CD+CD-Player

Damit Daten aus der CD ausgelesen werden können, focussiert eine Linse den Strahl  des Lasers (unsichtbar, Wellenlänge 780-790 nm) auf die CD-Informationsspur und leitet gleichzeitig die Reflektion zu den Photodetektoren zurück. Im halb-durchlässigen Spiegel werden die Interferenzmuster zum Photodetektor weitergeleitet, die hell/dunkel Unterschiede als Abbild von Pit/Land darstellen. Pits haben eine viertel Wellenlänge Vertiefung und das bedeutet für den Strahl Hinweg und Rückweg :  2x je 1/4 = 1/2 Wellenlänge Versatz, das führt zur Interferenz - Auslöschung. Die Vertiefung bewirkt also eine Dunkelzone. Die Pits sind zwischen 0,8 und 2,8 um  (Mikrometer) lang, 0,56um breit.
In einem Diffraktionsfilter wird vorweg der Strahl gesplittet, um dann über zwei zusätzliche seitliche Fototransistoren Informationen über die richtige Spurlage zu gewinnen.

Der Photodetektor hat 4 Segmente, die als Quadranten im speziellen  Decoder ausgewertet werden. Damit wird die Focussierung gesteuert und gleichzeitig eine eindeutige Digitalinformation auswertbar. Ist in BD oder in AC mehr Information, hat das Einfluss auf die Regelung zum Focussieren. Ziel ist eine genaue Nachregelung auf die CD-Informationsebene, obwohl die CD flattert und vibriert, weit mehr als dem Interferenzmuster zuträglich, kann die Linse die Spur hinreichend focussieren. Der Strahl geht durch einen halbdurchlässigen Spiegel.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Die Fotodetektoren E und F sind der Überschaubarkeit halber seitlich versetzt dargestellt, tatsächlich werten sie die seitlichen Anteile desselben Strahls aus, der gerade die Information abtastet (s.o.: Subbeam 1, -1). Mit dem Signal aus E und F wird die seitliche Spurhaltung geregelt, während der Hauptstrahl aus ABCD ausgewertet wird. Wie aus den oberen Bildern hervorgeht, ist der Strahl auf der Oberfläche mit 1,2 um Durchmesser deutlich grösser als die Pits breit sind. Es ist also nur ein Teil (max 5/11) des Strahls Information, daraus folgen zwei Konsequenzen: Wenn die Spur etwas schwankt, hat dies zunächst keinen Einfluss auf das Ergebnis, und: das Ergebnis ist immer nur ein Teil Land und ein Teil Pit, also immer nur ein kleiner Anteil an Digitalsignal, es ist ein verrauschtes Abbild der eigentlichen digitalen Pits.

Das Digitalsignal, das aus dem EFM-Decoder kommt, enthält die Digitalinformation, ist aber nicht rechteckig, eher sinusförmig und verrauscht. Für den Abgleich wird das "Eyepattern" auf Eindeutigkeit und geringstes Verzittern eingestellt. Im Eyepattern gibt es nur 9 verschiedenen Längen der Muster Pit/Land bedingt durch EFM. Für das Rauschen gibt es viele Ursachen: .B. Reflexionen der CD-Oberfläche neben den Land/Pits mit der eigentlichen Information, seitliche Strahlanteile, die diffus in der CD vagabundieren, etc.
EFM heisst Eight to Fourteen Modulation - aus acht Datenbits werden 14 mit Fehlererkennungszusatzbits, die Datenbits waren zudem mit einem CIRC Interleave Verfahren verschachtelt, um bei Datenverlusten die Lücken zu verteilen. Die Daten sind bei der Aufnahme also verschachtelt und ausserdem mit Zusatzinformationen versehen (Paritätsbits), damit bei der Wiedergabe die Fehlerkorrektur besser greift. dazu kommen Informationen über Beginn und Ende des Tracks, Synchronimpulse und andere Daten.
EFM ist das digitale Datenformat der CD, damit ist sichergestellt, daß Pit und Land eine Länge von mindestens 3 bis maximal 11 Längeneinheiten haben. 14-bit Technik erlaubt 16384 verschiedene 14-bit Kombinationen. Daraus sind die Bitfolgen herausgewählt, die eine besonders geringe Anzahl von 0 und 1 Übergängen haben.
Die ausgesuchten 14-bit Worte stehen symbolisch für 8 Bit Folgen der eigentlichen digitalen Daten und sind in Tabellen im Red Book festgelegt. Um Fehlinterpretationen zu vermeiden, wenn die 14-Bit Floge mit 1 endet und die nächste mit 1 startet, werden drei Füllbits-000 eingesetzt. EFM, (also 8 zu 14 Modulation) nimmt nun Raum von 17 Bits ein.

