Disque compact
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| Type de média : | Disque optique |
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| Capacité : | Jusqu’à 800 Mo |
| Mécanisme de lecture : | Diode laser de longueur d’onde de 780 nm |
| Développé par : | Sony & Philips |
| Utilisé pour : | Stockage audio et de données |
| Gravure de disque optique | |
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| Types de disques optiques | |
| Normes | |
Un disque compact ou CD (abréviation du terme anglais Compact Disc[1]) est un disque optique utilisé pour stocker des données sous forme numérique.
Sommaire |
[modifier] Principe de fonctionnement
Le disque compact repose sur une méthode optique : un faisceau de lumière cohérente (laser) vient frapper le disque en rotation. Les irrégularités (cavités) dans la surface réfléchissante de celui-ci produisent des variations binaires. Le rayon réfléchi est enregistré par un capteur. Lorsqu’il est utilisé comme support pour l’écoute musicale (premières utilisations) l’information binaire est ensuite transformée en un signal analogique par un convertisseur.
Dès son apparition, ce support a été promu par ses inventeurs et les éditeurs musicaux comme offrant une meilleure qualité sonore que les autres supports existants (notamment les disques vinyle). Ces qualités sont aujourd’hui contestées et de nouveaux supports sont apparus (SACD - Super Audio Compact Disc ou le DVD-A - Digital Versatile Disc Audio). On constate par ailleurs un regain de popularité du support vinyle.
[modifier] Histoire
Le disque compact fut inventé conjointement par les firmes Philips et Sony Corporation avec, également, la participation de Hitachi pour l’audio-numérique (CD audio) en 1979. Quand les deux entreprises ont décidé de travailler ensemble en 1979, le projet prévoyait que les platines laser seraient équipées des puces électroniques les plus puissantes jamais commercialisées pour un produit grand public. En 1980, un « livre orange » a précisé les caractéristiques techniques du nouveau disque et le partage des brevets entre les deux concurrents : à Philips la conception du CD (sur la base de leur expérience de la technologie du Laserdisc) et des lentilles qui permettent la lecture ; à Sony la définition du format utilisé pour numériser la musique et la méthode de correction d’erreurs. Parmi les principaux membres de l’équipe, les plus connus sont Pieter Kramer (directeur du laboratoire de recherche optique de Philips dans les années 1970) et Kees A. Schouhamer Immink pour Philips et Toshitada Doi pour Sony.
Les premiers prototypes produits par Philips mesuraient 115 mm de diamètre, avec un codage sur 14 bits et une capacité de 60 minutes. Sony insista pour qu’on adopte un codage sur 16 bits et une durée de 74 minutes, ce qui a augmenté la taille du disque à 120 mm. Selon les rumeurs, la capacité du CD 12 centimètres a été augmentée à 74 minutes, à la demande de Herbert von Karajan, pour que la version la plus lente de la 9e symphonie de Beethoven tienne sur un seul CD. Sony indique que c’est à la demande de l’épouse de son président, pour ces mêmes motifs.
Philips et Sony ont annoncé fin août 1982 qu’ils étaient prêts à sortir leur nouveau produit et ont commencé les ventes à l’automne. La production industrielle commença le 17 août 1982 à Langenhagen, près de Hanovre (R.F.A.). La première platine fut vendue au Japon le 1er octobre 1982 accompagnée de l’album « 52nd Street » de Billy Joel.
Le succès du CD est progressif, limité dans un premier temps à l’album The Visitors d’ABBA (Polygram, label de Philips), et à un enregistrement de la Symphonie alpestre de Richard Strauss dirigée par Karajan. En effet, le CD passe surtout dans les premiers temps pour un support réservé aux mélomanes classiques, grâce à la qualité sonore qu’il offre. Quelque 200 titres, classiques essentiellement, sont ainsi produits par Philips. C’est la mise sur le marché de l’album Brothers in Arms, du groupe Dire Straits (premier album entièrement numérique), qui démocratise le CD : l’album se vend à plus d’un million d’exemplaires. Il ne fait plus de doute que le CD est le support sonore de l’avenir.
