CD, CD audio et CD-ROM

Août 2016

Le Compact Disc a été inventé par Sony et Philips en 1981 afin de constituer un support audio compact de haute qualité permettant un accès direct aux pistes numériques. Il a été officiellement lancé en octobre 1982. En 1984, les spécifications du Compact Disc ont été étendues (avec l'édition du Yellow Book) afin de lui permettre de stocker des données numériques.

La géométrie du CD


Le CD (Compact Disc) est un disque optique de 12 cm de diamètre et de 1.2 mm d'épaisseur (l'épaisseur peut varier de 1.1 à 1.5 mm) permettant de stocker des informations numériques, c'est-à-dire correspondant à 650 Mo de données informatiques (soient 300 000 pages dactylographiées) ou bien jusqu'à 74 minutes de données audio. Un trou circulaire de 15 mm de diamètre en son milieu permet de le centrer sur la platine de lecture.

La composition du CD


Le CD est constitué d'un substrat en matière plastique (polycarbonate) et d'une fine pellicule métallique réfléchissante (or 24 carat ou alliage d'argent). La couche réfléchissante est recouverte d'une laque anti-UV en acrylique créant un film protecteur pour les données. Enfin, une couche supplémentaire peut être ajoutée afin d'obtenir une face supérieure imprimée.

couches de matériaux d\



La couche réfléchissante possède de petites alvéoles. Ainsi lorsque le laser traverse le substrat de polycarbonate, la lumière est réfléchie sur la couche réfléchissante, sauf lorsque le laser passe sur une alvéole, c'est ce qui permet de coder l'information.

Cette information est stockée sur 22188 pistes gravées en spirales (il s'agit en réalité d'une seule piste concentrique).

piste d\



Les CD achetés dans le commerce sont pressés, c'est-à-dire que les alvéoles sont réalisées grâce à du plastique injecté dans un moule contenant le motif inverse. Une couche métallique est ensuite coulée sur le substrat en polycarbonate, et cette couche métallique est elle-même prise sous une couche protectrice.

Les CD vierges par contre (CD-R) possèdent une couche supplémentaire (située entre le substrat et la couche métallique) composée d'un colorant organique (en anglais dye) pouvant être marqué (le terme brûler est souvent utilisé) par un laser de forte puissance (10 fois celle nécessaire pour la lecture). C'est donc la couche de colorant qui permet d'absorber ou non le faisceau de lumière émis par le laser.

couches de matériaux d\



Les colorants les plus souvent utilisés sont :

  • La cyanine de couleur bleue, donnant une couleur verte lorsque la couche métallique est en or
  • La pthalocyanine de couleur "vert clair", donnant une couleur dorée lorsque la couche métallique est en or
  • L'AZO, de couleur bleu foncé



Etant donné que l'information n'est plus stockée sous forme de cavité mais par une marque "colorée", une pré-spirale (en anglais pre-groove) est présente dans le support vierge afin d'aider le graveur à suivre le chemin en spirale, ce qui évite la présence d'une mécanique de précision sur les graveurs de CD-R.
D'autre part, cette spirale ondule selon une sinusoïdale, appelée wobble, possédant une amplitude de +/-0.03µm (30nm) et une fréquence de 22,05kHz. Le wobble permet de donner une information au graveur sur la vitesse à laquelle il doit graver. Cette information est appelée ATIP (Absolute Time in PreGroove).

Fonctionnement


La tête de lecture est composé d'un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) émettant un faisceau lumineux et d'une cellule photoélectrique chargée de capter le rayon réfléchi. Le laser utilisé par les lecteurs de CD est un laser infrarouge (possédant une longueur d'onde de 780 nm) car il est compact et peu coûteux. Une lentille située à proximité du CD focalise le faisceau laser sur les alvéoles.

Un miroir semi réfléchissant permet à la lumière réfléchie d'atteindre la cellule photoélectrique, comme expliqué sur le dessin suivant :

fonctionnement d\



Un chariot est chargé de déplacer le miroir de façon à permettre à la tête de lecture d'accéder à l'intégralité du CD-ROM.

