Die Compact Disc (kurz: CD englisch für Kompakte Scheibe) ist ein optischer Massenspeicher, der Anfang der 80er zur digitalen Speicherung von Musik von Philips und Sony eingeführt wurde und die Schallplatte ablösen sollte. Später wurde das Format der Compact Disc erweitert, um nicht nur Musik abspeichern zu können. Als CD-ROM wird sie seitdem auch zur Speicherung von Daten für Computer eingesetzt.
Geschichte
<<Keine Einführung, sondern eine Anekdotensammlung>> <<Aufbau: 11...13 bit PCM in den 70er, erste Aufzeichnungen über Videorecorder, erste dedizierte PCM-Geräte auf Band und Scheibenbasis>>
In den 70er Jahren experimentierten Techniker aller Elektronikkonzerne mit digitaler Aufzeichnung von Klang. Die ersten Prototypen basierten auf magnetischen Speichermedien, wie etwa die klassische Audiokassette. Das erste Gerät auf dem Markt im Jahr 1977 war eine Erweiterung des Betamax-Videorekorders der Firma Sony. Das klobige Gerät und die Störgeräusche bei der Aufnahme konnten die Konsumenten nicht überzeugen. Sony entwickelte spezielle Verfahren um die Störgeräusche zu eliminieren. Um diese Verfahren zu testen, wurden heimlich bei einer Probe eines Konzertes von Herbert von Karajan im September 1978 Aufnahmen gemacht. Von Karajan wurde später von Sony eingeladen um die Aufnahmen zu beurteilen. Das Ergebnis bewegte die Firma in dieser Richtung weiter zu machen.
Zu gleicher Zeit arbeitete man bei der Firma Philips an der optischen Aufzeichnung von Bildsignalen, die die Videotechnik revolutionieren sollte. Bald entwickelte sich die Idee, diese Technologie auch für digitale Klänge zu nutzen. Beide Firmen standen plötzlich vor einem riesigem Problem. Sie hatten die neuen optischen Datenträger, ähnlich der Schallplatte, mit einem Durchmesser von 30 cm geplant. Bei der Aufzeichnung von bewegten Bildern konnten sie darauf etwa 30 Minuten Videomaterial unterbringen. Bei Audiodaten reichte aber die Kapazität für 13 Stunden und 20 Minuten. Sony war klar, dass das Geschäftsmodell der Musikindustrie zusammenbrechen würde, wenn sie solche Mengen an Musik an die Verbraucher vermarkten sollten.
Nachdem die Audio-Kassette bereits gemeinsam mit der Firma Philips standardisiert wurde, versuchten beide Firmen auch hier einen Standard herbeizuführen. Nach einigen Differenzen schlug Sony vor, dass die neue CD zumindest Ludwig van Beethovens Neunte Sinfonie in voller Länge erfassen sollte. Dieser Vorschlag hing mit Sonys damaligem Vizepräsidenten, Norio Ohga zusammen, der ein ausgebildeter Opernsänger war und sich schon immer wünschte, Beethovens Neunte ohne störendes Wechseln des Tonträgers hören zu können. Ohgas Lieblingsversion, dirigiert von Herbert von Karajan, dauerte 66 Minuten, die Techniker hielten sich an die damals längste zur Verfügung stehende Version von Wilhelm Furtwängler. Die Aufnahme aus dem Jahre 1951 dauerte exakt 74 Minuten. 74 Minuten bedeuteten 12 cm Durchmesser des optischen Datenträgers. Die Entwickler von Philips reagierten mit Skepsis, da ein so großes Ding nicht in die Anzugtaschen passen würde. Daraufhin maßen Sony-Entwickler Anzüge aus aller Welt aus, mit dem Ergebnis, dass für 12 cm überall Platz ist. Damit hatte Beethoven einen neuen Standard festgelegt. 1980 wurde von beiden Firmen für Audioaufnahmen der „Red Book“ Standard festgelegt. Am 1. Oktober 1982 erschien der erste CD-Player auf dem Markt und bereits 1988 wurden 100 Millionen Audio-CDs pro Jahr produziert.
