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Gedanken zur Zukunft der bislang bekannten Schallplatte

In dem im gleichen Magazin vorangegangenen Artikel (Klangbild 1978 August Ausgabe) hatte ich es schon angedeutet. Über die uns bekannte CD, diese dubiose digitale Schallplatte, kreisten 1978 fast nur Gerüchte durch die Branche. Philips hatte erst in 1979 richtig angefangen, mehr Informationen in den Markt zu lancieren, um bei einem eventuellen Flop nicht zu viel Häme zu ernten.
Bekannt war aber, daß Philips seit 1971 an einer Laser-Abtastung von silbernen 30cm Video-Platten arbeitete. Auch war bekannt, daß man an einem 30cm "Ableger" für den Audio-Bereich dran war. Doch die bislang benutzte Laser-Röhre war fast 25cm lang, also für Heimgeräte viel zu groß. Das alles sollte und mußte kleiner und preiswerter werden. Die - erstmals funktionierende - Laser-Diode wurde um 1976 vorgestellt. Doch die mußte ja auch in Stückzahken verfügbar sein.

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KlangBild special - NACH 100 JAHREN:
Bewegung in der Schallplattentechnik

Von Ing. Hans-Joachim Haase im August 1978

Kaum ein anderes, seit der erstmaligen Vorstellung ununter- brochen benutztes technisches System hat sich anwendungs- technisch so lange weitgehend unverändert erhalten wie das der 1877 von Edison erfundenen und später von Emile Berliner weiterentwickelten Schallplatte.

Wenn diese auch in den Bereichen der Spieldauer und Produktionstechnik, insbesondere aber ihrer Klangqualitäten, durch ständig verbesserte Aufnahme-, Überspiel- und Wiedergabe- apparaturen fortlaufend verbessert wurde, basieren die Funktionsweise und praktische Handhabung auch heute noch auf dem inzwischen über 100 Jahre alten Prinzip der mechanischen Schallrillenabtastung.
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Hifi, dann Stereo und dann Quadro

Obwohl sich bereits in den letzten beiden Jahrzehnten mit den Mitteln moderner Elektronik und Feinwerktechnik eine erstaunliche HiFi-Qualität bei der mechanischen Abtastung stereofoner und (mit Einschränkungen) auch quadrofoner Schallplatten erreichen ließ, blieben besonders die phasenbezogenen Verformungen hochausgesteuerter komplexer (Quadro-) Klangbilder und die Störgeräusche in wahrnehmbaren Bereichen.

Wenn sich auch mit Hilfe z.T. apparativ sehr aufwendiger Verfahren die verschiedenen, vielfach voneinander abhängigen Qualitätsparameter schon bei der Aufnahme und Überspielung verbessern ließen (u. a. durch das Dolby-Rauschunterdrückungssystem und die Tracing Simulator-Platte), wurden bei der Schallrillenabtastung durch mangelhafte Abtaster, Tonarme und Abspielgeräte (geometrische Abtastverzerrungen, Rumpeln, Gleichlaufschwankungen usw.) die erzielten Verbesserungen wieder zunichte gemacht und neue Mängel hinzugefügt.

Neuartige Spritzmassen

So konnte z. B. durch Verwendung neuartiger Spritzmassen der Rauschpegel fabrikneuer Schallplatten zwar reduziert werden, nach häufigerem Gebrauch stellten sich - je nach Plattenpflege und Beschaffenheit der Abtastnadel - die bekannten Störgeräusche ein. Wie jeder Schallplattenbesitzer beobachten kann, nutzt sich die Schallplatte in Abhängigkeit der Stärke der Tonarm-Auflagekraft mehr oder weniger schnell ab.

