LE LECTEUR DE DISQUES COMPACTS

Le disque compact est apparu en 1982 (Sony CDP-101). Cette découverte a eu énormément de succès auprès du grand public et a soulevé autant d'enthousiasme que l'invention en 1878 du phonographe par Thomas Edison.

1987 Premier appareil avec chargeur à carrousel

1990 Naissance du CD-R CD-Recordable

1993 CD à 100 disques

1995 CD-E CD-Erasable = Effaçable

1995 DVD Digital Versatile Disk = 592 minutes d’audio soit 7 fois plus qu’un CD.

Réglementation : 

La commission électrotechnique internationale (CEI) a publié en 1984 des prescriptions de construction des lasers afin d’assurer la sécurité des utilisateurs. Dans ce but les sources lasers sont répertoriées en 5 classes (classe 1, classe 2, classe 3A, classe 3B et classe 4).

Les lecteurs lasers sont en classe 1, leur puissance mesurée à 20 cm est inférieure à 50 mW. Il s’agit de sources lasers ne présentant pas de danger particulier, l’intensité lumineuse émise est trop faible pour entraîner des lésions, même minimes.

2.1 la conversion analogique numérique

Nous partons d'un signal analogique pour le traiter et le transformer en impulsions dont la configuration sera représentative du signal analogique. L'impulsion, c'est un signal tout ou rien, un signal qui existe ou n'existe pas.

L'analogique existe un peu, beaucoup, presque pas. Le bruit de fond, c'est un tout petit presque pas qui est interprété par l'oreille comme un signal indésirable.

En numérique, un bruit de fond, un presque rien sera interprété comme un 0, ce qui est normal. Nous avons donc éliminé le bruit de fond.

2.1.1 Échantillonnage

L'échantillonnage consiste à prendre des échantillons de l'amplitude du signal. Pour reproduire un signal de façon satisfaisante, il faut au moins disposer de deux échantillons par période. L'écart entre deux échantillons sera donc fixé par la plus haute fréquence à transmettre. En audio, la plus haute fréquence est de l'ordre de 20 KHz, cela nous entraîne à avoir une fréquence d'échantillonnage voisine de 40 KHz (44.1 KHz plus exactement).

2.1.2. Quantification

C'est l'opération qui consiste à transformer l'échantillon en un certain nombre de bits représentatifs de son amplitude.

Exemple: codage sur 8 bits

Réellement, la quantification se fait sur 16 bits.

Avec des disques microsillons analogues conventionnels, l'amplitude ou la profondeur des sillons est la représentation directe du signal audio. Les tourne-disques analogues reproduisent le signal audio en suivant le tracé des sillons dans le disque. Par contre, le lecteur de disques compacts reproduit le signal audio en extrayant l'information du disque par l'utilisation du laser optique sans qu'il y ait de contact physique entre le mécanisme de lecture et le disque lui-même. Par rapport à un microsillon 33 Tours, le disque compact a un diamètre de 12 cm et une épaisseur pouvant varier de 1.1 à 1.5 mm; donc on peut facilement le tenir dans la paume de la main. Le disque compact est également très léger, il pèse à peine 14 grammes (1/2 once). Un trou de 15 mm de diamètre en son milieu permet de le centrer.

Le CD est constitué d'un substrat en matière plastique transparente (polycarbonate) et d'une fine pellicule métallique réfléchissante (or 24 carat ou alliage d'argent). La couche réfléchissante est recouverte d'une laque anti-UV en acrylique créant un film protecteur pour les données. Enfin, une couche supplémentaire peut être ajoutée pour obtenir une face supérieure imprimée.

 La piste physique est en fait constituée d'alvéoles d'une profondeur de 0,125 µm, d'une largeur de 0.67 µm et de longueur variable. Les pistes physiques sont écartées entre elles d'une distance d'environ 1.6 µm. On nomme creux (en anglais pit) le fond de l'alvéole et on nomme plat (en anglais land) les espaces entre les alvéoles.

L’information sur un disque CD est encodée en une spirale allant du centre vers l’extérieur du disque.

Le laser utilisé pour lire les CD a une longueur d'onde de 780 nm (nano mètre) dans l'air. L’indice de réfraction du polycarbonate étant égal à 1.55, la longueur d'onde du laser dans le polycarbonate vaut 780 / 1.55 = 503 nm = 0.5 µm. La profondeur de l'alvéole correspond donc à un quart de la longueur d'onde du faisceau laser.

Le faisceau laser lit l’information sur le disque du côté opposé à l’étiquette à partir du centre vers le rebord extérieur. Quand le rayon laser balaie la surface du disque, il examine la transition entre les deux sections pour déterminer les valeurs codées sur le disque. Lorsque le rayon laser frappe la partie réfléchissante (Land), toute la lumière du laser est réfléchie au photocapteur qui génère un courant. Lorsque le faisceau arrive à une transition avec une alvéole, la moitié de la lumière frappe le « Land », l’autre moitié frappe la partie profonde de la microcuvette « pit ».

L’onde se réfléchissant dans le creux parcourt une moitié de longueur d'onde de plus (un quart à l'aller plus un quart au retour) que celle se réfléchissant sur le plat. Les faisceaux réfléchis par le « Land » et Le « Pit » s’éliminent. Tout se passe alors comme si aucune lumière n'était réfléchie, le photocapteur ne produit aucun courant.

 C’est donc la transition entre un « pit » et un « land » et réciproquement qui déclenche la transition du 0 au 1.

 C'est la longueur de l'alvéole qui permet de définir l'information. La taille d'un bit sur le CD, notée “T”, est normalisée et correspond à la distance parcourue par le faisceau lumineux en 231.4 nano secondes, soit 0.278 µm à la vitesse standard minimale de 1.2 m/s.