On distingue généralement deux modes de fonctionnement pour la lecture de CD :

  • La lecture à vitesse linéaire constante (notée CLV soit constant linear velocity). Il s'agit du mode de fonctionnement des premiers lecteurs de CD-ROM, basé sur le fonctionnement des lecteurs de CD audio ou bien même des vieux tourne-disques. Lorsqu'un disque tourne, la vitesse des pistes situées au centre est moins importante que celle des pistes situées sur l'extérieur, ainsi il est nécessaire d'adapter la vitesse de lecture (donc la vitesse de rotation du disque) en fonction de la position radiale de la tête de lecture. Avec ce procédé la densité d'information est la même sur tout le support, il y a donc un gain de capacité. Les lecteurs de CD audio possèdent une vitesse linéaire comprise entre 1.2 et 1.4 m/s.
  • La lecture à vitesse de rotation angulaire constante (notée CAV pour constant angular velocity) consiste à ajuster la densité des informations selon l'endroit où elles se trouvent afin d'obtenir le même débit à vitesse de rotation égale en n'importe quel point du disque. Cela crée donc une faible densité de données à la périphérie du disque et une forte densité en son centre.


La vitesse de lecture du lecteur de CD-ROM correspondait à l'origine à la vitesse de lecture d'un CD audio, c'est-à-dire un débit de 150 ko/s. Cette vitesse a par la suite été prise comme référence et notée 1x. Les générations suivantes de lecteurs de CD-ROM ont été caractérisées par des multiples de cette valeur. Le tableau suivant donne les équivalences entre les multiples de 1x et le débit :

DébitTemps de réponse
1x150 ko/s400 à 600 ms
2x300 ko/s200 à 400 ms
3x450 ko/s180 à 240 ms
4x600 ko/s150 à 220 ms
6x900 ko/s140 à 200 ms
8x1200 ko/s120 à 180 ms
10x1500 ko/s100 à 160 ms
12x1800 ko/s90 à 150 ms
16x2400 ko/s80 à 120 ms
20x3000 ko/s75 à 100 ms
24x3600 ko/s70 à 90 ms
32x4500 ko/s70 à 90 ms
40x6000 ko/s60 à 80 ms
52x7800 ko/s60 à 80 ms

Le codage des informations


La piste physique est en fait constituée d'alvéoles d'une profondeur de 0,168µm, d'une largeur de 0,67µm et de longueur variable. Les pistes physiques sont écartées entre elles d'une distance d'environ 1.6µm. On nomme creux (en anglais pit) le fond de l'alvéole et on nomme plat (en anglais land) les espaces entre les alvéoles.

surface d\



Le laser utilisé pour lire les CD a une longueur d'onde de 780 nm dans l'air. Or l'indice de réfraction du polycarbonate étant égal à 1.55, la longueur d'onde du laser dans le polycarbonate vaut 780 / 1.55 = 503nm = 0.5µm.

La profondeur de l'alvéole correspond donc à un quart de la longueur d'onde du faisceau laser, si bien que l'onde se réfléchissant dans le creux parcourt une moitié de longueur d'onde de plus (un quart à l'aller plus un quart au retour) que celle se réfléchissant sur le plat.

De cette façon, lorsque le laser passe au niveau d'une alvéole, l'onde et sa réflexion sont déphasées d'une demi-longueur d'onde et s'annulent (interférences destructrices), tout se passe alors comme si aucune lumière n'était réfléchie. Le passage d'un creux à un plat provoque une chute de signal, représentant un bit.

C'est la longueur de l'alvéole qui permet de définir l'information. La taille d'un bit sur le CD, notée "T", est normalisée et correspond à la distance parcourue par le faisceau lumineux en 231.4 nanosecondes, soit 0.278µm à la vitesse standard minimale de 1.2 m/s.

D'après le standard EFM (Eight-to-Fourteen Modulation), utilisé pour le stockage d'information sur un CD, il doit toujours y avoir au minimum deux bits à 0 entre deux bits consécutifs à 1 et il ne peut y avoir plus de 10 bits consécutifs à zéro entre deux bits à 1 pour éviter les erreurs. C'est pourquoi la longueur d'une alvéole (ou d'un plat) correspond au minimum à la longueur nécessaire pour stocker la valeur OO1 (3T, c'est-à-dire 0.833µm) et au maximum à la longueur correspondant à la valeur 00000000001 (11T, soit 3.054µm).

