1. Petre OGRUŢAN, decembrie 2014
Unităţi optice
Petre OGRUŢAN, decembrie 2014

2. Istoric
Unitatea optică citeşte sau scrie date codificate binar pe un suport circular, numit disc optic.
În 1961 David Paul Gregg a înregistrat în SUA patentul unităţii optice. Music Corporation of America (MCA) a cumpărat patentul lui Gregg împreună cu toată compania lui. Acest reper istoric constituie începutul primei etape, etapa CD. În această etapă un CD poate înmagazina 700MB pe o faţă.
În 1989 Pioneer a înregistrat un patent pentru unităţi optice care a adus beneficii financiare. După acest an a fost dezvoltată a doua etapă istorică a unităţilor optice, etapa DVD. Un DVD poate înmagazina circa 4,7GB sau 8GB (dual layer) pe o singură faţă.
După anul 2000 un grup de firme (Apple, Dell, Hitachi, HP, JVC, LG, Mitsubishi, Panasonic, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony, TDK şi Thomson, grupate în asociaţia BDA Blu-ray Disc Association) au dezvoltat tehnologia Blu-ray care constituie etapa a treia în dezvoltarea unităţilor optice. Capacitatea este de 25GB sau 50GB (dual layer) pe o singură faţă.
În etapa a patra se prevede atingerea unor capacităţi de ordinul a un terabyte în tehnologii holografice sau cu discuri din materiale speciale.

3. Principiul citirii optice
1,6m
Strat protector şi etichetă comercială
Strat reflectorizant (policarbonat)
Strat care conţine informaţia
Substrat transparent
Raza laser
1,2mm
Incident / Reflectat 100%
Incident / Reflectat 30%
/4
0,12m
Suportul este format dintr-un substrat transparent care protejează stratul care conţine informaţia. Informaţia este codificată prin adâncituri (ridicături) aranjate sub forma unei piste spirale. Ridicăturile au dimensiunea de /4 şi o rază laser incidentă pe o ridicătură este reflectată 30% iar incidentă pe o adâncitură este reflectată 100%. Un strat reflectorizant asigură reflexia razei laser şi este protejat de un strat protector pe care se poate aplica eticheta comercială. Există suporturi de informaţie care pot fi scrise pe ambele părţi, acestea având o structură simetrică.
La unele suporturi optice ridicăturile sunt înlocuite de zone acoperite cu vopsea opacă şi raza laser nu mai este reflectată de stratul reflectorizant.
Dimensiunile sunt cele de la CD

4. CD, DVD, Blu-ray
Diferenţele constructive între CD, DVD şi Blu-ray constau în:
1.Lungimea de undă a luminii emise de dioda Laser care dă dimensiunea punctului luminos: 780nm la CD, 650nm la DVD şi 405nm la Blu-ray.
2.Dimensiunea punctului are ca şi rezultat dimensiunea diferită a pistei: 1,6m la CD, 0,74 m la DVD şi 0,32 m la Blue-ray.
La Blu-ray focalizarea este mai apropiată de suprafaţa discului aşa încât discul este mai susceptibil la zgârieturi.
Numele Blu-ray vine de la culoarea albastră a diodei Laser de emisie.

5. Dual Layer
O schemă a citirii dual layer în 2D este dată în imaginea de sus şi în 3D în imaginea din dreapta. Raza Laser este focalizată pe unul sau celălalt dintre nivele, separarea dintre nivele fiind realizată cu un strat semitransparent.
Schimbarea focalizării de la un nivel la altul durează un timp de ordinul secundelor, ceea ce face ca unităţile dual layer să fie mai lente.

6. Codarea EFM (Eight-to-fourteen modulation)
Codarea EFM este o codare autosincronizabilă cu inserare de biţi. Codarea de grup are la bază codarea NRZI (Non Return to Zero Inverted) şi la un grup de valori succesive de 0 logic care depăşeşte o anumită mărime (10) se introduce un 1.
Regula de codare EFM este ca între două valori de unu logic să existe intercalate minimum două şi maximum 10 valori de zero logic.
Dacă cuvintele de codat sunt pe 8 biţi, există 256 de cuvinte care trebuie codate. În mulţimea cuvintelor pe 14 biţi (214=16384 cuvinte) există 267 de cuvinte care îndeplinesc condiţia EFM. Prin urmare cuvintelor pe 8 biţi le corespund prin codare cuvinte de 14 biţi. Corespondenţa este una stabilită prin standarde şi se realizează practic cu tabele de corespondenţă.
Presupunem că avem de codat cuvântul Codarea NRZI este: t
8 biţi sunt codificaţi cu 4 tranziţii iar
codificarea nu este autosincronizabilă
NRZI