Aufbau einer CD
Die CD besteht zum größten Teil aus einem durchsichtigen Trägermaterial (Polycarbonat), das mittels Spritzprägen geformt wird. Die Oberseite dieses Trägers enthält die digitalen Informationen in Form von mikroskopisch kleinen Vertiefungen („Pits“) und Zwischenräumen („Lands“), die zu einer einzigen langen, spiralförmigen Spur angeordnet sind (insgesamt etwa 5 km). Diese „informationshaltige“ Oberfläche wird mit einem dünnen Aluminiumfilm bedampft und schließlich mit einem Lacküberzug geschützt und eventuell mit einem Etikett versehen oder bedruckt. Diese Informationen werden im Abspielgerät von einem Laser durch die Trägerschicht abgetastet. Daraus folgt auch, dass der Laser die Pits nicht als Vertiefungen, sondern durch das Polycarbonat als Hügel sieht.
Die Pits auf der CD stellen nicht direkt die Datenbits dar, sondern sind mittels 8-14-Kodierung (engl. Eight-to-Fourteen-Modulation EFM) kodiert. Hierbei ist ein Wechsel (Land/Pit oder Pit/Land) eine logische 1, kein Wechsel eine logische 0. Aus 14 kodierten Bits wird mittels einer Übersetzungstabelle der eindeutige 8-Bit-Wert ermittelt. Die kodierten Bits sind jeweils noch durch 3 Füllbits voneinander getrennt. Dies ist nötig, damit auf der CD ein Pit beziehungsweise Land niemals kürzer als 3 Bit und länger als 11 Bit ist, damit beim Abtastvorgang eine sichere Synchronisation gewährleistet ist.
Fehlerkorrektur
Damit sich Kratzer nicht negativ auf die Datensicherheit auswirken, sind die Daten mittels Paritätsbits gesichert, so dass Bitfehler erkannt und korrigiert werden können. Weiterhin sind aufeinander folgende Datenbytes per Interleaving auf eine größere Fläche verteilt. Der Cross-Interleave Reed-Solomon code (CIRC) ist dadurch in der Lage einen Fehler von bis zu 3500 Bits (das entspricht etwa 0,24 mm) zu korrigieren und Fehler von bis zu 12000 Bits (etwa 0,85 mm) bei der Audio-CD zu kompensieren.
Varianten
Die Format-Spezifikationen der Audio-CD (kurz CD-DA), bekannt als „Red Book“-Standard, wurde von der niederländischen Elektronikfirma Philips entworfen. Philips besitzt auch das Recht der Lizenzierung des „CD“-Logos, das auf jeder CD erscheint. Die Musikinformationen werden in 16-Bit Stereo und einer Abtastrate von 44,1 kHz gespeichert.
CDs gibt es in zwei verschiedenen Größen, am verbreitetsten ist die Version mit einem Durchmesser von 120 mm, die Mini-CD mit einem Durchmesser von 80 mm ist praktisch ausgestorben. Daneben gibt es auch CDs die eine andere Form als eine runde Scheibe haben. Diese sogenannten Freiformen sind aber aufgrund von Abspielproblemen nicht populär.
Der Laser bewegt sich beim Abspielen, vom ersten zum letzten Track von innen nach außen. Ebenso ist im Gegensatz zur Schallplatte die Rotationsgeschwindigkeit der CD nicht konstant, sie dreht sich innen schneller als außen, da eine konstante Lineargeschwindigkeit (CLV) und nicht eine konstante Winkelgeschwindigkeit (CAV) verwendet wird. Im Red Book sind zwei verschiedene Geschwindigkeiten festgelegt, 1,2 m/s und 1,4 m/s. Somit sind entsprechend Spielzeiten von 74:41 Min. bzw. 64:01 Min., unter maximaler Ausnutzung aller Toleranzen 80 Minuten und 29 Sekunden, möglich.
