TOUR D'HORIZON SUR LA TECHNOLOGIE DU CD

Sans l'invention du laser, le CD n'existerait pas. Grâce à un rayon focalisé, centré, étroit et de forte intensité,
le laser permet de détecter et de traiter très précisément le passage de millions d'informations minuscules à travers la surface d'un disque en rotation.
Ce procédé ne génère aucun frottement, puisque la détection est basée sur la mesure de déphasage d'un rayonnement lumineux.
Cette technique permet une compression de données considérable, du fait de la fiabilité et de la précision du rayon laser centré,
qui est capable d'atteindre à la vitesse de la lumière les plus infimes parties de la surface du disque. Ce procédé ne fonctionne pas seulement
parce que le mécanisme du laser est capable d'acquérir des signaux de cette façon,
mais aussi parce que le laser est l'élément dans la procédure de gravure qui joue le premier rôle, par sa capacité d'enregistrement extrêmement précise.

La lumière naturelle ou artificielle est constituée de photons qui se déplacent suivant des ondes aléatoires,
même s'ils proviennent d'un rayonnement lumineux de fréquence identique.
On dit que le système est incohérent, ce qui signifie que les ondes lumineuses vont dans toutes les directions.
Par contre, la lumière associée à des faisceaux laser est un phénomène cohérent.
Une lumière cohérente, composée d'ondes à fréquence déterminée, est ainsi très utile pour les applications scientifiques.
Cette lumière est ainsi créée grâce à une émission stimulée d'un rayonnement, d'où le nom de laser :

light amplification by stimulated emission of radiation.

Le faisceau laser (fig.1) d'un lecteur de CD ROM (Read Only Memory),
d'une puissance extrêmement faible de l'ordre de 1mW (corps actif arséniure de gallium), est dirigé sur le disque en rotation
dont le pouvoir de réflexion en chaque point est codé en fonction de l'information(son, images, signaux informatiques,...)
à restituer, et la lumière reflétée passe à travers une lentille et atteint une photodiode.
fig.1
Les données à la surface du disque sont codées sous la forme de microcuvettes(découpées dans le disque>)
et de plats(qui sont au niveau de la surface du disque) (fig.5).
Un minuteur logique couplé à la photodiode permet de calculer la distance que parcourt la lumière lorsqu'elle rencontre la surface du disque
et lorsqu'elle rencontre une microcuvette. Cette technique constitue la base du stockage d'informations et de lecture sur un CD ROM.
Comme tout élément digital, la succession de microcuvettes et de plats(transformés en 0 ou 1 par la photodiode)
peut représenter les éléments analogiques les plus complexes, comme une séquence sonore, vidéo, graphique, etc.

Caractéristiques du disque
Le compact-disc (CD) a un diamètre de 12cm et pèse 14g environ.
Sa capacité de stockage est de 650 Mo en général(680 Mo pour les données exclusivement audionumériques)
soit une capacité équivalente à 20 volumes d'une encyclopédie ou bien 74 mn de musique
( Il existe aussi des CD ROM de 680 Mo ou 80 mn).
Le CD est à la base constitué (fig.2) d'une matière plastique nommé polycarbonate.
fig2
Comme mentionné précédemment, les cavités sont nommées microcuvettes, et forment une spirale continue sur l'ensemble de la surface.
Elles sont séparées par les plats. Un film en aluminium réfléchissant la lumière est appliqué sur cette surface et épouse la forme du relief de la structure.
Cette couche est extrêmement mince, de l'ordre de quelques angströms(10-10 m).
Pour la préserver des chocs et rayures et ne pas détériorer la structure des données, on applique une couche de laque ou de vernis
(qui ne gène pas le passage du rayon laser).

Transformer les microcuvettes en données
A aucun moment le mécanisme de lecture du laser ne vient toucher le disque, toute l'information étant transmise par la réflexion du rayon laser.
L'idée fondamentale est que le rayon met un certain temps lorsqu'il est réfléchi par le disque, mais qu'il met encore plus de temps lorsqu'il rencontre une microcuvette.
La hauteur de cette dernière correspond au ¼ de la longueur d'onde de la lumière du laser.
Le passage de la surface du disque à une microcuvette, et vice versa, est un signal de transition ou de déphasage.
Il est représenté par la valeur binaire 1. Sans signal de transition, on applique la valeur 0 (fig.5).

