Autore: Samuel M. Goldwasser
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Traduzione: Antonio Cristiani
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La trasformazione di lettori CD e drive CD-ROM da curiosità di laboratorio ad economici apparecchi domestici che hanno rivoluzionato l'industria discografica ed hanno reso possibile la realizzazione di computer multimediali è dipesa dalla disponibilità di due tecnologie: diodi laser a stato solido di bassa potenza e basso costo, e circuiti integrati prodotti su vasta scala. Senza di questi, un ipotetico CD che utilizzi la tecnologia del 1960 avrebbe le stesse dimensioni di una lavastoviglie!
La maggior parte di noi danno tutto questo per scontato; nessuno riflette almeno per una volta sulle meraviglie realizzate tramite l'interazione di ottica di precisione ed elettronica complessa, almeno fino al momento in cui qualcosa inizia ad andar storta. Gli scopi di questo documento sono di fornirvi delle sufficienti conoscenze di base sulla tecnologia utilizzata nei CD e di costituire una guida alla ricerca dei guasti, in modo tale che chiunque sia ragionevolmente abile, non importa se sperimentatore, hobbista, pensatore, o ingegnere, possa identificare e riparare molti problemi dei lettori CD e forse anche di lettori di videodischi, drive CD-ROM, e drive ottici.
Anche se incontrate difficoltà per cambiare una semplice lampadina e non sapete qual'è il lato del saldatore da non toccare, la lettura di questo documento vi consentirà comunque di migliorare le vostre conoscenze sul vostro lettore CD. Quindi, nel momento in cui deciderete di farlo riparare presso un centro assistenza, avrete maggiori possibilità di riconoscere l'incompetenza o la sfacciata disonestà di alcuni tecnici. Per esempio, un diodo laser guasto non è il problema più comune come vorranno farvi credere per far lievitare la parcella, ma invece è il guasto che si trova quasi alla fine della lista di quelli più probabili. Come vedete, avete già appreso qualcosa!
La maggior parte delle informazioni contenute in questo documento si applica ai lettori CD montati negli impianti stereo a componenti separati o negli impianti stereo compatti, agli apparecchi stereo portatili con lettore CD, alle autoradio con lettore CD, ai lettori CD portatili e ai drive per CD-ROM. Le principali differenze riguardano la modalità di caricamento del disco: negli apparecchi portatili di solito viene utilizzato il caricamento frontale al posto del carrello motorizzato.
Ad ogni modo, in conseguenza del livello di miniaturizzazione richiesto per gli apparecchi portatili e, sebbene in misura ridotta, per i drive CD-ROM, ogni cosa è minuscola e, a peggiorare la situazione, la maggior parte dei componenti è costituita da parti a montaggio superficiale montate su entrambi i lati di un circuito stampato. Quest'ultimo è spesso inaccessibile, senza considerare che l'intero apparecchio è assemblato utilizzando delle viti che, per ragioni ignote, trovano sempre il modo di perdersi.
I lettori di dischi laser e le unità di memorizzazione ottica hanno molto in comune con i lettori CD per quanto riguarda i componenti meccanici e le parti elettroniche di front-end. Quindi, le informazioni contenute in questo documento possono rappresentare un punto di partenza anche per la ricerca dei guasti in questi altri apparecchi.
Molti dei problemi comuni dei lettori CD possono essere corretti senza la lettura del manuale di servizio e senza l'utilizzo di sofisticata attrezzatura di laboratorio. I problemi dei lettori CD possono essere classificati come segue:
Spesso è possibile riparare un lettore CD che non funziona per i motivi (1) o (2) senza l'ausilio di un manuale di servizio e/o adeguata strumentazione di laboratorio. Fa eccezione la regolazione della potenza del laser, che è altamente sconsigliabile manomettere se non come ultima risorsa, visto che una regolazione errata può rovinare il diodo laser. Se i dischi vengono almeno riconosciuti o anche se l'apparecchio mette correttamente a fuoco, la potenza del laser è probabilmente a posto. Sebbene i diodi laser possano guastarsi, non pensate che ogni problema che affligge un lettore CD sia dovuto al diodo laser. In realtà, solo una piccola percentuale di problemi (forse meno del 10%) sono dovuti ai guasti del diodo laser o della sua circuitazione di controllo. I problemi meccanici come la sporcizia e la mancanza di lubrificazione sono i più comuni, seguiti dalla necessità di regolazioni elettroniche (servo).
