CD, Audio CD und CD-ROM

Dezember 2016
Die Compact Disc ist von Sony und Philips 1981 erfunden worden, um einen hochwertigen kompakten Audio-Träger zu erhalten, der einen direkten Zugriff auf digitale Audiospuren ermöglicht. Er ist offiziell Oktober 1982 erschienen. 1984 sind die Spezifikationen des Compact Disc erweitert worden (mit der Edition des Yellow Book) um die Speicherung von digitalen Daten zu ermöglichen.

Die Geometrie der CD

Die CD (Compact Disc) ist eine optische Platte von 12 cm Diameter und 1.2 mm Dicke (die Dicke kann zwischen 1.1 und 1.5 mm variieren) auf der man digitale Informationen speichern kann, die 650 Mo informatische Daten entsprechen (oder 300 000 maschinengeschriebene Seiten) oder bis 74 Minuten Audiodaten. Mit einem runden Loch von 15 mm Diameter in seiner Mitte kann man sie in der Mitte eines Laufwerks positionieren.

Die Komposition der 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 zugefügt werden, um eine bedruckte Oberseite zu erhalten.

couches de matériaux d\'un compact disc (CD)

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 ein Pore gleitet. So kann die Information kodiert werden.

Diese Information ist auf 22188 Spuren spiralförmig gebrannt (tatsächlich handelt es um eine einzige konzentrische Spur).

piste d\'un compact disc

Die im Handel erhältlichen CDs sind gepresst, d.h. dass die Poren realisiert werden, indem man Plastik in ein Form einspritzt, die das spiegelbildlich Motiv enthält. Eine Metallschicht wird anschließend auf das Polykarbonat-Substrat gegossen und diese Metallschicht selber mit einer Schutzschicht abgedeckt.

Die CD-Rohlinge (CD-R) besitzen eine zusätzliche Schicht (zwischen dem Substrat und der Metallschicht) bestehend aus organischem Farbstoff (auf englisch dye) die markiert werden kann (der Begriff brennen wird häufig verwendet) von einem leistungsstarken Laser (die Leistung muss 10-mal höher sein als zum Lesen). So ist es die Farbschicht die es erlaubt, oder nicht, den Lichtstrahl der von dem Laser ausgeht, aufzunehmen.

couches de matériaux d\'un CD vierge (CD-R)

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, ergibt eine goldene Farbe 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, ist eine Spiralform (auf englisch pre-groove) auf dem Rohling, um dem Brenner zu helfen, den Spiralweg zu folgen, wodurch das Vorhandensein einer Präzisionsmechanik in den CD-R Brennern unnötig gemacht wird.
Andererseits, schlängelt sich diese Spirale in einer Sinusform, die wobble genannt wird, und eine Amplitude von +/-0.03&Micro;m (30nm) und ein Frequenz von 22,05kHz besitzt. Der wobble informiert den Brenner über die Geschwindigkeit mit der er brennen soll. Diese Information wird ATIP (Absolute Time in PreGroove) genannt.

Funktionsweise

Der Lesekopf besteht aus einem Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) der einen Lichtstrahl abgibt und aus einer photoelektrischen Zelle, die den reflektierten Strahl aufnimmt. Der von CD-Playern benutzte Laser ist ein Infrarotlaser (der eine Wellenlänge von 780 nm besitzt), denn er ist kompakt und wenig kostenspielich. Eine Linse, die sich in der Nähe der CD befindet, fokalisiert den Laserstrahl auf die Poren.

Ein halb-reflektierender Spiegel ermöglicht es dem reflektierten Licht die photoelektrische Zelle zu erreichen, wie in der folgenden Zeichnung dargestellt :

fonctionnement d\'un lecteur de CD-ROM

Ein Wage transportiert den Spiegel, so dass der Lesekopf Zugang zu der ganzen CD-ROM hat

Man unterscheidet meist zwei Funktionsweisen für das Ablesen von CDs :

  • Das Ablesen mit konstanter Lineargeschwindigkeit (geschrieben CLV d.h. constant linear velocity). Es handelt sich um die Funktionsweise der ersten CD-ROM Laufwerke, basierend auf der Funktionsweise der Audio-CD-Player, oder sorgar der der alten Plattenspieler. Wenn sich die CD dreht, so ist die Geschwindigkeit der Spuren, die sich in der Mitte befinden weniger hoch als die der Spuren die sich außen befinden, so dass es nötig ist die Lesegeschwindigkeit (und damit die Drehgeschwindigkeit der Platte) an die radiale Position des Lesekopfes anzupassen. Mit dieser Vorgehensweise bleibt die Informationsdichte die gleiche auf dem ganzen Träger, und es wird an Kapazität gewonnen. Die Audio-CD-Player besitzen eine lineare Geschwindigkeit zwischen 1.2 und 1.4 m/s.
  • Das Ablesen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (geschrieben CAV für constant angular velocity) besteht darin, die Dichte der Informationen an die Stelle anzupassen, an der sie sich befinden , um so die gleiche Lesegeschwindigkeit, bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit, an jeder Stelle der CD zu erreichen. Dadurch entsteht eine geringe Datendichte im Außenbereich der CD und ein hohe Dichte in seiner Mitte.
Die Lesegeschwindigkeit des CD-ROM-Lesegerätes entsprach ursprünglich der Lesegeschwindigkeit einer Audio-CD, d.h. eine Rate von 150 ko/s. Diese Geschwindigkeit ist dann als Referenz genommen und mit 1x bezeichnet worden. Die folgenden Generationen von CD-ROM Lesegeräten haben sich durch ein vielfaches dieses Wertes ausgezeichnet. Die folgende Tabelle zeigt die Lesegeschwindigkeiten an, die den Multiplikatoren von 1x entsprechen :

