Artykuł ten pochodzi z witryny www.republika.pl/audioton i jest umieszczony za zgodą autora

Compact Disc - płyta kompaktowa - srebrzysty krążek o średnicy 12 cm (czasem 8 cm), i grubości 1.2 mm zrobił oszałamiającą karierę. Została zaprezentowana przez firmy Philips i Sony w roku 1981, na Japońskich Targach Muzycznych jako następca starzejącej się płyty winylowej. W ciągu dwóch lat odtwarzacze CD wprowadzono kolejno na rynek japoński, europejski i amerykański. Drogie początkowo tak odtwarzacze jak i płyty, szybko zyskały popularność, a ich cena stała się przystępna dla większości ludzi. Po zaledwie kilku latach zupełnie wyparły płytę winylową, tak że obecnie są one produkowane w niewielkich ilościach tylko dla hobbystów - melomanów. Co zadecydowało o popularności płyty kompaktowej? Niewątpliwie więcej zalet, niż wad. Na niewielkim, wygodnym w użyciu krążku, można zapisać cyfrowo do 80 minut (obecnie) muzyki. Płyta jest w znacznym stopniu odporna na uszkodzenia mechaniczne, a niewielkie rysy w zasadzie nie pogarszają jakości dźwięku. Koniec z trzaskami i szumami płyty. Koniec z wrażliwością na kurz i tłuste palce.

 Parametry odtwarzacza płyt kompaktowych są znakomite: 
- pasmo przenoszenia częstotliwości 10 Hz - 20 kHz, +/- 0,3 dB, 
- dynamika 96 dB, - stosunek sygnału do szumów większy od 90 dB, 
- tłumienie między kanałami stereofonicznymi większe niż 90 dB 
- zniekształcenia nieliniowe mniejsze niż 0,04%, 
- różnice wzmocnienia kanałów mniejsze niż 0,3 dB, 
- współczynnik zawartości harmonicznych mniejszy niż 0,005%.

Odtwarzacz daje się zminiaturyzować, tak że można go nosić ze sobą i zautomatyzować, tak że możemy łatwo nim sterować nie podnosząc się z fotela. Jakość muzyki jest doskonała. Ale po zachłyśnięciu się "dźwiękiem cyfrowym" okazało się że dźwięk taki ma też wady. Zauważono, że dźwięk z płyty kompaktowej, owszem jest dokładny, precyzyjny, ale brakuje mu ciepła i naturalności. Czasem jest zbyt ostry, suchy - po prostu "cyfrowy". Stara płyta analogowa miała tę odrobinę "czaru" którego nie mają płyty kompaktowe. Stało się to impulsem do poszukiwania doskonalszego dźwięku, poprzez poprawę konstrukcji odtwarzaczy, wzmacniaczy, głośników, a także samego procesu nagrywania muzyki w studiach nagraniowych. Dzisiaj, mamy doskonałe odtwarzacze, wzmacniacze i głośniki i okazuje się że płyta kompaktowa osiągnęła kres swoich możliwości. Poszukuje się nowych rozwiązań i obecnie wprowadzane są nowe formaty - DVD-Audio i SACD.

Konstrukcja i działanie odtwarzacza CD 
Płyta kompaktowa składa się z 3 warstw. Pierwsza ochronna, licząc od "góry" czyli od warstwy z nadrukiem, ma grubość ok. 30 mikrometrów. Poniżej jest warstwa odbijająca w której jest wytłoczona ścieżka dźwiękowa. Warstwa ta wykonana jest najczęściej z aluminium, srebra, czasem złota. Od strony lasera znajduje się warstwa o grubości ok. 1.2 mm z przezroczystego tworzywa która nadaje kształt i sztywność płycie.
W warstwie odbijającej znajdują się wgłębienia (ang. pit) o szerokości 0,6 mikrometra i głębokości 0,12 mikrometra. Pity te mogą mieć różną długość. Odstęp między wgłębieniami - a także wgłębienie - wynosi nie mniej niż 0,9 mikrometra. Największa wartość tych wielkości - 3,3 mikrometra. Ciąg wgłębień (pitów) stanowi spiralną ścieżkę od środka płyty do zewnątrz, cyfrowo zapisanej informacji. 

