Compact Disc

Medientyp: optische Platte
Kapazität: bis zu 700 MiB
Verwendungszweck: Audio- und Datenspeicherung
Authoring von optischen Discs
  • Optische Platte
  • Optisches Disc-Image
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Optische Medientypen
  • Laserdisc
  • Compact Disc / CD-ROM: CD-R, CD-RW
  • DVD : DVD-R, DVD-R DL, DVD+R, DVD+R DL,
    DVD-RW, DVD+RW, DVD+RW DL, DVD-RAM
  • Blu-ray-Disc: BD-R, BD-RE
  • HD-DVD: HD-DVD-R
Normen
  • Regenbogen Bücher
  • Dateisysteme
    • ISO 9660
      • Joliet
      • Felsgrat
        • Amiga-Erweiterungen zu Rock Ridge
      • Der Stier
      • Apple ISO9660-Erweiterungen
    • Universelles Festplattenformat
      • Mount Rainier

EIN Compact Disc (CD) ist eine optische Disc zum Speichern digitaler Daten, die ursprünglich zum Speichern digitaler Audiodaten entwickelt wurde. Die Ende 1982 auf dem Markt erhältliche CD bleibt seit 2006 das physische Standardmedium für kommerzielle Audioaufnahmen. Eine Audio-CD besteht aus einer oder mehreren Stereospuren, die mit 16-Bit-PCM-Codierung bei einer Abtastrate von 44,1 kHz gespeichert sind. Standard-CDs haben einen Durchmesser von 120 mm oder 80 mm. Die 120 mm-Discs können ungefähr 80 Minuten Audio aufnehmen. Die 80-mm-Discs, die manchmal für CD-Singles verwendet werden, enthalten ungefähr 20 Minuten Audio. Die Compact-Disc-Technologie wurde später für die Verwendung als Datenspeichergerät, bekannt als CD-ROM, und für einmal beschreibbare und wiederbeschreibbare Medien (CD-R und CD-RW) angepasst. CD-ROMs und CD-Rs bleiben seit 2006 weit verbreitete Technologien in der Personal-Computer-Industrie. Die CD und ihre Erweiterungen waren äußerst erfolgreich: 2004 wurde der weltweite Jahresumsatz von CD-Audio, CD-ROM und CD- R erreichte etwa 30 Milliarden Discs.

Geschichte

  Die optische Linse eines CD-Laufwerks.   Vergrößern Die optische Linse eines CD-Laufwerks.

1979 Philips und Sony beschlossen, ihre Kräfte zu bündeln und eine gemeinsame Task Force von Ingenieuren einzurichten, deren Aufgabe es war, die neue digitale Audio-Disc zu entwerfen. Prominente Mitglieder der Task Force waren Kees Immink und Toshitada Doi. Nach einem Jahr des Experimentierens und Diskutierens produzierte die Taskforce das „Red Book“, den Compact-Disc-Standard. Philips steuerte den allgemeinen bei Herstellung Verfahren, basierend auf der Video-LaserDisc-Technologie. Philips hat auch die Eight-to-Fourteen Modulation, EFM, beigesteuert, die sowohl eine lange Spielzeit als auch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen durch die Disc-Handhabung wie Kratzer und Fingerabdrücke bietet; während Sony die Fehlerkorrekturmethode CIRC beisteuerte. Die Compact Disc Story, erzählt von einem ehemaligen Mitglied der Taskforce, gibt Hintergrundinformationen zu den vielen technischen Entscheidungen, die getroffen wurden, einschließlich der Wahl der Abtastfrequenz, der Spielzeit und des Disc-Durchmessers. Laut Philips wurde die Compact Disc also 'von einer großen Gruppe von Menschen, die als Team zusammenarbeiten, kollektiv erfunden'.



Die Compact Disc kam Ende 1982 in Asien und Anfang des folgenden Jahres in anderen Märkten auf den Markt; zum Beispiel wurde es in der veröffentlicht Vereinigte Staaten im März, wobei die ersten verfügbaren CDs 16 in Japan hergestellte Titel von CBS/Sony sind. Dieses Ereignis wird oft als „ Urknall ' der digitalen Audio-Revolution. Die neue Audio-Disc wurde begeistert aufgenommen, insbesondere in den frühen Anhängern der klassischen Musik und den audiophilen Gemeinschaften, und ihre Handhabungsqualität wurde besonders gelobt. Als die Preise der Player rapide sanken, begann die CD, in den USA an Popularität zu gewinnen größere Pop- und Rockmusikmärkte.

