La technique du lecteur CD... (page 2)

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  • La prise de son et le codage numérique

    1. Qu’est-ce que le son ?

    2. Comment le son se transforme en signal électrique

    3. Traduction d’une valeur décimale en valeur binaire

    4. Codes binaires unipolaires et bipolaires

    Le fonctionnement général du lecteur CD

    Le disque et la lecture optique

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  • L’organisation des données sur le disque
    Le bloc optique
    1. Le Philips, ou système optique radial	8. Le prisme
    2. Le système à déplacement tangentiel	9. Le miroir semi-transparent
    3. Les trois types de blocs optiques	10. Le collimateur
    4. La puissance laser	11. La lame quart d’onde
    5. La lentille de focalisation externe	12. La cible photosensible
    6. La lentille de diffraction	13. La lentille concave
    7. La lentille cylindrique
    L’amplificateur RF
    1. L’amplificateur d’erreur de focalisation	4. Le comparateur EFM
    2. L’amplificateur d’erreur de tracking	5. L’amplificateur de focus OK
    3. L’amplificateur sommateur	6. Le circuit de détection de miroir

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  • Les servo-systèmes
    1. le servo-focus	5. Le servo-spindle ou servo-moteur disque
    2. le servo-tracking	6. le principe de la PLL
    3. le servo-chariot	7. la RAM
    4. le servo-radial
    La modulation EFM
    Le décodeur EFM
    Détection et correction d’erreurs (CIRC)
    1. Principe
    2. Chronologie du processus de détection et de correction d’erreurs

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  • Détection et correction d’erreurs (Suite de la page 3)

    L’effacement d’erreur

    Différence entre analogique et numérique

    Fréquence d’échantillonnage et effet d’aliasing

    Quantification

    1. Exemple de quantification

    2. Numériser un signal analogique tel que la vitesse d’un véhicule

    Filtrage numérique

    Conversion numérique / analogique

    1. Convertisseur N/A basique à résistances calibrées

    2. Convertisseur N/A à réseau R-2R

    3. Convertisseur intégrateur à double rampe

    4. Erreur de linéarité

    5. Bruits de transition (Glitches)

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Le signal audio composite contenu par le disque est organisé de manière spécifique : la piste en spirale est constituée par une suite de trames contenant 588 bits et d’une durée de 136 µs (à la vitesse de lecture linéaire constante allant de 1,2 à 1,4 m/s, selon le disque).

Chaque trame contient les éléments suivants :

1 motif de synchronisation : 27 bits (24 bits + 3 bits de liaison)

Le motif de synchronisation est placé à chaque début de trame, et permet au lecteur de se synchroniser en trame pour le décodage des différents éléments (sous-codes, parité, …), et pour l’asservissement de rotation du moteur disque. La combinaison du motif de synchronisation est unique et ne peut être rencontrée ailleurs dans la trame :
100000000001000000000010

8 motifs de parité : 136 bits [8 x (14 bits + 3 bits de liaison)]

Les 8 motifs de parité sont utilisés pour la détection et la correction d’erreurs. Le mode opératoire est expliqué un peu plus loin, dans le paragraphe « correction d’erreurs ».

1 motif de sous-code : 17 bits (8 bits transformés en 14 bits par l’EFM + 3 bits de liaison)

Chaque trame comporte un motif unique de sous-code (appelé aussi C&D pour Control and Display) comprenant 8 bits « utiles » identifiés par les lettres P à W. L’ensemble des bits correspondant à une lettre constitue le canal du même nom : par exemple, les bits Q sont regroupés un à un trame après trame, au fil de la lecture, pour constituer un message unique après la lecture d’un secteur complet (un secteur correspond à 98 trames). Le canal Q forme ainsi un message complet d’une durée de 13,3 ms (98 bits Q multipliés par la durée d’une trame, soit 98 x 136 µs) répété tous les 75^ème de seconde (75 secteurs sont lus chaque seconde). Il s’agit de la plus petite unité de temps disponible, utilisée pour l’affichage des durées sur certains lecteurs CD à usage professionnel tel que le Technics SL-P1200, ou encore pour reprendre la lecture le plus précisément possible après une mise en pause. Les 98 bits Q obtenus en 13,3 ms indiquent le type d’enregistrement, l’autorisation de copie, la pré-accentuation, le nombre de voies utilisées, le type de CD (audio, ROM, vidéo), le n° de plage, les index, et le temps écoulé depuis le début de la piste en cours et depuis le début du disque. Les 16 derniers bits sont les indispensables bits de parité (voir plus loin). Le sous-code est aussi utilisé pour redémarrer la lecture au bon endroit en cas de choc, ou encore pour l’accès aux différentes pistes en mode programmation.

