¿Cómo funciona un CD y cuál es su estructura?

Última actualización: miércoles 27 enero 2021 à 13:45 por Carlos López Jurado.

Un CD (Disco Compacto) es un disco óptico de 12 cm de diámetro y 1,2 mm de espesor (este puede variar entre 1,1 y 1,5) para almacenar información digital: hasta 650 MB de datos informáticos (lo que equivale aproximadamente a 300.000 páginas escritas) o 74 minutos de datos de audio. Posee un orificio circular de 15 mm de diámetro que permite centrarlo correctamente en el reproductor de CD.

Cuándo se invento el CD
La estructura de un CD
Funcionamiento de un CD
Codificación de la información
Estándares
Estructura lógica de un CD
Sistema de archivos de un CD
Métodos de escritura de un CD
Especificaciones técnicas de un CD-ROM

Cuándo se invento el CD

Sony y Philips inventaron el Disco Compacto en 1981 para que fuera un dispositivo de almacenamiento de audio compacto de alta calidad y que permitiera, a su vez, el acceso directo a las pistas de sonido digital. Se lanzó oficialmente en octubre de 1982. En 1984, las especificaciones del disco compacto se extendieron (con la publicación del Libro Amarillo) para que se pudieran almacenar datos digitales.

La estructura de un CD

El CD está hecho de un sustrato plástico (policarbonato) y una capa metálica fina reflectante (oro de 24 kilates o una aleación de plata). La capa reflectante se halla recubierta por una terminación acrílica con protección contra rayos UV, creando de esta manera una superficie que favorece la protección de los datos. Por último, si se desea, puede agregarse una última capa que permite la impresión de datos del otro lado del CD.

capas de materiales en un disco compacto (CD)

La capa reflectante contiene pequeños baches. De esta manera, cuando el láser atraviesa el sustrato de policarbonato, la luz se refleja en la superficie reflectante. Sin embargo, lo que permite que se codifique la información es el acercamiento del láser a un bache.

Esta información se almacena en 22188 pistas grabadas en distintas canaletas (aunque en realidad es una sola pista que se acerca en espiral hacia el centro).

Los CD adquiridos en los distintos comercios ya vienen impresos, es decir que los baches ya han sido creados mediante una inyección de plástico dentro de un molde que contiene a su vez el diseño deseado revertido. A continuación se aplica la capa metálica al sustrato de policarbonato y se procede a cubrirlo con una capa protectora.

Por el contrario, los CD en blanco (CD-R) poseen una capa adicional (ubicada entre el sustrato y la capa metálica) con un tinte que puede ser marcado (o "quemado") por un láser de alta potencia (10 veces más potente que el que se usa para leerlos). La capa con el tinte es la encargada de absorber o reflejar el haz de luz emitido por el láser.

Capas de material en un CD en blanco (CD-R)

Los tintes utilizados con más frecuencia son cianina de color azul, que parece verde cuando la capa metálica se hace con oro; talocianina de color verde claro, de apariencia dorada cuando la capa metálica se hace con oro; azo de color azul oscuro.

Teniendo en cuenta que la información no se almacena como hoyos sino como marcas coloreadas, se le agrega una canaleta previa en el disco en blanco afín de ayudar a la grabadora a seguir el camino trazado en espiral, de tal modo, que no resulta necesaria la presencia de mecanismos de alta precisión en las grabadoras de CD. Además, esta canaleta previa sigue una onda sinusoidal llamada oscilación, que posee una amplitud de +/- 0,03 µm (30 nm) y una frecuencia de 22,05 kHz. La oscilación permite a su vez informar a la grabadora la velocidad a la que puede grabar. Esta información se denomina tiempo absoluto en canaleta previa (ATIP).