7. Codarea EFM (Eight-to-fourteen modulation)
Cuvântului pe 8 biţi îi corespunde codul EFM (o atribuire aleatoare, în scop didactic). Codarea NRZI a cuvântului EFM asigură doar 2 tranziţii, codul fiind autosincronizabil.
Este nevoie de inserarea de 3 biţi de legătură pentru a asigura o componentă continuă cât mai mică a semnalului de date.
Codarea de grup îmbină avantajul eficienţei codurilor NRZ şi NRZI cu posibilitatea de a reface tactul din datele transmisie (autosincronizare).
Cuvânt pe 8 biţi
Cod EFM
Biţi de legătură
Ridicătură Adâncitură Ridicătură
Aspectul pistei înregistrate t
NRZI

8. Aspectul datelor scrise pe un suport optic

9. Motorul de rotire a discului optic
Există două metode de rotire:
CAV (constant angular velocity) în care discul se roteşte cu viteză unghiulară constantă, datele fiind aranjate în piste şi sectoare ca şi la HDD. Este uşor de realizat accesul aleator la date, deci regăsirea datelor este simplă. Dezavantajul este densitatea variabilă a datelor pe pistă, mai mare pe pistele cu lungime mică din interiorul CD-ului. Acest mod de rotire se foloseşte la puţine tipuri de CD.
CLV (constant linear velocity) în care discul se roteşte cu viteze ungiulare diferite pentru a asigura o viteză liniară constantă. Înregistrarea se face pe o pistă spirală. Accesul aleator este mai dificil, căutarea unui bloc de date constă în deplasarea în zona probabilă, apoi ajustarea vitezei de rotaţie, apoi citirea adresei blocului şi a blocului de date.
De exemplu la un CD audio viteza poate varia între 196 rot/min şi 568 rot/min.

10. Viteza de transfer CD
Viteza de transfer este dată ca multiplu de 153,6kBps (viteza unui CD audio). Viteze mai mari de transfer se pot obţine mărind viteza de rotaţie a discului. În 1997 viteza a ajuns la 12x dar au început să apară probleme legate de vibraţiile discului în unitate. Unităţile cu antrenarea discului CAV puteau atinge viteze de 30x. În ultimii ani de evoluţie a unităţilor CD viteza de transfer la citire a ajuns la 48x şi 52x (aceasta însemnând rpm CAV), cu probleme însă de spargere de discuri, zgomot mare la citire sau citiri eronate. La aceste unităţi viteza este automat scăzută de firmware-ul unitîţii dacă apar erori de citire.
DVD
Viteza este dată ca multiplu de 1350kBps. Viteza de transfer este diferită la citire, la scriere şi la rescriere. Viteze uzuale sunt în prezent 24x, adică 32,4MBps.
Blu-ray
Viteza este dată ca multiplu de 4,5MBps. În prezent viteza cea mai mare este de 12x, adică 54MBps. La această viteză timpul de scriere teoretic al unui disc single layer este de 7,5 minute.
Observaţie: pentru eliminarea zgomotelor generate de rotaţia discului unităţile optice au o carcasă metalică în care mecanismele sunt montate pe garnituri elastice de cauciuc. S-au căutat soluţii pentru prinderea discului pe rotorul motorului care să asigure o centrare cât mai bună.

11. Acţionarea capului de citire scriere
Lentila de focalizare
Capul optic de citire şi scriere urmăreşte pista spirală care conţine şirul de date.
Capul optic de citire şi scriere poate fi acţionat radial (stânga) sau pe o traiectorie curbă (dreapta).

12. Acţionarea capului de citire scriere
Lentila de poziţionare se mişcă vertical pentru a realiza focalizarea şi orizontal pentru poziţionare fină (tracking)
Motor de
curent continuu
Motorul de curent continuu aduce capul în zona probabilă a datelor prin transmiterea mişcării cu şurub fără sfârşit. Poziţionarea precisă se realizează cu lentila de poziţionare care asigură focalizarea prin mişcarea pe verticală şi poziţionarea precisă prin mişcarea pe orizontală.

13. Structura capului de citire scriere
Focalizare
Cum se formează semnalele care comandă mişcările pe cele 2 direcţii?
Tracking
Înfăşurări perpendiculare situate în câmp magnetic prin care trece curent
Magnet permanent
Lentila de poziţionare este acţionată de 2 înfăşurări perpendiculare, formând astfel un motor electrodinamic liniar cu 2 direcţii de mişcare perpendiculare.

