איך זה עובד: תקליטור CD
פעם היינו צורכים את המידע שלנו מחתיכת פלסטיק מצופה. איך היא ידעה להשמיע לנו מוסיקה מהקוד הבינארי שהיה עליה? הסוד הוא בלייזר
בימי הווידאו הקדומים, כאשר לצירוף המילים "להוריד סרט" היתה משמעות רק אם היה לכם מדף גבוה בבית, היה לקלטת ה-VHS הביתית מתחרה מוזר, נדיר ויקר לאללה: הלייזר-דיסק. זה היה מעין תקליט כסוף דו-צדדי, שלושים סנטימטרים קוטרו, שהכיל סרטים באיכות טכנית גבוהה (לאותם ימים). המכשיר שקרא את התקליטים האלה עשה זאת באמצעים אופטיים: קרן לייזר דקיקה שוגרה לעבר פני השטח המבריקים של הדיסק, והוחזרה מהם אל חיישן רגיש.
הבדלים זעירים ברמות החזרת האור לאורך פס המידע הספירלי של הלייזר-דיסק (אורכו של הפס הזה, אגב, היה כ-67 קילומטרים) תורגמו לעוצמות משתנות של קרן הלייזר המוחזרת, ואלה תורגמו בתורן לתמונה שהוצגה על המסך ולפסקול.
הלייזר דיסק הפסיד במערכה על לב הציבור בגלל מחירו הגבוה ומכיוון שאי אפשר היה להקליט עליו. עם זאת, העקרונות הטכנולוגיים שבבסיסו הובילו, לפני שלושים שנה, ליצירת אחד מאמצעי האחסון הפופולריים והמוצלחים ביותר בעידן האלקטרוני: תקליטור ה-CD ("קומפקט דיסק").
אחסון המידע
התקליטור מורכב משלוש שכבות. השכבה הראשונה עשוייה פלסטיק, מעליה שכבה דקיקה של אלומיניום להחזרת אור הלייזר האינפרה-אדום, ומעליה שכבת לכה להגנה ולהדפסת טקסטים ו/או גרפיקה. בתקליטורים הראשונים, ובאלה שמיועדים לקריאה בלבד, המידע הוטבע על שכבת הפלסטיק בצורה מכנית ממש, כ"בורות" שעומקם כמאה עד מאה וחמישים ננומטר ורוחבם כחמש-מאות עד שש-מאות ננומטר. ממדים אלה קטנים בסדר גודל מאלה של חיידק ממוצע, והיכולת להטביע את הבורות הזעירים הללו על פלסטיק היא פלא בפני עצמו. אורך הבורות, לעומת זאת, אינו קבוע, מכיוון שהמידע שמקודד על התקליטור אינו מידע בינארי גולמי רגיל.
הספרות הבינאריות 0 ו-1 מיוצגות לא על ידי בורות ובליטות בהתאמה, אלא באמצעות אי-שינוי גובה (0) ובאמצעות מעבר מגובה אחד לשני (1). המידע הזה נאסף על ידי המעגלים האלקטרוניים של נגן התקליטורים ומתורגם, דרך כמה וכמה שכבות של עיבוד, לדגימות הצליל שנשלחות בסופו של דבר אל הרמקולים. בתחילת התקליטור (בחלק הקרוב למרכז) יש רצועה של מידע דיגיטלי, שמספר לנגן כמה "רצועות" (או שירים) יש בתקליטור, מה המשך של כל אחת מהן ועוד. כך המכשיר מסוגל להציג את המידע ולדלג בין שירים בלי שיצטרך לקרוא מראש את כל הדיסק. אפרופו, מספר השירים המרבי שאפשר להגדיר בתקליטור מוזיקה רגיל (לא mp3) הוא 99.
בתקליטורי ה-CD-R, אלה שמיועדים לצריבה חד-פעמית על ידי המשתמש, אי אפשר כמובן להיעזר בשיטת הבורות והבליטות. במקומם, יש בין הפלסטיק לאלומיניום (או למתכת מחזירת-אור אחרת) שכבה דקה של חומר מיוחד, שמגיב לחום בשינוי בהירות. בתוך הכונן הצורב יש מקור לייזר נוסף וחזק יחסית ("לייזר הכתיבה"), שמחמם את החומר ומשנה את בהירותו – ולפיכך את יכולת החזרת האור שלו – במקומות הרצויים. קרינה אולטרה-סגולה חזקה עלולה להשפיע על החומר באופן דומה, ולכן מומלץ מאד לא לחשוף את התקליטורים הללו לאור שמש ישיר.
