Opas: Näin cd toimii – Analogisesta signaalista ykkösiksi ja nolliksi – ja takaisin

Tässä oppaassa perehdymme cd-levyn rakenteeseen, valmistusprosessiin ja äänen matkaan analogisesta signaalista digitaaliseen muotoon ja takaisin.

Cd-levyn rakenne

Cd-levy on tavanomaisesti halkaisijaltaan 120-millimetrinen, noin 16 grammaa painava kiekko, joka koostuu neljästä kerroksesta. Niistä alin (1) on 1,2 millimetriä paksu ruiskuvalettu polykarbonaattilevy, johon data tallennetaan. Se taas on päällystetty ohuella alumiinikerroksella (2), jonka tehtävä puolestaan on heijastaa cd-soittimen lukukoneiston puolijohdelaserin säde (3) lukukennolle. Tämän kerroksen päällä on suojaava lakkakerros (4), joka ehkäisee hapettumista, ja sen päällä vielä ylin kerros (5), johon levyn etiketti painetaan tyypillisesti silkkipaino- tai offset-menetelmällä.
Vaikka cd on karkeasti yleistäen fyysisenä formaattina oikein käsiteltynä paremmin kulutusta kestävä kuin vaikkapa vinyyli tai c-kasetti, täysin immuuni vaurioille sekään ei ole. Huolellisesti käsiteltynä ja säilytettynä laadukkaasti tehtaalla valmistettu cd kestää käyttöä kymmeniä vuosia äänenlaadun kärsimättä lainkaan. Kuitenkin naarmut, pöly ja säröt voivat tehdä levystä toistokelvottoman.

Näin musiikki-cd valmistetaan

Käytännössä cd-muotoisen äänilevyn tuotannossa mennään melko pitkälle musiikki edellä, ja vasta oikeastaan loppumetreillä masterointivaiheessa toteutuksessa tulee ottaa huomioon esimerkiksi cd-formaatin tekniset ominaisuudet. Käytännössä tämä tarkoittaa musiikkitiedostojen konvertointia cd-standardin mukaiseksi, eli 16 bitin syvyyteen ja 44,1 kilohertsin näytetaajuuteen. Koska nykyäänitykset ovat lähtökohtaisesti pääosin digitaalisia, kaikki materiaali käy jo äänitysvaiheessa muunnoksen analogisesta digitaaliseksi.
Tuotannon loppuvaiheessa masteroija muodostaa kokonaisuudesta yleensä DDP- eli Disc Description Protocol -paketin, jossa on määritelty esimerkiksi raitojen täsmälliset kestot, niiden väliset tauot ynnä muut tekniset seikat. Tämä paketti lähtee cd-monistamoon, jossa siitä tehdään niin kutsuttu master-levy. Mikäli kyseessä on ammattimainen, isompi cd-monistamo, master-levy on yleensä ollut tapana tehdä laserilla lasilevylle, jota taas käytetään ikään kuin leimasimena myyntiin menevien varsinaisten cd-levyjen monistuksessa.

Myyntiin menevien cd-levyjen monistamisessa käytetään lasista master-levyä.

Sisältö muuttuu musiikiksi

Jokaisen cd-soittimen sisällä on muutama peruskomponentti, joista keskeisimmät ovat pyöritin- ja lukukoneisto. Käytännössä jälkimmäinen koostuu pienestä puolijohdelaserista ja valokennosta linsseineen ja prismoineen. Kun asetat cd-levyn soittimeen ja painat toistonäppäintä, pyöritinkoneisto käynnistyy ja pyörittää levyä aluksi noin 500 kierrosta minuutissa. Samanaikaisesti laser ja valokenno hakeutuvat levyn keskiöön (cd-levyn lukusuunta on vinyyliin verrattuna käänteinen, eli se alkaa sisempää ja etenee kohti ulkoreunaa) ja siirtyvät raita kerrallaan loppua kohti, jolloin myös levyn pyörimisnopeus hidastuu 200 kierrokseen minuutissa.
Itse levyn luku tapahtuu niin, että lasersäde osuu levyn pinnassa oleviin mikroskooppisiin kuoppiin ja tasaisiin kohtiin. Näistä alueista tasaiset kohdat heijastavat lasersäteen takaisin kennolle ja kuopat taas eivät.
Aina kun lasersäde heijastuu takaisin tasaiselta pinnalta, valokenno havaitsee sen ja lähettää lyhyen sähkövirtapurskeen eteenpäin mikropiirille, joka tulkitsee sen arvoksi 1. Jos taas lasersäde siroaa kuopan kohdalla, valokenno ei havaitse sitä eikä myöskään tee mitään, jolloin mikropiiri tulkitsee sen arvona 0. Tämä kahden arvon vaihtelu toistuu koko levyn pyörimisen ajan, ja niiden perusteella cd-soittimen mikropiiri tulkitsee levylle valmistusvaiheessa tallennettua binääristä lukujonoa, spiraalimaista miljardien ykkösten ja nollien virtaa.
Jotta binäärinen lukujono saadaan muunnettua musiikiksi, siihen tarvitaan useimmista mutta ei kaikista cd-soittimista löytyvää da- eli digitaali–analogi-muunninta (da-muunnin voi olla myös erillinen laite tai integroituna johonkin toiseen toistoketjun laitteeseen). Da-muunnos on lyhyesti kuvattuna prosessi, jossa digitaalinen abstraktio muunnetaan reaalimaailman analogiamuotoon. Kun muunnos on tapahtunut, da-muunnin lähettää analogisen signaalin eteenpäin enemmän tai vähemmän suoraan vahvistimen ja kaiuttimien toistettavaksi. Lopputulos on kuultavaa musiikkia.

Suurennos cd-levyn lukupinnasta. Miljardeista tasaisista kohdista ja kuopista koostuva spiraalimainen jono sisältää datan binäärisessä muodossa. Cd-soittimen lukukoneisto lähettää sen mikropiirin ja da-muuntimen tulkittavaksi.