Les informations du disque forment une spirale d’environ 5.4 kilomètres de longueur. Cela semble difficile à imaginer, mais il faut penser que lorsqu'on se plonge dans le monde microscopique des « pits » sur le disque compact, on parle en terme de microns c'est-à-dire par millième de millimètre (1/1000 mm). Les pistes successives qui forment la spirale sont approximativement espacées de seulement 1.6 micron les unes des autres. Cet espacement entre les pistes est tellement petit qu'un cheveu humain qui reposerait en parallèle avec celles-ci, couvrirait 60 pistes adjacentes. Le disque compact est composé de milliers de pistes continues qui forment la spirale.

Vélocité linéaire de la lecture des pistes : 1.3 m/s

Vitesse de rotation 200 à 500 T/mn (200 à l'extérieur, 500 à l'intérieur)

Périmètre extérieur du disque       

P = 2 π r = 2 x π x 0.058 = 0.36442 m

Tours/s = 1.3/0.36442

Tours/mn = (1.3/0.36442) x 60 = 214 T/mn

Périmètre intérieur du disque        

P = 2 π r = 2 x π x 0.025 = 0.157079 m

Tours/s = 1.3/0.157079

Tours/mn = (1.3/0.157079) x 60 = 500 T/mn

L'emmagasinage du son en format numérique nécessite une quantité immense de données. Par exemple, une seconde de son du disque compact utilise plus d'un million de bits de données. C'est pour cela qu'il est nécessaire d'avoir un moyen d'emmagasinage numérique extrêmement dense pour accommoder toutes quantités audio significatives. C'est grâce au rayon laser qu'on peut lire un format numérique d'une haute densité, car celui-ci peut focaliser un point de lumière extrêmement petit, d'un micromètre de diamètre.

 Un disque compact a la capacité d'emmagasiner des données d'une seconde d'audio sur une surface plus petite que celle d'une tête d'épingle. On peut comprendre que même en nécessitant 15 milliards de bits pour 74 minutes de son stéréo, il n'y a aucun problème au niveau de l'emmagasinage sur le disque compact.

 2.3.1 Le processus d'enregistrement comprend 4 étapes :

         Filtre passe-bas ;

         Échantillonneur bloqueur ;

         Convertisseur analogique numérique ;

         Modulation.

      Le bloc multiplex combine les sorties des deux convertisseurs analogique/numérique. L’unique signal de sortie comprend l’information du canal de gauche et du canal de droite à une fréquence de 1.4112 Mbits/sec. 

Ce signal est traité par des circuits numériques qui y ajoutent l’information nécessaire pour l’enregistrement et la correction des erreurs, pour produire un signal à une fréquence de données de 4.3218 Mbits/sec.. C’est sous cette forme finale qu’est mémorisée l’information sur le disque. 4.3218 MHz est donc la vitesse du procédé de gravure du CD.

      La modulation utilisée est la modulation EFM (eight to fourteen modulation) qui consiste à convertir chaque groupe de 8 bits du code numérique en un groupe de 14 bits. Entre chaque mot de 14 bits, on intercale des bits de jonction permettant de les espacer. Ces bits sont ignorés lors de la lecture. Le signal ainsi obtenu est enregistré en NRZI (non retour à zéro inversé).

Un « 1 » marque qu'il y a un changement de transition sur le disque CD et il ne peut y avoir deux « 1 » qui se suivent.

         Un « 0 » montre qu'il n y a pas de transition dans le signal numérique. Il faut un minimum de deux 0 entre deux 1 consécutifs et un maximum de 10 zéros. La longueur des microcuvettes varie de 0.9 à 3.3 mm.

2.3.2 Le processus de lecture comprend également 4 étapes :

         Démodulation ;

         Convertisseur numérique analogique ;

         Échantillonneur bloqueur ;

         Filtre passe bas.

 La démodulation permet de convertir les groupes de 14 bits en groupe de 8 bits, puis de les placer en mémoire. Donc le son qu’on entend dans les enceintes acoustiques n’est pas en temps réel puisqu’il est mis en mémoire avant d’être traité par le convertisseur numérique analogique.

 La capacité de cette mémoire est d’environ 4 mégaoctets pour un lecteur de CD de maison et de 8 à 16 mégaoctets pour les lecteurs portatifs ou de voiture à cause des chocs et des vibrations plus intenses qu’ils subissent.

La conversion numérique à analogique consiste à convertir chaque code de 16 bits en un signal de tension analogique. Un lecteur de CD possède l’une des technologies suivantes : 

         Un seul convertisseur N/A de 16 bits. Il y a conversion alternativement du canal gauche, puis du canal droit. Un délai est inséré entre le signal numérique gauche et le signal numérique droit pour pouvoir reproduire séparément le signal analogique gauche et le signal analogique droit. 

         Deux convertisseurs N/A de 16 bits. Chaque canal est traité individuellement par son convertisseur pour reproduire le signal analogique de chacun des deux canaux.

         Un convertisseur N/A de 1 bit (bitstream). Les 16 bits de données sont transformés en un flot de données à haute vitesse (avec un suréchantillonnage « oversampling » de 192 fois plus élevé soit à une fréquence de 8.47 Mhz). Ce flot de données est alors converti en signal analogique par un convertisseur 1 bit. En convertissant bit par bit, on élimine la distorsion et le bruit de quantification pour produire un signal analogique de qualité supérieure. 

Le circuit de l’échantillonneur/bloqueur permet d’assembler toutes ces tensions pour former un signal analogique. Il est activé à la fréquence d’échantillonnage.

Le filtre passe bas (LPF) enlève toutes les fréquences indésirables, comme le bruit de quantification venant du convertisseur numérique à analogique. Il permet d’adoucir le signal du convertisseur N/A en un signal analogique très lisse.