Le motif de sous-code en résumé :

6 échantillons : 408 bits (6 x 4) x (14 bits + 3 bits de liaison)

Lors de la numérisation des données audio analogiques, les voies droite et gauche sont traitées en même temps. Les 2 échantillons de 16 bits obtenus à chaque période d’échantillonnage du signal analogique (toutes les 22,6 µs) sont sérialisés afin qu’ils puissent être gravés séquentiellement sur le disque. Chaque échantillon contient donc 2 mots de 16 bits, mais comme nous l’avons vu, le traitement s’effectue au niveau de l’octet. Ces deux échantillons sont représentés sous forme de 4 octets (2 pour chaque voie), et sont transmis en 22,6 µs (f. échantillonnage 44 100 Hz). La modulation EFM convertit chaque octet en mot de 14 + 3 bits (cf. paragraphe sur l’EFM). Chaque trame comporte 6 échantillons de 4 mots de 14 (+3) bits chacun, soit 24 mots de 17 bits = 408 bits de données audio, lues en 136 µs.

Pour parvenir à lire des informations si minuscules que les bosses inscrites sur la surface du disque, le format CD a ingénieusement associé la technologie optique à une électronique de pointe.
La section mécanique comprend un bloc optique, quelques moteurs, la partie chargement et éjection du disque, et une paire de bobines pour le déplacement vertical et latéral de la lentille supérieure du bloc optique. Pour ce dernier point, le système « radial » de Philips s’affranchit du mouvement latéral et donc de la bobine de tracking ; l’ensemble optique complet bouge radialement à la manière d’un galvanomètre.

Le bloc optique est probablement l’élément le plus important dans un lecteur CD et il en existe de nombreux modèles différents. Dans les grandes lignes, il y a deux familles de blocs optiques.

le philips, ou système optique radial

le système à déplacement tangentiel japonais, alternative au modèle philips

Dans tous les cas, le bloc optique utilise une diode laser produisant un faisceau laser qui après réflexion sur la surface du disque, traverse différents éléments optiques jusqu’à la cellule photodiode. Les signaux délivrés par cette cellule sont le reflet des variations de lumière en provenance des bosses et des plats présents à la surface du disque ; ces variations de lumière deviennent des variations de courant en sortie des photodiodes contenues dans la cellule photodiode.

À ce stade, on peut considérer que les variations de courant obtenues délivrent une gamme de signaux composés du contenu musical, des informations pour le suivi de piste (tracking), des informations pour la rotation du disque (spindle), et des informations pour la vitesse. L’exploitation de ces signaux permet une lecture conforme du disque.

Bien que les blocs optiques soient différents d’un fabricant à l’autre, ils contiennent des éléments identiques tels que :

Quelques modèles de blocs optiques, tels que ceux équipant les premières générations Philips, n’utilisent pas de bobine de tracking fin.

On peut également noter que plusieurs types de tracking dits « dynamiques » ont été développés lors de la mise au point du Compact Disc, certains étant directement issus des formats « Videodisc » (consultez l’historique du Compact Disc) dont découle le disque audio-numérique. Dans tous les cas, un servo system était utilisé pour corriger tout écart de suivi de piste. Les procédés en lice étaient le tracking par méthode hétérodyne ou par décalage temporel (principes expliqués sur cette page de la rubrique "Atelier"), le système optique à trois faisceaux laser dont deux pour le suivi de piste positionnés de part et d’autre du faisceau principal (système retenu), le système à oscillation consistant à faire vibrer le bloc optique par injection d’un signal oscillant de très faible amplitude (système retenu par Philips), l’adjonction de deux pistes générant deux signaux sinusoïdaux différents de part et d’autre de la piste formée par les bosses (abandonné), ou encore la correction d’erreur de suivi de piste appliquée à la cible photodiode rendue mobile à la place de lentille externe du bloc optique (procédé abandonné). Un procédé similaire à ce dernier a été retenu pour les premiers lecteurs Yamaha (CD-X1, CD2 → bloc optique Mitsubishi MLP-1), dans lesquels l’élément mobile n’est pas la cible photosensible, mais un miroir mobile excité par le signal de correction d’erreur.

