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Supporti ottici - Supporti sonori digitali

22.3. Supporti ottici

Questi supporti sfruttano il principio della riflessione della luce per accedere ai dati memorizzati. Nel seguito di questa sezione faremo riferimento al supporto ottico più utilizzato che è il Compact Disc.

Supporto ottico: CD
Supporto ottico: CD

Prima di andare avanti diamo due definizioni riguardo alla velocità di rotazione dei supporti che incontreremo nel seguito.

  • CAV (Constant Angular Velocity - velocità angolare costante): In questo caso il disco su cui sono memorizzate le informazioni ruota con velocità costante. Questo consente un accesso ai dati veloce ma non permette di utilizzare lo spazio disponibile per la memorizzazione in maniera efficiente. I dati infatti vengono disposti lungo delle circonferenze concentriche all'interno del disco; per avere sempre lo stesso numero di dati letti dalla testina nell'unità di tempo sarà necessario inserire meno dati nelle circonferenze più esterne e più dati in quelle interne (gli Hard Disc dei computer lavorano in questa modalità).

    Formato dei dati in modalità CAV

    Formato dei dati in modalità CAV

  • CLV (Constant Linear Velocity - velocità lineare costante): In questo caso la distribuzione dei dati non ha bisogno di essere costante in quanto la velocità di rotazione varia in funzione della posizione della testina (la lettura di dati da Compact Disc viene effettuata in questa modalità). I dati saranno dunque distribuiti uniformemente su tutta la superficie del supporto:

    Formato dei dati in modalità CLV
    Formato dei dati in modalità CLV

    Il supporto viene inciso utilizzando un raggio laser che crea dei pozzi (pits) sulla sua superficie; le parti che non vengono incise prendono il nome di terre (lands). L'andamento delle incisioni segue quello del segnale digitale da memorizzare, in particolare la transizione da una terra a un pozzo (o viceversa) corrisponde allo stato 1 mentre l'assenza di transizioni corrisponde allo stato 0. La figura seguente illustra questo fatto:

    Incisioni su un supporto ottico
    Incisioni su un supporto ottico

    La profondità delle buche è pari a λ/4 dove λ è la lunghezza d'onda dell'onda incidente. In questo modo l'onda che penetra all'interno di una buca e viene riflessa compie un percorso pari a λ/2 (2* λ/4) e questo significa cancellazione di fase dunque l'onda riflessa cancella l'onda incidente. Quando invece l'onda incidente incontra una terra, viene semplicemente riflessa. In questo modo si riproducono i due stati 1 e 0 attraverso la presenza o meno di un'onda riflessa. La lettura del supporto ottico avviene dunque attraverso un raggio laser che viene spedito sulla superficie del supporto e di cui si misura l'onda riflessa per mezzo di un fotodiodo[82]:

    Lettura dei dati da un supporto ottico
    Lettura dei dati da un supporto ottico

    I dati sul CD sono distribuiti su un'unica traccia a spirale che parte dal centro del CD stesso. Come detto la velocità di rotazione è di tipo CLV. Le velocità massima e minima sono le seguenti:

    Interna: 500 rpm

    Esterna: 200 rpm

    La larghezza della traccia a spirale è di 0.6 ÎŒm mentre la larghezza delle buche che vengono incise è di 1.6 ÎŒm.

22.3.1. Lo standard CD audio

Anche se il CD audio [Vedi: Supporti ottici] non è più il supporto principale col quale viene fruita la musica, rimane uno standard di riferimento per le specifiche relative alla digitalizzazione del suono. Le grandezze standard dell'audio digitale sono frequenza di campionamento e bit di quantizzazione. Per i CD audio tali grandezze sono pari a:

Tabella 22.1. Specifiche del formato CD Audio

frequenza di campionamento44.1KHz
bit di quantizzazione16 (65536 intervalli)

Campionare un segnale ad una certa frequenza f significa estrarre dal segnale f campioni al secondo. Nel caso di un segnale audio campionato con qualità di CD, vengono estratti 44100 campioni ogni secondo. Ogni campione viene rappresentato da un numero binario a 16 bit. Dunque un segnale stereo produce ogni secondo il seguente numero di campioni:

2 (stereo) x 16 (bit) x 44100 (campioni) = 1411200 bit/s che in bytes diventa: 1411200/8 = 176400bytes = 172.26KB

Dunque, campionare per un secondo un segnale stereo 'costa' in termini di memoria di massa, 172 Kb. Un normale CD può registrare 74 minuti dunque ha:

176.26 (Kb/s) x 60 (sec)x74min = 764Mb

dedicati alla memorizzazione dei dati audio.

