Fast alle optischen Speichermedien haben eins gemeinsam: Daten werden auf einer Platte gespeichert und mit Hilfe eines Lasers ausgelesen / beschrieben. Hier soll nun auf den derzeit gebräuchlichsten Medientyp und sein Nachfolgesystem eingegangen werden.
Jeder hat heutzutage schon einmal etwas von der CD-ROM gehört, und bestimmt haben auch die meisten mit ihr schon gearbeitet. Aber kaum jemand weiss, wie die CD-ROM funktioniert oder was es sonst noch für vielfältige Anwendungsgebiete gibt. Denn es ist einfach schwer vorstellbar, was da vor sich geht, wenn die CD in einem Spieler verschwindet und in Sekundenschnelle Musik spielt, Filme zeigt oder ganze Nachschlagewerke bietet. Um aber die CD-ROM zu erklären, sollte man am besten bei den Anfängen der CD überhaupt beginnen, denn als erstes Medium dieser Art gab es nur die Musik-CD. Sie ist die Grundlage für alle späteren Entwicklungen und Anwendungen der CD.
CD ist eine Abkürzung von Compact Disc. Diese ist eine einseitig (praktisch wären auch zwei Seiten möglich), 12cm grosse mit Informationen gefüllte Platte. Die CD bietet Platz für ca. 78 Minuten Musik oder Film und 650-700 Megabyte (1 Byte = 1 Zeichen) an Daten.
1982 brachten die holländische Firma Philips als Entwickler und in Kooperation die Firma Sony in Japan ein neues Medium auf den Markt, was die Unterhaltungselektronik vollkommen revolutioniert hat.
Es gab einen Musikträger, der praktisch fast in der Westentasche transportiert
werden konnte, fast vollkommen unempfindlich gegen äussere Einwirkungen ist,
und der Musik vom Feinsten versprach. Dass diese Revolution in Japan sofort ein
durchschlagender Erfolg war, ist verständlich. Und auch in Europa zog die CD
am 1. März 1983 ihren Siegeszug an.
Wo die Hersteller noch mit maximal 20 Millionen Einheiten 1985 gerechnet hatten,
waren es in Wirklichkeit schon weit über 60 Millionen, die verkauft wurden.
Und das, obwohl Geräte der ersten Generation noch im günstigsten Falle weit
über 2000,- DM kosteten und einen Komfort boten, den heute jeder 200,- DM Billig-CD-Spieler
schafft. Aber Verkaufszahlen weit über der Milliardengrenze (mit Einzug der
CD-ROM gibt es keine verlässliche Zahlen mehr) sprechen für sich und bezeugen,
dass die CD ein riesiger Erfolg geworden ist. Dies lag daran, dass es zu der Zeit
fast kein anderes vergleichbares System gab, was diesen Komfort und diese Speicherkapazität
bot.
Die "Konkurrenz", die es von anderen Firmen der Unterhaltungselektronik gab,
hatten zwar auch gute Ideen, aber keine hatte die Möglichkeit, den strengen
Auswahlkriterien des japanischen Ministeriums für internationalen Handel und
Industrie (MITI) standzuhalten.
Obwohl die CD eine europäische Erfindung war, bestimmten die Japaner über das Aussehen und die technischen Merkmale. So war die erste CD eigentlich nur 11,5 cm im Durchmesser, und bot damit eine Spielzeit von 60 Minuten. Aber da der Chef der MITI grosser Liebhaber von Beethoven war und speziell von seiner 9. Symphonie, die mindestens 72 Minuten lief, beschloss er, sie einfach auf 12 cm zu vergrössern. Diese Anekdote erzählt man sich jedenfalls, da es sonst keine Erklärung gibt, warum die Holländer einfach ihr bisheriges Konzept veränderten. Dennoch behielt Philips weitestgehend die Führung und machte die CD mit den Japanern zusammen zu einem riesigen Verkaufsschlager, dem viele weiter Anwendungen, und nicht nur der Musikaufnahme, folgten.
