Por dentro do CD-R. Fundamentos da tecnologia do CD-ROM. Do CD-ROM ao CD-R.

Transcrição

1 Page 1 of 5 Por dentro do CD-R Gravar seus próprios CDs no computador é algo que atualmente qualquer um pode fazer. Mas como funciona o processo de gravação de um CD-R? Para entender a tecnologia por trás do disco CD-R (Compact Disc-Recordable), é preciso primeiro entender a tecnologia do CD comum, e como ela evoluiu. O áudio digitalizado requer uma grande capacidade de armazenamento, uma vez que 60 minutos de música, gravados em stereo na resolução de 16 bits e taxa de amostragem de 44.1 khz, ocupam 15 bilhões de bits. Felizmente, os CDs foram projetados para atender a esse volume de dados mas, infelizmente, durante muitos anos essa tecnologia só esteve disponível para fabricantes de CDs por processo de moldagem por injeção. Dessa forma, até o final da década de 1980, para se fazer um CD era necessário enviar uma fita com o material musical para a empresa fabricante de CDs, o que era um processo caro e demorado, inviável a maioria das pessoas. Em 1988, a Philips e a Sony criaram um padrão para o CD gravável (CD-R), o que viabilizou a um número imenso de pessoas gravar seus próprios trabalhos musicais, em estúdios comuns ou mesmo em casa. Fundamentos da tecnologia do CD-ROM O CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory) é um disco com 4 de diâmetro (aprox. 10 cm) e feito de uma camada de alumínio entre uma camada de resina e outra de plástico policarbonato. No processo de moldagem a base de policarbonato é estampada com minúsculos ressaltos. A camada de alumínio altamente reflexiva é então aplicada à base de policarbonato, e selada com uma camada de resina para proteger a superfície do disco contra arranhões e poeira. As informações ficam registradas nos minúsculos ressaltos na base de policarbonato, chamados de pits separados da superfície de alumínio, chamada de land. Esses pits são um dos menores objetos fabricados comercialmente pelo ser humano. Os pits e lands representam o zero, e a transição de um para outro representa o um, que são os dois únicos algarismos no sistema de numeração binário, utilizado pela tecnologia digital. Assim, quando um feixe de laser se move de um pit para uma land, ou vice-versa, a reflexão é modificada momentaneamente e interpretada como o dígito um. As sucessões de pits e lands informam os valores numéricos que representam o sinal de áudio original. Para ler os dados no CD, o toca-discos direciona o feixe de laser através da base de policarbonato até a camada de alumínio. Como o CD é lido por baixo, os pits são vistos como ressaltos. A luz do laser é refletida na superfície de alumínio e dispositivos foto-detectores reconhecem as diferentes intensidades da luz refletida, causadas por pits ou lands e interpretadas como zeros ou uns. O toca-discos então processa esses dados digitais e os converte em som. Como nada além de luz chega aos pits, não há desgaste do material após repetidas leituras, e o conteúdo original nunca se deteriora. Do CD-ROM ao CD-R Enquanto nos CDs fabricados industrialmente existem pits que são moldados durante o processo de fabricação, nos CDs graváveis (CD-R) não há pits. Os CD-R possuem uma base de policarbonato, como nos CDs, mas em vez da camada de alumínio reflexivo eles são cobertos

2 Page 2 of 5 com uma camada de tinta orgânica. Existem dois tipos de tinta orgânica usada nos CD-Rs: cianina e fitalocianina. A cianina é considerada como padrão e pode ser percebida pela sua cor verde esmeralda brilhante. Já a fitalocianina, que é amarelo-esverdeada, é considerada mais durável por alguns, mas na maioria das vezes é de qualidade igual à cianina. Para proteger a tinta e servir de condutor reflexivo, é aplicada uma fina camada de ouro à tinta. A função da tinta orgânica no CD-R é mesma do alumínio no CD: é a mídia de gravação. Em vez de criar os pits fisicamente como no CD, o laser do gravador de CD-R queima a tinta orgânica e cria marcas ópticas na superfície do disco. Da mesma maneira que nos CDs