Einige CD-Player sind in der Lage, so genannte HDCD-CDs abzuspielen. Diese CDs sind mit 20 Bit echter Musik-Information kodiert (anstatt mit 16) und klingen bei hochwertigen Musik-Anlagen besser. HDCD-CDs sind vollständig kompatibel mit „normalen“ CD-Playern. HDCD-fähige CD-Player sind im Consumer-Bereich selten zu finden …
Die Spezifikationen der CD-ROM sind im „Yellow Book“-Standard festgelegt. Ein plattformübergreifendes Dateisystem der CD-ROM wurde von der ISO im Standard ISO 9660 festgeschrieben. Sein Nachfolger lautet UDF.
Eine Mischform ist die CD+G (CD+Graphics). Diese CD stellt zeitgleich zur Musik grafische Daten, wie beispielsweise den Liedtext, auf einem Bildschirm dar. Häufigste Anwendung dieses Formats ist Karaoke. In einem normalen CD-Player ist die CD+G als ganz normale Audio-CD abspielbar. Auf speziellen Geräten (in jüngerer Zeit auch auf einigen DVD-Playern) ist zur Musik auch die Grafik auf dem Bildschirm sichtbar.
Weiterentwicklungen der CD sind die DVD und die Super-Audio-CD. Diese bieten wesentlich größere Kapazitäten (von 4,7 GB bis 17,0 GB). Während die Super-Audio-CD ausschließlich für Audiodaten verwendet wird, sind bei der DVD verschiedene Datenarten möglich (DVD Data, DVD Video, DVD Audio).
Kopierschutz
Seit 2001 werden in Deutschland auch silberne Scheiben verkauft, die einen so genannten „Kopierschutz“ enthalten, welcher das digitale Auslesen der Audiodaten (und damit das Kopieren der Daten) verhindern soll. Sie werden zwar ebenfalls als CD bezeichnet, entsprechen aber den Bestimmungen des Red Book nicht und sind demnach keine echten Audio-CDs. Diese CDs werden daher auch als „Un-CDs“ bezeichnet und bedeutet Unknown CD. Einige CD-Abspielgeräte geben dies oder die kürzere Version Un CD als Fehlermeldung im Display aus, wenn eine eingelegte CD vom Gerät nicht erkannt wird.
Der Kopierschutz wird realisiert, indem künstlich Fehler eingebracht werden oder durch andere Abweichungen vom Red Book-Standard. Es ist dadurch ein „Abspielschutz“, da die Fehler bewirken sollen, dass sich die Scheiben nicht mehr in dem CD-Laufwerk eines PCs abspielen lassen. Dies soll so das Kopieren verhindern. Manche CD-Laufwerke lassen sich davon aber nicht beeindrucken und können die Daten trotzdem lesen, wodurch die Idee des „Kopierschutzes“ nutzlos wird.
Stattdessen verursachen die Fehler auf der „kopiergeschützten“ CD Probleme auf zahlreichen normalen Audio-CD-Spielern und vielen Autoradios mit integriertem CD-Einheit. Diese können diese Medien entweder gar nicht oder nur teilweise abspielen, teilweise entstehen sogar ernsthafte Hardware-Defekte, etwa wenn die Firmware des CD-Spielers abstürzt und sich das Medium nicht mehr auswerfen lässt. Außerdem leidet oft die Tonqualität und die Lebensdauer unter dem Kopierschutz.
Aufgrund dieser Probleme wurden schon Hersteller aufgefordert, auf ihre geschützten CDs die Worte „Dies ist keine CD“ aufzudrucken. Einige Klagen waren erfolgreich, als CDs in einigen Abspielgeräten nicht abspielbar waren. Siehe Meldung bei Heise News. Inzwischen sind die meisten „Un-CDs“ gekennzeichnet, etwa mit der Warnung „Ist im PC/Mac nicht abspielbar!“ Diese Warnung verschweigt die Probleme, die diese Scheiben auf Autoradios, MP3-CD-Spielern, DVD-Spielern und anderen Geräten verursachen können.
