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3.5
CD Storia: Nel giugno del 1980 è stato presentato sul mercato un rivoluzionario sistema di registrazione, conservazione e riproduzione del suono chiamato "Compact Disc Digital Audio System" che comunemente viene abbreviato con il nome CD. Questo supporto è frutto della ricerca in collaborazione tra Sony e Philips. Il dispositivo desta subito l'interesse di privati e produttori grazie alle qualità che gli slogan pubblicitari gli attribuiscono. Il CD veniva pubblicizzato come supporto molto resistente e senza possibilità di usura. Questo supporto ha subito trovato un forte impiego, tanto che dieci anni dopo la sua scoperta ha preso il sopravvento sui tradizionali dischi in vinile. Introduzione: Il Compact Disc è un disco di
piccole dimensioni contenente informazioni registrate in forma digitale,
mediante una sequenza di microcavità incise sulla superficie. La lettura del
disco è ottica, ossia il disco viene letto mediante un raggio laser che viene
riflesso dalla superficie a dipendenza di ciò che colpisce. Infatti, la sua
superficie è composta da buchini microscopici “PIT” su di una pianura
chiamata “LAND”. Caratteristiche
fisiche:
Lettura:
I
dati sul compact disc sono incisi seguendo una traccia a spirale che parte dal
centro e si espande verso l’esterno. Per poter leggere un flusso di dati
costante bisogna variare la velocità angolare del disco. Quest’ultima può
variare da 500 giri al minuto se leggiamo all’interno a 200 se leggiamo sulla
parte esterna (velocità lineare costante pari a 1.4 m/sec). Quando
il fascio luminoso colpisce i PIT viene riflesso e captato da dei fotodiodi che
hanno il compito di trasformare la luce in segnale elettrico. Il segnale
ricavato dai fotodiodi dopo apposite trasformazioni (squadratura) è pronto per
essere elaborato. Il segnale pulito si presenta con una forma ad onda quadra
come quello di colore rosso in figura. Quest’ultimo viene poi decodificato in
modo da poter ottenere un segnale analogico da quello inizialmente digitale. Una
volta ottenuta una forma analogica può essere usato per i più svariati
utilizzi. Codifica del segnale: Per motivi meccanici di
costruzione e di lettura i dati presenti sul disco sono codificati in un dato
modo. Per semplicità partiremo dal segnale analogico per arrivare a quello
digitale presente sul CD. In modo generale, per una
trasmissione di dati, si utilizzano le seguenti codifiche: Codifica
sorgente: trasduttore
ADC, il quale converte il segnale analogico in uno digitale a 16 bit Codifica
di canale: aggiunta di bit per
l’identificazione e la correzione di errori di lettura (per es. bit e Byte di
parità) Codifica
di linea: all’informazione
viene data una forma che meglio si adatta alle particolarità della linea di
trasmissione.
La
codifica del segnale di un disco può essere riassunta nel seguente schema a
blocchi. Alla
base di tutta la catena abbiamo in entrata in due segnali analogici sinistro e
destro. Codificatore PCM (Pulse code modulator): Si
procede quindi alla codifica del segnale analogico in digitale PCM (Pulse
code modulation). Il segnale analogico BF viene
inizialmente campionato ad una frequenza di 44.1 kHz (una conversione ogni 22.7
μsec) e convertito in segnale digitale a 16 bit. In questo modo occorre registrare 44.1 . 103 . 16 . 2 = 1.41 Mbit/sec. Codificatore CIRC
(Cross-Interleaved Reed-Solomon Code): Questo particolare tipo di
codifica ovvia ai problemi di lettura causati per esempio da graffi sul disco.
Il segnale audio, convertito a 16 bit viene raggruppato in trame che comprendono
6 campioni del canale destro e 6 del canale sinistro per un totale di 192 bit.
Una trama viene suddivisa in 6 campioni da 32 bit. Mediante l’aggiunta di
ulteriori bit di controllo, e il mescolamento non casuale di tutti i bit ad ogni trama, si crea la codifica CIRC. C&D: I comandi C&D aggiunti al
segnale sono informazioni utili per la lettura. Indicano l’inizio di una
pista oppure il modo di registrazione. Modulatore EFM (Eight to
fourteen modulation): Dopo queste codifiche
potrebbero capitare delle combinazioni di bit che renderebbero impossibile la
lettura dal disco. Con dei bit troppo ravvicinati la frequenza di lettura
risulterebbe troppo alta, e viceversa con dei bit troppo lontani. Per ovviare a
questo problema si analizzano dei pacchetti di 8 bit del segnale codificato e si
converte in uno a 16 bit stando attenti che fra due bit a livello “1” ci
siano almeno due e non più di dieci bit a livello “0”. Ora il segnale è pronto per essere registrato sul disco.
