CD audio
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Il compact disc audio è la versione originale dei CD, da cui sono derivati tutti gli altri formati. La struttura fisica del disco ed i protocolli di memorizzazione dei dati è descritta nel Red Book (libro rosso), redatto da Sony e Philips nel 1980, anno in cui cominciò la vendita dei CD.
Le specifiche prevedono una capacità standard per un CD Audio di 747 Megabyte, equivalenti, tenendo conto dello spazio occupato per la correzione di errore, a 74 minuti di musica stereofonica campionata a 44,1 Kilohertz.
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[modifica] Funzionamento
Su un compact disc il suono è memorizzato in formato digitale: l'andamento della pressione sonora è misurato (campionato) ad intervalli regolari e il valore è descritto da una sequenza di 16 bit. In conseguenza del teorema di Nyquist-Shannon, è necessario che la frequenza di campionamento sia almeno doppia rispetto alla frequenza massima del segnale da acquisire, ovvero almeno 40.000 volte al secondo per la banda audio di 20 Kilohertz, per ciascun canale stereo.
I bit sono incisi sul disco in un'unica traccia lunga oltre 5 Chilometri sotto forma di zone più o meno riflettenti (pits) la luce.
La catena di elaborazione che trasforma la traccia su disco in suono può essere divisa in quattro sezioni principali, oltre ad un microprocessore centrale che sovraintende a tutto e interagisce con l'utente.
[modifica] Testina di lettura
Questa è certamente la parte più complessa ed innovativa del lettore compact disc, in quanto diversamente da tutti gli altri sistemi di riproduzione audio, la testina non tocca la superficie del supporto, ma deve essere mantenuta allineata e alla giusta distanza attraverso diversi sistemi di servocontrollo.
In particolare i problemi da affrontare sono tre:
- Mantenere costante la velocità lineare del disco al di sotto della testina per avere un flusso costante di dati.
questo comporta che la velocità angolare del disco non può essere costante, ma è maggiore quando la testina è vicina al centro e minore quando si trova alla periferia.
La soluzione adottata per regolare la velocità di rotazione consiste in un buffer FIFO, una memoria in cui i dati entrano da un 'lato' e vengono prelevati dall'altro. Il prelievo di dati avviene ad un ritmo esattamente determinato da un oscillatore al quarzo per cui al variare del flusso in entrata si avrà un maggiore o minore riempimento del buffer. Il sistema di retroazione agisce sulla velocità angolare in modo da mantenere costante la quantità di dati immagazzinati.
Questo approccio consente di compensare anche variazioni causate da attriti, vibrazioni ed imprecisione del motore (wow & flutter). Un buffer di opportune dimensioni unito ad una opportuna logica permette di compensare eventuali salti di traccia.
- Spostare in senso radiale la testina per inseguire la traccia.
Mentre in un vecchio giradischi la testina è trascinata dal solco stesso, in un compact disc la testina non tocca il disco, per cui l'inseguimento della traccia deve essere effettuato con mezzi ottici.
La luce laser riflessa dal disco si focalizza al centro di un quadrato ai cui vertici sono presenti quattro sensori ottici. In condizioni di centratura l'intensità di luce rilevata è uguale per i quattro rivelatori, se invece la traccia e quindi il punto luminoso è lievemente scostata, il segnale è più intenso su alcuni sensori. Un circuito elettronico provvede a spostare la lente per mezzo di un campo magnetico prodotto da opportuni solenoidi all'interno dei quali è sospesa la lente di focalizzazione. Quando lo spostamento è al limite del raggio di azione della lente, l'intera testina viene traslata per mezzo di un motore elettrico.
- Mantenere alla giusta distanza dal disco la lente del laser, per ottenere una costante messa a fuoco.
Guardando un giradischi, si può osservare il periodico movimento verticale della testina dovuto alla non perfetta planarità del disco. Lo stesso accade nei compact disc anche se in misura minore. Per questo è necessario regolare la messa a fuoco del laser istante per istante.
La verifica della focalizzazione è effettuata per mezzo dei quattro sensori già visti. Alla distanza ottimale il livello del segnale è al valore minimo per tutti i rivelatori.
[modifica] Correzione degli errori
Poiché il compact disc non offre alcuna protezione contro la manipolazione e l'usura, è frequente la formazione sulla superficie di graffi o depositi di sporco che possono comprometterne la lettura. Per ovviare al problema sono adottate complesse tecniche di correzione di errore e di ridondanza dei dati.
In fase di scrittura, vengono innanzitutto intercalati i dati corrispondenti ai due canali stereo, dopodiché la sequenza è scomposta in spezzoni di 8 bit su cui viene effettuata una interpolazione per impedire che si abbiano sequenze consecutive troppo lunghe di zero o uno e contemporaneamente viene aumentata la ridondanza di informazione. Ai 14 bit ottenuti vengono aggiunti altri 3 bit di sincronizzazione.
Dopo questa prima manipolazione, la sequenza è sottoposta ad una ulteriore elaborazione al termine della quale si ottengono raggruppamenti elementari (frame) di 588 bit. Ciascun frame è composto da 24 sottogruppi di 17 bit di dati intercalati a 8 gruppi di 17 bit per la correzione di errore, più 27 bit di sincronismo e 17 di informazioni da mostrare sul display (numero di traccia, posizione ecc). La dispersione dei blocchi di controllo permette di ricostruire i dati mancanti a causa di un ampio difetto sulla superficie del disco.
Tutte queste operazioni devono essere compiute in senso inverso dal lettore, per ricostruire la sequenza originale di 16 bit per campione per canale.
[modifica] Conversione digitale/analogico
In questo fondamentale passaggio, i bit sono convertiti in segnale elettrico analogico ad opera di un convertitore digitale-analogico (DAC) per ogni canale stereo. Il segnale è campionato a 16 bit che corrispondono a 65535 livelli di tensione. In generale il funzionamento è basato su una rete di resistori dai valori opportunamente determinati, la cui precisione determina il grado di linearità del dispositivo.
All'uscita del convertitore il segnale è sottoposto ad un filtro passa-basso allo scopo di sopprimere eventuali armoniche prodotte dalla frequenza di campionamento.
[modifica] Preamplificazione audio
Questa sezione è simile a quella di qualunque altro apparecchio audio analogico e comprende le funzioni di regolazione di tono, volume e bilanciamento, nonché l'eventuale equalizzazione. Se il lettore fornisce direttamente l'uscita in cuffia o altoparlante è presente anche un amplificatore audio.
