CD, Audio-CD und CD-ROM
Die Compact Disc ist 1981 von den Firmen Sony und Philips erfunden worden, um einen hochwertigen, kompakten Audio-Träger zu erhalten, der einen direkten Zugriff auf digitale Audiospuren ermöglicht. Die CD ist offiziell 1982 erschienen und 1984 wurden ihre Spezifikationen erweitert, um die Speicherung von digitalen Daten zu ermöglichen.
Die Geometrie der CD
Die CD (Compact Disc) ist eine optische Platte von zwölf Zentimetern Durchmesser und im Durchschnitt 1,2 Millimetern Dicke (die Dicke kann zwischen 1,1 und 1,5 mm variieren), auf der man digitale Informationen speichern kann, die 650 Byte informatische Daten entsprechen (oder 300.000 maschinengeschriebene Seiten) oder bis zu 74 Minuten Audiodaten. Mit einem runden Loch von 15 Millimetern Durchmesser in ihrem Zentrum kann man sie in der Mitte eines Laufwerks positionieren.
Der Aufbau einer CD
Die CD besteht aus einem Plastiksubstrat (Polykarbonat) und einem dünnen, reflektierenden Metallfilm (Gold 24 Karat oder Silberalliage). Die reflektierende Schicht ist mit einem Anti-UV-Lack aus Acryl beschichtet, der einen Schutzfilm für die Daten bildet. Abschließend kann eine zusätzliche Beschichtung hinzugefügt werden, um eine bedruckte Oberseite zu erhalten.
Die reflektierende Schicht besitzt kleine Poren. Wenn der Laser die Schicht aus Polykarbonat-Substrat durchquert, wird das Licht von der reflektierenden Schicht zurückgestrahlt, außer wenn der Laser über eine Pore gleitet. So kann die Information kodiert werden.
Diese Information ist auf 22.188 Spuren spiralförmig gebrannt (tatsächlich handelt es um eine einzige konzentrische Spur).
Die im Handel erhältlichen CDs sind gepresst, das heißt dass die Poren hergestellt werden, indem man Plastik in ein Form einspritzt, die das spiegelbildliche Motiv enthält. Eine Metallschicht wird anschließend auf das Polykarbonat-Substrat gegossen und diese Metallschicht selbst mit einer Schutzschicht abgedeckt.
Die CD-Rohlinge (CD-R) besitzen eine zusätzliche Schicht (zwischen dem Substrat und der Metallschicht), bestehend aus organischem Farbstoff (dye), die markiert bzw. gebrannt werden kann von einem leistungsstarken Laser (die Leistung muss zehnmal höher sein als zum Lesen). So ist es die Farbschicht, die es erlaubt (oder nicht), den Lichtstrahl, der von dem Laser ausgeht, aufzunehmen.
Die meist verwendeten Farbstoffe sind:
das Zyanin von blauer Farbe, welches eine grüne Farbe ergibt, wenn die Metallschicht aus Gold ist;
das Pthalozyanin von hellgrüner Farbe, das eine goldene Farbe ergibt, wenn die Metallschicht aus Gold ist;
das AZO von dunkelblauer Farbe.
Da die Information nicht mehr in Form von Poren gespeichert ist, sondern durch ein "farbige" Markierung, gibt es eine Vorrille in Spiralform (pre-groove) auf dem Rohling, die dem Brenner hilft, dem Spiralweg zu folgen. Dadurch ist Präzisionsmechanik in den CD-R Brennern nicht mehr nötig.
Diese Spirale schlängelt sich in einer Sinusform, die wobble genannt wird und die eine Amplitude von +/-0,03 Mikron (Mikrometer, geschrieben µm), das entspricht 30 Nanometern (nm), und eine Frequenz von22,05 kHz besitzt. Der Wobble informiert den Brenner über die Geschwindigkeit, mit der er brennen soll. Diese Information wird ATIP (Absolute Time in PreGroove) genannt.
Funktionsweise einer CD
Bei der Herstellung der CD wird eine von innen nach außen verlaufende Rille oder Datenspur in das Polykarbonat eingeprägt. Je nach CD-Typ - CD-ROM, CD-R oder CD-RW - wird die Information auf unterschiedliche Weise auf der Disc gebracht. Über diese Informationsträgerschicht befindet sich eine durch Lack geschützte, extrem dünne reflektierende Metallschicht. Auf einer herkömmlichen CD mit zwölf Zentimetern Durchmesser kann eine Datenmenge von 738 Megabyte gespeichert werden.
