Grabación óptica digital

A diferencia del caso analógico en el que el método óptico era el menos usado, en señales digitales es con diferencia la forma más utilizada para registrar el sonido, de hecho el CD de Audio, es posiblemente el soporte de grabación de audio más conocido actualmente y el primero que utilizó la grabación óptica y por ello es en el que se va a centrar esta subsección.

Los Cd-Audio conocidos también como CD-A pertenecen al grupo de discos compactos (CD) al igual que el CD-R o CD-RW. Fueron introducidos en el mercado por Sony y Philips en el año 1982 y se han consolidado como el medio más usado para registrar el audio digital, principalmente porque dicho audio se puede reproducir infinidad de veces sin que el soporte de grabación resulte deteriorado.

Las tecnologías y la forma de guardar la información en el CD-A no se deja a elección, si no que existe un estándar aprobado por un comité que determina como se debe realizar la codificación y el muestreo de la señal además de las dimensiones del disco. Respecto a esto último se tiene que el CD-Audio debe poseer un diámetro de 12cm.
La señal analógica se muestrea a una frecuencia de 44 KHZ, de esta forma se cumple la condición de Nyquist, esta frecuencia es mayor que el doble del ancho de banda, que como mucho será 20 KHZ (el límite del espectro audible).

Las 44.000 muestras que se generan cada segundo son cuantificadas a valores enteros y codificados cada una con 16 bits, (estándar PCM) generando un flujo de 64Kbps, además de poseer un rango dinámico de 96dB, el audio se graba en dos canales, para distinguir en cada momento por que altavoz reproducir el audio y recrear una mejor sensación. Para evitar errores a esta señal binaria se el aplica un código corrector como el Reed-Solomon, que permite por ejemplo, si al leer un bit del CD este representaba un 0 pudiese suceder que debido a algún error en la superficie o a un agente externo se interprete como 1, entonces el código Reed-Solomon detecta el error e intercambia el bit 1 por un bit 0.

Hasta ahora no se ha descrito el proceso físico de grabación, en la grabación óptica se utilizan lásers que dependiendo del tipo de propósito de la grabación actúa de una forma u otra en el material. En las grabaciones comerciales se graba primero en un disco maestro que esta recubierto de un material fotosensible, que reacciona ante la luz. Al emitir el rayo del láser este elimina sustancias del material en diferentes puntos. Posteriormente se ataca químicamente al disco y en las zonas donde se había eliminado la sustancia se crea una hendidura o una especie de hueco. Después se graba en el disco final una copia exacta del disco maestro anterior.

En las grabaciones "normales" no se realiza un ataque químico, sino que el láser va creando hendiduras o huecos cuando emite el haz, y valles cuando no lo hace. Estos huecos tienen una profundidad de 0.6 micrómetros mientras que el grosor de un CD-A es de 1.2 milímetros. El haz del láser suele tener una longitud de onda de 780nm, por lo que se encuentra en el infrarrojo cercano. La sucesión huecos-valles se crean formando una espiral que nace del centro del disco y se extiende hasta los extremos pudiendo llegar a integrar 99 pistas separadas cada una de ellas 1.6 mm.

Para que el láser sea capaz de escribir en toda la superficie del disco es necesario que se mueva gracias a algún motor. En el CD-A existen dos motores: Uno que realiza un movimiento circular a través del disco, moviéndose más rápido en el centro (500rpm) que cuando está en el borde del disco (200rpm). Otro motor realiza un movimiento horizontal y desplaza el láser desde el centro del disco hasta el borde a través del radio.

¿Qué se interpreta como un valle y qué como un hueco? A pesar de lo que pueda parecer no representan un bit 1 o un 0 respectivamente, o viceversa. Si hay que registrar un bit 1 se crea un cambio de superficie: o valle-hueco o hueco-valle, en cambio si hay que grabar un bit 0 se realiza la misma acción anterior, si antes había un hueco, se crea otro, si había un valle se realiza otro. Esto hace que el láser tenga que cambiar de estado: emitir-no emitir continuamente ya que así se registra un bit 1. Para evitar este esfuerzo se realiza una modulación a los datos binarios conocida como Eight-to-Fourteen Modulation (EFM), que a cada grupo de 8 bits intercala cada bit con al menos dos 0 creando una palabra de 14 bits, de esta forma si aparece un bit 1 se realiza un valle-hueco y como lo siguiente son dos 0 se realizan dos huecos forzando menos al láser.

Una vez grabados los datos creando huecos o valles ¿como se detecta la información?
De nuevo, el láser emite hacia la superficie del CD-A sin crear deformaciones en dicha superficie, si la onda electromagnética emitida por el láser incide sobre un valle, se reflejará prácticamente en su totalidad y mediante una serie de lentes será encaminada hacia un fotodetector que recibirá una considerable cantidad de luminosidad, en cambio si el láser emite sobre un hueco, la onda se dispersa y la intensidad que llega al fotodetector es despreciable, este convertirá la señal luminosa en una señal eléctrica que ya puede ser manipulada para recoger la información binaria: habría que reconocer los cambios hueco-valle o valle, además de eliminar los bits de la modulación EFM y los de corrección de errores.

Figura 10. Encaminamiento del haz de luz hacia la superficie del disco y hacia el fotodetector. Imagen tomada de [12]