Der eigentliche Sinn einer CD ist, Musik oder Daten ohne Qualitätseinbussen aufzunehmen und abzuspielen. Um dies zu erreichen, muss die Information digital gespeichert werden, damit so lästige Störgeräusche wie bei der (analogen) Langspielplatte durch Staub und Kratzer nicht die ursprünglichen Informationen verfälschen. Denn theoretisch ist ein digitales Signal immer gleich und lässt sich durch Umwelteinflüsse nicht verändern. (Abb. 1)
Digital abspeichern
bedeutet: Die Tonkurve (Amplitude) muss zunächst in unzählige winzige Abschnitte
aufgeteilt werden. Dann wird jeder Abschnitt elektronisch "abgetastet", um die
einzelnen Spannungs- und Stromwerte in eine Folge aus Nullen und Einsen umzuwandeln.
Das sogenannte Abtasttheorem des Mathematikers Claude E. Shannon, 1948 veröffentlicht,
bildet dabei die Grundlage. Es besagt: Zur Speicherung und eindeutigen Rückgewinnung
von Tonsignalen muss man nicht jeden Punkt einer Tonkurve abtasten. Es genügt,
in regelmässigen Zeitabständen, die gleich gross sein müssen, Proben vom gerade
aktuellen Wert des Signals zu entnehmen. Diese Proben werden Samples genannt.
Einzige Bedingung bei diesem Vorgang muss sein, dass die Häufigkeit, mit der
die Signalgrösse abgefragt wird, mehr als doppelt so gross sein muss wie die
zu erfassenden Frequenzen - also der höchstmögliche Ton. Bei der CD einigte
man sich auf einen Frequenzbereich von 20-20.000 Hertz (das menschliche Ohr
nimmt maximal 18.000 Hertz wahr, was aber mit zunehmenden Alter stark abnimmt).
Daraus ergibt sich, dass die einzelnen Proben (Samples) mindestens 40.000mal
pro Sekunde abgefragt werden müssen. Bei der CD einigte man sich auf 44.100mal
pro Sekunde, um noch einen gewissen Spielraum zu haben.
Die Güte einer digitalen Aufzeichnung hängt jetzt nicht mehr von mechanischen Gegebenheiten wie bei der Langspielplatte ab, sondern vom Analog/Digitalwandler. Er begutachtet jede Stichprobe einzeln und ordnet der jeweiligen Kurvenhöhe die verschlüsselte Zahlenfolge aus Nullen und Einsen zu (Quantisierung). Je genauer er dabei seine Messlatte anlegt, d.h. je mehr Ziffern (Bits) ihm zur Verfügung stehen, desto präziser kann er die Töne digital umsetzen. Deshalb wurde der Standard bei der CD auf 16stellige Worte festgelegt. So sind 65.636 unterschiedliche Kombinationen möglich, um einen einzigen Wert zu bestimmen.
Man sieht der CD nicht an, welche ungeheure Datenmenge auf nur 12cm Durchmesser Platz hat. Allein 44.100mal in der Sekunde und pro Stereokanal ein 16-Bit-Wort zu notieren, stellt eine gewaltige Anforderung an das Speichermedium. Ausserdem müssen noch sogenannte Sicherheits-Bits eingebaut werden, die dazu dienen, bei Pressfehlern der CD oder bei Kratzern fehlende Worte nachträglich zu errechnen. Allein diese redundanten Bits (redundant = die hinzugefügten, nicht für das eigentliche Musiksignal notwendigen Bits) erhöhen den Datenstrom um mehr als 25 Prozent. Aber erst dadurch ist es möglich Kratzer von mehreren Millimetern Spurlänge einfach wegzurechnen. Weiteren Speicherplatz benötigen Zusatzinformationen wie Spielzeitangabe, Plattentitel etc..
Jetzt wird die digitale Information genauso zurückgewonnen. Die Folge aus Nullen und Einsen wird jetzt wieder in elektrische Spannung und Stärke zurückgewandelt, um wieder einen hörbaren Ton zu erhalten. Dies erreicht man mit einem Digital-/Analogwandler, dem genauen Gegenteil des Analog-/Digitalwandlers (s. Abb. 1).
