CD und Minidisc

Johannes Hölzl


Inhalt

1. Grundsätzliches

1.1 Die Analog-Digitalwandlung
1.2 Die Speicherung
 
2. Die Compact Disc (CD)
2.1 Aufbau
2.2 Herstellung
2.3 Das Ausleseverfahren der CD-Spieler
2.4 Drei- und Einstrahlprinzip
 
3. Die Minidisc (MD)
3.1 Aufbau und Datenreduktionsverfahren
3.2 Aufnahme und Wiedergabe bei der „recordable“ MD
 
Quellenverzeichnis
 
 

1. Grundsätzliches

 
1.1 Die Analog-Digitalwandlung
 
Der erste Schritt in der digitalen Audiotechnik ist die Umsetzung des analogen Ausgangssignals in eine Folge digitaler Abtastwerte. Dabei wird der analoge Abtastwert in einer Binärzahl verschlüsselt. Heute ist dafür eine 16-stellige Zahl, also eine Auflösung von 16 Bit üblich. Mit diesen 16 Bit lassen sich 65536 Möglichkeiten darstellen.
 
Außerdem muss der Zeitabstand festgelegt werden, in dem die Abtastwerte aufeinander folgen, dies geschieht in der Abtastrate oder Sampling rate. Dafür gilt das in der Praxis bewiesene Abtasttheorem, das besagt, dass sich der volle Informationsgehalt erfassen lässt, wenn die Abtastrate mindestens doppelt so hoch ist wie die zu messende Frequenz, d. h. bei einem zu digitalisierendem Signal von 20 kHz muss die Abtastfrequenz mindestens 40 kHz betragen.
 
Es gibt es mehrere Standartwerte für die Abtastfrequenz, z. B. 44,1 kHz bei der Compactdisc oder 48 kHz beim Digital Audio Tape.
 
Wenn das analoge Audiosignal Frequenzen enthält, die höher als die Hälfte der Abtastrate sind, kann es zum so genannten Aliasing kommen, d. h. im digitalen Signal entstehen Scheinfrequenzen, die sich aus der Differenz zwischen Abtastfrequenz und Eingangssignal ergeben. Dieser Effekt lässt sich durch Filter verhindern, die alle Frequenzen, die höher als die Hälfte der Abtastrate sind, aus dem Eingangssignal herausfiltern.
Die bei der quarzgesteuerten Abtastung anfallenden Momentanwerte werden von einem Abtast- und Halteglied (sample and hold) geliefert. Dabei wird über einen elektronischen Schalter ein Kondensator auf den jeweiligen Momentanwert geladen und so lange gehalten, bis ein Analog-Digitalwandler die Umsetzung vollzogen und das Signal binär codiert hat. Darauf soll hier aufgrund des technisch komplizierten Vorgangs nicht näher eingegangen werden.

Die Digital-Analogwandlung erfolgt ähnlich, nur in umgekehrter Reihenfolge.
 

1.2 Die Speicherung

Das größte Problem bei der Speicherung besteht darin, dass selbst ein fehlender oder falsch abgespeicherter Wert Störgeräusche wie ein Knacken hervorrufen kann. Daher ist eine Fehlerkorrektur der digitalen Aufzeichnung unumgänglich. Dabei werden zusätzlich zu den digitalen Signalen Korrektursignale aufgezeichnet, mit deren Hilfe der richtige Wert zurückgerechnet werden kann. Da aber Fehlstellen auch größer sein können und auch den Nachbarwert beeinflussen können, werden die einzelnen 16 Bit Werte nicht in ihrer natürlichen Reihenfolge sondern verschachtelt abgespeichert. So ist es extrem unwahrscheinlich, dass zwei in ihrer natürlichen Reihenfolge nebeneinander liegende Werte gestört sind.
 
 

2. Die Compact Disc (CD)

2.1 Aufbau

Die CD (auch Digital Audio Disk, Abk. DAD) ist eine aus einer Kunststofffolie (Polycarbonat) bestehende Speicherscheibe mit einem Durchmesser von 8 oder 12 cm, die auf der einen Seite in Form sehr kleiner Vertiefungen, den Pits, die digital verschlüsselte Klanginformation enthält. Diese Schicht ist durch eine transparente Kunststoffschicht geschützt und damit mechanisch unempfindlich. Diese Pits haben eine Tiefe von 0,12 µm und verlaufen in einer 0,6 µm breiten Spirale von innen nach außen. Der Abstand zwischen zwei Nachbarspuren beträgt 1 µm. In ihrer Anordnung und Länge (zwischen 0,9 und 3,3 µm) ist die digitale Information enthalten. Ein Pit entspricht also einem Bit. Üblicherweise hat eine CD eine Kapazität von 80 oder 74 Minuten, das entspricht 700 bzw. 650 MB.
 

2.2 Herstellung

Zuerst muss bei der Herstellung ein CD-Mutterband erstellt werden. Dabei werden der digitalen Tonaufzeichnung die Hilfscodierungen einschließlich Synchronisation und Fehlerkorrektur hinzugefügt. Nachdem das Mutterband technisch überprüft ist, kann ein CD-Master davon hergestellt werden.