Die Daten werden vom Laser abgetastet, verstärkt und die Übereinstimmung der 4 Quadranten wird an den EFM-Decoder weitergeleitet, entschachtelt und Fehler-korrigiert. Dann werden die Signale L und R herausgelöst, Digital/Analog gewandelt, gefiltert und verstärkt.
Alle Vorgänge werden von der Master-Clock (Referenzsignal) bestimmt, die Pitflanken und der Systemtakt führen zur Drehzahlregelung.

Die auszulesende Datendichte auf der CD beträgt 4,3218MBit/sec
CD -  Das wird abgetastet:
Synchron mit dem Systemtakt wird abgefragt, ob noch Pit oder wieder Land, noch 1 oder wieder 0 vorliegt. Erschwerend kommt hinzu, dass der Strahl eine grössere Fläche beleuchtet, in der die schmale Pitstruktur nur einen begrenzten Anteil hat. Die Information ist verrauscht, da der Strahl auf "Land" focussiert, sind die "Pit" eine Art schwacher Wechselanteil.
Auch der Laserstrahl hat eine Rauschkommponente, und die Fototransistoren haben eine begrenzte Bandbreite.
Benachbarte Pits in derselben Spur erzeugen Inter-Symbol Interferenzen und damit eine Jitterkomponente, die eher zufällig verteilt ist, aber von den benachbarten Daten abhängt.
Die Pitstruktur der CD besteht aus kürzeren und längeren Pits bei unterschiedlichen Abständen untereinander. Der Spurabstand ist konstant 1,6um. Das Bild zeigt einen Ausschnitt mit Pressfehler, der dank Verschachtelung und Paritätsbits weitestgehend unhörbar bei der Wiedergabe bleibt.
 
 
 
 
 
 
 

Interleave-Verfahren:  aus der Folge
1a.2a.3a.4a.5a.6a.7a.8a. - 1b.2b.3b.4b.5b.6b.7b.8b. - 1c.2c.3c.4c.5c.6c.7c.8c. - 1d.2d.3d.4d.5d.6d.7d.8d.usw
wird durch Verschachtelung :
1a.1b.1c.1d.1e... - 2a. 2b.2c.2d.2e. - 3a.3b.3c.3d.3e.
Geht durch was auch immer ein Teil der Information verloren, wird gelesen
1a.1b.1c.1d.1e... - 2a. -  -  -  2e. - 3a.3b.3c.3d.3e.
Nach der Entschachtelung wird daraus
1a.2a.3a.4a.5a.6a.7a.8a. - 1b. X .3b.4b.5b.6b.7b.8b. - 1c. X .3c.4c.5c.6c.7c.8c.  1d.X.3d.4d.5d.6d.7d.8d.usw
In der Folge werden die Lücken verteilt

Die Daten werden mit verschiedenen Verfahren fehlerkorrigiert. Hier ein einfaches (schematisiert):
0 1 0 0   I  0
1 0 1 1   I  0
0 1 0 1   I  1
1 0 1 0   I  1
- - - - - - - - -
1 1 1 1   I

In jeder Spalte / Zeile wird das mit der Aufnahme angelegte Paritätsbit (bei ungerader Zahl von Einsen ist es 1, bei gerader Anzahl 0) im Prozessor  "nachgerechnet".

0 1 0 0   I  0
1 0 1 1   I  0
1 1 0 1   I  1
1 0 1 0   I  1
- - - - - - - - -
1 1 1 1   I
Ein fehlerhaftes Bit (hier fett dargestellt) kann so leicht lokalisiert und korrigiert werden. Auch 2 oder 3 fehlerhaft abgetastete Bits können noch eindeutig rekonstruiert werden.
Versagt das Verfahren, greifen andere Mechanismen, bis schliesslich das Signal stumm geschaltet werden muss, wenn die Lücken zu gross werden.
Trozdem sollte man sich nicht dem Irrtum hingeben, der Fehlerkorrektur allzugrosse Möglichkeiten zuzutrauen. Sie ist wirklich nicht allmächtig!

Die Digitalinformation enthält in einer seriellen Folge die benötigten Daten, der richtige Zeitpunkt ist aber nicht enthalten, er wird beim Abspielen mit dem Clock-Generator separat erzeugt und steuert durch Vergleich mit den ausgelesenen Daten die Drehzahl der CD. Hier spielt das grosse Thema JITTER die entscheidede Rolle.