Das Design der CD war ursprünglich eher als Weiterentwicklung der Schallplatte denn als primärer Datenträger gedacht. Erst später entstand das Konzept einer „Audiodatei“ und die Verallgemeinerung auf beliebige Datendateien. Von ihren Anfängen als Musikformat hat sich Compact Disc zu anderen Anwendungen entwickelt. Im Juni 1985 wurden die CD-ROM (Nur-Lese-Speicher) und 1990 CD-Recordable eingeführt, die ebenfalls von entwickelt wurden Sony und Philips.

Physische Details

Compact Discs bestehen aus einer 1,2 mm dicken Scheibe aus hochreinem Polycarbonat-Kunststoff. Eine dünne Schicht Super Purity Aluminium (oder selten Gold, das für die Langlebigkeit der Daten verwendet wird, wie z. B. bei einigen audiophilen CDs in limitierter Auflage) wird auf die Oberfläche aufgetragen, um sie zu reflektieren, die durch einen Lackfilm geschützt ist. Der Lack kann mit einem Etikett bedruckt werden. Gängige Druckverfahren für Compact Discs sind Siebdruck und Offsetdruck. CD-Daten werden als eine Reihe winziger Vertiefungen gespeichert ( Gruben ), codiert in einer dicht gepackten spiralförmigen Spur von Vertiefungen, die in die Oberseite der Polycarbonatschicht eingeformt sind. Die Bereiche zwischen den Gruben sind als „Lands“ bekannt. Jede Grube ist ungefähr 100 nm tief und 500 nm breit und variiert zwischen 850 nm und 3,5 μm Länge. Der Abstand zwischen den Spuren, der Pitch, beträgt 1,6 μm. Eine CD wird gelesen, indem ein Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 780 nm durch die Unterseite der Polycarbonatschicht fokussiert wird. Der Höhenunterschied zwischen Pits und Lands führt zu einer Phasendifferenz zwischen dem von einem Pit und dem umgebenden Land reflektierten Licht. Indem man die Intensität mit einer Photodiode misst, kann man die Daten von der Scheibe lesen. Die Pits und Lands selbst repräsentieren nicht direkt die Nullen und Einsen von Binärdaten. Stattdessen wird eine invertierte Non-Return-to-Zero-Codierung verwendet: Eine Änderung von Pit zu Land oder Land zu Pit zeigt eine Eins an, während keine Änderung eine Null anzeigt. Diese wiederum wird decodiert, indem die Acht-zu-Vierzehn-Modulation umgekehrt wird, die beim Mastern der Disc verwendet wird, und dann die Cross-Interleaved-Reed-Solomon-Codierung umgekehrt wird, wodurch schließlich die auf der Disc gespeicherten rohen Audiodaten offengelegt werden.

Pits befinden sich viel näher an der Etikettenseite einer Disc, so dass Defekte und Schmutz auf der durchsichtigen Seite während der Wiedergabe unscharf sein können. Discs erleiden folglich mehr Schaden aufgrund von Defekten wie Kratzern auf der Etikettenseite, wohingegen Kratzer auf der transparenten Seite repariert werden können, indem sie mit Kunststoff mit ähnlichem Brechungsindex nachgefüllt werden.

  Eine Mini-CD hat einen Durchmesser von 8 Zentimetern   Vergrößern Eine Mini-CD hat einen Durchmesser von 8 Zentimetern

Scheibenformen und -durchmesser

Die digitalen Daten auf einer CD beginnen in der Mitte der Disc und setzen sich nach außen bis zum Rand fort, was eine Anpassung an die verschiedenen verfügbaren Größenformate ermöglicht. Standard-CDs sind in zwei Größen erhältlich. Am weitesten verbreitet ist ein Durchmesser von 120 mm mit einer Audiokapazität von 74 oder 80 Minuten und einer Datenkapazität von 650 oder 700 MB. 80 mm-Discs ('Mini-CDs') wurden ursprünglich für CD-Singles entwickelt und können bis zu 21 Minuten Musik oder 184 MB Daten speichern. Heutzutage werden viele Singles auf 120-mm-CDs veröffentlicht, die als Maxi-Single bezeichnet werden.