Die digitale Speicherung von Daten ist ideal für den Computer, denn er arbeitet auch mit digitalen Daten. Somit bot sich an, die CD in eine CD-ROM (ROM = Read Only Memory) umzuwandeln. Dies bedeutet nichts anderes, als das jetzt kein Tonsignal digital abgespeichert wird, sondern einfach Computerdaten ohne weitere Veränderung auf eine CD gebracht werden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass auch die Abspielgeräte erheblich billiger werden, denn man kann auf den teuren Analog-/Digitalwandler verzichten. Die Daten gelangen ohne Umwandlung und damit verbundener Zeitverzögerung in den Computer.
Ebenso wie die Langspielplatte werden auch CD's warm gepresst oder gespritzt. Allerdings ist es von äusserster Wichtigkeit, dass die Räume absolut staubfrei sind, denn jedes Staubkorn wird mit verarbeitet und verdeckt so Informationen.
Zur Herstellung der Originalaufzeichnung gehört die Produktion eines digitalen Mutterbandes (Production Master) mit der kompletten Information. Die Daten und natürlich die Hilfscodierung müssen einschliesslich Synchronisation und Fehlerkorrektur in das charakteristische CD-Blockformat codiert werden.
Von dem Mutterband wird ein CD-Disc-Master hergestellt. Eine optisch geschliffene, polierte und fleckenlos reine Glasscheibe erhält eine ca. 0,1 mm dicke gleichmässig verteilte lichtempfindliche Schicht. Diese bildet die Resist-Master-Disc (vergleichbar mit einem fotografischen Film) für die Aufnahme. Die codierte digitale Information wird auf einem CD-Master-Recording-System aufgezeichnet (geschnitten). Ein Hochleistungs-Schreiblaser, der mit dem Signal vom Mutterband moduliert wird, schreibt ein Lochmuster in die lichtempfindliche Schicht. Die belichteten Teile werden weggeätzt (entwickelt), um die endgültige Lochstruktur zu erhalten.
Nach einer Versilberung erhält man die CD-Master mit der in den fertigen Platten benötigten Lochstruktur. In diesem Stadium kann der CD-Master der Fertigung zur Vervielfältigung übergeben werden. In der Fertigung wird der versilberte CD-Master galvanisch vernickelt.
Nach der Trennung vom CD-Master bildet diese aufgalvanisierte Schicht ein Metallnegativ, auch als "Vater" bekannt. Dies ist das "Original" für die weitere Vervielfältigung. Der Metallvater kann direkt als Matrize für die Herstellung von Scheiben verwendet werden, aber nur für eine begrenzte Produktion. Üblich ist es, dieses Negativ wieder mit einer Metallschicht zu überziehen und noch ein oder mehrere Positive ("Mütter") von dem Vater herzustellen.
Bei einer dritten Galvanisierung werden von jeder Mutter eine Reihe von Söhnen bzw. Matrizen hergestellt. Mit diesen Matrizen wird dann die Lochstruktur in die Scheibe gepresst. Die Seite mit den Informationen wird mit einer hauchdünnen Aluminiumschicht überzogen, damit sie besser reflektiert. Dann wird diese empfindliche "Spiegelschicht" mit einem Lack geschützt, worauf das Etikett gedruckt wird.
Schliesslich wird die Scheibe genau zentriert und das Mittelloch herausgestanzt (s. Abb. 2). Dies ist der industrielle Prozess der Herstellung einer CD. Aber gerade in letzter Zeit hat die für den Privatmann/frau beschreibbare CD einen sehr hohen Stellenwert erhalten. Meist handelt es sich bei dieser CD um eine einmal beschreibbare CD. Um dies zu erreichen, braucht man einen speziellen CD-Recorder und eine Spezial-CD, CD-R(ecordable) genannt. Diese CD hat eine kristalline Oberfläche, die von einem Hochleistungslaser dort erhitzt wird, wo sich die Informationen befinden sollen. Durch das Erhitzen und wieder Abkühlen ändert die kristalline Struktur ihre Eigenschaften und reflektiert so das Licht anders (s. Wie wird die Informationen gelesen).
Die Informationen auf der CD werden optisch gelesen, d.h. sie werden mittels eines Lichtbündels berührungslos abgetastet.
Dieser Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) hat nur eine geringe Leistung und produziert unsichtbares infrarotes Licht.
Der besondere Vorzug dieses Lichts besteht darin, dass es sich so scharf fokussieren lässt, um überhaupt die winzigen Informationseinheiten auf der CD lesen zu können.