Die Lesegeschwindigkeit eines CD-ROM-Lesegeräts entsprach ursprünglich der Lesegeschwindigkeit einer Audio-CD, das heißt einer Rate von 150 Kilobyte pro Sekunde (kB/s). Diese Geschwindigkeit wurde dann als Referenz genommen und mit 1x bezeichnet. Die folgenden Generationen von CD-ROM-Lesegeräten haben sich durch ein Vielfaches dieses Werts ausgezeichnet. Die folgende Tabelle zeigt die Lesegeschwindigkeiten an, die den Multiplikatoren von 1x entsprechen (die Antwortzeit ist in Millisekunden ms ausgedrückt):
| Geschwindigkeit | Antwortzeit | |
|---|---|---|
| 1x | 150 kB/s | 400 bis 600 ms |
| 2x | 300 kB/s | 200 bis 400 ms |
| 3x | 450 kB/s | 180 bis 240 ms |
| 4x | 600 kB/s | 150 bis 220 ms |
| 6x | 900 kB/s | 140 bis 200 ms |
| 8x | 1200 kB/s | 120 bis 180 ms |
| 10x | 1500 kB/s | 100 bis 160 ms |
| 12x | 1800 kB/s | 90 bis 150 ms |
| 16x | 2400 kB/s | 80 bis 120 ms |
| 20x | 3000 kB/s | 75 bis 100 ms |
| 24x | 3600 kB/s | 70 bis 90 ms |
| 32x | 4500 kB/s | 70 bis 90 ms |
| 40x | 6000 kB/s | 60 bis 80 ms |
| 52x | 7800 kB/s | 60 bis 80 ms |
Die Codierung der Informationen
Die physische Spur besteht aus Poren mit einer Tiefe von 0,168 µm, einer Breite von 0,67 µm und einer variablen Länge.
Die physischen Spuren sind voneinander durch eine Distanz von rund 1,6 µm getrennt. Man bezeichnet mit Vertiefung (pit) den Grund der Pore und mit Erhöhung (land) die Abstände zwischen den Poren.
Der Laser, der zum Lesen der CDs verwendet wird, hat eine Wellenlänge von 780 nm in der Luft. Da die Brechzahl des Polykarbonats gleich 1,55 ist, entspricht die Wellenlänge des Lasers im Polykarbonat:
780 : 1.55 = 503 nm = 0.5 µm
Die Tiefe der Pore entspricht also einem Viertel der Wellenlänge des Laserstrahls, so dass die Welle die in der Vertiefung reflektiert wird, eine halbe Wellenlänge mehr zurücklegt (ein Viertel auf dem Hinweg, ein Viertel auf dem Rückweg) als die, die auf der Erhöhung reflektiert wird.
Wenn der Laser also über ein Pore gleitet, sind die Welle und ihre Reflexion um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben und heben sich gegenseitig auf (destruktive Interferenz), genau so als ob gar kein Licht reflektiert würde. Der Übergang von einer Vertiefung zu einer Erhöhung ruft einen Signalsturz hervor, der einem Bit entspricht.
Es ist die Länge der Pore, die die Information definiert. Die Größe eines Bits auf der CD, geschrieben T, ist genormt und entspricht der Distanz, die von dem Lichtstrahl in 231,4 Nanosekunden zurückgelegt wird, also 0.278 µm bei der Standardminimalgeschwindigkeit von 1,2 m/s.
Dem Standard EFM (Eight-to-Fourteen Modulation) zufolge, der für die Speicherung von Informationen auf CDs benutzt wird, muss es immer mindestens zwei 0-Bits zwischen zwei aufeinanderfolgenden 1-Bits geben und es kann nicht mehr als zehn aufeinanderfolgende 0-Bits zwischen zwei 1-Bits geben, um Fehler zu vermeiden. Darum entspricht die Länge einer Pore (oder einer Fläche) mindestens der nötigen Länge, um den Wert 001 (3T, das heißt 0.833 µm) zu speichern, und maximal der Länge, die dem Wert 00000000001 (11T, das heißt 3.054 µm) entspricht.