Alvéoles

Standards


Il existe de nombreux standards décrivant la façon selon laquelle les informations doivent être stockées sur un disque compact, selon l'usage que l'on désire en faire. Ces standards sont référencés dans des documents appelés books (en français livres) auxquels une couleur a été affectée :

  • Red book (livre rouge appelé aussi RedBook audio): Développé en 1980 par Sony et Philips, il décrit le format physique d'un CD et l'encodage des CD audio (notés parfois CD-DA pour Compact Disc - Digital Audio). Il définit ainsi une fréquence d'échantillonnage de 44.1 kHz et une résolution de 16 bits en stéréo pour l'enregistrement des données audio.
  • Yellow book (livre jaune): il a été mis au point en 1984 afin de décrire le format physique des CD de données (CD-ROM pour Compact Disc - Read Only Memory). Il comprend deux modes :
    • CD-ROM Mode 1 , utilisé pour stocker des données avec un mode de correction d'erreurs (ECC, pour Error Correction Code) permettant d'éviter les pertes de données dûes à une détérioration du support
    • CD-ROM Mode 2, permettant de stocker des données graphiques, vidéo ou audio compressées. Pour pouvoir lire ce type de CD-ROM un lecteur doit être compatible Mode 2.
  • Green book (livre vert): format physique des CD-I (CD Interactifs de Philips)
  • Orange book (livre orange): format physique des CD inscriptibles. Il se décline en trois parties :
    • Partie I: le format des CD-MO (disques magnéto-optiques)
    • Partie II: le format des CD-WO (Write Once, désormais notés CD-R)
    • Partie III: le format des CD-RW (CD ReWritable ou CD réinscriptibles)
  • White book (livre blanc): format physique des CD vidéo (VCD ou VideoCD)
  • Blue book (livre bleu): format physique des CD extra (CD-XA)

Structure logique


Un CD-R, qu'il soit audio ou CD-ROM, est constitué, d'après le Orange Book, de trois zones constituant la zone d'information (information area) :

  • La zone Lead-in Area (parfois notée LIA) contenant uniquement des informations décrivant le contenu du support (ces informations sont stockées dans la TOC, Table of Contents). La zone Lead-in s'étend du rayon 23 mm au rayon 25 mm. Cette taille est imposée par le besoin de pouvoir stocker des informations concernant un maximum de 99 pistes. La zone Lead-in sert au lecteur de CD à suivre les creux en spirale afin de se synchroniser avec les données présentes dans la zone programme
  • La zone Programme (Program Area) est la zone contenant les données. Elle commence à partir d'un rayon de 25 mm, s'étend jusqu'à un rayon de 58mm et peut contenir l'équivalent de 76 minutes de données. La zone programme peut contenir un maximum de 99 pistes (ou sessions) d'une longueur minimale de 4 secondes.
  • La zone Lead-Out (parfois notée LOA) contenant des données nulles (du silence pour un CD audio) marque la fin du CD. Elle commence au rayon 58 mm et doit mesurer au moins O.5 mm d'épaisseur (radialement). La zone lead-out doit ainsi contenir au minimum 6750 secteurs, soit 90 secondes de silence à la vitesse minimale (1X).



zones lead-in et lead-out du CD



Un CD-R contient, en plus des trois zones décrites ci-dessus, une zone appelée PCA (Power Calibration Area) et une zone PMA (Program Memory Area) constituant à elles deux une zone appelé SUA (System User Area).

La PCA peut être vue comme une zone de test pour le laser afin de lui permettre d'adapter sa puissance au type de support. C'est grâce à cette zone qu'est possible la commercialisation de supports vierges utilisant des colorants organiques et des couches réfléchissantes différents. A chaque calibration, le graveur note qu'il a effectué un essai. Un maximum de 99 essais par media est autorisé.

Systèmes de fichiers


Le format de CD (ou plus exactement le système de fichiers) s'attache à décrire la manière selon laquelle les données sont stockées dans la zone programme.

Le premier système de fichiers historique pour les CD est le High Sierra Standard.

