LA TECHNIQUE DU LECTEUR CD


La prise de son et le codage numérique



Qu’est-ce que le son ?

Un son est une vibration de l’air à une fréquence audible. Cette vibration se propage dans l’air à une vitesse de 340 m/s. Un son peut être pur ou complexe. Ici, c’est le son complexe qui nous intéresse. En effet, la musique que nous écoutons comporte à chaque instant un ensemble de sons provenant des différents instruments et voix. Chaque instant (échantillon) de votre chanson préférée, aussi bref soit-il, comporte un mélange de "sons". Chaque son de cet "échantillon" (piano, par exemple) possède ses propres caractéristiques qui font qu’on l’identifie aisément. Ces caractéristiques sont :

  • sa hauteur (DO, RE MI, ...SI)
  • son timbre (les harmoniques permettent de reconnaître les divers instruments)
  • son intensité (dans l’échantillon choisi, l’orgue joue plus "fort" que le pipeau)
Signal audio
Signal audio

Analyse temporelle du signal sur une des deux sorties audio (RCA) d’un lecteur CD

De la même manière, la voix résulte d’une vibration des cordes vocales, qui entraîne une vibration de l’air, à une fréquence audible, telle que 440 Hz pour la note « LA » chantée.

Cette fréquence correspond au "nombre de vibrations dans une unité de temps".
Ce nombre de vibrations de l’air pendant une durée donnée, dépend donc de la fréquence émise par les cordes vocales (son aigu ou grave...), dans l’exemple de la voix.
La vitesse de propagation de cette fréquence que l’on va maintenant appeler "une onde" dépend du milieu dans lequel elle est émise. Par exemple, l’air, milieu gazeux, oppose beaucoup moins de résistance que l’eau (milieu liquide CQFD), au déplacement d’une onde.

Signaux périodiques
Signaux périodiques

Cinq signaux périodiques de fréquences différentes. L’onde rouge présente la fréquence la plus basse, et l’onde violette la plus élevée. Les cinq signaux sont de même amplitude.

vagues circulaires

vagues circulaires

L’analogie avec le milieu aquatique est intéressante pour comprendre ce phénomène vibratoire qu’est une onde, puisque la résistance forte qu’oppose l’eau aux vibrations permet d’observer une sorte de "ralenti" visible de ce qui se passe dans l’air de manière invisible.
En effet, le fait de faire chuter un corps dans l’eau provoque une série de vagues circulaires ayant pour centre (pour origine) le point d’impact du corps sur la surface de l’eau.
Plus ce corps est lourd, plus l’amplitude des vagues sera importante, et plus elles seront espacées. Un petit caillou provoque sur la surface de l’eau une multitude de cercles concentriques rapprochés, tandis qu’un météorite provoquerait une suite de vagues volumineuses et espacées (telles les vagues consécutives espacées de 10 minutes d’un raz-de-marée).
La fréquence des vagues est donc variable, d’où le terme fréquence qui symbolise le nombre de phénomènes identiques par unité de temps. Il en est de même pour le son.

Comment le son se transforme en signal électrique dans la chaîne hi-fi ?

Maintenant que l’on sait un peu mieux ce qu’est un son, il reste à comprendre comment on peut le "figer" - ou le "capter" - et le stocker.
Il s’agit de convertir les ondes acoustiques en provenance du milieu aérien en impulsions électriques. C’est le rôle du microphone qui fonctionne suivant la loi de LENZ. Le signal électrique variable obtenu à la sortie du microphone a les mêmes caractéristiques que le signal acoustique variable provoqué par l’émission vocale, par exemple. Ce signal électrique va pouvoir maintenant être traité (amplifié).

Imaginons que ce signal vocal soit la note "LA" :

Note La

La fréquence pure de cette note est 440 Hz, soit 440 vibrations par seconde, ou encore 440 vagues par seconde pour reprendre l’analogie avec le milieu aquatique. En électronique ou en acoustique, on parle de périodes par seconde.

Période

Note : une période temporelle correspond au temps nécessaire pour qu’un phénomène se reproduise identique à lui-même. La période est exprimée en secondes, ou fractions de seconde. La fréquence temporelle correspond au nombre de périodes par unité de temps donnée. La fréquence est exprimée en Hertz.