Anche i guasti della categoria (3) localizzati nella sezione di alimentazione possono essere riparati abbastanza facilmente; la maggior parte di molti altri guasti elettronici sono invece difficili da localizzare senza disporre del manuale di servizio, di adeguata strumentazione di laboratorio, e di una buona comprensione e familiarità con la tecnologia dei CD audio. Ma non bisogna demordere, potrebbe anche essere il vostro giorno fortunato.
Sebbene vengano costantemente immessi sul mercato lettori CD dotati di nuove ed innovative caratteristiche, la funzione basilare di riprodurre un CD non è cambiata in modo significativo negli ultimi 15 anni. Nessuna delle tanto enfatizzate 'innovazioni tecnologiche' come filtri digitali, sovracampionamento, convertitori D/A ad 1 bit e altra roba del genere riusciranno a fare una qualche differenza nel piacere di ascolto della maggioranza dei comuni mortali. Chi pone eccessiva attenzione a questi dettagli, lo fa perchè ripone più interesse per la tecnologia che per l'esperienza musicale; la maggior parte delle cosiddette 'innovazioni tecnologiche' sono state realizzate in parte per ridurre i costi, e non necessariamente per migliorare le prestazioni.
Quindi, a meno che non vi occorra realmente un lettore CD dotato di cambiadischi in grado di contenere 250 CD, di un telecomando con più pulsanti della carlinga di un Boeing 777 e di 2000 tracce programmabili, anche un lettore CD vecchio di 10 anni suonerà più che bene, e la riparazione di un apparecchio guasto potrebbe non rappresentare una cattiva idea. I vecchi lettori CD sono costruiti in modo più solido rispetto a quelli oggi in commercio; anche un lettore CD high-end potrebbe essere stato costruito su una parte ottica quasi del tutto in plastica ed uno chassis poco robusto.
Se avete necessità di portare il vostro lettore di CD o drive per CD-ROM presso un centro assistenza, il costo della riparazione può facilmente eccedere metà del costo di un nuovo apparecchio. I centri assistenza possono richiedere 50.000 lire o più per fornire una stima iniziale del costo della riparazione, anche se tale stima viene di solito sottratta dal costo finale della riparazione. Naturalmente, devono pur farlo per compensare il loro lavoro.
Se siete in grado di effettuare la riparazione in modo autonomo le cose cambiano del tutto, poichè i vostri ricambi costeranno la metà o un quarto rispetto al prezzo richiesto dai professionisti, e naturalmente il vostro tempo non vi costa niente. Non vanno inoltre sottovalutati gli aspetti educativi, impararete un sacco di cose nel corso della riparazione. Per tali motivi, dopotutto potrebbe aver senso riparare quel vecchio e scassato radioregistratore con lettore CD che giace buttato nell'armadio della roba vecchia.
Le informazioni su un compact disc sono codificate tramite minuscole 'fossette' situate proprio sotto l'etichetta del CD. Il CD stesso è stampato più o meno nello stesso modo di un vecchio disco in vinile, ma in condizioni molto più severamente controllate, simili a quelle mantenute in una stanza asettica di una fabbrica di circuiti integrati. La stampa del CD viene quindi rivestita con una copertura in alluminio in una camera a vuoto, e quindi il lato dell'etichetta è ricoperto con una resina plastica protettiva e stampato con l'etichetta.
I CD-R o CD registrabili, utilizzano una costruzione leggermente differente. I CD-R vuoti sono prestampati con una guida a solco spiralata e quindi ricoperti con uno strato asportabile, seguito da uno strato d'oro, uno di resina, e dall'etichetta. Lo strato asportabile appare di color verde; durante il processo di registrazione vengono scavate delle fossette nello strato asportabile, la qual cosa consente al raggio laser di essere riflesso dallo strato dorato sottostante.
L'ultima variazione di questa tecnologia, i DVD o Digital Versatile Disks (o Digital Video Disks dipendentemente dalla campana che ascoltate) implementa un certo numero di miglioramenti tecnologici molto significativi che nell'insieme consentono di raggiungere uno spettacolare incremento della densità di informazioni: circa 10:1 per un disco delle stesse dimensioni. Tra gli accorgimenti tecnici adottati citiamo un raggio laser di maggior frequenza (lunghezza d'onda visibile di 670 o ancora minore), minore spaziatura fra le tracce, migliore schema di codifica, e disco a doppia faccia. In base alle anticipazioni circa le specifiche finali, i DVD saranno in grado di memorizzare un segnale audio di durata di 8 volte maggiore rispetto agli attuali CD, ad una maggiore frequenza di campionamento e risoluzione in bit, oppure due ore di film di alta qualità codificati in MPEG, ed ogni tipo di altre informazioni. La capacità in dati grezzi si aggira tra i 5 e 10 GigaBytes.