Die Digital-Analogwandlung ist schliesslich nötig, um das Audiosignal zurückzugewinnen.  Dabei tauchen verschiedene Probleme auf, die mit bestimmten Methoden jeweils gelöst werden. Grösstes Problem scheint die Filterung der unerwünschten Oberwellen, die der Digitalinformation anhaften.
Oversampling
Werden mit Interpolationsverfahren mehrere Zwischenwerte errechnet und dann diese entsprechend höhere Frequenz dem Wandler zugeführt, verlagert sich das Störspektrum hin zu höheren Frequenzen, verringert sich die Abweichung vom Sollwert. Oversampling erfüllt mehrere Anforderungen: Das Umsetzungsrauschen enthält eine zyklische Komponente (Verzerrung) und eine nicht-zyklische Komponente (Rauschen). Diese werden reduziert. Der Abstand zwischen Tonspektrum und Umsetzungsfrequenz wird grösser, sodass die Rauschkomponenten wirkungsvoll unterdrückt werden könne, wobei die Filternebeneigenschaften mit Zeitfehler und Frequenzgangeinbussen gering bleiben.
Es ist wünschenswert, dass einer feineren Auflösung  auf der Bitebene auch eine feinere Auflösung auf der Zeitebene gegenübersteht. Alles eine Frage des Betrachtungsstandpunkts. Spätere Verfahren mit höheren Datenmengen wie DVD können bessere Auflösung mit hörbarer Steigerung der Differenziertheit und räumlicher Abbildung bieten.
Alias entstehen, wenn die zugeführte Frequenz knapp unterhalb des Systemtakts liegt, es entsteht eine Art Schwebungsprodukt. Deshalb muss die Analog/Digital-Wandlung mit mindestens der doppelten Frequenz erfolgen, die der Übertragungsbandbreite entspricht. Und eine Reserve für Filterung lassen. Deshalb wird für 20Hz-20kHz Spektrum eine Abtastrate von 44kHz gewählt, um der Messtechnik (mit "runden" Frequenzen wie 1000Hz ) Probleme zu ersparen, 44,100 kHz.
Das Shannon´sche Theorem (1949) beschreibt die Anforderungen für die Mindest-Samplingfrequenzen in Abhängigkeit von der Audio-Bandbreite.
Die Datenübertragung zu einem anderen Medium oder zu einem externen Digital/Analogwandler ist durch das SPDIF (Sony-Philips-Digital-Interface-Format) definiert. in oberster Linie ist der Systemtakt dargestellt, in seinem Takt erfolgt die Datenübertragung.
In der zweiten / dritten Zeile digital Eins, vierte/fünfte Zeile digital Null.
Die Daten haben ein BiphaseMark Format, besonders dabei: die Flanken enthalten die digitale Clockfrequenz des Laufwerks und ermöglichen dem nachfolgenden Baustein, sich daranzuhängen, quasi synchron zu arnbeiten.

Zur Kennzeichnung von L und R im Datenstrom geht den Datenblöcken eine Präambel voran. FS ist die Frequenz der CD-Player Datenrate 44,100 kHz, RXCP sind 11,2896 MHz, BCK (Binary Clock) sind 4,2336 MHz, beide letzgenannten Frequenzen sind Vielfache von 44,100 kHz.

CD-Herstellung

Vom Brennvorgang der Fotobeschichtung ausgegangen wird mit einer Metallisierung der Schicht und mehrerer Abformungen"Mutter" eine grössere Menge Pressmatritzen angefertigt. Mehrere Umsetzungsvorgänge verschlechtern die Pitabformung des Tonträgers, der als CD schliesslich in den Handel kommt.
Beim Abtasten hat das schliesslich verschiedene Konsequenzen.

Beim Brennen von CDRs mit einem CD-Recorder wird das Substrat in der Spur vom Laserstrahl umgewandelt. Die Spur ist vorgegeben, damit auch die Spielzeit. Wie beim CD-Player wird für Spurhaltung auch beim Brennvorgang die Regelung der Spur durch Auswertung der seitlichen Strahlen des reflektierten Signals ausgewertet.

Entwickelt wurde die CD von PHILIPS und SONY, beide multinationalen Grosskonzerne haben gemeinsamen mit ihren  "Orange Book, Red Book, Yellow Book" weltweit verbindliche CD-Standards festgelegt.
 

....detaillierte Informationen unter http://www.ee.washington.edu/conselec/CE/kuhn/cdaudio/95x6.htm
 
 

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