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ELECTROPEDIA

LA REVOLUCIÓN DE LOS MEDIOS ÓPTICOS

OPTOELECTRÓNICA

El surgimiento del disco compacto de audio digital, desencadenó una revolución en los medios de almacenamiento de información, considerada ésta en sentido amplio (datos, texto, audio, imágenes, video), pues permitió grabar enormes cantidades de datos en un disco de apenas doce centímetros de diámetro. El CD musical y todos los formatos que se derivaron de dicha tecnología, tienen una base física común: el registro y lectura de información por medios ópticos. En este artículo, revisaremos los principios en que se apoya esa tecnología y haremos un recuento de los principales formatos que se han derivado del CD musical.

Los medios de registro de información, constituyeron una base fundamental en el desarrollo de las civilizaciones, pues permitieron aumentar la memoria colectiva, remontar las barreras del tiempo y, por consecuencia,incrementar el bagaje intelectual de los pueblos. La primera forma material que se supone se empleó en la antigüe-dad, fue la tableta de arcilla, en la cual segrababan incisiones que representaban letras o números (la escrituracuneiforme de los antiguos babilonios); luego vino el rollo o tira continua de papiro (el antecesor del papel) usado por los antiguos egipcios; más tarde el códice o cuaderno de pergamino, que con los siglos evolucionó hasta el concepto de hojas de papel agrupadas para formar un volumen (libro); y, finalmente, en nuestro siglo, el disco de acetato, la cinta magnética, el disco magnético y los discos ópticos. Esta amplia variedad de medios de almacenamiento, ha implicado una diversidad de recursos y dispositivos para conservar la información: incisiones (bajorrelieve) en las tablillas babilónicas; tintas y plumas de ave para la escritura sobre papiros y pergaminos; la imprenta para el estampado en papel; los campos magnéticos para la grabación en cinta y discos; surcos grabados en la superficie de discos de acetato y protuberancias microscópicas sobre la superficie de un disco de policarbonato, para ser leídos mediante un rayo láser.

El surgimiento de los medios ópticos, constituyó una transformación rotunda de los métodos de almacenamiento de información, pues permitió grabar enormes cantidades de datos en un disco de apenas doce centímetros de diámetro.

El primer dispositivo óptico fue el videodisco láser, aunque el medio que desencadenó la revolución de los sistemas ópticos fue el disco compacto de audio digital, capaz de almacenar hasta 74 minutos de audio; de ahí se derivaron múlti-ples formatos y variantes, siendo el más importante el disco compacto para computadora o CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory), el cual permitió almacenar hasta 640 megabytes de información. La ventaja principal del CD-ROM, fue que permitió a las compañías fabricantes de software, desarrollar programas de computadora de una clase llamada "multimedia interactiva", en la cual se combinan texto, imágenes, sonido, animacio-nes y video, brindando además al usuario la posibilidad de interactuar de forma dinámica con esa información heterogénea.

Y es que el CD-ROM ofreció por primera vez un soporte ligero y barato para la grabación digital de enormes cantidades de datos, justamente como las que requiere la multimedia interactiva.Todos los formatos ópticos que se derivaron del CD musical, así como los desarrollos conceptuales y tecnológicos que propició el CD-ROM, mantienen una base física común: el almacenamiento y lectura de información por medios ópticos.

En este artículo, revisaremos los principios de grabación y lectura de datos por procedimientos ópticos y haremos un recuento de los principales formatos que se han derivado del CD musica.

A finales de la década de los 70, la compañía Philips había desarrollado un método para grabar información en surcos microscópicos y recuperarla mediante un rayo láser. La aplicación que los ingenieros de esta compañía le dieron a tan novedoso sistema fue en el "disco láser de video", cuyo lanzamiento al mercado se dio en 1980, con la intención de ofrecer una alternativa viable a los formatos de videocinta Beta y VHS, que por entonces inauguraban una era en el terreno del video doméstico.

Sin embargo, tal vez por tratarse en ese tiempo de una tecnología muy avanzada para las condiciones de la industria en el mundo, o por resultar muy costosa con relación a las videocintas, Philips no obtuvo el éxito esperado con el videodisco en esos años. Mas este gran avance sentó las bases del disco compacto digital. Al respecto, conviene precisar que en el videodisco láser la información nose graba digitalmente, sino de manera analógica.

Por otra parte, hacia fines de los 70, las técnicas digitales habían alcanzado un grado de maduración que los hacía susceptibles de aplicarse en electrónica de consumo, en buena medida estimuladas por los avances en la producción de circuitos de gran escala de integración. Este panorama, aunado a las ventajas de las técnicas digitales sobre las analógicas, llevó a Philips a considerar el desarrollo de un disco láser para grabación de audio basado en procedimientos numéricos.

