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Unterabschnitte

19.1 Die Compact Disc

19.1.1 Grundlegende Technologie

Die Compact Disc ist eine reflektierende, 1,2 mm dicke Scheibe, die in den meisten Fällen einen Durchmesser von 12 cm hat. Sie besteht aus einzelnen übereinanderliegenden Schichten, die gemäß Abbildung 19.1 aufgebaut sind. Die unterste Schicht ist die sog. Substratschicht, die aus einer Polycarbonatverbindung besteht. Über ihr befindet sich eine reflektierende Schicht aus Aluminium, die von einer Schutzschicht versiegelt ist. In der Regel wird auf diese noch eine weitere Schicht aufgetragen, die das Label (Aufdruck) enthält [Ste93b].


  
Abbildung 19.1: Schichten einer CD
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\centerline{\epsffile{./zeichnungen/se2_sch.md.eps}}\end{figure}

Die Substratschicht ist mit zahlreichen Vertiefungen (Lands) bzw. Erhöhungen (Pits) versehen, die die Information auf der CD repräsentieren. Pits und Lands bilden auf der CD in ungeordneter Folge eine spiralförmige Spur, wie es bei Vinyl-LPs der Fall ist. Die Spirale hat insgesamt eine Länge von ca. 6 km. Magnetplatten und Disketten besitzen dagegen mehrere konzentrische Spuren. Die Spiralform hat gegenüber der konzentrischen den Vorteil, daß auf der CD häufig vorhandene kontinuierliche Datenströme, wie z. B. Audio- und Videodaten, auch kontinuierlich, d. h. mit konstanter Datenrate, gelesen, sprich abgespielt werden können [Ste93b].

Zwischen den Pits und der Substratoberfläche beträgt der Abstand 1,2 $\mu$m. Der Spurabstand ist 1,6 $\mu$m weit (mittig der Pits gemessen) und somit ca. 53 mal geringer als bei LPs [JK94]. Die Pits und Lands haben eine Breite von 0,6 $\mu$m und eine Länge, die einem Drei- bis Elffachen von 0,3 $\mu$m entspricht (siehe Abbildung 19.2). Aufgrund dieser Abmessungen und der Anordnung der Pits können auf 1 $\mu$m der Spur 1,6 Datenbits untergebracht werden. Hiermit wird eine Datendichte von 1.000.000 Bit pro mm2 erreicht, was bei oben angegebenen CD- Abmaßen 16.000 Tracks pro Zoll entspricht [Ste93c]. Im Vergleich dazu weist z. B. eine 3,5 Zoll HD-Diskette lediglich 96 Tracks/Zoll auf [Ste93b].


  
Abbildung 19.2: Pits und Lands einer Compact Disc
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\centerline{\epsffile{./zeichnungen/se2_p&l.md.eps}}\end{figure}

Beim Auslesen der Daten wird bei sich im Uhrzeigersinn drehender Platte eine hochempfindliche Optik verwendet, die mittels rotem Laserstrahl (780 $\eta$m Wellenlänge), Fokussierlinse und einer Servomechanik die CD abtastet. [JK94] Hierzu wird die Lichtquelle des Laserstrahls mit einem Abstand von mind. 1 mm von der CD-Oberfläche an einen bestimmten Radius der CD bewegt und der Laserstrahl auf ca. 1 mm fokussiert. Dabei wird ausgenutzt, daß das Laserlicht von einem Pit schwächer reflektiert bzw. stärker gestreut wird als von einem Land. Zur Umwandlung der Signalwerte in Datenwerte werden Übergänge von Pit zu Land (und umgekehrt) als eine logische ,,1`` und gleichbleibende Signalwerte als eine ,,0`` kodiert (siehe Abbildung 19.3). Die kleinste Informationseinheit entspricht 0,3 $\mu$m eines Pits bzw. Lands und wird Channel- Bit genannt [Ste93c].


  
Abbildung 19.3: Channel-Bits als kleinste Informationseinheit
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\centerline{\epsffile{./zeichnungen/se2_p&b.md.eps}}\end{figure}

Der relativ hohe Abstand der Fokussierlinse zur CD-Oberfläche (siehe oben) bietet gegenüber dem sehr viel geringeren Abstand des Schreib-/Lesekopfes zur Magnetplatte bei Festplatten (ca. 1 $\mu$m) einen großen Vorteil. Bei CD-Laufwerken besteht nämlich keine Gefahr eines sog. Head- Crash. Dieser tritt auf, wenn sich zwischen Kopf und Plattenoberfläche eine Unebenheit oder ein kleines Staubkorn schiebt. Bei Festplatten ist der kleinere Abstand notwendig, weil sich die Energie der gespeicherten Information in Form von kleinsten Magnetfeldern auf der Platte befindet, während bei CDs die Energie durch den reflektierenden Laserstrahl übertragen wird [Blu89].

