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STRUTTURA DEL COMPACT DISC
Il Compact Disc è nato nel 1982 come un nuovo standard per i dischi compatti, da un accordo
tra Philips e Sony.
Si presentava con caratteristiche innovative per i supporti audio di grande diffusione allora
noti, cioè musicassette e dischi in vinile, come la durata superiore e il formato dei dati
completamente digitale, che permettevano una qualità del suono elevata e soprattutto duratura
nel tempo.
Dopo essere divenuto standard per la distribuzione musicale anche per la forte spinta di Sony
come casa discografica, iniziò il suo utilizzo dal 1984 come memoria di massa per computer in
CD-ROM (CD-Read Only Memory, CD di memoria a sola lettura), diffondendosi fortemente
poco dopo l'inizio degli anni 90. Ciò fece nascere nuove esigenze, contribuendo in maniera
determinante alla creazione di quello che è oggi è il computer moderno, dotato di capacità
multimediali.
Il CD-ROM, per ciò che riguarda il suo aspetto fisico, è largo 120 mm con uno spessore di 1,2
mm ed è formato generalmente da quattro o cinque strati di materiale sovrapposti: il primo è in
policarbonato trasparente alla luce laser; a seguire, è presente uno strato detto "dye" che come
vedremo in seguito contiene i dati dei CD-R o CD-RW, infatti tale livello è presente soltanto in
questi ultimi e non nei cd industriali.
Il terzo strato è disposto a spirale ed è formato da una lega riflettente; il quarto è necessario alla
protezione di quello precedente e per l'eventuale applicazione di etichette; queste ultime
figurano come quinto ed ultimo strato.
Riassumendo ci sono questi quattro strati:
l strato protettivo o superficie stampabile
l speciale lacca trattata con raggi ultravioletti
l polimero colorante organico
l substrato di policarbonato
I dati vengono immagazzinati mediante la creazione di microfori (pit) sequenziali nello strato
organico, alternati opportunamente alla zona non modificata della superficie riflettente (land).
Questa operazione viene effettuata dai noti masterizzatori.
La spirale di cui si è parlato in precedenza, in un CD da 74 minuti compie 22.188 rotazioni
intorno al CD. Sono circa 600 giri per millimetro, equivalenti ad una lunghezza di 5 Km se si
strotolasse in orizzontale.
La lettura avviene tramite un raggio laser generato da un diodo e focalizzato sul secondo strato
del cd, che rileva la presenza dei pit o dei land. Quando il raggio laser incontra un pit esso viene
disperso, mentre incontrando un land viene riflesso e attraversando un prisma, deflesso su un
diodo rilevatore.
I pit non riflettendo la luce vengono interpretati come segnali "off", mentre i land sono segnali
"on"; successivamente questa sequenza viene convertita in sequenza binaria. La lunga durata
quindi non è soltanto dovuta al materiale e alle tecniche di costruzione, ma soprattutto dal fatto
che il supporto, nella zona in cui sono contenuti i dati, non entra mai direttamente a contatto
fisico con i dispositivi di lettura.
Superata la sua prima diffusione sui personal computer e vista la sua capacità pari a circa 650700 MB (ancora più grande nei più recenti supporti), si pensò di diffondere il CD come
supporto di memorizzazione ad uso comune, superando quello che era il suo principale limite
cioè la possibilità di scrittura.
Nacque così il CD-R (CD-Recordable, CD registrabile), la cui scrittura è possibile mediante il
masterizzatore, un dispositivo dotato di un raggio laser più potente di un normale lettore, in
grado di incidere il CD-R. Il funzionamento di questo infatti riprende quello dei CD-ROM
comuni, ma i pit e i land, vengono "simulati" mediante il "dye".
Questa pellicola, tramite il calore generato dal laser del masterizzatore, modifica la sua
trasparenza divenendo al caso opaca (pit) o rimanendo trasparente (land). Da questa differenza
rispetto ai CD comuni, nascono i problemi di compatibilità con i lettori più vecchi, che a volte
non riescono ad interpretare correttamente la superficie del disco. Per produrre CD che
avessero caratteristiche migliori in termini di compatibilità e durata sono state create molte
leghe per il secondo strato riflettente, dando origine alla caratteristica colorazione variabile dei
CD-R.