les trois types de blocs optiques

Trois types ont été retenus, parmi la large gamme de blocs optiques fabriqués :

Ensemble optique mono-faisceau avec tracking radial

La lentille bouge verticalement pour la focalisation, mais n’est pas active latéralement pour le suivi de piste, qui est effectué pas à pas par le déplacement du bloc complet sur le rayon du disque (stepping motor). Le rayon laser est envoyé sur le disque puis est réfléchi par un prisme diffractant pour produire les deux faisceaux laser qui sont envoyés vers la cellule (cible) photodiode, qui comprend 4 photodiodes chargées de délivrer les signaux de focus et les tracking extraits du flux numérique. Exemple : mécaniques Philips CDM0/1/2/3/4/9.

Vue schématique de ce type de bloc optique :

La tête optique d’origine Philips représentée ci-dessus, équipe les ensembles mécaniques CDM1 / CDM0 ; ce type de bloc optique utilise un prisme non-polarisant et n’utilise pas de lame à retard (lame quart d’onde). Le prisme non-polarisant est un demi-miroir qui laisse passer la moitié du rayon laser incident et qui renvoie l’autre moitié ; les 50 % du faisceau original qui traversent le prisme sont à nouveau divisés par deux au retour dans le prisme. Il résulte que seul ¼ de l’intensité de départ est envoyée vers la cible photodiode. Ce fonctionnement spécifique explique la faible puissance laser mesurée en sortie de la lentille de focalisation (autour de 0,1 mW) pour ce type de bloc optique.

Ensemble optique mono-faisceau avec tracking tangentiel

L’équipement mobile de la lentille externe de ce système optique lui permet un déplacement vertical pour la focalisation et latéral pour le suivi de piste, mais puisque le déplacement latéral de la lentille est limité à environ 2 mm, un autre système doit le compléter pour déplacer l’ensemble optique sur le rayon du disque. Comme pour l’ensemble optique mono-faisceau avec tracking radial la cellule photodiode est équipée de 4 photodiodes pour délivrer le flux numérique et les signaux de tracking et focus. À noter que certains montages peuvent contenir 6 photodiodes afin d’accroître la précision du suivi de piste (disque rayé, sale). Système équipant le premier autoradio CD de la marque Pioneer (CDX-P1), par exemple.

Pour plus d’informations sur le bloc optique Olympus TAOHS-L (diagnostic, remplacement de la diode laser), consultez cette page de la rubrique "Atelier".

Ensemble optique trois faisceaux avec tracking tangentiel

Il s’agit du système optique utilisé par la plupart des fabricants japonais sur la première génération de lecteur. Pour ce concept, trois rayons frappent les photodiodes : le rayon principal (ou central) assure la restitution du flux numérique et des informations de focus, et les deux rayons latéraux fournissent les signaux de tracking. La lentille est capable de bouger verticalement et latéralement comme pour l’ensemble optique mono-faisceau avec tracking tangentiel. Une lentille de diffraction est nécessaire pour obtenir les deux faisceaux supplémentaires à partir du faisceau laser principal. Là aussi, la lentille a une course latérale limitée, et un système supplémentaire est nécessaire pour le déplacement du bloc optique sur le long du disque. Exemples d’optiques à 3 faisceaux : Sony KSS-100A, Mitsubishi MLP-1...