Die Leistungsfähigkeit der Ausleseoptik wird u. a. durch die numerische Aperatur (NA) beeinflußt. Wie in Abbildung 19.4 skizziert, ist die NA der Sinuswert des Einfallswinkels des Laserstrahls multipliziert mit dem Brechungsindex der Linse. Je höher der Wert der NA liegt, desto größer ist der Einfallswinkel und desto feiner kann fokussiert werden. Mit steigender Fokussiergenauigkeit lassen sich Pits und Lands dichter packen, wodurch eine höhere Datendichte erzielt wird. Die numerische Aperatur der Leseköpfe von gängigen CD-Laufwerken liegt zwischen 0,45 und 0,55 - das entspricht einem Einfallswinkel von 24$^\circ$ bis 37$^\circ$ [Beh94].


  
Abbildung 19.4: Numerische Aperatur
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\centerline{\epsffile{./zeichnungen/se2_na.md.eps}}\end{figure}

Gelesen wird immer von innen nach außen. Dieses erleichtert die Behandlung von Discs mit unterschiedlichen Durchmessern. Während sich der äußere Radius ändern kann, bleibt der innere konstant. Die Rotationsgeschwindigkeit der CD ist innen höher als außen und somit abhängig vom Radius. Um diesen Unterschied auszugleichen, wird die Umdrehungszahl der CD je nach positioniertem Radius angepaßt. Durch dieses sog. CLV-Verfahren wird insgesamt eine konstante Bahngeschwindigkeit erreicht (constant linear velocity), aus der eine konstante Datenrate resultiert [Ste93b]. Eine unerwünschte Folge dieses Verfahrens ist die im Vergleich zu Festplatten hohe mittlere Zugriffszeit - die Zeit, die im Mittel vergeht, bis sich der
(Schreib- /) Lesekopf über der Position der Platte befindet, auf die zugegriffen werden soll. Während diese bei Festplatten 10 ms teilweise schon unterschreitet, liegt sie bei CD-Laufwerken noch zwischen 100 ms und 300 ms [Ste93c].

Bei Magnetplatten wird diesbzgl. eine andere Methode eingesetzt. Sie kommt ohne eine Geschwindigkeitsanpassung aus, führt aber dazu, daß mit abnehmendem Spurenradius sehr viel weniger Daten auf einer Spur liegen können. Im Gegensatz zum obigen Verfahren bleibt hier die Winkelgeschwindigkeit konstant (constant angular velocity, CAV) [Ste93b].

19.1.2 Logische Datenorganisation

Der nutzbare Teil einer CD gliedert sich mindestens auf in jeweils einen Lead-in-, Programm- und Lead-out-Bereich (siehe Abbildung 19.5). Der Lead-in-Bereich besteht aus einem Track und beinhaltet vor allem das Inhaltsverzeichnis des folgenden Programmbereichs. Dieser wiederum besteht aus mindestens einem und höchstens 99 Tracks. Es gibt Tracks mit speziellen Audiodaten und andere, die gewöhnliche Daten tragen. Das Lead-out-Segment ist ein Track, der keine Information enthält - er hat ausschließlich die Funktion, das Ende einer CD zu markieren [Ste93b].


  
Abbildung 19.5: Lead-in-, Programm- und Lead-out-Bereich
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\centerline{\epsffile{./zeichnungen/se2_lead.md.eps}}\end{figure}

19.1.2.1 Modulation

Aufgrund der Laseroptik ist es erforderlich, die Länge von zusammenhängenden ,,1``-Folgen (Land- Pit-Übergängen) zu beschränken, da diese sonst nicht korrekt gelesen werden können (Laserfokussierung nicht fein genug). Es wurde daher festgelegt, daß zwischen zwei ,,1``-Channel- Bits mindestens zwei ,,0``-Channel-Bits liegen müssen. Zusätzlich dürfen Pits und Lands nicht zu lang sein, damit noch eine korrekte Taktrückgewinnung möglich ist. Deshalb wurde deren maximale Länge auf elf Channel-Bits (zehn ,,0``-Channel-Bits) beschränkt. Um den maximalen und minimalen Abstand durch eine Kodierung zu erfüllen, wird die Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM) angewandt. Sie kodiert jedes 8-Bit-Wort in einem 14-Bit-Wert. Durch das Aneinanderfügen von zwei 14-Bit-Folgen kann jedoch obige Abstandsbedingung noch umgangen werden. Aus diesem Grund werden zwischen je zwei 14-Bit-Folgen drei Bits zusätzlich eingefügt, die abhängig von den benachbarten Bits gesetzt werden. Somit wird ein EFM-kodiertes Byte durch insgesamt 17 Channel- Bits repräsentiert [JK94,Ste93b,Ste93c].