gravados, essas marcas ópticas no CD-R alteram a reflexividade da camada metálica de ouro no CD-R (que corresponderia à camada de alumínio do CD). Para o toca-discos, as marcas ópticas no CD-R têm a mesma aparência dos pits do CD gravado industrialmente, e por isso os discos CD-R podem ser lidos praticamente por qualquer equipamento de leitura (toca-discos de CD ou drives de CD-ROM). Padrões de CD-R Existem dois tipos de padrão governando os CDs: físico e lógico. O padrão físico define a mídia em que a informação é armazenada; o padrão lógico define qual o tipo de informação que pode ser colocada na mídia e a maneira como ela é registrada. Esses padrões são definifidos em especificações chamadas de Books, cada uma orientada a uma aplicação específica: Red Book Yellow Book Green Book Orange Book CD-DA (CD de áudio) CD-ROM (CD-Read Only Memory) CD-I (CD-Interactive) CD-R (CD Recordable) O Red Book trata da especificação do CD comum de áudio, e define não só o tipo de informação contida no disco (áudio digitalizado a 44.1 khz), mas também o disco propriamente dito (dimensões) e como o áudio digital é registrado nele. A partir do Red Book é que todas as outras especificações de CD foram criadas, o que possibilita aos CDs de áudio serem lidos em toca-discos de CD e também em unidades de CD-ROM. A especificação do Red Book define que os dados de áudio digital podem ser colocados em trilhas (faixas) separadas no disco. Para permitir a gravação, a especificação do Orange Book separa o CD-R em duas áreas principais: System Use Area e Information Area. SYSTEM USE AREA: contém a área de calibração de potência (Power Calibration Area - PCA) e a área de memória de programa (Program Memory Area - PMA). POWER CALIBRATION AREA (PCA): Em todo CD-R existe uma PCA reservada especificamente para testar a potência do laser do gravador, e uma área de contagem (Count Area) que registra quanto espaço disponível há na área de calibração. Toda vez que o disco é inserido no gravador, é feita automaticamente uma calibração para determinar a potência ótima do laser para queimar o disco. A cada vez, é provável que o nível de potência do laser tenha que ser ajustado para responder adequadamente às mudanças de velocidade de gravação, temperatura, umidade e condições do disco. Toda vez que essa calibração é feita, é incrementado o valor na área de contagem, podendo chegar ao máximo de 99 calibrações.

3 Page 3 of 5 PROGRAM MEMORY AREA (PMA): Esta área é usada para gravar os números das trilhas (faixas) e seus respectivos tempos de início e fim. Essa área é atualizada toda vez que uma trilha é escrita no disco, até um máximo de 99 trilhas. INFORMATION AREA: Dentro desta área existem três áreas principais: Lead-In, Program e Lead-Out. LEAD-IN AREA: Esta área contém aproximadamente os primeiros dois minutos de qualquer CD e geralmente não é usada para gravar qualquer dado de áudio. O objetivo principal dessa área é armazenar a tabela de conteúdo (Table of Contents - TOC), que mantém o registro da localização de cada trilha do disco. A TOC é escrita na área de Lead-In quando todas as informações tiverem sido gravadas no disco. Antes da TOC estar gravada, apenas o gravador pode acessar o disco. Depois de gravada a TOC, qualquer dispositivo leitor (toca-disco ou drive de CD) poderá ler e reproduzir o áudio do disco. PROGRAM AREA: Todos os dados de áudio geralmente são colocados dentro de trilhas, na área de programa (Program Area). Nessa área existem 74 minutos de espaço para dados, correspondendo ao máximo de 74 minutos de gravação de um CD comum de áudio. Pode-se ter até 99 trilhas na área de programa, cada trilha normalmente contendo uma música. Cada trilha do CD é sub-dividida em frames (quadros) com duração de 1/75 de segundo, e cada frame armazena bytes contendo dados de áudio, bits de paridade, código de sincronização, e um campo de 8 bits, chamado de byte de controle. O byte de controle é dividido em sub-canais (P, Q, R, S, T, U, V, W), representados em cada bit. Somente os bits dos