Hoe werkt een CD-RW

Philips en Sony startten eind jaren zeventig met de ontwikkeling van een medium voor het opslaan van muziek. Het verhaal wil dat de maximale capaciteit toen, 650 MB, tot stand is gekomen omdat de vrouw van een van de topmensen van Sony de Negende Symfonie van Beethoven met één cd wilde kunnen afluisteren. Hoe dan ook, de cd bleek dermate betrouwbaar en succesvol dat beide concerns besloten een standaard te ontwikkelen voor de opslag van digitale data op de cd.

Samplen

Een moderne cd kan ongeveer 74 minuten muziek bevatten. Leuk om te weten, maar hoeveel niet-muzikale informatie past er dan eigenlijk op? Om deze rekensom te maken, moet u eerst iets weten over het omzetten van het oorspronkelijke analoge signaal naar digitale informatie die nodig is voor een cd. Een analoog signaal kan worden weergegeven door een golfvorm. Deze bevat een oneindig aantal punten, een lijn is immers op te delen in tien, of honderd, of een miljoen, of een triljoen punten, enzovoort. Hetzelfde geldt voor de waarde van ieder individueel punt van de golf: afhankelijk van de nauwkeurigheid is een waarde bijvoorbeeld 10; 10,1; 10,057, 10,056897; enzovoort. De werkelijke, analoge wereld is dus oneindig subtiel, de digitale wereld is dit zeker niet. Er past immers maar een beperkte hoeveelheid informatie op bijvoorbeeld een cd.

cdrw_01
Afbeelding 1

Bij het omzetten (‘samplen’) van het analoge signaal wordt daarom een vast aantal maal per seconde gekeken welke hoogte de analoge golf heeft (de ‘sampling rate’) en wordt de waarde daarvan vastgelegd met een beperkt aantal gradaties (de ‘sampling precision’). Het resultaat van de omzetting is dus altijd een benadering van het origineel. De ‘sampling rate’ van 44,1 kHz en ‘sampling precision’ van 2 bytes (65.536 gradaties) die zijn afgesproken voor de cd is een compromis tussen de hoeveelheid muziek die op een cd moest passen en de hoeveelheid fouten die voor het menselijk oor als niet storend wordt ervaren (afbeelding 1). Terug naar de rekensom: voor 74 minuten stereomuziek zijn 74 minuten maal 60 seconden maal 2 kanalen maal 44.100 ‘samples’ maal 2 bytes per ‘sample’ = 783.216.000 bytes nodig. Dat is dus iets meer dan 783 MB, waarvan na formatteren van de cd voor data nog ongeveer 750 MB overblijft.

Fabricage van de cd

Deze grote hoeveelheid informatie moet dus op een cd passen met een doorsnede van 12 centimeter, dus mag iedere individuele byte maar heel weinig ruimte in beslag nemen. De bytes liggen in een spiraalvormig spoor op de cd dat begint in het middelpunt van de schijf en zich in een groot aantal omwentelingen langzaam naar buiten slingert. Dit spoor is slechts 0,5 m (micron, een miljoenste meter) breed en er ligt 1,6 m tussen de verschillende omwentelingen van het spoor. De bytes zelf zijn minimaal 0,83 m lang en 125 nanometer (een miljardste meter) hoog. Beschouw de bytes in het spoor maar als minuscule verhoogde putdeksels op het spoor van de cd (afbeelding 2). Zou u dit spoor in één rechte lijn uitrekken, dan ontstaat een spoor van 0,5 micron breed en 5 kilometer lang!

cdrw_02
Afbeelding 2

De meeste muziek-cd’s bestaan voornamelijk uit spuitgegoten policarbonaat van ongeveer 1,2 mm dik. In deze kunststof laag wordt vervolgens een patroon geperst waardoor aan de bovenkant van deze laag de spiraalvorm met ‘putdeksels’ ontstaat. Hierover wordt met zachte dwang een dun laagje reflecterend aluminium aangebracht, zodat deze laag het putdekselpatroon van de laag daaronder volgt. Het aluminium rust daarbij op de putdeksels van de laag daaronder en wordt in de delen daartussen naar beneden gedrukt. Hierdoor ontstaan kuiltjes in het aluminium en daarmee het idee dat het spoor in de cd zou bestaan uit kuiltjes. Dit is niet zo, de cd-speler leest de cd van onder af, dus bestaat het reliëf uit verhogingen, niet uit kuiltjes. Het fabricageproces gaat verder met het spuiten van een beschermende laag acryl over het aluminium, waarin ten slotte het label wordt gedrukt.