Voici le signal électrique obtenu après le micro :

Signal en sortie du micro
Signal en sortie du micro

Chaque instant "t" de ce signal a une valeur électrique que l’on peut mesurer et quantifier. Cependant, pour l’exploiter plus facilement on l’amplifie. L’image suivante montre le signal amplifié :

Signal amplifié
Signal amplifié

À cette étape on peut mesurer ce signal "analogique" qualifié ainsi car il n’a subi aucune modification et comporte toutes les valeurs du signal initial émis. Ce signal analogique offre l’avantage de comporter une infinité de valeurs uniques à chaque instant.
Sa numérisation va consister dans un premier temps à le mesurer à intervalles réguliers puisqu’on ne peut mesurer l’infinité de valeurs électriques qu’il comporte.
Dans un deuxième temps, il s’agira de coder ces valeurs discrètes relevées, de telle manière qu’elles puissent être inscrites sur le Compact Disc.
Cette numérisation porte un nom bien défini : le PCM.

Le PCM désigne la technique d’échantillonnage numérique d’un signal analogique où l’amplitude du signal est échantillonnée régulièrement à intervalles uniformes.

Le standard du CD, tel que défini dans le RED BOOK, impose un prélèvement de valeur de ce signal analogique original tous les 44 100ème de seconde (soit 44 100 fois par seconde). Autrement dit, on va mesurer la valeur du signal émis (qui est rappelons-le une suite de valeurs électriques), 44 100 fois par seconde ce qui correspond à une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz (on relève 44 100 échantillons par seconde).

L’échantillonnage doit se faire à une fréquence deux fois supérieure à la fréquence la plus élevée du signal audio à analyser.

La gamme de fréquences audibles (perçues) chez le sujet jeune s’étale de 20 à 20 000 Hz, 20 Hz correspondant au son le plus grave, et 20 000 Hz au plus aigu.

Fréquences audibles
Fréquences audibles

20 Hz

Fréquences audibles

20 000 Hz

Si on cherche à échantillonner un signal de fréquence 20 000 Hz (la plus élevée que l’oreille puisse détecter, potentiellement présente dans tout enregistrement), la fréquence d’échantillonnage doit être au minimum de 40 000 Hz. Dans ce cas, le double de la fréquence analysée permet d’obtenir LE MINIMUM d’échantillons. Avec une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz, il est donc possible de numériser une fréquence audio "pure" de 22,05 kHz.

Échantillonnage
échantillonnage

La note "LA" (fréquence pure de 440 Hz), avec diminution de la base de temps (ZOOM)

échantillonnage à 44,1 kHz

Représentation de la fréquence d’échantillonnage à 44,1 kHz

Les deux fréquences superposées

Les deux fréquences superposées : la courbe 2 représente la fréquence d’échantillonnage qui va analyser la valeur de notre signal (courbe 1), à chaque pulsation, soit 44 100 fois par seconde

Chaque échantillon obtenu (mesuré) a une valeur spécifique, et tous ces échantillons mis bout à bout et dans le bon ordre doivent permettre de retrouver le signal original lors de la lecture du disque après l’étape de conversion numérique vers analogique (approximativement, nous le verrons par la suite).
Dans l’exemple ci dessous, les valeurs mesurées A, B, C, D, E, F, G sont celles que l’on va devoir inscrire sur le disque. On sait que cette inscription va se faire sous forme BINAIRE. C’est à dire par une alternance de "0" et de "1".
Au niveau de la gravure, il ne s’agit pas de chiffres "0" et de "chiffres "1", mais de bosses et de plats.

Valeurs d’échantillons
Valeurs d'échantillon
  • Échantillon A0 volt
  • Échantillon B1 volt
  • Échantillon C4 volts
  • Échantillon D6 volts
  • Échantillon E4 volts
  • Échantillon F1 volt
  • Échantillon G0 volt

Explications : le lecteur de Compact Disc procède à une lecture optique par laser. L’unique rôle (mais essentiel) du faisceau laser est de lire une suite de niveaux hauts et de niveaux bas sur la surface du disque, et de renvoyer ces informations vers les étages électroniques de traitement des données du lecteur CD.
Ces deux états – niveau haut et niveau bas – sont physiquement représentés sur le disque par une alternance de bosses et de plats. Selon que le laser rencontre une bosse ou un plat, il renvoie (par l’effet miroir du disque) une quantité de lumière différente aux circuits électroniques chargés de traiter cette information, sous forme binaire, 0 ou 5 volts.

traduction d’une valeur décimale en valeur binaire

Après avoir échantillonné le signal de départ, on le quantifie. Cela signifie que l’on traduit chaque valeur électrique obtenue en un nombre binaire. Grâce à la base binaire (ou base 2), chaque valeur décimale électrique va s’écrire sous la forme d’une suite de "0" et de "1".

