Die Compact Disc (CD) (kurz: CD, englisch für Kompakte Scheibe) ist ein optischer Massenspeicher, der Anfang der 80er zur digitalen Speicherung von Musik von Philips und Sony eingeführt wurde und die Schallplatte ablösen sollte. Später wurde das Format der Compact Disc (CD) erweitert, um nicht nur Musik abspeichern zu können. Als CD-ROM wird sie seitdem auch zur Speicherung von Daten für Computer eingesetzt.

Geschichte

In den 70er Jahren experimentierten Techniker aller Elektronikkonzerne mit digitaler Aufzeichnung von Klang. Die ersten Prototypen basierten auf magnetischen Speichermedien, wie etwa die klassische Audiokassette. Das erste Gerät auf dem Markt im Jahr 1977 war eine Erweiterung des Betamax-Videorekorders der Firma Sony. Das klobige Gerät und die Störgeräusche bei der Aufnahme konnten die Konsumenten nicht überzeugen. Sony entwickelte spezielle Verfahren um die Störgeräusche zu eliminieren. Um diese Verfahren zu testen, wurden heimlich bei einer Probe eines Konzertes von Herbert von Karajan im September 1978 Aufnahmen gemacht. Karajan wurde später von Sony eingeladen, die Aufnahmen zu beurteilen.

Lichtspiegelung der Compact Disc (CD)

Zur gleichen Zeit arbeitete man bei der Firma Philips an der optischen Aufzeichnung von Bildsignalen, die die Videotechnik revolutionieren sollte. Bald entwickelte sich die Idee, diese Technologie auch für digitale Klänge zu nutzen. Beide Firmen standen plötzlich vor einem riesigen Problem. Sie hatten die neuen optischen Datenträger, ähnlich der Schallplatte, mit einem Durchmesser von 30 cm geplant. Bei der Aufzeichnung von bewegten Bildern konnten sie darauf etwa 30 Minuten Videomaterial unterbringen. Bei Audiodaten reichte aber die Kapazität für 13 Stunden und 20 Minuten. Sony war klar, dass das Geschäftsmodell der Musikindustrie zusammenbrechen würde, wenn sie solche Mengen an Musik an die Verbraucher vermarkten sollten.

Nachdem die Compact Cassette (Audiokassette) bereits gemeinsam mit der Firma Philips und Siemens standardisiert wurde, versuchten beide Firmen auch hier einen Standard herbeizuführen. Nach einigen Differenzen schlug Sony vor, dass die neue CD zumindest Ludwig van Beethovens Neunte Sinfonie in voller Länge erfassen sollte. Dieser Vorschlag hing mit Sonys damaligem Vizepräsidenten, Norio Ohga zusammen, der ein ausgebildeter Opernsänger war und sich schon immer wünschte, Beethovens Neunte ohne störendes Wechseln des Tonträgers hören zu können. Ohgas Lieblingsversion, dirigiert von Herbert von Karajan, dauerte 66 Minuten, die Techniker hielten sich an die damals längste zur Verfügung stehende Version von Wilhelm Furtwängler. Die Aufnahme aus dem Jahre 1951 dauerte exakt 74 Minuten. 74 Minuten bedeuteten 12 cm Durchmesser des optischen Datenträgers. Die Entwickler von Philips reagierten mit Skepsis, da ein so großes Ding nicht in die Anzugtaschen passen würde. Daraufhin maßen Sony-Entwickler Anzüge aus aller Welt aus, mit dem Ergebnis, dass für 12 cm überall Platz ist. Damit hatte Beethoven einen neuen Standard festgelegt. 1980 wurde von beiden Firmen für Audioaufnahmen der "Red Book"-Standard festgelegt. Am 1. Oktober 1982 erschien der erste CD-Spieler auf dem Markt und bereits 1988 wurden 100 Millionen Audio-CDs pro Jahr produziert.

Bei dem Durchmesser des Innenloches der CD (15 mm) setzten sich die Niederländer durch. Als Maßstab diente hierfür das seinerzeit weltweit kleinste Geldstück, das niederländische 10-Cent-Stück (das so genannte "Dubbeltje").

