Le CD Audio

A - Historique

Le CD (Compact Disc) a été inventé par les firmes Philips et Sony qui ont travaillé ensemble en 1978. Peu après, Hitachi les a rejoint pour finaliser le CD audio.

Les membres de l’équipe de développement étaient nombreux mais on peut retenir, P.Kramer, K.A.Shouhamer Immink (Philips), T.Doi(Sony) et M.Motro (Hitachi).

Les premiers prototypes ont été produit par Philips, il mesuraient 115mm de diamètre et le type de codage retenu était sur 14 bits pour une capacité de 60 minutes. Sous la pression de Sony, le diamètre passera à 120 mm, le codage évoluera sur 16 bits pour une durée de 74 minutes*.

En 1980, le « Red Book » (Livre rouge) précise les spécifications techniques du nouveau disque et le partage des brevets. Philips détient la conception du CD et celles des lentilles de lecture et Sony le format utilisé et la méthode de correction d’erreurs.

Le produit définitif fut annoncé en août 1982. La production industrielle démarra immédiatement, à Langenhagen, en RFA.

Un des premiers albums produit fut un composition de Richard Strauss, dirigée par Herbert Von Karajan et l’orchestre philarmonique de Berlin, « Une symphonie alpestre » ainsi que « The visitors » (Polygram, label de Philips) du groupe ABBA.

La première platine (Sony CDP 101) fut livrée au Japon début octobre 1982. On lui avait joint le disque « 52nd street » de Billy Joel. Philips avec son lecteur CD100 suivra.

Le CD ne s’impose pas rapidement, le lecteur et les disques sont chers et le grand public considère que ce format est réservé aux mélomanes car le catalogue contient avant des œuvres classiques. Il faut attendre 1985, pour que sous l’impulsion de l’album « Brothers in arms » de Dire Straits (réalisé de façon entièrement numérique) face explosé la vente de CD.

En 1986, les ventes de platines CD dépassent celles des platines vinyles et en 1988, les ventes de CD dépassent celles des microsillons. Les premiers éditeurs indépendants vont faire leur apparition et la grande distribution ne vas pas tarder à s’emparer du marché, le prix des CD devenant raisonnable et à la portée d’un clientèle beaucoup plus large.

Les propriétés qui ont amené le CD à s’imposer sont son absence d’usure lors de la lecture, sa taille (12 cm – Un format 8 cm fera également son apparition) et sa qualité, qui théoriquement, est supérieure aux microsillons ou aux cassettes.

Il faut noter que sur les premiers CD, de nombreux enregistrements possédaient des défauts d’échantillonnage qui donnaient une écoute très agressives notamment dans les aigus. A l’époque on maîtrisait encore assez mal le filtrage fréquenciel numérique lors des enregistrements.

*Une anecdote circule depuis les débuts de l’apparition du CD audio, disant que c’est grâce à Herbert Von Karajan que la durée est passée à 74 minutes. En effet ce dernier voulait faire tenir sur un seul CD sa version de la 9ème symphonie de Beethoven, enregistrée au festival de Bayreuth en 1951. L’épouse du PDG de Sony de l’époque aurait également œuvrée dans ce sens. Cela n’est pas vérifié mais plusieurs témoins de l’époque confirment cette thèse.  

 

B – Le support

L’épaisseur d’un CD peut varier de 1,1 à 1,5mm.

Le trou central a un diamètre de 15mm. Le substrat en en polycarbonate sur lequel est déposé une très fine pellicule métallique (épaisseur : inférieur à 0,1 micron), elle même recouverte d’une laque acrylique anti UV de protection (épaisseur : de 5 à 10 microns). Cette dernière peut être recouverte d’une couche d’impression (épaisseur : environ 5 microns).

La lecture se fait par le biais d’un faisceau laser qui vient se réfléchir au travers du substrat sur les parties de la couche métallique qui ne comporte pas d’alvéoles. Lors du passage du faisceau dans une alvéole celui-ci n’est pas renvoyé, c’est de cette façon que les informations sont codées.

Le CD ne comporte qu’une seule piste concentrique, comme un disque microsillon, gravée en spirale.

Les CD commerciaux sont produits industriellement par injection et pressage dans un moule depuis un master-glass obtenu (obtenu par electroforming) contenant un motif inverse des alvéoles créées sur l’original.

Les CD vierges que l’on peut graver (CD-R – Compact Disc Recordable et CD-RW – Compact Disc ReWritable), ne reposent pas sur le même principe, ils comportent une couche supplémentaire, placée entre le substrat et la couche métallique qui est composée d’un colorant organique (dye) pouvant être brûler par un faisceau laser de forte puissance.

Cette dernière absorbe le faisceau laser aux endroits ou elle a été brûlée. Cette couche de colorant est elle même encadrée de 2 couches diélectriques très minces qui servent d’isolant.

Les colorants utilisés sont principalement la phtalocyanine de couleur verte, la cyanine de couleur bleue et l’AZO de couleur bleu foncé.

