CD-levy

1960-luvulla fyysikko James T. Russell kehitti ja patentoi digitaalisen optisen tallennus- ja toistomenetelmän (varhaisin patentti US3501586 haettu 1966 ja myönnetty 1970).[3][4] Vuonna 1971 Eli S. Jacobs palkkasi Russellin ja joukon teknikoita Digital Recording Corporationiin videolevyn kehittämiseen, jonka tuloksena oli 20 minuutin videolevy vuonna 1973.[3] Vuonna 1974 tekniikkaa esiteltiin messuilla ja vuonna 1975 Philipsin edustajat vierailivat julkaistuaan juuri laserlevyn.[3]

CD-levyä kehitettiin 1970-luvun lopulla. CD:n teknisen toiminnan määrittelevästä Red Book -standardista päästiin yhteisymmärrykseen vuonna 1980, ja markkinoille CD:t tulivat syksyllä 1982 Euroopassa ja Japanissa. Ensimmäinen kuluttajamarkkinoiden CD-soitin, Sony CDP-101, tuli markkinoille Japanissa 1. lokakuuta 1982.[5][3] Yhdysvalloissa levyt tulivat markkinoille keväällä 1983. Merkittävin tavoite CD:tä kehitettäessä oli äänenlaadun säilyminen, sillä vinyylilevyt kuluvat ja ääninauhat venyvät. CD kehitettiin alun perin pelkästään äänentoistoon eikä tiedon yleiseen tallennukseen, mihin sitä myöhemmin on myös käytetty. Ensimmäiset yleistä dataa lukevat CD-ROM-asemat tulivat 1985.

Vuoteen 1985 Russellilla oli 26 patenttia liittyen CD-ROM-teknologiaan.[3] Vuonna 1992 Time-Warner ja muut valmistajat sopivat patenttirikkomuksesta ja maksoivat 30 miljoonaa dollaria Russellin työnantajalle.[3]

CD-levylle tallennetun musiikin myyntimäärät Suomessa vuosina 1992–2021

CD:n koon ja kapasiteetin valitsemiseen liittyy useita tarinoita. Yhden version mukaan Philipsin insinöörien tavoitteena oli alun perin 60 minuutin levy. Hanketta johtanut Sonyn Norio Ohga kuitenkin esitti, että levylle pitäisi mahtua Beethovenin 9. sinfonia.[6] Herbert von Karajanin johtamana kyseinen teos oli 66 minuuttia. Asia tarkistettiin vielä Philipsin Polygram-tytäryhtiöstä. Sieltä löytyikin tieto, jonka mukaan on olemassa vuodelta 1951 peräisin oleva tallenne, jossa saman teoksen kesto Wilhelm Furtwänglerin johtamana oli 74 minuuttia. Projektiryhmä päätti, että 74 minuuttia on täten sopiva kesto levylle, ja insinöörit laskivat, että levyn halkaisija tulee kasvattaa 12 senttimetriin. Toisen muunnelman mukaan CD-hankkeessa mukana ollut Akio Morita olisi puolestaan vaatinut Beethovenin 9. mahtumista CD:lle, koska kyseessä oli hänen tai hänen vaimonsa lempiteos. Kolmannen mukaan kapellimestari Herbert von Karajan olisi vaatinut sitä. Tarinoihin ei kuitenkaan ole välttämättä uskomista[7]

Ensimmäinen populaarimusiikin CD-julkaisu oli Abban The Visitors -albumi vuonna 1982.[8] Ensimmäisenä suomalaisena CD-julkaisuna puolestaan pidetään yleisesti Riki Sorsan Kellot ja peilit -levyä (CBS 1984), joka julkaistiin CD:nä vuonna 1985.[9] Kyseinen levy tehtiin kuitenkin fyysisesti Suomen ulkopuolella ja sen julkaisi omistuspohjaltaan ei-suomalainen levy-yhtiö.[10]

Ensimmäiset kirjoittavat CD-R-asemat tulivat ammattilaiskäyttöön vuonna 1991.[11]

Optisen luennan toiminta.

CD muodostuu 1,2 millimetriä paksusta ruiskuvaletusta polykarbonaattilevystä, joka on päällystetty ohuella alumiinikerroksella. Alumiinin päällä on suojaava lakkakerros, johon voi myös painaa levyn etiketin, tyypillisesti silkkipaino- tai offset-menetelmällä.