Lesen einer CD
Das Abtasten einer CD erfolgt mittels einer Laserdiode. Der Lichtstrahl wird (mittels eines halbdurchlässigen Spiegels) in zwei Teile gleicher Stärke aufgespalten. Einer der beiden Teile wird auf die CD gelenkt, dort zurückgespiegelt und wird dann mit dem anderen Teil überlagert. Da das Licht des Lasers kohärent ist, kann es nun - je nach Abstand der spiegelnden Oberfläche zur Optik - entweder zur Verstärkung oder zur Auslöschung (Extinktion) kommen.
Die Pits und Lands auf einer CD verändern nun den Abstand der Optik zur spiegelnden Oberfläche - wird der Abstand der Optik zur CD-Oberfläche passend gewählt, kann ein Wechsel zwischen Pit und Land bestimmt werden und somit das Signal von der CD abgelesen werden.
Gleichzeitig werden aus dem Signal noch Informationen über die Position des Lesekopfes ermittelt, so dass dieser in der Spur gehalten werden kann.
Audio-CDs werden mit konstanter Lineargeschwindigkeit (CLV) (im Gegensatz zur konstanten Winkelgeschwindigkeit (CAV) beim Plattenspieler) abgelesen. Wenn der Lesekopf weiter außen auf der CD liest, wird die CD langsamer gedreht. Auf diese Weise kann überall auf der CD mit voller Aufzeichnungsdichte gearbeitet werden und es ist ein konstanter Datenstrom gewährleistet, wie er bei Audio-CDs benötigt wird. Bei Daten-CDs wird hingegen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gelesen, um das zeitraubende Beschleunigen und Abbremsen der CD zu vermeiden. Dadurch werden Daten-CDs in Abhängigkeit von der Position unterschiedlich schnell eingelesen.
Beschreiben einer CD
Beschreibbare CDs gibt es in einer einmal beschreibbaren Variante (CD-R : CD recordable) und in einer mehrfach wiederbeschreibbaren Variante (CD-RW : CD rewritable). Während eine CD-R von den Reflexionseigenschaften einer normalen CD nahezu gleicht, und somit auch in älteren CD-Laufwerken gelesen werden kann, sind die Reflexionen einer CD-RW weitaus schwächer, so dass nur neuere CD-Laufwerke diese Medien lesen können.
Zum Beschreiben einer CD kann kein gewöhnlicher CD-Spieler benutzt werden. Hierfür ist ein so genannter CD-Brenner notwendig. CD-Brenner können CDs nicht nur beschreiben, sondern auch lesen. Daher verschwinden reine CD-ROM-Lesegeräte für Computer seit dem Jahre 1999 langsam vom Markt.
Das ISO 9660-Dateiformat einer CD-ROM gestattet keine nachträglichen Änderungen. Außerdem können beschreibbare CDs – im Gegensatz zu Festplatten – nicht sektorweise beschrieben werden. Deshalb muss erst ein so genanntes „Image“ angelegt werden, welches eine exakte Kopie der auf die CD zu brennenden Daten enthält. Dieses Image kann dann in einem Durchgang auf die CD „gebrannt“ werden. Dafür sind spezielle CD-Brennprogramme nötig. Aktuelle Brennprogramme beherrschen das Erstellen des Images „on-the-fly“, das heißt, das ISO-Image wird während des Schreibens erzeugt.
CD-RWs können theoretisch sektorweise beschrieben werden. Das muss auch vom CD-Brenner unterstützt werden. Da das auf CD-ROMs verwendete ISO-9660-Dateiformat keine nachträglichen Änderungen an Dateien unterstützt, wurde hierfür ein eigenes Dateisystem namens UDF eingeführt, welches auch auf DVDs Verwendet wird. Dieses Format erlaubt es, wie zum Beispiel bei einer Diskette, direkt Dateien auf der CD speichern. In Microsoft Windows XP ist bereits die Funktion integriert, mit der man direkt Dateien auf einer beschreibbaren CD ablegen kann, allerdings muss man trotzdem noch einen abschließenden Brennvorgang starten.