Funcionamiento de un CD

El cabezal de lectura se compone de un láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) que emite un haz de luz y una celda fotoeléctrica cuya función es la de capturar el haz reflejado. Los reproductores de CD utilizan un láser infrarrojo (que posee una longitud de onda de 780 nm), ya que es compacto y asequible. Una lente situada a proximidad del CD enfoca el haz del láser hacia los hoyos. Un espejo semirreflectante permite que la luz reflejada alcance la celda fotoeléctrica, como lo explica el siguiente diagrama:

Un brazo desplaza el espejo permitiendo que el cabezal de lectura pueda acceder a todo el CD-ROM.

Un CD tiene dos modos de funcionamiento básicos:

La lectura a velocidad constante lineal (o CLV). Se trata del modo de funcionamiento de las primeras unidades de CD-ROM, que se basaban en el funcionamiento de los reproductores de CD de audio e incluso de los platos giratorios antiguos. Cuando un disco gira, las canaletas se acercan al centro de manera más lenta que las canaletas del borde exterior, de modo tal que la velocidad de lectura (y por lo tanto la velocidad a la que gira el disco) se ajusta en base a la posición radial del cabezal de lectura. En este proceso, la densidad de la información es la misma en todo el disco, por lo que se produce un aumento en la capacidad. Los reproductores de CD de audio tienen una velocidad lineal entre 1,2 y 1,4 m/s.
La lectura a una velocidad angular constante (CAV). Consiste en ajustar la densidad de la información de acuerdo a la ubicación de los datos afín de lograr que la velocidad de rotación sea la misma en cada punto del disco. Esto significa que la densidad de la información será más baja en el borde del disco y mayor cerca del centro. La velocidad de lectura de la unidad de CD-ROM correspondía originalmente a la velocidad de un reproductor de CD de audio, es decir una velocidad de 150 kB/s. Esta velocidad se adoptó como referencia y se denominó 1x. Las generaciones posteriores de unidades de CD-ROM se han caracterizado por tener múltiplos de este valor. La siguiente tabla muestra la velocidad de lectura por cada múltiplo de 1x:

	Velocidad de lectura	Tiempo de respuesta
1x	150 kB/s	400 a 600 ms
2x	300 s	200 a 400 ms
3x	450 s	180 a 240 ms
4x	600 s	150 a 220 ms
6x	900 s	140 a 200 ms
8x	1200 s	120 a 180 ms
10x	1500 s	100 a 160 ms
12x	1800 s	90 a 150 ms
16x	2400 s	80 a 120 ms
20x	3000 s	75 a 100 ms
24x	3600 s	70 a 90 ms
32x	4500 s	70 a 90 ms
40x	6000 s	60 a 80 ms
52x	7800 s	60 a 80 ms

Codificación de la información

La pista física tiene baches de de 0,168 µm de profundidad y 0,67 µm de ancho, con longitud variable. Los "anillos" en el espiral se hallan separados por una distancia de 1,6 µm. La denominación hoyos se utiliza para hacer referencia a las depresiones en la canaleta y las mesetas constituyen justamente los espacios existentes entre ellos.

El láser que se utiliza para leer el CD posee una longitud de onda de 780 nm cuando se desplaza por aire. Como el índice de refracción del policarbonato es de 1,55, la longitud de onda del láser en el policarbonato equivale a 780/1,55 = 503 nm = 0,5 µm. Teniendo en cuenta que la profundidad de la canaleta es un cuarto de la longitud de onda del haz del láser, la onda de luz reflejada por un hoyo se desplaza de vuelta la mitad de la longitud (125 % de longitud para llegar al disco y lo mismo para volver) de la onda reflejada en la meseta. De esta manera, cada vez que el láser alcanza el nivel de una canaleta con hoyos, la onda y su reflejo se encuentran desfasados por la mitad de la longitud de onda anulándose entre sí (interferencia destructiva), de modo que todo sucede como si la luz nunca se hubiese reflejado. El movimiento de un hoyo a una meseta produce a su vez una caída de la señal, que representa un bit. Es la longitud de la canaleta la que permite almacenar la información. El tamaño de un bit en un CD (S) se halla estandarizado y corresponde a la distancia recorrida por el haz de luz en 231,4 nanosegundos, o 0,278 µm y la velocidad estándar mínima de 1,2 m/s.

