Einführung in die digitale Audiotechnik und die CD

Einführung in den digitalen Sound

Die Entwicklung der Audio-CD und der digitalen Audio-Aufzeichnung hat Probleme wie die Abnutzung von Discs und Kassetten sowie Gleichlaufschwankungen (Wow und Flutter) gelöst. Zudem wurden das Signal-Rausch-Verhältnis, die Dynamik und die Kanaltrennung verbessert. Das System bietet die Vorteile einer präzisen digitalen Speicherung, Übermittlung und Verarbeitung.

Analog- und Digitalsignale

Ein analoges Signal kann jeden beliebigen Wert annehmen und variiert immer kontinuierlich. Für CDs ist es notwendig, das analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln. Ein digitales Signal nutzt nur zwei Werte oder Zustände, wobei jeder als Bit bezeichnet wird, was zwei verschiedenen Spannungsebenen entspricht.

Der A/D-Wandler und die Abtastung

Der A/D-Wandler tastet das analoge Signal mit einer bestimmten Anzahl von Proben pro Zeiteinheit ab. Diese Frequenz wird Abtastrate (Sampling Rate) genannt. Im Fall der CD liegt sie bei 44,1 kHz, das heißt 44.100 Proben pro Sekunde. Die aus jeder Probe gesammelten Werte sind diskrete Spannungswerte. Da man einen Wert aus einer Reihe von Werten wählen muss, handelt es sich um eine Art Rundung, die als Quantisierung bezeichnet wird.

Kodierung und Präzision

Jeder diskret erhaltene Wert wird durch den Prozess der Kodierung durch einen binären oder digitalen Code ersetzt. Die Zusammenstellung der Codes jeder Probe erzeugt die digitalen Informationen, die auf der Disc gespeichert werden und das analoge Signal ersetzen. Die CD arbeitet mit einem 16-Bit-Code, der 65.536 Kombinationen ermöglicht, was eine Vorstellung vom Grad der Präzision des abgetasteten Signals gibt.

Die Genauigkeit der Wandlung hängt auch von der Abtastgeschwindigkeit ab. Wenn zum Beispiel jede Millisekunde eine Probe entnommen wird (1.000 Proben in einer Sekunde), beträgt die Abtastfrequenz 1.000 Hz.

Wiedergabe und D/A-Wandlung

Um das auf einer CD aufgezeichnete digitale Signal wiederzugeben, ist es notwendig, es mit einem Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) zurück in ein analoges Signal zu konvertieren. Der Wandler gewinnt das ursprüngliche analoge Signal aus den digitalen Codes zurück, indem diese dekodiert werden, um die entsprechenden diskreten Werte zu erhalten. Anschließend werden diese durch einen Filter geleitet, um abrupte Signaländerungen zu glätten.

Die Geschichte und Technik der CD

Die CD wurde im Jahr 1979 von Philips entwickelt. Das System wurde mit einem Durchmesser von 12 cm und einer Kapazität von 74 Minuten Dauer definiert (entsprechend der Dauer von Beethovens Neunter Sinfonie). Die Markteinführung erfolgte 1982.

PCM und EFM-Modulation

Die Aufnahme erfolgt über das System der Puls-Code-Modulation (PCM), welches die analogen Signale in digitale übersetzt. Danach wird das Signal moduliert, um das EFM-Signal (Eight-to-Fourteen Modulation) zu erhalten. Dies erzeugt eine Variation der Länge der Vertiefungen, in denen die binären Informationen auf der Disc aufgezeichnet werden.

Die Aufzeichnung erfolgt in Form von Pits (Vertiefungen) und Lands (Flächen). Wenn diese von einem dünnen Laserstrahl getroffen werden, reflektiert das Land das gesamte Signal, während der Pit ein weniger intensives Signal reflektiert. Dadurch können die digitalen Einsen und Nullen gelesen werden.

Fehlerschutz und Dekodierung

Die EFM-Modulation (8-zu-14) wandelt einen 8-Bit-Code in einen 14-Bit-Code um, was eine viel präzisere Dekodierung ermöglicht. Es wird ein System zum Schutz vor Fehlern verwendet, das nur gültige Codes oder Wörter zulässt, die der Regel von 2 bis 10 folgen. Das bedeutet, dass nach einer logischen 1 mindestens 2 und maximal 10 Nullen folgen müssen. Wenn also ein Lesefehler auftritt und Bits verloren gehen, kann das System dies korrigieren und das ursprüngliche Signal rekonstruieren.