Disque compact

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Un disque compact ou CD (abréviation du terme anglais Compact Disc) est un disque optique utilisé pour stocker des données sous forme numérique.

Sommaire 1 Principe de fonctionnement 2 Histoire 3 Types de disques 4 Détails physiques 5 Méthode de fabrication 6 Format audio 7 Capacité de stockage et vitesse 8 Voir aussi 8.1 Articles connexes 8.2 Lien externe

[modifier] Principe de fonctionnement

Le disque compact repose sur une méthode de lecture 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, 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 (mais surtout Philips qui a beaucoup investi dans la recherche sur l'enregistrement optique depuis les années 50), avec également la participation de Hitachi, pour l'audionumérique (CD audio) en 1979.

Philips développa le processus de fabrication basé sur leur expérience de la technologie du Laserdisc tandis que Sony contribua à la méthode de correction d'erreurs. 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 pour que la version la plus lente de la 9^e symphonie de Beethoven tienne sur un seul CD. Ceci à la demande de Herbert von Karajan, qui lui la dirigeait en ce temps précis. Sony raconte que c'est à la demande de l'épouse de son président, pour ces mêmes motifs.

La première production industrielle eut lieu en 1982 à Langenhagen près de Hanovre en Allemagne.

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 de reproduction sonore très supérieure aux cassettes audio et surtout aux disques vinyles - théorie.
• 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 cassettes 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 44.1kHz 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 ou la SABAM.

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 Extra : 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,...)
• 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. Ce type de disque n'est pas lisible sur tous les lecteurs de cd (autoradios, chaînes hi-fi,...). C'est ce type de disque que certaines majors créent en mettant le symbole "Copy-controlled".
• CD-R : Compact Disc Recordable, Disque inscriptible.
• CD-RW : Compact Disc Rewritable, Disque réinscriptible.
• CD+G : Compact Disc + Graphics, Disque compact et Images
• VCD
• SVCD

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 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, une 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 une 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 une alvéole et sur la surface plane. L'interférence destructive causée par cette réflexion réduit l'intensité de la lumière réfléchie dans une 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 prémastering
• La création du master de verre
• La fabrication des matrices de production
• La production en série

• Le prémastering 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 formar ISO9660 dans le cas d'un cédérom.

Le but essentiel du prémastering est le calcul de l'Error Detection Code et de l'Error Correction Code. Ces codes sont contenus sur 288 octets accolés à 2 Koctets d'informations plus des informations de synchronisation et d'en-tête. Ce procédé permet une correction des erreurs de données à 100% (les erreurs de programmation sont, elles, bien évidemment non détectées; il tient du client à fournir des applications opérationnelles). Une fois cette étape passée Il n'y a plus aucune modification des données à inscrire.

• La création du master de verre (glass mastering) appelée aussi mastering, consiste au marquage des données sur un disque de verre.

Le point de départ du master de verre 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 le Photoresist. La couverture de la plaque par le procédé Spincoating (enrobage en rotation), doit assurer une couche absolument plane de 120nm. C'est l'épaisseur de cette couche qui détermine la profondeur des cuvettes. L'inscription des données est effectuée grâce au Laserbeamrecorder, un appareil émettant un rayon laser qui est activé ou 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 premières cuvettes. Après séchage du master, suit la vaporisation sous vide, d'une couche argentée de 100nm. A ce stade, le master est lisible par un DiscMasterPlayer qui permet de contrôler la qualité de l'enregistrement.

• La galvanisation est une opération qui crée la martice de production à partir du master de verre.

Le master de verre est plongé dans un bain de galvanisation comportant une anode de nickel. La couche argentée du master 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 qualités ne sont pas respectées, tout le processus précédent est à refaire. La couche de nickel , copie tirée directement de master de verre, est nommée original ou père: c'est une reproduction en négatif du master. Pour éviter une perte de cet original, on en fait une copie appelée mère, qui sert ensuite à tirer les matrices. Les 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 sur leur dos. La qualité du dos de la matrice à une grande influence sur le bruit qui sera perçu par les photorécepteurs des lecteurs de CD-ROM. La rugosité moyenne maximale est de 600nm. Comme l'air, la propreté de l'eau est importante pour la qualité finale du produit.

• La fabrication en série des CD-ROM 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 à été retenu dans la conception des CD pour ses propriétés telles que la pureté optique, la transparence, et un index de réfraction constant. Les disques ainsi obtenus voient leur face marquée par les données, métallisée par une couche d'aluminium de 40 à 50nm. Pour cela, 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 appelé sputtering. La couche d'aluminium ainsi déposée est enfin protégée par l'application d'un vernis protecteur, à l'aide du procédé Spincoating. (méthode consistant à étaler le vernis par centrifugation). Le vernis devient ainsi une couche uniforme de 10µm 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 CDR (CD inscriptible) a, lui, 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.

La technologie Reed-Solomon error correction autorise la lecture d'un disque rayé dans la limite du raisonnable. Elle réduit l'échantillonnage à 13 bits, et utilise les 3 bits restant dans chaque échantillon pour y stocker un code correcteur d'erreurs.

L'inhabituelle 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 un moyen bien plus abordable pour stocker les données durant l'écriture des spécifications du CD audio. Cette technologie peut stocker 6 échantillons (3 par canal en stéréo) dans la zone noire cachée en fin de ligne horizontale. Un signal vidéo NTSC possède 245 lignes utilisables par trame (dont 1/2 ligne d'alternance de trame) et 60 champs par seconde qui fonctionne à 44 100 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. Cela a été au cœur du débat entre des échantillons d'une résolution de 14 ou 16 bits. Quand la décision a été arrêtée sur le 16 bits, un magnétoscope U-Matic modifié Sony PCM-1630 fut la première machine à enregistrer dans ce format.

L'extraction des données audios d'un disque compact (rip) est un procédé relativement complexe, il existe plusieurs méthodes :

• Burst
• Secure

L'informatique a permis au peuple de réaliser ces opérations au cours de la dernière décennie du XX^e siècle. Les éditeurs, craignant les copies illicites, ont réagi en mettant en place des systèmes de protection, incompatibles avec les spécifications originelles.

• le procédé Sony

[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 1,497µm, on atteint une nouvelle capacité maximale de 79 minutes et 40 secondes ou 702 Mo. 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.

Format audio
Analogique	Cylindre phonographique (1870s) - Gramophone record (1895) - Reel-to-reel audio tape recording (1940s) - Disque vinyle (1948) - Musicassette (1963) - 8-track (1964) - Microcassette (1969) - Elcaset (1976)
Numérique	Disque compact (1982) - Digital Audio Tape (1987) - MiniDisc (1991) - Digital Compact Cassette (1992) - Super Audio CD (1999) -

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

• Cédérom, pour la version de stokage de données informatiques sur disque compact
• DVD, technologie succédant progressivement aux disques compacts
• HD-DVD et Blu-ray Disc pour se renseigner sur les technologies succédant aux DVD
• Super Audio CD
• CD vif (live CD)

[modifier] Lien externe

• (fr) Tout sur la fabrication de CD et DVD!
• (fr) Tout sur la gravure de CD
• (fr) Comment réaliser une autoproduction ?