Physische Größe vermarktet '650 MB' vermarktet '700 MB'
12cm 682 MB (650 MiB) 737 MB (703 MiB)

Audio Format

Das technische Format einer Audio-CD (Compact Disc Digital Audio -- CDDA) ist in einem Dokument festgelegt, das 1980 von den Mitschöpfern des Formats erstellt wurde. Sony und Philips. Das Dokument wird umgangssprachlich nach der Farbe seines Einbands als „Rotes Buch“ bezeichnet. Das Format ist eine zweikanalige 16-Bit-PCM-Codierung mit einer Abtastrate von 44,1 kHz. Vierkanalton ist eine zulässige Option innerhalb des Red Book-Formats, wurde jedoch nie implementiert.

Die Abtastrate von 44,1 kHz stammt von einer Methode zur Umwandlung digitaler Audiosignale in analoge Videosignale zur Speicherung auf Videobändern, die zur Zeit der CD-Spezifikation die kostengünstigste Möglichkeit war, die Daten vom Aufnahmestudio zum CD-Hersteller zu bringen wurde entwickelt. Ein Gerät, das ein analoges Audiosignal in PCM-Audio umwandelt, das wiederum in ein analoges Videosignal umgewandelt wird, wird als PCM-Adapter bezeichnet. Diese Technologie könnte sechs Samples (drei Samples pro Stereokanal) in einer einzigen horizontalen Zeile speichern. Ein Standard-NTSC-Videosignal hat 245 nutzbare Zeilen pro Halbbild und 59,94 Halbbilder/s, was 44.056 Samples/s/Stereokanal entspricht. Ähnlich hat PAL 294 Zeilen und 50 Halbbilder, was 44.100 Samples/s/Stereokanal ergibt. Dieses System könnte entweder 14-Bit-Abtastwerte mit einer gewissen Fehlerkorrektur oder 16-Bit-Abtastwerte mit fast keiner Fehlerkorrektur speichern.

Es gab eine lange Debatte darüber, ob 14- oder 16-Bit-Samples und / oder 44.056 oder 44.100 Samples / s verwendet werden sollten, als die Sony / Philips-Task Force die Compact Disc entwarf. Philips hat bereits einen 14-Bit-D/A-Wandler entwickelt, aber Sony bestand auf 16 Bit. Am Ende setzten sich 16 Bit und 44,1 Kilosamples pro Sekunde durch. Philips hat einen Weg gefunden, 16-Bit-Qualität mit seinem 14-Bit-DAC durch vierfaches Oversampling zu erzeugen.

Speicherkapazität und Spielzeit

Die ursprüngliche Zielspeicherkapazität für eine CD war eine Stunde Audioinhalt, und ein Disc-Durchmesser von 115 mm war ausreichend. Allerdings, so Philips, Sony Vizepräsident Norio Ohga schlug vor, die Kapazität auf 74 Minuten zu erweitern, um eine vollständige Aufführung von Beethovens 9. Symphonie auf einer einzigen CD unterzubringen, Kees Immink von Philips bestreitet dies jedoch. Die zusätzliche Spielzeit erforderte anschließend den Wechsel auf eine 12-cm-Scheibe.

Laut einem Interview mit der Sunday Tribune ist die Geschichte etwas komplizierter. Zu dieser Zeit (1979) besaß Philips Polygram, einen der weltweit größten Musikvertriebe. Polygram hatte in Hannover eine große Versuchs-CD-Fabrik errichtet, Deutschland , der riesige Mengen an CDs produzieren konnte, natürlich mit einem Durchmesser von 11,5 cm. Sony hatte eine solche Einrichtung noch nicht. Wenn Sony sich auf die 11,5-cm-Disc geeinigt hätte, hätte Philips einen erheblichen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt gehabt. Sony war sich dessen bewusst, mochte es nicht, und es musste etwas getan werden. Die von Ohga auferlegte lange Spielzeit von Beethovens Neunter wurde genutzt, um Philips dazu zu drängen, 12 cm zu akzeptieren, so dass Philips Polygram seinen Vorteil bei der Plattenherstellung verlor.

Die 74-minütige Spielzeit einer CD, die länger ist als die der meisten Vinyl-Langspielalben, wurde in den Anfangsjahren, als CDs und LPs um den kommerziellen Verkauf wetteiferten, oft zum Vorteil des Formats genutzt. CDs wurden oft mit einem oder mehreren Bonustracks veröffentlicht, was die Verbraucher dazu verleitete, die CD für das zusätzliche Material zu kaufen. Versuche, Doppel-LPs auf einer CD zusammenzufassen, führten jedoch gelegentlich zu einer gegensätzlichen Situation, in der die CD tatsächlich weniger Titel bot als das LP-Äquivalent. Ein Beispiel ist das Album von 1987 Küss mich, küss mich, küss mich von The Cure, die auf der Rückseite der CD-Edition folgendes sagt: „The track Hey You!!! die auf dem Doppelalbum und der Kassette erscheint, wurde weggelassen, um eine einzelne CD zu ermöglichen.“