Ultimo nato il CD-RW (CD-ReWritable, CD-Riscrivibile) che possiede la caratteristica di poter
essere scritto più volte; ciò è possibile mediante un particolare dye. Questo è composto da un
materiale cristallino che diviene amorfo al calore del laser e quindi opaco generando un pit.
Tramite un riscaldamento prolungato a temperatura più bassa è possibile riportare il materiale
allo stato cristallino e quindi nuovamente modificabile. Un CD-RW può generalmente
sopportare un migliaio di cicli di scrittura-cancellazione.
Tecnicamente i CD-RW usano una tecnologia a cambiamento di fase. Invece di creare dei "pits" e
deformazioni nello strato organico registrabile, il materiale di questi ultimi si comporta ben
diversamente. Si tratta di una sostanza cristallina ed immerso vi è del materiale magnetico.
Al passaggio del laser il calore che viene creato trasforma il materiale in sostanza amorfa
semiliquida che lascia libertà di movimento agli aghettini del materiale magnetico e grazie ad
un campo magnetico generato dal masterizzatore riscrivibile, vengono direzionati nella
posizione corretta per creare i punti e le insenature necessarie all'incisione dei dati.
Questi dischi non possono essere scritti dai masterizzatori normali, non possono essere letti da
tutti i lettori, soprattutto quelli un po' vecchiotti (la riflessione dei CD-RW è lontana dai CD
preregistrati e dai CD-R, perciò è necessario un circuito di controllo automatico del guadagno).
Standard dei Compact Disc
Esistono diversi standard che definiscono i vari tipi di CD. Le specifiche Red Book e Yellow
Book sono due basi dalle quali sono stati sviluppati gli altri standard.
Red book
E' stato il primo standard (1980) e definisce i CD audio (o detti CD-DA). Sono previste tre aree
del disco:
l Lead In. La prima traccia situata nell'area lead in è chiamata Table of Contents (TOC)
dove sono memorizzati anche gli indirizzi di ogni traccia successiva.
I dati sul disco sono organizzati in frames in modo da assicurare un bit-rate di lettura
costante. Ogni frame è pari ad 1/75 di secondo ed è composto da 24 byte di dati, più 9
byte per la sincronizzazione, la correzione dell'errore, il controllo e la visualizzazione.
98 frame costituiscono un blocco; con questo sistema se il disco viene danneggiato non si
perde l'intero contenuto ma soltanto i frame interessati dal danno, nel caso questo non
possa essere corretto dal codice di correzione degli errori.
L'area lead in viene scritta quando si chiude una sessione ed occupa 4500 settori (o 9 MB).
Essa indica se il disco è in multisessione, se non è chiuso, qual è il successivo indirizzo
disponibile per la successiva sessione.
l Program. Sono contenute le tracce audio che possono essere 99, con una risoluzione di 16
bit ed un campionamento a 44.100 KHz. Utilizzando la compressione PCM lineare (Pulse
Code Modulation) e considerando due canali (effetto stereo) sono necessari circa 10 Mbyte
per ogni minuto di suono. La capacità del CD di 650 MB farebbe presumere una durata
approssimativa di 65 minuti ma gli ultimi 5 millimetri di diametro del disco permettono
di estendere questo limite a 74 minuti.
l Lead Out. Non ci sono dati ma viene creato il silenzio digitale in modo che il lettore
interpreti correttamente la fine dei dati dell'area program.
E' un'area situata alla fine di una sessione. Occupa 6750 settori (o 13 MB). I successivi Lead
out sono formati da 2250 settori (o 4 MB).
Le specifiche Red Book nel formato CD+G prevedono anche 20 Mbyte di materiale grafico ma
questo standard è ormai superato da specifiche più moderne.