Dès 1986, les platines laser se vendaient mieux que les autres et en 1988 les ventes CD dépassaient celles des vinyles. Le CD a connu un large succès et s’est rapidement substitué aux disques vinyle comme support musical, notamment grâce aux qualités suivantes :
- Absence d’usure due à la lecture (la lecture optique supprime le contact mécanique et donc l’altération du support par frottement). Dans la réalité, la durée de vie moyenne réelle des supports est contestée, certains accordant aux disques compacts une espérance de vie de seulement dix ans (les dégradations peuvent être : en rayures, oxydation…), mais les utilisateurs soigneux pourront conserver leurs CD en bon état pendant bien plus longtemps ;
- Tailles du support : ses 12 centimètres de diamètre lui confèrent une portabilité que n’avait pas le microsillon. Un deuxième format de 8 centimètres est, lui aussi, normalisé ;
- L’épaisseur est de 1,2 mm nominal ;
- Qualité théorique de reproduction sonore supérieure aux cassettes audio et disques vinyles. (Dynamique plus importante, reproduction exacte à chaque lecture grâce au système de correction d’erreur, etc. Cependant certains audiophiles ou mélomanes exigeants préfèrent le son du vinyle qu’ils jugent plus musical et plus naturel.) ;
- Retour à l’écoute intégrale sans avoir à retourner le support audio dans le lecteur avec un accès sans manipulation mécanique, ce qui ne s’était pas vu depuis la disparition des cartouches 8 pistes. Les cassettes audios et les disques vinyles étaient enregistrés sur deux côtés, on devait donc les retourner à la mi-écoute ;
- Les CD-R (CD vierges à graver) ont les mêmes dimensions, et peuvent être utilisés pour stocker des données Red Book (qui définit le standard Audio pour le CD, tel que les 44,1 kHz de fréquence d’échantillonnage et 16 bits de résolution). Il existe les CD-ROM PC qui sont conçus pour une utilisation avec un graveur dans un PC, et les CD-ROM Audio qui sont conçus pour les enregistreurs de maison (qui ne peuvent pas lire les CD-ROM PC). Ils sont d’ailleurs plus chers car ils contiennent un pourcentage pour les droits d’auteurs qui sont reversés à la SACEM en France ou la SABAM en Belgique.
Il est à noter que Compact Disc est une marque déposée par la firme néerlandaise Koninklijke Philips Electronics N.V. et que cette dernière refuse l’utilisation du terme déposé pour tout disque audio protégé contre la copie.
[modifier] Types de disques
On distingue plusieurs types de disques compacts :
- CD audio (CDDA ou CDA) : Compact Disc Digital Audio ou en français Compact Disc Audio.
- CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory), officiellement cédérom en français : support de stockage informatique.
- CD-WORM : (CD-Write Once Read Many) Variante de CD pouvant être gravé une seule fois par l´utilisateur (sur un graveur de CD-ROM) et lu ensuite sur n´importe quel lecteur de CD-ROM.
- CD Extra (ou Enhanced CD ou Disque amélioré) : disque compact réunissant en premier une session ne contenant que les pistes audio et une session ne contenant que des données. Ce type de disque est lisible dans 99,99 % des lecteurs de CD (autoradios, chaînes hi-fi,…). Les CD OpenDisc sont techniquement des CD Extra.
- CD en mode mixte : disque compact réunissant en premier une session ne contenant que des données et une session ne contenant que des pistes audio. Il est parfois employé comme support de jeu vidéo, la première session (de données) contenant le programme-jeu tandis que les musiques du jeu sont dans la seconde (l’audio). Dans les lecteurs de disques audio (e.g. autoradios, chaînes hi-fi, etc.) : seule la session audio de ce type de disque est lisible. Les disques audio "Copy-controlled" créés par certaines majors sont des disques mixtes.
- CD-R : Compact Disc Recordable, Disque inscriptible.
- CD-RW : Compact Disc Rewritable, Disque réinscriptible.
- CD+G : Compact Disc + Graphics, Disque compact et Images.
- VCD : Video Compact Disc, Disque compact vidéo.
- SVCD : Super Video Compact Disc, Super compact disque vidéo.
Les appareils de lecture pour CD-audio ne sont pas conçus pour lire les CD-ROM ; a contrario, les lecteurs de CD-ROM peuvent aussi lire les CD-audio. Il existe aussi des CD « hybrides » contenant de l’information audio (lisible par un lecteur audio) et des informations d’autres types (texte, vidéo, images, etc.), lisibles par un lecteur de CD-ROM (CD en mode mixte et CD Extra cités plus haut).