Aufbau einer CD - Querschnitt durch eine CD

Die CD besteht zum größten Teil aus einem durchsichtigen Trägermaterial (Polycarbonat), das mittels Spritzprägen geformt wird. Die Oberseite dieses Trägers enthält die digitalen Informationen in Form von mikrometer kleinen Vertiefungen („Pits“), die noch nicht einmal durch ein Mikroskop zu erkennen sind (sondern beispielsweise nur durch ein Rastersondenmikroskop), und Zwischenräumen („Lands“), die zu einer einzigen langen, spiralförmigen Spur angeordnet sind (insgesamt etwa 5 km).

Diese „informationshaltige“ Oberfläche wird mit einem dünnen Aluminiumfilm bedampft und schließlich mit einem Lacküberzug geschützt und eventuell mit einem Etikett versehen oder bedruckt. Diese Informationen werden im Abspielgerät von einem Laser durch die Trägerschicht abgetastet. Daraus folgt auch, dass der Laser die Pits nicht als Vertiefungen, sondern durch das Polycarbonat als Hügel sieht.

Ein Spurabschnitt von ca. 0,3 Mikrometer Länge (eine Bitzelle) stellt ein sogenanntes Kanalbit (Null oder Eins) dar. Eine Bitzelle mit einem Wechsel am Anfang von Land/Pit oder Pit/Land stellt eine logische Kanalbit-Eins dar, eine Bitzelle ohne einen solchen Wechsel eine logische Kanalbit-Null (NRZ-I-Codierung).

Lesekopf eines CD-Laufwerks

Der so ausgelesene Datenstrom ist EFM-codiert (engl. Eight-to-Fourteen-Modulation EFM), das heißt jeweils 14 Kanalbits repräsentieren ein 8-Bit-Datenwort. Die 14-Bit-Datenwörter zeichnen sich dadurch aus, dass auf jede Eins immer mindestens zwei und maximal zehn Nullen folgen. Die 14-Bit-Datenwörter sind – unter anderem zur Sicherstellung dieser Bedingung (manche fangen mit einer Eins an, andere hören mit einer Eins auf) – jeweils noch durch drei Füllbits (auch Trennbits oder Mergingbits genannt) voneinander getrennt.

Aufgrund dieser Struktur des Datenstroms, bei der statt 8 Bits jeweils 17 Bits abgespeichert werden, passen überraschenderweise 50 Prozent mehr Information auf die Disc: Das kürzeste vom Laserpunkt auslesbare Pit/Land ist aus physikalischen Gründen knapp einen Mikrometer lang (limitierende Größe ist der Durchmesser des optimal fokussierten Punkts). Wenn im Datenstrom zwei Einsen aufeinander folgen dürften, würde dies in der Spur zum Beispiel wie folgt aussehen: Wechsel vom Land zum Pit plus Bitzellenlänge für die erste Eins und Wechsel vom Pit zum Land plus Bitzellenlänge für die zweite Eins (oder umgekehrt). Dieses so gebildete (kürzeste) Pit/Land würde genau eine Bitzelle darstellen. Umgekehrt entspräche eine Bitzellenlänge genau der Länge des kürzesten Pits/Lands, sprich knapp einen Mikrometer. Wenn jedoch immer wenigstens zwei Nullen auf eine Eins folgen bevor die nächste Eins kommt, kann ein solches kürzestes Pit/Land plötzlich drei Bits darstellen (Wechsel plus eine Bitzelle für die Eins plus zwei weitere Bitzellen für die beiden Nullen, dann folgt wieder der Wechsel für die folgende Eins). Eine Bitzelle hat dann – bei gleicher Pit/Land-Länge – nur noch die Länge von knapp einen drittel Mikrometer. Bei der EFM-Codierung ergeben sich zwar gut die doppelte Menge von Kanalbits (17 Kanalbits statt 8 Datenbits), diese passen jedoch auf zweidrittel des Platzes, den die uncodierten Datenbits erfordern würden.

Beim Auslesen werden die drei Füllbits sofort aus dem Datenstrom entfernt und für die je 14 EFM-codierten Kanalbits wird dann mittels einer Übersetzungstabelle der entsprechende Wert des uncodierten 8-Bit-Datenworts ermittelt.