Wichtigste physikalische Parameter

Die Hauptparameter der CD (aus der Ausgabe der CD-Spezifikation vom September 1983) lauten wie folgt:

  • Abtastgeschwindigkeit: 1,2–1,4 m/s (konstante lineare Geschwindigkeit) – entspricht ungefähr 500 U/min an der Innenseite der Scheibe und ungefähr 200 U/min an der Außenseite. (Eine Disc, die von Anfang bis Ende abgespielt wird, verlangsamt sich während der Wiedergabe.)
  • Spurabstand: 1,6 μm.
  • Scheibendurchmesser 120 mm.
  • Scheibendicke: 1,2 mm.
  • Programmbereich Innenradius: 25 mm.
  • Programmbereich Außenradius: 58 mm.
  • Durchmesser der Mittelspindelbohrung: 15 mm

Die Programmfläche beträgt 86,05 cm², sodass die Länge der beschreibbaren Spirale 86,05/1,6 = 5,38 km beträgt. Bei einer Scangeschwindigkeit von 1,2 m/s beträgt die Spielzeit 74 Minuten oder rund 650 MB Daten auf einer CD-ROM. Bei einem Scheibendurchmesser von 115 mm hätte die maximale Spielzeit 68 Minuten betragen, also sechs Minuten weniger. Eine Disc mit etwas dichter erscheinenden Daten wird von den meisten Playern toleriert (obwohl einige alte versagen). Bei einer linearen Geschwindigkeit von 1,2 m/s und einem Spurabstand von 1,5 Mikrometer ergibt sich eine Spielzeit von 80 Minuten oder eine Kapazität von 700 MB. Noch höhere Kapazitäten auf Nicht-Standard-Discs (bis zu 99 Minuten) sind zumindest als Recordable verfügbar, aber im Allgemeinen wird die Kompatibilität umso schlechter, je enger die Tracks gequetscht werden.

Datenstruktur

Die kleinste Entität im CD-Audioformat heißt a rahmen . Ein Frame kann sechs vollständige 16-Bit-Stereo-Samples aufnehmen, d. h. 2 × 2 × 6 = 24 Byte. Ein Frame umfasst 33 Bytes, von denen 24 Audiobytes (sechs volle Stereo-Samples), acht CIRC-erzeugte Fehlerkorrekturbytes und ein Subcodebyte sind. Die acht Bits eines Subcode-Bytes stehen zur Steuerung und Anzeige zur Verfügung. Unter Eight-to-Fourteen Modulation (EFM)-Regeln wird jedes Daten-/Audiobyte in 14-Bit-EFM-Wörter übersetzt, die sich mit 3-Bit-Mischwörtern abwechseln. Insgesamt haben wir 33*(14+3) = 561 Bits. Ein eindeutiges 27-Bit-Synchronisationswort wird hinzugefügt, sodass die Anzahl der Bits in einem Rahmen insgesamt 588 beträgt. Das Synchronisationswort kann nicht im normalen Bitstrom vorkommen und kann daher verwendet werden, um den Beginn eines Rahmens zu identifizieren. Daten in einer CD-ROM sind sowohl in Frames als auch in Sektoren organisiert, wobei ein CD-ROM-Sektor 98 Frames enthält und 98 × 24 = 2352 (Benutzer-) Bytes enthält.

Gegenwärtige Herstellungsverfahren ermöglichen eine Audio-CD von bis zu 77–78 Minuten (variiert von einer Replikationsanlage zur anderen), ohne dass der Ersteller des Inhalts eine Verzichtserklärung unterzeichnen muss. Somit hat sich in der gegenwärtigen Praxis die maximale CD-Spielzeit erhöht, während akzeptable Zuverlässigkeitsstandards beibehalten wurden.

CD-ROM

In den ersten Jahren ihres Bestehens war die Compact Disc ein reines Audioformat. 1985 wurde jedoch der Yellow Book CD-ROM-Standard von etabliert Sony und Philips, das ein nichtflüchtiges optisches Datenspeichermedium definierte, das dasselbe physische Format wie Audio-CDs verwendet und von einem Computer mit einem CD-ROM (CDR)-Laufwerk lesbar ist.