Pour assister le graveur lors de la phase d’enregistrement, une spirale (pre-groove) est déjà présente sur le support vierge. Ce dispositif permet de pallier au manque de précision que possède le système de gravure.

Cette spirale ondule selon une sinusoïde (wobble) qui informe en permanence le graveur sur sa vitesse.

 

C – Structure d’un CD/CD-R

Six zones sont présentes :

1. La zone « Clamping Area »
2. La zone « Stacking ring »
3. La zone « Power Calibration Area et Program Memory Area » (PCA/PMA)
4. La zone « Lead-In Area » (LIA)
5. La zone « Program Area »
6. La zone « Lead-Out Area » (LOA)

La zone 1 est présente sur tous les types de CD. Les zones 4, 5 et 6 sont présentes sur les CD Audio (défini au sein du « Red book ») Les zones 2, 3, 4 , 5 et 6 sont présentes sur les CD-R et RW (défini au sein du « Orange book »)

La zone de serrage (clamping) qui est destiné à la fixation et la tenue du CD au sein du lecteur qui s’étend sur un rayon allant de de 13 à 16,5mm. L’anneau de stockage (stacking ring) est une zone existant sur certains CD, notamment les CD-R et CD-RW (CD-R – Compact Disc Recordable : CD enregistrable, CD-RW – Compact Disc ReWritable : CD réinscriptible) qui forme une petite crête en surépaisseur. Sa fonction est d’éviter les rayures sur les disques lorsqu’ils sont empilés pour leur stockage ou dans un lecteur automatique.

La zone PMA/PCA existe uniquement sur les CD-R et les CD-RW, la première sert de zone test pour effectuer des tests de puissance pour la gravure et la seconde indique si le disque est finalisé ou non. Le graveur stocke à cet emplacement une table des matières provisoires des contenus du CD. Elle s’étend dans un rayon allant de 22,35mmm à 23mm.

La LIA contient des informations décrivant le support et son contenu (TOC – Table Of Content : Table des matières). Elle s’étend dans un rayon compris entre 23 et 25mm

La zone de programme contient les données, elle s’étend dans un rayon allant de 25mm à 58mm. Elle peut contenir jusqu’à 99 sessions (pistes) dont la longueur doit être supérieure ou égale à 4 secondes.

La LOA contient des données nulles qui indiquent la fin du CD. Elle s’étend dans un rayon allant de 59mm à 120mm et doit mesurer 0,5mm de large. Elle peut contenir au maximum 90 secondes de silence à la vitesse de référence (1X). Cette zone n’est écrite que lorsque la session de fermeture du CD est exécutée.

 

D – Codage des données

La piste en spirale est constituée d’alvéoles d’une profondeur égale à 0,168 micron que l’on nomme pit (creux) et d’une largeur de 0,67 micron. Leur longueur par contre est variable mais est au minimum égale à 0,83 micron. L’écartement entre les tours de la spirale vaut 1,6 micron.

Les espaces non creusés, entre les alvéoles, sont appelés land (plat). Lorsque le faisceau laser passe d’un pit à un land, cela provoque une modification du signal réfléchi qui représente 1 bit.

La longueur de l’alvéole définie la valeur de l’information. Elle est interprétée par le lecteur, en fonction de la vitesse, dont le standard de référence est 1,2 m/s. Pour un bit la longueur de l’alvéole est de 0,278 micron.

E – Livre rouge et livre orange

Le Red book (Livre rouge) définit le standard des CDDA ou CD-DA (Compact Disc Digital Audio). La première édition a été réalisée par Philips et Sony. Une seconde édition a été publié en 1999. Dans ce document on trouve l’intégralité des paramètres utilisés par un CD audio : système optique, système de modulation (EFM : Eight to Fourteen Modulation), système de correction d’erreurs, etc.

Il précise également que le codage des informations est réalisé suivant 2 canaux sur 16 bits de type PCM (Pulse Code Modulation) échantillonnés à 44 100 Hz. Cette fréquence est nécessaire pour couvrir une largeur de bande de 22 050 Hz (fréquence de Nyquist : la moitié de la fréquence d’échantillonnage) suffisante pour enregistrer des signaux audio de la bande audible. Les valeurs que peuvent prendre un échantillon sont comprises entre -32 768 et + 32 767.

L’Orange book (Livre orange) est réservé au CD-R et CD-RW. Il a été publié en 1990 et est divisé en trois parties. La partie 1 pour les disques magnéto-optiques, la partie 2 pour les CD-R et la partie 3 pour les CD-RW. Il inclut toutes les informations et les paramètres relatifs à la mise en place, la lecture et l’enregistrement des données sur le support.

Bibliographie :

• CD-Recordable handbook – Dana J.Parker et Robert A.Starrett – Pemberton Press
• Compact Disc – Frederic P.Miller, Agnes F.Vandome, John McBrewster – Alphascript publishing
• The compact disc – Erik S.Schetina – Prentice Hall