Die Daten sind darüberhinaus als Blöcke und Frames organisiert. Je 24 uncodierte Bytes (entsprechend 6 Stereo-Samples) zzgl. 8 Byte Fehlerkorrekturinformationen bilden einen Frame, von denen wiederum 98 einen Block bilden. Ein Block enthält also 2352 Byte uncodierte Nutzdaten, 75 Blöcke enthalten eine Sekunde Audiomaterial.

Fehlerkorrektur und Fehlerverdeckung

Damit sich Kratzer nicht negativ auf die Datensicherheit auswirken, sind die Daten mittels Paritätsbits gesichert, so dass Bitfehler erkannt und korrigiert werden können. Weiterhin sind aufeinander folgende Datenbytes per Interleaving auf eine größere Fläche verteilt. Der Cross-Interleave Reed-Solomon code (CIRC) ist dadurch in der Lage, einen Fehler von bis zu 3500 Bit (das entspricht etwa 2,4 mm) zu korrigieren und Fehler von bis zu 12000 Bit (etwa 8,5 mm) bei der Audio-CD zu kompensieren.

Lesevorgang - Auslesevorgang bei einer CD

Das Abtasten einer CD erfolgt mittels einer Laserdiode. Der Lichtstrahl wird (mittels eines halbdurchlässigen Spiegels) in zwei Teile gleicher Stärke aufgespaltet. Einer der beiden Teile wird auf die CD gelenkt, dort zurückgespiegelt und wird dann mit dem anderen Teil des Lichtstrahls wieder überlagert. Der Strahl, der auf die CD trifft, hat bei einem "Land" eine längere Laufstrecke zurückzulegen als bei einer "Pit". Durch Interferenz der Lichtwellen entstehen aus den Laufzeitunterschieden zwei unterschiedliche Helligkeiten im Summenstrahl, die mit einer Photodiode erfasst und in elektrische Impulse umgewandelt werden.

Die Optik mit dem Laser bewegt sich beim Abspielen vom ersten zum letzten Track im Gegensatz zur Schallplatte von innen nach außen. Ebenso ist die Rotationsgeschwindigkeit der CD nicht konstant, sie dreht sich innen schneller als außen, da eine konstante Bahngeschwindigkeit (CLV) und nicht eine konstante Winkelgeschwindigkeit (CAV) verwendet wird. Wenn der Lesekopf weiter außen auf der CD liest, wird die CD also langsamer gedreht. Auf diese Weise kann überall auf der CD mit voller Aufzeichnungsdichte gearbeitet werden und es ist ein konstanter Datenstrom gewährleistet, wie er bei Audio-CDs benötigt wird. Im Red Book sind zwei verschiedene Geschwindigkeiten festgelegt, 1,2 m/s und 1,4 m/s. Somit sind entsprechend Spielzeiten von 74:41 Min. bzw. 64:01 Min., unter maximaler Ausnutzung aller Toleranzen 80:29 Min, möglich. Die Umdrehungs-Geschwindigkeit wird durch einen Regelkreis anhand des Füllstandes eines FIFO-Puffers geregelt. Daher muss keine Umschaltung (weder manuell noch automatisch) je nach benutzter Linear-Geschwindigkeit erfolgen. Durch den genannten Puffer wirken sich Schwankungen der Drehzahl nicht auf die Wiedergabe-Geschwindigkeit aus.

Viele moderne CD-ROM-Laufwerke lesen Daten-CDs hingegen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, um das zeitraubende Beschleunigen und Abbremsen der CD beim Hin- und Herspringen der Leseposition zu vermeiden. Dadurch hängt dann bei Daten-CDs die Datenrate von der Position des Lesekopfes ab. Die auf der Verpackung angegebene Geschwindigkeit ist fast immer die maximale, nicht die durchschnittliche.

Varianten

Die Format-Spezifikationen der Audio-CD (kurz CD-DA), bekannt als „Red Book“-Standard, wurde von der niederländischen Elektronikfirma Philips entworfen. Philips besitzt auch das Recht der Lizenzierung des „Compact Disc (CD) Digital Audio“-Logos, das auf jeder CD erscheint. Die Musikinformationen werden in 16-Bit-Stereo und einer Abtastrate von
44,1 kHz gespeichert.