Der nächste Schritt besteht in der Herstellung der Matrize. Dazu wird der versilberte und damit elektrisch leitfähige Master als Kathode in ein galvanisches Bad mit Nickel-Anode gebracht. Lässt man Strom durch die Lösung fließen, schlägt sich das Nickel auf der versilberten Master-Oberfläche nieder. Nach erreichen der gewünschten Schichtdicke wird die Nickelschicht vom Master getrennt. Die danach entstehende Platte, auch "Vater" genannt, ist ein Negativ, d. h. statt der Vertiefungen enthält es die entsprechenden Erhebungen. Da mit dem "Vater" nur eine begrenzte Anzahl von Pressungen vorgenommen werden kann, werden von diesen, noch "Mütter" und von diesen "Söhne" gezogen.

Nachdem mit diesen einige Muster gepresst und überprüft sind, beginnt die Herstellung der CDs in einem Spritz-Press-Verfahren, ähnlich dem der analogen Platte. Darauf wird die noch durchsichtige CD in einer Sputter-Anlage mit Aluminium beschichtet, um eine 70-80 nm dicke, reflektierende Schicht zu erhalten.

Nachdem auf die CD eine Schutzschicht aufgetragen worden ist, wird das Mittelloch gestanzt.

Zuletzt wird die Disc mit ihrem Label bedruckt.

Bei all diesen Arbeitsschritten kommt es auf höchste Präzision und Genauigkeit an. Da schon kleinste Staubteilchen die Aufzeichnung verfälschen könnten, wird die CD im Reinraum hergestellt. Außerdem erfährt die Disc in allen Produktionsstadien strichprobenartig Qualitätskontrollen sowie eine abschließende Überprüfung.
 

2.3 Das Ausleseverfahren der CD-Spieler

Im Jahr 1960 wurde erstmals ein Laser (Light amplification by Stimulated Emission of Radiation) vorgestellt. Bei einem Laser senden die Atome des Mediums, einmal von außen durch Zuführung von Energie angeregt, ausschließlich und synchron Licht der ihnen eigenen Wellenlänge aus. CD-Spieler verwenden zur Abtastung Laserlicht der Wellenlänge 780 nm im Infrarotbereich mit einer typischen Leistung von ca. 1 mW.

Eine CD mit einer Spieldauer von einer Stunde enthält ca. 15 Mrd. Bit, dargestellt durch Vertiefungen. Damit der Laser die Daten fehlerfrei lesen kann, muss der Brennpunkt des gebündelten Strahls genau auf der CD-Informationsoberfläche (auf der Ebene der Vertiefungen) liegen. Wenn der Brennpunkt mehr als 0,5 µm von der Plattenoberfläche abweicht, registriert der Laser die Daten fehlerhaft oder gar nicht mehr. Diese Nachführgenauigkeit ist nur durch einen Servo möglich, der den Laserstrahl ständig neu fokussiert. Der CD-Standart schreibt vor, dass ein Laufwerk den Strahl noch korrekt fokussieren muss, selbst wenn die CD einen Höhenschlag von 1mm hat. Während des gesamten Abtastvorgangs muss der Laserstrahl exakt auf der Pit-Spur gehalten werden. Der Systemstandart schreibt eine Spurgenauigkeit von ± 0,1 µm vor, obwohl wegen der exzentrischen Anordnung des Pit-Pfades und Fertigungstoleranzen der CD die tatsächliche Spur von der idealen Spur um ca. 1 µm abweichen darf.

Die Elektronik des Laufwerkes muss also ständig die Aufgaben bewältigen, den Laser korrekt zu fokussieren, in auf der Spur zu halten und die Motordrehzahl zu regulieren. Dazu wird in der Elektronik der reflektierte Laserstrahl ausgewertet und damit die jeweils aktuelle Information zur Steuerung des Fokus und der Spurregelung erzeugt. Die Daten zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit liefert der nachgeschaltete Decoder.
 

2.4 Drei- und Einstrahlprinzip

Es haben sich zwei Systeme zur Datenauslese durchgesetzt: das Einstrahlsystem sowie das Dreistahlprinzip.

Beim Dreistahlprinzip passiert der Laserstrahl zuerst ein Beugungsgitter, wo er in drei Strahlen aufgeteilt wird: in einem Hauptstrahl zum Auslesen der Daten und zwei Hilfsstrahlen für die Spurnachführung. Alle drei Strahlen werden von der Objektivlinse fokussiert. Die von der CD reflektierten Strahlen fallen dann auf einen Fotodetektor, der sich aus sechs lichtempfindlichen Sensoren zusammensetzt. Diese liefern Strom, sobald das reflektierte Licht darauf fällt. Der Fotodetektor ist so aufgebaut, dass die reflektierten Hilfsstrahlen auf die Detektoren E und F treffen, während der Hauptstrahl auf die Sensoren A bis D fällt. Aus diesem ergibt sich dann auch die digitale Information.

