Audio digital en disco compacto

En 1974, Lou Ottens, director de la división de audio de Philips, creó un pequeño grupo para desarrollar un disco de audio óptico analógico con un diámetro de 20 cm (7,9 pulgadas) y una calidad de sonido superior a la del disco de vinilo. ^{[ 25 ]} Sin embargo, debido al rendimiento insatisfactorio del formato analógico, dos ingenieros de investigación de Philips recomendaron un formato digital en marzo de 1974. En 1977, Philips estableció un laboratorio con la misión de crear un disco de audio digital. El diámetro del prototipo de disco compacto de Philips se fijó en 11,5 cm (4,5 pulgadas) , la diagonal de un casete de audio. ^{[ 17 ] [ 26 ]}    

Heitaro Nakajima , quien desarrolló una de las primeras grabadoras de audio digital dentro de la organización nacional de radiodifusión pública de Japón, NHK , en 1970, se convirtió en gerente general del departamento de audio de Sony en 1971. En 1973, su equipo desarrolló un adaptador PCM digital que permitía realizar grabaciones de audio utilizando una grabadora de video Betamax . Posteriormente, en 1974, el salto al almacenamiento de audio digital en un disco óptico se realizó fácilmente. ^{[ 27 ]} Sony presentó públicamente por primera vez un disco de audio digital óptico en septiembre de 1976. Un año después, en septiembre de 1977, Sony mostró a la prensa un disco de 30 cm (12 pulgadas) que podía reproducir una hora de audio digital ( frecuencia de muestreo de 44.100 Hz y resolución de 16 bits) utilizando codificación de modulación de frecuencia modificada . ^{[ 28 ]}   

En septiembre de 1978, Sony presentó un disco de audio digital óptico con un diámetro de 30 cm (12 pulgadas) con un tiempo de reproducción de 150 minutos, una frecuencia de muestreo de 44.056 Hz, una resolución lineal de 16 bits y un código de corrección de errores de codificación Reed-Solomon entrelazada cruzada (CIRC), especificaciones similares a las que posteriormente se establecieron para el formato estándar de disco compacto en 1980. Los detalles técnicos del disco de audio digital de Sony se presentaron durante la 62.ª Convención de la AES , celebrada del 13 al 16 de marzo de 1979 en Bruselas . ^{[ 28 ]} El documento técnico de Sony para la AES se publicó el 1 de marzo de 1979. Una semana después, el 8 de marzo, Philips presentó públicamente un prototipo de un disco de audio digital óptico en una conferencia de prensa llamada "Philips presenta el disco compacto" ^{[ 29 ]} en Eindhoven , Países Bajos. ^{[ 30 ]} El ejecutivo de Sony, Norio Ohga , quien más tarde sería director ejecutivo y presidente de Sony, y Heitaro Nakajima estaban convencidos del potencial comercial del formato e impulsaron su desarrollo a pesar del escepticismo generalizado. ^{[ 31 ]}   

En 1979, Sony y Philips crearon un grupo de trabajo conjunto de ingenieros para diseñar un nuevo disco de audio digital. Liderada por los ingenieros Kees Schouhamer Immink y Toshitada Doi , la investigación impulsó la tecnología de discos ópticos y láser . ^{[ 29 ]} Tras un año de experimentación y debate, el grupo de trabajo elaboró ​​el estándar CD-DA del Libro Rojo . Publicado por primera vez en 1980, el estándar fue adoptado formalmente por la IEC como estándar internacional en 1987, y diversas enmiendas se incorporaron al estándar en 1996.

Philips acuñó el término disco compacto en consonancia con otro producto de audio, el casete compacto , ^{[ 26 ]} y contribuyó con el proceso general de fabricación , basado en la tecnología de vídeo LaserDisc. Philips también aportó la modulación de ocho a catorce (EFM), mientras que Sony contribuyó con el método de corrección de errores , CIRC, que ofrece resistencia a defectos como arañazos y huellas dactilares.