  Geschwindigkeit Antwortzeit
1x 150 ko/s 400 à 600 ms
2x 300 ko/s 200 à 400 ms
3x 450 ko/s 180 à 240 ms
4x 600 ko/s 150 à 220 ms
6x 900 ko/s 140 à 200 ms
8x 1200 ko/s 120 à 180 ms
10x 1500 ko/s 100 à 160 ms
12x 1800 ko/s 90 à 150 ms
16x 2400 ko/s 80 à 120 ms
20x 3000 ko/s 75 à 100 ms
24x 3600 ko/s 70 à 90 ms
32x 4500 ko/s 70 à 90 ms
40x 6000 ko/s 60 à 80 ms
52x 7800 ko/s 60 à 80 ms

Die Codierung der Informationen

Die physische Spur besteht aus Poren einer Tiefe von 0,168µm, einer Breite von 0,67µm und einer variablen Länge. Die physischen Spuren sind voneinander durch eine Distanz von ca. 1.6µm getrennt. Man bezeichnet mit Vertiefungen ( auf englisch pit) den Grund der Pore und mit Erhöhung ( auf englisch land) die Abstände zwischen den Poren.

surface d\'un CD-ROM

Der Laser der zum Lesen der CDs verwendet wird, hat eine Wellenlänge von 780 nm in der Luft. Da die Brechzahl des Polykarbonat gleich 1.55 ist, entspricht die Wellenlänge des Lasers im Polykarbonat 780 / 1.55 = 503nm = 0.5µm.

Die Tiefe der Pore entspricht also einem Viertel der Wellenlänge des Laserstrahls, so dass die Welle die in der Vertiefungen 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 kein Licht reflektiert würde. Der Übergang von einer Vertiefung zu einer Erhöhung ruf ein 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 zurück gelegt wird, also 0.278µm bei der Standardminimalgeschwindigkeit von 1.2 m/s.

Dem Standard EFM (Eight-to-Fourteen Modulation) zufolge, der für die Speicherung von Informationen auf CD benutzt wird, muss es immer mindestens zwei 0-bits zwischen zwei aufeinanderfolgenden 1-bits geben und kann es nicht mehr als 10 aufeinanderfolgenden 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 OO1 (3T, d.h. 0.833µm) zu speichern, und maximal der Länge die dem Wert 00000000001 (11T, d.h. 3.054µm) entspricht.

Alvéoles

Standards

Es gibt zahlreiche Standards, die die Art beschreiben, mit der Informationen auf einer CD gespeichert werden müssen, je nach der anvisierten Verwendung. Diese Standards sind in Dokumenten referenziert, die man books (auf deutsch Bücher) nennt, und denen eine Farbe zugeordnet worden ist :

  • Red book (rotes Buch auch RedBook audio genannt): Entwickelt 1980 von Sony und Philips, beschreibt es das physische Format einer CD und die Kodierung der Audio-CD (auch CD-DA für Compact Disc - Digital Audio geschrieben). Es definiert so eine Abtastfrequenz von 44.1 kHz und eine Auflösung von 16 Bits in Stereo für die Aufnahme von Audiodaten.
  • Yellow book (gelbes Buch): es ist 1984 entwickelt worden um das physische Format der Daten-CDs zu beschreiben (CD-ROM für Compact Disc - Read Only Memory). Es enthält zwei Modi :
    • CD-ROM Modus 1 , 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, um Graphik-, 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): physisches Format der CD-I (interaktive CDs von Philips)
  • Orange book (orangenes Buch): physisches Format der wiederbeschreibbaren CDs. Es besteht aus drei Teilen :
    • Teil I: das Format der CD-MO (Magnet-optische Diskette)
    • Teil II: das Format der CD-WO (Write Once, geschrieben CD-R)
    • Teil III: das Format der CD-RW (CD ReWritable oder wiederbeschreibbare CD)
  • White book (weißes Buch): physisches Format der Video-CD (VCD oder VideoCD)
  • Blue book (blaues Buch): physisches Format der CD extra (CD-XA)

Logische Struktur

Ein CD-R, ob audio oder CD-ROM, besteht, nach dem Orange Book, aus drei Zonen, die zusammen die Informationszone darstellen (information area) :

