Introdotto da più di vent'anni, il CD audio è ormai entrato nella nostra quotidianità come, precedentemente, l'audiocassetta e il disco in vinile.
Pochi però sanno spiegare qual'è il funzionamento della tecnologia che permette di immagazzinare dati in un piccolo disco argenteo, e di leggerli tramite un piccolo fascio laser, tramutandoli nell'audio ad alta fedeltà che giunge agli altoparlanti.
Tenteremo in questo tutorial di spiegare, nel modo più semplice possibile, come possa avvenire tutto ciò, riservando ulteriori approfondimenti ad eventuali tutorial futuri.
Un po' di storia
Innanzi tutto un cenno sulle origini.
Il compact disc è il risultato di una lunga ricerca nel campo dei supporti per l'audio digitale.
Sin dalla fine degli anni '60 era stato realizzato l'audio digitale PCM su supporto a nastro (veniva utilizzato il sistema VTR, nato per il video), ma per tutti gli anni '70 nessuno dei produttori coinvolti nella ricerca sull'audio digitale era riuscito a trovare un supporto adeguato al livello domestico, dal punto di vista dell'ingombro e dei costi.
Sony e Philips, tra la fine dei '70 e l'inizio degli '80, svilupparono, quasi contemporaneamente, un supposto su disco, con la differenza che Sony si era dedicata ad un supporto di circa 30 cm di diametro, poco pratico perchè avrebbe contenuto circa 15 ore di musica, e Philips ad un supporto molto più piccolo, di diametro simile a quello attuale.
In occasione di un incontro tra funzionari Philips e Sony, in Giappone, nacque la collaborazione che portò a fissare le attuali dimensioni e caratteristiche del CD.
Il Compact Disc audio venne lanciato sul mercato nell'ottobre del 1982.
Il Compact Disc portò ad una piccola rivoluzione nell'audio domestico, introducendo uno standard di qualità elevata, poco corruttibile nel tempo e di utilizzo estremamente semplice.
Nonostante molti nostalgici dell'audio Hi-Fi basato sul disco in vinile lamentassero inizialmente una "freddezza" dell'ascolto dal CD, ciò andava probabilmente imputato alla non eccessiva padronanza del mezzo digitale da parte dei primi realizzatori di incisioni su CD - in particolare molte rimasterizzazioni in digitale di vecchie registrazioni analogiche non furono realizzate con particolare perizia, rendendo necessarie nuove edizioni corrette - ma non certo alle caratteristiche intrinseche del sistema.
Senza nulla togliere al fascino esercitato sugli appassionati (e l'autore è tra questi) dal disco in vinile, la superiorità del mezzo digitale si vede in poche cifre:
- La risposta in frequenza del CD è di circa 20Hz-20kHz, contro il range 30Hz-15kHz di un riproduttore LP
- Il Range dinamico è di 90 dB per il CD, di circa 70 dB (a 1 KhZ, la frequenza che dà la prestazione migliore) per il vinile
- Il rapporto segnale/rumore (SNR) è superiore a 90 dB per il CD, inferiore a 60 dB per il vinile
- La durata del supporto è imparagonabile, la manutenzione del CD molto più semplice di quella di un vinile
- Il CD è dotato di vari sistemi di correzione degli errori che lo rendono immune dalle conseguenze di graffi, polvere e impronte, per lo meno entro limiti ragionevoli
I dati
Il sistema di immagazzinamento dei dati sul Compact Disc è piuttosto semplice nelle sue caratteristiche essenziali.
Il CD è un disco in policarbonato, ricoperto di un sottile strato di alluminio e da una pellicola protettiva, sulla quale viene poi applicata l'etichetta. I dati sono scritti sul disco in policarbonato.
Le informazioni digitali, come ormai quasi tutti sappiamo, sono rappresentabili nella forma binaria come successioni di due sole cifre: vengono in genere utilizzzati lo 0 e l'1 come cifre rappresentative, ma sappiamo che per l'immagazzinamento o la trasmissione di dati - ivi inclusi i dati relativi all'audio - si utilizzano vari tipi di informazioni variabili tra due valori: un circuito chiuso o aperto, una tensione più bassa o più alta, ecc.
Nel caso del CD vengono utilizzate le increspature del supporto, in modo che ad un'increspatura sia assegnato, ad esempio, un valore 1, e ad una pianura un valore 0 (in realtà è leggermente più complesso: all'inizio di un'increspatura, si ha un valore 1; si ha poi un 0 ogni tot. di spazio, finchè non cessa l'increspatura; qui si ha di nuovo un valore 1, e poi uno 0 ogni tot. di spazio in cui continua la pianura; e così via - il sistema è spiegato con precisione più avanti).
Vediamo meglio come questo avvenga.
Analogamente al disco in vinile, i dati sul CD vengono disposti a spirale, in modo che l'intera superficie possa essere percorsa di seguito, ma, al contrario del vinile, che inizia dal bordo esterno, il CD contiene dati a partire dal bordo interno.
