Inhalt:
Technische Daten der CD
Der aufbau einer CD
Das optische System
Leseverfahren von CD-ROM-Laufwerken
Datenkodierung
Frames und Sektoren – Aufbau der Daten
Technische Daten der CD
An den Abmessungen und am Aufbau von CD’s hat sich seit der Markteinführung nichts geändert: Eine Standard-CD wiegt etwa 18 Gramm, misst 120 mm im Durchmesser und ist 1,2 mm dick. Die Grösse des Mittelloches c 15 mm. Die CD dreht sich im Laufwerk von der Datenseite aus betrachtet gegen den Uhrzeigersinn.
Die Daten liegen in einer von innen nach außen verlaufenden, spiralförmigen Spur. Bei einer CD mit 650 MByte (74 Minuten) beträgt die Spurweite 1,6 µm. Die Spur besteht aus 120 nm tiefen und 0,5 µm breiten Vertiefungen in der Metallschicht. Die Vertiefungen nennt man Pits, der Bereich zwischen zwei Pits heißt Land. Die Datenspur enthält maximal zirka 22’000 Windungen und ist bis zu 25 km lang.
Der Aufzeichnungsbereich liegt zwischen 46 und 117 mm. Er teilt sich in Lead-in (Das Lead-in enthält das Inhaltsverzeichnis (TOC) der CD. Es beansprucht die innersten 4 mm des Aufzeichnungsbereichs.), Datenbereich (50 mm – 116 mm) und Lead-out (Das Lead-out markiert das Ende des Datenbereichs der CD. Es befindet sich im letzten Millimeter des Aufzeichnungsbereichs am äußeren Rand der CD.). Im Lead-in befindet sich die TOC der CD, das Lead-out markiert das Ende der Aufzeichnung.
Der Aufbau einer CD
Die CD besteht aus verschiedenen Schichten, wie in der Grafik dargestellt ist:
Als Trägermaterial dient ein beliebiges durchsichtiges Material mit einem Lichtbrechungsindex von 1,55. Presswerke verwenden meist Polycarbonat. Das Trägermaterial macht den größten Teil der Gesamtdicke einer CD aus.
Die Datenspur befindet sich auf einer 0,05 bis 0,1 µm dicken Metallschicht. Dafür werden in der Regel Aluminium und dessen Legierungen verwendet. Bei manchen „Luxusausgaben“ von Klassik-CDs kommt auch Messing zum Einsatz. Das verleiht der CD-Oberfläche einen goldenen Glanz. Auf Gold verzichten die meisten Presswerke, weil das Aufdampfen des Edelmetalls die Fertigungskosten einer CD um etwa 25 Rappen erhöht. Die Pressung einer CD kostet je nach Auflage zirka 25 bis 40 Rappen.
Die Metallschicht ist von einer Schutzschicht aus UV-unempfindlichem Lack bedeckt. Auf die Schutzschicht wird dann das Label gedruckt.
Das optische System
Ein Laserstrahl tastet die Informationsspur auf der CD ab. Der Strahl hat den Vorteil, berührungs- und damit verschleißfrei für das Medium zu sein.
Ein Halbleiterlaser erzeugt den notwendigen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 780 nm. Das Beugungsgitter weitet den Strahl auf. Er passiert einen balbdurchlässigen Spiegel, und eine Sammellinse (Kollimator) parallelisiert den Strahl. Ein Fokussierungs-Linsensystems verengt ihn, sodass er deim Auftreffen auf die CD-Oberfläche nur etwa 0,8 mm breit ist.
Der Strahl wird an der Oberfläche der CD gebrochen. Der Grund dafür ist, dass der Lichtbrechungsindex von 1,55 des Trägermaterials höher ist als der von Luft mit 1,0. Die Brechung des Strahls bewirkt eine Bündelung von 800 µm Breite an der CD-Oberfläche auf letztendlich 1,7 µm, wenn er auf die Datenspur trifft. Das entspricht ungefähr der dreifachen Pitbreite.
Auf Grund dieser Eigenschaft des Trägermaterials wirken sich kleine Kratzer oder Staubpartikel auf der CD-Oberfläche kaum aus. Man geht davon aus, dass Staub oder Kratzer, die kleiner als 0,5 mm sind, keine Lesefehler des Laufwerks nach sich ziehen.
Trifft der Laserstrahl auf ein Pit, muss er wegen der Pittiefe eine längere Strecke zurücklegen als bei einem Land. Die Differenz beträgt etwa die halbe Wellenlänge des Strahls. Dadurch löschen sich die von Pits und Lands reflektierten Strahlen über Interferenz zeilweise aus. Bei Übergängen zwischen Pits und Lands ist der reflektierte Strahl also deutlich schwächer. Er durchläuft nun denumgekehrten Weg bis zum Spiegel. Dort wird er abgelenkt und trifft auf eine Fotodiode, die die Amplitudenschwankungen erkennt.
