Minibity

Budowa płyt DVD

Wydawać by się mogło, że budowa płyty DVD (Digital Versatile Disc), zarówno tej tłoczonej, jak i przeznaczonej do nagrania, jest wyjątkowo prosta. Ot, ciąg następujących jeden po drugim, trochę mniejszych niż na krążku CD (Compact Disc) pitów i landów, odpowiadających zerom i jedynkom, a wszystko to w postaci długiej, spiralnej ścieżki, znajdującej się na 12-centymetrowym nośniku. W wypadku płyt zapisywalnych dochodzi jeszcze warstwa barwnika, którą w trakcie nagrania płyty wypala laser.

Ten przedstawiony powyżej obraz budowy płyty CD/DVD, zakorzeniony wśród wielu użytkowników komputerów, nie ma niestety wiele wspólnego z rzeczywistością. Co więcej, część przytoczonych stwierdzeń jest nie tylko znacznie uproszczonym modelem, ale zawiera sporo poważnych błędów merytorycznych. Przyjrzyjmy się zatem, jak naprawdę zbudowane są zapisywalne i tłoczone płyty DVD. Wszak wkrótce całkowicie wyprą one swoich „starszych braci”.

Zacznijmy od podstaw

Najprostszą budowę mają tłoczone płyty CD-ROM i DVD-ROM. W skrócie proces ich produkcji polega na odciśnięciu w poliwęglanowym tworzywie sztucznym o średnicy 120 mm (czasem 80 mm) pojedynczej spiralnej ścieżki o szerokości 0,4 mikrometra (dla płyty CD jest to 0,66 µm), będącej zbiorem wgłębień i wypukłości, pokrytej cienką warstwą aluminium lub srebra. Ścieżka o długości ok. 11 km (6 km dla CD) zaczyna się wewnątrz dysku i biegnie ku jego krawędzi, odwrotnie niż na winylowej płycie gramofonowej.

Głębokość zagłębienia (pitu) równa jest jednej czwartej długości fali światła odczytującego i wynosi dla płyty DVD ok. 0,16 µm. Droga optyczna odbitego promienia w porównaniu z tą, gdy światło natrafi na land (wypukły obszar), jest przesunięta w fazie w stosunku do wiązki padającej o 1/2 długości fali i zgodnie z prawami optyki falowej promień lasera ulegnie wygaszeniu (patrz: rysunek „Wygaszanie wiązki światła”). Dzięki temu promień lasera, który przesuwa się nad sekwencją pitów i landów, zostaje zmodulowany. Na czujniku w napędzie DVD obserwujemy wówczas rozbłyskujące (odbite od landów) i gasnące (odbite od pitów) światło. Długość zagłębień i częstotliwość występowania landów odpowiada bezpośrednio za zachowaną na krążku CD/DVD informację. Te krótsze i dłuższe impulsy świetlne, odbite od powierzchni płyty, zamieniane są na detektorze na sygnały elektryczne, z którymi poradzi już sobie elektronika napędu CD/DVD.

A wszystko przez bity kanałowe

Ze względu na niewielkie rozmiary pitów i landów (0,4-1,87 µm dla krążka DVD oraz 0,83-3,56 µm dla CD) sygnały logiczne odpowiadające zerom i jedynkom nie mogą być bezpośrednio reprezentowane za ich pomocą. W płytach CD/DVD ominięto ten problem, stosując tzw. metodę zmiennej fazy. Cyfra zero reprezentowana jest za pomocą niezmiennego pitu lub landu, a jedynka to przejścia z pitu na land lub odwrotnie. Tak stworzony bit nazywa się zaś bitem kanałowym (ang. channel bit).

Kolejnym ograniczeniem technologicznym, ale tym razem wynikającym z szybkości modulacji światła i prędkości odpowiedzi detektora, jest to, że długości pitu i landu muszą zawierać się w przedziale od 3 do 11 bitów kanałowych. Cóż to oznacza w praktyce? Otóż pojedyncze bajty, czyli 256 różnych odpowiadających im wartości binarnych, nie mogą być zapisane za pomocą kombinacji ośmiu zer i jedynek. Co więcej, niektóre liczby, takie jak m.in. 00000000 i 11111111, są niedopuszczalne ze względu na brak lub zbyt intensywną modulację światła laserowego. Dlatego dla przedstawienia ośmiu bitów danych potrzeba aż 14 bitów kanałowych. Do przekształcenia wartości binarnych z przedziału od 0 do 255 używa się specjalnej tabeli zaszytej w firmwarze każdego napędu CD/DVD. Taka metoda kodowania informacji nosi zaś nazwę modulacji EFM (Eight to Fourteen Modulation).