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Doch auch unabhängig von der Häufigkeit der Benutzung und dem Zustand der Wiedergabeanlage haften der Schallplatte, so wie sie heute noch produziert wird, prinzipielle Mängel an.
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Der qualitative Engpaß

Ein qualitativer Engpaß in der langen Übertragungskette vom Aufnahmeraum bis zur fertigen Schallplatte ist zweifellos das bei der Schallplattenproduktion benötigte klassische analoge Magnetbandverfahren, das, trotz des an sich hohen Qualitätsstandards professioneller Bandgeräte, als Übertragungsglied in der Kette zwischen Aufnahme, Abmischung und Überspielung nicht voll befriedigen kann.

Aus diesem Grund hat man, unter Verzicht auf analog arbeitende Bandmaschinen und damit auf die Möglichkeiten von Playbackverfahren, von künstlichem Nachhall und von Mischungen aus Mehrspuraufzeichnungen, Schallplatten im Direktschnittverfahren hergestellt und mit großen Erwartungen bezüglich der Nachfrage auch in den Handel gebracht.
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  • Anmerkung : Von diesen "Direct Cut" Platten haben wir über 30 in unserem Labor bzw. Studio. Diese speziellen und auch noch recht teuren Platten waren zwar bei den Freaks gefragt und überschwenglich gefeiert, aber am globalen Schallplatten-Markt von jährlich 550 Millionen Stück nur eine ganz kleine völlig unbedeutende Randerscheinung. Ab 2010 habe ich viele Spenden und Erbschaften angedient bekommen, oft über 2.000 Platten, leider alles Consumer- und Durchschnitts-Titel, seltenst waren Direct Cut Platten darunter.

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Die Analog/Digital-Umwandlung

Einen entscheidenden Schritt zur weiteren Verbesserung der Schallplatte hat man nun in der konsequenten Anwendung der PCM-Technik (Pulse Code Modulation) getan. In dieser Technik wird das Tonsignal nicht wie bisher als analoger, in der Amplitude fortlaufend schwankender Spannungsverlauf aufgezeichnet, es erfolgt vielmehr nach der üblichen Mikrofonaufnahme eine Signalumwandlung, wobei das Signal nach Amplitude und Zeit „quantisiert" (in kleine Teile zerlegt) wird.

Man wußte aus der Fernmeldetechnik ja bereits seit langem (Anmerkung : notgedrungen wurden dort diese PCM Entwicklungen angekurbelt), daß ein kontinuierlicher, in der Amplitude variabler Signalverlauf durch eine Folge von Abtastwerten, die in gleichen Abständen aufeinander folgen und das momentane Analogsignal abfragen, vollständig beschrieben, digital zwischengespeichert und über einen Digital/Analog-Wandler auch wieder in die ursprüngliche Form zurückverwandelt werden kann.

Praktisch bedeutet eine Amplituden-Quantisierung, daß man von der kontinuierlichen Skala der Momentanwerte (Analogtechnik) abweicht und - je nach Aufwand - nur eine bestimmte Anzahl diskreter Werte, sogenannte Quantisierungsniveaus, zuläßt. Der quantisierte Momentanwert wird dann in ein digitales „Bitmuster" (Ja/Nein-Information) umgewandelt (Digitaltechnik).
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Ja/Nein-Entscheidungen gefragt

Bild 1 : Das Funktionssystem der Analog/Digital-Umsetzung. Links das analoge Signal, wie es z. B. vom Mikrofon kommt. Rechts daneben die Ermittlung des Wertes zum Zeitpunkt ta. Ganz rechts das „Digital-Wort" für den Wert ta.


Bekanntlich besteht ein Bitmuster aus einer bestimmten (festgelegten) Anzahl von Ja/Nein-Entscheidungen, die in einem Digitalsystem elektronisch durch Ein/Aus- Impulse (1/0) definiert sind. Weder lineare noch nichtlineare Verzerrungen können diese digitalen Signalfolgen verfälschen. Auch gegen Übertragungsfehler (z. B. Aussetzer) können diese Bitmuster, durch die Übertragung zusätzlicher Prüfbits, weitgehend gesichert werden. Das ist einer der entscheidenden Vorteile der PCM-Übertragungstechnik.

