Die (kurz CD, für kompakte Scheibe) ist ein optischer Datenspeicher, der 1982 als erster digitaler Tonträger von Philips/Polygram und Sony in Zusammenarbeit mit dem Chemiekonzern Bayer in den Tonträgermarkt eingeführt wurde und die Schallplatte ablösen sollte. Von den frühen 1990er Jahren bis in die früheren 2010er Jahre war die Compact Disc einer der meistgenutzten Ton- und Datenträger. Später wurde sie durch DVDs, USB-Sticks, MP3-Player und Cloudspeicher zunehmend abgelöst.

Bei Einführung einfach als CD bezeichnet, kamen mit jeder weiteren Nutzungsmöglichkeit neue Bezeichnungen hinzu (z. B. CD-ROM, VCD, CD-i, CD-R), wobei dem originären Tonträger zur Klarstellung die Bezeichnung CD-DA bzw. Audio-CD zugeteilt wurde. Im allgemeinen Sprachgebrauch setzte sich mit der Zeit die kurze Urbezeichnung CD für alle Formate durch.

Geschichte

mini|180px|Eine Compact Disc (CD) mini|180px|Allgemeine Struktur von Polycarbonaten. R steht für den Rest der zur Synthese eingesetzten, kleineren Moleküle. Das n zeigt an, dass sich der gekennzeichnete Abschnitt n-Fach wiederholt (im Fall von Polymeren sehr oft)

Herstellung CDs bestehen aus Polycarbonat sowie einer dünnen Metallschicht (z. B. Aluminiumbedampfung) mit Schutzlack und Druckfarben. Sie werden – im Gegensatz zu Schallplatten – nicht gepresst, sondern in Spritzgussmaschinen in Form auf die Vater-Matrize gespritzt. Die Anlagen zur Herstellung optischer Datenträger werden Replikationslinie genannt.

Funktionsweise Die Informationen der CD, das sogenannte „Programm“, sind auf einer spiralförmig nach außen verlaufenden Spur angeordnet; sie belegen maximal 85 % der CD-Gesamtfläche. Der Programmbereich reflektiert Licht mit deutlichen Farberscheinungen wegen seiner Mikrostruktur, den Pits. Länge und Abstand dieser kleinen Vertiefungen bilden einen seriellen digitalen Code, der die gespeicherte Information repräsentiert. Auf einer Audio-CD können maximal 99 Musiktitel gespeichert werden; dazu hat jede Scheibe ein Inhaltsverzeichnis (TOC, table of contents) und einen in der Information eingelagerten Zeitcode. Texteinblendungen und weitergehende Informationen können optional aufgebracht werden. Die Abtastung der CD erfolgt kontaktlos über einen der Spur nachgeführten Laser-Interferenzdetektor von der spiegelnden Unterseite her. Die Geschwindigkeit, mit der die Daten eingelesen werden, hängt von der Drehzahl der CD ab; diese wird traditionellerweise so geregelt, dass eine vorgegebene Datenrate eingehalten wird. Die Datenspur hat eine konstante Bahngeschwindigkeit (englisch constant linear velocity, CLV). Dadurch ergibt sich bei nach außen fahrendem Abtastsystem eine Drosselung der Drehzahl. Bei Verfahren ähnlich der Analogschallplatte spricht man hingegen von konstanter Winkelgeschwindigkeit (CAV).

Technische Angaben Querschnitt einer Compact Disc mit Laserstrahlengang Wellenlänge: 780 nm (Vakuum) 503 nm (in der CD mit Brechungsindex 1,55) Numerische Apertur: 0,45 Durchmesser des Laserspots: 2,1 µm Spurabstand: 1,6 µm 300px Fehler in quasi allen Darstellungen: Die Abtastlinse für CDs hat eine übliche Brennweite von ≈6 mm und schwebt damit reichlich 4 CD-Dicken über der Oberfläche. Bei DVD reduziert sich diese Brennweite auf ≈1,25 mm, das entspricht einer Flughöhe von 0,7 DVD-Dicken und bei einer Blu-ray auf ≈0,3 mm, das ent­spricht einer Flughöhe von 0,2 Blu-ray-Dicken. In dieser Darstellung sind es aber weniger als 0,04 CD-Dicken!