El libro «La historia del disco compacto» , ^{[ 17 ]} narrado por un antiguo miembro del grupo de trabajo, ofrece información de contexto sobre las numerosas decisiones técnicas tomadas, incluyendo la elección de la frecuencia de muestreo, el tiempo de reproducción y el diámetro del disco. El grupo de trabajo estaba compuesto por unas seis personas, ^{[ 19 ] [ 32 ]} aunque, según Philips, el disco compacto fue «inventado colectivamente por un gran grupo de personas que trabajaban en equipo». ^{[ 33 ]}

Entre los primeros hitos en el lanzamiento y la adopción del formato se incluyen:

• La primera prueba de prensado fue de una grabación de la Sinfonía Alpina de Richard Strauss , grabada del 1 al 3 de diciembre de 1980 e interpretada por la Filarmónica de Berlín y dirigida por Herbert von Karajan , quien había sido contratado como embajador del formato en 1979. ^{[ 34 ]}
• La presentación mundial tuvo lugar durante el Festival de Pascua de Salzburgo el 15 de abril de 1981, en una conferencia de prensa de Akio Morita y Norio Ohga (Sony), Joop van Tilburg (Philips) y Richard Busch (PolyGram), en presencia de Karajan, quien elogió el nuevo formato. ^{[ 35 ]}
• La primera manifestación pública tuvo lugar en el programa de televisión de la BBC Tomorrow's World en 1981, cuando se reprodujo el álbum Living Eyes (1981) de los Bee Gees . ^{[ 36 ]}
• El primer disco compacto comercial se produjo el 17 de agosto de 1982, una grabación de 1979 de valses de Chopin interpretados por Claudio Arrau . ^{[ 37 ]}
• Los primeros 50 títulos se publicaron en Japón el 1 de octubre de 1982, ^{[ 38 ]} el primero de los cuales fue una reedición del álbum de Billy Joel de 1978 , 52nd Street . ^{[ 39 ]}
• El primer CD que se reprodujo en BBC Radio fue en octubre de 1982. ^{[ 40 ]}
• Al lanzamiento en Japón le siguió, el 14 de marzo de 1983, la introducción de reproductores de CD y discos en Europa ^{[ 41 ]} y Norteamérica, donde CBS Records lanzó dieciséis títulos. ^{[ 42 ]}

El primer artista en vender un millón de copias en CD fue Dire Straits , con su álbum de 1985 Brothers in Arms . ^{[ 43 ]} Uno de los primeros mercados de CD se dedicó a reeditar música popular cuyo potencial comercial ya estaba probado. El primer artista importante en tener todo su catálogo convertido a CD fue David Bowie , cuyos primeros catorce álbumes de estudio (hasta Scary Monsters (and Super Creeps) ) de (entonces) dieciséis fueron puestos a disposición por RCA Records en febrero de 1985, junto con cuatro álbumes de grandes éxitos; sus álbumes decimoquinto y decimosexto ( Let's Dance y Tonight , respectivamente) ya habían sido publicados en CD por EMI Records en 1983 y 1984, respectivamente. ^{[ 44 ]} El 26 de febrero de 1987, los primeros cuatro álbumes británicos de los Beatles fueron lanzados en mono en disco compacto. ^{[ 45 ]}

La creciente aceptación del CD en 1983 marcó el comienzo de la revolución del audio digital popular. ^{[ 46 ]} Fue recibido con entusiasmo, especialmente en las comunidades de música clásica y audiófilas que lo adoptaron tempranamente , y su calidad de manejo recibió elogios particulares. A medida que el precio de los reproductores disminuyó gradualmente, y con la introducción del Discman portátil, el CD comenzó a ganar popularidad en los mercados más grandes de música popular y rock. Con el aumento en las ventas de CD, las ventas de cintas de casete pregrabadas comenzaron a disminuir a finales de la década de 1980; las ventas de CD superaron a las de casete a principios de la década de 1990. ^{[ 47 ] [ 48 ]} En 1988, se fabricaron 400 millones de CD en 50 plantas de prensado en todo el mundo. ^{[ 49 ]}

Los primeros reproductores de CD empleaban convertidores digital-analógico (DAC) ponderados binariamente , que contenían componentes eléctricos individuales para cada bit del DAC. ^{[ 50 ]} Incluso utilizando componentes de alta precisión, este enfoque era propenso a errores de decodificación. ^{[ 50 ]} Otro problema era la fluctuación (jitter) , un defecto relacionado con el tiempo. Ante la inestabilidad de los DAC, los fabricantes recurrieron inicialmente a aumentar el número de bits en el DAC y a utilizar varios DAC por canal de audio, promediando sus salidas. ^{[ 50 ]} Esto aumentó el costo de los reproductores de CD, pero no resolvió el problema fundamental.