Modi
di registrazione: La principale differenza tra un comuni CD audio o CD-ROM e un disco CD-R/CD-RW è costituita dal fatto che mentre nei primi i dati sono memorizzati in maniera permanente su un supporto d’alluminio, tramite un processo industriale di stampaggio, nei secondi la registrazione avviene riscaldando un substrato depositato all’interno del disco stesso mediante un fascio laser. Una seconda differenza è rappresentata dallo spazio disponibile sul disco. I dischi CD-R e CD-RW hanno una porzione addizionale di area dati, rispetto ai CD stampati, posizionata all’inizio dell’area di lead-in, all’interno della quale sono memorizzati i dati di PMA (Program Memory Area) e PCA (Program Calibration Area). La Program Memory Area contiene tutte le informazioni necessarie a identificare le tracce registrate: il numero delle tracce e i rispettivi punti di inizio e fine. La Program Calibration Area è utilizzata per determinare la corretta potenza da utilizzare in fase di registrazione (OPC, Optimun Power Calibration). Ogni volta che il disco viene inserito nel masterizzatore, questo esegue una brevissima prova di registrazione nell’area PCA, per modulare la potenza del fascio laser. Questa fase è molto importante perché i vari supporti CD-R/CD-RW non hanno tutti le stesse caratteristiche; inoltre la potenza del laser va modificata in base alla temperatura di esercizio e alle condizioni della superficie del disco (polvere, graffi ecc.). Sia i dischi CD-R sia quelli CD-RW hanno all’incirca la stessa struttura. Entrambi i dischi sono costituiti esternamente da un substrato trasparente di policarbonato, all’interno del quale è depositato un film di polimero organico (CD-R) o inorganico (CD-RW). I CD-R hanno inoltre uno strato di materiale riflettente costituito da una sottilissima lamina d’oro 24K o d’argento. I fenomeni fisici sfruttati per la memorizzazione dei dati sono però differenti a seconda che si utilizzi un disco scrivibile oppure uno riscrivibile. Entrambi i processi utilizzano un raggio laser per “incidere” la pellicola polimerica racchiusa al centro del supporto plastico. Per la registrazione di un CD-R viene sfruttato il fenomeno della dilatazione termica dei metalli. Quando il raggio laser emesso dal masterizzatore colpisce la superficie del disco, localmente eleva la temperatura del polimero organico fino a un valore di 250 °C. Questo strato, poco riflettente, viene “bruciato” e si viene così a creare un buco nel film. Contemporaneamente, la lamina metallica posta alle sue spalle si dilata a causa dell’elevata temperatura, aumenta di volume e riempie il foro antistante. In questo modo si viene a creare una zona più riflettente di quelle circostanti. Il processo di masterizzazione di un disco riscrivibile è leggermente diverso. Innanzitutto il substrato utilizzato per la memorizzazione dei dati non è più di tipo organico, ma è una lega di argento, indio, antimonio e tellurio. Nel suo stato originario questa lega ha una struttura in grado di riflettere la luce incidente. Quando il raggio laser del masterizzatore colpisce la superficie del CD-RW, la temperatura viene alzata fino a un valore compreso tra i 500 e i 700°C. A queste temperature la lega inorganica (land) subisce un mutamento di struttura, passando da uno strato riflettente ad uno più opaco (pit). Date le elevate temperature raggiunte con questa tecnica, si rende necessario raffreddare rapidamente il substrato inorganico. Per questo motivo quest’ultimo è racchiuso tra due film di materiale dielettrico. La sostanziale differenza tra i due processi descritti è che il secondo, a differenza del primo, è reversibile. Per cancellare un disco CD-RW è sufficiente riscaldare il polimero a una temperatura di 200°C per un periodo di tempo abbastanza lungo. Con questa operazione si è in grado di riportare la lega al suo stato riflettente originario. Costruttivamente la differenza principale tra recorder normale e uno riscrivibile è rappresentata dal pickup ottico. Come detto, la registrazione di un disco CD-R avviene portando la temperatura superficiale del polimero organico alla temperatura di 250°C; per compiere tale operazione è necessaria una potenza compresa tra i quattro e gli 11 milliwatt. Quando si incide un disco CD-RW la temperatura superficiale della lega metallica deve essere portata fino a circa 700°C. Ovviamente il masterizzatore deve erogare una maggiore potenza, variabile tra gli otto e i 14 milliwatt e per questa ragione l’intero gruppo ottico risulta più grosso rispetto a quello di un’unità non riscrivibile.
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