Traduction d’une valeur décimale en valeur binaire
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
128 64 32 16 8 4 2 unité
0 1 0 0 1 1 1 0
La ligne inférieure de ce tableau est l’octet résultant pour une valeur décimale électrique de 78, soit 01001110.
On vérifie que 64 + 8 + 4 + 2 = 78

Chaque nombre décimal possède son équivalent binaire unique. L’unité de base est appelée le "bit". Ce "bit" peut prendre 2 valeurs "1" ou "0". Le nombre de bits affecté au codage binaire de chaque nombre décimal définit la quantification.
Pour le CD, la quantification est effectuée sur 16 bits. On parle alors de "mots de 16 bits", constitués en fait de deux "mots de 8 bits".

Note : cette scission du mot de 16 bits en deux mots de 8 bits, est nécessaire au processus de modulation EFM (Eight to Fourteen Modulation) :
Par exemple, un échantillon codé sur 16 bits donne ce mot : 0111101001111100. En séparant les 8 premiers bits des 8 suivants, on obtient les deux mots de 8 bits suivants : 01111010 & 01111100 Chacun de ces deux mots de 8 bits sera converti en un mot de 14 bits qui servira de base pour la gravure du disque.
Ce processus sera vu plus en détail un peu plus loin.

codes binaires unipolaires et bipolaires

En binaire comme en décimal, les valeurs négatives et positives (les polarités) doivent pouvoir être exprimées :

  • Par l’ajout du signe « - » ou « + » à une valeur quelconque en décimal (ie : +4, -4)
  • Par codage bipolaire pour les valeurs binaires :

Jusqu’à présent, nous avons vu le codage binaire unipolaire, ne prenant en compte que les valeurs positives.

Codage unipolaire
Codage unipolaire

Dans cet exemple, chaque valeur analogique relevée est codée sur 4 bits, en codage unipolaire. Les 16 valeurs possibles sur 4 bits vont de 0000 à 1111 (de 0 à 15).
En réalité, chaque échantillon prélevé sur le signal analogique prend une valeur soit négative soit positive.

Codage bipolaire (prise en compte des valeurs négatives)
Codage unipolaire

Dans cet exemple, chaque valeur analogique relevée est également codée sur 4 bits, mais en codage bipolaire en « complément à 2 ». Il y a autant de valeurs possibles qu’avec le codage unipolaire (16 valeurs), mais le codage est différent (8 valeurs positives, de 0V à 7V, 8 valeurs négatives, de -1V à -8V). Le premier bit (le plus à gauche) indique le « signe », avec un « 0 » pour le signe positif « + », et un « 1 » pour le signe négatif « - ». Pour changer le signe du nombre binaire positif 0100 (+4) par la méthode du complément à 2, il suffit de remplacer les « 1 » par des « 0 », et ensuite d’ajouter 0001 (+1) :
0100 => 1011
1011 + 0001 = 1100.
Donc, (-4) s’écrit 1100 en binaire en complément à 2.
On vérifie que -4 + 4 = 0 :
0100 + 1100 = (1)0000

Pour « signer » une valeur binaire, le MSB prend soit la valeur « 1 », soit la valeur « 0 » selon le type de codage bipolaire utilisé, puisque le codage binaire (donc sur deux valeurs uniques « 0 » et « 1 ») interdit tout autre symbole.