Lezen van de cd

Het aflezen van de informatie is een uiterst precies karweitje. Het afleessysteem moet om te beginnen in staat zijn exact boven een spoor van 0,5 m breed te blijven hangen. De cd wordt daarnaast van binnen naar buiten gelezen, dus moet het afleesmechanisme deze beweging op 1,6 m nauwkeurig kunnen volgen.
Lastiger is bovendien dat de snelheid waarmee de individuele bytes langskomen aan de buitenkant van de cd veel groter is dan aan de binnenkant. In niet-wiskundige taal: beide uiteinden van de cd zijn even snel rondgedraaid, het is immers een geheel. Maar de buitenste delen van het spoor bevatten veel meer afzonderlijke bytes dan de delen dicht bij het middelpunt, want het spoor maakt steeds grotere bochten. Dus draaien de buitenste bytes veel harde rond dan de binnenste. De kaartjesknipper van een mallemolen kan immers in het midden rustig ronddraaiend zijn inkomsten tellen, terwijl uw kinderen toch echt een snelheidssensatie beleven! Software zorgt er daarom voor dat de aandrijfmotor van de cd steeds langzamer gaat draaien naarmate de buitenkant van de cd wordt afgelezen.

De kerntaak van de cd-speler is het uitlezen van het putdekselspoor. Hiervoor wordt een laser gebruikt. Het laserlicht dringt aan de onderkant van de cd onder een kleine hoek door de kunststof laag en wordt door de aluminium laar teruggekaatst naar een lichtgevoelige cel. Het laserlicht weerkaatst anders op een putje in het kunststof dan op een kuiltje, omdat het licht in het eerste geval een iets langere weg moet afleggen. De lichtgevoelige cel detecteert deze verschillen en vertaalt ze in nullen en enen.

Werking cd-r en cr-rw

De werkwijze van cd’s die u in uw computer bakt of herschrijft wijkt iets af van het voorgaande. Bij een cd-r ontstaan de putjes namelijk in een laag met organische kleurstof. Een zeer krachtige laserstraal verhit deze kleurstof ter plekke tot ongeveer 300 graden Celsius en creëert zo een putdekseltje in de kleurstof. Deze plekken weerkaatsen minder licht dan de niet-verhitte delen. De kleurstoflaag wordt bovendien niet afgedekt met aluminium maar met een laag reflecterend kunststof (afbeelding 3, links). Bij het afspelen interpreteert de lichtgevoelige cel het minder intens weerkaatste licht van de putjes als een nul. Plekken waar de kunststof niet werd verhit, worden enen.
De cr-rw wijkt hiervan weer iets af. De putjes met informatie liggen hier in een zeer dunne laag die bestaat uit een legering van zilver, indium, antimoon en telluur (afbeelding 3, rechts). Een laserstraal die twee maal zo krachtig is als het exemplaar van de cd-r verhit ter plekke deze legering, die daardoor minder reflecterende putjes krijgt. Een tweede, minder krachtige laser kan op deze plekken het weerkaatsend vermogen herstellen door erop te schijnen. De cd-rw kan hierdoor weer opnieuw worden beschreven. Het lezen verloopt volgens hetzelfde principe als de cd en cd-r.

cdrw_03
Afbeelding 3

Voor alle typen cd’s geldt dat bij het afspelen de leeskop de putdeksels nodig heeft om het spoor te kunnen blijven volgen. Het spoor moet dus met regelmaat putjes bevatten, anders raakt de leeskop het spoor letterlijk bijster. Dit betekent dat de data tijdens het schrijven heel regelmatig moet worden aangevoerd, anders kan de laser geen data schrijven en ontstaan lege delen op het spoor. Dit verschijnsel heet ‘BufferUnderRun Error’. De cd-r’s waarmee dit gebeurt kunt u meteen in de prullenmand gooien of als onderzetter gebruiken, want die kan geen enkele speler lezen. Fabrikanten hebben daarom branders uitgebracht die kunnen stoppen met schrijven wanneer er even gaan data-aanvoer is. Voorwaarde is dat de software waarmee u cd’s brandt deze mogelijkheid ondersteunt. Gelukkig zijn de meeste branders in staat dit kunstje uit te voeren en hetzelfde geldt voor de software die ze aanstuurt. De manier waarop dit werkt staat weergegeven in afbeelding 4.

cdrw_04
Afbeelding 4

(Origineel verscheen op 5 december 2002 in Graficus)

Scroll Up

Pin It on Pinterest