CD:tä tehdään eri kokoisina, mutta yleisin koko on halkaisijaltaan 120 millimetriä, joka antaa norminmukaisesti 74 minuutin tallennustilan äänelle ja 650 megatavun tilan datalle. Käytännössä CD:n reaalinen tallennuskapasiteetti on kasvanut 700 megatavuun tallennustekniikan kehittyessä. Tämä merkitsee 80 minuutin tallennustilaa äänelle. Nykyään on saatavilla myös 800 Mt:n (90 min), ja jopa 900 Mt:n (100 min) levyjä, mutta nämä vaativat standarditoleranssien hyväksikäyttöä. Sen takia ne eivät välttämättä toimi kunnolla varsinkaan vanhemmissa CD- soittimissa tai asemissa, joten ”normaalien” 700 megatavun levyjen käyttö on kaikkein varminta. 1980-luvulla julkaistiin joitakin alun perin tupla-LP:nä ilmestyneitä levyjä noin 70 minuutin pituisina yhden CD:n versioina, joista oli pudotettu osa materiaalista pois.

Tavanomaisen 120 millimetrin kokoisen levyn rinnalle kehitettiin halkaisijaltaan 80 millimetrin kokoinen ”Mini-CD”, jolle mahtuu enimmillään dataa 210 megatavua, ja ääntä 24 minuuttia. Tätä oli alun perin tarkoitus käyttää 7″ vinyylilevyn tavoin singlejulkaisuissa, mutta tämän sijaan ne julkaistiinkin usein "Maxi-Singleinä", tutummassa 12 cm koossa. Nykyään 8 cm levyä on myös käytetty usein tietotekniikan puolella; laitteiden valmistajat ovat toimittaneet komponenttien (lisäkortit yms..) mukana ajureita sekä muita asennustiedostoja tallennettuna 8 cm:n levylle.

Muita harvinaisempia levytyyppejä ovat eri muotoiset (ja kokoiset) levyt, joiden toimivuus eri soittimissa ei ole taattu. Esimerkiksi autosoittimilla ja muilla kelkattomilla soittimilla levynlatauksessa voi olla ongelmia. Näiden levyjen kapasiteetti vaihtelee koon ja muodon mukaan. Yleisin malli lienee käyntikortin muotoinen levy, joka on saatavilla myös poltettavana versiona.

CD:lle tieto tallennetaan pitkään, spiraalimaiseen nystyräjonoon (lukupuolelta nähtynä), joka kiertää levyn sisäreunasta ulkoreunaan. Ura sisältää noin 125 nanometriä korkeita ja 500 nanometriä leveitä kohoumia, joihin tieto tallennetaan binäärisenä. Nystyrät luetaan aallonpituudeltaan 780-nanometrisellä puolijohdelaserilla pohjalla olevan polykarbonaattikerroksen läpi. Korkeusero aiheuttaa nystyrästä ja sitä ympäröivästä levystä heijastuvien säteiden välille vaihe-eron, jonka soittimen elektroniikka havaitsee.

Levyn luku perustuu vakionopeudella tapahtuvaan heijastusmuutoksen tunnistukseen: kunkin nystyrän alku ja loppureuna edustaa ykköstä. Harjanteessa lukusäteen heijastus on huono, tasaisella osuudella heijastus on suuri, näiden kestot edustavat peräkkäisiä nollia aikajanalla. Nystyrän tai tasangon pituus siis määrää peräkkäisten nollien lukumäärän.

Levyä koodattaessa kukin kahdeksan bitin datatavu muunnetaan EFM-modulaatiolla (Eight-to-Fourteen Modulation), 14 bitin pituiseksi koodiksi, jossa kahden ykkösen välissä on vähintään kaksi ja enintään kymmenen nollaa. Lisäksi kooditavut erotetaan toisistaan kolmen bitin liitossanalla. Liitossanalla varmistetaan ettei peräkkäisten kooditavujen nollien lukumäärä ylitä kymmentä. Yhtä liitosbittiä käytetään tarvittaessa käännösbittinä jolla datavirran vaihe käännetään DC-komponentin kumuloitumisen estämiseksi. 8-bittisen tavun tallentamiseen käytetty tila vaatii 17 bittiä.

Toistettaessa yksittäisten bittivirheiden korjaus tapahtuu reaaliaikaisesti ristiin lomitetulla Reed-Solomon virheenkorjausmenetelmällä (Cross Interleaved Reed-Solomon Code – CIRC).

Lukunopeuskerroin 1 vastaa 75 datalohkon lukua sekunnissa ja se on nykyään oletuksena käytössä vain Audio-CD -soittimissa. Muita aliformaatteja tukevat laitteet käyttävät yleensä suurempaa kerrointa, jopa 72 (Kenwoodin kolmen lukupään CD-asema vuodelta 2000).

• Yksi fyysinen datalohko levyllä on 2 560 tavua.
• CD-ROM ja sen johdokset käyttävät joka lohkosta vain 2 048 tavua käyttäjälle näkyvään dataan, loput 512 tavua käytetään muun muassa virheenkorjaukseen.
• Audio-CD:llä ”käyttäjän dataa” on 2 352 tavua lohkolla.