19.1.2.2 Frame

Ein Frame umfaßt 24 Bytes Nutzdaten, ein Byte Kontrollinformation sowie acht Bytes zur Fehlererkennung und -korrektur. Letztere werden durch den im Red Book festgelegten EDC/ECC-Code ermittelt (Error Detection Code, Error Correction Code), der bei allen CD-Standards verwendet wird. Zusätzlich kommen noch 27 Sync-Bits (signalisieren Beginn eines Frames) hinzu (zwölfmal ,,1``, zwölfmal ,,0`` und drei Füllbits). Insgesamt ergeben sich somit 588 Channel-Bits pro Frame [Ste93b].

19.1.2.3 Sektor

Ein Sektor (Block) besteht aus 98 Frames und hat folglich eine Länge von 3234 Bytes (EFM- kodiert, ohne Frame-Syncs). Der exakte Aufbau eines Sektors ist abhängig vom jeweiligen CD- Standard, beinhaltet jedoch Elemente, die immer vorhanden sind. Hierzu gehören die
784 (= 98 x 8) EDC/ECC-Bytes, die 98 Kontrollbytes der Frames und ein in der Größe variierender Bereich von Nutzdaten [Ste93b].

Ein Sektor ist die kleinste adressierbare Einheit auf einer CD. Er wird durch eine Zeitangabe in Minuten und Sekunden und eine zusätzliche Sektorkennung identifiziert, wobei ein Sektor einer 75stel Sekunde entspricht [Ste93b].

19.1.2.4 Track

Ein Track setzt sich aus mindestens 300 Sektoren zusammen und repräsentiert auf einer CD-DA ein Musikstück. Maximal 99 Tracks finden auf einer CD Platz, wobei eine komplette CD auch durch einen einzigen Track belegt sein kann [Ste93b].

19.1.2.5 Subchannels

Die acht Bits eines Frame-Kontrollbytes werden mit P, Q, R, S, T, U, V und W bezeichnet. Der Datenstrom aller P- bzw. Q-Bits eines Sektors wird als P- bzw. Q-Subchannel bezeichnet. Der sog. R-Thru-W-Channel vereinigt alle übrigen Subchannels [Ste93b].

Der P-Subchannel gibt an, in welchen Abschnitten eines Tracks (bezogen auf Frames) sich Musik und andere Daten befinden. Der Q-Subchannel dient im Lead-in-Bereich einer CD zur Speicherung ihres Inhaltsverzeichnisses (Table of Content) und bei CD-DA Discs zur Angabe der relativen Zeit innerhalb eines Tracks und der absoluten Zeitangabe auf der CD [JK94].

Die Subchannels R bis W können dazu benutzt werden, neben den eigentlichen Nutzdaten der Frames zusätzliche Daten zu speichern. Diese Subchannels sind nur in Audio-Tracks ansprechbar und enthalten auf Audio-CDs z. B. Graphik- oder MIDI-Informationen. Der Datenstrom dieser Subchannels ist unterteilt in Blöcke und erfährt eine Fehlerbehandlung durch Reed- Solomon. Weil die Datenrate dieser Subchannels zusammengenommen lediglich 44,1 kBit/s beträgt, ist die Einbindung von Graphik eingeschränkt [JK94].

19.1.2.6 Fehlerbehandlung

Alle CD-Standards verwenden den Reed-Solomon Code zur Fehlerkorrektur. Hierbei beinhalten alle CD-Player und CD-ROM-Laufwerke hardwaremäßig den sog. Cross Interleaved Reed-Solomon Code (CIRC) als internes Korrekturschema. CIRC verwendet hierbei die EDC/ECC-Bytes aus den Frames und ermöglicht eine Fehlerrate von 10-8. Diese Fehlerrate ist für Audio-CDs ausreichend, für andere CD-Standards jedoch noch zu hoch. Daher werden in einigen Standards zusätzliche Fehlerbehandlungen eingeführt [Ste93b].

19.1.2.7 Dateisysteme

Sollen nicht nur Audio-Daten, sondern auch andere Daten auf einer CD gespeichert werden, ist ein Dateisystem erforderlich, welches die Verzeichnis- und Dateistruktur sowie den Dateizugriff auf einer CD regelt. Mit Einführung der CD-ROM wurde jedoch noch kein einheitliches Dateisystem spezifiziert. Statt dessen gab es anfangs Discs mit dem vom Macintosh stammenden HFS (Hierarchical File System). In den 80ern entwickelten CD-Produzenten auch eigene Dateisysteme speziell für die CD-ROM. Der Nachteil dieser unterschiedlichen Systeme ist, daß CDs entweder nur auf Macintosh-Rechnern liefen bzw. daß zur Nutzung von CDs unterschiedlicher Hersteller entsprechende Software vorhanden sein mußte [Ste93b].

