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Feb. - März 1983 - Zusatz-Artikel 1 :
Die optische Abtastung der Compact Disc

(Bild 1) Schematischer Aufbau einer Abtasteinheit - aber wirklich nur schematisch, weil einige wesentliche Details sehr ungenau dargestellt sind.
(Bild 2) Reflexion des Laser-Strahls auf der CD-Oberfläche (Schema)

Genau genommen wird die CD nicht abgetastet, sondern „abgeleuchtet". Denn im Gegensatz zur mechanischen Abtastung der Analogplatte mit einer Nadel erfolgte die Informationsabnahme bei der CD mit dem Lichtstrahl einer Laserdiode (Bild 1).

Der von der Diode ausgesandte Lichtstrahl passiert ein Prisma und wird anschließend mit einem Objektiv auf die „Pits" fokussiert (gebündelt). Da im Material der CD ein anderer Brechungsindex herrscht als in der Luft, wird der auftreffende Strahlenkegel bei Eintritt in die Oberfläche gebrochen (leicht winklig abgelenkt).

Die metallisierte Schicht, die die Information trägt, reflektiert den Lichtstrahl wieder ins Objektiv zurück. Der reflektierte Anteil gelangt dann zum Prisma und wird dort rechtwinklig auf eine Photodiode ausgekoppelt. Diese verwandelt die Intensitätsschwankungen des Lichtstrahls in elektrische Signale, die die Ausgangsgröße (= das Ausgangssignal) des Laserabtasters darstellen.

Wieso entstehen eigentlich Intensitätsschwankungen?

Bild 2 verdeutlicht das Prinzip: Die kohärenten (gleichphasigen) Lichtstrahlen des Lasers treffen - durch eine Optik gebündelt - auf der Informationsschicht der CD auf.

Der Durchmesser des entstehenden Lichtflecks ist etwa doppelt so groß wie die Breite eines Pits. Daher werden die Lichtstrahlen im Zentrum an der dem Laser näherliegenden Pit-Oberfläche reflektiert. Die außerhalb des Pits auftreffenden Strahlen werden von der weiter entfernten Oberfläche der CD reflektiert. Da die Höhe des Pits 1/4 der Wellenlänge des Laserlichts beträgt, haben die Strahlen, die an der CD-Oberfläche reflektiert werden, gegenüber denen, die schon an der Pit-Oberfläche reflektiert wurden, eine Phasenverschiebung von 180°. Dies führt zur teilweisen Auslöschung (Interferenz).

Die Auslöschung ist aber nichts anderes als eine Schwächung bzw. ein Dunklerwerden des reflektierten Lichtstrahls. Ist an der Stelle, an der der Lichtstrahl des Lasers auftrifft, kein Pit vorhanden, so werden alle Strahlen gleichphasig reflektiert, und es tritt keine Interferenz ein.

JVC-XL-V1-CD-player Lasereinheit

Das gesamte Abtastsystem ist in ein Gehäuse von ca. 4,5cm und 1,2cm untergebracht. Es ist beweglich eingebaut und wird mittels eines elektromagnetischen Nachführsystems so eingestellt, daß die Information von der CD fortlaufend gelesen werden kann. Das Nachführsystem arbeitet ähnlich wie die Schwingspule eines Lautsprechers: Es setzt Ströme in entsprechende Bewegung um. Steuersignale für die Nachführung werden teils vom elektrischen Ausgangssignal des Lesekopfes selbst abgeleitet und teils vom Mikroprozessor geliefert.

Um geringe Dickentoleranzen der Compact Disc auszugleichen, kann auch die Fokussierung durch Verschieben des Objektivs (ebenfalls auf elektromagnetischem Wege) beeinflußt werden.
G.M.

Feb. - März 1983 - Zusatz-Artikel 2 :
Das Kernstück: die Digital/-Analogwandlung

Rekonstruktion des analogen Signals

Kernstück des CD-Players ist der Digital-/Analog- Wandler (D/A oder DAC = Digital Analog Converter). Seine Funktion ist vergleichbar mit der des Tonabnehmers beim Analogplattenspieler. Beide wandeln die von der Platte gelesene Information in elektrische Signale um, die über Lautsprecher hörbar gemacht werden. Damit sind aber auch schon die Gemeinsamkeiten zu Ende. Der analoge Tonabnehmer (MM oder MC) wandelt nämlich die analoge mechanische Information in eine analoge elektrische Information um. Im Gegensatz dazu liegt das Signal auf der CD in digitaler Form vor. Der Digital-/Analogwandler macht daraus ein analoges Signal.

Es gibt viele verschiedene Arten von Digital-/Analogwandlern. Die bei der CD-Wiedergabe oft verwendete ist der Wandler mit geschalteten Stromquellen.

