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1982 - Schallplatten mit digitaler Vorverarbeitung

Alle Verbesserungen, die die Schallplatte bis heute erfahren hat, scheinen nun eine Grenze erreicht zu haben, von der an keine weiteren Qualitätssteigerungen mehr möglich sind. So gelingt es beispielsweise mit dem derzeitig noch vorwiegend angewendeten analogen Aufnahmeverfahren nicht, die Dynamik der Platte über das bisher erreichte Verhältnis von 60dB zu erhöhen oder die Übersprechdämpfung zwischen den Stereokanälen über 30dB zu erweitern. Auch lassen sich die bei den Bandüberspielungen auftretenden Abweichungen vom Originalklang nicht verhindern. Abnutzungserscheinungen, die sich beim wiederholten Abspielen der Platte an den Rillenflanken bemerkbar machen, können selbst bei schonendster Behandlung nicht vermieden werden.

Ganz neu : die sogenannte Puls-Code-Modulation

Wesentliche Qualitätssteigerungen lassen sich jedoch erzielen, wenn man die analoge Bandaufzeichnung durch eine digitale ersetzt. Neuerdings hat das aus der Nachrichtentechnik kommende digitale Übertragungsverfahren auch in der Schallplattentechnik Einzug gehalten (siehe Sonderteil: Einführung in die digitale Audiotechnik).

Um die Störeinflüsse der analogen Bandaufzeichnung zu eliminieren, sind verschiedene Schallplatten-Hersteller dazu übergegangen, die analoge Bandaufzeichnung durch eine digital codierte, die sogenannte Puls-Code-Modulation (PCM) zu ersetzen.

Die Umwandlung der vom Mikrofon ausgehenden analogen Tonsignale in digitale
Impulse oder bits (Bit*) geschieht - vereinfacht dargestellt - folgendermaßen (Abb. 3.2-10):
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Wie die Digitaltechnik funktioniert

Die den Änderungen des Schalldrucks am Mikrofon analog folgende Spannung wird in kurzen Zeitabständen danach ausgewertet, welchen Amplitudenwert sie jeweils aufweist (Quantisierung). Dabei ist die spannungsmäßige Abtastung des Analogsignals mindestens doppelt so oft vorzunehmen als der Frequenzumfang des zu übertragenden Frequenzbereiches beträgt.

Weil die menschliche Hörgrenze bei 20.000 Hz liegt, kann das vorgenannte Signal mithin 40.000 mal oder noch öfter ausgewertet werden. Die Häufigkeit der Auswertung wird als Abtast- oder Samplingfrequenz bezeichnet. Die abgetasteten Impulse werden anschließend quantisiert, einem Analog/Digital-Wandler zugeführt und dort beispielsweise zu einem „14stelligen Bitmuster", dem PCM-Signal, umgewandelt.

Das so gewonnene Signal, das lediglich aus Ja/Nein- (0 und 1) Entscheidungen, d.h. aus Informationen mit zeitlich verschiedener An- und Abwesenheit besteht, wird dann auf ein Digital-Bandgerät mit hoher Speicherdichte aufgenommen und vom Tontechniker geschnitten und kopiert. Von einem Digital/ Analogwandler können die derart aufbereiteten digitalen Signale wieder in die ursprünglichen analogen Signale zurückgewandelt und beispielsweise einer Schallplatten-Schneidmaschine zugeführt werden.

Diese Schallplatten sind keine Digital- oder PCM-Platten

Bei so hergestellten Schallplatten, die fälschlicher Weise als Digital- oder PCM-Platten bezeichnet werden, umgeht man lediglich die bisherige analoge Band-Zwischenspeicherung. Ihre Wiedergabequalität kann deshalb mit der einer direktgeschnittenen Platte verglichen werden. Wie diese, zeichnet sie sich gegenüber konventionell hergestellten Platten durch eine etwas höhere Dynamik und einen geringeren Rauschpegel aus. Sie kann auf normalen Plattenspielern abgespielt werden und, weil mit Füllschrift geschnitten, entspricht ihre Spielzeit der einer herkömmlichen LP.