Das Funktionssystem einer Analog/Digital-UmWandlung ist in Bild 1 vereinfacht dargestellt. Innerhalb des zwischen t1 und t2 vorliegenden Amplitudenverlaufes, z. B. eines Audio-Signals, soll die zum Zeitpunkt ta anstehende Amplitude U in eine digitale Größe umgewandelt werden.

Vorher muß man festlegen, wie feinstufig eine Analogsignalfolge quantisiert werden muß, um ausreichend differenzierte Unterscheidungen des Amplitudenverlaufes vornehmen zu können. Dann wird zu jedem Abtastzeitpunkt der Augenblickswert des analogen Signals auf das nächstgelegene Quantisierungsniveau abgerundet.

Momentanwert (Analogtechnik) - Bitmuster (Digitaltechnik)

Die so gebildeten Impulse, die Momentanwerte des Audiosignals sind, werden nun digitalisiert und zu einem Bitmuster zusammengestellt, d. h., jeder Amplitudenwert erhält ein festgelegtes „Digital-Wort" (Kombination aus 1 und 0) zugeordnet. Soll z. B. der Maximalwert der anstehenden Amplituden 1V in 1mV-Stufen, also in 1000 unterscheidbare Quanten aufgelöst werden, muß zur digitalen Unterscheidung ein 10stelliges Digital-Wort erstellt und verarbeitet werden können.

Das zum Zeitpunkt ta gebildete Bitmuster einer Spannung < 1V könnte dann beispielsweise die in Bild 1 gezeigte Form aufweisen. Je feiner die Quantisierung, desto länger das Digitalwort. Zur Tonübertragung braucht aber nur eine begrenzte Anzahl von Bitmustern gebildet zu werden, weil das menschliche Ohr nur bestimmte Intensitätsunterschiede bemerkt.

Während man bei „Telefon-Qualität" schon mit 30 Amplitudenstufen auskommt, sind zur Übertragung hochwertiger Musik mindestens 100 Stufen, also 100 Bitmuster erforderlich.

Will man den für eine HiFi-gerechte Musikübertragung erforderlichen Mindestdynamikumfang von 60dB erreichen, müssen mindestens 1000 Bitmuster zur Verfügung stehen.
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Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch wie höchste Audiofrequenz

Um das analoge Audio-Signal auch über den Ablauf der Zeitachse signalgetreu auflösen zu können, sollte die Abtastfrequenz im Minimum doppelt so hoch sein wie die höchste im Signalspektrum enthaltene Frequenz. So muß man bei Sprachsignalen, in deren Spektren bekanntlich Frequenzen bis zu 3600 Hz auftreten, 8000 Abtastungen pro Sekunde durchführen, wenn man die charakteristischen Inhalte nicht unterdrücken will. Aus dieser Abtastung und Quantelung ergibt sich, insbesondere bei Musik, eine sehr große Anzahl von Binär-Impulsen, die pro Sekunde übertragen werden muß. Diese sogenannte Bitrate ist gleich dem Produkt der Abtastfrequenz und der Anzahl Bits pro Bitmuster.

Warum eine so hohe Bandgeschwindigkeit ?

Untersuchungen haben gezeigt, daß in einem digitalen Audiosystem mindestens eine Bitrate von 3 • 10 hoch 5 Bits/s verarbeitet werden muß, wenn man z. B. den Inhalt einer Musiksendung des Rundfunks optimal aufzeichnen und wiedergeben will.

An diese Technik haben sich nun die Schallplattentechniker erinnert. Bevor man allerdings daran dachte, mit Hilfe der PCM-Technik Schallplatten herzustellen, wurde die PCM-Magnetbandtechnik im Sinne der analogen Mischpulttechnik untersucht, denn PCM-Bänder sollten nachbearbeitbar und ohne Qualitätsminderung kopierbar sein. Um den angedeuteten Nachrichtenfluß von Tonsignalen, kombiniert mit einem Fehlerkorrektions-Code, in einer festgelegten Bit-Konfiguration auf Band aufzeichnen zu können, ist eine Mindest- Bandgeschwindigkeit erforderlich, die erheblich über den bei Analog-Bandgeräten üblichen Geschwindigkeiten liegt.