Technologia kodowania EFM ma też dość istotną zaletę. Każda wartość kodu w tabeli EFM jest niepowtarzalna i tak dobrana, że na podstawie zaszytych w oprogramowaniu sterującym napędu wartości łatwo odtworzyć rzeczywistą postać błędnie odczytanych bitów. Modulacja EFM stanowi więc również pierwszy stopień korekcji błędów dla krążków CD i DVD (patrz: $(LC28666:Cyfrowy rytm)$). Niestety, przekształcenie EFM nie zapobiega powstawaniu niepożądanych sekwencji bitów kanałowych na styku sąsiadujących ze sobą czternastobitowych grup danych. Aby wyeliminować ten problem, wprowadza się dodatkowe trzybitowe sekwencje rozdzielające (ang. merge channel).

Przedstawiony mechanizm kodowania danych obowiązuje w wypadku płyt CD. Ponieważ pity i landy na krążkach DVD są znacznie mniejsze i aby zmniejszyć prawdopodobieństwo powstawania błędów, wprowadzono inną tabelę zamieniającą 8 bitów na sekwencję tym razem 16 bitów kanałowych. Długość pitu i landu musi się tutaj zawierać w przedziale od 3 do 14 bitów kanałowych. Ta nieco zmodyfikowana metoda kodowania nosi nazwę EFM Plus.

Porównanie parametrów technicznych płyt DVD
Parametr Płyty tłoczone jednowarstwowe Płyty tłoczone dwuwarstwowe Płyty nagrywalne jednowarstwowe
Typ płyty DVD5 DVD10 DVD9 DVD18 DVD-R DVD+R CD-R
Liczba warstw 1 1 2 2 1 1 1
Liczba stron 1 2 1 2 1 1 1
Średnica płyty 12 cm 12 cm 12 cm 12 cm 12 cm 12 cm 12 cm
Pojemność 4,7 GB 9,4 GB 8,5 GB 17 GB 4,7 GB 4,7 GB 650 MB
Długość materiału filmowego MPEG-2 2 godz. 4 godz. 4 godz. 8 godz. 2 godz. 2 godz. 22 min
Odległość między ścieżkami 0,74 µm 0,74 µm 0,74 µm 0,74 µm 0,74 µm 0,74 µm 1,6 µm
Długość bitu kanałowego 0,146 µm 0,146 µm 0,146 µm 0,146 µm 0,146 µm 0,146 µm 0,3 µm
Minimalna długość obszaru pit 0,4 µm 0,4 µm 0,44 µm 0,44 µm 0,4 µm 0,4 µm 0,833 µm
Minimalna reflektancja 30% 30% 18% 18% 30% 30% 30%
Maksymalna krotność nagrywania nd. nd. nd. nd. 16x 16x 52x*
Czas nagrania płyty nd. nd. nd. nd. 3,8 min 3,8 min 1,5 min
Wykorzystywany laser 650 nm 650 nm 650 nm 650 nm 650 nm 650 nm 780 nm
Korekcja błędów RSPC RSPC RSPC RSPC RSPC RSPC CIRC
Modulacja EFM Plus EFM Plus EFM Plus EFM Plus EFM Plus EFM Plus EFM
System plików UDF 1.2/ISO 9660 UDF 1.2/ISO 9660 UDF 1.2/ISO 9660 UDF 1.2/ISO 9660 UDF 1.2/ISO 9660 UDF 1.2/ISO 9660 ISO 9660
System adresowania sektorów na nienagranej płycie nd. nd. nd. nd. pre-pit/modulacja częstotliwościowa ADIP/modulacja fazowa ATIP/modulacja częstotliwościowa
Częstotliwość pofalowania ścieżki prowadzącej nd. nd. nd. nd. 140,6 kHz 817,14 kHz 22,05 kHz
* – krotności dla płyt CD i DVD sa różne, prędkość 1x dla CD to 150 KB/s, a 1350 KB/s dla DVD; nd. – nie dotyczy