Fundamentos de la Tecnología Compact Disc: Conversión, Codificación y Estructura Física del Audio Digital

1. Introducción al Sonido Digital y el Compact Disc

El desarrollo del disco compacto (CD) mediante la grabación del audio en formato digital ha solucionado problemas inherentes a los formatos analógicos, como el desgaste de discos y cintas, el lloro y el trémolo. Además, se ha mejorado la relación señal/ruido y la dinámica, ofreciendo las ventajas propias de un sistema digital, tales como la precisión de almacenamiento, transmisión y cualquier otro procesamiento de la información digital.

Conversión Analógica a Digital (ADC)

La señal analógica se caracteriza porque puede tomar cualquier valor y varía siempre de manera progresiva y continua. Para grabar digitalmente los discos compactos, es necesario convertir la señal analógica en digital. Esto se consigue mediante un Convertidor Analógico-Digital (ADC), esencial para la grabación digital de CD.

La señal digital se caracteriza por tomar únicamente dos valores (0 y 1), a cada uno de los cuales se le denomina bit, y que corresponde a dos niveles de tensión (típicamente 0V y +5V). El convertidor A/D debe tomar muestras de la señal analógica con una determinada frecuencia.

Frecuencia de Muestreo y Cuantificación

Al número de muestras tomadas por unidad de tiempo se le denomina frecuencia de muestreo, y en el caso del CD es de 44,1 KHz.

Los valores recogidos en cada muestra son valores discretos de tensión, puesto que se debe elegir un valor para un intervalo de valores (una especie de redondeo). Este proceso es conocido como cuantificación.

Codificación Digital

Cada valor discreto obtenido debe sustituirse por un código binario mediante el proceso de codificación. La recopilación de los códigos de cada muestra, una tras otra, genera la información digital que se graba en el disco y sustituye a la señal analógica.

• El CD trabaja con un código de 16 bits, lo que posibilita 65.536 combinaciones.
• La precisión de la conversión depende de la velocidad de muestreo (se toma una muestra cada milisegundo).

Reproducción: Conversión Digital a Analógica (DAC)

Para la reproducción de la señal digital grabada en un CD, es necesario convertir dicha señal digital nuevamente en analógica. El Convertidor Digital-Analógico (DAC) recupera la señal analógica original, para lo cual debe decodificar los códigos digitales.

2. El Disco Compacto (CD): Características Físicas y Estándares

El formato de disco compacto (CD) fue presentado en 1979 por Philips, definiendo el sistema actual con un diámetro de 12 cm y una capacidad de 74 minutos, equivalente a la duración de la Novena Sinfonía de Beethoven. El CD se lanzó al mercado en 1982.

Estructura Física del CD

El CD está fabricado sobre un substrato de plástico transparente de 1,2 mm de espesor. Sobre este se aplican varias capas:

• Una capa reflectora (grosor entre 0,05 y 0,1 micras) para posibilitar la lectura óptica.
• Un barniz protector (aproximadamente 30 micras) para proteger la cara donde se serigrafían títulos e información.

Proceso de Grabación y Codificación EFM

La grabación del disco incluye la siguiente información:

1. Datos digitales (música, número de canción, etc.).
2. Señal de sincronismo (velocidad de giro del disco).
3. Código para la detección de errores.
4. Información para la corrección de errores de lectura.

La señal EFM (Eight-to-Fourteen Modulation o Modulación de Ocho a Catorce) convierte un código de 8 bits en otro de 14 bits, resultando en una codificación más perfecta y precisa. Esto implica que después de un '1' lógico debe haber como mínimo dos ceros y como máximo diez. De este modo, si se produce algún error de lectura y se pierde algún bit, el sistema puede corregirlo y reconstruir la señal original.

Ventajas Clave del Formato CD

Este código digital proporciona una señal de sincronismo que permite controlar además la velocidad del disco. Las principales ventajas del CD son:

• La precisión de la velocidad del disco es perfecta (eliminación de lloro y trémolo).
• La señal digital mejora la relación señal/ruido por encima de los 90 dB.
• La distorsión es menor del 0,03%.

Control de Velocidad Lineal Constante (CLV)

La velocidad lineal del disco debe ser muy precisa. De tal forma, al empezar la lectura en el centro del disco, la velocidad angular es de 500 rpm. A medida que el haz se desplaza hacia el exterior del disco, la velocidad disminuye hasta unas 200 rpm, de tal manera que la velocidad lineal se mantenga constante (CLV).