Czytanie płyt
W jaki sposób odbywa się czytanie informacji zapisanej na płycie? Zobaczmy na rysunek obok. Do odczytania informacji na płycie służy głowica, poruszająca się na specjalnych szynach, wzdłuż promienia płyty. W głowicy znajduje się dioda (1) emitująca światło laserowe (bliska podczerwień, długość fali 780 nanometrów), układ optyczny (2, 3, 4), oraz zespół fotodiod odczytujących odbite światło (6). Ponadto fotodiody wraz ze specjalnym elektromechanizmem sterującym soczewką, służą do kontroli ogniskowania i śledzenia ścieżki. Płyta obraca się ze zmienną prędkością (500 - 200 obr/min.), tak, aby odczyt odbywał się ze stałą liniową szybkością 1.25 m/s. 
Światło (ciągłe) wyemitowane przez laser (1), poprzez układ luster (2,3) i skupione w soczewce (4) do średnicy ok. 1 mikrometra padając na wgłębienia i pola nie zapisane ulega w różnym stopniu odbiciu i polaryzacji. Wracając z powrotem, przechodzi przez lustro półprzepuszczalne (2) i pada na fotodiody odbiorcze (6) gdzie powstaje sygnał modulowany. Logiczne "1" to krawędzie wgłębienia (początek i koniec każdego wgłębienia). Wzdłuż wgłębień i w polach czystych między wgłębieniami biegną logiczne "0". Ponieważ 1 bit zapisu na płycie zwanego kanałowym zajmuje na ścieżce 0,3 mikrometry, najkrótsze wgłębienie jest odczytywane jako 1001, a najdłuższe - 100000000001. Odczytany sygnał cyfrowy jest wzmacniany a następnie poddawany demodulacji, korekcji błędów, rozdzielany na dwa kanały i dopiero wtedy zamieniany w przetworniku cyfrowo-analogowym na sygnał analogowy. Stąd, po wzmocnieniu podawany jest na gniazda wyjściowe. Wartość napięcia sygnału wyjściowego (analogowego) wynosi około 2 V (1.6-3V). Na podobnej zasadzie odbywa się czytanie płyt DVD, z tym że długość światła lasera jest krótsza (światło czerwone, 650 lub 635 nm) a ścieżki są bardziej upakowane. 
W nagrywarkach mechanizm jest podobny. Podczas nagrywania zwiększa się moc lasera, a jego światło jest modulowane w takt zapisywanego sygnału. Powracające światło, padające na fotodiody (6) służy wtedy do kontroli ogniskowania i korekcji ścieżki. Do odczytu służy ten sam układ, laser emituje światło ciągłe o mniejszej mocy. 

Jak zamienić analogowy dźwięk na pity? 
Fala dźwiękowa, która trafia do mikrofonu podczas nagrywania, zamieniana jest na impulsy prądu, zmieniające się w takt muzyki czy mowy. W analogowym torze, impulsy prądu zapisane np. na magnetofonie (analogowo) podczas słuchania wzmacniane są przez wzmacniacz i zamieniane z powrotem na dźwięk w kolumnach głośnikowych. Lecz aby sygnał analogowy zamienić na wartość cyfrową, trzeba zastosować bardziej skomplikowaną metodę. Jesteśmy przyzwyczajeni do wykonywania wszelkich obliczeń w systemie dziesiętnym. W układach elektronicznych system ten jest bardzo niedogodny, dlatego stosuje się system dwójkowy. Na czym on polega? Najkrócej mówiąc na tym, że rozróżniamy tylko dwie liczby: 0-1, a w elektronice dwa stany: włączony - wyłączony, obwód otwarty - zamknięty, napięcie wysokie - niskie. Elektronika cyfrowa i komputery bazują wyłącznie na tym systemie. Dowolną liczbę dziesiętną można przedstawić w postaci dwójkowej, w postaci tylko dwóch cyfr: 0 i 1. I tak np. liczba 2 w systemie dwójkowym to 10, liczba 10 to 1010, a liczba 16 to 10000. Tak jak w systemie dziesiętnym wykonuje się wszelkie działania matematyczne, dodawanie, odejmowanie, mnożenie itp.

