Audio-Technik Grundlagenwissen vom Spezialisten

Die Audio-Compact Disc wurde im Laufe der 1970er Jahre unter Federführung der Firmen Philips und Sony entwickelt. Die ersten Hardware Prototypen konnte Philips 1979 in Europa vorstellen, ein Jahr später im Juni 1980 gaben Sony und Philips ihren neuen CD-Standard offiziell bekannt.

Seriengeräte zu vernünftigen Preisen wurden allerdings erst möglich, als Sharp im Jahr 1981 die Massenproduktion des Halbleiterlasers gelang. 1983 konnten Sony und Philips ihre ersten Seriengeräte in Europa vorstellen. Die erste für den Endverbraucher erhältliche Komponente war der Philips CD-Player CD 100, der damals um 1000,-Euro kostete. Die Audio-Compact Disc verbreitete sich seit damals gewaltig, so dass CD-Player heute zum gewöhnlichen Massenprodukt geworden sind. Mittlerweile können CD-Player ab 50,-Euro erworben werden. Der folgende Text beschäftigt sich mit der digitalen Aufnahmetechnik, die auf der Audio-CD eingesetzt wird, und der Herstellung der Tonträger.

Digitale Datenspeicherung auf Audio-Compact Discs
 
Das Ziel der Technik, die hinter der Audio-CD steckt, ist eine möglichst originalgetreue Reproduktion von Musikdaten. Anders als bei der Schallplatte, das bekannteste Speichermedium vor der Compact Disc, werden die Musikinformationen nicht analog, sondern digital gespeichert. Die Analogtechnik birgt viele Fehlerquellen, die sich vor allem in schlechter Dynamik, geringem Rauschabstand oder Übersprechen zwischen den Kanälen bemerkbar machen. Transformiert man das analoge Signal in Digitalinformationen, so können wesentlich preisgünstigere und dabei effizientere Störunterdrückungsmechanismen sowie Übertragungsvarianten angewendet werden.

Digitalisierung der analogen Musiksignale
Die Wandlung der Musiksignale vom Analogen ins Digitale erfolgt heute in der Regel bereits bei der Aufnahme. Schallwellen werden mittels Mikrophon in elektrische Signale umgewandelt. Anschließend erledigt ein integrierter Chip mit der Bezeichnung analog-to-digital converter (Analog-Digital-Wandler, kurz ADC) die Digitalisierung des Signals.


Zunächst soll kurz darauf eingegangen werden, welcher Unterschied zwischen einem analogen und digitalen Signal eigentlich besteht. Analog bedeutet in der Systemtechnik zeit- und wertkontinuierlich. Das heißt nichts anderes, als dass zu jeder beliebigen Zeit t ein Signal vorhanden ist und dieses Signal zum Zeitpunkt t jeden beliebigen Wert annehmen kann. Ist das Signal eine elektrische Spannung, so kann theoretisch zu jedem beliebigen Zeitpunkt ein Spannungswert zwischen minus unendlich Volt und plus unendlich Volt gemessen werden (natürlich auch 0V).

Ein digitales Signal ist dagegen sowohl zeit-, als auch wertdiskret, d.h. es liegt nur zu bestimmten Zeitpunkten eine Spannung an, die dann auch nur ganz bestimmte Werte annehmen kann, beispielsweise nur 10 verschiedene Werte. Bei der Veranschaulichung hilft auch die folgende Skizze:


Die Digitalisierung der analogen Welle erfolgt heute bei der CD durchweg mit der sogenannten Pulse Code Modulation (PCM). Grob gesagt wandelt diese Technik ein zeit- und wertkontinuierliches in ein digitales, also ein zeit- und wertdiskretes Signal um und kodiert dieses anschließend in Binärzahlen. Dazu teilt man die Aufgabe in drei Bereiche ein. Die Zeitdiskretisierung wird durch das sogenannte Sampling erreicht, die Wertdiskretisierung durch die Quantisierung. Anschließend folgt eine Codierungsstufe. Quantisierung und Codierung werden dabei unter der oben schon erwähnten Bezeichnung Analog-Digital-Umsetzer oder -Wandler zusammengefasst. Auf diese drei Hauptmerkmale von PCM soll im Folgenden näher eingegangen werden.