סוגי החומרים השונים שמשמשים בתקליטורים כאלה הם בעלי צבעים שונים, ולזמן-מה אפשר היה לזהות לפי גוון התקליטור את החומר שבו נעשה שימוש וכך להימנע מהחומרים הירודים. כמובן, ברגע שהמידע נפוץ לקהל רחב מדי, היצרנים החלו להוסיף לתקליטורים שלהם צבענים שניטרלו ושינו את הגוון המקורי.
בתקליטורי CD-RW, עליהם אפשר לכתוב שוב ושוב, יש סגסוגת מתכתית מיוחדת בעלת מבנה ("פאזה") גבישי מחזיר אור. כשמחממים את הסגסוגת הזו בעזרת לייזר הכתיבה לטמפרטורה של 500 מעלות צלזיוס או יותר, היא מאבדת את המבנה הגבישי ועוברת לפאזה אמורפית שמחזירה פחות אור. חימום נוסף לטמפרטורה של כ-200 מעלות מחזיר אותה למצב הגבישי, וכך אפשר לכתוב ולמחוק מידע על התקליטור עשרות אלפי פעמים.
לרוע המזל, ההבדלים בהחזרת האור בין המצב הגבישי לאמורפי, ובין הצבע המקורי ל"צרוב" ב-CD-R, קטנים מההבדל בין בור פיזי לבליטה, ולכן כוננים ונגנים זולים מתקשים לקרוא תקליטורים צרובים. גם אורך החיים הממוצע של הצרובים קצר יחסית, ולעתים קרובות הוא לא מתקרב אפילו להצהרות היצרנים בדבר עשרות שנים.
מנגנון הקריאה
כזכור למי שקרא את הכתבה על הדיסקמן, ראש הקריאה/כתיבה האופטי נע לאורך הרדיוס של התקליטור בזמן שהתקליטור עצמו מסתחרר במהירות. מהירות הסיבוב הזו אינה קבועה, אלא הולכת וקטנה ככל שהראש האופטי מתקרב לשוליים. באופן כזה אפשר לנצל את מלוא השטח של התקליטור עם ביטים בצפיפות אחידה (אחרת, הביטים שבשוליים היו חולפים הרבה יותר מהר מעל קרן הלייזר והיה צורך "למרוח" אותם).
מהירות הסיבוב בניגון של תקליטור מוזיקה היא בין 500 ל-200 סל"ד, ואילו כוננים שכותבים וקוראים נתונים (CD-ROM) מסוגלים לעבוד במהירויות גדולות יותר, שמחושבות בכפולות של זו המקורית (לדוגמה 8x). התקליטור עצמו מציב מגבלות פיזיות על המהירות – בסיבוב מהיר מדי הוא עלול להתעוות או להישבר – ולכן אין תקליטורים או כונני CD שמציעים, למשל, מהירות של 100x.
איך הראש האופטי יודע להישאר בדיוק מתחת לפס הנתונים? ישנן שתי שיטות מקובלות לוודא זאת, אחת משתמשת בקרן הלייזר הקוראת (שמפוצלת על ידי רכיבים אופטיים) והשניה בשתי קרני עזר נוספות. בשתי השיטות מתבצעת השוואה דיגיטלית בין המידע שמגיע משניים או יותר חיישנים אופטיים, שנמצאים במיקומים מעט שונים. כאשר הקריאות מהחיישנים הן סימטריות, פירוש הדבר שהקרן (וקרני העזר) נמצאת במקום הנכון. סטיה לכיוון מסוים תתבטא בסטיה תואמת בקריאות, אותה אפשר לתקן בעזרת מנגנון התנועה הראשי שמסיע את הראש האופטי, או עם מנגנונים עדינים יותר בראש האופטי עצמו.
תיקון שגיאות
כאשר הגודל הפיזי של יחידות המידע הוא מיקרוסקופי, והמערכת שקוראת אותן צריכה להיות מוצר ביתי זול, שגיאות הן בלתי נמנעות – בגלל חוסר-דיוק מובנה של המערכת עצמה, או בגלל הפרעות כמו אבק, שריטות על התקליטור וכדומה. לכן, בדיקת ותיקון שגיאות מוטבעים לכל אורך תהליך הקריאה. בין הביטים של הנתונים מסתתרים ביטים לביקורת, שמאפשרים למעבד לזהות ולתקן (עד לגבול מסוים, כמובן) שגיאות בקריאה. המכשיר עצמו (בהתאם לדגם) עשוי לקרוא את אותם הנתונים פעמיים או יותר לפני שהוא מעבד ושולח אותם לרמקולים, והריווח של הביטים על גבי התקליטור גדול. הפרט האחרון הזה הוא שאפשר ליצרנים ליצור תקליטורים לא-תקניים, עם ריווח קטן יותר, שהכילו יותר מוזיקה או נתונים מהמפרט המקורי – שוב, במחיר של סיכוי גבוה יותר לשגיאות.