Un CD audio da 74 minuti contiene 330.000 blocchi equivalenti a 783.216.000 byte divisi in 75
settori di 2.352 byte. Blocco e settore sono sinonimi.
Yellow book
In origine esisteva esclusivamente il formato ISO 10149 che si limitava a descrivere le proprietà
fisiche del disco (correzione degli errori, dimensioni dei settori, disposizione dei pit e dei land e
la velocità di lettura). Nel 1985 lo standard che era chiamato "High sierra" fu modificato e
rinominato in ISO 9660.
Anche in questo caso esistono tre aree (lead in, program e lead out) che dividono il disco.
Questo è organizzato in settori (98 frame o 2352 byte equivalgono ad un settore). Rispetto allo
standard Red Book viene aggiunto un ulteriore livello per la correzione degli errori, che porta la
quantità di spazio necessaria a 288 bytes, più 12 byte di sincronizzazione e 4 bytes di
intestazione: rimangono 2048 bytes disponibili per i dati. Gli indirizzi dei settori sono espressi
in minuti, secondi e settori (MM:SS:ss)
Attualmente esistono due sue sottosezioni dello standard e cioè "ISO 9660" e "Mac HFS"
utilizzati rispettivamente per i sistemi Windows/DOS/Unix e Macintosh.
Esiste anche la possibilità di creare cd-rom ibridi che possono funzionare su entrambi i gruppi
di piattaforme ma lo svantaggio risiede nella riduzione del 50 % dello spazio disponibile per i
dati. Nel 1989 Philips, Sony e Microsoft introdussero l'estensione "CD-ROM XA" per
incrementare le capacità audio e video dei CD-ROM. Una particolarità di questa estensione è lo
schema di codifica utilizzato per l'audio cioè l'ADCPM (Adaptive Differential Pulse Code
Modulation) che permette un rapporto di compressione 16:1. E' stato anche rivisto lo spazio
occupato dal codice di correzione errori nei settori; in ognuno di questi sono disponili per i dati
2336 byte anziché 2048, a tutto vantaggio della capienza disponibile nel cd.
La differenza principale tra l'ISO 9660 (chiamato anche mode 1) e l'estensione CD-ROM XA
risiede nel tipo di applicazioni per cui sono stati progettati; mentre il primo è idoneo per dati
poco tolleranti agli errori (come database, file compressi ecc.) il secondo lo è per contenuti
multimediali (audio, video ecc.) che possiedono più tolleranza ad una eventuale corruzione.
Un CD-ROM per l'utilizzo sul computer contiene 330.000 blocchi che equivalgono a 681.984.000
byte.
Sostanzialmente lo standard Yellow Book definisce sia la modalità 1 che la modalità 2, dove
quest'ultima contiene 2336 byte di dati utente.
Green Book
Le specifiche Green Book sono state pubblicate nel 1988 e realizzate da Philips; definiscono il
CD-I (CD interactive) oltre alle risorse hardware e software necessarie. Il CD-I è nato con lo
scopo di visualizzare presentazioni multimediali.
Per questo standard sono stati sviluppati diversi sistemi di compressione sia per il video
(immagini e sequenze) che per l'audio; di fatti anche il CD-I utilizza l'ADPCM per codificare i
dati audio e l'MPEG 1 per i dati video. La riduzione di spazio e di banda passante dovuta a
questi algoritmi di compressione facilita l'interattività grazie anche ad un sistema per unire
testo video e audio. Un settore contiene esclusivamente dati di un tipo; questi quindi sono
sparsi tra i settori e possono essere reperiti dal lettore in tempo reale. Ogni settore contiene
anche una sottointestazione che descrive il contenuto dello stesso. E' stato soppiantato
dall'estensione CD-ROM/XA del Yellow Book con cui divide diversi pregi.
Green Book definisce la modalità 2 form1 e form2. Significa che i settori in modalità 2 posso essere
"senza form" e sono chiamati modalità 2 del Yellow Book.
