Computerhardware: CD: Technologie

Lesen einer CD

Datenseite einer CD unter dem Elektronenmikroskop

Die Optik

Der Laserstrahl wird von einer Laserdiode erzeugt und mit einer Linse fokussiert, um einen genügend feinen Lichtpunkt zu erzeugen. Der Strahl trifft senkrecht auf die Scheibe. Wenn er auf ein Pit trifft, wird er zerstreut. Trifft er eine glatte Fläche (Land), wird er senkrecht zurückgeworfen. Ein halbdurchlässiger Spiegel lenkt das reflektierte Licht auf eine Fotodiode. Eine Elektronik entscheidet, ob das Licht einer „1“ oder einer „0“ entspricht.

Das Problem: Je nach Art der Scheibe wird das Licht unterschiedlich reflektiert. Von der Alu-Schicht einer industriell hergestellten CD/DVD wird das Licht sehr gut reflektiert. Von einer einmal beschreibbaren Scheibe kommt deutlich weniger Licht zurück, von einer mehrfach beschreibbaren Scheibe noch weniger. Der Unterschied zwischen „1“ und „0“ ist ohnehin recht klein. Die Auswerteelektronik muss deshalb adaptiv sein. Auf jeder Scheibe ist den eigentlichen Daten ein sogenannter „Lead-In“ Bereich vorangestellt. Die ersten Bits des Lead-In werden benutzt, um die durchschnittlichen Reflexionswerte der Scheibe zu ermitteln, mit denen die Elektronik justiert wird.

Drehzahlregelung

CLV = Constant Linear Velocity

Die Drehzahlen unterscheiden sich grundlegend, je nachdem ob Computerdaten oder Echtzeitdaten (Musik, Video) gelesen werden.

Um Musik anzuhören oder einen Film anzusehen, läuft das Laufwerk mit 1-facher Geschwindigkeit. Die Datenmenge pro Sekunde muss konstant sein, sonst würde der Film oder die Musik gegen Ende immer schneller abgespielt werden. Auf den größeren Außendurchmesser passen mehr Daten pro Umdrehung. Deshalb wird die Drehzahl heruntergeregelt, je weiter sich der Kopf nach außen bewegt: Das Produkt von Drehzahl und Abstand des Lasers von der Achse muss konstant sein.

CAV = Constant Angular Velocity

Wenn Daten auf der Scheibe gespeichert sind, hat das Abbremsen der Drehzahl keinen Sinn. Wie bei den Festplatten wird die Drehzahl konstant und möglichst hoch gewählt. Da Länge und Abstände der Bits innen und außen gleich sind, steigt die Übertragungsrate immer mehr, je weiter der Lesekopf nach außen bewegt wird.

Partial CAV = Kombination aus CLV und CAV

Solange sich der Lesekopf im inneren Bereich der Scheibe befindet, ist die Drehzahl maximal. Nun hat aber der Kopf bzw. die Elektronik eine Obergrenze der Übertragungsrate. Wenn bei der Auswärtsbewegung des Kopfes die maximale Lesegeschwindigkeit des Kopfes erreicht ist, muss die Drehzahl reduziert werden, um im äußeren Bereich der Scheibe die Elektronik nicht zu überfordern. Im inneren Bereich also CAV (konstante Drehzahl), außen CLV (konstante Lesegeschwindigkeit).

Frühere CD-ROM-Laufwerken war mit "12x-20x" beschriftet. Das bedeutete: 12-fache Übertragungsrate innen, die bis zur 20-fachen Übertragungsrate in der Mitte wächst und bis außen konstant bleibt. Auf heutigen Laufwerken wird lediglich die maximal erreichbare Übertragungsrate angegeben.

Ein DVD-Brenner mit 16-facher Geschwindigkeit erreicht bis zu 10 000 Umdrehungen pro Minute. Das entspricht einer Umfangsgeschwindigkeit von 75 km/h innen und 225 km/h außen. Stellen Sie sich vor, bei dieser Geschwindigkeit auf der Autobahn eine Folge von 1 mm großen Punkten auf die Fahrbahn malen zu müssen (aber keine liederlichen Kleckse, bitte)! Wenn der Brenner die 75 km/h auf den inneren Spuren schafft, darf er in der Werbung als "16x Brenner" bezeichnet werden. Ein wenig weiter von der Mitte entfernt wird die Geschwindigkeit so hoch, dass die Drehzahl reduziert werden muss.

In der Mitte zwischen Außen- und Innenspur beträgt die Geschwindigkeit 150 km/h. Wenn der Brenner diese Brenngeschwindigkeit schaffen kann, würde das dem Hersteller erlauben, beim Beschreiben der Innenspur die Drehzahl der Scheibe auf 20 000 U/min zu verdoppeln. Das wäre dann ein 32x Brenner. Wird es einen solchen Brenner irgendwann geben? Als Massenprodukt wohl kaum. Bei 10 000 Umdrehungen pro Minute wirkt eine Fliehkraft von 6650-facher Erdbeschleunigung am Außenrand. Versuche (in einer Fernsehsendung) haben gezeigt, dass bei Drehzahlen über 20 000 handelsübliche Scheiben zerrissen werden. Um ein wenig Sicherheitsreserve zu haben, wird die Drehzahl wohl kaum über 10 000 hinaus gesteigert werden.