Bit = Binary = Binärzeichen. Zeichen, das nur zwei Weite oder Zustände beschreibt, ä.B. +/- , ja/nein (siehe Seite 191)

1982 - Die ganz neue PCM-Platte mit digitaler Aufzeichnung

Seit 1978 werden von verschiedenen HiFi-Firmen PCM-Schallplatten vorgestellt, bei denen das digitale Signal direkt in der Plattenoberfläche aufgezeichnet ist. Mit diesen Platten läßt sich eine bisher unerreichte, dem Originalklang nahekommende Wiedergabequalität erzielen. So konnte damit der Dynamikumfang auf 85dB, die Frequenzbandbreite auf 20kHz, die Kanaltrennung auf 80dB erhöht und der Klirrfaktor auf 0,05 % verringert werden. Rumpelstörungen vom Abspielgerät als auch von der Platte können ebensowenig auftreten wie Tonhöhenschwankungen. Geometrisch bedingte Abtastfehler, die bei der analogen Aufzeichnung nicht zu vermeiden sind, entfallen bei der PCM-Platte ebenfalls.

Neue Abspielgeräte müssen her (= die CD Player)

Allerdings benötigt diese Platte zum Abspielen ein besonderes Gerät.
Die zur Diskussion gestellten Dichtspeichersysteme kann man in zwei Gruppen unterteilen, nämlich in die mit berührungsloser und die mit berührender Abtastung der Schallplatte.

Zur ersten Gruppe zählen die Systeme, bei denen die Platte mit einer Optoelektronik von einem Laserstrahl abgetastet wird, z.B. bei den PCM-Platten der Firmen Hitachi, Mitsubishi, Philips und Sony.

Es gibt noch weitere Digital-Platten

Der zweiten Gruppe sind die Systeme zuzuordnen, deren Platten piezoelektrisch oder elektrostatisch - beide mit Führungsrille - oder elektrostatisch ohne Führungsrille abgetastet werden. Die Piezo-Abtastung wird von Telefunken, die elektrostatische von RCA und einigen japanischen Firmen angewandt.

Die Perspektive (aus der Sicht von 1982)

Wann die neue PCM-Schallplatte auf den Markt kommt und die bisherige Schallplatte ablösen wird, ist noch nicht abzusehen. Voraussetzung hierfür ist, daß sich die Anbieter auf eine weltweite System-Standardisierung der PCM-Platte einigen. Aber auch dann wird die Einführung der neuen Technik - wegen der Inkompatibilität mit der bisherigen analogen Schallplatte und deren Abspielgeräte - sich nur sehr langsam vollziehen. Fachleute vertreten die Ansicht, daß die bisherige analoge Schallplatte auch im Jahre 2000 noch angeboten wird.

Die Philips Compact-Schallplatte

Unter der Bezeichnung „CD" (Compact Disc) stellt Philips eine PCM-Schallplatte vor, die auf der Technologie der Philips-Bildplatte aufbaut und gleichfalls von einem Laserstrahl abgetastet wird. Der Durchmesser dieser Platte beträgt 115mm (Anmerkung : Es ist hier erst 1982.), sie ist 1,1mm dick und besteht aus PVC.

Ein Lichtstrahl "tastet" ab

Das PCM-Signal wird als eine Folge winziger Vertiefungen (pits) von unterschiedlicher Länge und unterschiedlichem Abstand in einer von innen nach außen verlaufenden spiralförmigen Spur auf die Plattenunterseite aufgezeichnet (Abb. 3.2-11 a/b). Zur Verbesserung der Lichtreflektion ist die Oberfläche der Platte durch eine Metallschicht verspiegelt und gegen Verschmutzung und mechanische Beschädigungen mit einer lichtdurchlässigen Schutzschicht versehen. Aus abtasttechnischen Gründen ist bei dieser Platte die Spurgeschwindigkeit konstant; sie beträgt 1,25 m/s. Die Drehzahl der Platte muß sich deshalb, entsprechend der unterschiedlichen Durchmesser der Spuren, von innen nach außen zwischen 500/min bis 25O/min kontinuierlich verändern.

Ein Aluminium-Gallium-Arsenit-Laser

Abb. 3.2-12 zeigt den Prinzipaufbau der optischen Abtastereinheit. Der von einem Aluminium-Gallium-Arsenit-Laser ausgehende Lichtstrahl wird in einer Linse gebündelt und in einem Punkt von nur 1,87µm Durchmesser auf die Informationsspur der Platte gerichtet. Die durch die An- und Abwesenheit der Vertiefungen veränderten Reflektionen des Lichtstrahls werden beim Abtasten in einem Prisma, das auch als Auskopplungsspiegel dient, ausgefiltert, einer Fotodiode zugeleitet und dort in elektrische Impulse umgewandelt.

Das Prisma sowie der geteilte Halbspiegel sind so ausgebildet, daß ein zweiter Lichtstrahl für getrennte Teile der Fotodiode gewonnen wird. Mit den daraus entstandenen Signalen wird die Radial-Spurführung der Abtastereinheit und die Fokussierung des Lichtstrahls gesteuert.