Aufbau einer CD + Geometrischer Aufbau einer CD Merkmal CD (gelocht) Loch Radius 60 mm 7,5 mm Durchmesser 120 mm 15 mm Umfang 377 mm 47,12 mm Randhöhe 1,2 mm Abstandswulst 0,2 mm– Fläche 111,33 cm² 1,77 cm² Volumen 13,360 cm³ 0,212 cm³ Masse ca. 16 g –

mini|Schematischer Querschnitt einer CD Bei einer CD werden Daten mit Hilfe einer von innen nach außen laufenden Spiralspur gespeichert (also umgekehrt als bei der Schallplatte). Die Spiralspur besteht aus Pits (Gruben) und Lands (Flächen), die auf dem Polycarbonat aufgebracht sind. Die Pits haben eine Länge von 0,833 bis 3,054 µm und eine Breite von 0,5 µm. Eine Audio-CD mit 60 min Musik hat etwa 3 Milliarden Pits. Die Spiralspur hat etwa eine Länge von sechs Kilometern. Je nachdem, wie die CD erstellt wird, entstehen die Pits. Bei der industriellen Herstellung werden zunächst auf photochemischem Wege ein Glas-Master und darauf dann auf galvanischem Wege ein oder auch mehrere Stamper (Negativ) gefertigt. Anschließend wird damit in Replikationslinien per Spritzverfahren eine Polycarbonatscheibe geprägt und die Reflexions- und Schutzschicht angefügt.

Eine CD besteht demnach zum größten Teil aus Polycarbonat. Die Reflexionsschicht darüber besteht aus einer im Vakuum aufgedampften Aluminiumschicht.

Zwischen dem Aufdruck (Grafik und Text) und der Aluminiumschicht (Dicke der Reflexionsschicht: 50 bis 100 nm) befindet sich noch eine Schutzlackschicht, um das Aluminium vor äußeren Einflüssen zu schützen. Der Abschluss ist der Aufdruck, der mit dem Siebdruckverfahren (bis zu sechs Farben) aufgebracht wird. Alternativ kann hier auch das Offsetdruckverfahren eingesetzt werden.

Lesevorgang mini|Lichtmikroskopische Aufnahme im Randbereich der Daten mini|links|Mikroaufnahme von Pits und Lands einer CD mini|Auslesevorgang bei einer CD

Das Abtasten einer CD erfolgt mittels einer Laserdiode (Wellenlänge 780 nm), wobei die CD von unten gelesen wird. Der Laserstrahl wird an der CD reflektiert und mit einem halbdurchlässigen Spiegel in eine Anordnung mehrerer Photodioden gebündelt. Die Fotodioden registrieren Schwankungen in der Helligkeit. Die Helligkeitsschwankungen entstehen teilweise aufgrund von destruktiver Interferenz des Laserstrahls mit sich selbst: Der Fokus des Laserstrahls ist etwa zwei- bis dreimal so groß wie die Breite eines Pits. Wird gerade ein Pit ausgelesen, dann wird der Laserstrahl teilweise vom Pit und teilweise vom umliegenden Land reflektiert. Dann kommen zwei Teilwellen zurück, die einen leicht unterschiedlichen Laufweg haben. Der Höhenunterschied zwischen Pit und Land ist so gewählt, dass der Laufzeitunterschied etwa eine halbe Wellenlänge beträgt (siehe auch Abschnitt „Funktionsweise“), so dass wegen destruktiver Interferenz die Intensität des reflektierten Lichts abnimmt. Zusätzlich wird bei den Pits ein Teil des Lichtes an dessen Kanten weggestreut. Die Fotodioden registrieren also auf den Pits eine reduzierte Helligkeit. Da die CDs von der Oberseite gepresst werden, sind die Pits (Vertiefungen) von der Unterseite her als Hügel zu erkennen.

Durch eine spezielle Lichtführung auf die Fotodioden, beispielsweise durch einen Astigmaten auf eine quadratische Anordnung von vier Fotodioden, können durch Differenzbildung der Signale unterschiedlicher Fotodioden neben dem Nutzsignal (Summe aller Signale) auch Stellgrößen für die Spurführung und den Fokus (richtigen Abstand zwischen CD und Leseoptik) ermittelt werden.

Die Laseroptik bewegt sich beim Abspielen der Spiralspur vom ersten zum letzten Titel von innen nach außen – im Gegensatz zur Schallplatte. Die Daten werden mit ≈1,3 m/s (±0,1 m/s) mit nahezu gleichbleibender Bahngeschwindigkeit (CLV) ausgelesen und fließen erst einmal in einen FIFO-Pufferspeicher. Ein Regelkreis passt die Lesegeschwindigkeit im Bereich ±0,1 m/s kontinuierlich so an, dass der Pufferspeicher einerseits immer ausreichend gefüllt ist, andererseits aber auch nicht überläuft. Die Gleichlaufschwankungen spielen keine Rolle, weil der Datenstrom aus dem Pufferspeicher quarzgetaktet in das analoge Musiksignal gewandelt wird.

Durch die konstante Bahngeschwindigkeit (CLV) muss die Scheibendrehzahl der jeweiligen Position des Lesekopfs angepasst werden. Wenn der Lesekopf weiter außen auf der CD liest, wird die CD also langsamer gedreht. Auf diese Weise kann überall auf der CD mit gleicher Aufzeichnungsdichte gearbeitet werden, und es ist ein konstanter Datenstrom gewährleistet, wie er bei Audio-CDs benötigt wird. Das ergibt Umdrehungsgeschwindigkeiten von ≈500 min−1 am Anfang der Audio-CD (im Innenbereich) bis ≈200 min−1 am Außenrand.