Quelques exemples supplémentaires d’ensembles optiques trois faisceaux avec tracking tangentiel :

La plupart des blocs optiques fonctionnent selon un procédé identique, excepté l’optique radial qui n’utilise pas le déplacement latéral de la lentille.

la puissance laser

La puissance laser mesurée est extrêmement faible, entre 0,08 mW (pour les optiques Philips de type CDM0 / CDM1) et 0,48 mW (Sharp DX-3) pour les premiers lecteurs, et autour de 0,12 mW pour les lecteurs plus récents. Selon la marque et le modèle de lecteur et l’électronique associée, un même bloc optique peut requérir une puissance de service différente en sortie de la lentille de focalisation. Ainsi, il est préconisé une puissance allant de 0,20 mW à 0,32 mW, selon le type de lecteur, pour le bloc optique de première génération Olympus TAOHS-L (idem Toshiba OPH-31/32), équipant la majeure partie des premiers lecteurs. Cette différence peut en partie expliquer l’endurance variable du bloc optique, d’un modèle à l’autre, la puissance émise à la sortie de la diode laser étant supérieure à 2 mW (jusqu’à 4 mW mesurés).

De plus, il est indispensable de maintenir « l’éclairage » de la diode laser à un niveau constant : ce type de laser à semi-conducteur se présente sous forme d’un minuscule composant (0,1 x 0,3 x 0,2 mm !!), qui émet un rayonnement laser s’il est traversé par un courant compris entre 30 et 50 mA. En raison d’une densité énergétique très élevée, un courant un peu trop fort suffit à détruire la diode laser, ce qui impose le remplacement du bloc optique. Néanmoins, il est important de préciser que la diode laser ne peut pas être alimentée par un courant constant. En effet, au fur et à mesure de son vieillissement, la diode consomme davantage de courant (jusqu’à 100 mA en fin de vie) pour produire la même quantité de lumière.

Aussi, puisque cette quantité de rayonnement n’est pas proportionnelle au courant traversant le composant, seule la lumière émise peut être utilisée pour « surveiller » la diode laser, puisque la stabilité de la puissance rayonnée est impérative pour un traitement correct des données inscrites sur le disque. Cette « régulation » est effectuée en surveillant la partie opposée de la diode laser (faisceau arrière) au moyen d’une photodiode (diode monitor), et en renvoyant le signal obtenu vers un circuit de contrôle de puissance (APC, contrôle automatique de puissance laser), où il est comparé à un niveau prédéterminé ajustable manuellement (par une résistance variable située sur / ou à proximité du bloc optique). Ce système permet de stabiliser l’intensité lumineuse de la diode laser à la valeur préconisée par le fabricant.

la lentille de focalisation externe

Cette lentille est la partie visible du chemin optique. C’est également la seule pièce en mouvement et son rôle est d’assurer une focalisation parfaite du faisceau laser sur la piste du disque. Elle est asservie mécaniquement et est partie intégrante de l’actuateur 2D, qui fonctionne à la manière d’une bobine mobile dans un champ magnétique : la bobine de tracking et la bobine de focus sont suspendues entre des aimants créant deux champs magnétiques. Si un courant traverse une des bobines, celle-ci est soumise au champ magnétique auquel elle est exposée et qui la dévie dans la direction définie par le sens du câblage de son enroulement.

la lentille de diffraction

C’est une très petite lentille qui permet d’obtenir trois faisceaux à partir du faisceau unique produit par la diode laser. Pour certains lecteurs CD (Pioneer par exemple), il est nécessaire d’ajuster la lentille de diffraction en cas de remplacement du bloc optique.

la lentille cylindrique

Son rôle est de mettre en forme le faisceau réfléchi par le disque afin d’obtenir un spot parfaitement centré sur la cible photosensible, au point de focalisation. De par sa forme (section de cylindre), la lentille cylindrique n’émet que sur un seul plan. Autrement dit, le faisceau laser qui pénètre cet élément optique focalise sur un plan horizontal, par un spot de forme elliptique. Le taux de déformation du spot est proportionnel à l’écartement entre la lentille externe et la surface du disque.

le prisme

Le bloc optique peut être équipé de plusieurs prismes suivant le modèle. Dans tous les cas, il est nécessaire de séparer le rayon laser qui va vers le disque de celui qui en revient pour être traité par la cellule photodiode. La surface réfléchissante du prisme est recouverte par un matériau polarisant qui permet au rayon réfléchi d’être séparé du rayon direct, de manière efficace. Dans le cas du simple prisme à angle droit, le faisceau frappe une des deux plus petites faces perpendiculairement et est totalement renvoyé par l’hypoténuse vers la seconde petite face par une déviation à 90°.

