I CD audio

Quando vogliamo associare la musica ad un computer lo strumento più classico per unire i due è sicuramente il CD audio.

Il compact disc come supporto di memoria è stato inventato nel 1979, congiuntamente dalle aziende Sony e Philips, e pochi anni dopo, il 17 agosto 1982, è stato commercializzato per la prima volta.
Per quanto riguarda il suo uso per registrare musica il primo CD musicale ad essere messo in commercio fu “The Visitors”, del gruppo svedese degli Abba.









Il CD rappresenta tuttora uno standard per la fedeltà audio, ha soppiantato i dischi in vinile e i nastri magnetici per praticità d'uso ed economicità. Addirittura ha retto la concorrenza con la musica compressa, che pur garantendo un ridottissimo ingombro in memoria e un'alta velocità di scambio tra gli utenti della rete sacrifica la qualità.

Com'è fatto un CD?

L'aspetto esteriore del cd audio è ben noto a tutti, invece le sue specifiche tecniche prevedono una capacità massima di 747 MB, per un dato audio stereofonico con codifica LPCM. Si tratta di un metodo di rappresentazione che suddivide l'onda sonora a piccoli intervalli di tempo (nello specifico è stata scelta una frequenza di campionamento di 44,1kHz) per memorizzare il segnale audio analogico con una serie di stati quantizzati (in modo simile a come un integrale approssima l'andamento di una curva). La dimensione di ogni singolo campione è standard di 16 bit, quindi tenendo conto dello spazio occupato per la correzione d'errore, questo limita la capacità massima di registrazione a 74 minuti.

Il segnale è scritto sul supporto in codice binario, una striscia arrotolata lunga 5 km di zone “scure” e “chiare” che possono essere lette da una testina laser ed interpretate come 1 o 0.
Poiché non vi è 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 di qualche frammento di informazione. Per ovviare al problema sono adottate tecniche di correzione dell'errore e ridondanza dei dati. Le due stringhe (canale destro e sinistro) di campioni di 16 bit vengono così elaborate:

• Innanzitutto i dati corrispondenti ai due canali stereo sono intercalati tra loro.
• Dopodiché la sequenza è scomposta in spezzoni di 8 bit su cui viene effettuata la codifica EFM (Eight-to-fourteen modulation, ossia modulazione da 8 a 14 bit) per impedire che si abbiano sequenze consecutive troppo lunghe di zero o uno e contemporaneamente aumentare la ridondanza di informazione.
• Ai 14 bit ottenuti vengono aggiunti altri 3 bit di sincronizzazione, arrivando così a 17 bit.

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).
In questo modo i blocchi di controllo sono sufficientemente dispersi da permette di ricostruire i dati mancanti a causa di un ampio difetto sulla superficie del disco.

Dobbiamo ricordare che tutte queste operazioni verranno poi compiute in senso inverso dal lettore, che in tempo reale dovrà ricostruire la sequenza originale di 16 bit per campione per canale.

Oltre a questo, però, in un CD audio sono memorizzate anche altre informazioni riguardanti la musica. Questa volta però non è possibile udirle, sono le didascalie che indicano titolo, autore, nome album etc. che il lettore CD può scrivere sul suo display durante la riproduzione. Prendono il nome di CD-TEXT.

Come funziona la testina?

Questa è certamente la parte più complessa ed innovativa del lettore compact disk. Diversamente da tutti i precedenti sistemi di riproduzione audio, la testina non tocca la superficie del supporto, ciò permette una minore usura dello stesso ma introduce nuovi problemi perché deve essere mantenuta allineata e alla giusta distanza attraverso l'uso di una ulteriore logica di controllo.

Un altro problema è la necessità di mantenere costante il flusso di dati letto dalla testina. Essendo l'informazione binaria scritta a spirale, per forza a velocità angolare costante i bit più vicini al centro verranno letti più lentamente di quelli sul bordo. Se la logica di controllo prendesse via via i bit letti e li traducesse in musica si avrebbero grossi problemi e la musica risulterebbe distorta.
Una soluzione è quella di variare la velocità angolare di rotazione col variare della posizione della testina, alla quale viene aggiunto un buffer FIFO, una memoria in cui i dati entrano da un 'lato' e vengono prelevati dall'altro. Mentre la testina legge e “accumula” dati in memoria il prelievo di dati avviene ad un ritmo costante. La combinazione di questi due metodi permette di compensare in modo eccellente anche piccole variazioni causate da attriti, vibrazioni ed imprecisione del motore che spinge il CD.

Conversione analogico–digitale e viceversa

Come già detto, in fase di registrazione il suono (inizialmente un segnale analogico) deve essere campionato e convertito in bit. Invece quando il suono memorizzato deve essere riprodotto il segnale campionato a 16 bit deve essere ricondotto a una forma d'onda analogica.

Ad effetturare la conversione tra un valore di tensione variabile nel tempo e un numero che lo rappresenta è un convertitore analogico–digitale (ADC), ad operare il contrario è un convertitore digitale–analogico (DAC). In particolare il segnale (variabile tra due estremi +V e -V) viene quantizzato secondo 65535 livelli di tensione, un numero memorizzabile in uno spazio di 16 bit.

Fonti: Wikipedia (CD Audio)