Dernièrement, avec l’arrivée de la méthode de compression audio MPEG-1 Layer 3 abrégée MP3, des lecteurs audio pouvant lire des pistes MP3 sur un CD-R(W) et les jouer comme un CD audio traditionnel ont été développés. L’intérêt du format MP3 est qu’il permet de stocker jusqu’à dix fois plus de musique que sur un CD audio avec une dégradation plus ou moins perceptible de la qualité sonore en fonction du bitrate auquel le disque / le morceau a été compressé.
[modifier] Détails physiques
Les disques compacts sont constitués d’une galette de polycarbonate de 1,2 millimètre d’épaisseur recouvert d’une fine couche d’aluminium (au début, c’était d’une couche d’or et c’est encore le cas actuellement sur les disques à longue durée de vie) protégée par un film de laque. Ce film peut aussi être imprimé pour illustrer le disque. Les techniques d’impression sont l’offset et la sérigraphie.
Les informations sur un CD standard sont codées sur une piste d’alvéoles en spirale moulée dans le polycarbonate. Chaque alvéole mesure environ entre 125 nm (0,000000125 m) et 500 nm de large et varie entre 833 nm et 3,5 µm en longueur. L’espace entre les pistes est de 1,6 µm. Pour se donner une idée des dimensions, si le disque était mis à l’échelle d’un stade de foot, un alvéole aurait la taille d’un grain de sable. La spirale commence au centre du disque pour se terminer en périphérie, ce qui autorise plusieurs tailles de disques.
Un CD est lu par une diode laser de 780 nm de longueur d’onde à travers la couche de polycarbonate (diamètre du spot : 1,04 µm). La différence de profondeur entre un alvéole (creux) et la surface plane (bosse) est d’un quart la longueur d’onde du laser, ce qui permet d’avoir un déphasage d’une demi-longueur d’onde entre une réflexion du laser dans un alvéole et sur la surface plane. L’interférence destructive causée par cette réflexion réduit l’intensité de la lumière réfléchie dans un alvéole comparée à une réflexion sur la surface plane. En mesurant cette intensité avec une photo-diode, on est capable de lire les données sur le disque.
Les creux et les bosses ne représentent pas les 0 et les 1 des informations binaires. C’est le passage d’un creux à une bosse ou d’une bosse à un creux qui indique un 1. S’il n’y a pas de passage bosse-creux, alors il s’agit d’un 0. On appelle cela un front.
Ensuite, ces données passent à la moulinette EFM (Eight-to-Fourteen Modulation) utilisée lors du codage les données audionumériques en données numériques pour CD audio, pour finalement obtenir les données audionumériques brutes.
[modifier] Méthode de fabrication
La fabrication industrielle d’un CD se fait suivant différentes étapes :
- Le prématriçage correspond à la transcription des informations du client sur une bande à 9 pistes, en passant par une phase de correction d’erreurs, et de formatage des fichiers au format ISO 9660 dans le cas d’un CD-ROM.
- Le but essentiel du prématriçage est le calcul du Code Détecteur et du Code Correcteur. Ces codes sont contenus sur 288 octets accolés à 2 Ko d’informations plus des informations de synchronisation et d’en-tête. Ce procédé permet de prévenir les erreurs de transmission.
- Une fois cette étape passée, il n’y a plus aucune modification des données à inscrire.
- La création du disque matrice, appelé aussi matrice de verre, consiste au marquage des données sur un disque de verre.
- Le point de départ du disque matrice est une vitre fortement polie, dont les caractéristiques de surface ressemblent de près à un miroir astronomique. Cette plaque de verre est couverte d’un substrat sensible à la lumière, appelé résine photosensible. La couverture de la plaque par un procédé de rotation (dépôt par centrifugation) assure une couche absolument plane et uniforme de 120 nm d’épaisseur. C’est l’épaisseur de cette couche qui détermine la profondeur des creux.
- L’inscription des données est effectuée grâce à un appareil émettant un rayon laser qui est activé et désactivé au rythme des informations. Le rayon ainsi modulé marque la couche photosensible de la plaque de verre.
- Le disque de verre est ensuite placé dans un bain de développement. Les emplacements altérés par le rayon sont lavés faisant ainsi apparaître les premiers creux.
- Après séchage du disque matrice suit la vaporisation sous vide d’une couche argentée de 100 nm, appelée galvanoplastie. À ce stade, le disque matrice est lisible par un lecteur spécial qui permet de contrôler la qualité de l’enregistrement.