Un avance a finales de la década de 1980 culminó con el desarrollo del DAC de 1 bit , que convierte una señal de entrada digital de baja frecuencia y alta resolución en una señal de alta frecuencia y menor resolución que se asigna a voltajes y luego se suaviza con un filtro analógico. El uso temporal de una señal de menor resolución simplificó el diseño del circuito y mejoró la eficiencia, razón por la cual se convirtió en la técnica dominante en los reproductores de CD a partir de principios de la década de 1990. Philips utilizó una variación de esta técnica llamada modulación por densidad de pulsos (PDM), ^{[ 51 ]} mientras que Matsushita (ahora Panasonic ) optó por la modulación por ancho de pulsos (PWM), comercializándola como MASH, un acrónimo derivado de su topología patentada Multi-stAge noiSe-sHaping PWM. ^{[ 50 ]}

El CD se concibió inicialmente como el sucesor del disco de vinilo para reproducir música, más que como un medio de almacenamiento de datos. Sin embargo, los CD han evolucionado para abarcar otras aplicaciones. En 1983, tras la introducción del CD, Immink y Joseph Braat presentaron los primeros experimentos con discos compactos borrables durante la 73.ª Convención de la AES . ^{[ 52 ]} En junio de 1985, se introdujo el CD-ROM (memoria de solo lectura) legible por ordenador y, en 1990, los discos CD-R grabables. ^{[ a ]} ​​Los CD grabables se convirtieron en una alternativa a la cinta para grabar y distribuir música y podían duplicarse sin degradación de la calidad del sonido.

Otros formatos de vídeo más recientes, como el DVD y el Blu-ray , utilizan la misma geometría física que el CD, y la mayoría de los reproductores de DVD y Blu-ray son compatibles con versiones anteriores de CD de audio.

Las ventas de CD en Estados Unidos alcanzaron su punto máximo en el año 2000. ^{[ 53 ]} A principios de la década de 2000, el reproductor de CD había reemplazado en gran medida al reproductor de casetes de audio como equipamiento estándar en los automóviles nuevos, siendo 2010 el último año modelo en que algún automóvil en Estados Unidos tuvo un reproductor de casetes instalado de fábrica. ^{[ 54 ]}

En la década de 2000 se comercializaron dos nuevos formatos, diseñados como sucesores del CD: el Super Audio CD (SACD) y el DVD-Audio . Sin embargo, ninguno de ellos se adoptó, en parte debido a la creciente popularidad de las descargas de música y a la aparente falta de mejoras audibles en la calidad del audio para la mayoría de los oídos humanos. ^{[ 55 ]} Esto, en efecto, prolongó la vida útil del CD en el mercado musical. ^{[ 56 ]}

Con la llegada y la popularidad de la distribución de archivos por Internet en formatos de audio comprimidos con pérdida , como el MP3 , las ventas de CD comenzaron a disminuir en la década de 2000. Por ejemplo, entre 2000 y 2008, a pesar del crecimiento general de las ventas de música y un año atípico de aumento, las ventas de CD de las principales discográficas disminuyeron en general un 20 %. ^{[ 57 ]} A pesar de la rápida disminución de las ventas año tras año, la omnipresencia de la tecnología persistió durante un tiempo, y las empresas colocaron CD en farmacias, supermercados y tiendas de conveniencia de gasolineras para llegar a compradores con menos probabilidades de poder utilizar la distribución por Internet. ^{[ 20 ]}

En 2012, los CD y DVD representaron solo el 34% de las ventas de música en Estados Unidos. ^{[ 58 ]} Para 2015, solo el 24% de la música en Estados Unidos se compró en soportes físicos, dos tercios de los cuales consistían en CD; ^{[ 59 ]} sin embargo, en el mismo año en Japón, más del 80% de la música se compró en CD y otros formatos físicos. ^{[ 60 ]} En 2018, las ventas de CD en EE. UU. fueron de 52 millones de unidades, menos del 6% del volumen máximo de ventas en 2000. ^{[ 53 ]} En el Reino Unido,  se vendieron 32 millones de unidades, casi 100  millones menos que en 2008. ^{[ 61 ]} En 2018, Best Buy anunció planes para disminuir su enfoque en las ventas de CD, sin embargo, mientras continuaba vendiendo discos, cuyas ventas están creciendo durante el resurgimiento del vinilo . ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}