Anscheinend ließ sich dieses Problem mit rotierenden Köpfen aber ohne große Schwierigkeiten lösen, da mit PCM-Bandgeräten der gesamte Audio-Bereich mit extrem geradlinigem Frequenzgang, bei einem bewerteten Geräuschspannungsabstand von 85 dB, wiedergegeben werden konnte. Gleichlaufschwankungen des Tonträgerantriebes und Modulationsverzerrungen können die PCM-Aufzeichnung nicht stören.

  • Anmerkung : Hier hat der Redakteur von damals vieles noch nicht verstanden, wie der obige Satz erkennen läßt.

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Die lieferbaren PCM-Recorder

Bild 2 : Der Videorecorder Betamax - nach NTSC - Norm - zusammen mit dem PCM-Vorsatz (dem Wandler) zur Umwandlung des Audio-Signals in Videosignale (und natürlich wieder zurück).


Einer der ersten lieferbaren PCM-Recorder war das Modell DN023R von Nippon/Columbia (Denon). Es hatte jedoch noch die Ausmaße einer mittleren Kühltruhe. Beeindruckend waren allerdings die technischen Spezifikationen für das analoge Ausgangssignal: Frequenzumfang 10Hz ... 20.000 Hz, ±0,2dB, bei einem Dynamikbereich von etwa 80 dB.

Vor etwa zwei Jahren (1976) überraschte Sony mit seinem Modell PCM1, dessen Abmessungen auf die Maße eines normalen Hi-Fi-Bausteins und der Preis etwa auf den hundertsten Teil reduziert werden konnten. Diese Einrichtung (Bild2) wird mit dem bekannten Betamax-Video-Kassettenrecorder zur Tonaufzeichnung und Wiedergabe kombiniert (siehe Seite 26).

Dieses PCM-System benutzt einen Quantisierungscode von 32 Bits und tastet die Analogsignale 44056 mal in jeder Sekunde ab, d.h., es entsteht eine Bitrate von 1.409.792, die einer Übertragungsfrequenz von über 1,4 MHz entspricht. Für einen Video-Recorder, der eine Frequenzbandbreite von über 4 MHz aufzeichnet, also kein Problem.

Ein derartiges Kassetten-Gerät, das gleichermaßen als hochwertiges Bild- und Tonaufzeichnungsgerät verwandt werden kann, scheint auch unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit nicht uninteressant für den Markt der 1980er Jahre zu sein.

Vom konventionellen Plattenschnitt zur Laseraufzeichnung

Für einen darauffolgenden konventionellen Plattenschnitt muß zunächst wieder eine Digital/Analog-Umwandlung stattfinden, damit die klassische dynamische Schneiddose (das ist der Schneidstichel) zum Lackfolienschnitt angesteuert werden kann. Mit dieser Technik der Schallplatten-Herstellung hat man zur Qualitätsverbesserung also zunächst lediglich die alte analoge Band-Zwischenspeicherung umgangen.

Die nach diesem Verfahren fast ausschließlich in Japan geschnittenen PCM-Platten, z. B. die MCB 8015 oder die 0X7027/8ND, zeichnen sich durch einen geringen Rauschpegel und hohe Dynamik aus. Sie können auf den normalen Hi-Fi-Plattenspielern abgespielt und über die dazu passende Verstärkeranlage wiedergegeben werden, deren Qualität jedoch mit in das Hörergebnis eingeht. Auch eine derartige Platte ist natürlich nicht gegen Abnutzung geschützt.

  • Anmerkung : Hier wird jetzt etwas gemixt oder vertuscht, das die allermeisten Käufer gar nicht verstanden hatten. Es war nämlich gar keine echte PCM Schallplatte, es war nach wie vor die altbekannte analoge Vinyl-Platte. Nur waren die Quellen auf digitalen Bandmaschinen abgespeichert und dann ganz normal zur analogen Neumannn- Schneidemaschine übertragen worden.