Das Laserbündel wird von dem optischen System durch die transparente Seite der Scheibe auf die Löcherspur gerichtet. Die gesamte Lasereinheit wird dabei von einem Servomotor von der Innen- zur Aussenseite der Scheibe geführt. Eine zweite Servoeinrichtung steuert die Lage der Objektivlinse so, dass der Laserstrahl auch bei einer Wölbung in der Scheibe oder bei anderen Ungleichmässigkeiten während der Drehung scharf fokussiert bleibt.
Fällt der Laserstrahl nun auf die glatte Oberfläche, wird er in dieselbe Richtung reflektiert, aus der er kam. Auf diesem Weg befindet sich ein halbdurchlässiges Prisma, dabei gehen 50% des Laserbündels gerade durch das Prisma. Auf dem Rückweg werden jedoch 25% reflektiert und von Fotodioden erkannt. Hiermit soll vermieden werden, dass Licht vom Laser in den Fotodioden fällt und dort Störungen verursacht.
Fällt das Laserbündel auf der Scheibe jedoch in ein Loch, wird es zerstreut. Zum Prisma und dem Fotodektor kommt nur sehr wenig Licht zurück. Dadurch erzeugen die in der Spur aufeinanderfolgenden Flächen und Löcher eine Folge von "An-" und "Aus-" Impulsen, die den Nullen und Einsen der Bits entsprechen.
Weicht der Laser mal etwas von seiner Spur ab, so wird durch die etwas andere Reflektion der Laser sofort wieder nachjustiert (s. Abbildung 3). Das gleiche Prinzip wird auch beim Lesen der CD-ROM angewandt. Aber gerade bei der beschreibbaren CD (CD-R) muss ein stärkerer Laser eingesetzt werden, da dort durch die kristalline Schicht die Reflexion wesentlich schwächer ist. Denn die Informationen werden jetzt nicht mehr aus "Hügeln" und "Tälern" gebildet, sondern aus Kristallen, die je nach Erhitzungsgrad das Licht etwas anders reflektieren. Um diese schwache Reflektion zu erhöhen, wird einfach ein "hellerer" Laser eingesetzt.
Die Musik-CD ist nur ein Anwendungsgebiet. Dieser Standard wurde in dem sogenannten "RED-BOOK" festgelegt. RED-BOOK ist nichts anderes als die Bezeichnung für die Definition der technischen Eigenschaften der CD. Damit kann jeder CD-Spieler, auch CD-ROM-Laufwerke die Audio-CD's abspielen.
Nach diesem Standard folgte das "YELLOW-BOOK". Auf diese Normierung hören heute die meisten CD-ROM's. Damit ist der direkte Zugriff auf die einzelnen Sektoren (Abschnitte) der CD möglich. Das heute übliche Dateisystem bei CD-ROM's nennt man ISO-9660. Es wurde 1988 verabschiedet und beschreibt den Aufbau eines CD-ROM-Dateisystems. Dieser Standard wurde festgelegt, da die Datenmenge, die sich auf einem Medium unterbringen lässt, von zwei Parametern abhängt: dem Sektorformat (Block an Informationen) und der "Laufzeit" der CD, wenn man darauf die Daten einer Audio-CD speichern würde. Die bisher erwähnten Stan-dards legen nur das Sektorformat fest. Die Spielzeit ist dagegen freigestellt. Mit der Festlegung der Spielzeit (dem kompletten Ausnutzen der CD) erreicht eine CD-ROM eine maximale Aufnahmekapazität von 700 MB.
Ein weiterer Standard etablierte sich mit der sogenannten "Mixed-Mode-CD-ROM". Diese setzt sich aus einem Daten- und Audiobereich zusammen. Der Datenbereich findet sich immer innen am Anfang der CD und enthält zum Beispiel Programme oder andere Daten. Dann folgt der Audiobereich mit Musikstücken. Eine Mixed-Mode-CD-ROM lässt sich auch in einem CD-Spieler abspielen, allerdings dürfen dann nur die Audiostücke angewählt werden (ab Track 2), da sonst erhebliche Schäden an der Musikanlage auftreten können.