le miroir semi-transparent (bloc optique mono-faisceau)

Le miroir semi-transparent (ou demi-miroir) renvoie le rayon laser vers le collimateur et la lentille puis sur la surface du disque (alternative au montage à prisme polarisant).

le collimateur

Le collimateur restitue un faisceau parallèle (divergence diminuée et rayon agrandi). Associé à la lentille principale, il assure la focalisation du laser sur la surface du disque.

la lame quart d’onde (lame à retard)

La combinaison de la lame quart d’onde et du prisme polarisant permet d’envoyer le faisceau laser réfléchi par le disque en direction de la cible photodiodes.
Le faisceau laser direct (de polarisation linéaire) qui traverse le cristal de la lame quart d’onde en direction du disque voit son plan de polarisation modifié de 45° ; le plan du faisceau réfléchi est à nouveau modifié de 45°. La rotation totale du plan de polarisation (90°) permet au rayon réfléchi une déviation efficace lors de son passage à travers le prisme polarisant.
L’épaisseur du cristal de la lame est fonction de l’angle de polarisation souhaité. Pour le système optique du lecteur CD, cette épaisseur vaut donc ¼ de la longueur d’onde du rayonnement laser.

la cible photosensible

Son rôle est de restituer le flux numérique en provenance du rayon laser réfléchi par la surface du disque. Quelle que soit sa forme, la cible photodiode est chargée de produire les trois signaux principaux permettant la lecture du disque :

Ces informations sont restituées aux étages de traitement suivants sous forme d’un signal composés par les 4 signaux de fréquences 4,32 MHz en provenance des 4 (ou 6) photodiodes de la cible. Ce signal composite est appelé signal RF et sa représentation « Diagramme de l’œil ».

la lentille concave

Dans le système mono-faisceau, cette lentille concentre le rayon réfléchi sur la cible photosensible (rôle identique à la lentille cylindrique du tri-faisceau).

Les signaux variables en provenance de la cellule photodiode, qui comprend généralement quatre ou six photodiodes, sont dirigés vers l’ampli RF dans lequel est effectuée une opération visant à séparer les données utiles et es informations de focus et tracking qui seront redirigées vers leurs circuits de traitement respectifs. L’amplificateur RF se présente sous la forme d’un circuit intégré, dans la plupart des cas. Il comporte plusieurs étages :

l’amplificateur d’erreur de focalisation

Il amplifie les signaux en relation avec la focalisation, en provenance des photos-diodes. Après amplification, ces signaux passent dans un ampli différentiel qui délivre le signal d’erreur de focalisation à sa sortie.
Quand la focalisation est correcte, le signal d’erreur de focalisation est à zéro, mais quand arrive une erreur de focalisation, un signal d’erreur est produit. Ce signal est proportionnel au taux de dé-focalisation, et sa polarité est soit positive soit négative par rapport à zéro selon la direction dans laquelle l’erreur de focalisation se produit.

l’amplificateur d’erreur de tracking

Les sorties d’une paire spéciale de photodiodes (ou éventuellement des quatre photodiodes selon le système utilisé) intégrée au bloc optique sont utilisées pour le suivi de piste. Le suivi de la piste en spirale pendant la rotation du disque génère différents niveaux de réflectivité. Cette variation de lumière réfléchie est traitée par un ampli différentiel chargé de produire le signal de tracking error (TE) - ou le signal d’erreur radiale dans le cas de l’ensemble optique radial (type Philips) -, dont la valeur et la polarité sont proportionnelles à la déviation du spot laser.

l’amplificateur sommateur

L’entrée de l’amplificateur sommateur correspond à la sortie des quatre photodiodes (donc à la sortie du bloc optique). Les signaux en provenance de ces photodiodes sont additionnés dans l’amplificateur afin de produire un signal qui est envoyé dans le décodeur. Ce signal, généralement appelé signal RF ou diagramme de l’œil, contient les « datas » lues sur le disque. Celles-ci seront ensuite traitées de manière à retrouver le signal analogique d’origine ; le signal RF est également utilisé pour l’asservissement de rotation du disque. En sortie de cet amplificateur sommateur, le signal RF est envoyé vers trois autres circuits (comparateur EFM, amplificateur de « Focus OK », et circuit de détection de miroir) à travers un condensateur de liaison dont l’utilité est double :