CDs gibt es in zwei verschiedenen Größen, am weitesten verbreitet ist die Version mit einem Durchmesser von 120 mm und 15 Gramm Gewicht, seltener die Mini-CD mit einem Durchmesser von 80 mm und 30 % der Speicherkapazität. Daneben gibt es auch CDs, die eine andere Form als eine runde Scheibe haben. Diese so genannten Freiformen (Shape-CDs) sind aber aufgrund von Abspielproblemen (eventuelle Unwucht, kein Einzug in Slot-Laufwerke) nicht populär.

Einige CD-Spieler sind in der Lage, so genannte HDCD-CDs abzuspielen. Diese CDs sind mit echten 20 Bit Musik-Information kodiert (anstatt mit 16) und sollen bei hochwertigen Musik-Anlagen besser klingen. HDCD-CDs sind vollständig kompatibel mit „normalen“ CD-Spielern.

CD Video ist eine Mischform von CD-DA (Audio-CD) und LV/LD (Bildplatte) mit digitalem Nur-Audio-Teil und analogem Video-Teil.

Die Spezifikationen der CD-ROM sind im „Yellow Book“-Standard festgelegt. Ein plattformübergreifendes Dateisystem der CD-ROM wurde von der ISO im Standard ISO 9660 festgeschrieben. Sein Nachfolger lautet UDF.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Audio-CD-Inhalte und CD-ROM-Inhalte auf einer Scheibe zu kombinieren. Die einfachste Möglichkeit ist, einen Datentrack mit dem CD-ROM-Inhalt als ersten Track auf die CD zu bringen (Enhanced CD). Dem heutzutage praktisch nichtigen Vorteil, dass der CD-ROM-Teil auch in ausschließlich singlesession-fähigen CD-ROM-Laufwerken gelesen werden kann, steht der vergleichsweise große Nachteil der Sichtbarkeit dieses Daten-Tracks für normale Audio-CD-Spieler entgegen – insbesondere, da manche (ältere) CD-Spieler auch eine Wiedergabe der CD-ROM-Daten als Audio-Daten ermöglichen. Das äußert sich in – je nach Lautstärke-Einstellung – ohrenbetäubendem (und lautsprecherverstümmeldem) Krach.

Als Weiterentwicklung wurde der Datentrack mit einer Index-Position von 0 versehen, wodurch dieser nicht ohne weiteres vom CD-Spieler angefahren wird (i-Trax). Das Audiomaterial beginnt, wie bei einfachen Audio-CDs, an Index-Position 1 von Track 1. (Problematisch für die Abspielkompatibilität könnte die Tatsache sein, dass innerhalb des Tracks der Modus von CD-ROM Mode 1 auf Audio wechselt.)

Heutzutage werden zu diesem Zwecke praktisch ausschließlich Multisession-CDs benutzt – die Audio-Daten liegen in der ersten Session, während die CD-ROM-Daten in einer zweiten Session enthalten sind, welche nicht von Audio-CD-Spielern gelesen wird (CD-Extra, CD-Plus). Natürlich wird für den CD-ROM-Teil ein multisession-fähiges CD-ROM-Laufwerk benötigt.

Eine Mischform ist die CD+G (CD+Graphics). Diese CD stellt zeitgleich zur Musik grafische Daten, wie beispielsweise den Liedtext, auf einem Bildschirm dar. Häufigste Anwendung dieses Formats ist Karaoke. In einem normalen CD-Spieler ist die CD+G als ganz normale Audio-CD abspielbar. Auf speziellen Geräten (in jüngerer Zeit auch auf einigen DVD-Playern) ist zur Musik auch die Grafik auf dem Bildschirm sichtbar. Die zusätzlichen Daten sind im Subcode der CD gespeichert, d.h. sie sind – im Gegensatz zum Inhalt von Datentracks – nicht ohne Weiteres für ein Betriebssystem sichtbar.

Deutlich häufiger anzutreffen sind dagegen CDs mit CD-Text. Dabei werden im Subcode der CD (meist im Lead-In) zusätzliche Informationen, wie Titelname und Künstler, gespeichert. Diese Informationen werden dann von entsprechenden Playern während des Abspielens der CD angezeigt.