White Book
Queste specifiche sono progettate per la distribuzione di video digitale (Video CD o VCD) e
sono state create nel 1993 da JVC Philips, Sony e Matsushita; è una speciale implementazione
dell'estensione CD-ROM/XA.
Viene utilizzata la compressione MPEG-1 per avere 74 minuti di video a schermo intero. La
qualità del contenuto non è molto elevata (simile al VHS, in alcuni filmati addirittura inferiore)
anche se il supporto alla decodifica MPEG è presente praticamente su ogni PC non
eccessivamente datato.
Negli anni questo standard è stato evoluto attraverso il VideoCD 2.0 (1995), VCD-ROM (1997),
VCD-INTERNET (1997) e Super VCD (1998). Il Video CD 2.0 prevede sia lo standard PAL che
NTSC a risoluzione elevata e con possibilità di avanzamento e riavvolgimento tipici
dell'interattività.
Il VCD-ROM è un ibrido tra il CD-ROM standard e il Video CD.
VCD-Internet prevede collegamenti tra il video presente sul cd e le pagine Web.
Il Super-VCD utilizza la compressione MPEG-1 ad alto bit-rate oppure la MPEG-2 a bit-rate
variabile. Anche questo standard è praticamente superato grazie all'avvento dei DVD e alla
compressione MPEG-2.
Si pensa che possa essere sviluppato uno standard Video Cd che utilizzi un formato di
compressione basato su MPEG-4 che permette una qualità visiva elevatissima con un bit-rate
decisamente ridotto rispetto agli altri sistemi di compressione; tutto ciò si traduce in minor
spazio utilizzato su disco e quindi la possibilità di inserire un intero filmato DVD ad alta qualità
in un singolo CD. Tuttavia si tratta esclusivamente di voci senza alcun tipo di conferma
ufficiale.
Orange Book
Nel 1990 Sony e Philips svilupparono la tecnologia CD-R, aprendo la strada alla
masterizzazione. Le specifiche Orange Book part II (1998) (la part I riguarda i dischi magnetoottici) assicurano la compatibilità con tutti i drives CD-ROM e prevedono il supporto alle
specifiche viste in precedenza aggiungendo diverse opzioni molto utili tipici dei CD-R.
Le specifiche Orange Book part III (1998) riguardano invece i CD-RW con in aggiunta quindi
della possibilità di cancellazione e riscrittura.
Sono possibili 4 stati del CD-R:
l bianco (nessun dato registrato)
l parzialmente registrato
l registrato a piena capacità
l multisessione
Nello stato multisessione la scrittura può avvenire 99 volte (il numero massimo di tracce previste
per un CD-ROM);
E' utilizzata la modalità TAO (Track at Once) creando volumi separati che contengono
puntatori in grado di collegare la sessione precedente con quella successiva.
E' possibile utilizzare anche la più recente modalità PW (Packet Writing) che consente di non
sprecare spazio tra una sessione di scrittura e l'altra. Oltre a ciò le sessioni possono appartenere
indistintamente alle specifiche Yellow o Red Book permettendo di creare cd con dati e tracce
audio.
Nel caso il disco venga scritto un'unica volta si utilizza la modalità DAO (Disc At Once).
Parte 1: CD-MO (CD Magneto-Ottici)
Parte 2: CD-WO (Write-Once, include specificazioni "hybride" per i PhotoCD)
Parte 3: CD-RW (Riscrivibili)
Blue Book
Nel 1995 è stata definita ancora una specifica che prevede di un cd creato unicamente da due
sessioni (una audio e una di dati) nota come Blue Book che identifica il CD Plus o CD EXTRA.
La traccia audio è basata sullo standard Red Book, mentre la traccia dati è formata da contenuto
multimediale (video, testo e immagini) e basata sullo standard Yellow Book.
Alla definizione di tale specifica si presentarono diversi problemi come l'impossibilità da parte
dei masterizzatori e dei programmi di supportare tale metodo di scrittura. Tuttavia il suo
vantaggio è notevole perché i lettori audio sono in grado di accedere alla traccia apposita senza
problemi di compatibilità.
