Die Compact Disc (CD): Technologie, Digitalisierung und Vorteile

1. Einführung: Die Compact Disc und Digitaler Sound

Die Entwicklung der Compact Disc (CD) mit digitaler Audio-Aufzeichnung löste grundlegende Probleme analoger Speichermedien wie den Verschleiß von Festplatten und Bändern sowie Gleichlaufschwankungen (Jammern und Tremolo).

Das digitale System bietet erhebliche Vorteile, darunter eine verbesserte Signal-Rausch-Dynamik sowie die Präzision der Speicherung, Übertragung und Verarbeitung, die jedes digital aufgezeichnete Medium auszeichnet.

Analog-Digital-Wandlung für die CD

Im Gegensatz zum analogen Signal, das kontinuierlich variiert und jeden beliebigen Wert annehmen kann, arbeitet die CD digital. Um analoge Signale für die digitale Aufzeichnung auf der CD nutzbar zu machen, müssen sie mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) umgewandelt werden.

Der Digitalisierungsprozess

Das digitale Signal der CD wird durch nur zwei Werte (0 und 1) charakterisiert. Jeder dieser Werte wird als Bit bezeichnet und entspricht zwei Spannungsebenen (typischerweise 0 V und 5 V).

A. Abtastung (Sampling)

Der A/D-Wandler muss das analoge Signal mit einer bestimmten Frequenz abtasten. Die Anzahl der Proben pro Zeiteinheit wird als Abtastfrequenz (Samplingfrequenz) bezeichnet. Im Falle der Audio-CD beträgt diese 44,1 KHz.

B. Quantisierung

Die in jeder Probe enthaltenen Werte sind diskret. Die Spannungswerte müssen gerundet werden, d. h., ein Wert wird für ein Intervall von Werten gewählt. Dieser Vorgang ist als Quantisierung bekannt.

C. Codierung

Jeder diskrete Wert wird durch einen binären Code ersetzt. Die Sammlung dieser Codes, Probe für Probe, erzeugt die digitalen Informationen, die auf der Disc aufgezeichnet werden und das analoge Signal ersetzen. Die CD arbeitet mit einem Code von 16 Bit, was 65.536 möglichen Kombinationen ermöglicht.

Die Präzision der Konvertierung hängt unter anderem von der Abtastrate ab (eine Probe jede Millisekunde).

Rückwandlung: Digital-Analog-Wandler (DAC)

Für die Vervielfältigung des auf der CD aufgezeichneten digitalen Signals ist es notwendig, die digitalen Signale zurück in analoge Signale umzuwandeln. Dies geschieht durch einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der den digitalen Code entschlüsselt und das ursprüngliche analoge Signal wiederherstellt.

2. Die Compact Disc (CD): Format und Aufbau

Das CD-Format wurde 1979 von Philips eingeführt. Es definiert das aktuelle System mit einem Durchmesser von 12 cm und einer Kapazität von 74 Minuten – eine Dauer, die der Neunten Symphonie von Beethoven entspricht. Die CD wurde 1982 kommerziell veröffentlicht.

Physischer Aufbau der CD

Die CD besteht aus einem transparenten Kunststoff-Substrat von 1,2 mm Dicke. Darauf befindet sich eine reflektierende Beschichtung mit einer Dicke zwischen 0,05 und 0,1 Mikrometer, die das Abtasten ermöglicht. Zum Schutz wird eine Lackschicht von etwa 30 Mikrometern aufgetragen, auf deren Außenseite der Titel oder andere Informationen im Siebdruckverfahren aufgebracht werden.

Datenstruktur und Fehlerkorrektur

Die Disc-Aufzeichnung enthält folgende Informationen:

1. Digitale Daten (Musik, Songnummern etc.)
2. Synchronisationssignal (für die Drehzahl der Disc)
3. Code für Fehlerkorrektur
4. Lesesignal

EFM (Eight-to-Fourteen Modulation)

Die Fehlerkorrektur wird durch das EFM-Signal (Eight-to-Fourteen Modulation) ermöglicht. Dieses Codierungsverfahren wandelt einen 8-Bit-Code in einen 14-Bit-Code um. Dies ist notwendig, um sicherzustellen, dass nach einer logischen 1 mindestens zwei Nullen und maximal zehn Nullen folgen. Auf diese Weise kann das System selbst bei einem Lesefehler die Bits korrekt rekonstruieren und den Verlust des ursprünglichen Signals verhindern.

Dieser digitale Code liefert zusätzlich ein Synchronisationssignal, das die Geschwindigkeit der Festplatte kontrolliert.

Wesentliche Vorteile der CD-Technologie

• Präzision: Die Geschwindigkeit der Disc ist perfekt kontrolliert.
• Kein Tremolo/Jammern: Es treten keine Gleichlaufschwankungen auf.
• Signal-Rausch-Abstand: Das digitale Signal verbessert den Signal-Rausch-Abstand auf über 90 dB.
• Verzerrung: Die Verzerrung liegt bei weniger als 0,03 %.

Geschwindigkeitskontrolle

Die lineare Geschwindigkeit der Scheibe muss sehr präzise sein. Um die lineare Geschwindigkeit konstant zu halten, muss die Winkelgeschwindigkeit angepasst werden:

• Beim Start der Lesung in der Mitte der Scheibe beträgt die Winkelgeschwindigkeit 500 U/min.
• Wenn sich der Laser nach außen bewegt, sinkt die Drehzahl auf 200 U/min.