Pour le format Compact Disc, le « complément à 2 » est le codage bipolaire utilisé. Il existe plusieurs modes de codage bipolaire ; le tableau ci-dessous en présente quelques-uns :

Nombre Binaire signé Complément à 2 Binaire avec offset Complément à 1
+7 0111 0111 1111 0111
+6 0110 0110 1110 0110
+5 0101 0101 1101 0101
+4 0100 0100 1100 0100
+3 0011 0011 1011 0011
+2 0010 0010 1010 0010
+1 0001 0001 1001 0001
0 0000 / 1000 0000 / 0000 1000 / 1000 0000 / 1111
-1 1001 1111 0111 1110
-2 1010 1110 0110 1101
-3 1011 1101 0101 1100
-4 1100 1100 0100 1011
-5 1101 1011 0011 1010
-6 1110 1010 0010 1001
-7 1111 1001 0001 1000
-8 1000 0000
Remarques 2 valeurs pour 0 -a = a\ + 1 1000 = 8 =>offset 2 valeurs pour 0

Pour la suite de cet article, nous ferons abstraction de ces valeurs négatives : pour un codage binaire sur 4 bits, nous considérerons que la plus petite valeur binaire 0000 correspond à la plus petite valeur décimale « 0 ». Cette simplification permettra une approche plus didactique, en adéquation avec le but recherché.

Chaque échantillon prélevé prend une valeur parmi 65 536 possibilités (216). À noter que c’est essentiellement du nombre de bits utilisé pour la quantification que dépend la dynamique obtenue.
Le signal de base ainsi numérisé n’apparaît plus comme une grandeur physique variant de façon continue, mais comme une suite de valeurs discrètes, ou nombres discrets.

Précisons que le "flux numérique" inscrit sur le disque est un peu plus complexe que cette description sommaire. En effet, celui-ci subit une modulation spécifique (modulation EFM évoquée plus haut), et contient nombre d’informations supplémentaires, telles que des bits de parité pour la correction d’erreurs, des bits pour les informations d’affichage (compteurs, durées..), et des motifs de synchronisation. Nous verrons ceci plus en détail un peu plus loin.
Le signal ainsi numérisé peut prendre place sur le disque sous forme d’une gravure submicronique.

Voyons un peu plus en détail les différents circuits électroniques et éléments mécaniques contenus par le lecteur.

Le fonctionnement général du lecteur CD



Synoptique d’un lecteur CD
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Schématiquement, la lecture optique par laser adaptée au format « disque compact audio numérique » (Compact Disc Digital Audio, CDDA) consiste à lire des données codées en PCM au moyen d’un faisceau Laser. Ces données sont ensuite restituées sous forme de valeurs électriques analogiques après traitement par les différents circuits du lecteur. Mises bout à bout, ces valeurs analogiques doivent correspondre au message musical enregistré lors de la prise de son, par un ou plusieurs microphones.

Le fonctionnement du lecteur CD - ou plus précisément la lecture optique par Laser - peut être comparé au mécanisme très complexe de la perception visuelle décrit sommairement dans l’exemple pratique suivant :

Pour lire cette page sans fatigue, vous vous êtes automatiquement positionnés à une distance idéale de votre écran, afin de percevoir les caractères de manière nette sans avoir à forcer le regard ni plisser les yeux. Cette perception visuelle « adaptée » est possible grâce à un système optique élaboré (composé de la cornée, du cristallin et du diaphragme irien), le rôle du cristallin pouvant être assimilé à celui de la lentille de focalisation du bloc optique qui permet la lecture du disque. Ensuite, votre système nerveux (rétine, voies visuelles et cerveau) transmet fidèlement l’image perçue des caractères de ce texte depuis vos yeux jusqu’à votre cerveau.
La rétine, structure lamellaire d’un quart de millimètre d’épaisseur, est constituée de 3 couches de neurones ; la couche la plus externe comporte des photorécepteurs contenant un pigment photosensible, qui réagit à la lumière par une modification chimique transformant l’énergie lumineuse en énergie électrique, à la manière de la cellule photosensible située à la sortie du bloc optique, agissant tel un transducteur lumière / courant.

Afin de parvenir à suivre le sens de ce texte, votre regard doit le parcourir en suivant cette ligne à vitesse à peu près constante, sans dévier vers les lignes supérieures et inférieures, puis effectuer un rapide passage à la ligne tout en restant focalisé sur les caractères. Ce « suivi de ligne » permet au texte de garder toute sa cohérence. En outre, l’interprétation que vous en faites révèle que vous avez la capacité de lire des caractères, de les assembler en mots puis en phrases de manière automatique grâce à vos divers acquis linguistiques, grammaticaux, etc, sans nécessité d’effectuer une pause toutes les trois lignes afin de réordonner les informations reçues. Cette lecture et ce « décodage » à vitesse réelle s’apparentent au suivi de piste (piste formée par les données inscrites sur le disque) assuré par le faisceau laser, qui grâce à un parfait asservissement parvient à lire les données numériques contenues par le CD, et à les envoyer vers les différents étages électroniques du lecteur pour leur décodage. Ces opérations évoluent selon une séquence définie, la vitesse de lecture restant constante et sans aucune interruption.