14. Sistemul optic de citire / scriere
Dioda laser este o diodă semiconductoare cu injecţie care produce un fascicol de culoare şi lungime de undă diferite la CD, DVD şi Blu- Ray.
Colimatorul produce un fascicol cilindric din cel divergent.
Lentila /4 produce polarizarea luminii.
Lentila de poziţionare este mobilă şi asigură prin mişcare focalizarea corectă şi poziţionarea fină.
După reflexia pe suportul optic lumina parcurge acelaşi drum la întoarcere, dar prisma polarizată produce reflexia luminii polarizate înspre detector.
Lentila cilindrică modifică forma fascicolului cilindric în unul eliptic. Numai pentru o anumită dimensiune a fascicolului spotul pe detector este rotund.
Lentilă de poziţionare
/4
Lentilă cilindrică
Colimator A B D C
Detector
Prismă polarizată
Laser

15. Realizarea semnalului de comandă a focalizăriiB D C A B D C
e=(A+C)-(B+D)=0
e=(A+C)-(B+D)>0
e- semnalul de eroare a focalizării depinde de forma spotului de lumină şi este zero pentru un spot circular.
Semnalul de eroare care acţionează lentila de poziţionare pentru apropierea şi îndepărtarea de disc în scopul reglării focalizării este preluat de la detector:
e=(A+C)-(B+D)
Semnalul de eroare acţionează una dintre înfăşurările motorului electrodinamic al lentilei de poziţionare

16. Realizarea semnalului de comandă a poziţionăriiB D C
Realizarea semnalului de comandă a poziţionării
Pentru reglarea poziţionării se exploatează diferenţa de fază la citire între zonele detectorului. Defazajul este analizat şi constituie semnal de intrare pentru reglarea poziţiei.
Reglarea poziţiei pe pistă se face în 2 faze:
Se corectează prin tracking până la maximul posibil;
Se modifică poziţia capului prin motorul de curent continuu de acţionare t
A+C
B+D

17. Scrierea pe suport optic
Se utilizează 2 metode de scriere pe suport optic în unităţile optice:
1.Stratul reflexiv se acoperă cu vopsea transparentă termosensibilă care, încălzită de raza Laser devine întunecată, şi astfel nu mai reflectă la citire
2.Stratul reflexiv se acoperă cu substanţe care îşi pot schimba starea din amorfă în cristalină şi invers la încălzire. Metoda este aplicată şi la mediile optice care pot fi rescrise. Se consideră că citirea prin discurilor scrise cu această metodă este mai dificilă, diferenţa între reflexii fiind mai mică.
Unităţile au o parte electronică numită OPC Optimum Power Calibration care determină puterea optimă emisivă a diodei laser.
Scrierea se poate face:
Disc At Once - se scrie tot discul într-o singură sesiune şi nu se mai pot adăuga date ulterior
Track At Once – folosit la CD-urile audio, în care se scriu melodiile cu pauze între ele
Packet Writing – datele se scriu în pachete.

18. Scriere - poziţionare
Pentru a putea scrie cu precizie trebuie să fie îndeplinite:
Raza să fie poziţionată pe pistă
Viteza liniară să fie corectă
Poziţia de scriere să fie corectă
Pista este delimitată cu margini sinusoidale astfel că la citire poziţia este corectă dacă amplitudinea sinusoidei este corectă.
Viteza este corectă dacă frecvenţa sinusoidei este corectă (140,6kHz ).
Blocurile de date sunt marcate de ridicături situate între piste.
Marginile sinusoidale şi ridicăturile între piste sunt realizate la turnarea discului de înregistrat.
Acest sistem este folosit la DVD-R

19. Scriere - poziţionare
La DVD+R s-a renunţat la ridicăturile suplimentare, datele pentru scriere fiind incluse în semnalul sinusoidal prin modularea lui în fază. Acest lucru are efecte benefice pentru că se citeşte un semnal şi nu două şi are o imunitate mai bună la perturbaţii.
La CD-R semnalul sinusoidal este modulat în frecvenţă şi informaţia pentru scriere se numeşte ATIP (Absolute Time In Pregroove)
ADIP- ADdress In Pre-groove
ADIP are 1 bit de sincronizare, 31 biţi de adresă şi 20 de biţi de paritate care verifică fiecare bit important de adresă.
Why DVD+R(W) is superior to DVD-R(W)
Robin van Lieshaut

20. Detectarea şi corectarea erorilor cu coduri Reed-Solomon
Codurile Reed–Solomon (RS) au fost propuse în 1960 de Irving S. Reed şi Gustave Solomon de la MIT Lincoln Laboratory. La publicarea articolului lor "Polynomial Codes over Certain Finite Fields" nu exista un algoritm de decodare. Un algoritm a fost propus în 1969 de Elwyn Berlekamp şi James Massey care este cunoscut sub numele Berlekamp–Massey. În 1977 codurile RS au fost folosite în programul spaţial Voyager. Prima aplicaţie comercială a fost utilizarea codurilor RS la CD-uri în În prezent codurile RS se utilizează în comunicaţii la transmisia DVB-S (digital video broadcasting), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) şi xDSL, în comunicaţii spaţiale CCSDS (Space Communications Protocol Specifications), la sistemele de stocare optice (CD, DVD, Blu-ray), la cele magnetice la structuri RAID (RAID 6), etc.
Codurile RS sunt coduri ciclice, în care simbolurile sunt considerate ca şi coeficienţi de polinoame (revedeţi codurile ciclice CRC). Codurile RS pot detecta şi corecta erori multiple, plasate aleator în şirul de date. Prin adăugarea a t simboluri la şirul de simboluri de date se pot detecta până la maximum t simboluri eronate sau se pot corecta până la t/2 simboluri eronate. Corectarea în şirul de date binare înseamnă determinarea poziţiei bitului eronat.