22.3.2. Tracking

La testina ottica che legge (scrive) il (sul) CD deve puntare esattamente sulla verticale su cui sono disposti i dati. È possibile, date le ridottissime dimensioni in gioco, che questo allineamento non sia perfetto impedendo una corretta lettura dei dati. Questo può succedere sia perché la traccia dati si sposta leggermente rispetto alla verticale sia perché il disco intero può inclinarsi per qualche motivo pregiudicando l'allineamento. Per questo si implementano due sistemi di correzione che adattano di volta in volta il puntamento del laser verso la traccia dati.

  • Horizontal Tracking : Tracciamento orizzontale - Interviene quando la traccia dati si sposta dalla verticale del laser. Viene realizzato aggiungendo due raggi laser laterali a quello centrale. L'intensità della riflessione dei laser laterali viene costantemente monitorata e deve essere sempre la stessa, quando ciò non è più vero la testina viene spostata finché non viene ripristinato il corretto allineamento.

    Esempio di tracking orizzontale
    Esempio di tracking orizzontale
  • Vertical Tracking : Tracciamento verticale - Si verifica quando l'intero disco si inclina. Questa situazione viene controllata mediante due ulteriori raggi laser incrociati: se si verifica un disallineamento la testina viene spostata fino a raggiungere di nuovo la corretta posizione.

    Esempio di tracking verticale
    Esempio di tracking verticale

22.3.3. Stampa di CD

La stampa di CD è un procedimento molto costoso che prevede molte fasi di lavorazione che ci apprestiamo a descrivere. Il processo di masterizzazione di CD fatto utilizzando un computer dotato di masterizzatore è completamente diverso e incomparabile dal punto di vista della qualità. Dunque i CD masterizzati ottenuti come copia di un CD originale hanno una qualità di gran lunga inferiore. Alla base, il motivo risiede nel fatto che la precisione dell'incisione ottenuta con il procedimento di stampa è molto maggiore di quella ottenuta mediante la copia dall'originale ottenuto dalla masterizzazione in cui viene invece utilizzato un laser per realizzare l'incisione. Ciò detto vediamo nel dettaglio le varie fasi del procedimento di stampa di CD con riferimento alla figura seguente:

Processo di stampa dei CD
Processo di stampa dei CD

  1. Un disco di materiale plastico viene levigato.

  2. Il disco viene ricoperto con un materiale fotoresistivo ossia che permette l'incisione tramite un raggio laser.

  3. Lo strato esterno del disco viene inciso con un raggio laser che traduce in segnali ottici i dati relativi al segnale audio da memorizzare.

  4. Lo strato risultante dall'operazione di incisione viene ripulito.

  5. Il master così ottenuto viene ricoperto da uno strato di argento.

  6. Viene aggiunto uno strato di nichel.

  7. Il master così ottenuto viene chiamato padre ed è una copia negativa. Questa copia viene utilizzata per la creazione di un master positivo (madre) fatto di nichel e argento.

  8. A partire dalla madre vengono creati gli stampi.

  9. Ogni stampo funge da matrice per la stampa in serie dei normali CD che vengono incisi a pressione e poi ricoperti di uno strato di alluminio che assicura una buona riflessione. A partire dalla madre vengono creati gli stampi da inviare in giro per il mondo a ogni filiale della catena di distribuzione che dunque sarà in grado di stampare i propri CD a partire da questa matrice.

  10. Viene aggiunto un ultimo strato di policarbonato con il duplice scopo di proteggere la superficie del disco da graffi e ossidazioni e di fungere da lente di ingrandimento per il laser che legge le incisioni presenti sul disco. Questa fase viene eseguita localmente in ogni filiale e consiste nella stampa vera e propria dei CD destinati ai negozi.

22.3.4. Formato dei dati su CD

I dati vengono memorizzati su CD in un determinato formato che li suddivide in tre sezioni:

  • Lead In : si trova nella parte più interna del disco e contiene una descrizione dei brani presenti come il loro numero, la loro durata, la durata complessiva del disco.

  • Data Block : sono in sostanza i campioni del segnale digitale, che trasportano l'informazione sonora vera e propria.

  • Lead Out : consiste in una serie di bit che indicano la fine del CD.

La sezione Data Block contiene come detto i dati relativi al segnale audio memorizzato. L'organizzazione dei dati è abbastanza elaborata per ottenere diverse finalità. Vediamole nel dettaglio. Anzitutto il flusso di bit viene esteso in quanto il sistema a laser non permette transizioni tra i due stati (0 e 1) troppo ravvicinate. Dunque ogni parola da 8 bit viene convertita in una parola a 14 bit tramite un algoritmo definito come modulazione 8-14 applicato sia in fase di scrittura (codifica) che in fase di lettura (decodifica) in modo da ridurre la frequenza delle transizioni. I dati da memorizzare (prima che venga applicato l'algoritmo appena descritto) sono suddivisi in frame (sezioni). Ogni frame contiene i primi 8 bit che sono a disposizione del costruttore per inserire dati riguardanti la traccia (il suo numero, la sua durata). Successivamente vengono inseriti nel frame 6 campioni audio, 3 per il canale sinistro e 3 per il canale destro (ossia 6 x 16 bit = 96 bit). Infine vengono aggiunti i bit di parità

.