sub-canais P e Q são utilizados no formato de áudio; os outros seis bits (R a W) contêm informação do usuário. Subcode Channel P - (bit 1): Indica qual a parte do disco que está sendo lida (Lead-In, Program, ou Lead-Out). O canal P também indica os tempos de início e fim de cada trilha do disco. Subcode Channel Q - (bit 2): Os toca-discos de CD usam o canal Q para mostrar o tempo decorrido na música. O canal Q é dividido em três modos: Modo 1: Contém os tempos decorridos desde o início do disco (tempo total decorrido) e o início da trilha (tempo decorrido na faixa). Mode 2: Identifica o número da trilha, quem gravou a trilha, ond foi gravada e em que ano. Mode 3: Identifica o número de catálogo de mídia UPC do disco. Um modo especial de dados no canal Q é armazenado dentro da área de Lead-In. Esses dados contêm informações sobre formatos de dois e quatro canais, proibição de cópia e pré-ênfase. Os sub-canais R até W (últimos seis bits) não são usados na maioria dos CDs de áudio e cerca de 99,9% dos toca-discos de CD ignoram esses canais. O termo PQ Editing é muito usado na gravação de CD, e esse procedimento permite editar os canais P e Q do disco, pois possibilita que se aumente o tempo de pausa entre as trilhas. A pausa é a área que precede a trilha de áudio (entre os índice 0 e 1). Conforme estabelece a especificação do Red Book, a pausa entre trilhas no CD de áudio é tipicamente de dois segundos, mas com a edição PQ isso pode ser aumentado ou reduzido, dependendo da capacidade do gravador de CD-R. LEAD-OUT AREA: Esta área contém 90 segundos de silêncio (setores vazios) e serve

4 Page 4 of 5 como um buffer caso o leitor do CD ultrapasse a última trilha do disco. A finalidade desta área é somente mostrar ao ouvinte que o CD chegou ao fim. As áreas de Lead-Out e Lead-In são porções do disco mais suscetíveis a danos pelo manuseio (pois em geral os CDs são manuseados pelas bordas). Eliminado os erros O código de deteção e correção de erro (EDC/ECC) existente em cada frame é um recurso essencial para o CD funcionar, pois sem ele qualquer dano na gravação digital poderia fazer o trecho soar como um LP arranhado. Na verdade, sem a correção de erro o áudio digital não seria viável. Felizmente, quando existe um risco na superfície do CD, os erros são eliminados, graças à natureza dos dados no disco e ao projeto do dispositivo de leitura. Ao codificar todos os dados no disco usando um código especial de correção de erro, o leitor do CD pode usar esse código para recuperar os dados adulterados e reproduzir o áudio original. O dispositivo de leitura detecta um erro usando os bits de paridade. Na gravação do CD, a cada 16 bits de dados é adicionado um bit de paridade, cujo valor (0 ou 1) faz com que a quantidade de zeros (ou uns) presentes nos 16 bits seja sempre par. Assim, se o leitor encontra um dado que não combina com seu respectivo bit de paridade, este dado é descartado. Mas se o erro no dado for grande (vários bits alterados - burst errors ), o bit de paridade poderá não ser suficiente para detectá-lo. Por isso são usados vários bits de paridade, e junto com eles um esquema adicional de proteção, chamado de interleaving. O esquema de interleaving é similar ao ato de se embaralhar cartas. Os dados são intercalados antes de serem gravados, de forma que os dados de áudio (words de 16 bits) nunca são registrado fisicamente em posições consecutivas, mas sim de forma alternada. Assim, fica mais difícil um dano físico no disco afetar dados consecutivos, possibilitando então a correção dos mesmos. No esquema usado no CD, chamado de Cross Interleave Reed-Solomon Code (CIRC), os dados são intercalados várias vezes, em intervalos curtos e longos, nos quais são efetuadas verificações de bits de paridade. Dessa forma, a maioria dos danos na gravação são recuperados e o áudio pode ser reproduzido sem qualquer diferença perceptível. É importante salientar que o processo de correção de erro tem limitações. Dependendo da severidade e da natureza do erro, o dano pode ser tão