26/10/2017
Un poco de ciencia, por favor » Almacenamiento óptico de datos: CD, DVD y BD
Un poco de ciencia, por favor
Almacenamiento óptico de datos: CD, DVD y BD
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Oct
2017
Ignacio Mártil
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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de
la Real Sociedad Española de Física
En dos artículos previos he descrito el funcionamiento de los medios magnéticos de
grabación y almacenamiento de la información. En el primero, como funciona un
disco duro y en el segundo como se graba y lee la información en este soporte. A
continuación, comienzo con este texto la descripción de los medios ópticos de
almacenamiento, los populares CD (“Compact Disc”), DVD (“Digital Versatile Disc”)
y BD (“Blue Disc” o “Blu-ray”).
1. Una breve reseña histórica
El trabajo de investigación y de desarrollo del CD, que llegó al mercado en 1980, se
lo debemos a las compañías Phillips y Sony y se convirtió rápidamente en una
alternativa a los populares discos de vinilo y a los “cassettes”. La generalización del
CD fue posible gracias a la sinergia entre ambas empresas: por un lado, Philips
había desarrollado la tecnología de fabricación del disco, pero carecía de la
experiencia de grabación de audio digital. Por su parte Sony tenía experiencia en el
desarrollo y la aplicación de los circuitos de audio digitales, pero carecía de los
conocimientos necesarios para hacer el soporte físico funcional. Fruto de esa
colaboración se obtuvo el formato de 12 cm de diámetro para los CD y las
características de los reproductores que se utilizan hoy en día.
En la ciencia se encuentra nuestro futuro como
individuos y como sociedad. En este blog pretendo
explicar cuestiones del ámbito científico que
repercuten directamente en la sociedad.
Intentaré hacerlo con un lenguaje asequible a un
público amplio e interesado por los avances
científicos, pero sin formación especializada. En
definitiva, hacer de la ciencia algo entendible y en la
medida de lo posible, entretenido.
Soy Catedrático en la Universidad Complutense de
Madrid en el área de Electrónica. Realizo mi
actividad investigadora, de carácter eminentemente
experimental, en el campo de los semiconductores.
Soy especialista en propiedades eléctricas y
ópticas de estos materiales, así como en
dispositivos electrónicos y opto-electrónicos,
siendo mi principal actividad en la actualidad el
estudio de conceptos avanzados en células
solares. Soy co-autor de más de 150 artículos
científicos publicados en revistas de alto impacto
de ámbito internacional.
Interesado por la ciencia, por la economía, por la
historia, considero que tanto individual como
colectivamente, deberíamos aplicarnos con
frecuencia la máxima de Einstein: “Si buscas
resultados distintos, no hagas siempre lo mismo”
@IgnacioMartil
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En 1985 los CD comenzaron a utilizarse para almacenar datos en ordenadores,
bajo la denominación CD-ROM (Read Only Memory, memoria de sólo lectura). En
1990 fueron de nuevo Philips y Sony los que ampliaron la tecnología y crearon el
CD grabable (CD-R).
En 1996 se introdujo el DVD, el sistema de almacenamiento óptico más difundido
en los últimos 20 años, ya que gracias a su gran capacidad (4,7 GB), permite
guardar contenidos audiovisuales. Fue obra de un consorcio de empresas,
denominado DVD Forum, integrado por gran número de compañías (Phillips, Sony,
Toshiba, Time-Warner, Matsushita Electric, Hitachi, Mitsubishi Electric, Pioneer,
Thomson y JVC)
Finalmente, tras la invención del láser azul a finales de los años 90 del siglo pasado,
se lanzó al mercado el BD en 2003, también de la mano de otro consorcio de
empresas denominado Blu-ray Disc Association, en el que se integraron las grandes
compañías del sector: Sony, Matsushita, Pioneer, Philips, Thomson, LG, Hitachi,
Sharp y Samsung El Blu-ray debe su nombre al color azul del rayo láser (blue
http://blogs.publico.es/ignacio-martil/2017/10/25/almacenamiento-optico-de-datos-cd-dvd-y-bd/
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Un poco de ciencia, por favor » Almacenamiento óptico de datos: CD, DVD y BD
Sharp y Samsung. El Blu-ray debe su nombre al color azul del rayo láser (blue
ray significa ‘rayo azul’). La letra “e” de la palabra original blue fue eliminada debido
a que, en algunos países, no se puede registrar para un nombre comercial una
palabra común.
En este artículo describiré cómo funcionan estos tres soportes de almacenamiento,
y siguiendo un esquema idéntico al que seguí para describir los medios magnéticos,
en uno próximo analizaré el procedimiento de grabación de la información en ellos.
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2. Estructura física y principio de funcionamiento de un CD y de un DVD
i) CD sólo de lectura
El CD es en un disco circular de 12 cm de diámetro, en el cual la información está
codificada y almacenada en surcos microscópicos definidos sobre una de las caras
que lo componen. En su superficie almacena cerca de 800 MB de datos, lo que
significa que el espacio físico ocupado por cada byte es muy pequeño (cada byte
ocupa ~5 x 10 - 7 cm2).
