Optilise ketta ajam

Ajalugu

1979. aastal hakkasid Philips ja Sony koos arendama CD-DA (Compact Disc-Digital Audio) standardit. Philips oli juba välja arendanud kaubanduslikud CD-mängijad ja Sony oli juba kümme aastat teinud uuringuid digitaalse andmesalvestuse alal. 1980. aastal need kaks korporatsiooni kuulutasidki välja CD-DA-standardi, mida on siiani kutsutud Red Booki (inglise keeles "punane raamat") vorminguks (nime saanud sellest, et välja lastud dokumendi kaas oli punane). See standard suutis salvestada, diskreetida (muuta analoogandmeid digitaalseks) ja oli 120 mm diameetriga. Legend räägib, et selline suurus valiti, kuna see suudab ära mahutada kogu Beethoveni 70-minutilise üheksanda sümfoonia. Pärast spetsifikatsiooni määramist hakkasod mõlemad tootjad üksteise võidu tutvustama kaubanduslikult kättesaadavat heli-CD-plaati. Kuna Sonyl oli digitaalse elektroonikaga rohkem kogemusi, võitis selle võiduajamise Sony, kui tutvustas 1. oktoobril 1982 CDP-101 pleierit ja maailma esimest CD-d – Billy Joeli albumit "52nd Street". Seda mängijat esitleti kõigepealt Jaapanis ja seejärel Euroopas. Ameerikasse jõudis see alles 1983. aastal. 1984. aastal tõi Sony avalikkuse ette oma esimese kaasaskantava CD-mängija.
Sony ja Philips jätkasid koostööd sel alal terve dekaadi ning 1983. aastal tutvustasid nad Yellow Book (inglise keeles "kollane raamat") standardit (CD-ROM). Selle standardi plaatidele sai kirjutada ka andmeid, mida suutis lugeda arvuti (read-only). 
Esimesed CD-lugerid ja CD-d olid vaid heli lugemiseks ja edastamiseks, kuigi väga kiiresti muutusid nad lahutamatuks osaks arvutimaailmas. Alguses olid arvuti kasutatavad CD-ROM-ilugerid liiga kallid, et neid laiatarbekaubaks nimetada.

Masstootmises kirjutatud CD-d

Masstootmises kirjutatud CD-d ei ole kirjutatud laseri abil, nagu seda tehakse koduste vahenditega, vaid pressitud. Kuigi laserit siiski kasutatakse andmete söövitamiseks klaasist kettale, mis on kaetud fototundliku materialiga. Laseri kasutamine oleks ebapraktiline, ajakulukas ja annaks kehvema kvaliteedi.

CD lugemise põhimõte

Lugemine toimub väikese võimsusega laserkiire tagasi peegeldumise põhimõttel. Kui laser saab pihta kohale rajal, mis peegeldub (inglise keeles flat spot), siis valgus peegeldatakse tagasi, kuid kui valgus läheb pihta kõrgemale kohale (inglise keeles pit), siis valgust tagasi ei peegeldata.
Kui nüüd plaat keerleb laseri kohal, saab niimoodi vastuvõtja ’mustri’ tänu vilkuvale valgusele, kui laser möödub kas peegelduvast või mittepeegelduvast kohast. Iga muutus, mis on tingitud möödumisest mittepeegelduvast kohast, tõlgitakse üheks digitaalseks bitiks. Mikroprotsessorid lugeri sees tõlgivad valguse muutused (kas siis valgest tumedaks või vastupidi muutust) üheks bitiks ja need alad, kus muutust ei toimunud, 0 bitiks, ning seejärel muundavad saadud mustri kindlateks arusaadavateks andmeteks.
Iga kõrgem osa CD-l on 0,125 mikromeetrit kõrge ja 0,6 mikromeetrit lai. Pikkus varieerub vahemikus 0,9–3,3 mikromeetrit.