Der "ORANGE-BOOK"-Standard ist für die beschreibbare CD-ROM zuständig. Damit wird die Art und Weise festgelegt, wie die CD-R(ecordable) beschrieben werden muss. Diese CD lässt sich nur einmal beschreiben. Im Fachjargon wird dies als "brennen" bezeichnet.
Neben weiteren anderen Standards, die aber nur eine relativ unwichtige Funktion haben, ist der "WHITE-BOOK"-Standard noch zu nennen. Mit diesem Standard war und ist es noch möglich Videos auf die CD zu schreiben. Dabei müssen die Informationen besonders "zusammengepackt" werden, damit ein Videofilm wegen der wesentlich grösseren Informationen überhaupt auf eine CD passt. Dieses Packverfahren nennt sich MPEG-1 und ermöglicht es bis zu 78 Minuten Video samt Audiodaten aufzunehmen. Wie man sieht, reicht der Platz meist nicht für einen ganzen Film, weshalb die Filme oft auf zwei CD-ROM's erschienen sind.
Heutzutage macht meist die CD-RW von sich reden. Diese CD erlaubt es, die CD mehrmals zu bespielen und zu löschen (ca. 1000mal). Fast alle neuern CD-Brenner unterstützen diese Form der CD. Normalerweise lässt sich die CD nur ganz oder die letzte Aufnahme löschen. Mit Hilfe von Zusatzprogrammen für Computer kann sie aber auch wie ein (sehr langsamme) Festplatte angesprochen werden.
Trotz der vielfältigen Anwendungen der CD-ROM ist sie eigentlich ein Datenspeicher für riesige Mengen an Informationen. Eine beliebte Anwendung ist die Speicherung von Datenbanken. So gibt zum Beispiel die Informationen des Statistischen Bundesamtes auf "einer" CD. Was früher noch in zahlreichen Bänden mit teilweise erheblichen Verzögerungen durch Zusammenstellung und Druck erschienen ist, kann jetzt wesentlich kostengünstiger und schneller publiziert werden. Zudem lassen sich durch die Form der Datenbank schnell beliebige Informationen auffinden, verknüpfen und zusammenstellen. Man muss nicht mehr stundenlang nach dem Durchschnittsalter der Bundesbürger in den verschiedenen Bundesländern suchen, sondern gibt seine Suchkriterien ein und schnell erhält man die Informationen mit den betreffenden Grafiken zum sofortigen ausdrucken.
So verhält es sich auch bei Buchhandelskatalogen wie dem Libri oder VLB. Der gesamte Datenbestand kann in Sekundenbruchteilen durchsucht werden und man kann einen Grossteil der zu kaufenden Publikationen eines Schriftstellers oder Verlages schnell und übersichtlich am Bildschirm ablesen.
Selbst die meisten Telefonnummern der Bundesrepublik Deutschland gibt es auf einer einzigen CD-ROM. Wer zu Hause das Telefonbuch seines Ortes hat, weiss, wieviel Bände ganz Deutschland füllen würden.
Genauso werden Lexika immer mehr auf CD-ROM veröffentlicht. Die gesamte Brockhaus-Edition mit 26 Bänden in schriftlicher Form ohne Abbildungen passt z.B. auf die Hälfte einer CD! Ein Universallexikon lässt sich sogar mit Bildern, Animationen und Videos leicht auf ein bis zwei CD's unterbringen.
Folglich wäre man auch schon bei einem weiteren Einsatzgebiet, die CD als Multimediawerkzeug. Es lassen sich kleine Filme, Animationen und Tondaten darauf speichern, um zum Beispiel eine Präsentation besser zu veranschaulichen. Noch vor einigen Jahren hätte man sich mit dutzenden von Disketten abmühen müssen und hätte trotzdem nicht die heutige Qualität erreicht.