Herstellung

Replizierte CDs werden zunächst mit einer hydraulischen Presse in Massenproduktion hergestellt. Kleine Körnchen aus rohem Kunststoff werden in den Zylinder eingeführt, während unter Hitze und zunehmendem Druck der Kunststoff schmilzt und das verflüssigte Material in den Formhohlraum gedrückt wird. Ausgestattet mit einem Metallstempel schließt sich die Form, wodurch der Kunststoff abkühlen und aushärten kann. Nach dem Öffnen wird das Plattensubstrat durch einen Roboterarm aus der Form entfernt und ein zentrales Loch mit 15 mm Durchmesser (Stapelring genannt) wird entfernt. Dieses Verfahren erzeugt den durchsichtigen Kunststoff-Rohlingteil der Disc. Nachdem die Folienschicht auf das durchsichtige Rohlingssubstrat aufgebracht wurde, ist die Disc bereit zum Pressen. Um die CD zu pressen, wird zuerst ein Glasmaster mit einem Hochleistungslaser auf einem Gerät geschnitten, das einem CD-Brenner nicht unähnlich ist, wobei der Glasmaster je nach Bedarf einen Durchmesser von etwa 12 Zoll (30 cm) und eine Dicke von bis zu 25 mm (1 Zoll) hat zum Pressen stark sein. Dieser Glasmeister ist ein positiver Meister. Nach dem Testen wird es dann verwendet, um einen Stempel herzustellen, indem es gegen eine Metallscheibe gedrückt wird. Die Matrize wird dann zu einem Negativbild, davon können mehrere hergestellt werden, abhängig von der Anzahl der Pressmühlen, die Kopien der endgültigen CD produzieren werden. Der Stempel geht dann in die Presse und drückt das Bild auf die Folienschicht des CD-Rohlings und hinterlässt ein endgültiges positives Bild auf der Disc. Dann wird ein kleiner Lackkreis als Ring um die Mitte der Scheibe aufgetragen und durch schnelles Drehen gleichmäßig über die Oberfläche verteilt. Die Disc wird dann bedruckt und verpackt. Das Verfahren zum Pressen einer Schallplatte ist sehr ähnlich, außer dass das Formen der Kunststoffscheibe bei CDs ein separater Prozess ist.

Beschreibbare CD

  Eine typische 700-Megabyte-CD-R   Vergrößern Eine typische 700-Megabyte-CD-R

Beschreibbare Compact Discs, CD-Rs, werden mit einer 'leeren' Datenspirale spritzgegossen. Dann wird ein lichtempfindlicher Farbstoff aufgetragen, und dann werden die Scheiben metallisiert und lackiert. Der Schreiblaser des CD-Recorders ändert die Farbe des Farbstoffs, damit der Leselaser eines Standard-CD-Players die Daten wie bei einer spritzgegossenen Compact Disc sehen kann. CD-R-Aufnahmen sind dauerhaft. Die resultierenden Discs können von den meisten CD-ROM-Laufwerken gelesen und in den meisten Audio-CD-Playern abgespielt werden. Im Laufe der Zeit (schätzungsweise etwa 5 Jahre) wird der Farbstoff jedoch verblassen und Lesefehler und Datenverlust verursachen, bis das Lesegerät mit Fehlerkorrekturmethoden nicht wiederhergestellt werden kann.

CD-RW ist ein wiederbeschreibbares Medium, das anstelle eines Farbstoffs eine Metalllegierung verwendet. Der Schreiblaser wird in diesem Fall verwendet, um die chemischen Eigenschaften der Legierung zu erhitzen und zu verändern und somit ihr Reflexionsvermögen zu verändern. Eine CD-RW hat keinen so großen Unterschied im Reflexionsvermögen von Erhebungen und Unebenheiten wie eine gepresste CD oder eine CD-R, und daher können viele CD-Audioplayer CD-RW-Discs nicht lesen, obwohl die meisten davon eigenständig sind DVD Spieler können.

CD-Rs folgen dem Orange Book-Standard.

Kopierschutz

Die Red Book-Audiospezifikation enthält außer einem einfachen 'Anti-Kopier'-Bit im Subcode keinen ernsthaften Kopierschutzmechanismus. Ab Anfang 2002 wurden von Plattenfirmen Versuche unternommen, 'kopiergeschützte' Nicht-Standard-CDs zu vermarkten. Philips hat erklärt, dass solche Discs das Warenzeichen nicht tragen dürfen CD-Digital-Audio Logo, weil sie gegen die Red Book-Spezifikation verstoßen. Darüber hinaus gab es einen großen öffentlichen Aufschrei über kopiergeschützte Discs, weil viele darin eine Bedrohung für die faire Verwendung sehen.