CD audio et CD-ROM, comment ça marche ?

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Crao
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CD audio et CD-ROM, comment ça marche ?

Message par Crao »

Bonjour à tous,

Nous utilisons tous fréquemment ces deux types de supports, mais peu d'entre nous ont une idée de leur fonctionnement. J'ai récupéré une description de ces supports dans un livre que j'avais acheté à la fac. Tout ce qui suit est tiré de ce livre.

Bonne lecture :-D




« Ces dernières années ont vu l'apparition sur le marché d'un nouveau type de disque, le disque optique (en opposition à magnétique), qui offre une capacité de stockage très largement supérieur à celle d'un disque magnétique (en considérant un seul plateau d'un disque dur). À l'origine, les disques optiques furent développés pour réaliser des enregistrements de programmes de télévision, mais leur intérêt s'est fait rapidement sentir en informatique comme mémoire secondaire de forte capacité de stockage sous un faible encombrement. En raison de leur importante capacité de stockage, les disques optiques ont fait l'objet de nombreuses recherches afin d'améliorer leurs performances et de les rendre accessibles à tous les systèmes.

La première génération fut inventée par le groupe hollandais Philips pour l'enregistrement de films vidéo. Ces disques, qui faisaient 30 cm de diamètre, étaient commercialisés sous la marque LaserVision. Mais, hormis au Japon, ces disques n'ont pas eu le succès escompté.

En 1980 Philips et Sony créèrent ensemble un nouveau disque, le compact disque ou CD appelé également CD audio, afin de concurrencer le disque de musique en vinyle à 33 tours 1/3. Les spécifications techniques du CD audio ont fait l'objet d'une norme internationale de l'ISO qui les a publiées sous la référence IS 10139. Le fait que ces CD audio soient normalisés permit à tous les les lecteurs de CD de les lire sans difficultés. Les CD audio font 120 mm cd diamètre et 1,2 mm d'épaisseur, et ont un trou central de 15 mm de diamètre. Depuis leur apparition sur le marché ces CD ont eu un énorme succès. Ils ont constitué les premiers supports de musique enregistrée sous forme numérique sur le marché grand public. Leur durée de vie est estimée à 100 ans.

L'élaboration d'un CD commence par la réalisation d'un disque, appelé disque maître, qui est percé de minuscules trous de l'ordre d'un micron provoqués par échauffement local avec un laser à haute énergie. À partir de ce maître, on réalise une matrice (un moule), qui sert à la fabrication, par pressage ou emboutissage, de nombreux « disques fils » dans une matière à base de verre. Cela ressemble beaucoup à la fabrication des microsillons. Une mince pellicule d'aluminium est déposée sur le disque fils (ou substrat), puis une pellicule de protection plastique dur transparent est déposée sur l'aluminium. Enfin le label (étiquette) est collée sur le CD. Les minuscules trous du substrat sont appelés les microcuvettes (tips), les zones sans trous sont des zones-planes (lands).

La lecture d'un CD se fait par un rayon laser de faible puissance et de 0,78 micron de longueur d'onde dirigé sur la surface d'aluminium. Un détecteur reçoit et mesure l'énergie du rayon réfléchi. Les microcuvettes et les zones planes du substrat entraînent des différences de réflectivité qui sont mises en valeur par le détecteur. Diverses méthodes sont possibles pour associer les 1 et les 0 à la lecture des zones-planes et des microcuvettes (il s'agit de méthodes de codage). On associe souvent un 1 à une transition « microcuvette/zone-plane » ou « zone-plane/microcuvette » et un 0 à une zone-plane.

Les microcuvettes et les zones-planes sont inscrites sur une spirale continue contrairement aux disques magnétiques où les informations sont écrites sur des pistes circulaires concentriques. La spirale se déploie du bord du trou central jusqu'à proximité du bord extérieur du disque (à environ 32 mm du bord). La spirale fait 22 188 révolutions autour du disque (environ 600 spires par millimètre). En déroulant cette spirale, on obtiendrait une ligne de 5,6 km de long.

Afin de permettre une écoute uniforme et de qualité de la musique enregistrée sur un CD audio il est nécessaire que les microcuvettes et les zones-planes défilent à vitesse constante. En conséquence, la vitesse de rotation du disque doit être réduite de façon continue à mesure que la tête de lecture (sur laquelle se trouve le laser et le détecteur) se déplace sur la spirale du centre vers le bord extérieur du disque. Au centre du disque, la vitesse de rotation est de 530 tours/mn pour obtenir le flux d'information désiré à 120 cm/seconde ; à proximité du bord extérieur du disque est de 200 tours/mn pour offir le même flux d'information et la même vitesse de lecture de la tête. Une vitesse de lecture constante est un concept différent de celui d'un disque magnétique qui fonctionne lui à vitesse angulaire constante indépendamment de la piste au-dessus de laquelle se trouve la tête magnétique. Il en est de même de la vitesse de rotation du CD qui est très largement différente de celle d'un disque magnétique qui tourne lui entre 3 600 et 7 200 tours/mn.