Il controllo di parità serve a verificare l'integrità di una sequenza di byte. Si attua aggiungendo alla fine di una sequenza di bit una serie di bit aggiuntivi di controllo. Per esempio, supponiamo di inviare i 3 seguenti byte:

00100101

11100100

01001010

Se eseguiamo la somma binaria sulle colonne possiamo calcolare se il risultato è pari o dispari e indicarlo con un bit aggiuntivo. Per esempio la prima colonna partendo da sinistra è 010, dunque la somma da un risultato dispari che indicheremo con 1. Seguendo lo stesso procedimento per ogni colonna avremo gli 8 bit di parità seguenti:

10001011

In ricezione i bit di parità vengono confrontati con i byte ricevuti e se non c'è corrispondenza significa che si è verificato un errore dunque viene richiesta di nuovo la spedizione della sequenza di byte. Questo tipo di controllo è molto veloce e semplice da implementare anche se non garantisce la sicurezza della rilevazione degli errori. Aggiungendo altri bit di controllo è possibile realizzare algoritmi più sofisticati per il controllo e la correzione degli errori.

Un frame generico ha la forma seguente:

Organizzazione dei dati in un frame
Organizzazione dei dati in un frame

I dati vengono distribuiti lungo una spirale non in modo sequenziale ma spezzettati in diverse zone del disco. Dunque i dati relativi a un singolo brano musicale si trovano disseminati in diverse zone del disco. In questo modo se un granello di polvere o altro impedisce la lettura dei dati in una certa zona il danno viene minimizzato. Questo sistema di distribuzione dei dati prende il nome di CIRC (Cross Interleaving Reed-Solomon Code ):

Quando ascoltiamo un CD impolverato o rovinato a volte non percepiamo nessuna degradazione del suono (in realtà la degradazione c'è; solo che per avvertirla occorre un impianto adeguato e un ascolto attento). Questo è possibile grazie a un sistema di correzione degli errori presente nei lettori CD che ricalcola i campioni mancanti (perché per qualche motivo non è stato possibile leggerli, come polvere, graffi, sussulti del disco) di una sequenza inserendo dei campioni che dovrebbero somigliare a quelli originari. Se per esempio in una sequenza manca un campione, la sua ampiezza può essere estrapolata come media del campione precedente e del successivo. È chiaro che più campioni mancano più è approssimativa la loro ricostruzione. Quando non è possibile eseguire il calcolo, in quanto i campioni mancanti sono troppi, viene prodotto un silenzio finché la lettura non ricomincia a funzionare correttamente.

22.3.5. Governing Books

Lo stesso supporto CD viene impiegato per la memorizzazione di molteplici tipologie di dati tra i quali i dati audio. Le specifiche relative al formato di ciascun tipo sono contenuti in documenti di riferimento ufficiali che prendono il nome di Governing Books . Ogni libro è identificato da un colore e definisce le specifiche relative ad un dato formato. Vediamoli nel dettaglio:

  • RED BOOK

    CD Audio : alcune delle specifiche sono la codifica dei 16 bit di quantizzazione di tipo PCM e la frequenza di campionamento pari a 44.1 KHz.

    CD+G : utilizzati per il Karaoke. Permettono di incorporare il testo dei brani all'interno dei dati audio.

  • YELLOW BOOK

    CD-ROM : CD destinati alla memorizzazione di dati in diversi formati (audio, video, testo, immagini). Uno dei parametri definiti dallo standard è la capacità fissata a 650Mb.

    CD-ROM XA (eXtended Architecture): i dati vengono distribuiti sul disco in una modalità simile alla CIRC vista per i CD-Audio.

  • GREEN BOOK

    CD-I : sono CD interattivi che contengono informazioni in diversi formati (audio, video, immagini).

    Sony PlayStation : per i giochi della famosa consolle.

  • ORANGE BOOK

    CD-R : Compact Disc Recordable, sono CD su cui è possibile scrivere i dati una volta sola.

  • WHITE BOOK

    Video CD : supporti per la memorizzazione di film in formato compresso MPEG.

    Photo CD : e' un formato messo a punto dalla Kodak per la memorizzazione di immagini fotografiche.

  • BLUE BOOK

    Enhanced Music CD :spesso chiamato soltanto CD-Enhanced, CD-Extra o semplicemente CD-Plus o CD+. Il CD Enhanced Music è un CD con due sessioni. La prima sessione contiene i dati audio così come sono definiti dallo standard CD Audio (Red Book), la seconda sessione contiene dati (Yellow Book). Sullo stesso CD, quindi, oltre ai dati audio possono essere memorizzate anche delle informazioni.