La parte restante di questo documento limita la discussione al formato standard dei CD. Ad ogni modo, molti dei principi di base si applicano anche a questi nuovi formati.
Le reali informazioni da registrare subiscono una importante serie di trasformazioni a partire dall'audio grezzo (o dati digitali) prima di diventare microscopiche fossette. Nel caso dell'audio, questo processo inizia con il filtraggio del segnale, per rimuovere eventuali frequenze superiori a 20 KHz, e prosegue con la conversione da analogico a digitale ad una frequenza di campionamento di 44.100 campioni al secondo per ciascuno dei due canali stereo (88.200 campioni al secondo in totale). Si noti che nella maggior parte dei CD commerciali o professionali, la musica in origine è stata registrata su un nastro multitraccia digitale con una frequenza di campionamento di 48 KHz, e tutte le operazioni di miscelazione e premastering sono state effettuate a questa frequenza. Il passo finale consiste nella riconversione a 44.100 campioni al secondo attraverso un resampling, cioè la conversione digitale della frequenza di campionamento attraverso sofisticate tecniche di interpolazione.
Segue una sofisticata codifica dei risultanti campioni a 16 bit in complemento a due (interfogliati tra i canali Left e Right) allo scopo di implementare una rivelazione e correzione di errore. Infine, i dati sono convertiti in un formato idoneo al mezzo di registrazione tramite una modulazione 8-14 e quindi incisi su un disco master utilizzando un tornio con laser di precisione (o attualmente con i CD registrabili, tramite un masterizzatore di costo modesto).
Come nel caso di un disco fonografico in vinile, le informazioni sono registrate in una spirale continua; ad ogni modo nei CD questa traccia (solco o sequenza di fossette, da non confondere con i vari brani di un CD musicale) inizia vicino al centro del CD per finire verso il bordo esterno, seguendo un percorso antiorario visto dalla parte dell'etichetta). La lettura dello strato di informazioni in alluminio situato proprio sotto l'etichetta viene effettuata attraverso il substrato di policarbonato spesso 1,2 mm. La lunghezza totale della traccia spiralata per un disco di 74 minuti è superiore a 5 Km, in oltre 20.000 rotazioni del disco!
Attraverso una serie di processi di elettroplaccatura, stripping e riproduzioni vengono quindi prodotti gli svariati 'stampers' che sono poi utilizzati per stampare i dischi.
La codifica digitale per l'implementazione della rivelazione e correzione d'errore è denominata Cross Interleave Reed Soloman Code o CIRC. Per descriverla il più semplicemente possibile, il codice CIRC consta di due parti: 'sparpagliamento' dei dati, in modo tale che un dropout o un danno venga (si spera) distribuito su di un'area fisica abbastanza vasta da consentire la ricostruzione dei dati, ed un codice per la correzione degli errori tipo CRC. Messe insieme, queste due tecniche permettono di raggiungere una stupefacente correzione di errori. La supposizione alla base dell'utilizzo di queste tecniche è che la maggior parte degli errori si verificano a raffica come risultato di granelli di polvere, graffi, imperfezioni tipo microscopici fori nel rivestimento di alluminio, ecc. Per esempio, i codici sono abbastanza potenti da recuperare totalmente un errore di oltre 4.000 bit consecutivi, che corrisponde ad un foro sul disco del diametro di circa 2,5 mm. Se la correzione d'errore viene implementata al completo (non è sempre il caso di tutti i lettori CD), è possibile attaccare un pezzo di nastro isolante largo 2 mm radialmente sul disco, o praticare sul disco un foro di 2 mm senza riscontrare alcun degrado nell'audio riprodotto. Alcuni CD di test hanno questo tipo di difetti introdotti deliberatamente.
Nel caso degli errori non correggibili possono essere intrapresi due diversi approcci: interpolazione e muting. Se il numero di buoni campioni è maggiore di quello dei cattivi, allora viene utilizzata l'interpolazione lineare o di ordine superiore per ricostruire i campioni errati. Se invece i dati mancanti sono in eccesso, l'audio viene dolcemente silenziato per una frazione di secondo. Dipendentemente dal modo in cui questi errori si presentano in relazione al contesto musicale, anche queste drastiche misure potrebbero passare inosservate all'orecchio umano.
Si noti che la correzione degli errori per i formati CD-ROM è ancora più complicata rispetto ai CD audio, poichè anche l'errore di un solo bit è inaccettabile. Questa è una delle molte ragioni per le quali è generalmente impossibile convertire un lettore CD audio in un drive CD-ROM. Ad ogni modo, poichè quasi tutti i drive CD-ROM sono in grado di riprodurre CD musicali, è possibile acquisire molte informazioni sulla natura di un eventuale problema controllando per prima cosa il funzionamento di un drive CD-ROM con un CD musicale, meno critico.