  • Die Zone Lead-in Area (manchmal LIA abgekürzt) die ausschließlich Informationen enthält, die den Inhalt des Trägers beschreiben (diese Informationen sind gespeichert in der TOC, Table of Contents). Die Zone Lead-in erstreckt sich von Radius 23 mm bis Radius 25 mm. Diese Größe ist von der Notwendigkeit diktiert, Informationen speichern zu könne, die bis zu 99 Spuren betreffen. Die Zone Lead-in dient dem CD-Player um die spiralförmigen Vertiefungen zu verfolgen, um sich mit den Daten zu synchronisieren, die sich in der Programmzone befinden
  • Die Programmzone (Program Area) ist die Zone die die Daten enthält. Sie fängt ab einem Radius von 25 mm an, und erstreckt sich bis zu einem Radius von 58mm und kann den Gegenwert von 76 Minuten an Daten enthalten. Die Programmzone kann maximal 99 Spuren (oder Tracks) von einer Mindestlänge von 4 Sekunden enthalten.
  • Die Zone Lead-Out (manchmal LOA abgekürzt) 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 O.5 mm breit sein (radial). Die Zone lead-out muss so mindestens 6750 Sektoren enthalten, d.h. 90 Sekunden Pause bei einer minimalen Geschwindigkeit (1X).

zones lead-in et lead-out du CD

Eine CD-R enthält, zusätzlich zu den drei oben beschriebenen Zonen, eine Zone die PCA (Power Calibration Area) genannt wird und eine Zone PMA (Program Memory Area) die beide zusammen eine Zone bilden, die SUA (System User Area) genannt wird.

Die PCA kann wie eine Test-Zone für den Laser begriffen werden, damit er seine Leistung an den Trägertyp anpassen kann. Dank dieser Zone ist es möglich Rohträger zu kommerzialisieren, die verschiedene organische Farbstoffe und reflektierende Schichten verwenden. Bei jeder Kalibrierung, notiert der Brenner, 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 ist der High Sierra Standard.

Das Format ISO 9660 1984 normalisiert durch ISO (International Standards Organization) nimmt 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 ist (A-Z), und der Zahlen enthalten kann (0-9) sowie das Zeichen "_". Diese Zeichengruppe wird d-characters genannt. Die Verzeichnisse haben einen Namen der auf 8 d-characters begrenzt ist und eine Tiefe, die auf 8 Ebenen von Unterverzeichnissen begrenzt ist. Die Norm ISO 9660 verlangt dass jede Datei kontinuierlich auf der CD-ROM gespeichert wird, ohne Fragmentierung. Es handelt sich um das Level mit den meisten Einschränkungen. Die Einhaltung des Levels 1, gestattet sicherzustellen, dass das Medium auf einer großen Anzahl von Plattformen lesbar ist.
  • Level 2 : Das Format ISO 9660 Level 2 setzt fest, dass jede Datei als kontinuierlicher Datenfluss gespeichert wird, aber es gestattet eine flexiblere Benennung der Dateien, und akzeptiert insbesondere 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 ebenfalls das Format Joliet, definiert, eine Erweiterung des Formats ISO 9660 welche es gestattet lange Dateinamen (LFN, long file names) mit 64 Zeichen zu verwenden, mit Leerzeichen und akzentuierten Zeichen nach der Kodierung Unicode.

Das Format ISO 9660 Romeo ist eine Benennungsoption die von Adaptec vorgeschlagen wurde, und also unabhängig ist von Format Joliet, welches es gestattet Dateien zu speichern deren Namen bis zu 128 Zeichen enthält, aber nicht nicht die Kodierung Unicode trägt.

Das Format ISO 9660 RockRidge ist eine Benennungserweiterung zum Format ISO 9660 welches ihm erlaubt mit dem Dateisystem UNIX kompatibel zu sein.

Um den Einschränkungen des Formats ISO 9660 entgegen zu wirken (die es insbesondere für DVD-ROM ungeeignet machen), hat OSTA (Optical Storage Technology Association) das Format ISO 13346 entwickelt, bekannt unter dem Namen UDF (Universal Disk Format).

Die Schreibmethoden

  • Monosession : Diese Methode ermöglicht eine Schreibsession auf der Scheibe und erlaubt es nicht später Daten hinzuzufügen.
  • Multisession : Im Gegensatz zur vorhergehenden Methode, gestattet es diese eine CD in mehreren Abschnitten zu brennen, indem ein Inhaltverzeichnis (TOC für table of contents) von 14Mo für jede Session angelegt wird
  • Multivolume : Beim Multisession-Brennen wird jede Session wie ein getrenntes Volumen betrachtet.
  • Track At Once : Mit dieser Methode kann der Laser zwischen zwei Spuren deaktiviert werden, um eine 2 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

Ein CD-ROM-Laufwerk charakterisiert sich durch die folgenden Elemente :

  • Geschwindigkeit: die Geschwindigkeit wird im Verhältnis zur Geschwindigkeit eines CD-Audio-Players berechnet (150 Ko/s). Ein Laufwerk das 3000Ko/s erreicht, wird als 20X bezeichnet (20-mal 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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