Le format ISO 9660 normalisé en 1984 par l'ISO (International Standards Organization) reprend le High Sierra Standard afin de définir la structure des répertoires et des fichiers sur un CD-ROM. Il se décline en trois niveaux :

  • Niveau 1 : Un CD-ROM formaté en ISO 9660 Level 1 ne peut contenir que des fichiers dont le nom est en majuscule (A-Z), pouvant contenir des chiffres (0-9) ainsi que le caractère "_". L'ensemble de ces caractères est appelé d-characters. Les répertoires ont un nom limité à 8 d-characters et une profondeur limitée à 8 niveaux de sous-répertoires. De plus la norme ISO 9660 impose que chaque fichier soit stocké de manière continue sur le CD-ROM, sans fragmentation. Il s'agit du niveau le plus restrictif. Le respect du niveau 1 permet ainsi de s'assurer que le média sera lisible sur un grand nombre de plates formes.
  • Niveau 2 : Le format ISO 9660 Level 2 impose que chaque fichier soit stocké comme un flux continu d'octets, mais permet un nommage de fichiers plus souple en acceptant notamment les caractères @ - ^ ! $ % & ( ) # ~ et une profondeur de 32 sous-répertoires maximum.
  • Niveau 3 : Le format ISO 9660 Level 3 n'impose aucune restriction de noms de fichiers ou de répertoires.



Microsoft a également défini le format Joliet, une extension au format ISO 9660 permettant d'utiliser des noms de fichiers longs (LFN, long file names) de 64 caractères comprenant des espaces et des caractères accentués selon le codage Unicode.

Le format ISO 9660 Romeo est une option de nommage proposée par Adaptec, indépendante donc du format Joliet, permettant de stocker des fichiers dont le nom peut aller jusqu'à 128 caractères mais ne supportant pas le codage Unicode.

Le format ISO 9660 RockRidge est une extension de nommage au format ISO 9660 lui permettant d'être compatible avec les systèmes de fichiers UNIX.

Afin de pallier les limitations du format ISO 9660 (le rendant notamment inapproprié pour les DVD-ROM), l'OSTA (Optical Storage Technology Association) a mis au point le format ISO 13346, connu sous le nom de UDF (Universal Disk Format).

Les méthodes d'écriture


  • Monosession : Cette méthode crée une seule session sur le disque et ne donne pas la possibilité de rajouter des données ultérieurement.
  • Multisession : Contrairement à la méthode précédente, cette méthode permet de graver un CD en plusieurs fois, en créant une table des matières (TOC pour table of contents) de 14Mo pour chacune des sessions
  • Multivolume : C'est la gravure Multisession qui considère chaque session comme un volume séparé.
  • Track At Once : Cette méthode permet de désactiver le laser entre deux pistes, afin de créer une pause de 2 secondes entre chaque piste d'un CD audio.
  • Disc At Once : Contrairement à la méthode précédente, le Disc At Once écrit sur le CD en une seule traite (sans pause).
  • Packet Writing : Cette méthode permet la gravure par paquets.

Caractéristiques techniques


Un lecteur CD-ROM est caractérisé par les éléments suivants :

  • Vitesse: la vitesse est calculée par rapport à la vitesse d'un lecteur de CD-Audio (150 Ko/s). Un lecteur allant à 3000Ko/s sera qualifié de 20X (20 fois plus rapide qu'un lecteur 1X).
  • Temps d'accès : il représente le temps moyen pour aller d'une partie du CD à une autre.
  • Interface : ATAPI (IDE) ou SCSI ;

Outils


A voir également :


CD, CD audio and CD-ROM
CD, CD audio and CD-ROM
CD, CD de audio y CD-ROM
CD, CD de audio y CD-ROM
CD, Audio CD und CD-ROM
CD, Audio CD und CD-ROM
CD, CD audio e CD-ROM
CD, CD audio e CD-ROM
CD, CD audio e CD-ROM
CD, CD audio e CD-ROM
Ce document intitulé «  CD, CD audio et CD-ROM  » issu de CommentCaMarche (www.commentcamarche.net) est mis à disposition sous les termes de la licence Creative Commons. Vous pouvez copier, modifier des copies de cette page, dans les conditions fixées par la licence, tant que cette note apparaît clairement.