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CD-Player Wissen + Service aus 1992

Auf diesen Seiten wird das damalige Wissen des Autors Rodekurth teilweise erst mal original zitiert und jeweils mit aktuellem Wissen kommentiert. Der Autor hatte 1992 entweder noch nicht alle Informationen erhalten, die teilweise noch Firmengeheimnis waren oder irgendwo ganz tief im Text versteckt waren. Auch die beschriebenen Mustergeräte und Komponenten sind nur ein Bruchteil der damals am Mark befindlichen Produkte. Von den Senkrechtladern ist nichts zu lesen und auch SPDIF war scheinbar unbekannt. Weiterhin konzentriert sich der Autor auf die großen älteren Audio-CD-Player. Aber gerade bei der PC-CD-Technik wurden die größten Innovationen eingeführt, die dyynamische Auswuchtung unrunder CDs zum Beispiel und das beschreiben von CDs. Die einführende Seite finden Sie hier.

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(1) Grundsätzliches zur Compact Disc (CD)

Zwei Äußerlichkeiten lassen den Unterschied gegenüber den herkömmlichen schwarzen Vinyl-Langspielplatten deutlich werden. Es ist einmal die Handlichkeit der CD mit lediglich 12cm Durchmesser bei einer Spieldauer von ca. 1 Stunde und zum anderen ihre in den Regenbogenfarben schillernde Oberfläche, die von Lichtreflexen an Millionen mikroskopisch feinen Informationselementen „Pits" (Löcher von der Größenordnung von 1 [im) stammen.

Das Neuartige an der CD ist auch das berührungslose Auslesen der gespeicherten Musik-Sprach-Informationen durch einen mikroskopisch feinen Lichtstrahl, der von einem Halbleiter-Laser ausgeht.

Da zwischen der Leseeinrichtung und der Compact Disc kein mechanischer Kontakt besteht, ist jeglicher "Abtastverschleiß" ausgeschlossen. Die eingeprägten Musik-Sprach-Informationen liegen innerhalb der Platte unter einer transparenten Schutzschicht und nicht wie bei der Schallplatte an der Oberfläche. Die Wiedergabe wird auch nicht durch Staub, Fingerabdrücke oder gar durch leichte Kratzer beeinträchtigt.

Die heutigen schwarzen Langspielplatten sind in Analogtechnik aufgezeichnet, d. h. die Rillenauslenkungen sind ein nahezu getreues Abbild der Klangänderungen und Intensitätsschwankungen der Musik bzw. Sprache. Die über Mikrofone aufgenommenen und gepegelten Aufnahmen werden dem Schneidstichel zum Ritzen der Lackfolie vom Tonmeister zugeführt.

Unzulänglichkeiten bei diesem Vorgang führen dazu, daß die Musik-Sprache eben nur "nahezu" orginalgetreu auf die Platte übertragen wird. Der elektromagnetische Vorgang beim Schneiden läßt Verzerrungen auftreten, ferner wird durch den vorgeschriebenen Rillenabstand eine Dynamikeinengung vorgegeben und durch die mechanische Abtastung zusätzliche Geräusche erzeugt, die den Genuß trüben können.

Der grundlegend neue Schritt bei der Compact Disc liegt darin, die Digitaltechnik nun auch auf das vervielfältigte Speichermedium auszudehnen und eine Rückwandlung in Analogsignale erst am Ende dieses kritischen Gliedes der HiFi-Kette vorzunehmen.

Beim Aufnahmevorgang für die Compact Disc wird die Augenblicksamplitude der Musik mit einer Taktfrequenz von 44,1 kHz abgetastet und dann mit 16 Bit linear quantisiert (Anmerkung : gemesssen). Jedes Bit liefert dabei etwa 6dB Signal/Rausch-Abstand, das ergibt ein Dynamikumfang von mehr als 90dB.
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(2) Der Herstellungsprozeß der CD

Als Aufzeichnungsträger wird eine Glasplatte mit einer dünnen Photo-Resist-Schicht überzogen. Ein mit der digitalen Information modulierter Laserstrahl schneidet (brennt) die Information in die Photoschicht, so daß nach dem Entwicklungsprozeß nur die unbelichteten Stellen stehenbleiben. "Das" sogenannte Master enthält nach diesem Vorgang die digitale Information in Form von sogenannten "Pits". Auf galvanischem Wege wird nun eine genaue Negativ-Kopie (eine sogenannte Matritze) hergestellt, die später als Preßmatrize dient bzw dienen könnte. Danach erfolgt eine Oberflächenbearbeitung und das Aufbringen einer Silberschicht. Mit dieser ersten Matritze, einer Negativ-Kopie, könnte schon eine Herstellung einer CD erfolgen.