Durante la década de 2010, la creciente popularidad de los medios de estado sólido y los servicios de transmisión de música provocó que los fabricantes de automóviles eliminaran los reproductores de CD en favor de entradas auxiliares minijack , conexiones cableadas a dispositivos USB y conexiones inalámbricas Bluetooth . ^{[ 65 ]} Los fabricantes de automóviles consideraban que los reproductores de CD ocupaban un valioso espacio y aumentaban el peso, que podía reasignarse a características más populares, como pantallas táctiles grandes. ^{[ 66 ]} Para 2021, solo Lexus y General Motors seguían incluyendo reproductores de CD como equipamiento estándar en algunos vehículos. ^{[ 66 ]}

Los CD continuaron teniendo una fuerte presencia en algunos mercados, como Japón, donde se produjeron 132 millones de unidades en 2019. ^{[ 67 ]}

La disminución de las ventas de CD se ha ralentizado en los últimos años; en 2021, las ventas de CD aumentaron en EE. UU. por primera vez desde 2004, ^{[ 68 ]} y Axios atribuyó su aumento a "jóvenes que están descubriendo que les gustan las copias físicas de música en la era digital". ^{[ 69 ]} Esto ocurrió al mismo tiempo que tanto el vinilo como el casete alcanzaron niveles de ventas no vistos en 30 años. ^{[ 70 ]} La RIAA informó que los ingresos por CD cayeron en 2022, antes de volver a aumentar en 2023 y superaron a las descargas por primera vez en más de una década. ^{[ 71 ]}

En Estados Unidos, se vendieron 33,4 millones de álbumes en CD en el año 2022. ^{[ 72 ]} En Francia , en 2023, se vendieron 10,5 millones de CD, casi el doble que los vinilos, pero ambos representaron el 12% de los ingresos de la industria musical francesa. ^{[ 73 ]}

Sony y Philips recibieron elogios de organizaciones profesionales por el desarrollo del disco compacto. Entre estos premios se incluyen:

• Premio Grammy Técnico para Sony y Philips, 1998. ^{[ 74 ]}
• Premio IEEE Milestone, 2009, otorgado exclusivamente a Philips con la siguiente mención: «El 8 de marzo de 1979, NV Philips' Gloeilampenfabrieken presentó a la prensa internacional un reproductor de CD de audio. La demostración mostró que, mediante la grabación y reproducción óptica digital, es posible reproducir señales de audio con una calidad estéreo excepcional. Esta investigación de Philips estableció el estándar técnico para los sistemas de grabación óptica digital». ^{[ 75 ]}

Cada muestra de audio es un entero con signo de 16 bits en complemento a dos , cuyos valores oscilan entre -32768 y +32767. Los datos de audio originales se dividen en tramas, cada una con doce muestras (seis a la izquierda y seis a la derecha, alternadas), para un total de 192 bits (24 bytes) de datos de audio por trama.

Esta secuencia de fotogramas de audio se somete a la codificación CIRC, que segmenta y reorganiza los datos y los expande con códigos de corrección de errores, permitiendo así la detección y corrección de errores de lectura ocasionales. La codificación CIRC intercala los fotogramas de audio a lo largo del disco en varios fotogramas consecutivos, lo que aumenta la resistencia de la información a errores puntuales . Por lo tanto, un fotograma físico del disco contiene información de múltiples fotogramas de audio lógicos. Este proceso añade 64 bits de códigos de corrección de errores a cada fotograma. Posteriormente, se añaden 8 bits de datos de subcódigo a cada uno de estos fotogramas codificados, que se utilizan para el control y el direccionamiento durante la reproducción del CD.

La codificación CIRC, junto con el byte de subcódigo, genera tramas de 33 bytes, denominadas tramas de datos de canal . Estas tramas se modulan mediante modulación de ocho a catorce (EFM), donde cada byte de 8 bits se reemplaza por una palabra de 14 bits correspondiente, diseñada para reducir el número de transiciones entre 0 y 1. Esto reduce la densidad de marcas físicas en el disco y proporciona un grado adicional de tolerancia a errores. Se añaden tres bits de fusión antes de cada palabra de 14 bits para la desambiguación y la sincronización. En total, hay 33  × (14  + 3)  = 561 bits. Se añade una palabra de 27 bits (un patrón de 24 bits más 3 bits de fusión) al principio de cada trama para facilitar la sincronización, de modo que el dispositivo de lectura pueda localizar las tramas fácilmente. Con esto, una trama termina conteniendo 588 bits de datos de canal , que se decodifican a 192 bits de audio digital.