En 1984, Philips et Sony, à nouveau, réalisèrent un CD qui permettait de stocker des données informatiques. Ils publièrent les spécifications techniques de ce nouveau produit, qu'ils appelèrent CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory) dans le Livre jaune, Yellow Book. Afin de positionner les CD-ROM sur le marché des lecteurs de CD audio ils définirent un produit qui avait les même dimensions physiques, la même mécanique de lecture et le même dispositif de lecture optique que le CD audio. De même, la fabrication des CD-ROM relevait du même processus industriel que celle des CD audio. En conséquence, ces décisions de compatibilité imposèrent au disque de fonctionner à une faible vitesse de rotation.

Les spécifications techniques du livre jaune définissent entre autres l'organisation et le format des enregistrements de données sur le disque ainsi que la méthode de détection/correction d'erreur qui est utilisée. En effet, si l'on admet que des erreurs sont sans importance lorsqu'on écoute la musique d'un CD audio, car on ne les entend pas, il n'en est pas de même des ordinateurs qui ne se satisfont pas de la moindre erreur de bit sur un fichier de programme ou d'informations provenant d'un CD-ROM.

Sur un CD-ROM, on encode les octets (8 bits) dans des symboles de 14 bits. 14 bits sont amplement suffisants pour encoder un octet selon un code de Hamming ; en fait deux bits sont inutilisés. En réalité tous les bits sont utilisés car on utilise un code similaire à Hamming, mais beaucoup plus performant. Une table de mappage établit une correspondance immédiate entre un symbole de 14 bits et un octet. Au niveau supérieur on associe les symboles par groupe de 42 symboles pour former une trame de 588 bits. Chaque trame contient 192 bits de données (24 octets). Les 396 bits restant sont utilisés pour la détection/correction d'erreur et pour des mécanismes de contrôle. Ce schéma est le même pour les CD audio et pour les CD-ROM.

Dans le livre jaune on définit un secteur de CD-ROM constitué d'un groupe de 98 trames. Chaque secteur de CD-ROM commence par un préambule de 16 octets. Les 12 premiers octets valent 00FFFFFFFFFFFFFFFFFFFF00 (en hexadécimal). Cela permet au lecteur de repérer le début d'un secteur. Les trois octets suivant contiennent le numéro de secteur, qui permet à la tête de lecture de se positionner correctement sur le secteur désiré. Le mécanisme de positionnement de la tête sur le bon secteur est une opération plus complexe que celle d'un disque magnétique. Pour effectuer le positionnement de la tête, le logiciel du contrôleur du disque CD-ROM calcule approximativement l'emplacement qu'elle doit rejoindre, puis lance le déplacement de la tête vers cette position avant de commencer à chercher le préambule du secteur désiré en arrivant autour de cette position approximative. Le dernier octet du préambule définit un « mode » ; deux modes sont définis dans le Livre jaune.

Le mode 1 utilise le format décrit précédemment, avec un préambule de 16 octets, 2 048 octets de données et 288 octets pour la détection/correction d'erreur ; le code utilisé est un code de Reed-Solomon. Le mode 2 combine les champs données et ECC (code détecteur et correcteur d'erreur) en un seul champ de 2 336 octets pour des applications qui n'ont pas besoin d'effectuer de détection/correction d'erreur comme par exemple l'audio et la vidéo. Notez que pour obtenir une excellente fiabilité, on utilise trois mécanismes de détection/correction d'erreur : sur un symbole, sur une trame et sur un secteur du CD-ROM. Les erreurs d'un bit sont corrigés par le mécanisme de plus bas niveau, les erreurs de bloc par le mécanisme de niveau trame et les erreurs résiduelles au niveau secteur. Le prix à payer pour assurer cette fiabilité revient à prendre 98 trames de 588 bits (soit 7203 octets) pour disposer d'une charge utile dans le secteur de 2 048 octets, ce qui représente un rendement de 28% seulement. »

Architecture de l'ordinateur 4° édition (1999)
Andrew Tanenbaum
ISBN 2 10 005158 X

madorre
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Message par madorre »

Vraiment intéressant.
Merci Crao
Allez une petite histoire :

Le standard numérique 16bit /44100 kHz qui techniquement peu paraitre un peu juste pour coder de la musique, est en fait un compromis.
Il ne fait aucun doute qu'à l'époque déjà les concepteurs connaissaient ses limites. Mais il leur fallait un standard compatible avec les moyens de l'électronique grand public d'alors.
A sa sortie le lecteur cd, technologie vraiment nouvelle coutait déjà très cher.
Il a fallu attendre 1985/86 pour commencer à trouver des lecteurs abordables.