Für 1982 eine völlig irre Präzision

Um eine Vorstellung von der Präzision zu vermitteln, mit der das Servosystem arbeiten muß, seien drei Zahlen genannt: Der Abstand zwischen zwei Spuren beträgt 1,6µm; die Breite eines pits 0,6µm und der Durchmesser der vom Laserstrahl ausgeleuchteten Fläche 1,87µm. Weitere technische Daten des Philips-Gerätes sind aus der Tabelle 3.2-II zu entnehmen.

Die Fertigung der Philips CD-Platte

Zur Herstellung der CD-Platte wird das codierte Signal von einem Laserstrahl auf eine Glasplatte übertragen, die mit einer fotoempfindlichen Schicht versehen ist. Nach dem darauffolgenden Entwicklungsprozeß verbleiben die belichteten, dem codierten Signal entsprechenden Stellen als winzig kleine Erhebungen auf der Glasplatte zurück. Anschließend erfährt die Platte mehrere galvanische Behandlungen, um sie als Vaterform zur Gewinnung der Mutterform und den daraus gezogenen Preßmatrizen zu verwenden. Nach dem Preßvorgang wird die Platte verspiegelt und mit einer transparenten Schutzschicht versehen. Die Abb. 3.2-13 zeigt die neue Compact-Schallplatte von Philips auf dem dafür vorgesehenen Abspielgerät.

Telefunken/Teldec MD (Mini-Disk)System (1982)

Unter der Bezeichnung „MD" stellen Telefunken und Teldec ein PCM-Dichtspeichersystem (Platte + Abspielgerät) zur Diskussion, bei dem die Schallplatte von einem piezoelektrischen Wandler berührend abgetastet wird.

Die beidseitig bespielte, aus PVC gefertigte Platte, hat bei einem Durchmesser von 135mm und einer Drehzahl von 300/min eine Spielzeit von 2 x 60 min. Das PCM-Signal ist in eine trapezförmige Rille geschnitten, deren Abmessungen aus Abb. 3.2-14 zu ersehen sind. Hier bildet das PCM-Signal winzig kleine Erhebungen bzw. Vertiefungen von unterschiedlicher Länge und unterschiedlichem Abstand auf dem Rillengrund.

Vier LPs auf einer Mini-Disk

Einen anschaulichen Vergleich der Rillenbreiten einer konventionellen Langspielplatte (LP = 0,1mm) und der PCM-Mini Disk (MD = 1.67µm) gibt die Abb. 3.2-15. Bei dieser dichten Aufzeichnung ist es möglich, den Inhalt von vier 30cm Langspielplatten auf eine Mini Disk von 13,5cm unterzubringen.

Obwohl Staubablagerungen auf der Platte keinen Einfluß auf den Abtastvorgang haben, müssen die feinen Rillen gegen mechanische Einwirkungen geschützt werden. Die Platte ist deshalb in einer allseitig geschlossenen Kassette untergebracht, die nur für den Abspielvorgang in einem schmalen Bereich an der Unterseite automatisch im Gerät geöffnet wird, so daß die Gefahr einer Plattenbeschädigung niemals (??) besteht. Während des Abspielbetriebes kann sich die Platte genau zentriert und völlig frei in der Kassette bewegen {Abb. 3.2-16).

Mechanische Abtastung mit einer Diamant-Kufe

Der Abtaster besteht aus einem kufenförmigen, mit der Piezo-Keramik fest verbundenen Diamanten {Abb. 3.2-17), der in der Rille der MD-Platte gleitet, ohne selbst eine Abtastbewegung auszuführen. Obwohl die Auflagekraft des Abtasters mit ca. 1mN sehr gering ist, wirkt sie sich wegen der äußerst kleinen Berührungsfläche recht beachtlich aus. So werden unter der Kufe die wellenförmigen Erhebungen im Rillengrund leicht zusammengedrückt, weil der Platten Werkstoff (PVC) relativ weich und elastisch ist. Am Ende der Kufe erkennt man eine scharfe Kante, an der die frei werdenden Erhebungen sehr schnell wieder in ihre ursprüngliche Form zurückschnellen und dabei am Abtaster eine geringfügige, schlagartige Druckminderung bewirken. Diese pflanzt sich als mechanischer Impuls durch den Diamanten nach oben hin in die Piezo-Keramik fort und wird dort in einen elektrischen Spannungs-Impuls umgewandelt. Weil bei der geringen Auflagekraft die Kräfte in der Rille nicht ausreichen, einen Tonarm zu bewegen, wird der mit einem elastischen Halter verbundene Abtaster von einer Gewindespindel radial von außen nach innen über die Platte geführt.