1. Jak wiemy, sygnał analogowy ma jakąś wartość ciągle zmieniającego się napięcia. Na rysunku obok będzie to przykładowo fragment sinusoidy (A). Wartość napięcia stałego możemy zmierzyć np. multimetrem. Ale sygnał dźwiękowy ciągle zmienia swą wartość. Dlatego, aby zmierzyć wartość sygnału w danej, bardzo krótkiej chwili stosuje się tzw. próbkowanie. Za pomocą specjalnych układów elektronicznych odczytywana jest wartość napięcia w bardzo krótkiej chwili - im krótszej tym dokładniej. Sygnał próbkowany jest zapamiętywany na taki okres, by można było go kwantować i kodować. Podczas nagrywania płyty kompaktowej sygnał dźwiękowy próbkowany jest z częstotliwością 44.1 kHz, czyli jego wartość odczytywana jest 44100 razy na sekundę. Próbkowanie musi odbywać się w równych odstępach czasowych, wyznaczanych przez zegar kwarcowy o dużej dokładności. Na rysunku poniżej (B) sygnał jest spróbkowany 18 razy, co oczywiście jest ogromnym uproszczeniem. Częstotliwość próbkowania może być różna dla różnych zastosowań. Spotykane są częstotliwości 32 kHz dla tunera satelitarnego, 44.1 kHz dla płyty CD i Minidisc, 48 kHz dla rejestratorów DAT, w nowych technologiach DVD-Audio 92 i 192 kHz, a w przypadku SACD aż 2,822 MHz. 

2. Każda próbka ma jakąś wartość. Odczytana wartość próbki zamienia jest na postać cyfrową w układzie dwójkowym. Operację tę nazywa się kwantowaniem. Jak wiemy, każdą wartość fizyczną możemy podać z różną dokładnością. Mówimy że sygnał ma wartość około 2V, lub po zmierzeniu dokładnym przyrządem okaże się że ma wartość np. 1.99876V. Podobnie jest z poziomem dokładności kwantowania. Jeżeli zmierzona wartość wyrazimy za pomocą 4 cyfr zerojedynkowych to mówimy, że wartość została wyrażona za pomocą słowa 4-bitowego (bit, jest to pojedyncza, podstawowa wartość, np. 1 lub 0, nie mylić z bajtem - jest to zestaw 8 bitów). Oczywiście, im odczytana wartość jest przedstawiona z większą dokładnością, tym więcej bitów będzie zawierało słowo. Do odczytywania wartości próbkowanego sygnału przyjęto, że w technice CD odbywać się to będzie z dokładnością (rozdzielczością) słowa 16 bitowego, co daje dokładność 65 536 poziomów. Kwantowanie jest obarczone zasadniczą wadą. Ponieważ sygnał zmienny ma nieskończoną ilość chwilowych wartości, to każdy pomiar i następnie jego przeliczenie (czyli kwantowanie) będzie tylko wartością przybliżoną. Jak widzimy na rysunku (C) sygnał po kwantowaniu nie przypomina sinusoidy lecz schody. Do tego odczytana wartość jest przyporządkowana do najbliższej wartości poziomu (na rysunku przyporządkowana do najbliższej wartości jednego z 16 poziomów kwantowania). Oczywiście rysunek pokazuje to w uproszczeniu, ale faktem jest że niedokładności kwantowania dają szum, zwany szumem kwantyzacji. Kwantowanie z większą dokładnością (20 lub 24 bit), dające dużo mniejszy szum jest podstawą działania DVD-Audio. 