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Geworben wurde auf einmal mit PCM Schallplatten

In Deutschland ist das Angebot an PCM-Schallplatten derzeit noch sehr begrenzt. Fachleute sind sich auch noch nicht darüber einig, ob die mit konventionellen Mitteln abgetastete Direktschnitt- oder die PCM-Platte die besseren Ergebnisse bringt.

Ein unmittelbarer akustischer Vergleich ist wegen des Nichtvorhandenseins gleicher Einspielungen derzeit nicht möglich. Meßtechnisch lassen sich durchaus mögliche Klangunterschiede auch mit den modernsten Apparaturen nicht erfassen.

Die Hürde der letzten Qualitätsstufe scheint mit dem von den Japanern entwickelten PCM-Laser-Schallplattensystem genommen zu sein. Es beruht im Prinzip auf dem Schneid- und Abtastverfahren der von Philips entwickelten Videoplatte, bei der bekanntlich ja jeder mechanische Kontakt zwischen Aufzeichnung und Tonabnehmer entfällt.
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Bis 14 Stunden Spielzeit pro Plattenseite

Bild 3 : So wird das ursprüngliche Audio-Signal mittels Laser in die metallisierte Glasplatte „geschnitten".


Da das PCM-Signal nicht direkt auf die Platte gebracht werden kann, wird es zuvor in einen Modulator geleitet und dort frequenzmoduliert (Bild 3). Als Kontaktloser „Schreibstrahl" wird ein Argon-Laser verwandt, dessen scharf gebündelter Strahl durch einen vom Frequenzmodulator gesteuerten Licht-Modulator geleitet wird, womit er im weiteren Strahlverlauf durch das FM-PCM-Signal moduliert ist. Über eine Optik läßt sich dieser so behandelte Strahl auf einen Fleckdurchmesser von 0,6 um konzentrieren.

Der „Ton"-Träger ist bei diesem Verfahren eine kreisförmige Glasplatte, auf deren Oberfläche zuvor eine sehr dünne, reflektierende Metallschicht aufgebracht wurde. Dort, wo während des Schreibvorganges der Laserstrahl auftrifft, verdampft die Metallisierung, und - bei gleichmäßig radialem Vorschub des Schreibsystems - es entsteht eine spiralig von außen nach innen verlaufende Löcherfolge.

Ein Plattendurchmesser von (bislang) etwa 300mm

Bei einem Plattendurchmesser von etwa 300mm könnten - zumindestens theoretisch - auf einer Plattenseite 14 Stunden Spielzeit untergebracht werden, wenn man sich mit einem 13stelligen Bitmuster pro Stereokanal begnügt.

Nun könnte man einwenden, daß für derartige Super-LPs praktisch kein Bedarf besteht, weil kaum ein Musiktitel länger als eine Stunde dauert. Bei Sony ist man aber der Meinung, daß es erstrebenswert und grundsätzlich auch möglich wäre, z. B. alle Symphonien Beethovens, bei freiem Direktzugriff, auf einer Plattenseite zusammenzufassen.

Praktisch wird die Dichte der „eingebrannten" Informationen durch den Durchmesser des Laser-Brennflecks und durch die in der Massenfertigung bei der Pressung erreichbare Genauigkeit bestimmt. Eine derzeit gut beherrschbare Speicherdichte ist etwa 100 Bits/mm2, womit sie etwa 10mal höher ist als bei Bandaufzeiehnungen. Zweifellos erhöhen sich damit aber auch die Ausfallraten (Dropouts), die durch hinzugefügte Prüfbits, wie man sie mit Erfolg auch in der Computer-Technik einsetzt, jedoch weitgehend eliminiert werden könnten.

Die - angeblich auf ewig - verschleißfeie Abtastung

Bild 4 : Die Abtastung der Laser PCM-Schallplatte erfolgt wie bei der VLP-(Video-)Platte von Philips.