« Focalisation », « récepteur photosensible », « énergie lumineuse transformée en énergie électrique », etc, sont des termes récurrents dans l’analyse du fonctionnement du lecteur CD. Nous retiendrons que le système de lecture optique par laser opère à une échelle submicronique en assurant la lecture de plus de 40 000 mots binaires (composés de 1 et de 0) par seconde. Ce procédé met à notre disposition un système de stockage et de lecture de données d’un rapport efficacité et compacité / contenance qui prolonge nos limites naturelles, aussi performant que soit notre système visuel et oculaire.

Nous l’avons vu, le rôle du lecteur de CD est de lire le disque à une vitesse correcte, afin de convertir les données numériques inscrites sur sa surface en données analogiques correspondant à l’enregistrement d’origine.

Cette lecture des données numériques est effectuée à l’aide d’un faisceau laser dont l’unique rôle est de « relever » une à une les alternances de niveau entre les bosses et les plats.

Pour ce faire, le faisceau doit être parfaitement focalisé sur la piste matérialisée par ces bosses et ces plats, opération rendue difficile par le fait qu’il n’y a pas de sillon gravé sur le CD contrairement au disque vinyle. L’astuce consiste à surveiller la forme et la qualité du signal restitué par le laser pour détecter tout défaut de focalisation ou de suivi de piste. La focalisation est corrigée en bougeant la lentille externe du bloc optique de bas en haut, alors que le suivi de piste est corrigé par l’action conjointe du déplacement latéral de cette même lentille et du déplacement du bloc optique entier suivant le rayon du disque.

Plusieurs circuits électroniques « asservis » sont nécessaires, pour mener à bien ces opérations de correction, ainsi que le contrôle de la vitesse de rotation du disque. À la mise en lecture, ces circuits sont activés selon une séquence bien définie, dont les étapes sont commandées par le microprocesseur de gestion du lecteur.

La mise en œuvre de ces systèmes asservis (servo systems) permet une focalisation parfaite du faisceau laser sur la piste en même temps qu’un parfait suivi de piste alors que le moteur disque (le moteur assurant la rotation du CD) tourne à une vitesse adaptée. Plusieurs moteurs sont utilisés pour assurer l’ensemble des mouvements mécaniques « faire tourner le disque », « déplacer le bloc optique », éventuellement « descendre le palet presseur » (aimant ou pièce métallique venant serrer le disque sur le plateau du moteur disque pour une rotation sans patinage), et « ouvrir / fermer le tiroir (ou la trappe) » permettant l’insertion du disque dans le lecteur. À ceux-ci s’ajoute une paire de bobines reliées à la lentille externe du bloc optique afin d’assurer une focalisation optimum du faisceau laser (rappel : le diamètre du spot laser sur la piste du disque doit mesurer environ de 1,7 µm, soit moins de 2 millièmes de millimètre).

La plupart des lecteurs CD (tous les lecteurs récents) embarquent 4 systèmes asservis. Il s’agit de l’asservissement de focalisation, l’asservissement de tracking fin, l’asservissement de chariot (bloc optique), et l’asservissement de moteur disque. Les lecteurs plus anciens de conception Philips (avec déplacement du bloc optique en arc de cercle) ne comportent que 3 systèmes asservis : asservissement de focalisation, asservissement radial et asservissement de moteur disque.