El inconveniente fundamental que enfrentaba Philips para desarrollar un medio de almacenamiento con estas características, era el proceso de conversión de la señal analógica en un formato digital y su posterior reconversión a la expre-sión análoga. Por entonces ya existían desarrollos comerciales de circuitos convertidores de análogo a digital (A/D) y de digital a análogo (D/A), pero como Philips había dedicado mucho tiempo a la investigación y desarrollo de la tecnología para el almacenamiento y recuperación de datos en formato óptico, no disponía de un desarrollo propio para la conversión A/D/A de señales de audio. Conscientes de que desarrollar un método propio para resolver está cuestión técnica podría tomarles varios años, los directivos de Philips decidieron establecer alianzas estratégicas con otras compañías que ya disponían de esa tecnología. Concretamente, llegaron a un acuerdo con la firma japonesa Sony, para el lanzamiento común del nuevo disco compacto de audio digital.

Los ingenieros de Sony habían desarrollado a fines de los 70 un procedimiento muy efectivo para la grabación de audio análogo en forma digital a través de una codificación PCM (Pulse Code Modulation). Inclusive, algunos de sus mo-delos de videograbadoras Beta, llegaron a incluir circuitos que permitían la adición de un módulo especi l para el manejo del audio estéreo Hi-Fi digital. Finalmente, de la unión de tecnologías de estas dos grandes empresas mundiales, surgió en 1982 el disco compacto de audio digital. Rápidamente, este novedoso sistema atrajo la atención de otros fabricantes de equipos, pues el CD ofreció indudables ventajas sobre los tradicionales medios de almacenamiento de audio: el disco negro de acetato y la cinta en casete.

En un disco de acetato la información se graba mediante pequeños surcos en forma de espiral; es en las paredes de dicho surco donde se graba el audio analógico que posteriormentees recuperado por una aguja de zafiro o de diamante (figura 1). La aguja, al recorrer el surco, vibra según las ondulaciones grabadas en las paredes del mismo y transmite la información de audio analógico hacia una pastilla magnética, donde se obtiene la señal eléctrica respectiva, misma que es filtrada y amplificada para su posterior salida por los altavoces.

¿Cuál es el principio de almacenamiento y lectura de información en los sistemas ópticos? En este caso, no existe aguja ni contacto físico entre el medio recuperador y el medio de almacenamiento, como tampoco existe un surco con pare-des grabadas. En los discos ópticos, para almacenar los datos, se utiliza un track o pista de información constituida por minúsculas elevaciones de longitud variable, a las cuales se les llama pits (en inglés pit significa hueco, pero se emplea este término porque en el disco matriz, que es como el negativo del CD, la información va codificada en microscópicos huecos o depresiones). El pit es la célula o unidad básica de información en los discos ópticos digitales. Las dimensiones de estos pits son sorprenden- tes: tienen un ancho de sólo 0,5 micras (una micra = una milésima de milímetro); su altura es de tan sólo 0,11 micras, y su longitud puede variar desde 0,83 hasta 3,5 micras (figura 2). A su vez, la separación entre tracks adyacentes es de tan sólo 1,6 micras.

Estas dimensiones probablemente no tengan para usted un significado en primera instancia; sin embargo, para brindarle una perspectiva más apropiada, en la figura 3 se muestra una comparación de los tracks de un CD musical con un surco de un disco de acetato y con el grueso de un cabello humano.

La tecnología digital tiene notables ventajas en comparación con los medios de almacenamiento de audio y video analógicos, como el disco de acetato y la cinta de video magnética. Con las técnicas analógicas, cualquier imperfección durante las etapas de registro, almacenamiento o reproducción de la grabación afecta la calidad de la señal de audio y/o video. Por ejemplo, un disco sucio provoca ruido. Estas imperfecciones no ocurren en el almacenamiento digital, donde gracias a la naturaleza binaria de los datos almacenados, cualquier fuente de ruido externo se elimina rápida y eficientemente, permitiendo la recuperación de una señal que es virtualmente idéntica a la original.

En la tecnología del disco óptico, exceptuando la información de video de los discos láser, las señales analógicas son convertidas en señales digitales. Durante este proceso, la señal analógica de audio y/o video es dividida en varias partes y convertida en una serie de valores llamada muestreo . En cada muestreo se explora una forma de onda que representa una señal de audio o de video, y esta exploración se lleva a cabo en intervalos iguales. La fuerza y la polaridad de la señal analógica original en estos intervalos, pueden expresarse con números decimales (1, 2, 3, etc.); así, tanto la magnitud como la polaridad de dicha señal ( + ó - ) quedan indicadas de punto a punto. Vea la figura 4.

La frecuencia y el número de bits con que se mide la magnitud de la señal en una forma de onda, determinan la exactitud del registro de la forma de onda original; por consiguiente, el número de bits debe ser tal que estos pasos deben ser muy pequeños; y por lo que se refiere a la frecuencia, ésta debe ser lo suficientemente elevada para garantizar la correcta captura de todo el ancho de banda de la señal original. Un conversor A/D transforma los valores decimales en una notación binaria: bits. Los bits sólo consisten en 1 (unos) y 0 (ceros), y mediante la combinación de éstos se pueden expresar los números decimales en forma de notación binaria. Estos son ejemplos de notación binaria en tres bits:

La señal analógica se convierte entonces en una señal digit l queahora consiste en una serie de pulsos: pulsos para los 1 (unos) y ausencia de pulsos para los 0 (ceros). Estos pulsos en serie se graban en la superficie del disco maestro en forma de pits de tamaño microscópico; y esto se hace con un rayo láser muy fino.