  • Anmerkung : Die absolut identisch arbeitende TED Bildplatte war bereits gestorben, aber die Telefunken Leute wollte von ihrem "toten Gaul" einfach nicht absteigen. (So lautete die alte Indianer-Weisheit)

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Noch ein paar Marketing Sprüche / Feinheiten

Die Lebensdauer des Diamanten beträgt ca. 1000 Betriebsstunden, was der eines Abtastdiamanten der konventionellen Schallplatte entspricht. Er kann mit dem Wandler zusammen ohne Zuhilfenahme eines Werkzeuges vom Benutzer selbst problemlos ausgetauscht werden. Außer 2 x 60 Minuten Stereobetrieb auf einer
Platte von 135mm Durchmesser erlaubt der MD-Systemstandard noch die Programmierbarkeit des Abspielbetriebes mit einer Fülle zusätzlicher Möglichkeiten.

So beispielsweise die Wiedergabe in Normal- oder Kunstkopf-Stereofonie oder 4-Kanal-Quadrobetrieb mit absoluter Kanaltrennung. Auch wäre die getrennte Aufzeichnung der „Rauminformation" möglich, damit diese vom Benutzer individuell dem Stereosignal zugemischt werden kann, ebenso die getrennte Aufzeichnung von Soloparts, um eine individuelle Relation Orchester/Solopart vornehmen oder den Solopart selbst produzieren zu können (sogenannte „minus one"-Platten). Weiterhin ließen sich die heute auf den Plattenhüllen abgedruckten Erläuterungen, wie die Einführung in das Werk, Künstlerportraits etc. (akustischer Beipack) aufzeichnen.

Als Nachfolger für die bisherige Single-Platte mit 175mm ist eine Mikro-Disk-Platte, ebenfalls mit 2x5 Minuten Spielzeit vorgesehen. Diese nur 75mm große Platte soll ohne Kassette angeboten werden; der für die kurze Spieldauer benötigte schmale Rillenbereich ist hier vertieft in der Plattenoberfläche angeordnet, so daß die Rillen weitgehend vor Beschädigungen geschützt sind.

Herstellung der Mini-Disk-Platte

Die Aufzeichnung des PCM-Signals bei der MD-Platte ist relativ einfach. Es wird von einer Schneidmaschine mit halber Drehzahl direkt in eine aus Kupfer bestehende, vorprofilierte Raster-Platte geschnitten {Abb. 3.2-18). Man erhält damit unmittelbar die sogenannte Mutterplatte, von der sich galvanisch beliebig viele Preßmatrizen (Söhne) herstellen lassen.

In der Tabelle 3.2-II sind zum Vergleich die wichtigsten Systemdaten der Philips Compact Disc und der Telefunken/Teldec Mini-Disk angeführt. Die Abb. 3.2-19 zeigt den Prototyp des Telefunken Mini-Disk-Player.

Tabelle 3.2-II Kenndaten der PCM-Dichtspeichersysteme:
Philips Compact Disc (CD) und Telefunken/Teldec Mini-Disk (MD)

System Philips Telefunken/Teldec
  Compact Disc (CD) Mini-Disk (MD)
Dichtspeichersystem optoelektronisch piezoelektrisch
  ohne Rillenführung mit Rillenführung Standard: A B
Plattendurchmesser 115 mm 125 mm 135 mm
Plattenwerkstoff PVC PVC PVC
Spielzeit 1 x 60 min 2 x 60 min
Spurmittenabstand 1,66 um 1,67 um - 1,67 um
Abtastgeschwindigkeit 1,25 ms-1 1,89 ms-1 - 1,89 ms"1
Drehzahl 500-215/min 300/min - 300/min
Frequenzbereich 20 ... 20 000 Hz 20 ... 20 000 Hz
Dynamik ^85 dB ^85 dB
Störabstand ^85 dB ^85 dB
Übersprechdämpfung ^85dB ^85 dB
Samplingsfrequenz 44,3 kHz 48 kHz
Quantisierung 14 bit linear 14 bit linear
Gleichlaufschwankungen quarzgenau quarzgenau
Klirrfaktor ^ 0,05% ^ 0,05%
Speicherdichte 1100kbit qmm 1100kbit qmm - 980 kbit qmm

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