CD-Standards
Es gibt zahlreiche Standards, die die Art beschreiben, mit der Informationen auf einer CD gespeichert werden, je nach der anvisierten Verwendung. Diese Standards sind in Dokumenten referenziert, die man Books (Bücher) nennt und denen eine Farbe zugeordnet worden ist:
Red Book (rotes Buch, auch RedBook Audio genannt) wurde 1980 von Sony und Philips entwickelt, beschreibt das physische Format einer CD und die Codierung der Audio-CD (auch CD-DA für Compact Disc - Digital Audio). Dieser Standard definiert eine Abtastfrequenz von 44,1 kHz und eine Auflösung von 16 Bits in Stereo für die Aufnahme von Audiodaten.
Yellow Book (gelbes Buch) wurde 1984 entwickelt, um das physische Format der Daten-CDs zu beschreiben (CD-ROM für Compact Disc - Read Only Memory). Dieser Standard enthält zwei Modi:
CD-ROM Modus 1 wird verwendet für die Speicherung von Daten mit einem Fehlerkorrektionsmodus (ECC für Error Correction Code), um Datenverluste durch Beschädigung des Trägers zu vermeiden.
CD-ROM Modus 2 wird verwendet, um Grafik-, Video- und komprimierte Audiodaten zu speichern. Um diesen Typ von CD-ROM lesen zu können, muss ein Lesegerät Modus-2-kompatibel sein.
Green Book (grünes Buch) ist das physische Format der CD-I (interaktive CDs) von Philips.
Orange Book (orangenes Buch) ist das physische Format der wiederbeschreibbaren CDs. Es besteht aus drei Teilen:
Teil I ist das Format der CD-MO (magneto-optische Diskette),
Teil II ist das Format der CD-WO (Write Once oder CD-R),
Teil III ist das Format der CD-RW (CD ReWritable oder wiederbeschreibbare CD).
White Book (weißes Buch) ist das physische Format der Video-CD (VCD oder VideoCD).
Blue Book (blaues Buch) ist das physische Format der CD extra (CD-XA).
Logische Struktur
Eine CD-R - ob Audio oder CD-ROM - besteht nach dem Orange Book aus drei Zonen, die zusammen die Informationszone (information area) darstellen:
Die Zone Lead-in Area (LIA), die ausschließlich Informationen enthält, die den Inhalt des Trägers beschreiben (diese Informationen sind gespeichert im TOC (Table of Contents).
Die Zone Lead-in erstreckt sich von Radius 23 mm bis Radius 25 mm. Diese Größe ist der Notwendigkeit geschuldet, Informationen speichern zu können, die bis zu 99 Spuren umfassen. Die Zone Lead-in dient dem CD-Player dazu, die spiralförmigen Vertiefungen nachzuverfolgen, um sich mit den Daten zu synchronisieren, die sich in der Programmzone befinden.
Die Programmzone (Program Area) enthält die Daten. Sie fängt ab einem Radius von 25 mm an, erstreckt sich bis zu einem Radius von 58 mm und kann den Gegenwert von 76 Minuten an Daten enthalten. Die Programmzone kann maximal 99 Spuren (Tracks) mit je einer Mindestlänge von vier Sekunden enthalten.
Die Zone Lead-out (LOA) enthält Nulldaten (Pausen bei einer Audio-CD) und markiert das Ende der CD. Sie fängt bei einem Radius von 58 mm an und muss mindestens 0,5 mm breit sein (radial). Die Zone Lead-out muss mindestens 6.750 Sektoren enthalten, das heißt 90 Sekunden Pause bei einer minimalen Geschwindigkeit (1x).
Eine CD-R enthält zusätzlich zu den drei oben beschriebenen Zonen eine Zone, die PCA (Power Calibration Area) heißt, und eine Zone PMA (Program Memory Area). Beide zusammen bilden eine Zone, die SUA (System User Area) genannt wird.
Die PCA kann wie eine Test-Zone für den Laser aufgefasst werden, damit er seine Leistung an den Trägertyp anpassen kann. Dank dieser Zone können Rohträger kommerzialisiert werden, die verschiedene organische Farbstoffe und reflektierende Schichten verwenden. Der Brenner notiert bei jeder Kalibrierung, dass er einen Test gemacht hat. Maximal 99 Tests pro Medium sind erlaubt.
Dateisysteme
Das CD-Format (oder genauer gesagt das Datei-System) beschreibt die Art und Weise, mit der die Daten in der Programmzone gespeichert sind.
Das erste historische Dateisystem für CDs war der High Sierra Standard.