Il foro centrale misura 15 mm, la traccia di partenza si trova a 15,5 mm dal foro centrale (sul cerchio di diametro di 46 mm), l'ultima traccia si conclude al massimo sul cerchio di diametro di 116 mm, mentre il diametro complessivo è di 120 mm.
Con queste caratteristiche il CD audio contiene fino a 74 minuti di musica (anche se, modificando leggermente gli standard CD, si può arrivare a tempi che superano gli 80 minuti), con un segnale quantizzato a 16 bit, stereo, alla frequenza di campionamento di 44100 Hz.
Le informazioni sono contenute in piccole depressioni (pits - alla lettera, pozzi) impresse sulla superficie metallica di uno strato riflettente. Se ogni pit venisse ingrandito alle dimensioni di un granello di riso, il diametro del CD misurerebbe quasi un chilometro. Gli spazi pianeggianti tra un pit e l'altro vengono detti lands (pianure).
Ogni bordo di un pit rappresenta un 1 binario; le aree pianeggianti tra un pit e l'altro o all'interno di un pit rappresentano uno 0 binario. I pits - come abbiamo visto - sono allineati in una spirale che parte dall'interno del disco e va all'esterno, coprendo 22.188 rivoluzioni sulla superficie del CD.
I pit sono larghi circa 0,5 µm, lunghi da 0,83 fino a 3,55 µm, profondi tra 0,1 e 0,2 µm. Lo spazio tra due tracce è di circa 1,6 µm.
La spirale è lunga circa 5 km.
La lettura
Il CD è un supporto ottico. Ciò significa che la lettura dei dati avviene tramite un fascio di luce. Infatti è un pick-up ottico che legge i dati: un piccolo raggio laser viene emesso dal dispositivo di lettura e guidato, attraverso un percorso ottico, sulla superficie del disco. La superficie, investita dalla luce, nel caso di una pianura ne riflette la gran parte nella direzione di provenienza, mentre nel caso di una protuberanza ne riflette gran parte in altre direzioni.
La luce riflessa è individuata dal pick-up e i dati sono trasformati, da modulazione luminosa, in modulazione elettrica.
La lettura in realtà avviene dal lato opposto al quale i dati sono stati impressi, è per questo motivo quindi che il dispositivo di lettura rileva in realtà non degli avvallamenti ma delle gobbe (bumps, cunette).
Il diametro del raggio laser emesso è di circa 1 mm, ma la lettura dei dati sfrutta l'indice di rifrazione del substrato in policarbonato; ciò aiuta a ridurre la dimensione del fascio laser sulla superficie dei dati a circa un millesimo della sua dimensione originale (1,7 µm), permettendo così alle impurità sulla superficie esterna di venire ridotte e sfocate, in modo che non provochino errori di lettura.
Un'altra parte delicata del procedimento di lettura consiste nel mantenere il disco nel fuoco del raggio laser e su un piano che permetta al raggio di seguire la traccia che sta leggendo senza spostamenti laterali. Il metodo comunemente usato è quello di utilizzare non uno ma tre raggi, producendone altri due per diffrazione da quello generato, di cui uno centrale che legge la traccia e due laterali che percorrono lo spazio tra le tracce, il quale, essendo pianeggiante, funge da guida al meccanismo di posizionamento.
La velocità
Per ultimo, dedichiamo uno sguardo alla velocità del compact disc in lettura.
La rotazione può avvenire secondo due sistemi in particolare: CLV - ossia Constant Linear velocity, velocità lineare costante, o CAV - ossia Constant Angular Velocity, velocità angolare costante.
Il sistema più vecchio, quello applicato sui lettori CD di prima generazione, era il CLV: questo garantiva una velocità di trasferimento dei dati di 150kB/sec, che è la velocità che poi è stata utilizzata come unità di riferimento, e quindi indicata nei lettori CD-ROM come 1x.
Per il sistema CLV, è necessario che la velocità di lettura sia linearmente costante, e quindi il disco deve rallentare quando il laser si trova nelle zone più esterne. In questo sistema i dati vengono inviati ad un buffer (memoria di transizione) dal quale vengono poi restituiti con una spaziatura nel tempo garantita da un oscillatore interno.
I lettori CAV furono introdotti negli anni '90 dalla Pioneer. Con questo sistema, la velocità di rotazione del disco è costante, per cui è la lettura che avviene con un tasso variabile.
Questo sistema non è di particolare miglioramento per la lettura dei CD Audio, ma è stato fondamentale nello sviluppo della lettura e scrittura dei dati nei CD-ROM, che possono ora raggiungere elevate velocità di trasferimento. Ad esempio, la velocità di 48x, oggi comunemente raggiunta dai lettori CD-ROM, corrisponde a circa 7,2 MB/sec.
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