Le diagramme de l’œil représente les 9 longueurs d’onde composant le signal RF. Ces 9 périodes vont de 3T à 11T, T correspondant à la fréquence bit. Les fréquences les plus élevées (période 3T, 4T...) ont une amplitude plus faible, ce qui est sans incidence puisque seul le passage à 0 est pris en compte, pour indiquer un « 1 » logique. Le Comparateur EFM se charge ensuite de mettre en forme le signal RF, afin de restituer un signal carré d’amplitude constante.

le comparateur efm

Le signal RF est ensuite envoyé dans le comparateur EFM dans lequel il est amplifié, égalisé, et mis en forme, pour délivrer en sortie un signal carré avec des fronts montants et descendants très nets : le signal EFM
Il est très important d’obtenir un signal aussi carré que possible puisque les fronts montants et descendants indiqueront la présence d’un « 1 » dans le flux numérique.
Cependant, la netteté de ces fronts peut-être altérée par un phénomène extérieur au lecteur. Dès le pressage du disque, la netteté des bosses dépend de l’état de la matrice, qui a tendance à s’user pressage après pressage. Ceci peut entraîner des difficultés d’identification du début ou d’une fin d’une bosse pour le lecteur et ainsi altérer sa capacité à produire un « 1 » au bon moment.

l’amplificateur de focus ok

Le signal RF en provenance de l’ampli sommateur est aussi utilisé pour valider la focalisation du laser sur le disque : dès qu’un disque est inséré dans le lecteur, le servo-focus agit pour que la lentille supérieure du bloc optique effectue la focalisation du faisceau laser sur la surface du disque, par un mouvement de haut en bas généralement répété deux ou trois fois (à fréquence 2 Hertz). Quand la focalisation est parfaite (ce qui correspond à un niveau maximum du signal RF), un niveau haut (5 Volts) est délivré en sortie de l’amplificateur de « focus OK » (FOK-> Focus OK) et envoyé au microprocesseur de gestion. Dans beaucoup de lecteurs CD, le signal FOK est aussi utilisé pour informer les circuits de contrôle qu’un disque est présent et prêt à être lu, ce qui représente une alternative à la détection de présence disque par capteur photosensible.

le circuit de détection de miroir

Le troisième étage vers lequel est dirigé le signal RF « additionné » est le circuit de détection de miroir (son nom vient de la surface miroir entre les bosses), qui vient en complément du circuit de tracking. Dans le cas du système à déplacement tangentiel du bloc optique (le plus fréquent) le circuit de tracking (servo tracking) permet au faisceau laser de se déplacer graduellement sur le rayon du disque, par combinaison du mouvement gauche/droite de la lentille supérieure du bloc optique et du déplacement de l’ensemble optique sur ce même rayon du disque (du centre du disque, vers les bords du disque) ; le circuit de tracking opère de façon à positionner parfaitement le faisceau SUR la piste (sur les pits). Cependant, il peut arriver que le faisceau quitte la piste constituée par les données inscrites (en cas de rayure du disque, de choc ou de recherche de piste par exemple) : le circuit miroir intervient pour corriger ces sorties de pistes et empêcher ainsi que le faisceau ne se retrouve entre deux pistes constituées par les bosses. Le servo-tracking n’a plus pour contrainte que le positionnement parfait du faisceau laser sur les pits.
En sortie de l’amplificateur miroir, le signal adopte l’état bas ou l’état haut (0V ou 5V) : dans le premier cas, le microprocesseur est « informé » que le faisceau est sur la piste, et dans le deuxième, qu’il est à côté de la piste. Si ce signal conserve un niveau haut pendant une durée longue, le microprocesseur envoie une impulsion (kick) au circuit de tracking qui à son tour contre-réagit jusqu’à l’obtention d’un niveau bas en sortie de l’amplificateur miroir. Le comportement binaire du signal « miroir » (niveau haut entre les pistes ou niveau bas sur la piste) est aussi utilisé pendant la recherche de morceaux par l’utilisateur pour le comptage des pistes pendant que le circuit de gestion « cherche » le début du morceau sélectionné, par déplacement radial du bloc optique.