Weiterentwicklungen der CD sind die DVD-Audio und die Super Audio Compact Disc (CD). Diese bieten wesentlich größere Kapazitäten von 4,7 GB (single-layer) bis 9,0 GB (double/dual-layer). Es ist nicht so, dass viel mehr Stunden Audio darauf passen, sondern alles in 5.1-Sound aufgenommen wird. Während die Super-Audio-CD und DVD Audio ausschließlich für Audiodaten verwendet wird, sind bei der DVD verschiedene Datenarten möglich (DVD Data, DVD Video, DVD Audio, DVD Rom, DVD+/-R(W) ). Allerdings hat sich die DVD im Audiobereich noch nicht durchgesetzt.

Es gibt auch CD-i, CDTV, Photo-CD, Video-CD.

Beschreibbare CDs

Beschreibbare CDs gibt es in einer einmal beschreibbaren Variante (CD-R: CD recordable) und in einer mehrfach wiederbeschreibbaren Variante (CD-RW: CD rewritable). Während die Reflexionseigenschaften einer CD-R denen einer normalen CD nahezu gleichen und diese somit auch in älteren CD-Laufwerken gelesen werden können sollte, ist das Lesekopf-Ausgangssignal einer CD-RW weitaus schwächer, so dass diese Medien nur von entsprechend ausgestatteten (neueren) Laufwerken bzw. Spielern gelesen werden können.

Zum Beschreiben einer CD kann kein gewöhnlicher CD-Spieler benutzt werden. Hierfür ist ein so genannter CD-Brenner (bzw. ein CD-Rekorder) notwendig. CD-Brenner können CDs nicht nur beschreiben, sondern auch lesen. Daher verschwinden reine CD-ROM-Lesegeräte für Computer seit dem Jahre 1999 langsam vom Markt.

Das ISO 9660-Dateiformat einer CD-ROM gestattet keine nachträglichen Änderungen. Außerdem können beschreibbare CDs – im Gegensatz zu Festplatten – nicht blockweise beschrieben werden. Deshalb muss erst ein so genanntes „Image“ angelegt werden, welches eine exakte Kopie der auf die CD zu brennenden Daten enthält. Dieses Image kann dann (als ein Track) in einem Durchgang auf die CD „gebrannt“ werden. Dafür sind spezielle CD-Brennprogramme nötig. Aktuelle Brennprogramme beherrschen das Erstellen des Images „on-the-fly“, das heißt, das ISO-Image wird während des Schreibens erzeugt.

Allerdings ist es möglich, mit einem weiteren Schreibvorgang nachträglich in einem weiteren Track (d.h. normalerweise in einer weiteren Session) der CD ein neues Dateisystem zu erzeugen. Die Verzeichnisse dieses neuen Dateisystems können auch auf Dateien in den älteren Tracks referenzieren. Da beim normalen Betrieb immer das Dateisystem des letzten Tracks benutzt wird, ist es möglich, Dateien hinzuzufügen, umzubenennen, zu 'löschen' und zu 'überschreiben'. Natürlich kann der belegte Platz nicht erneut benutzt werden. Mit spezieller Software (im Windows-Bereich z.B. „Isobuster“) kann auch auf die älteren Dateisysteme zugegriffen werden, d.h. die 'gelöschten' Dateien bzw. die älteren Versionen 'überschriebener' Dateien sind dort noch vorhanden (Multisession-CD).

Alternativ können die Dateisysteme in den Tracks einer CD (analog zu Partitionen einer Festplatte) als unterschiedliche virtuelle Laufwerke betrachtet werden (Multivolume-CD). Dieses Verfahren ist jedoch kaum verbreitet.

CD-RWs können theoretisch blockweise beschrieben werden. Das muss auch vom CD-Brenner unterstützt werden. Da das auf CD-ROMs verwendete ISO-9660-Dateiformat keine nachträglichen Änderungen an Dateien unterstützt, wurde hierfür ein eigenes Dateisystem namens UDF eingeführt, welches auch auf DVDs verwendet wird. Dieses Format erlaubt es, wie zum Beispiel bei einer Diskette, direkt Dateien auf der CD zu speichern.