Die Abtastung der Laser-PCM-Schallplatte geschieht ebenfalls nach dem Prinzip der Philips-VLP-Platte. Dieses Verfahren der Abtastung einer gleichartigen Tonaufzeichnung ist in Bild 4 vereinfacht dargestellt.

Der monochromatische Lichtstrahl eines Helium-Neon-Lasers wird über ein Spiegel-Linsen-System fokussiert auf die Spiralspur der mit 1800 U/min umlaufenden Platte gerichtet.

Während im Bereich der Vertiefungen - durch die Anpassung der Lochabmessungen an die Wellenlänge des Laserlichtes - Auslöschungen entstehen, wird zwischen den Löchern der Strahl voll reflektiert und über den halbdurchlässigen Spiegel HSp auf den Foto-Detektor FD geleitet. Die von diesem durch die fortwährenden (0/1)-Lichtwechsel gebildeten elektrischen Signale werden demoduliert, in die beiden Stereo-Kanäle aufgeteilt und über den Digital/ Analog-Wandler wieder in analoge Audiosignale rückgebildet.

Da eine berührungslose Abtastung erfolgt, kann die Oberfläche der Platte mit einer Schutzschicht versehen werden, so daß Staub, Fingerabdrücke und Kratzer die Wiedergabe nicht nachteilig beeinflussen können. Weder am Tonträger noch am Tonabnehmer treten Abnutzungserscheinungen auf.

  • Anmerkung : Das war eine der entscheidenden Fehl-Informationen, die sich später mit dem Einsatz der Laserdiode fürchterlich gerächt hatte. Auch das Laser-Rohr war - wie die Laser-Diode - nicht frei von Verschleiß.

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Wesentlich aufwendiger als herkömmliche Hi-Fi-Plattenspieler

Für dieses ideale Abtastverfahren sind umfangreiche Regelsysteme, u. a. zur Strahlsteuerung, Spurhaltung und Dropout-Kompensation, erforderlich, so daß ein FM-PCM-Plattenspieler sowohl elektronisch als auch mechanisch wesentlich aufwendiger ist als ein herkömmlicher Hi-Fi-Plattenspieler z. B. mit Direktantrieb.

Ein erster Ausblick auf die echte digitale 11cm PCM Schallplatte

Das von Philips entwickelte PCM-Laser-Schallplattenverfahren benutzt einen Plattenspieler zur Abtastung einseitig bespielter 11cm-Platten, bei dem ein Dioden-Laser in den Tonarm eingebaut ist. Die Löcherfolge wird mit einer Geschwindigkeit von 1,5m/s abgetastet. Die mit einem 14-Bit-Code erreichte Informationsdichte ermöglicht eine Spieldauer von einer Stunde in Stereo.

Die genannten technischen Daten lassen den großen Fortschritt in der Tonspeichertechnik erkennen: Übertragungsbereich 20 Hz bis 20 000 Hz bei einem Störgeräuschabstand von 85 dB und optimaler Kanaltrennung.

Besonders der Störabstand, der sich heute von keinem der derzeit angewandten Ton-Speichersysteme erreichen läßt, wird als eine der typischen Eigenschaften der Laser-Schallplatte die Ton-Aufzeichnungstechnik nachhaltig beeinflussen und vermutlich ganz neue Forderungen an die Nf-Übertragungsglieder einer Wiedergabeanlage stellen.
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Vielleicht schon bald nostalgische Schwärmerei ...........

Es ist anzunehmen, daß in den Entwicklungslabors der ganzen Welt an dieser neuen Technik gearbeitet wird, und es ist leider zu befürchten, daß sich in den frühen 80er Jahren mehrere konkurrierende, nichtkompatible Systeme gegenüberstehen und mit übertragungstechnischen Superlativen um die Gunst des Käufers und, das wäre ein weiterer Fortschritt, um die der Normenausschüsse buhlen.

Vielleicht wird man dann bald in nostalgischer Schwärmerei an die gute alte Zeit der Schallrillenplatte und ihre einmalig simple, aber problemlos funktionierende Technik zurückdenken.

KlangBild August 1978
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