Die CD lässt sich einfach und leicht transportieren und ist fast überall sofort Einsatzbereit durch die hohe Verbreitung dieses Trägers. Die kostengünstige Herstellung einer CD, die Materialkosten liegen bei maximal bei 1,- DM, machen es auch dem Privatkunden immer erschwinglicher, auf Informationen zurückzugreifen, die vorher nur bestimmten Kreisen zugänglich waren. So lassen sich z.B. sämtliche Fotos der Pathfinder-Mission zum Mars ohne weiteres in jedem Kaufhaus für ca. 5,- DM kaufen. Früher musste man auf die Veröffentlichung als Farbband warten, das auch noch sehr teuer war und meist nur eine geringe Anzahl an Bildern enthielt. Damit es nicht so langweilig ist, sich die Fotos anzuschauen, kann man sich zusätzlich Kommentare anhören, der die Mission in Worten zu den Bildern erklärt.
Für Privatleute ist es heute auch möglich z.B. seine gesamten Urlaubsfotos digital auf CD zu speichern. Dies ist sogar sehr praktisch, denn bei der Entwicklung von Filmen muss sehr viel Chemie eingesetzt werden, die äusserst giftig ist und die Umwelt belastet. Ausserdem vergilben die Bilder nicht mehr. Sollte man doch noch einen Abzug benötigen, ist dies heutzutage auch kein Problem mehr.
Obwohl die CD so viele Möglichkeiten bietet, wird sie wohl in einigen Jahren zum "alten Eisen" gehören. Durch einen immer höheren Informationsbedarf reicht selbst die Speicherkapazität einer CD nicht mehr aus.
Aber die Industrie bietet seit neustem auch dafür die passende Lösung, die sich anscheinend besonders im Computer/Videobereich recht schnell durchsetzten wird: DVD (Digital Versatile Disk = vielseitige oder vielschichtige CD).
Auf einer DVD lassen sich dabei maximal 17 Gigabyte an Daten speichern, dies ist 26 mal mehr als bei der herkömmlichen CD-ROM. Um diese höhere Speicherkapazität zu verwirklichen, müssen die Informationen dichter gepackt werden. Die Spuren rücken näher zusammen. Sie haben einen Abstand von 0,74 statt 1,6 Mikrometern. Zudem schrumpft das Mass für eine Informationseinheit von 0,834 auf 0,4 Mikrometer.
Auch der Laser hat jetzt eine kürzere Wellenlänge, damit er die Informationen überhaupt noch trifft (so wird er jetzt auch sichtbar). Zwei Schichten wurden zusätzlich übereinander gelegt, wobei die eine Schicht lichtdurchlässig ist. Und damit man nicht den gleichen "Fehler" wie bei der CD macht, werden jetzt beide Seiten beschrieben.
Diese riesige Informationsaufnahme ist so gross ausgelegt, weil die DVD zuerst nur als Ersatz für die Videosysteme gedacht war. Aber mit steigendem Bedarf an Speicherplatz in der Computerwelt, entschloss man sich kurzfristig, sie auch dort einzusetzen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die DVD fast von Anfang an so ausgelegt sein wird, dass man auf ihr Daten beliebig oft speichern und löschen kann. Die Aufnahmekapazität ist aber geringer. Einen genauen Wert kann man noch nicht sagen, da sich die Industrie noch immer über einen Standard streitet.
Damit die CD-ROM nicht plötzlich weggeschmissen werden muss, werden fast alle DVD-Spieler die alten CD-Formate weiterhin lesen können. Man muss also nicht seinen gesamten CD-Bestand zum Recycling bringen, sondern kann sie weiterhin verwenden.
Philips: Compact Disc, Das System. - Prospekt, 12 Seiten
PC-Welt: Ausg. 5/95. - München : IDG Magazine-Verl., 1995. - 300 S. ISSN 0175-0496
PC-Welt: Ausg. 10/96. - München : IDG Magazine-Verl., 1996. - 397 S. ISSN 0175-0496
PC-Welt: Ausg. 9/97. - München : IDG Magazine-Verl., 1997. - 397 S. ISSN 0175-0496
HiFi-Vision: Ausg. 3/93. - Lingen : van Acken, 1993. - 150 S. ISSN 0178-6156
Stereo: Ausg. 9/97. - München : SZV-Verl., 1997. - 204S. ISSN0340-0778
diverse persönliche Aufzeichnungen aus dem Warenkundelehrgang der Firma expert,
Bayernstr. 4, 30855 Langenhagen vom 05.05. - 08.05.1997
sämtliche Abbildungen aus: Philips: Compact Disc, Das System. - Prospekt, 12
Seiten