Los fotogramas de datos del canal se graban físicamente en el disco en forma de surcos y zonas planas , donde cada surco o zona plana representa una serie de ceros, y los puntos de transición (el borde de cada surco) representan un 1. Un CD-R compatible con el Libro Rojo tiene puntos con forma de surcos y zonas planas sobre una capa de tinte orgánico en lugar de surcos y zonas planas reales; un láser crea los puntos alterando las propiedades reflectantes del tinte.

Debido a la estructura de sectores de corrección de errores más débil que se utiliza en los CD de audio y vídeo ( Modo 2 Forma 2 ) en comparación con los discos de datos ( Modo 1 o Modo 2 Forma 1 ), los errores C2 no son corregibles y significan pérdida de datos. ^{[ 111 ] [ 112 ]} Incluso con errores no corregibles, un reproductor de discos compactos utiliza ocultación de errores con el objetivo de que el daño sea inaudible. ^{[ 113 ]}

El flujo de datos de audio en un CD es continuo, pero consta de tres partes. La parte principal, subdividida en pistas de audio reproducibles, es el área de programa . Esta sección está precedida por una pista de introducción y seguida por una pista de cierre . Las pistas de introducción y cierre codifican únicamente audio silencioso, pero las tres secciones contienen flujos de datos de subcódigo .

El subcódigo de la introducción contiene copias repetidas de la tabla de contenido (TOC) del disco, que proporciona un índice de las posiciones de inicio de las pistas en el área de programa y de la salida. Las posiciones de las pistas se referencian mediante un código de tiempo absoluto , relativo al inicio del área de programa, en formato MSF: minutos, segundos y fracciones de segundo llamadas tramas . Cada trama de código de tiempo es una septuagésima quinta parte de segundo y corresponde a un bloque de 98 tramas de datos de canal ; en última instancia, un bloque de 588 pares de muestras de audio izquierda y derecha. El código de tiempo contenido en los datos del subcanal permite al dispositivo de lectura localizar la región del disco que corresponde al código de tiempo en la TOC. La TOC en los discos es análoga a la tabla de particiones en los discos duros . Los registros de TOC no estándar o corruptos se utilizan indebidamente como una forma de protección contra copia de CD/DVD , por ejemplo, en el esquema key2Audio .

La tasa de bits de audio para un CD de audio Red Book es de 1.411.200 bits por segundo (1.411  kbit/s) o 176.400 bytes por segundo ; 2 canales  × 44.100 muestras por segundo por canal  × 16 bits por muestra. Los datos de audio que provienen de un CD están contenidos en sectores, cada sector de 2.352 bytes, y 75 sectores representan 1 segundo de audio. A modo de comparación, la tasa de bits de un CD-ROM de velocidad original es de 2.048 bytes por sector  × 75 sectores por segundo  = 153.600 bytes por segundo. Los 304 bytes restantes en un sector de CD-ROM se utilizan para la corrección de errores de datos adicionales.

A diferencia de un DVD o CD-ROM, un CD de audio Red Book no contiene archivos ; solo presenta una secuencia continua de datos de audio LPCM y una secuencia paralela más pequeña de ocho subcódigos . Sin embargo, los sistemas operativos pueden acceder a un CD de audio como si contuviera archivos. Por ejemplo, Windows representa la tabla de contenido del CD como un conjunto de archivos de pistas de audio de disco compacto (CDA), cada uno con información de indexación, no datos de audio. En cambio, el Finder de macOS presenta el contenido del CD como un conjunto de archivos reales con la extensión AIFF , que se pueden copiar directamente, de forma aleatoria e individual por pista, como si fueran archivos reales. En realidad, macOS realiza las copias en segundo plano según sea necesario, de forma transparente para el usuario. Las pistas copiadas se pueden reproducir y editar completamente en el ordenador del usuario.

En un proceso llamado extracción , se puede utilizar software de extracción de audio digital para leer datos de audio de CD-DA y almacenarlos en archivos. Los formatos de archivo de audio comunes para este propósito incluyen WAV y AIFF, que simplemente anteponen un encabezado corto a los datos LPCM ; FLAC , ALAC y Windows Media Audio Lossless , que comprimen los datos LPCM de forma que se ahorra espacio pero se pueden restaurar sin cambios; y varios formatos de codificación perceptual con pérdida , como MP3 , AAC y Opus , que comprimen los datos de audio en mayor medida de forma irreversible, pero que aprovechan las características de la audición humana para que los cambios sean difíciles de discernir.