Um aber diese bis dahin einzige vorhandene Matrize zu schonen, werden hiervon noch einmal eine oder mehrere Zwischen-Kopien erstellt, diese sind aber, da es sich hier um eine Positiv-Kopie handelt, als Matrize nicht zu verwenden. Diese Kopie wird in der Fachsprache als Mutter bezeichnet. Von dieser Mutter wird dann erst auf galvanischem Wege eine Preßmatrize, nun als Negativ, erstellt. Mit dieser nun gewonnenen Preßmatrize werden die CDs gepreßt.
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Was ist denn nun auf der CD drauf ?

Die Speicherung der Informationen auf die CD erfolgt in digitaler Form. Die bei der Analog/Digital-Umformung gewonnene Ja/ Nein-Impulsfolge wird in Form "einer" einzigen spiralförmig von innen nach außen laufenden Spur von mikroskopisch kleinen Vertiefungen (Pits) in die Platte gepreßt. Nach der Pressung wird auf diese Informationsfläche im Vakuum ein metallischer Niederschlag aufgedampft. Die Metallschicht wird auf der Oberseite mit einem Schutzlack gegen mechanische Beschädigungen versehen.

Die Informationsspur liest der Laserstrahl von unten durch das etwa 1mm starke transparente Material der CD. An Stellen, an denen keine Vertiefung eingeprägt ist, wird der Laserstrahl voll reflektiert, an den mikroskopisch kleinen Vertiefungen wird er gestreut, so daß die Reflexion nahezu verschwindet. Das Wiedergabesignal besteht aus einer Folge von unterbrochenen Reflexionen. Die logische „1" wird dabei von der reflektierenden Fläche (Land) dargestellt und die logische „0" von der Vertiefung (Pits).

Ein Lese-Objektiv fokussiert den Laserstrahl exakt auf die Informationsebene. Die Schärfentiefe beträgt etwa 2um. An der Oberfläche der transparenten Platte beträgt der Durchmesser des Lasers bereits ca. 1mm, woraus zu erkennen ist, daß Staubpartikel, Fingerabdrücke oder Kratzer auf der Oberfläche vom Laserstrahl überhaupt nicht gesehen werden.

Neben der eigentlichen Information (Sprache/Musik) erlaubt die hohe Speicherdichte des Trägers zusätzliche Speicherungen von ergänzenden Informationen wie zum Beispiel: Titel, Spieldauer oder die ebenso wichtigen Synchronisier- und Redundanz-Informationen (Fehlerkorrekturen), die die Platte nahezu frei von Gleichlaufschwankungen und Störgeräuschen abtastet; erstere sind nur noch von der Stabilität des Referenzquarzes abhängig.
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2.1 Frei von inneren Spannungen muß die Scheibe sein

Die Folge von inneren Spannungen im CD-Material (Anmerkung : Polyvinylchlorid) ist, daß sich der Brennpunktabstand des Laserstrahls durch Doppelbrechungseffekte verschiebt. Mit dem Brennpunktabstand verändert sich auch die „Schärfe" des Brennpunkes in der Informationsebene der CD. Anmerkung : Die Informationsebene ist quasi die Fußsohle der silbernen Daten-Spur.

Durch eine Doppelbrechung in einem lichtdurchlässigen Material entsteht außer dem ordentlichen Lichtstrahl, der nach den optischen Gesetzen gebeugt wird, wenn ein Lichtstrahl von dem einem Medium in ein anderes Medium übergeht, noch ein außerordentlicher Lichtstrahl. Er durchdringt das neue Medium, ohne dabei gebrochen zu werden, und führt zwangsläufig zu einer Unscharfe des Brennpunktes.

Die Doppelbrechung und der Gangunterschied der beiden Lichtstrahlen sind wesentliche Kriterien, mit denen die optische Güte von Compact Discs beurteilt wird. Die vorgegebene Spezifikation weist für den Gangunterschied einen oberen Grenzwert von +/- 50nm aus. Unterschiede, die über diesen Grenzwert hinausgehen, würden zu einer unzulässigen Streuung des abtastenden Lasers führen und somit Fehler in der Wiedergabe erzeugen.

Zwei Herstellungs-Verfahren

Compact Discs werden nach zwei unterschiedlichen Verfahren (Anmerkung : Wichtig - beide Verfahren sind patentiert !) hergestellt: dem normalen Spritzgießverfahren und dem Spritzprägeverfahren.