  • Précisons ce qu’est un système asservi

Il s’agit d’un système surveillé par un circuit dont le rôle est d’en stabiliser et d’en améliorer la performance par rapport au comportement désiré. Il compare l’état réel du système avec celui qui est souhaité et effectue une correction en fonction de l’écart constaté (contre-réaction). Pour prendre un exemple concret, lorsque vous conduisez votre véhicule, une perte de trajectoire suite à un moment d’inattention doit être très rapidement corrigée par une action sur votre volant et vos pédales permettant un retour à une situation conforme, la conformité étant définie par les divers marquages au sol et éléments de signalisation routière.
Cette correction de trajectoire consécutive à une erreur de conduite (choc sur le lecteur), un défaut mécanique (courroie usée) ou un défaut de revêtement (disque rayé) nécessite la mise en œuvre de circuits électroniques passablement complexes en ce qui concerne le lecteur CD et plus généralement la lecture optique par laser. La référence est le quartz.
Si le faisceau lumineux vient à s’écarter de la piste pendant la lecture ou si la focalisation du faisceau est incorrecte, le rayon réfléchi par la surface du disque envoie une quantité de lumière différente sur la cellule photosensible. Cette variation génère instantanément un signal de correction destiné à alimenter le dispositif d’asservissement adéquat ; l’action combinée de ces servo-systems assure le maintient de la mise au point quel que soit le voilement ou l’excentricité du disque (dans une certaine limite).

Note : La lumière réfléchie par le disque est moins importante lorsque le faisceau laser rencontre une bosse. Inversement, la lumière est maximum sur les plats. C’est cette variation de lumière qui permet l’alternance niveau haut (« 1 ») / niveau bas (« 0 »).

Après passage dans un ampli RF (ou ampli HF), le signal en provenance de la cellule photosensible délivre les signaux analogiques d’erreur de focalisation et de suivi de piste indispensables aux corrections décrites ci-dessus, des données numériques pour l’affichage et divers contrôles (sous-codes) et bien sûr des données numériques correspondant au contenu musical. Ces différentes informations sont ensuite dirigées vers les circuits chargés de leur traitement respectif, tels que les circuits d’asservissement mécanique, ou de décodage des données audio. Au final, une conversion numérique vers analogique permet de restituer le signal audio analogique d’origine.

Tous les lecteurs CD opèrent d’une manière spécifique suivant une séquence contrôlée par le microprocesseur de gestion, la plupart des opérations électroniques étant réalisées à l’intérieur de circuits à haute intégration qui malgré leur complexité sont généralement extrêmement fiables. La majeure partie du traitement des données numériques est effectuée par un circuit intégré principal (LSI Large-Scale Integration tel que le CXD1130Q ou le CXD2515 par exemple) pour les lecteurs produits depuis la fin des années 1980, alors que 3 ou 4 étaient nécessaires dans les premières machines, pour effectuer le même nombre d’opérations. Ces quelques circuits intégrés, qui ont équipé plus d’une centaine de modèles parmi les premiers lecteurs (1982 à 1984), sont regroupés sous 4 « chipset » principaux, le chipset Philips et le chipset Sony (inventeurs du Compact Disc, rappelons-le), et les chipset d’origine Hitachi ou Technics (moins fréquents).

  • Le chipset "Sony"
LSI CX-7933 CX-7934 CX-7935
Fonction Démodulation EFM
Démodulation du signal de sub-code
Détection du signal de synchronisation de trame et prévention de "Drop out"
Génération du signal de contrôle de RAM, lit et écrit dans la RAM
Circuit d’interpolation
Interface du convertisseur N/A
Génération du signal de référence de vitesse linéaire
Détection et correction d’erreurs
Nombre de composants 4849 transistors 9725 transistors 13080 transistors
Horloge de fonctionnement 4,32 MHz 2,16 MHz (8,64 MHz / 4) 2,16 MHz
Tension d’alimentation 5V 5V 5V
Consommation 350 mW 550 mW 720 mW
Niveau d’entrée / sortie Compatible TTL Compatible TTL Compatible TTL
Boitier Plastique moulé 28 broches DIP Plastique moulé 70 broches FP Plastique moulé 28 broches DIP
Technologie MOS E/D au Silicium à canal N MOS E/D au Silicium à canal N MOS E/D au Silicium à canal N

Ces trois circuits intégrés équipent une grande partie des plus anciens lecteurs CD présentés sur ce site...

  • Le chipset "Philips"
LSI SAA7010 SAA7020 SAA7000
Fonction Démodulation EFM, extraction des sous-codes et PLL Détection & correction d’erreurs et absorption de jitter Horloge, muting, et désentrelacement

... et ce chipset majoritairement l’autre partie des plus anciens lecteurs CD présentés sur ce site.