On peut se poser la question suivante: pourquoi ne pas avoir attendu quelques années (disons 5/6 ans par exemple) et sortir un format vraiment compatible avec la musique? par ex:24bit/88kHz, ou mieux 24bit/192kHz? et on n'en parlait plus?
La réponse est toute simple, le CD n'était pas le seul en course. Il existait je au moins deux autres concurrents en préparation. Dont notamment un de Telefunken je crois...
Trois participants, mais clairement un seul gagnant!!!
Échaudés par la récente raclée sur les standards de la cassette vidéo (le V2000 Philips et le Sony Betamax balayés par le VHS de JVC) on comprend que Sony et Philips aient voulu mettre toutes les chances du coté du CD (et amortir leurs investissements) en devançant les autres.

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Crao
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Message par Crao »

madorre a écrit :ou mieux 24bit/192kHz ?
À propos du 192 kHz, tout le monde n'est pas d'accord sur utilité, voir que ça peut être contre-productif par rapport au 96 kHz :

http://www.forum.audioaddict.fr/viewtopic.php?t=316

madorre
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Message par madorre »

Le 192 c'est de la foutaise ok, mais le 96 laisse une certaine marge de manœuvre fort appréciable. 60kHz suffiraient, mais autant rester dans les multiples. :wink:
A mon simple avis personnel, il vaudrait mieux quand même garder ce qui tourne autour des 20/25kHz. Ensuite le théorème de Shannon-Niquist reste de la théorie (démontrée là pas de problèmes), mais on sait souvent ce que la théorie sur papier donne en pratique avec les petites dérives inévitables.
Avec les capacités actuelles des processeurs et systèmes stockage, passer à 96kHz nous donne cette marge confortable sans être obligé de taper dans du Hi-end.
Le lien que tu indiques possède d'ailleurs une chouette explication du fonctionnement de l'échantillonnage, de ses limites (et possibilités :wink:)
solidement étayée.

reglisse
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Message par reglisse »

Si déjà on avait de 16bit /44100 kHz non compressé...

madorre
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Message par madorre »

Ben, j'y pensais ou moins de MP3.... bon remarque, quand les cassettes audio sont sorties, et plus tard ,au début 80, quand les magnétophones à bandes ont commencés à disparaitre des catalogues, au profit justement des platines cassettes les audiophiles de l'époque devait avoir le même raisonnement que nous sur le MP3 aujourd'hui.
Modifié en dernier par madorre le sam. 20 déc. 2008 21:58, modifié 1 fois.

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Message par Crao »

Remarque madorre que le MP3 ne compresse pas du tout la dynamique.

madorre
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Message par madorre »

Oui, mais comme ça à été compressé à mort au mastering...puis passé en MP3 après :mrgreen:
Mais ne vaudrait t'il pas finalement avoir la pleine dynamique d'une bonne cassette, ou les truc compact d'aujourd'hui presque toujours collés plafond en full 16Bit? mais là c'est un autre sujet.

C'est tout de même une drôle d'évolution... on dispose aujourd'hui de moyens techniques extraordinaire, qui ferait baver d'envie tout les ingénieurs d' il y à peine 20 ans .On peut pour pas cher faire du 24bit, avec des supports qui ne coutent pas un bras etc etc... Et on assiste, au développement massif de format comme le MP3... puis quand on pourrait avoir du 16 bit propre en 44kHz, on massacre le signal musical en le compressant comme des gorets.

tof
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Message par tof »

madorre a écrit :On peut se poser la question suivante: pourquoi ne pas avoir attendu quelques années (disons 5/6 ans par exemple) et sortir un format vraiment compatible avec la musique? par ex:24bit/88kHz, ou mieux 24bit/192kHz? et on n'en parlait plus?
a l'époque, les chipset n'étaient tout simplement pas capable d'avoir un échantillonage 24 bits avec un aussi grand sprectre. il aurait fallu tout un ordninateur puissant pour traiter de la simple musique avec une telle configuration.
madorre a écrit : Avec les capacités actuelles des processeurs et systèmes stockage, passer à 96kHz nous donne cette marge confortable sans être obligé de taper dans du Hi-end.
j'ai notement plusieurs morceaux en dts 24/96, ça marche plutot bien.
après le dts hdma et ses 24/96 sur 8 canaux et possibilité d'aller jusqu'a 24 bits et 192kH font plutot figure de démonstration.
Bon si le son vaut la peine, c'est plutot pas mal a entendre, surtout pour des enceintes precises comme les cabasse.