El CD tiene un grosor de 1,2 mm y está integrado por cuatro capas, cada una con
una función específica, tal y como muestra la siguiente figura, que no está a escala:
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Izquierda: las distintas capas que componen un CD. Centro: la superficie de un CD
visto por la superficie donde se graban los datos. La espiral señala el camino que
hacen estos. Derecha: imagen tomada con microscopía electrónica de barrido de la
superficie de un CD, con la anchura de las protuberancias y de la separación entre
dos pistas consecutivas
Desde la parte inferior a la superior nos encontramos con las siguientes zonas en el
CD:
Capa A. Es la parte inferior del disco, que actúa de soporte mecánico de toda la
estructura; es una pieza de policarbonato plástico. La información que contiene
esta codificada e impresa en la superficie interior del plástico en forma de
protuberancias microscópicas separadas por zonas lisas y agrupadas en una pista
única extraordinariamente larga de forma espiral. La grabación de las
protuberancias se realiza mediante un láser, siguiendo un procedimiento muy
parecido al que describiré para detallar como es un CD grabable (CD-R)
Capa B. La superficie que contiene las protuberancias se recubre con una delgada
capa de aluminio, que es un excelente reflector de la luz. Su función es reflejar el
haz laser que incide desde la parte inferior de la capa A procedente del lector del
CD; el detalle se verá más adelante.
Capa C. Es una capa de material acrílico depositada mediante spray sobre el
aluminio para protegerlo.
Capa D. Finalmente, se encuentra la etiqueta que recubre la parte superior, donde
se escribe la identificación del CD y contiene la carátula del disco.
Si se mira el CD frontalmente con un microscopio, por la cara opuesta a la de la
carátula, se observará que la superficie tiene grabada una pista espiral continua,
circulando desde el interior del disco, cerca del eje de rotación, hasta el borde
exterior. La pista es extraordinariamente estrecha, de 0,5 micrómetros (1
micrómetro = 0,000001 m) de ancho, con una separación entre una pista y la
siguiente de 1,6 micrómetros. Por otra parte, las protuberancias donde esta
codificada la información también son asombrosamente pequeñas, ya que su altura
es de 125 nm (1 nm = 0,000000001 m). El aspecto de las protuberancias y la
separación entre ellas se observa en la imagen que se muestra a la derecha de la
figura anterior. Si se pudiera estirar la pista donde están los datos en una línea
recta, tendría cerca de 5 km de largo. El láser de semiconductor que lee el CD la
recorre a una velocidad de unos 1,2 m/s, de manera que la duración del CD es de
unos 70-80 minutos.
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Un poco de ciencia, por favor » Almacenamiento óptico de datos: CD, DVD y BD
ii) Procedimiento de lectura del CD
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Dentro del equipo reproductor de CD, hay un conjunto de dispositivos electrónicos
y ópticos para descodificar la información contenida en la pista espiral del CD y
enviarla posteriormente a un equipo de audio o a un ordenador (audio-CD en el
primer caso; CD-ROM en el segundo). El procedimiento de lectura y descodificación
es similar en ambos casos. El lector del CD está integrado por tres componentes:
a) Un motor que hace girar el disco. Su velocidad se controla entre 200 y 500
r.p.m., ya que según la información este localizada cerca del interior o del exterior
del disco, la velocidad de rotación debe cambiar para que la velocidad de lectura sea
siempre la misma.
b) Un láser de semiconductor, que emite una radiación de 780 nm de longitud de
onda, unido a un sistema de lentes que enfoca el láser hacia las protuberancias.
c) Un mecanismo de seguimiento, que mueve el conjunto del láser y su óptica con
objeto de seguir con precisión la pista espiral en toda la superficie del CD.
La siguiente figura ilustra el esquema de funcionamiento:
Esquema del funcionamiento de un lector de CD-DVD-BD
El láser se enfoca a la pista donde están las protuberancias. La luz del láser
atraviesa la capa A de policarbonato, llega a la zona de protuberancias, se refleja en
la capa de aluminio que la recubre por detrás (capa B) y la luz reflejada llega a un
detector que registra cambios en la intensidad de la luz que llega a él. Los bordes de
las protuberancias reflejan la luz de manera diferente que las zonas planas y el
detector del sistema detecta estos cambios. La electrónica posterior interpreta
estos cambios como “unos” y “ceros”. El siguiente video muestra el interior de un
lector de un CD:
El CD/DVD como funciona - NUCL3O TECNICO
http://blogs.publico.es/ignacio-martil/2017/10/25/almacenamiento-optico-de-datos-cd-dvd-y-bd/
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Un poco de ciencia, por favor » Almacenamiento óptico de datos: CD, DVD y BD
Habitualmente, se utiliza una codificación denominada codificación de no retorno a
cero (NRZI), de tal forma que un “uno” se asocia a una transición de zona plana a
una protuberancia o de una protuberancia a una zona plana, mientras que un “cero”
corresponde a la ausencia de cambio, es decir, seguir en la zona plana o seguir en la
protuberancia, según corresponda el caso. Una vez registrado por el detector el
código de “unos” y “ceros”, se envía a un conversor Digital-Analógico, que convierte
el código en una señal analógica de audio, que posteriormente se amplifica y se
envía al altavoz, desde el que se emiten las ondas sonoras que nos permiten
escuchar la música. La figura ilustra con detalle la secuencia completa:
Proceso de lectura y conversión a sonido de un CD
iii) CD grabable
Los primeros CD eran únicamente de lectura, pero pronto se vio la necesidad de
poder grabar en ellos, igual que se hacía en las cintas magnéticas (“casettes”) para
la música o en los “floppy disk” para los datos en ordenadores. En 1990 se
introdujo el CD grabable (CD-wRitable o CD-R) y poco después, el re-escribible
(CD-ReWritable o CD-RW), cuyo funcionamiento es similar al primero. Describiré
exclusivamente el procedimiento de grabación del CD-R.