Elenco degli standard
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Red Book: informazioni fisiche per i CD audio (CD-DA)
Yellow Book: informazioni fisiche sui CD dati
Green Book: informazioni fisiche per i CD-i
Orange Book: informazioni fisiche sui CD registrabili
Parte I CD-MO (Magneto-Ottici)
Parte II CD-WO (Write-Once include specificazioni "hybride" per i Photo-CD)
Parte III CD-RW (Riscrivibili)
White Book: formato per VideoCD
Blue Book: CD Extra (occasionalmente indicati come formato LaserDisk)
CD Extra: CD con due sessioni, la prima CD-DA, la seconda con dati (CD plus)
CD-ROM/XA: Architettura estesa, un ponte tra Yellow Book e CD-i
CD-ROM/XA MODE-1 Settori standard di Yellow Book
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CD-ROM/XA MODE-2 può essere form-1 o form-2
CD-ROM/XA FORM-1 2048 bytes di dati, con correzione dell'errore, per dati
CD-ROM/XA FORM-2 2324 bytes di dati, senza correzione dell'errore, per audio/video
ISO 9660: formato file standard (detto High Sierra)
Rock Ridge: estensioni che permettono funzionalità UNIX con nomi dei file lunghi oltre
al classico formato 8+3.
CDR-RFS: Filesystem packet-writing incrementale della Sony
CDR-UDF: Filesystem packet-writing incrementale dello standard industriale.
CD-Text: standard Philips per codificare dischi e tracce dati su CD audio
Ogni supporto ottico in genere contiene una sezione chiamata Error Correction Code (oppure
Error Detection Code) che è utilizzata allo scopo di proteggere i dati memorizzati sul CD.
Consiste in 276 byte posti alla fine di ogni blocco (settore) scritto.
TOC, sub-code channel, finalizzazione, GAP
La TOC (Table of Contents) è una sequenza di bit posta all'inizio del supporto in cui è
memorizzata la posizione di tutte le informazioni memorizzate sul supporto stesso.
Alcuni CD audio contengono i cosiddetti sub-code channel (codici sottocanale). Essi sono
distinti da 8 lettere P, Q, R, S, T, U, V, W. Pochi programmi di masterizzazione sono in grado di
leggere i sub-code.
I sub-code P e Q sono utilizzati per le informazioni sulle posizioni dei CD e per la TOC. In
particolare il sub-code Q dell'area Lead in contiene la TOC, il tempo totale del CD, la lunghezza
relativa alla traccia corrente. Infatti queste informazioni sono lette dai lettori CD per
visualizzare il tempo dall'inizio della traccia, il tempo mancante, ecc. Contiene anche l'ISRC.
I sub-code R e W contengono informazioni grafiche e testuali come in uso al formato CD+G. Un
nuovo utilizzo chiamato ITTS (introdotto dalla Philips) abiliti i lettori compatibili a visualizzare
testo e grafico sui CD con standard Red Book. Un esempio sono le informazioni “CD-Text”.
Un disco a cui si possono aggiungere dei dati si dice "aperto" o in “multisessione”. Tutti i dati
sono scritti nella sessione corrente. Quando si finisce di scrivere, si chiude la sessione. Se si
vuole creare un disco multisessione, nello stesso tempo si apre un'altra sessione. Se non si apre
una nuova sessione, non sarà possibile aprirla dopo, e quindi non si potranno aggiungere nuovi
dati al CD. L'intero disco è considerato "chiuso".
Il processo che fa passare una sessione da aperta a chiusa è chiamato "finalizzazione" o
semplicemente "chiusura". Quando si chiude l'ultima sessione, si finalizza (o chiude), anche il
disco.
Come scritto in precedenza, un CD a singola sessione ha tre regioni base:
l lead-in, che contiene la tabella dei contenuti (TOC, Table of contents)
l area dei programmi, con i dati o le tracce audio
l lead-out, che non contiene dati significativi. Su un disco aperto non sono ancora stati
scritti il lead-in e il lead-out.