comme madore disait, c'est dommage de developper le mp3 pour faire de la M, bon, vu les julien doré, c'est sur qu'il n'y a pas besoin d'un grand taux d'échantillonage et d'une grande plage de fréquence.

man
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Message par man »

Super boulot Crao sur l'histoire de cette petite galette qui au final reste très"musical"mais d'ailleurs il serait aussi interessant de voir l'évolution des lecteurs CD qui ont changé et qui sont devenus musical...moins froid...les premières platines n'ont rien à voir avec ce que l'on entend aujourd'hui...

didier
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Message par didier »

bonjour à tous

Bon là on discute entre personne qui ont de vrai HP dans de vrai enceinte

Mais la plupart des gens qui écoute du MP3 trouve ça bien mais dés que je leur fait écouter un CD sur ma chaine ils se rendent compte de la différence et alors ton JULIEN COMMENT DEJA :lol: puis une ou un chanteuse/chanteur qui a de la voie il y a plus "PHOTO" ils sont dégouter meme si ils n' aiment pas l'autre artiste

Ils sont obliger de reconnaitre que leur MP3 c'est pas térrible du tout :lol:

Alors "con"primer pour écouter en voyage OK encore que personellement je préfere pas écouter du tout :wink:

à plus didier

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Message par madorre »

Encore qu'il y a MP3 et MP3 le taux de compression joue beaucoup.
Entre un 320 et un 128 il y a un fossé.
Et je ne parle même pas des MP3 "pirates", issus de CD, mais extrait à la hussarde, et qui déjà avant d'être compresses ont subit une perte non négligeable coté audio. mais je crois que l'on s'égare là. On parlait du CD

didier
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Message par didier »

Bonjour à tous

Effectivement on s' égare un peu beaucoup de gens n'exploite pas le potentiel du CD actuel avec nombre de chaine HIFI indigne de ce nom donc 16 Bits et 44 Khz faut déjà les exploiter correctement :wink:

à plus didier :lol:

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Message par Crao »

Salut man,
man a écrit :Super boulot Crao sur l'histoire de cette petite galette qui au final reste très"musical"mais d'ailleurs il serait aussi interessant de voir l'évolution des lecteurs CD qui ont changé et qui sont devenus musical...moins froid...les premières platines n'ont rien à voir avec ce que l'on entend aujourd'hui...
L'article traite surtout du codage des données sur le support physique, et également de la différence entre CD audio et CD-ROM : le CD audio ne contient pas la troisième couche de détection/correction d'erreur et il est donc moins fiable. En contre partie il est possible d'y mettre plus de données (un secteur CD-ROM fait 2 048 octets, alors qu'un secteur CD audio en fait 2 352).

Après en effet, les lecteurs ont fait pas mal de progrès avec le temps. En particulier les premières platines Phlips ne travaillaient qu'en 14 bits.

man
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Message par man »

Salut Crao,

Ca lui fait quelle âge,25 ans...si je ne dis pas de bêtises...belle prouesse et toujours en rayon! :wink:

didier
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Message par didier »

Bonsoir à tous

Lancement officiel 1982 donc ça fait 26 ans et ce n' est pas prés de s'arreter vue le nombre de lecteur en service à travers le monde :wink:

à plus didier :wink:

à plus didier

tof
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Message par tof »

ce qui est sur, c'est que le format 12cm n'est pas pret de mourir, l'abandon des laser discs de grand diamètre pour un retour au 12cm puis le sacd, le HD-dvd et le blu-ray dans ce format montre que le disque 12 cm est bien reel.
le cd, je ne sais pas si il tiendra longtemps, mais un disque de ce diamètre est prevu pour durer.

madorre
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Message par madorre »

+1 Tof pour le 12cm.
Quand au reste....
Le fait est, que les standards qui devaient le remplacer on du mal à s'imposer.
Le DVD à payé cher son manque de compatibilité au départ entre ses différentes version, et cela à été pires pour les autres standard qui ont suivis.
Signe des temps. Les constructeurs semblent avoir de plus en plus de mal à se mettre d'accord.
Du coup plusieurs systemes sont en compétition, ce qui prend du temps, et le vainqueur fragilisé n'a pas le temps de s'installer solidement qu'il est déjà presque dépassé.

man
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Message par man »

En attendant aujourd'hui le CD reste le support le plus répandu et le plus qualitatif actuellement pour écouter de la musique. :wink:

jima
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Message par jima »

et le plus abordable

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