Gleichzeitig dienen die Sensoren zur Steuerung des Fokus. Ist der Laserstrahl im Fokus, so bildet der reflektierte Strahl einen Kreis, bei Abweichungen eine Ellipse. Zur Spurführung dienen die beiden Hilfsstrahlen. Sie fallen immer neben die Spur und fallen auf die Sensoren E und F. Diese liefern dann das Steuersignal für die Spurführung.
 

Abb. 1:
Aufbau eines Dreistrahl-Lasersystems und Anordnung der Detektorfelder

Dreistrahl-Lasersystem

Beim Einstahlprinzip trifft der Laserstrahl auf einen halbdurchlässigen Spiegel, wo er um 90° abgelenkt wird bevor er auf die Disc trifft. Der reflektierte Strahl wird von einem speziellen Prisma halbiert. Die beiden Teilstrahlen fallen auf vier lichtempfindliche Sensoren. Diese liefern dann ähnlich wie beim Dreistrahlprinzip die Informationen über Spurregelung, Fokussierung und die digitalen Daten.

Die Spurregelung funktioniert beim Einstahlprinzip folgendermaßen: ist der Strahl zu weit nach links abgewichen. werden die Sensoren D3 und D4 bestrahlt, driftet der Strahl zu weit nach rechts ab, fällt das Licht auf die Sensoren D1 und D2. Beim Einstrahlprinzip folgt der Strahl der Spur ihn Schlangenlinien, so dass er nach kurzer Zeit automatisch die richtige Spur findet.
 

Abb. 2:
Aufbau eines Einstrahl-Lasersystems

Dreistrahl-Lasersystem



3. Die Minidisc (MD)

3.1 Aufbau und Datenreduktionsverfahren

Die Minidisc hat einen Durchmesser von 6,4 cm und wird durch eine Kassette geschützt. Die Spielzeit beträgt 74 Minuten. Bei der MD unterscheidet man zwischen zwei Typen: der optischen "premastered" Disc, die bereits bespielt ist und der magneto-optischen "recordable" Disc, die für Eigenaufnahmen gedacht ist. Mit diesem Typ sollen bis zu einer Million Neubespielungen möglich sein. Beide Typen werden mit einem Lasersystem gelesen, im Fall der MO-Disc auch beschrieben.

Da sich weder die Pit-Größe geändert hat noch die Spurabstände kleiner geworden sind, aber die bespielbare Fläche bei gleicher Spielzeit wie bei der CD um das ca. 3,5-fache kleiner geworden ist, muss die Datenmenge verringert werden. Das verwendete Verfahren zur Datenreduktion nennt man ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding). Es reduziert den Datenstrom einer vergleichbaren CD von 1,4 Mbit/s in einen ATRAC Datenstrom von 0,292 Mbit/s, also auf ein Fünftel des einfließenden Datenstroms.


Abb. 3:
Bausteine einer MD-Optik

MD-Optik




3.2 Aufnahme und Wiedergabe bei der "recordable" MD

Das Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe bei der "recordable" MD unterscheidet sich markant von dem der "premastered" MD. Bei der Aufnahme werden magnetische Pits in einer Magnetschicht "eingefroren". Diese Schicht besteht aus einer Mischung von Ferrit, Terbium und Kobalt. Dazu erhitzt der Laserstrahl bei der Aufnahme die magneto-optische Schicht über ihren Curie-Punkt, sodass das Medium paramagnetisch wird. Also magnetisiert der Magnetkopf nur diese erwärmte "Insel", aber nicht die kalten Nachbarbereiche. Zum Auslesen der Daten wird der Faraday-Effekt genutzt. Faraday hatte erkannt, dass sich Laserlicht unter Einfluss eines Magnetfeldes in der Polarisationsebene dreht. Dies wird dann vom Detektor registriert, und so werden die magnetischen Pits erkannt. Beim Auslesen wird mit einer Laserleistung von 0,5 mW gearbeitet, während beim Beschreiben zum Erreichen der nötigen Temperatur von über 220° C eine Leistung von 2,5-5 mW nötig ist.
 

Abb. 4:
Aufnahme mit einer "recordablen" MD

Aufnahme mit MD

 
 


Quellen:

 
Horst Siegismund:
DVD, MD und CD in der Praxis
Verlag Technik, Berlin, 2001, 120 Seiten
ISBN: 3-341-01284-2
[Abb. 1; 2; 3; 4]
 
Bernhard Krieg:
Praxis der digitalen Audiotechnik: digitale Aufnahme und Wiedergabe
Franzis-Verlag GmbH, München, 1989, 288 Seiten
ISBN: 3-7723-6012-2
[Abb. 2]
 
Bernd Enders:
Lexikon Musikelektronik
Atlantis Musikbuch-Verlag, Mainz, 1985, 3. Auflage 1997, 394 Seiten
ISBN: 3-254-08352-0
 
Martin Elste:
Kleines Tonträger Lexikon
Bärenreiter Verlag, Kassel, 1989, 150 Seiten
ISBN: 3-7618-0966-2
 
Universal Lexikon Enzyklopädie 2003
Franzis’ Verlag, Poing, 2002