CD kirjutamise põhimõte

Kirjutada saab ainult CD-sid, mis on selleks mõeldud. Kirjutamisel ei tekitada plaadile kühme, vaid põletatakse kohti, mis peegeldavad vähem valgust. See annab sama tulemuse, mis pressitud CD. Tavaline CD-luger loeb ka CD-R-tüüpi kettaid.
Osa CD kirjutamisest algab juba enne CD sisestamist kirjutisse. CD-R valmistatakse standardse CD-ga üsna sarnaselt, kuid selle asemel, et pressida sisse kühmud ja tasandid, pressitakse sisse spiraalselt süvend, mida kutsutakse eel-süvendiks. Lugeri/kirjuti laser näeb seda süvendit kui tõstetud riba, mitte kui süvendit. Eel-süvend pole täiesti sirge, vaid tal on sees õrn ’väbelus’. Kuid selle väbeluse amplituud on väga väike – 0,03 mikromeetrit. Väbelus on moduleeritud kandma täiendavat informatsiooni. Signaali, mis tuleb väbelusest, kutsutakse absoluutaeg eelsüvendis (absolute time in pre-groove), kuna ta on moduleeritud aja koodi ja muude andmetega. Need andmed aitavad lugeril lokaliseerida positsioone plaadil, enne kui mingi andmeosa on plaadile kirjutatud.

Optiliste seadmete näitajad

Optilise seadme jõudlust mõjutavad paljud tegurid. Tüüpilised näitajad, mida tootjad esile tõstavad, on andmesidekiirus, viivitusaeg, vahemälu ja seadme kasutatav liides.

Andmesidekiirus

Andmesidekiirus näitab, kui kiiresti seade suudab kettalt lugeda ja siis need andmed arvutisse saata. Tavaliselt need kiirused näitavad, kas seade on suuteline lugema suuri ja kiiresti tulevaid andmevoogusid. 
Andmesidekiirust mõõdetakse kahte moodi. Kõige tüüpilisem on ’x’ kiirus, see tuleneb esialgsest CD lugemise kiiruse standardist, mis oli 153,6 kBit/s. Seadmed, mis loevad kaks korda sellel kiirusel, on 2x lugemiskiirusega, ja need, mis loevad 40 korda sellel kiirusel, on 40x lugerid. DVD-seadmetel on see standard 1,385 kbit/s. ’x’ kiirus on tavaliselt maksimaalne kiirus, mida luger suudab saavutada. Tegelikkuses ei loe seade plaati igalt poolt sama kiirusega: välimise plaadi serva poolt toimub lugemine kiiremini, seestpoolt seevastu aeglasemalt. 
Kuna tänapäeva seadmed toetavad paljusid optilise ketta formaate, esitatakse spetsifikatsioonides ka mitu kirjutamis- ja lugemiskiirust.

Lugemismeetod

Kuna CD-d olid algselt mõeldud vaid heli salvestamiseks, siis kiirus, millega seade andmeid plaadilt loeb, pidi olema konstante. Selle konstandi säilitamiseks, kasutatakse andmete kirjutamiseks plaadile CLV- tehnikat (CLV – constant linear velocity). See tähendab, et andmed liiguvad alati andmete lugerist mööda samal kiirusel, mis algselt määratud: 1,3 meetrit sekundis. Kuna rada, kust andmeid lugeda, on plaadil spiraalne, siis peab ketas keerlema erinevatel kiirustel, olenevalt sellest, kust parasjagu loetakse. Teiste sõnadega, et säilitada sama lugemiskiirust, peab ketas keerlema kiiremini, kui loetakse andmeid seestpoolt, ning aeglasemalt, kui väljastpoolt. Pöörlemise kiirus 1x seadmel varieerub 540–212 pööret/min. 
Et saavutada suuremaid lugemiskiiruseid, hakkasid tootjad suurendama seadmete pöörlemiskiirusi. Seade, mis pöörleb kaks korda sellel kiirusel, kutsutakse 2x seadmeks jne. See kiirus tõusis kuni 12x-ni, aga siis hakkasid tekkima probleemid. Nii suurte kiiruste jaoks hakkas muutuma keeruliseks ehitada sellist mootorit, mis suudaks muuta oma kiirust nii kiiresti kui vaja. Sellepärast seadmed, mille kiirus on kiirem kui 12x, keerutavad plaati kogu aeg sama kiirusega, kuid andmelugemiskiirus muutub vastavalt sellele, kust parasjagu plaati loetakse. Selliseid seadmeid nimetatakse CAV-seadmeteks (CAV – constant angular velocity). CAV-seadmed on ka vaiksemad kui CLV-seadmed, kuna need ei ürita kogu aeg kiirusi üles võtta, mis teeb palju lärmi. Kuid siiski kaasneb probleem CAV-seadmetega. Nende lugemiskiirus varieerub, mis tähendab, et näiteks 16x CAV-seade loeb plaati vaid serva poolt kiirusega 2,46 Mbit/s, kuid seespool on kiirus vaid 1,06 Mbit/s, mis on tegelikult 6,9x. Keskmiselt teeb see kokku 11,5x. Kuid tegelikkuses on see keskmine võetud väga optimistlikult, kuna kettaid loetakse seestpoolt väljapoole ja keskmine kiirus oleks see siis, kui loetakse üle terve ketas.