Zakodować muzykę 
Metoda przekształcania sygnału analogowego na cyfrowy nazywana jest modulacją impulsowo-kodową (Pulse Code Modulation), w skrócie PCM. Na krążku CD informacja cyfrowa zapisana jest w sposób bardzo skomplikowany. Otrzymane sygnały PCM lewego i prawego kanału są multipleksowane, czyli połączone w jeden strumień bitów. Następną operacją jest przekształcenie sygnału cyfrowego, odpowiadającego dwóm sygnałom fonicznym, w nową postać ułatwiającą później korekcję błędów odczytu. Proces ten nazywa się dekodowaniem Reeda-Solomona z poprzecznym przeplataniem, CIRC (Cross-Interleave Reed-Solomon decoding). Kod CIRC umożliwia odtworzenie zapisu nawet wówczas, gdy nie będzie odczytanych 3500 kolejnych bitów, (odpowiada to odcinkowi ścieżki o długości 2.5 mm) co pozwala na unikniecie błędów odczytu w wypadku zabrudzenia czy zarysowania płyty. Proces tego kodowania obejmuje trzy operacje: - podział słów 16-bitowych na operacyjne słowa 8-bitowe i zakodowanie ich w słowach 14-bitowych, - przeplatanie (interleaving), - dodanie 8-bitowych słów parytetowych. System dokonuje podziału danych na porcje zwane ramkami, blokami, czy pakietami, które zostają oznaczone odpowiednim sygnałem rozpoznawczym w celu ułatwienia dekodowania. Każda ramka zawiera po 12 słów 16-bitowych, w której zapisane są bity danych, korekcji błędów, sygnału sterowania, synchronizacji oraz bity łączące i scalające. Uff... mocno to wszystko skomplikowane. Nie będę omawiał wszystkich szczegółów, zainteresowanych odsyłam do literatury fachowej (zobacz : "Bibliografia"). Dla nas, słuchaczy wystarczy jeżeli odczytywanie płyt będzie odbywało się precyzyjnie i dokładnie. 

Korygowanie w locie... 
Zapis w formacie CD, zawiera oprócz danych muzycznych także dane korekcyjne. Bity korekcyjne zajmują znaczną część zapisanej na płycie informacji. Jest to spowodowane tym, że odczyt przebiega w czasie rzeczywistym, laser i układ przetwarzający nie mają możliwości powrotu i ponownego odczytu błędnie, czy źle zapisanej ścieżki. Odtwarzanie nie może być przerwane. Za prawidłowe odtwarzanie odpowiedzialny jest proces dekodowania CIRC o którym wspomniałem powyżej. W momencie gdy układ czytający na wskutek zabrudzenia czy zarysowania płyty nie może odczytać danych do pracy przystępuje korekcja błędów. Możliwe są trzy sytuacje. 

1. Błąd może być skorygowany - dzieje się tak w większości przypadków. Specjalny algorytm analizuje dane i uzupełnia brakujące. Nie słyszymy nieprawidłowości w odtwarzaniu.
 
2. Jeżeli nie da się uzupełnić sygnału za pomocą danych korekcyjnych, sygnał jest interpolowany, czyli uzupełniany. Odtwarzacz tworzy wtedy nową próbkę, która łączy dwie sąsiednie, prawidłowo odczytane. Czasami słyszymy trzask w głośnikach. 

3. Jeżeli uszkodzenie ścieżki jest duże, układ korekcyjny nie może ani skorygować, ani interpolować danych. W głośnikach słychać wtedy chwile ciszy lub przeskakiwanie. Nawet dobrej jakości płyta nie jest wolna od błędów, lecz układ korekcyjny daje sobie z nimi doskonale radę i my nie słyszymy pogorszenia jakości dźwięku.

Odtwarzacze
Większość odtwarzaczy ma wyjścia analogowe, dla lewego i prawego kanału. Gniazda są typu RCA popularnie zwane "Cinch" (niesymetryczne, sygnał "gorący" i masa). Spotyka się także podwójne gniazda wyjściowe RCA, z których jedno ma regulowany poziom sygnału. Regulacji dokonuje się potencjometrem na przednim panelu odtwarzacza lub pilotem. Takie rozwiązanie doskonale sprawdza się przy podłączeniu odtwarzacza bezpośrednio do końcówki mocy lub słuchawek. Odtwarzacz ma także pojedyncze gniazdo wyjścia cyfrowego, (tzw. Koaksjalne) z którego pobierać możemy sygnał cyfrowy. Jest to sygnał cyfrowy wzmocniony, po demodulacji i korekcji błędów, lecz nie przetworzony w przetworniku c/a. Wyjście cyfrowe ma impedancję 75 omów, i używamy go do łączenia odtwarzacza z nagrywarką płyt CD-R, Minidiskiem, zewnętrznym przetwornikiem cyfrowo-analogowym, lub - w przypadku kina domowego - przetwornikiem c/a wbudowanym we wzmacniacz (amplituner). Kabel cyfrowy (interkonekt) wygląda podobnie jak interkonekty typu "chinch", lecz powinien mieć impedancję 75 omów, a jego budowa jest taka jak telewizyjnego koncentrycznego kabla antenowego. Często spotykamy także gniazdo optyczne (najczęściej typu Toslink), w którym możemy pobrać sygnał cyfrowy zamieniony przez diodę LED na postać impulsów świetlnych. Zastosowanie wyjścia optycznego, jest takie jak cyfrowego, natomiast połączenia dokonujemy za pomocą światłowodu. W droższych odtwarzaczach sygnał cyfrowy może też być podawany na wyjście AES/EBU, będące wyjściem symetrycznym. Używa się gniazda typu XLR, o impedancji 110 omów. Wszystkie wyjścia cyfrowe korzystają z protokołu cyfrowej transmisji - SPDIF. 