Come già detto in precedenza, lo strato contenente le informazioni utilizza delle 'fossette' come meccanismo di memorizzazione. Queste fossette sono delle depressioni profonde meno di 0,2 micron (1/4 della lunghezza d'onda della luce laser da 780 nm, tenendo in considerazione la reale lunghezza d'onda all'interno dal policarbonato). Quindi, il raggio riflesso è sfasato di 180 gradi con un raggio incidente e si annulla creando un alto contrasto sui bordi ed un buon rapporto segnale rumore. Tutto ciò che non è una fossetta è una 'pianura'. Le fossette sono larghe circa 0,5 micron e sono lunghe multipli di 0,278 micron, la lunghezza base di un bit sullo strato del disco contenente le informazioni.
Ciascun byte dell'informazione elaborata viene convertito in un codice a 14 bit run length limited prelevato da una tabella di lookup in modo tale che non ci siano meno di 2 o più di 10 bit a 0 consecutivi tra due bit a 1. Quindi, trasformando successivamente questo codice in transizioni dei bit ad 1 da fossetta a pianura o viceversa, la lunghezza di qualunque configurazione sul disco non è mai minore di 3*x e mai maggiore di 11*x, dove x è la misura base di 0,278 micron. Questo schema è denominato Eight-to-Fourteen Modulation - EFM. Quindi la lunghezza di una fossetta varia da 0,833 a 3,054 micron.
A ciascuna parola di codice lunga 14 bit vengono aggiunti 3 ulteriori bit di sincronizzazione e di soppressione della bassa frequenza, per un totale di 17 bit a rappresentare ciascun byte di 8 bit. Poichè un singolo bit è lungo 0,278 micron, un byte è quindi rappresentato in uno spazio lineare di 4,72 micron. La EFM unita ai bit di sincronismo assicura che il segnale medio non abbia componenti in corrente continua e che che ci siano sufficienti transizioni per ricostruire in modo affidabile il clock per la lettura dei dati. Queste parole vengono combinate in frame di 588 bit; ciascun frame contiene 24 bytes di dati audio (6 campioni di L+R a 16 bit) e 8 bit di informazioni utilizzate per codificare (su più frame) informazioni come il tempo, la traccia, l'indice, ecc.
Sincronismo (24 + 3).
Controllo e display (14 + 3).
Dati (12 * 2 * (14 + 3)).
Correzione d'errore ( 4 * 2 * (14 + 3)).
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totale 588 bits/frame
Un blocco, costituito da 98 frame consecutivi, è la più piccola unità che può essere indirizzata su un CD audio, e corrisponde ad un tempo di 1/75 di secondo. Nel byte di informazione sono attualmente definiti solo due bit, il bit P e il bit Q: il bit P svolge una sorta di funzione di sincronismo globale e indica l'inizio e la fine delle selezioni, il tempo tra le selezioni, e così via. I bit Q accumulati in une parola costituita da una porzione dei 98 possibili bit codificano il tempo, la traccia ed il numero di indice, così come pure molte altre possibili funzioni dipendentemente dalla posizione sul disco, di che tipo di disco si tratta, e così via.
Le informazioni su un CD sono registrate a velocità lineare costante (Constant Linear Velocity - CLV); questo sistema è insieme sia buono che cattivo. Per i CD (1X, ad una velocità) questa CLV si aggira sui 1,2 metri al secondo. L'utilizzo di una CLV permette di impaccare quante più possibili informazioni sul disco, visto che la registrazione viene effettuata alla massima densità indipendentemente dalla posizione. Ad ogni modo, per esigenze di accesso rapido ai dati, particolarmente nel caso dei drive CD-ROM, questo sistema costringe il lettore a modificare velocemente la velocità di rotazione del disco quando il gruppo di lettura si sposta tra le tracce più interne e più esterne del disco. Naturalmente, non c'è alcuna ragione che impedisca di realizzare dei CD-ROM in cui la velocità di rotazione venga mantenuta costante; l'unica differenza consisterebbe nel data transfer rate che sarebbe maggiore per le tracce più esterne e minore per quelle interne ma, a quanto ne so, questo sistema non è mai stato implementato.