Viele moderne CD-ROM-Laufwerke, ab etwa 32-facher Lesegeschwindigkeit, lesen Daten-CDs hingegen mit konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit, um das zeitraubende Beschleunigen und Abbremsen der CD beim Hin- und Herspringen der Leseposition (aufgrund des notwendigen wahlfreien Zugriffs) zu vermeiden. Dadurch hängt bei Daten-CDs die Datenrate von der Position des Lesekopfes, also letztlich der Position auf der CD, ab. Die auf der Verpackung angegebene Geschwindigkeit ist üblicherweise die maximale, nicht die durchschnittliche.

Durch die mechanische Festigkeit der CD sind der Steigerung der Lesegeschwindigkeit durch Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit Grenzen gesetzt. Sogenannte „52-fach“-Laufwerke drehen die CD mit bis zu 10.000 min−1. Bei diesen Drehzahlen führen selbst kleinste Unwuchten der CD zu starken Vibrationen, die einerseits deutlich hörbar sind und zum anderen auf Dauer sowohl Laufwerk als auch Medium beschädigen können.

Datenkodierung mini|Augendiagramm des Signals des optischen Abtasters; die Eigen­schaft der Kodierung, dass Pit und Land mindestens je die dreifache Länge einer Bit­dauer (ca. 232 ns) haben, führt dazu, dass im Augen­diagramm erst ca. 696 ns nach dem Trigger­zeitpunkt (am linken Bild­schirm­rand) der frühest­mögliche Null­durchgang erfolgt. Zusammen mit der hier benutzten Trig­gerung auf lediglich die steigende Signalflanke führt dies dazu, dass die ersten „Augen“ erst nach dem dritten Kästchen zu erkennen sind. Zur Aufzeichnung der Nutzdaten auf der CD müssen diese mit einer passenden Kanalkodierung (genauer: Leitungskodierung) kodiert werden, die den Eigenheiten des Speichermediums (hier also der optischen Abtastung und der Form und Größe der Pits) Rechnung tragen muss. Bei der CD ist das die sogenannte Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM). Wenn sich die CD mit der richtigen Geschwindigkeit dreht, kommen die Kanalbits vom optischen Abtaster mit einer Frequenz von exakt 4,3218 Mbit/s,ecma-international.org (PDF; 1,5 MB) entsprechend einer Bitdauer von 231,385... ns. Die EFM stellt sicher, dass sich nach minimal 3 und nach maximal 11 Kanalbits die Polarität des ausgelesenen Signals ändert, dass also nach einer Eins zwei bis zehn Nullen im differenzierten Signal folgen. Das geschieht, wenn der Laser in der Spur einen Übergang von einer Vertiefung (pit) zu einem Abschnitt ohne Vertiefung (land) passiert oder umgekehrt. Der Hintergrund ist folgender: Die Abschnitte mit Vertiefungen bzw. ohne Vertiefungen müssen lang genug sein, damit der Laser die Veränderung erkennen kann. Würde man ein Bitmuster direkt auf den Datenträger schreiben, würden bei einem alternierenden Signal (1010101010101010…) falsche Werte ausgelesen, da der Laser den Übergang von 1 nach 0 beziehungsweise von 0 nach 1 nicht verlässlich auslesen könnte bzw. diese Übergänge gar nicht erst in der notwendigen Feinheit in Kunststoff ‚gepresst‘ werden könnten. Somit ermöglicht die EFM die hohe Datenrate. Das klingt zunächst widersprüchlich, da sie das Signal von 8 auf 14 Bit aufbläht, also rechnerisch die Datenmenge erhöht. Hinzu kommen noch weitere 3 Füllbits (Merging Bits), die so gewählt werden, dass die oben erwähnte Forderung, dass sich alle 3 bis 11 Bitdauern die Polarität ändert, auch zwischen den 14-Bit-Symbolen erfüllt wird. Aber durch diese Modulation kann die Datenrate so hoch gewählt werden, dass unmodulierte Daten gar nicht mehr in pits und lands aufgelöst werden könnten; ein pit kann nicht kürzer sein als seine Breite (600 nm), trotzdem kann die Länge auch in Bruchteilen der eigenen Breite (ca. 278 nm bei 1,2 m/s) variieren – diese Tatsache wird durch die Kodierung ausgenutzt. Sie ist mithin eine Designentscheidung, die (unter anderem) für die Spieldauer verantwortlich ist. Weiterhin wird durch die Kodierung dafür gesorgt, dass das Signal der Fotodioden keinen Gleichanteil enthält; dadurch wird die Signalverarbeitung wesentlich vereinfacht.

Datenrate