Un CD-R no tiene protuberancias, toda su superficie es plana, de manera que la
capa B es una superficie metálica totalmente lisa, que está encima de una fina capa
de un material fotosensible. Cuando el CD-R esta virgen, la capa fotosensible es
traslúcida: la luz que llega a ella, alcanza el metal de la parte trasera y se refleja sin
dificultad. Pero cuando la capa fotosensible se calienta con luz de una intensidad
determinada, la capa se vuelve opaca.
Oscureciendo por este procedimiento y de manera selectiva determinadas zonas de
la pista de un CD y dejando las otras áreas de la capa fotosensible en su estado
traslúcido original, se puede crear un código digital que puede leer sin dificultad un
equipo convencional de CD. La luz que proviene del láser lector solo se refleja en las
zonas traslúcidas de la capa fotosensible, de igual forma que lo hace cuando se
refleja en las partes planas de un CD convencional. Es decir, aunque un CD-R no
tiene protuberancias, se comporta como si las tuviera.
De esta forma, en un equipo que puede grabar y leer un CD hay, además del láser
de lectura, otro para grabar el CD virgen. El láser de escritura o grabación es más
potente que el de lectura, de forma que altera la superficie de la capa fotosensible
cuando se expone a él, mientras que el láser de lectura no es lo suficientemente
intenso como para oscurecer el material fotosensible, por lo que al reproducir un
CD-R en una unidad de CD no se destruye la información codificada. Para grabar los
datos, el dispositivo simplemente enciende y apaga el láser de grabado en sincronía
con el patrón de “unos” y “ceros”.
Los CD-R solo se pueden grabar una vez. Para resolver esta limitación, a mediados
de los 90 se introdujeron los CD-RW. El procedimiento de grabación es similar al de
los CD-R, pero la capa fotosensible de los primeros se sustituye por un material que
cambia de fase al calentarse. El lector interesado en conocer más detalles acerca de
esta clase de CDs, puede consultar este artículo.
3. El DVD y el BD
Cualitativamente, tanto el DVD como el BD funcionan de manera completamente
análoga al CD, tanto en procedimientos de lectura, como de grabación de discos,
por lo que me limitaré a destacar las diferencias entre los tres.
El cambio principal entre los tres sistemas estriba en la longitud de onda del láser de
lectura y en la densidad de información almacenada en el disco, que viene
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Un poco de ciencia, por favor » Almacenamiento óptico de datos: CD, DVD y BD
lectura y en la densidad de información almacenada en el disco, que viene
determinada por el tamaño de las protuberancias y por la separación entre dos
pistas consecutivas. Cuanto más corta es la longitud de onda del láser de lectura,
menor es el área (“spot”) con el que ilumina la superficie y por consiguiente, menor
puede ser el tamaño de las protuberancias, reduciéndose la separación entre dos
pistas consecutivas, lo que trae aparejado un aumento en la cantidad de
información almacenada. La figura ilustra todas esas diferencias para los tres
medios:
POLÍTICA
OPINIÓN
MUNDO
ECONOMÍA
MUJER Y SOCIEDAD
MEDIO AMBIENTE
PÚBLIC
CULTURAS
TREMENDING
VÍDEOS
Características principales del BD (izquierda), DVD (centro) y CD (derecha). En
recuadro, se indica la densidad de información almacenada por unidad de
superficie.
En el paso de CD a DVD, la separación entre pistas se reduce a la mitad,
multiplicando por siete la capacidad de almacenamiento, de manera similar a lo que
ocurre al pasar de un DVD a un BD, en este último caso se multiplica por cinco la
capacidad respecto del DVD.
Al poder almacenar mucha mayor cantidad de información, el DVD y el BD son los
medios naturales de almacenamiento de contenidos audiovisuales.
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karlos • hace un día
La próxima entrega podría ser la sustitución del soporte físico de estos discos, que ya
empieza a ser obsoleto ( aparte de otros formatos como memorias flash, pendrives,
etc ), por el soporte en bits inmaterial de las redes. . .
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