Pour déterminer le nombre de 0, le lecteur de CD-ROM utilise un mécanisme d'horloge identique à celui utilisé lors de la lecture du disque dur,
appelé Run Leengh Limitted.

CD enregistrables
Les CD enregistrables sont différents des CD standard sur plusieurs points.
Ainsi, un CD enregistrable est vide, sans données, et constitué seulement d'une rainure en forme de spirale(incorporée à la couche de polycarbonate)
qui marque le chemin de la tête du rayon laser enregistreur (fig.2).
La couche d'aluminium est remplacée par une fine couche de couleur or, qui non seulement offre à sa surface une meilleure réflexion du rayonnement,
mais qui possède en plus une meilleure résistance à l'usure. Une autre couche, constituée d'une teinture organique, située entre le polycarbonate
et la couche or, sert lors de l'enregistrement. Comme pour les CD-ROM standard, une couche de vernis assure au support une meilleure résistance.
Le lecteur enregistreur a besoin d'un rayon laser beaucoup plus focalisé et plus intense pour être capable de graver les données.
Lors de l'enregistrement, le rayon traverse la couche plastique et chauffe la teinture au fur et à mesure de la transmission des données.
La teinture se soulève à l'endroit ou le rayon la chauffe et forme une bosse apparente dans la couche en or(fig.5).
Cette bosse correspond donc à une microcuvette d'un CD-ROM standard.
Le lecteur de CD-ROM interprète ces bosses de la même manière que les microcuvettes.
Aussi, pour éviter toute confusion entre ces deux concepts, il a été convenu par les constructeurs de ne conserver que le terme microcuvettes ou pits en anglais.

Tour d'Horizon de la technologie du CD
A l'aide d'un répertoire qui identifie les fichiers du CD et qui classe leur chemin d'accès, toute information peut-être trouvée rapidement.
Cette forme d'accès aléatoire possède certaines similitudes avec la technique du disque dur,
mais il existe certaines différence dont nous parlerons plus loin dans ce chapitre.
Le temps nécessaire pour retrouver une information est appelé temps d'accès. Le temps d'accès d'un CD-ROM est sensiblement supérieur à celui d'un disque dur.
Le taux de transfert des données est une autre caractéristique importante d'un lecteur.
Dans la plupart des cas il est plus important que le temps de transfert pour déterminer les performances.
Un lecteur 6x transfère environ 900Ko de données par seconde.
L'espérance de vie de données sur CD est estimée de 10 à 25 ans contre 6 à 12 ans pour les bandes magnétiques.
Mais ce support sera-t-il toujours utilisé avec l'évolution constante des technologies ?

Stockage des données sur CD (fig.3)

Les données stockées sur CD ne ressemblent pas à celles des disques durs qui se trouvent sur des cercles concentriques(pistes).
Elles prennent place sur une spirale continue, ressemblant au sillon d'un disque vinyle (inverse)
et sont partitionnées en pistes comme pour le DD (mais artificiellement), du centre vers l'extérieur..
On sait que chaque piste du disque dur contient un nombre identique de secteurs qui possèdent une adresse.
La régularité de la disposition des pistes et des secteurs ainsi que la vitesse constante du disque dur permettent de contrôler la position de la tête de lecture.
Cette technique favorise un temps d'accès rapide (CAV constant angular velocity).
Pour le CD-ROM la technique est différente. Des pistes y sont construites de manière artificielle, bien que l'on se trouve sur une spirale de données,
et cette spirale est partitionnée en secteurs qui sont espacés de manière régulière et qui contiennent une adresse permettant de les identifier (voir rouge).
Les secteurs du cœur du CD contiennent des informations détaillées sur les fichiers dans un répertoire et une table des chemins d'accès.
La vitesse du CD varie afin de s'assurer que les données soient lues à un taux constant.
Aussi le disque est-il toujours en phase d'accélération et de ralentissement afin de s adapter à un taux constant de lecture des données.
Cette technique est appelée vitesse constante linéaire(CLV constant linear velocity).
Les pistes sont plus compressées que sur un D.D (On compte 16000 données /pouce aulieu de quelques centaines).
Le contenu physique d'un DD est disposé sous forme concentrique, utilisant chacune un format de secteur identique.
Le système de fichier est constamment mis à jour et maintenu dans une table d'allocation de fichier(FAT).
En comparaison, la session unique d'un CD dispose d'une seule table des matières, écrite une fois pour toutes.
Les multisessions bâtissent une structure ouverte qui se réfère au contenu de fichiers précédemment enregistrés.
La multisession répond au standard jaune, cependant, les fabriquant ne l'interprètent pas tous de la même façon.