A partir del estándar EFM (modulación de ocho a catorce), que se utiliza para almacenar información en un CD, siempre debe haber al menos dos bits configurados en 0 entre dos bits 1 consecutivos y no puede haber más de 10 bits consecutivos en cero si se pretende evitar errores. Esta es la razón por la que la longitud de una canaleta (o meseta) resulta mayor o igual a la longitud necesaria para almacenar el valor OO1 (3S o 0,833 µm) y menor o igual a la longitud del valor 00000000001 (11S o 3,054 µm).

Estándares

Existen numerosos estándares que describen la manera en la que debe almacenarse la información en un disco compacto según el uso que se le dará. Estos estándares están referenciados en documentos llamados libros y cada uno tiene un color asignado:

Libro rojo (también conocido como Audio de libro rojo): fue desarrollado en el año 1980 por Sony y Philips y describe el formato físico de un CD y el método de codificación para un CD de audio (a veces denominado CD-DA, Disco compacto - Audio digital). Define una frecuencia de muestra de 44,1 kHz y 16 bits de resolución (en estéreo) para grabar datos de audio.
Libro amarillo: se desarrolló en el año 1984 para describir el formato físico de los CD de datos (CD-ROM, Disco compacto - Memoria de solo lectura). Incluye dos modos: CD-ROM Modo 1, utilizado para almacenar datos con corrección de errores (ECC, Código de corrección de errores) y permite evitar la pérdida de datos por degradación del disco; y CD-ROM Modo 2, utilizado para almacenar datos gráficos, de video y de audio comprimidos. Para poder leer este tipo de CD-ROM, una unidad debe ser compatible con Modo 2.
Libro verde: las especificaciones físicas para un CD-I (CD Interactivo de Philips).
Libro naranja: formato físico para CD grabables. Se divide en tres secciones: Parte I: el formato CD-MO (discos magneto-ópticos); Parte II: el formato CD-WO (Discos de escritura única, actualmente llamados CD-R); y Parte III: el formato CD-RW (CD Regrabable).
Libro blanco: formato físico para CD de video (VCD).
Libro azul: formato físico para los CD "Extra" (CD-XA).

Estructura lógica de un CD

El Libro naranja establece que un CD-R, ya sea un CD de audio o bien un CD-ROM, está constituido por tres áreas que forman el área de información:

La zona de entrada (a veces llamada LIA) contiene únicamente información que describe el contenido del disco en la tabla de contenidos (TOC). La zona de entrada se extiende a partir de un radio de 23 mm partiendo desde el borde a un radio de 25 mm. Este tamaño se vuelve obligatorio debido a la necesidad de almacenar información en un máximo de 99 pistas aproximadamente. La zona de entrada permite que el reproductor/unidad de CD siga los hoyos en espiral para sincronizarse con los datos situados en la zona de programa.
La zona de programa es la sección del disco que contiene los datos. Comienza a 25 mm del centro, extendiéndose a un radio de 58 mm. Puede contener el equivalente a 76 minutos de datos de audio. La zona de programa puede a su vez contener hasta 99 pistas (o sesiones), cada una de una duración mínima de 4 segundos.
La zona de salida (o LOA) no contiene datos (silencio en un CD de audio) y marca la finalización de un CD. Comienza a un radio de 58 mm y debe poseer un ancho mínimo de 0,5 mm (de radio). La zona de salida debe, de esta manera, contener al menos 6750 sectores o 90 segundos de silencio a la velocidad mínima (1x).

Además de las zonas descritas anteriormente, un CD-R contiene un PCA (Área de calibrado de potencia) y un PMA (Área de memoria del programa). Juntos constituyen el SUA (Área del usuario del sistema).