  • Le chipset "Hitachi"
LSI MB15529 HD61901H HD61902H
Fonction Détection du signal de synchronisation de trame et extraction des sous-codes Démodulation EFM et détection & correction d’erreurs Horloge, génération du signal de contrôle de RAM, interface du convertisseur N/A

Un autre chipset de première génération, moins fréquent (lecteur CD Hitachi DA-1000 & DA-800)

  • Le chipset "Technics"
LSI MN6611 MN6612 MN6613
Fonction Démodulation EFM, extraction des sous-codes et de-scrambling C1 Horloges Correction d’erreurs, désentrelacement et interpolation
Nombre de composants 13000 transistors 17000 transistors 20000 transistors
Horloge de fonctionnement 6 MHz 8,64 MHz 2,16 MHz
Tension d’alimentation 5V 5V 5V
Niveau d’entrée / sortie Compatible TTL Compatible TTL Compatible TTL
Technologie N-MOS
Boitier QIL 64pin

Le premier chipset Technics (Lecteur CD Technics SL-P10)

Le disque et la lecture optique



Le CD (le disque) est un support compact de haute précision d’une capacité de stockage élevée. L’étiquette d’identification du contenu (auteur…) est positionnée sur une face du disque, et les données numériques sont gravées sur la face opposée sous forme d’une spirale trouvant son origine au centre du disque. Cette gravure est composée par une alternance de 0 et de 1, matérialisés par des « bosses » et des « plats » (parties non gravées).

Le CD
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Aspect du signal gravé sur le disque

La surface du disque étant métallisée, le faisceau laser incident est réfléchi en permanence. Néanmoins, la quantité de lumière réfléchie varie selon que le faisceau laser rencontre une bosse ou une surface plate. C’est cette variation de lumière qui est exploitée (par une cible photosensible, nous le verrons plus loin) pour restituer l’alternance de « 0 » et de « 1 » correspondant au signal original numérisé. Lorsque le faisceau laser rencontre une bosse, la lumière réfléchie est minimale. À l’opposé, une surface plate (entre deux bosses) permet un retour maximal de lumière, soit environ 90 % de l’intensité émise.

Réflectivité du disque

La quantité de lumière réfléchie est minimum sur une bosse

La hauteur de 0,12 µm des bosses joue un rôle essentiel dans la création de cette variation d’intensité lumineuse entre le faisceau incident et le faisceau réfléchi. En effet, cette hauteur correspond à environ ¼ de la longueur d’onde (500 nm) du rayon laser lors de son passage à travers la couche de protection (polycarbonate) de la surface du disque côté lecture.
Ainsi, une partie du faisceau incident parcourt une distance supplémentaire d’ ¼ de la longueur d’onde (0,12 µm) lors du passage sur une surface plate par rapport à l’autre partie du faisceau positionnée sur une bosse. De la même manière, la partie du faisceau réfléchie en provenance de la surface plate parcourt à nouveau ¼ de longueur d’onde en plus par rapport à la partie réfléchie en provenance de la bosse. Au total, un déphasage de 180° (1/2 longueur d’onde) entre la partie du faisceau réfléchie par la bosse et la partie du faisceau réfléchie par la partie plate provoque une interférence destructive et une intensité lumineuse minimum (25 % de lumière restituée lors du passage du spot laser sur une bosse de longueur maximum).

Déphasage laser

Un déphasage de 180° entre la partie du faisceau réfléchie par la bosse et la partie du faisceau réfléchie par la partie plate provoque une interférence destructive et une intensité lumineuse minimum

Chaque seconde de musique nécessite environ 1,5 millions de bits représentés par les micro bosses (les « bumps », souvent appelés « pits » pour « puits », les bosses étant généralement considérées à tort comme des trous) d’une hauteur de 0,12 µm, (hauteur dont nous venons de voir le rôle) et d’une longueur comprise entre 0,9 µm et 3,3 µm.
Ces bosses (et plats) forment une piste en spirale de 6 km sur le disque (l’écartement entre les tours de la piste en spirale étant à peine supérieur au µm). La piste est "scannée" par le faisceau laser à la vitesse constante de 1,3 mètres à la seconde environ, ou exprimé autrement, à la vitesse moyenne d’un marcheur, soit 4,27 km/h. Si le disque semble tourner dans le sens horaire vu du dessus, son sens réel de rotation est le sens antihoraire, vu du laser positionné sous le disque.
La longueur d’onde du faisceau laser pour les lecteurs CD est de 790 nm dans le vide (inférieure, dans la matière du disque), ce qui correspond à un rayonnement situé juste au-dessus du spectre visible.