Si noti che a differenza di un giradischi, la tonalità del segnale audio; non è determinata dalla velocità istantanea di rotazione; nel lettore viene effettuata una certa bufferizzazione dei dati letti nella RAM, sia allo scopo di implementare una FIFO per non costringere il sistema servo a mantenere la velocità di rotazione entro tolleranze strettissime e quindi semplificare la lettura dei dati, e sia per fornire un mezzo temporaneo per la memorizzazione dei risultati intermedi durante la decodifica e la correzione d'errore. La tonalità del suono riprodotto è determinata dal clock di lettura dei dati, di solito basato su un oscillatore al quarzo che controlla le temporizzazioni del convertitore D/A e del chipset LSI; l'unico modo di regolare la tonalità è quello di variare la frequenza di questo clock. Alcuni lettori CD di fascia alta includono la possibilità di regolazione della tonalità. La precisione di riproduzione di qualunque lettore CD è determinata da un oscillatore quarzato di alta qualità e quindi il wow e flutter, le misure chiave della qualità dei giradischi analogici, sono così bassi da essere non rilevabili. In definitiva, l'audio in uscita è determinato unicamente dalla frequenza di campionamento di 44.100 campioni al secondo; per questo motivo, il bit rate medio dal disco è di 4,321 Megabit al secondo.
Le tracce sono spaziate di 1,6 micron; quindi un disco da 12 cm ha oltre 20.000 tracce per i suoi 74 minuti di musica. Naturalmente, diversamente da un hard disk e similmente ad un disco in vinile, le cosiddette tracce sono in realtà una sola traccia spiralata lunga oltre 5 Km che, come già detto in precedenza, inizia in un punto vicino alla parte centrale del disco. La larghezza delle fossette su una traccia è di circa 0,5 micron; il raggio laser focalizzato è largo meno di 2 micron all'altezza delle fossette. Confrontate queste misure con quelle di un LP: un LP davvero lungo potrebbe contenere qualcosa oltre i 72 minuti di musica sui due lati, cioè 36 minuti per ciascun lato. Anzi, la maggior parte degli LP non raggiungono nemmeno una tal durata visto che la spaziatura fra i solchi deve essere variata dipendentemente dal contenuto di toni bassi della musica, e dei solchi più larghi occupano uno spazio maggiore. A 33-1/3 giri al minuto, ci sono poco oltre 1.200 solchi in circa 10 centimetri, contro le 20.000 tracce su un CD in uno spazio di poco superiore ai 3 cm! La puntina di lettura per un LP ha un raggio di forse 50 o 75 micron.
Per meglio comprendere la precisione richiesta ai meccanismi servo di un lettore CD, ecco un'analogia:
Ad una velocità lineare costante di circa 1,2 metri al secondo, la precisione di tracking richiesta è impressionante: il tracking corretto di un CD equivale a percorrere oltre 5.000 Km su di un'autostrada larga 3 metri (supponendo un errore di tracking accettabile minore di +/- 0,35 micron) per un secondo di riproduzione, oppure oltre 23.040.000 Km per suonare l'intero disco, senza attraversare accidentalmente la corsia! In realtà, le cose stanno ancor peggio: per tutto questo tempo occorre anche mantenere il fuoco entro 1 micron (o con una tolleranza di +/- 0,5 micron). Quindi, è come pilotare un aereo su un percorso aereo largo 3 metri ad un'altitudine di circa 20 Km (corrispondenti in rapporto ai circa 4 mm della tipica lunghezza focale di una lente dell'obiettivo) con un errore di altitudine minore di +/- 2 metri! Tutto questo mentre la traccia che ci interessa si sposta sotto di noi sia orizzontalmente di quasi 2 Km (assumendo uno scarto di centratura del CD e dello spindle di circa 0,35 mm) che verticalmente di 5 Km per ogni giro (deformazioni del disco ed oscillazioni dello spindle fino ad 1 mm)! Inoltre, dovete provare ad ignorare vari tipi di robaccia (macchie, impronte digitali, fibre, polvere, ecc.) sotto di voi che rapportati in scala hanno le dimensioni di montagne.
La precisione richiesta è incredibile ma è diventata realtà grazie all'utilizzo di tecnologia prodotta in serie che risale alla fine degli anni '70. Inoltre, considerate che un un lettore CD funzionante a dovere è eccezionalmente immune ai piccoli urti e vibrazioni, senz'altro in misura molto maggiore rispetto ad un vecchio giradischi. E tutto si basa sulla riflessione di un raggio laser invisibile della potenza di una frazione di milliWatt!
Naturalmente, per i sistemi servo del lettore CD tutto ciò è comune amministrazione. Meglio sperare che le nostre abilità tecnologiche non siamo mai sprecate - un disco in vinile può essere riprodotto utilizzando una spina di un cespuglio di rose come puntina, e la ruota di un vasaio come piatto del giradischi. Per leggere ed interpretare i contenuti di un CD è necessaria un bel po' di tecnologia in più!