Leseverfahren von CD-ROM-Laufwerken
Wenn die relative Geschwindigkeit des Laerstrahls über der Pitspur konstant ist, spricht man von CLV. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der CD nimmt von innen nach außen ab. Diese Technik findet in Audio-CD-Playern Anwendung. Die Datentransferrate bleibt über die gesamte Spieldauer der CD konstant.
Manche CD-ROM-Laufwerke drehen, ähnlich wie Festplatten, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Diese Technik wir mit CAV bezeichnet. Dabei dreht die CD immer gleich schnell. Dadurch nimmt die Datentransferrate von innen nach außen zu.
Mit immer schnelleren CD-ROM-Laufwerken bringt die CAV-Technologie Probleme mit sich: Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit der CD zu hoch ist, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Lesefehlern. Wählt man hingegen eine niederigere Umdrehungsgeschwindigkeit, verschenkt man Performance. Der Kompromiss heißt PCAV. Im inneren Bereich der CD bleibt die Umdrehungsgeschwindigkeit wie bei CAV konstant. Im äußeren Bereich bremst die CD allmählich ab, sodass die Datentransferrate wie bei CLV konstant bleibt.
Datenkodierung
Beim Lesen tastet der Laserstrahl die Metallschicht entlang der Spur ab. Trifft er auf einen übergang zwischen einem Pit und einem Land oder umgekehrt, wird diese Zustandsänderung als ein Channel-Bit mit dem Wert 1 interpretiert. Die übrigen Stellen ergeben Null-Channel-Bits. Das Channel-Bit ist die kleinste Informationseinheit auf der CD.
Pits und Lands müssen eine Länge von mindestens drei und höchstens elf Channel-Bits haben. Wenn Pits oder Lands kürzer als drei oder länger als elf sind, werden die Übergänge nicht richtig erkannt. Durch diese Beschränkung sind nicht beliebige 0-1-Kombinationen möglich. Das ist auch der Grund dafür, dass mehr als acht Channel-Bits notwendig sind, um die 2^8 = 256 Kombinationsmöglichkeiten eines Byte darzustellen. 14 Channel-Bits stellen auf der Pitspur ein Byte dar.
EFM-Modulation:
Die 8 Bit eines Byte werden durch 14 Channel-Bits dargestellt.
Die Umwndlung von 14 Channel-Bits in ein Byte erfolg durch die EFM-Modulation. Die Dekodierung beim Auslesen geschieht über eine Tabelle, die in der Steuerungselektronik jedes Laufwerks implementiert ist.
Zwischewn zwei 14-Channel-Bit-Folgen werden je drei so genannte „Menge-Channel-Bits“ eingefügt. Wenn der EFM-Code eines Bytes mit einem Channel-Bit 1endet und der Code des nächsten Bytes mit Channel-Bit 1 beginnt, kann man nämlich bei der Kodierung ohne Merge-Channel-Bits die minimale Pitlänge nicht mehr einhalten. Der Platzbedarf für ein Byte Information vergrößert sich damit auf 17 Channel-Bits.
Um die Daten richtig auslesen zu können, benötigt man ein Format, in dem die einzelnen Bits auf der CD-Oberfläche organisiert werden.
Frames und Sektoren – Aufbau der Daten
Um Daten effektiv speichern zu können, werden mehrere Bytes zu größeren Blöcken zusammengefasst. Die kleinsten dieser zusammenhängenden Informationseinheiten einer CD nennt man Frames. Ein Frame besteht aus 588 Channel-Bits, von denen nur 408 Bit – das sind 24 Byte – Nutzdaten enthalten.
Am Anfang jedes Frames steht ein Synchronisationsmuster. Daran erkennt das Laufwerk den Beginn eines neuen Frames. Als Nächstes kommt ein so genanntes Control-Byte, dessen acht Bits mit P bis W bezeichnet werden und das Kontrollinformatonen speichert. Nach den 24 Byte Nutzdaten folgen acht Byte Fehlerkorrektur.
Aufbau eines Frames
Die Frames sind in Sektoren zusammengefasst. Ein Sektor enthält 98 Frames und umfasst somit 3234 Byte. Diese setzen sich aus den Controll-Byte, den Nutzdaten und dem Fehlerkorrektur-Byte der einzelnen Frames zusammen.
Aufbau eines Sektors: 98 Frames bilden einen Sektor.
die Anordnung der Daten auf der CD wurde erstmals 1982 von Sony und Philips unter dem Namen Red Book veröffentlicht. Das Red Book beschreibt das Format der Audio-CD, alle anderen Formate basieren auf dieser Spezifikation.
Die Control-Bytes, Subchannel und die TOC