Tehdastekoiset CD:t eroavat suuresti CD-R-levyistä. Tehdasvalmisteiset CD:t valmistetaan valamalla, ja data on niissä fyysisesti levyn (etiketti)pinnan kuoppina. Poltettavien levyjen lukupinta on tasainen, ja niiden heijastusmuutokset saadaan aikaan pinnan heijastusominaisuuksia käsittelemällä. Koska kyseessä on lämpökemiallinen reaktio, ei poltettaville levyille voida taata samaa säilyvyyttä kuin tehdasvalmisteisille CD-levyille.

CD-standardi ei sisällä mitään kopioinnin estävää mekanismia, mikä tekee CD-levyjen kopioinnista tietokoneen muistiin helppoa. Vuodesta 2002 alkaen jotkin levy-yhtiöt ovat käyttäneet CD:issään omia kopiosuojausmenetelmiään, jotka perustuvat tahallisten virheiden tai muiden CD-ROM-asemaa hämäävien tietojen lisäämiseen levyihin. Suojausten tarkoitus on estää levyjen käyttö tietokoneiden CD-ROM-asemissa, joiden virheidenkorjausjärjestelmä ei siedä virheitä yhtä hyvin kuin tavalliset CD-soittimet. Monet kopiosuojausmenetelmät kuitenkin haittaavat myös levyn toistamista CD-soittimella ja tekevät levyn herkäksi lialle ja naarmuille. Erityisesti autostereoiden CD-soittimissa kopiosuojatut levyt eivät usein toimi. Osa kopiosuojatuista levyistä sisältää niin sanotun ”tietokoneilla soitettavan” osion, joka sisältää useimmiten musiikkivideoita ja kopion äänitteen sisällöstä pakatussa ja kopiosuojatussa tiedostomuodossa, jonka äänenlaatu on useimmiten CD-muotoon verrattuna melko huono. Näiden melkein aina WMA-muodossa olevien tiedostojen yhteensopivuus rajoittuu yleisimpiin käyttöjärjestelmiin, käytännössä Microsoft Windowsin uusimpiin versioihin. Usein vaaditaan kuitenkin lisäohjelmien asentamista levyltä, eivätkä levyjen kopiosuojatut tiedostot välttämättä toimi muissa mediasoittimissa. Jotkin kopiosuojausmenetelmät asentavat tietokoneeseen ohjelman, joka valvoo levyn käyttöä ja kopiointia. Ohjelma voi myös asentua käyttäjältä lupaa kysymättä ja piiloutua käyttöjärjestelmältä. Tällaisia ohjelmia pidetään yleisesti haittaohjelmina.

CD-standardin kehittäjä Philips on ilmoittanut, että tällaisia kopiosuojausmenetelmiä käyttäviä CD:itä ei saa markkinoida Compact Disc Digital Audio -tavaramerkin avulla.

Eräiden pelikonsolien pelilevyissä on käytetty suojauksena esimerkiksi tyhjää levyaluetta tai tietoisesti virheellisiksi kirjoitettuja lohkoja (tarkistussumma ei täsmää sisältöön) jotka on merkitty kuuluvaksi levyn tiedostorakenteeseen. Konsolin ohjelmisto osaa kiertää nämä, mutta useimmat kopiointiohjelmat eivät. Tyhjä alue haittaa levyn lukemista ylipäätään ja ”virheelliset” lohkot käytännössä estävät kopioinnin erillisinä tiedostoina.

Kehitysvaiheen aikana digitaaliseksi signaalin resoluutioksi sovittiin 16 bittiä ja näytteenottotaajuudeksi 44,1 kHz. Tästä syystä CD:n signaalidynamiikka on korkeintaan 96 dB ja taajuusvaste ulottuu 22,1 kHz saakka. Sovittu standardi pohjautui 1980-luvun alun tekniikkaan, sen ajan rajoituksiin ja silloiseen tietoon musiikin virheettömään toistoon tarvittavasta äänenlaadusta. Suuri yleisö ei ole kuitenkaan valittanut CD:n äänenlaadusta.

Joissakin levyissä käytetään merkintää, joka ilmaisee millä tavalla levyt on tuotettu.

• AAD (”analog, analog, digital”), eli materiaali nauhoitettu alun perin analogisella laitteistolla, sekä masteroitu analogisesti, mutta siirto on tehty digitaalisesti.
• ADD (”analog, digital, digital”), sama kuin edellä, mutta masterointi on toteutettu digitaalisesti.
• DDD (”digital, digital, digital”), kaikki vaiheet on tehty täysin digitaalisesti.

• Tietoa CD-levystä sfnet.harrastus.audio+video usein kysytyt kysymykset sivulla
• Fiilin, Teemu: Syrjäytyvän cd:n raju tilitys: “Ihmiset eivät välitä enää maksaa meistä musiikkiformaateista”. Rumba.fi 12.2.2015.
• Teiskonlahti, Kirsi: Levyt sinnittelevät digiajassa (Arkistoitu – Internet Archive). Utain 7.12.2016.