16, 20, 24 bity. 
Do zapisu dźwięku na płytach kompaktowych używa się próbkowania z częstotliwością 44.1 kHz i rozdzielczością 16 bitową. Pasmo przenoszenia zostało ograniczone za pomocą filtru antyaliasingowego do 22.05 kHz. Początkowo sądzono, iż taki format zapisu będzie wystarczający, lecz okazało się, że w miarę rozwoju technologii przetwarzania dźwięku, wychodzą na jaw pewne niedoskonałości tego formatu. Przeprowadzone badania psychoakustyczne dowodzą, że ograniczenie pasma przenoszenia odtwarzacza do 22 kHz to za mało. Obecność wyższych składowych sygnału, w zakresie 20 kHz - 50 kHz poprawia przenoszenie stanów przejściowych i krótkich impulsów obecnych zwłaszcza we współczesnych nagraniach muzycznych. Drugi problem związany jest z dynamiką dźwięku. Zakres czułości ludzkiego słuchu, czyli różnica pomiędzy słyszalnym najcichszym a najgłośniejszym dźwiękiem (dynamika) wynosi około 120 dB. Idealny system zapisu powinien charakteryzować się takim samym zakresem dynamiki. Obecnie stosowany standard zapisu 16-bitowego zapewnia dynamikę około 96 dB. Istnieją różne sposoby podniesienia dynamiki sygnału, lecz najlepszym rozwiązaniem byłoby zwiększenie dokładności kwantyzacji do 24 bitów. W technice studyjnej stosuje się ją już od dawna, natomiast w sprzęcie domowego użytku zmiana standardów dopiero następuje (DVD-Audio). Producenci odtwarzaczy CD proponują różne usprawnienia. Sygnał zapisany 16-bitowo jest obrabiany w odtwarzaczu za pomocą specjalnych algorytmów, symulujących zapis 20, a nawet 24 bitowy i dopiero podawany na przetwornik c/a. Uzyskuje się przez to polepszenie przestrzenności, czystości i szczegółowości dźwięku oraz przywrócenie mu pierwotnego ciepła i barwy brzmienia Metody poprawy jakości odtwarzania są różne i różne mają nazwy: procesor ALPHA firmy Denon, system SBS firmy Sony, system Legato Link Pioneera, system FPCS firmy Onkyo, Pro-Bit Yamaha, itp.

HDCD (High Definition Compatible Digital) 
Jest to opracowany przez amerykańską firmę Pacific Microsonics, sposób zapisu płyty pozwalający poprawić niektóre parametry bez utraty kompatybilności ze standardem CD. Kompatybilność jest obustronna, co oznacza, że zwykłe odtwarzacze, które nie zostały wyposażone w dekoder HDCD mogą odczytywać płyty HDCD. Dodatkowe informacje są "zatopione" w samym sygnale fonicznym. Odtwarzacz bez dekodera odczytuje ten dodatkowy sygnał jako bardzo cichy szum, maskowany jednak przez sam sygnał. Według firmy Pacific parametry kodowania są całkowicie niesłyszalne. Płyty nagrane z kodem HDCD są rozpoznawane przez odtwarzacz w którym zainstalowano dekoder, automatycznie. Odczyt tak nagranej płyty jest sygnalizowany najczęściej zapaleniem się diody, widocznej na panelu odtwarzacza. Procesor HDCD podczas nagrywania wykorzystuje różnego rodzaju filtry, dzięki czemu uzyskujemy dźwięk o większej dynamice i jakości.