19.1.2.7.1 ISO 9660

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde im ISO 9660-Standard ein einheitliches Dateisystem spezifiziert, das auf den unterschiedlichsten Rechnerplattformen durch entsprechende Software-Treiber verarbeitet werden kann. Durch ISO 9660 ist ein hierarchisches Dateisystem mit Verzeichnissen, Unterverzeichnissen und Pfaden definiert. Es sind maximal acht Verzeichnisebenen vorgesehen, und die Verzeichnisnamen können aus den Großbuchstaben ,,A`` bis ,,Z``, den Ziffern ,,0`` bis ,,9`` und dem Unterstrich ,,_`` bestehen. Dateinamen umfassen höchstens acht Zeichen für den Hauptnamen und drei Zeichen für die Extension (Interchange/Level 1). Neben dieser Norm erlaubt Interchange/Level 2 beliebig lange Dateinamen. Letztere wird jedoch nur selten benutzt. Durch die Anwendung der ISO 9660 ist es möglich, daß eine CD von verschiedenen Betriebssystemen gelesen werden kann. Dadurch kann ein Programm für unterschiedliche Betriebssysteme auf einer CD untergebracht werden, wie es z. B. bei Multimedia-Anwendungen oder - Präsentationen oft der Fall ist [Ste93b].

19.1.3 Struktur von CD-Standards

Jeder CD-Standard ist von der Struktur her ähnlich aufgebaut. Es gibt drei Bereiche, die einen Standard im wesentlichen charakterisieren und im folgenden erläutert werden [JK94].

19.1.3.1 Disc-Format

Hier wird festgelegt, wie die CD logisch aufgeteilt und verwaltet wird. Hierzu gehören der Lead-in-, Programm- und Lead-out-Bereich sowie die Frame-Struktur und Behandlung der Subchannels [JK94].

19.1.3.2 Anwendungsspezifische Themen

In diesem Bereich werden Merkmale bestimmt, die ein Standard bzgl. eines Anwendungsgebietes erfüllen muß (z. B. besondere Eigenschaften bzgl. der Wiedergabe von Medien wie Audio oder Video).

19.1.3.2.1 Kontrollsystem

In diesem Segment wird festgelegt, wie und welche Art von Tracks verwaltet werden können. Grundsätzlich gibt es Audio- und Daten-Tracks.

19.1.3.2.2 Anzeigesystem

Durch diesen Teil wird fixiert, wie die Subchannels R bis W behandelt werden.

19.1.3.2.3 Dateisystem

CDs, die Dateien beinhalten können, benötigen ein sog. Dateisystem, welches in diesem Bereich definiert wird.

19.1.3.2.4 Sektor-Layout

Abhängig von dem jeweiligen Anwendungsgebiet und dem damit verbunden CD-Standard wird hier die Struktur des verwendeten Sektorformats aufgeführt.

19.1.3.2.5 Datenrepräsentation

In diesem Bereich wird festgelegt, auf welche Weise Medien wie Audio, Graphik und Video sowie Programmcode durch Daten repräsentiert werden. Für Audio wird beispielsweise angegeben, ob PCM (Pulse Code Modulation) oder ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) verwendet wird. Bezüglich Audio, Graphik oder Video werden des weiteren Komprimierungsverfahren, Qualitätsstufen und Farbkodierungen aufgeführt [JK94].

19.1.3.3 Anwendungsunabhängige Themen

Attribute, die eine CD unabhängig von ihrer späteren Anwendung aufweisen muß, werden hier festgelegt.

19.1.3.3.1 Fehlererkennung und -korrektur

Auf welche Weise bestimmte Methoden zur Fehlererkennung bzw. -korrektur angewandt werden, wird hier im Zusammenhang mit dem Sektor-Layout festgelegt.

19.1.3.3.2 Modulation

An dieser Stelle wird festgelegt, wie eine Sequenz von Bits zusammengefaßt wird. I. d. R. wird ein Datenbyte durch 14/17 Channel-Bits repräsentiert (EFM).

19.1.3.3.3 Physikalische Charakteristika und Abmessungen

Hier werden physikalische Anforderungen und Eigenschaften spezifiziert. Dazu gehören Laserreflexion, optische Eigenschaften, Umdrehungszahl, Fehlerrate, Ausmaße der CD-Scheibe und der Aufnahmebereiche [JK94].

Nicht alle oben aufgeführten Themenbereiche erscheinen in jedem CD-Standard. Das Red Book enthält z. B. keine Angaben über ein Dateisystem oder ein Sektor-Layout. Einige Standards enthalten dagegen noch weitergehende Informationen. So beinhaltet z. B. das Green Book auch Systembeschreibungen, die u. a. ein Ein- /Ausgabe-Subsystem und ein Betriebssystem vorsehen [JK94].


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Dietrich Boles
1998-12-23