Note : la longueur d’onde varie entre 760 et 820 nm, selon la diode laser utilisée.

Pour mieux situer cette longueur d’onde, rappelons que la partie optique du spectre électromagnétique s’étend de 10 nm à 106 nm et se divise en trois parties :

  • Les rayons ultraviolets (situés entre les rayons X et la lumière visible)
  • La lumière visible
  • Les rayons infrarouges

Les longueurs d’onde situées entre 370 et 750 nm correspondent à la lumière visible ; les longueurs d’onde des différentes couleurs perçues par le sujet humain sont donc situées dans cette fourchette, de la manière suivante :

  • Violet : 370 à 455 nm
  • Bleu : 456 à 492 nm
  • Vert : 493 à 577 nm
  • Jaune : 578 à 597 nm
  • Orange : 598 à 622 nm
  • Rouge : 623 à 750 nm

Enfin, les rayons infrarouges correspondent aux longueurs d’onde situées « au-dessus » du spectre visible et « au-dessous » des micro-ondes.

La longueur d’onde spécifique appliquée à la diode laser GaAlAs permet de focaliser le rayon laser sur un diamètre de 1,7 µm (2 millièmes de millimètre !!) sur la piste de 0,5 µm de large afin d’en extraire les données. Lorsque le faisceau laser rencontre la surface du disque, le diamètre du spot est d’environ 1 mm, ce qui indique un rapport de surface du spot d’1 pour 250 000 entre la surface basse (externe) du disque et la surface gravée.

Ce rapport très élevé permet de conserver une parfaite focalisation sur la piste même en présence de grains de poussière sur la surface du disque, « invisibles » vu du laser, grâce au point de focalisation situé en profondeur du disque.

Effet focalisation / poussière

Jusqu’à 0,5 mm de diamètre, un grain de poussière ne provoque aucune perturbation de lecture.

Quelques chiffres :

  • Le taux de transmission binaire est de 4,32 Mégabits/s (588 bits / 136 µs) : 4,32 millions de bits sont lus chaque seconde (1 trame de 588 bits tous les 136 µs)
  • La durée de transmission d’un bit est de 230 ns (136 µs / 588 bits)
  • Période la plus courte (100100) et fréquence correspondante : 230 ns x 6 = 1,38 µs, soit 724 kHz
  • Période la plus longue (1000000000010000000000) et fréquence correspondante : 230 ns x 22 = 5 µs, soit 197 kHz
  • Dimensions des bosses au centre du disque, à vitesse linéaire 1,2 m/s (200 tours / min) : 0,833 µm pour les plus petites bosses (correspondant à 100) et 3,05 µm pour les plus longues (correspondant à 10000000000)
  • Dimensions des bosses près du bord extérieur du disque, à vitesse linéaire 1,4 m/s (500 tours / min) : 0,972 µm pour les plus petites bosses (correspondant à 100) et 3,56 µm pour les plus longues (correspondant à 10000000000)
  • Longueur de la trame : 1,3 m/s x 136 µs = 176 µm
  • Longueur de la piste pour un disque de 75 min : 1,3 m/s x 60 x 75 min = 5,85 km

Ces caractéristiques aident à admettre que l’on puisse stocker tant d’informations sur le support Compact Disc.

Surface du CD

Vues photographiques d’un Compact Disc par microscope à balayage (orig : Wikipedia)

La gravure numérique offre de multiples avantages par rapport aux enregistrements sur supports analogiques (cassette compacte, LP..) : les pertes ou dégradations du signal sont totalement éliminées. Pendant la lecture, le faisceau suit la piste depuis le centre vers le bord du disque. Contrairement au disque analogique (33T) parcouru par une pointe de lecture, la « piste » est plus difficilement altérable, puisqu’il n’y a aucun contact entre la tête de lecture et le disque. Il est utile d’insister qu’en aucun cas le faisceau laser ne peut détériorer le disque, que ce soit pendant la lecture, pendant une recherche de morceau ou pendant une avance rapide avec son audible « accéléré ». Cette absence de contact mécanique est garante d’un bruit de fond négligeable, ce qui améliore la restitution sonore.

De plus, les signaux de la voie droite et de la voie gauche sont enregistrés séparément l’un après l’autre, pendant un intervalle de temps défini. Ce procédé contribue à éliminer la diaphonie entre les deux canaux.

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