Labelaufdruck
Für den Labelaufdruck bei der CD stehen, ebenso wie bei der DVD, verschiedene Drucktechniken zur Verfügung:
Siebdruck: Im Siebdruck sind bis zu 6 Labelfarben möglich, es können Schmuckfarben (HKS oder Pantone) gewählt werden. Siebdruck ist derzeit die gängigste Variante, um CDs oder DVDs zu bedrucken, wird aber mehr und mehr vom Offsetdruck verdrängt. Der Siebdruck ist geeignet für gepresste CDs und DVDs, auch die Rohlingsbedruckung im Siebdruck ist möglich. Im Siebdruck sind die Farben sehr brillant.
Offsetdruck: Im Offsetdruck (Trockenoffset) sind 4 Labelfarben möglich (CMYK), kombiniert mit dem Siebdruck bis zu 6 Labelfarben (CMYK im Offset und zusätzlich weiß Vollfläche und eine Schmuckfarbe im Siebdruck). Auf Grund der höheren Auflösung als im Siebdruck ist der Offsetdruck ideal für fotorealistische Darstellungen. Seit Anfang 2004 ist der Offsetdruck nicht nur für gepresste CDs und DVDs, sondern auch für CD-Rohlinge und DVD-Rohlinge möglich.
Thermotransferdruck: Bei diesem Druckverfahren wird mit einem speziellen Drucker Farbe von einem Farbband durch erhitzen des Druckkopfes auf die CD oder DVD übertragen. Technisch bedingt ist das Druckverfahren eher für Schriften und Logos geeignet. In der Praxis wird dieses Verfahren bei kleinen Auflagen (selbst gebrannte CDs und DVDs) angewendet.
ThermoREtransferdruck: Der ThermoREtransferdruck ist die Weiterentwicklung des Thermotransferdrucks. Das Labelmotiv wird im Thermotransferdruckverfahren auf ein Übertragungsband gedruckt und davon dann eine Folie auf die CD aufgebracht. Durch diese Technik ist eine bessere Auflösung möglich. So kann bereits bei Kleinauflagen ein fotorealistischer Druck erreicht werden.
Umweltschutz
Die Compact-Disc besteht hauptsächlich aus dem wertvollen technischen Kunststoff Polycarbonat, so dass sich ein sortenreines Recycling wirtschaftlich lohnt, um daraus wieder Compact-Disc herzustellen. In Deutschland gibt es über das Sammelsystem CD-Collect auch für den privaten Konsumenten eine kostenlose Möglichkeit, CDs und alle seine Varianten wie CD-Rs zu recyclen. Die beteiligten Händler sind unter CD-Collect ersichtlich. Selbstbeschriebene CDs mit sensiblen Daten lassen sich gegen unberechtigtes Lesen schützen, indem die Metallschicht mit einen spitzem Gegenstand zerkratzt wird. Eine solche CD lässt sich mit normalen CD-Laufwerken nicht mehr lesen. Ein Auslesen der nicht zerkratzten Daten ist mit mit speziellen Lesegeräten noch möglich, aber sehr aufwändig und teuer.
Literatur
- Hartmut Gieselmann (2005): „Gegen das Vergessen. US-Forscher prüfen Lebensdauer von [beschreibbaren] CDs und DVDs“ in: c't, 22(2005)1, S. 44.
Siehe auch
Audio-CD, Cakebox, Digipak, CD-ROM, CD-R, CD-RW, Laserdisk, Video-CD (VCD), Super Video CD (SVCD), ISO-Image, Speichermedium.
Weblinks
- Übersicht und Einzelheiten zu den vielen verschiedenen CD-Formaten
- Beschreibung der Fertigungsverfahren durch einen Hersteller
- Care and handling of CDs and DVDs (engl.)
- Labelinformationen Informationen zum Labeldruck auf CD und DVD
- c't CD-Register Informationen über kopiergeschützte CDs
- Die Anzugtaschengeschichte (engl.)
- Glossar der Fachbegriffe bei der Herstellung