Viivitusaeg

Viivitusaega optilistel seadmetel arvestatakse samamoodi nagu kõvaketastel. Teiste sõnadega, viivitusaeg on viivitus sellest ajast, kui seade saab käsu midagi lugeda kuni ajani, mil tegelikult esimene bit andmeid saab edastatud. Aega mõõdetakse millisekundites, tüüpiline viivitusaeg on 95 ms. See on keskmine viivitusaeg, tegelikult sõltub see sellest, et kus on vajaminevad andmed kettal lokaliseeritud. Kui lugemise mehhanism asub andmetele lähedal, on see aeg tegelikult väiksem, kui kaugemal, siis suurem. Selle aja on tootjad mõõtnud testimise käigus.

Vahemälu

Enamus optilised seadmed sisaldavad ka vahemälu. Need ongi tegelikult mälukiibid, mis on paigaldatud seadmesse, mis võimaldavad säilitada andmeid enne arvutisse saatmist. Tavaliselt on selle mälu maht 128 kB kuni 8 MB. Tavaliselt, mida kiirem on seade, seda rohkem on seal mälu.

Plaadi sisestamise mehhanism

Optilisi seadmeid saab eristada ka selle poolest, kuidas nendesse plaati sisestada. On kolme tüüpi sisestamise mehhanisme: tray, caddy ja slot.
Kõige sagedasem tüüp on tray-mehhanism. See on sarnane seadmetega, mis on stereo süsteemidel. Eeliseks on see, et alusele võib panna mitu ketast korraga, kui alus seda võimaldab. Seda tüüpi seadmed on üldiselt odavamad. Nende seadmete puhul on miinuseks see, et küljele keerates ei pruugi seade enam töötada. Peamine pluss tray-mehhanismil on nende hind.
Caddy süsteemi on kasutatud mitut tüüpi optiliste seadmete puhul. Selle mehhanismi puhul pannakse ketas eraldi alusesse, mis on metallist kaanega, ja siis sisestatakse see alus uuesti seadmesse. Seade avab metallist luugi alusel, et ketast lugeda. Miinused selle seadme puhul on kõrge hind ja ebapraktilisus. Selline mehhanism oli populaarne varasetes seadmetes, tänapäeval enam neid ei esine.
On ka selliseid mehhanisme, kus on vaja lihtsalt plaat vahel sisse lükata ja mehhanism teeb ülejäänud töö ise. Mõned seadmed isegi suudavad mitu plaati niimoodi endasse võtta ning neid eraldi lugeda. Peamine miinus sellise mehhanismi puhul on see, et kui esineb mingi rike, siis võib olla väga keeruline seda parandada ja plaati kätte saada. Teine miinus on, et sellised seadmed ei suuda lugeda väiksemaid, 80 mm mõõduga, plaate.

Muud näitajad

Optilise seadme kõige suuremad vaenlased on tolm ja mustus. Kui mustus koguneb läätsele, võib see põhjustada lugemisel vigu või suurt lugemiskiiruse langust. Paljud tootjad varjestavad läätse ja sisemised komponendid õhukindlasse kohta. Mõnedel seadmetel, mis ei ole varjestatud, on nn tolmuuksed, üks sisemine ja teine välimine. Need tegurid aitavad pikendada seadme eluiga.
Kui laseri lääts saab mustaks, siis läheb seadmel kauem aega andmete lugemiseks, kui tavaliselt, halvemal juhul nad ei leiagi õigeid andmeid üles. Läätsede puhastamiseks on spetsiaalsed plaadid, kvaliteetsemad seadmed puhastavad ise läätse. Läätse on võimalik ka puhastada käsitsi, kuid see on oskust ja ettevaatust nõudev täppistöö, kus võib kergelt mehhanismi vigastada.