GENEALOGIE DES STANDARDS
La meilleure façon d'appréhender l'historique des standards du CD-ROM est d'en consulter l'arbre généalogique (fig.7).

. Sans CD audio, il n'y aurait pas de CD-ROM. La technologie n'a cessé de se développer depuis la normalisation définie par Sony et Philips au début des années 80.
Il est plus simple d 'enregistrer de la musique numérique que des données informatiques.
En effet, un morceau de musique n'ont pas à être exemptes d'erreurs puisque l'oreille humaine n'est pas assez sensible pour les déceler.
Par contre, les données informatiques exigent une précision absolue. L'absence d'un bit de données dans une instruction modifiera complètement sa nature.
On est victime de ce que l'on appelle une PLANTE !
Durant les premières phases, Sony et Philips détectèrent un très faible taux d'erreur ce qui les incita à penser
que la technique utilisée pour la musique pouvait permettre le stockage de données informatiques. Le CD-ROM était né!
Les standards du Livre jaune furent déterminés pour aller au-delà du standard audio du livre rouge.

Composants logiques et physiques
Les standards qui spécifient le stockage et l'organisation des fichiers sur un CD-ROM possèdent chacun des composants logiques et physiques :

* Le format logique impose deux règles : la dimension des données et le système d'organisation.
Combinées, ces règles permettent l'accès par l'ordinateur aux données du CD.
*Le formatage physique détermine comment les données sont physiquement structurées sur le support ou,
en d'autres termes, définit le mécanisme qui indique comment les données sont écrites sur les CD et comment on peut les atteindre.

Ces composants sont au cœur des différents standards et furent mis en place pour unifier la production de CD.

Standards des CD
Le standard d'origine du CD, le livre rouge, n'a cessé d'évoluer. Cette évolution fut marquée par le développement de la technique dite multisession,
qui permet d'indexer un CD-R selon une structure de données évitant l'obligation d'une gravure unique.
Une fois n'est pas coutume mais on a évité la guerre des standards pour le CD.
Une commission a décidé de respecter un cahier des charges définissant les standards des CD.
Ces standards ont été développés pour permettre la mise au format numérique d'un grand nombre de données.
Dès l'arrivée de nouveaux besoins, des corrections sont apportées aux standards précédents.
C'est ainsi que l'on peut écouter un CD digital audio sur son PC tout en travaillant.
Un lecteur de CD peut lire des CD audio, des CD à la norme ISO 9660(reconnue par toutes les plates- formes),
les CD Kodak et surtout le standard CD-ROM XA, mode mixte (synchronisation rapide du son avec des autres données), etc.
Cette frénésie technologique a malgré tout créé des incompatibilités avec les lecteurs de 1ere génération( par ex. le standard XA ou Kodak)
Le plus simple des formats de CD est pour le CD audio, défini par le standard du Livre rouge.

Le CD audio comprend seulement 2 couches : 0 et 1.
La plus basse couche(0) est la couche logique (structures des bits et des octets).
La couche 1, le bloc physique(ou secteur) définit les adressages du CD.
L'architecture des CD-ROM se compose de 4 couches : 2 pour l'organisation physique des données
et 2 autres qui permettent l'organisation logique des fichiers et leur adresse. La couche 0 est identique à celle de l'audio.
La couche 1 inclut en plus une gestion des erreurs (détail plus loin). Les pistes 2 et 3 spécifient l'organisation des fichiers.
Ces spécifications supplémentaires sont décrites dans le Livre Jaune.
Depuis l'origine, les spécifications se sont enrichies pour rendre possible des applications jusqu'alors irréalisables sur CD-ROM.
Cet élargissement du standard n'a provoqué que quelques incompatibilités et l'évolution du CD-ROM est resté très sage.

SOMMAIRE CDrom

RETOUR vulgarisation