Das Format ISO 9660 (International Standards Organization) von 1984 nahm den High-Sierra-Standard auf, um die Struktur der Verzeichnisse und Dateien auf einer CD-ROM zu definieren. Er unterteilt sich in drei Level.
Level 1: Eine CD-ROM, die nach ISO 9660 Level 1 formatiert ist, kann nur Dateien enthalten, deren Namen in Großbuchstaben geschrieben sind (A bis Z) und Zahlen enthalten können (0 bis 9) sowie die Zeichengruppe "_". Diese Zeichengruppe wird d-characters genannt. Verzeichnisse haben einen Namen, der auf acht d-characters begrenzt ist, und eine Tiefe, die auf acht Ebenen von Unterverzeichnissen begrenzt ist. Die Norm ISO 9660 verlangt dass jede Datei kontinuierlich, also ohne Fragmentierung, auf der CD-ROM gespeichert wird. Es handelt sich um das Level mit den meisten Einschränkungen. Die Einhaltung von Level 1 erlaubt es sicherzustellen, dass das Medium auf einer großen Anzahl von Plattformen lesbar ist.
Level 2: Das Format ISO 9660 Level 2 legt fest, dass jede Datei als kontinuierlicher Datenfluss gespeichert wird, aber es gestattet eine flexiblere Benennung der Dateien. Es akzeptiert die Zeichen @ - ^ ! $ % & ( ) # ~ und eine Tiefe von maximal 32 Unterverzeichnissen.
Level 3: Das Format ISO 9660 Level 3 verlangt überhaupt keine Einschränkung bezüglich der Datei- oder Verzeichnisnamen.
Microsoft hat das Format Joliet, definiert, eine Erweiterung des Formats ISO 9660. Joliet erlaubt die Verwendung von langen Dateinamen (LFN, long file names) mit 64 Zeichen, von Leerzeichen und akzentuierten Zeichen nach der Codierung Unicode.
Das Format ISO 9660 Romeo ist eine Benennungsoption, die von Adaptec vorgeschlagen wurde und unabhängig ist vom Format Joliet. Es erlaubt die Speicherung von Dateien, deren Namen bis zu 128 Zeichen enthalten, aber nicht die Codierung Unicode tragen.
Das Format ISO 9660 RockRidge ist eine Benennungserweiterung zum
Format ISO 9660. Es erlaubt, mit dem Dateisystem UNIX-kompatibel zu sein.
Um den Einschränkungen des Formats ISO 9660 entgegenzuwirken, die es insbesondere für DVD-ROM ungeeignet machen, hat die Organisation OSTA (Optical Storage Technology Association) das Format ISO 13346 entwickelt, besser bekannt unter dem Namen UDF (Universal Disk Format).
Die Schreibmethoden (Brenneinstellungen)
Monosession: Diese Methode ermöglicht eine einzige Schreibsession auf der Scheibe und erlaubt es nicht, später Daten hinzuzufügen.
Multisession: Im Gegensatz zur vorhergehenden Methode erlaubt es diese Methode, eine CD in mehreren Abschnitten zu brennen, indem ein Inhaltverzeichnis (TOC) von 14 Kilobyte für jede Session angelegt wird.
Multivolume: Beim Multisession-Brennen wird jede Session wie ein getrennter Datenträger betrachtet.
Track at once: Mit dieser Methode kann der Laser zwischen zwei Spuren deaktiviert werden, um eine zwei Sekunden lange Pause zwischen den Tracks einer Audio-CD zu schaffen.
Disc at once: Im Gegensatz zur vorhergehenden Methode beschreibt Disc at once die CD in einem Strich (ohne Pause).
Packet Writing: Mit dieser Methode kann paketweise gebrannt werden.
Technische Merkmale eines CD-Laufwerks
Ein CD-ROM-Laufwerk charakterisiert sich durch die folgenden Elemente.
Geschwindigkeit: Die Geschwindigkeit wird im Verhältnis zur Geschwindigkeit eines CD-Audio-Players berechnet (150 kB/s). Ein Laufwerk das 3000 kB/s erreicht, wird als 20x bezeichnet (20mal schneller als ein 1x-Player).
Suchzeit: Sie bestimmt die durchschnittliche Zeit, um von einem Teil der CD zu einem anderen zu gelangen.
Schnittstelle: ATAPI (IDE) oder SCSI.
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