Eine Verdopplung der Brenngeschwindigkeit bedeutet auch, dass der Brenner die doppelte Lichtleistung erbringen muss, denn er hat nur die Hälfte Zeit pro Bit. Die Brennleistung muss folglich während des gesamten Brennvorgangs angepasst werden. Die benötigte Laserleistung hängt auch vom Material ab: Es werden mehrere verschiedene organische Materialien für die lichtempfindliche Schicht verwendet, und auch die Dicke der Schicht variiert. Deshalb enthalten beschreibbare Rohlinge in den inneren Spuren ab Werk eine kleine Menge Informationen. Dort sind Hersteller, Disk-Art, verwendetes Material, Chargennummer, Speicherkapazität, empfohlene Schreibgeschwindigkeit, empfohlene Laserleistung und anderes eingraviert. Das Laufwerk liest diese Daten und wertet sie aus. Rohlingshersteller beantragen bei Brennerherstellern, ihre Rohlinge in die Liste der vom Brenner unterstützten Fabrikate aufzunehmen (und zahlen vermutlich dafür). Dadurch kann es passieren, dass bestimmte exotische Rohlinge in manchen Geräten nicht beschreibbar sind. Schlimmer noch: Es sind Fälle bekannt, wo der Rohling durch falsch eingestellte Brennleistung Blasen geworfen hat. Den Zusammenstoß mit einer Blase bei mehr als 100 km/h überlebt der Brennlaser natürlich nicht.

Brenngeschwindigkeit

Selbst die Rohlinge renommierter Hersteller unterscheiden sich etwas von Charge zu Charge. Während der Brenner am Beginn des Brennvorgangs das "Lead-In" schreibt, werden einige Daten auf einen kleinen reservierten Bereich des Rohlings gebrannt und kontrollgelesen, um den Brenner optimal auf den Rohling abzustimmen. Die Firmware des Brenners kann daraufhin möglicherweise entscheiden, den Brennvorgang mit einer kleineren als der auf dem Rohling angegebenen Geschwindigkeit durchzuführen. Auch der Benutzer kann entscheiden, eine geringere Brenngeschwindigkeit zu wählen. Die höchste mögliche Geschwindigkeit bringt Brenner und Material an die Grenzen der physikalischen Möglichkeiten. Deshalb sollten Sie grundsätzlich nicht über die zweithöchste Geschwindigkeit hinausgehen, selbst wenn Sie es eilig haben. Mehr als ein oder zwei Minuten verlieren Sie dadurch nicht. Präziser geschriebene Bits verbessern die Kompatibilität und wahrscheinlich auch die Langzeitlagerfähigkeit.

Das Brennergebnis wird auch von der Temperatur des Laufwerks beeinflusst. Das Alter des Laufwerks, insbesondere eine beginnende Trübung der Linse und der Verschleiß der Lager, können eine Rolle spielen. Der kleinste Fehler bei der Justierung der Scheibe führt zu Vibrationen. Achten Sie darauf, während des Brennvorgangs den Computer nicht zu erschüttern (z. B. nicht trampeln).

Im äußeren Bereich passen mehr Daten pro Umdrehung auf den Rohling. Die Daten werden innen beginnend geschrieben, daher steigt die Brenngeschwindigkeit, je weiter außen das Brennen erfolgt. Beim Brennen einer geringen Datenmenge wird die maximale Brenngeschwindigkeit nicht erreicht.

Am Anfang der Datenspur ist ein Inhaltsverzeichnis gespeichert. Es gibt die Anzahl der Musiktitel, die Einspieldauer und die Gesamtspieldauer an.

Es werden pro Sekunde 4,3218 Mbit ausgelesen. Davon sind 2,0338 Mbit Nutzdaten. Der Rest besteht aus Zusatzinformationen für Fehlerkorrektur, Codierung und Synchronisation.

Blu-ray (BD) und HD-DVD (HD) im Vergleich

Für die Herstellung von HD-DVD brauchen die Hersteller keine neuen Fabriken. Nach einer Modernisierung der Pressmaschinen können auf den gleichen Maschinen sowohl DVD als auch HD hergestellt werden, je nach Bedarf. Deshalb sind HD-Scheiben deutlich günstiger herzustellen. Allerdings ist die Speicherkapazität kleiner als bei Blu-ray.

BD hat den Vorteil der größeren Kapazität bei den einfachen Scheiben. Darüber hinaus können die Daten relativ leicht in mehreren Schichten aufeinander gestapelt werden. Allerdings werden neue Herstellungswerke benötigt.

Um die hohe Kapazität zu erreichen und die vielen Schichten präzise unterscheiden zu können, muss der Blu-ray-Laser ganz dicht an die Scheibe heran. Sogar die Schutzschicht über den Daten musste deshalb sehr dünn gehalten werden. Das macht die BD sehr empfindlich gegen Kratzer.

Typ	Kapazität	Dicke der Schutzschicht	Laserabstand	Wellenlänge	Spurabstand	Minimale Pitgröße
CD	0,7 GB	1,20 mm	?	780 nm (rot)	1,6 Mikrometer	0,83 Mikrometer
DVD	4,7 GB	0,60 mm	?	650 nm (rot)	0,74 Mikrometer	0,4 Mikrometer
HD-DVD	17 GB	0,65 mm	1,2 mm	405 nm (blau-violett)
Blu-ray	25 GB	0,10 mm	0,14 mm	405 nm (blau-violett)	0,32 Mikrometer	0,15 Mikrometer

Leider sind die blauen Laser von Blu-Ray und HD DVD nicht kompatibel mit dem roten Laser in heutigen CD- und DVD-Recordern: Was Sie mit dem einen Gerät aufnehmen, können Sie mit dem anderen nicht abspielen. Deshalb müssen die Brenner zwei verschiedene Laser haben, um auch mit CD und DVD arbeiten zu können.