21. Durata de viaţă
Durata de viaţă a mediilor optice este foarte importantă pentru situaţiile în care informaţii importante se stochează optic pentru un timp îndelungat, în firme unde există obligativitatea păstrării unor informaţii pe perioadă nelimitată sau chiar fotografii şi documente de familie.
Datele de catalog are mediilor optice arată că durata de viaţă este de zeci de ani. Studii noi arată că media de viaţă este de aproximativ 10 ani.
Modul de depozitare al discurilor este foarte important, praful care zgârie suprafaţa discurilor fiind o cauză pentru erorile de citire. De asemenea mişcarea discurilor produce zgârierea, aşa că discurile dintr-o maşină au o durată de viaţă medie de ordinul a 3 sau 4 ani.
Din păcate, dacă firma producătoare a discurilor este o firmă de prestigiu nu înseamnă că durata de viaţă va fi mai mare, deoarece producţia acestor firme este de multe ori realizată de terţi.
O cauză des întâlnită de distrugere a discului este faptul că eticheta comercială nu este corect lipită şi discul nu este perfect echilibrat. Vibraţia discului la citire poate produce zgârierea lui sau chiar spargerea.
Vopseaua termosensibilă care acoperă stratul reflexiv este sensibilă la razele UV, de aceea expunerea la soare micşorează durata de viaţă. Astfel un disc se distruge după câteva săptămâni de expunere directă la soare.

22. Unitate DVD RW
În imagini este prezentată o unitate DVD RW văzută de sus şi de jos şi un detaliu
Motor platan
Motor antrenare CD
Motor antrenare cap cu angrenare prin şurub fără sfârşit
Cap de scriere citire optică
Detaliu: capul optic
Lentila de focalizare
Motor antrenare cap citire scriere
Colecţia Petre Ogruţan

23. Zone
Pentru a permite industriei de filme şi muzică să vândă în condiţii diferite de preţ cititoarele optice pot fi codate cu un cod de zonă care permite citirea discurilor pentru acea zonă. Sunt admisibile un număr limitat de schimbări de zonă, adică citirea discurilor din alte zone.
Doar circa 30% din playere sunt astfel codate şi există metode software ilegale postate pe net pentru a elimina această restricţie.
La noi nu se cumpără filme ci se descarcă aşa că nu se pune această problemă. Acest lucru se vede însă diferit de cel care a muncit să facă un soft şi acesta este luat gratis în loc să fie cumpărat.

24. Perspective
De la dual layer stocarea se extinde la multilayer. Câteva iniţiative sunt stocarea 5D de la universitatea din Melbourne sau iniţiativa Mempile.
Aceste realizări tind să asigure o capacitate de stocare de 5TB.
Schema iniţiativei Mempile este dată în imaginea din dreapta. Sunt prevăzute 200 de nivele de stocare (layer) nediferenţiate fizic. Nivelele sunt citite cu o diodă Laser care focalizează pe fiecare nivel. Cercetările implică găsirea unor materiale care pot fi scrise şi citite optic.

25. Perspective – înregistrarea holografică
Înregistrarea holografică se bazează pe interferenţa a 2 surse coerente de lumină care dă naştere unei figuri (model) de puncte negre pe un fond alb.
Înregistrarea clasică optică şi magnetică realizează o ridicătură sau o zonă magnetizată pentru un bit iar înregistrarea holografică generează o imagine în volumul suportului.
În figura dreapta sus se poate vedea procesul de scriere. O rază Laser este reflectată pentru a obţine a doua sursă de lumină. Una dintre raze este modulată cu informaţia de stocat şi prin interferenţă se stochează imaginea (pattern-ul).
La citire, figura dreapta jos este nevoie de o singură rază laser orientată la acelaşi unghi ca şi raza de scriere reflectată. Un sistem de citire CCD preia modelul stocat şi îl interpretează.
Se poate ajunge la cantităţi stocate (teoretice) de zeci de TB pe inch pătrat. Încercările actuale au ajuns la 4TB pe un disc (InPhase Technologies, USA). Durata de viaţă a suportului este de ani, mai mare decât la discurile clasice. InPhase a dat faliment în 2010.