ruim que nenhum processo de recuperação de dados consegue saná-lo. É nesses casos que se ouvem pulos ou engasgos no CD. Gravando no CD-R A velocidade de gravação dos gravadores de CD-R varia conforme o modelo e fabricante. A gravação em single speed (1X) ocorre em tempo-real, isto é, a gravação é feita na mesma velocidade de reprodução normal do CD. Assim, gravando-se em velocidade 6X pode-se reduzir o tempo de gravação de um disco de 74 minutos para cerca de 12 minutos. A primeira preocupação que se deve ter quando se usa uma velocidade superior a 2X é assegurar-se de que o computador é capaz de transferir os dados corretamente durante o processo de escrita. Um dos maiores perigos ao se gravar discos em velocidade alta é haver uma falha no fluxo de dados durante a escrita. Se o computador não consegue manter o fluxo, ocorre um buffer underrun e o CD-R é perdido. Pelo fato da especificação Orange Book só definir parcialmente as características dos drives de CD-R, existem muitas diferenças sutis entre os gravadores, que podem usar lasers de

5 Page 5 of 5 intensidades diferentes. Por isso pode haver diferenças nas marcas criadas no processo de queima. Além disso, as definições sobre buffers, modos de escrita e tipos de interface também foram deixadas por conta dos fabricantes. Embora se deva levar em consideração essas pequenas diferenças, tenha em mente que todos os drives devem estar operando dentro de uma determinada tolerância. Dessa forma, mesmo que os lasers tenham intesidades diferentes, todos devem estar dentro da faixa de 4 a 8 miliwatts. Portanto, é pouco provável que a qualidade da escrita seja afetada significativamente. Por outro lado, a velocidade de escrita deve ser levada em consideração ao escolher o disco CD- R. Alguns discos também são fabricados para ótimo desempenho em drives de alta velocidade de escrita. A razão para isso é simples: o laser de determinada intensidade criará uma marca adequada dependendo da velocidade do disco. Portanto, ao gravar numa velocidade maior as características da marca óptica podem ser afetadas. Por causa dessa alteração, os fabricantes de discos reformularam seus padrões para operar de acordo com as velocidades de escrita mais altas dos drives mais modernos. É muito importante certificar-se de que o disco CD-R atende às recomendações do fabricante do gravador. Alguns gravadores verificam a marca do disco antes de gravar, e não continuam o processo se este não atender às suas especificações. O áudio é gravado no CD-R basicamente em dois modos: Track-At-Once (TAO): Este modo pode gravar uma ou várias trilhas, criando um disco parcialmente gravado. Como os dados na área de programa são escritos antes da área de Lead- In (incluindo a TOC), o CD-R não pode ser executado na maioria dos equipamentos antes que seja adicionada a última trilha e efetuada a finalização. A vantagem de usar o modo TAO é que você pode ir gravando as trilhas uma por uma, sem ter que esperar para gravar todas. A desvantagem é que pode haver perdas de espaço no disco nos setores de run-out, que são criados quando o feixe de laser é desligado ao fim de cada sessão de escrita. Esses setores de run-out não só em perda de espaço de disco a cada escrita de trilha, mas eles também podem causar clics na música. Disc-At-Once (Single Session): Este é o método mais usado para a reprodução de CDs em larga escala, sendo adotado por vários softwares profissionais, como o CD-Architect, por exemplo. O método Disc-at-once ( disco de uma vez ) funciona exatamente como o nome sugere. Dispondo-se de uma lista ( cue sheet ) com o material a ser gravado nas trilhas, é então escrita a TOC (Table of Contents) na área de Lead-In. Em seguida, os dados de áudio são escritos no CD-R numa sessão de gravação. Depois que todo o material de áudio é escrito, é feita uma finalização automática, escrevendo-se o trecho de silêncio na área de Lead-Out. Este processo de escrita é o oposto do TAO, que escreve a TOC na área de Lead-In depois dos dados de áudio terem sido escritos.