ópticos: las bases de datos en CD ROM para bibliotecas de datos invariables (enciclopedias, distribución de software, manuales de software, demos, etc.), y para servidores de archivos en una red local, así como el uso de CD-R (grabables por el usuario) para backups, y las bibliotecas de Imágenes.
Algunas características importantes de los discos ópticos:
· Son medios removibles con capacidad para almacenar masivamente datos en pequeños espacios.
· Son portables (removibles de la unidad) y seguros en la conservación de datos.
· Tienen bajo costo por byte almacenado.
· Los CD-ROM se producen masivamente
· Los CD son más seguros en la conservación de datos que los discos magnéticos debido a que la capa que los almacena es inmune los campos magnéticos caseros, y están protegidos de la corrosión ambiental, etc.
Existen 3 tipos de discos ópticos o magnetos ópticos que se utilizan en la informática:
1. Grabado masivamente por el fabricante, para ser sólo leídos: como lo son el CD ROM (Disco compacto de sólo lectura) y el DVD ROM (Digital Versatil Disc de sólo lectura). En éstos, a partir de un disco "maestro" grabado con luz láser, se realizan múltiples copias obtenidas por inyección de material (sin usar láser). Se obtienen así discos con una fina capa de aluminio reflectante -entre dos capas transparentes protectoras-. Dicha capa guarda en una cara unos y ceros con huecos discontinuos( o sea formando pits y lands) , que forman una sola pista en espiral. La espiral es leída con luz láser por la unidad de CD del usuario.
2. Gravable una sola vez por el usuario: el CD-R (CD Recordable) o WORM.
En la escritura, el haz láser sigue una pista en espiral pre-construida en una capa de pigmento. Donde el haz incide, su calor decolora para siempre el punto de incidencia. En la lectura, esta capa deja pasar el haz láser hacia la capa reflectora dorada que está más arriba, reflejándose de forma distinta según que el haz haya atravesado un punto decolorado o no, detectándose así unos y ceros. Ambas capas están protegidas por dos capas transparentes. Una vez escrito, un CD-R puede leerse como un CD-ROM.
3. Borrables-regrabables: en la tecnología de grabación magneto-óptico (MO), la luz láser calienta puntos (que serán unos) de una capa -previamente magnetizada uniformemente- para que pierdan su magnetismo original (este corresponde a ceros). Al mismo tiempo, un campo magnético aplicado produce sólo en dichos puntos una magnetización contraria a la originaria (para así grabar unos).
Estas diferencias puntuales de magnetización son detectadas en la lectura por la luz láser (con menos potencia), dado que provocan distinta polarización de la luz láser que reflejan. Otro tipo de CD ópticos re-escribibles son los CD-E (CD-Erasable), hoy designados CD-RW (CD ReWritable), con escritura "por cambio de fase" (de cristalina a amorfa o viceversa) de los puntos de la capa del disco que guarda los datos. Se trata de una tecnología puramente óptica, sin magnetismo, que requiere una sola pasada para escribir una porción o la pista en espiral completa. En la tecnología PD (Phase change/Dual) que también es por cambio de fase, la unidad escribe pistas concéntricas. "Dual" indica que la unidad también puede leer CD con pistas en espiral (CD-ROM, CD-R, CD-RW).
Cuestionario
1- ¿Cunado comenzaron a utilizarse los discos ópticos en forma masiva?
2- ¿Cuales son los tipos de discos ópticos que se mencionan en este apunte?
3- Cuales son las caracteristicas de cada uno de los discos compactos?
4- ¿Que son los pit y los lands y que función cumplen?
5- ¿cual es el tiempo estimativo que dura la información en estos discos? ¿por que?
6- ¿Por que los CD deben variar su velocidad de giro para la lectura o escritura?
7- ¿Cuales son las capacidades en tiempo y en Mega Bytes de los CD?
8- ¿Qué son los discos ópticos WORM y que diferencia tienen con los CD-ROM?
9- Explique brevemente el funcionamiento del disco con tecnología de “cambio de fase” y mencione como lo llamamos vulgarmente.
10-¿Cuales son las capacidades en tiempo de video y en Giga Bytes de los DVD?
11-Cuales son los puntos mas importantes para que los DVD almacenen mas información que los CD
12-¿Cuales son las características mas importantes de los discos opticos
13-Cuales son los discos que funcionan con tecnología óptica y se utilizan en informática?.