Die Eingangsgröße ist eine Dualzahl, die auf optischem Wege von der CD gelesen wird. Je nach Größe dieser Zahl werden mehr oder weniger Stromquellen eingeschaltet. Die Summe dieser Ströme erzeugt eine Spannung über einem Widerstand. Deren Größe ist direkt abhängig vom Zahlenwert der Dualzahl. Durch zeitliche Aneinanderreihung vieler Werte (sogenannte „Samples") entsteht nun ein elektrischer Signalverlauf in Form einer Treppenkurve. Dieser Signalverlauf (also die Treppenkurve) ist dem Analogsignal ähnlich. Die Treppenkurve wird nach Durchlaufen eines Filters geglättet. Nun steht das Signal wieder in analoger Form zur Verfügung und kann über Leistungsverstärker und Lautsprecher hörbar gemacht werden.

(Anmerkung : Das ist natürlich eine bewußt einfache Darstellung.)

Der Digital-/Analogwandler gibt im Zusammenspiel mit dem Filter jedem Player seine eigene Klangcharakteristik. In den Testberichten sind Photos der Klirrverzerrungen und des Rechteckübertragungsverhaltens abgebildet. Anhand dieser Photos lassen sich sofort Verwandtschaften der Player untereinander entdecken: Ganz deutlich sieht man z.B., daß der Marantz CD-73 und der Philips CD-100 dieselbe Elektronik enthalten müssen. Zumindest, was Digital-/ Analogwandler und Filter betrifft. Die Photos stellen also quasi Fingerabdrücke des Player-Innenlebens dar.

Dieser Artikel ist von G. M. - geschrieben im Februar 1983

ein nicht behebbarer Fehler

Feb. - März 1983 - Zusatz-Artikel 3 :
Fehlerverarbeitung bei der Compact-Disc

Leider allgemein verbreitet ist die These, daß eine Compact Disc alles verträgt: angefangen von Fingerabdrücken über Kratzer bis hin zu Schmirgelpapier. Dies ist natürlich nicht richtig. Behauptungen solcher Art kann man nur der ersten Euphorie mancher schlecht informierter Journalisten zuschreiben. Natürlich äußern sich Kratzer oder Verunreinigungen auf der CD beim Abspielen nicht so wie auf einer Analogplatte: nämlich als Knacken oder Knistern.

Digitaler Schutzengel: CRCC

Drei verschiedene Möglichkeiten, nicht korrigierbare Fehler zu kaschieren.
Von oben nach unten:
Muting (Ausblenden),
previous word holding (nochmal) und
lineare Interpolation (Schummeln)

Die digitale Information ist gegen Störeinflüsse dieser Art besser geschützt: Durch die Technik des Interleaving wird vermieden, daß eine Störung zusammenhängende Teile der digitalen Information beeinflußt. Mit CRCC ist gewährleistet, daß auftretende Fehler mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,985% als solche erkannt werden.

Die Redundanz von 25% gewährleistet schließlich, daß bei optimaler Ausnutzung defekte Zonen von maximal 2,5 mm Ausdehnung auf der CD (das entspricht 4.000 Bit) perfekt rekonstruiert werden können. Die Fähigkeit zu solchen Korrekturen ist von der Platte her gegeben, wird aber bei den Playern von Fabrikat zu Fabrikat unterschiedlich gut genutzt.

Verschleierungstaktik

Trotz aller Sicherheitsvorkehrungen kann es einmal vorkommen, daß ein Drop Out (nicht lesbare Stelle auf der CD) wegen seiner Größe nicht korrigierbar ist. Auch dann sind die Digitalplayer noch nicht mit ihrem Latein am Ende:

Es gibt drei Möglichkeiten, den Fehler zu kaschieren: Sehr drastisch wirkt das „Muting". In diesem Fall wird der Ausgang des Players für die Dauer der Störung stummgeschaltet. Dieses Stummschalten führt, je nachdem, wo es innerhalb eines Musikstückes vorkommt, und je nach zeitlicher Dauer des Fehlers, zu hörbarem Knacksen.

Die zweite Methode nennt sich „previous word Holding". Sie besteht darin, den letzten fehlerfreien Spannungswert so lange zu halten, bis der Drop Out vorbei ist und wieder neue fehlerfreie Werte von der CD gelesen werden können. Die akustisch störende Wirkung dieser Art Fehlerkaschierung ist wie beim Muting davon abhängig, an welcher Stelle im Musiksignal der Fehler auftritt.

Eine dritte Möglichkeit schließlich stellt die „lineare Interpolation" dar. Das Verfahren beruht darauf, daß die Logik des Players beim Auftreten eines nicht korrigierbaren Fehlers versucht, den Wert, den das Signal an der Fehlerstelle eigentlich haben müßte, auszurechnen. Das geschieht bei der linearen Interpolation dadurch, daß aus dem letzten intakten Wert vor und auf dem ersten fehlerfreien Wert nach der Fehlerstelle die Summe gebildet und durch zwei dividiert wird. Der so erhaltene Wert wird nun an der fehlerhaften Stelle des Signals eingesetzt. Wie man aus den Bildern erkennt, ruft diese Methode die geringste Abweichung vom Verlauf des Originalsignals hervor. Sie ist akustisch am wenigsten störend.

Dieser Artikel ist von G. M. - geschrieben im Februar 1983

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