Beim Spritzprägeverfahren wird der geschmolzene Kunststoff (Polycarbonat) zunächst in eine nicht völlig geschlossene Form gespritzt, im anschließenden Prägevorgang wird die CD auf die endgültige Form gebracht. Die Oberfläche der Informationsebene wird nun verspiegelt.

Da die Spiegelfäche hauchdünn ist und ihre Dicke nur einige 100 Ä (Angströmeinheit 1 Ä= 10-4um) beträgt, muß, um eine Beschädigung zu vermeiden, darüber eine ca. 5 - 10um starke Schutzschicht aufgetragen werden.

Diese Schutzschicht wird als Labelseite bezeichnet und dient dem späteren Aufdruck.

Das Auslesen der Information erfolgt dann mittels des Laserstrahls durch die unterhalb der Informationsebene liegende, ca. 1,2mm dicke Transparentschicht.
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2.2 Technische Daten zum CD-System (per Definition)

Platte  
Durchmesser. 120mm
Dicke der Platte (nur einseitig bespielt) 1,2 mm
Durchmesser Mittelloch. 15 mm
Durchmesser am Programmstart (innen) 50 mm
max. Durchmesser am Programmende (außen) 116 mm
Drehsinn, vom Laser aus gesehen entgegen dem Uhrzeiger
Auslese-Geschwindigkeit. .ca. 1,2 bis 1,4m/s
Drehzahl 200 U/min.
max. Spielzeit. 60min Stereo (bei 4 Kanälen weniger)
Spurmittenabstand 1,6um
Material. transparenter Kunststoff, aluminisiert
Mindestlänge der Pits 0,833um (1,2m/s) bis 0,972um (1,4m/s)
Maximallänge der Pits 3,05um (1,2m/s) bis 3,56um (1,4m/s)
Tiefe der Pits 0,11um
Breite der Pits 0,5um
   
Optisches System  
Standard-Wellenlänge 780nm (7.800 Ängström)
Schärfentiefe 4um
Wellenlänge (numerische Apertur) 1,7um
   
Signaldaten  
Abtastfrequenz 44,1kHz
Quantisierung 16 Bit linear/Kanal
Kanalbitrate. 4,3218 Bit/s
Datenbitrate 2,0338 MBit/s
Daten/Kanalbitverhältnis 8/17
Fehlerkorrekturcode CIRC (25% Redundanz)
Modulationssystem EFM
   
Wiedergabedaten  
Anzahl der Tonkanäle 2 oder 4
Frequenzumfang . 20.20 000 Hz
Signal/Rausch-Abstand >90dB
Dynamikumfang. >90dB
Kanaltrennung >90dB
Klirrfaktor. .max. 0,05%
Gleichlauf Schwankungen. . . 0,0.% (abhängig von der Präzision der Quarzreferenz)

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Anmerkung zur obigen Tabelle - Lizenzvergabe

Philips hatte sich das Prinzip der CD schon früh, vermutlich schon 1979 patentieren lassen und vergab, später zusammen mit SONY, Lizenzen an ernsthaft interessierte und auch an die vom Erfolgsdruck geplagten Mitstreiter, allermeist waren das natürlich Wettbewerber bei den CD-Playern.
Das war aber gewollt, mit der Bedingung, sich ganz ganz genau an diese in den RED-Books festgelegten Spezifikationen halten zu müssen und keinerlei Abweichungen zu entwickeln bzw. einzuführen. Das wurde auch gnadenlos kontrolliert und dann juristisch verfolgt und ein möglicher Entzug der Lizenzvereinbarung war für alle Firmen, die da allermeist immenses Geld reingesteckt hatten, in 1983 finanziell nicht mehr zu verkraften.

Bei der QUADRO- Euphorie von 1972 bis 1976 hatten alle großen Elektronik-Firmen weltweit Milliarden in den Sand gesetzt, weil keines der drei großen Schallplatten- Systeme einen Markterfolg vorweisen konnte. Das sollte sich nicht wiederholen. Und bei dem Markteinbruch ab 1979/1980 hatten die Kleinen wie die Großen echten Leidensdruck beim Absatz der angestauten weltweiten Überproduktionen. In den Philips Hausmitteilungen "KONTAKTE" von 1981 und 1982 lesen sie bei den Wirtschaftsberichten - natürlich immer rückblickend auf die Vorjahre - wie kritisch diese Jahre des Warten auf neue Produkte waren.

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