Se si scrivono dei dati su disco e si lascia la sessione aperta, la TOC (che dice al lettore CD dove
sono le tracce) viene scritta in un'area separata chiamata Program Memory Area (PMA). Solo i
masterizzatori possono leggere la PMA, per cui non è possibile leggere sessioni aperte su un
lettore CD Audio standard.
I CD audio non vedranno le tracce audio, e i CD-ROM non vedranno i dati. Quando la sessione
viene finalizzata, il TOC viene scritto nel lead in, permettendo alle unità CD di riconoscere il
disco.
Se si chiude la sessione corrente e se ne apre una nuova, l'area di lead in della sessione chiusa
includerà un link alla successiva. I lettori CD audio non possono passare alla sessione
successiva, per cui vedranno solo la prima sessione. Un lettore CD-Rom, a meno che non sia
rotto o preistorico, riconosce le multisessioni e permette di accedere alla prima, all'ultima o una
in mezzo, a seconda di cosa il sistema operativo dice al lettore di fare.
Con il termine GAP sono indicati due differenti sezioni:
➔ Pre-GAP, piccola sezione di due secondi all'inizio di ogni traccia. La lunghezza del preGAP varia in base al tipo di masterizzatore, al tipo delle tracce, ed alla modalità con cui è
memorizzato il supporto (TAO o DAO).
➔ Post-GAP, sezione di due secondi che segue la fine del CD o di un'area che indica che ha
cambiato modalità di dati. Il post-GAP ha lo stesso formato della traccia successiva, in
modo da far adeguare il lettore CD al nuovo tipo di traccia.
Correzione del jitter nei CD audio
Il jitter si riferisce a un errore nella base dei tempi quando un campione digitale è convertito in
segnale analogico. Un altro significato di jitter è usato nel contesto dell'estrazione audio da CD.
Questo tipo di jitter indica che alcuni campioni vengono duplicati o saltati interamente.
Sostanzialmente può accadere che il laser del lettore audio digitale non riesca a posizionarsi
all'inizio preciso dei dati che sta tentando di leggere.
Il “Jitter Correction”, è il processo di compensazione e ripristino dell'audio al suo formato
originale.
Il problema nasce perchè le specificazioni della Philips non richiedono un accurato
indirizzamento dei blocchi. Mentre i dati audio sono inviati a un buffer, le informazioni di
indirizzamento per i blocchi audio sono privati dei sub-code channel e inviati a una parte
differente del controller.
Poichè i dati audio e le informazioni sugli indirizzi sono scollegate, il lettore CD non è capace di
identificare esattamente l'inizio e la fine di ogni blocco. L'inacuratezza è piccola, ma se il sistema
che estrae l'audio deve fermarsi, scrivere i dati su disco, e riprendere da dove aveva lasciato,
non è in grado di trovare l'esatta posizione.
Il risultato è che l'estrazione riprende alcuni campioni più avanti o indietro, duplicando o
saltando alcuni campioni. Questi errori suonano come dei 'click' durante la riproduzione.
In un CD-Rom i blocchi utilizzano 12 byte nell'intestazione come copia dell'indirizzo del blocco.
In questo modo è possibile identificare l'inizio del blocco. E' per questo che è più facile
rintracciare un singolo blocco su un CD-Rom.
Con la maggior parte dei lettori che supportano l'estrazione digitale, si possono ottenere file
audio senza jitter usando un programma che legge l'intera traccia in un colpo solo. Il problema
con questo metodo è che se il disco fisso non può ricevere i dati, il campionamento viene
interrotto. Il problema è simile all'errore di “buffer underun”, ma poichè il buffer usato in
lettura è più piccolo di quello usato in scrittura il problema è amplificato.
Un approccio che ha prodotto buoni risultati è quello di usare una jitter correction via software.
Questo implica ripetute letture, e poi slittando i dati per farli combaciare. La maggior parte dei
programmi professionali di estrazione digitale permette di farlo.