- La galvanisation est une opération qui crée la matrice de production à partir de la matrice de verre.
- La matrice de verre est plongée dans un bain de galvanisation comportant une anode de nickel. La couche argentée de la matrice de verre est transformée en cathode. Le courant ainsi créé entraîne un déplacement des ions de nickel sur l’anode, couvrant peu à peu la plaque de verre d’une couche de nickel.
- La séparation de la couche de nickel de son support de verre amène la destruction de ce dernier. Si à ce stade de l’opération les normes de qualité ne sont pas respectées, tout le processus précédent est à refaire.
- La couche de nickel, copie tirée directement de la matrice de verre, est nommée original ou copie père : c’est une reproduction en négatif de l’original.
- Pour éviter une perte de cet original, on en fait une copie appelée copie mère, qui sert ensuite à tirer les sous-matrices.
- Les sous-matrices sont, comme l’original, des négatifs et servent à imprimer les données sur les disques en plastique pendant leur fabrication. Elles sont perforées au centre et polies à l’endos. La qualité du dos de la matrice a une grande influence sur le bruit qui sera perçu par les photorécepteurs des lecteurs de CD-ROM. La rugosité moyenne maximale est de 600 nm. Comme l’air, la propreté de l’eau est importante pour la qualité finale du produit.
- La fabrication en série des disques compacts peut se faire par moulage injection ou par pression. Ce premier principe consiste en l’injection du polycarbonate liquide dans la matrice ; le second système, a pour principe l’impression des cuvettes dans le disque encore chaud par pressage.
- Le polycarbonate a été retenu dans la conception des CD pour ses propriétés telles que la pureté optique, la transparence et un indice de réfraction constant.
- Les disques ainsi obtenus voient leur face marquée par les données, puis métallisée par une couche d’aluminium de 40 à 50 nm. Pour ce faire, l’aluminium est atomisé dans un espace sous vide, et se dépose lentement sur le disque. L’atomisation est obtenue par réchauffement, ou à froid, par un procédé de pulvérisation cathodique.
- La couche d’aluminium ainsi déposée est enfin protégée par l’application d’un vernis protecteur, à l’aide du procédé de dépôt par centrifugation. Le vernis devient ainsi une couche uniforme de 10 µm d’épaisseur.
- Avant conditionnement, une étiquette est imprimée sur le vernis par le principe de la sérigraphie.
- Un CD ainsi produit assure une longévité de l’ordre du siècle si toutefois il est bien traité par son propriétaire et ses successeurs. En comparaison, un CD-R a une durée de vie de l’ordre de la décennie, du fait de sa sensibilité aux rayons lumineux.
[modifier] Format audio
Le format de données, connu sous le nom de standard Red Book, a été dressé par Dutch Electronics du groupe Philips qui possède les droits du CDDA et du logo qui apparaît sur les disques. En termes techniques, il s’agit d’une piste stéréo encodée en PCM à une résolution de 16 bits (linéaire en amplitude, sans compression logarithmique des amplitudes hautes) avec une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz.
Les échantillons sont ensuite regroupés en frame, chaque frame comporte 6 échantillons stéréo (6×2×16 bits = 192 bits soit 24 octets), plus 8 octets de correction d’erreur et un 1 octet de subcode, soit un total de 33 octets par frame. Le code correcteur est ajouté pour permettre la lecture d’un disque rayé dans les limites du raisonnable, il s’agit de 2 code de Reed-Solomon à la suite et d’un entrelacement des données effectué entre les 2 codages. L’octet subcode est utilisé pour former 8 canaux de contrôle (chaque canal ayant un débit binaire de 7,35 kbps), dans le CD standard seul les 2 premiers canaux sont utilisés et servent pour indiquer les débuts de pistes, le temps, la pré-accentuation, l’autorisation de copie, le nombre de canaux (stéréo ou quadriphonie, mais bien que le bit d’indication de quadriphonie existe dans la norme, la façon dont ces canaux supplémentaires doivent être codés n’est pas définie et il n’est donc pas utilisé), les 6 autres canaux sont utilisés dans les extensions comme le CD+G (permet l’insertion des paroles pour les karaokés) ou le CD-Text (nom des pistes, auteurs, interprètes).
La fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz est héritée d’une méthode de conversion numérique d’un signal audio en signal vidéo pour un enregistrement sur cassette vidéo qui était le seul support offrant une bande passante suffisante pour enregistrer la quantité de données nécessaire à un enregistrement audionumérique (en) PCM Adaptor. Cette technologie peut stocker 6 échantillons (3 par canal en stéréo) par ligne horizontale. Un signal vidéo NTSC possède 245 lignes utilisables par trame et 59,94 champs par seconde qui fonctionnent à 44 056 échantillons par seconde. De même, un signal vidéo PAL ou SECAM possède 294 lignes et 50 champs qui permet aussi de délivrer 44 100 échantillons par seconde. Ce système pouvait aussi stocker des échantillons de 14 bits avec des corrections d’erreur ou des échantillons de 16 bits sans correction d’erreur. Il y eut donc un long débat entre Philips et Sony concernant la fréquence et la résolution de l’échantillonnage. Philips voulant utiliser le 44 100 Hz utilisé en Europe et une résolution de 14 bits ayant déjà développé des CNA 14 bits et Sony voulant imposer le 44 056 Hz utilisé au Japon et États-Unis et une résolution de 16 bits.
Anecdote : c’est donc pour ceci que les premières platines CD étaient équipées de CNA 14 bits (les TDA1540), Philips ayant trouvé le moyen de les utiliser en 16 bits par un suréchantillonnage 4×, le CNA fonctionnait donc à 176,4 kHz au lieu de 44,1 kHz et était précédé d’un filtre numérique. Cette fréquence 4 fois plus élevée permettait d’avoir un filtre passe-bas avec une pente beaucoup plus progressive qu’avec les CNA concurrents. Le comportement dans les fréquences proches de 20 000 Hz était plus linéaire avec moins de rotation de phase et le son en était d’autant plus pur.
[modifier] Capacité de stockage et vitesse
Les spécifications du disque compact recommandent une vitesse linéaire de 1,22 m/s et un pas entre les pistes de 1,59 µm. Cela conduit à un CD audio de 74 minutes sur un disque de 120 mm ou environ 650 Mo de données sur un CD-ROM.
Néanmoins, afin d’autoriser des variations dans la fabrication des supports, il y a une tolérance dans la densité des pistes. En fabriquant délibérément des disques de plus haute densité, on peut augmenter la capacité et rester très proche des spécifications du CD. En utilisant une vitesse linéaire de 1,1975 m/s et un pas entre les pistes de 1,497 µm, on atteint une nouvelle capacité maximale de 79 minutes et 40 secondes ou 702 Mio. Bien que ces disques possèdent une légère variation de fabrication, ils sont très souvent lus par les lecteurs et seul un très faible nombre de lecteurs les rejettent.
Il existe des disques enregistrables de 90 et 99 minutes, cela en augmentant la densité des pistes. Mais d’autres problèmes se présentent. Le premier est que la capacité maximale qu’un disque peut annoncer lui-même, en accord avec les spécifications du CD-R, est inférieure à 80 minutes. Le second est que les marqueurs de temps entre 90 et 99 minutes sur les disques sont normalement réservés pour indiquer au lecteur qu’il lit le début du disque et non la fin. Ces problèmes sont fonction des fabricants de disques, des graveurs et des logiciels de gravure. Cela signifie que les disques de plus de 80 minutes sont réservés à un marché de niche.
Une autre technique pour augmenter la capacité d’un disque est d’écrire dans le préambule et dans la fin du disque qui sont normalement prévus pour indiquer les limites du disque. Cela permet d’étendre la capacité d’une ou deux minutes, mais cela peut provoquer des problèmes de lecture quand la fin du disque est atteinte.
[modifier] Notes et références
- ↑ Compact Disc et ses dérivés Compact Disc ReWritable, Compact Disc Recordable et toutes leurs variantes sont des marques déposées propriété de la société Koninklijke Philips Electronics N.V.
[modifier] Voir aussi
[modifier] Articles connexes
- CD-I
- Crise du disque
- DVD (Disque numérique polyvalent)
- Lecteur de CD
- Super Audio CD
[modifier] Liens externes
- (fr) Tout sur la gravure de CD
- (fr) Comment réaliser une autoproduction ?
- (en) L’histoire du CD selon Philips
- (en) L’histoire du CD selon Sony
- (en) L’histoire du CD (The CD Story)[pdf] par Kees Immink