En la mayoría de las grabaciones, cada valor analógico muestreado (44,100 por segundo) es convertido en una línea de 16 bits en vez de los tres que se acaban de ejemplificar; de esta manera, se obtiene un total de más de 1 millón de bits por segundo.

Un número de 16 bits de 1 (unos) y 0 (ceros) puede expresar un máximo de 65.536 diferentes valores; o sea, que dos posibles valores para cada bit = 216 = 65.536 posibilidades.

Como ya mencionamos principio, esta tecnología tan poderosa no sólo se aprovecha en los discos digitalesde audio, sino que también se aplica en otros formatos. A continuación se describen algunos de los formatos derivados del disco compacto de audio digital.

Si bien el disco láser de video es anterior al disco compacto de audio, ya que fue presentado por Philips en 1980, dos años antes que el primer CD de audio llegara al mercado, como tuvo una acogida muypobre por parte de la industria, prácticamente fue archivado entre los múltiples formatos que compitieron por la supremacía en el mundo del video casero.

Ya mencionamos que los CD-ROM son físicamente idénticos y de la misma tecnología que un disco compacto de audio digital. Justamente por esas propiedades, es un medio que puede almacenar hasta 640 megabytes de información, una cantidad extraordinaria en un reducido espacio, comparada con un disco duro promedio. Precisamente por esa capacidad de almacenamiento, los CD-ROM’s se utilizan sobre todo en aplicaciones de multimedia interactiva, donde los gráficos y el audio consumen grandes cantidades de espacio; aunque cada vez se les emplea con mayor frecuencia en la distribución de programas diversos, librerías de programas, etc.

El Disco Compacto Interactivo (CD-I) fue un desarrollo de Philips que trató de competir con el CDROM, ya que suutilidad era prácticamente la misma; esto es, en un CD-I también podían grabarse textos, imágenes, animaciones, sonidos, etc. Su ventaja inicial era quepara aprovechar un CD-ROM se necesitaba una computadora personal poderosa, mientras que para utilizar los CD-I tan sólo se requería un aparato lector que se conectaba al televisor.

Este es un desarrollo que hizo Kodak a finales de los 80, como una opción para almacenar un gran número de fotografías en un CD idéntico al de audio en dimensiones y tecnología, pero cuyo formato interno estaba especialmente dedicado al manejo de imágenes.

Durante algún tiempo se vendieron lectores especiales de Photo-CD para conectarlos al televisor, utilizando el disco como lbum de fotos ; sin embargo, en la actualidad prácticamente toda esta tecnología se ha desplazado al mundo de las computadoras personales.

Una situación especial la tenemos en un desarrollo relativamente reciente, el cual permite la utilización de tecnología óptica combinada con fenómenos magnéticos: los medios de almacenamiento magnetoópticos para grabar y leer información digital.

Empleando un rayo láser que calienta la superficie de un material metálico al tiempo que se le aplica un campo magnético, se puede almacenar información digital, con la ventaja de que la densidad de almacenaje es extraordinariamente elevada; por ejemplo, en un disco de 3,5 pulgadas, se pueden grabar desde 100 hasta varios cientos de megabytes.

Muchas compañías están compitiendo para conseguir que su formato de discos magneto-ópticos sea el reemplazo de los tradicionales disquetes de 1,44MB; el más usual, aunque ya en vías de la obsolescencia técnica. Ejemplos de discos magneto- ópticos son el MiniDisc de Sony, las unidades IOmega, etc.

El próximo paso en la evolución de los medios de almacenamiento ópticos es, sin duda alguna, el DVD, siglas de Disco Versátil Digital. Este disco se fabrica con la misma tecnología de un CD de audio normal, pero llevado un paso adelante: gracias a la utilización de nuevas tecnologías de fabricación de diodos láser y al empleo de frecuencias de operación más elevadas, es posible reducir aun más el tamaño de los pits y del espacio entre pistas de información; esto permite una mayor densidad de información y, por lo tanto, un incremento significativo en la cantidad de datos que se pueden grabar en un solo disco de 12 cm, de hecho, las dimensiones físicas externas de ambos formatos son las mismas.

Un DVD puede contener hasta 4,7 gigabytes, y gracias al desarrollo de novedosos métodos de escritura por capas, esta capacidad puede aumentar hasta casi 18 gigabytes d información en un solo disco de 12 cm. Esa enorme capacidad de almacenamiento podría parecer exagerada para el usuario de computadoras; sin embargo, resulta ideal para la distribución de películas digitalizadas, por lo que se calcula que en pocos años el DVD se convertirá en el medio de venta de películas más popular, por encima de las cintas VHS, ofreciendo además la ventaja de una calidad de imagen y sonido superiores a las de las cintas analógicas.

Sin duda, los medios ópticos constituyen una alternativa importante en el futuro inmediato, para el registro de cantidades extraordinarias de información. No obstante, los medios magnéticos también se encuentran en gran efervescencia; incluso, la vertiente donde se combinan las tecnologías óptica y magnética resulta cada vez más atractiva para los usuarios de computadoras.