El PCA puede ser interpretado como un área de prueba para el láser, para que se pueda calibrar su potencia según el tipo de disco que se esté leyendo. Esta área permite que se vendan los CD en blanco, los cuales usan a su vez diferentes tintes y capas de reflexión. Cada vez que se reajusta, la grabadora reconoce que ha realizado una prueba. De esta manera, se permiten hasta 99 pruebas por disco.

Sistema de archivos de un CD

El formato del CD (o más precisamente el sistema de archivos) describe la manera en que se encuentran almacenados los datos en la zona de programa.

El primer sistema de archivos para CD fue el High Sierra Standard. El formato ISO 9660, estandarizado en 1984 por la ISO (Organización Internacional de Estándares), retoma el High Sierra Standard para definir la estructura de archivos y carpetas en los CD-ROM. Se divide en tres niveles:

Nivel 1: un CD-ROM ISO 9660 de nivel 1 formateado solo puede contener archivos con nombres que contengan únicamente letras mayúsculas (A-Z), dígitos (0-9) y el carácter "_". Juntos, estos caracteres se denominan caracteres d. Los nombres de las carpetas pueden contener un máximo de 8 caracteres d y no pueden tener una profundidad mayor a 8 subcarpetas. Además, la norma ISO 9660 exige que cada archivo sea almacenado en el CD-ROM de forma continua, sin fragmentación. Se trata del nivel más restrictivo. El cumplimiento con el nivel 1 asegura que el disco será legible en una gran cantidad de plataformas.
Nivel 2: el formato ISO 9660 de nivel 2 exige que cada archivo sea almacenado como un flujo continúo de bytes, pero en cambio es más flexible con los nombres de archivos y permite los caracteres @ - ^ ! $ % & ( ) # ~ y una profundidad de hasta 32 subcarpetas.
Nivel 3: el formato ISO 9660 de nivel 3 no restringe los nombres de archivos y carpetas.

Microsoft también creó el formato Joliet, una expansión del ISO 9660 que permite utilizar nombres de archivos largos (LFN) de hasta 64 caracteres, que incluyen espacios y caracteres acentuados según la codificación Unicode).

El formato ISO 9660 Romeo es una opción de nomenclatura propuesta por Adaptec, por lo tanto independiente del formato Joliet. Permite almacenar archivos cuyos nombres pueden tener hasta 128 caracteres, pero no es compatible con la codificación Unicode.

El formato ISO 9660 RockRidge es una extensión de la nominalización del ISO 9660 que lo hace compatible con sistemas de archivos UNIX.

Con el objetivo de compensar las limitaciones del ISO 9660 (que lo hacen inadecuado para discos DVD-ROM), Asociación de Tecnología de Almacenamiento Óptico (OSTA ha desarrollado el formato ISO 13346, conocido como UDF (Formato de disco universal).

Métodos de escritura de un CD

Monosesión: este método crea una única sesión en el disco y no permite que se añadan datos nuevos más adelante.
Multisesión: a diferencia del método anterior, este permite que el CD se escriba varias veces, creando una tabla de contenidos (TOC) de 14 MB para cada una de las sesiones.
Multivolumen: es la grabación de tipo multisesión considera cada sesión como un volumen distinto.
Track At Once: este método permite desactivar el láser entre dos pistas, creando de esta manera una pausa de dos segundos entre cada pista de un CD de audio.
Disc At Once: a diferencia del método anterior, este método escribe todo el CD a la vez (sin pausas).
Escritura de paquetes: este método permite grabar los datos por paquetes.

Especificaciones técnicas de un CD-ROM

Una unidad de CD-ROM se define de la siguiente manera:

Velocidad: la velocidad se calcula en relación a la velocidad de un reproductor de CD de audio (150 KB/s). Una unidad que puede alcanzar velocidades de 3000 KB/s será considerada de 20x (20 veces más rápido que una unidad de 1x).
Tiempo de acceso: representa el tiempo promedio para ir de una parte del CD a otra.
Interfaz: ATAPI (IDE) o SCSI.

Foto: ©123RF

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