22.3.6. Il DVD

Il DVD è un tipo di disco ottico il cui funzionamento è simile a quello dei normali CD e consente una capacità di immagazzinamento dei dati molto maggiore (8.5 Gb equivalenti a 13 CD). Un disco DVD è composto da 4 strati principali: uno spesso strato in policarbonato su cui poggiano i rimanenti strati. Segue uno strato opaco più fino composto da materiale riflettente. Sopra di questo di trova un sottile strato trasparente e infine uno strato protettivo in plastica. Pozzi e terre (pits e lands) si trovano sui due strati intermedi con la differenza rispetto al CD che le buche hanno una dimensione molto minore e questo permette di stipare più informazioni sul supporto. Per questo il raggio laser che viene impiegato per la scrittura dei dati e quello per la lettura hanno una lunghezza d'onda minore di quella usata per i CD.

Nel contesto audio, il DVD viene efficacemente impiegato per la riproduzione audio-video di eventi live. Per la codifica dell'audio viene utilizzato il formato Dolby Digital [Vedi: Dolby prologic e dolby digital], che può assumere diverse configurazioni come il surround 5.1 e il semplice formato stereo 2.0. Tale formato utilizza l'algoritmo di compressione AC-3 e dunque non permette una riproduzione in altissima qualità dell'audio, anche se la differenza è apprezzabile solo con impianti di altrettanta elevata qualità e con un orecchio allenato. La frequenza di campionamento più comunemente utilizzata è di 48KHz.

Alle volte è utilizzato per l'audio il formato DTS [Vedi: DTS], che permette una migliore separazione dei canali e una qualità migliore della compressione.

Vale la pena citare il fatto che il DVD è efficacemente utilizzato per la riproduzione delle opere liriche, in cui i sottotitoli fungono da libretto permettendo di fruire a pieno della bellezza in esse contenuta.

Oltre ai normali DVD, che possono essere scritti solo una volta, troviamo tutta una serie di altri formati DVD (DVD-RW, DVD+RV, DVD RAM) che consentono di riscriverne il contenuto più volte. Al di là delle differenze di formato di ognuno, questi supporti consentono tutti la riscrittura dei dati secondo un principio chiamato phase-changing method (metodo a cambiamento di fase, in questo caso si parla di fase - o stato - in senso termodinamico, ossia dello stato di aggregazione della materia: stato solido, stato liquido, stato gassoso). In base a questo metodo, un dato viene memorizzato sul supporto incidendone una piccola parte con un raggio laser. Per cancellare l'informazione, si porta il materiale ad una temperatura ancora maggiore (passando dallo stato solido allo stato liquido e successivamente operando il passaggio inverso) e questo ne consente l'azzeramento, preparandolo per la successiva riscrittura.

Lettore DVD
Lettore DVD

22.3.7. Il Blu-ray Disc

Il Blu-ray Disc è stato proposto dalla Sony nel 2002 per la memorizzazione di video in alta definizione. Utilizza un laser di tipo blu-viola (da cui il nome) con una lunghezza d'onda (di 405 nm) inferiore a quella dei lettori DVD (laser di colore rosso con lunghezza d'onda pari a 650 nm) e dunque è in grado di interpretare terre e pozzi [Vedi: Supporti ottici] di dimensioni minori. Questo consente la memorizzazione di una maggiore quantità di dati sul supporto, che ha le stesse dimensioni fisiche del CD e del DVD.

Vi sono diversi tipi di blu-ray disc aventi diverse dimensioni. Mediamente lo spazio disponibile per la memorizzazione dei dati si aggira sui 50 GB anche se la tecnologia è in evoluzione permettendo sia laser con lunghezze d'onda inferiori, sia un maggiore numero di strati sul supporto e vi sono già diversi prototipi in grado di memorizzare quantità di dati ben maggiori.

Dal punto di vista dell'audio l'interesse per questo supporto risiede nel fatto che è possibile disporre delle tracce audio in formato non compresso. L'intero 5.1 è disponibile in formato PCM, 48K / 24 bit su ogni singolo canale (supporta LPCM 8 canali 24/96), ossia una qualità ben superiore a quella del CD.

La PlayStation 3 è il primo apparecchio ad utilizzare commercialmente questa tecnologia.

Lettore Blu-ray
Lettore Blu-ray


[82] Un fotodiodo è un componente elettronico in grado di generare una corrente quando viene investito da un fascio di luce (fotoni).

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Il corso è adottato in varie forme da molte scuole di tecnica del suono, che sono elencate in una apposita sezione.

Vi sono poi altre sezioni con approfondimenti tecnici e notizie sempre inerenti al mondo dell'ingegneria del suono e anche una sezione dedicata ail'audio professionali con il sistema operativo Linux.

 

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