Beim Sampling wird das vorher durch einen Tiefpass bandbegrenzte analoge Signal abgetastet, das heißt, dass in festgelegten Zeitabständen identischer Länge (z.B. jede Millisekunde) der just in diesem Augenblick erreichte Spannungswert der Originalfunktion gemessen wird. Wichtig sind hier die Länge der Zeitabstände, die durch das Abtasttheorem von Shannon festgelegt ist. Diese Gesetzmäßigkeit besagt, dass das analoge Signal mindestens mit dem Doppelten seiner höchsten Frequenz ( f_max ) abgetastet werden muss. Hätte die analoge Funktion beispielsweise ihr Maximum bei 2kHz, so müsste man das Signal mit einer Frequenz von mindestens 2 x f_max = 2 x 2kHz = 4kHz abtasten. Die Spannung müsste also auf jeden Fall 4000 mal pro Sekunde gemessen werden. Wird das Abtasttheorem nicht eingehalten und liegt die Samplingfrequenz unterhalb f_max, so spricht man von Unterabtastung. Das Gegenteil ist beim Oversampling der Fall: das Original wird hier mit höherer Frequenz als von Shannon gefordert abgetastet. Liegt die Abtastrate genau bei 2f_max, so wird sie auch als Nyquist-Rate bezeichnet.

Das Problem bei Abtastung mit einer Frequenz unterhalb der Nyquist-Rate liegt im sogenannten Aliasing. Durch die Abtastung entstehen links und rechts der analogen Funktion sich wiederholende Aliasfunktionen, die identisch sind mit der Originalfunktion, nur eben entsprechend auf der horizontalen Zeitachse verschoben.
 

 

Diese Aliasfunktionen müssen bei der Reanalogisierung im CD-Player herausgefiltert werden, was mit Hilfe von Tiefpassfiltern geschieht. Bei Unterabtastung liegt das Problem darin, dass sich die Originalfunktion und die ersten Aliasfunktionen überlappen (im Bild der blaue Bereich). Im Bereich der Überlappung werden dem analogen Original daher Aliasreste hinzugefügt. Original und Alias interferieren, was in den bekannten Aliasverzerrungen (Aliasing) resultiert.

Oversampling dagegen ist ein Effekt, den man sich zu Nutze machen kann. Die Aliasfunktionen wandern nämlich mit steigender Abtastfrequenz zunehmend weiter weg vom Original. Tastet man genau mit der Nyquist-Rate ab, so benötigt man ein sehr steiles Tiefpassfilter, genau genommen eines mit unendlicher Flankensteilheit. In der Praxis ist ein solches Filter natürlich nicht denkbar. Tastet man aber mit einer Frequenz größer als 2f_max ab, so entsteht zwischen Original und Alias ein Bereich, in dem keinerlei Signal vorliegt. Hier kann die Flankensteilheit entsprechend geringer ausfallen, was günstigere Filter zur Folge hat. Mittig im obigen Bild ist ein reales Tiefpassfilter in violett dargestellt.

Bei der Audio-CD muss ein Frequenzbereich von etwa 20Hz bis 20kHz übertragen werden. Diesen Bereich kann das menschliche Gehör wahrnehmen. Die höchste Frequenz des Analogsignals beträgt also 20kHz. In der Theorie würden 40kHz Samplingfrequenz für eine perfekte Wiedergabe ausreichen. Aufgrund der oben beschriebenen Probleme mit der Flankensteilheit von Tiefpassfiltern, wird das analoge Original bei der CD aber standardmäßig mit 44,1kHz abgetastet.

Durch das Sampling wird aus dem zeit- und wertkontinuierlichen analogen Signal ein zeitdiskretes und wertkontinuierliches Signal. Um die Digitalisierung zu vervollständigen müssen auch die Spannungswerte noch diskretisiert werden. Diese Diskretisierung wird auch als Quantisierung bezeichnet. Die Quantisierung sorgt für eine Rundung der gemessenen Spannungsamplituden. Im Bild erfolgt diese Rundung auf ganzzahlige Spannungswerte:

 

 

Aufgrund der vorgenommenen Rundung entstehen natürlich Rundungsfehler, die man auch als Quantisierungsfehler bezeichnet. Der Vorteil von sehr grober Rundung (als extremes Beispiel mag wieder die Rundung auf ganze Spannungswerte herhalten) ist die geringe Anzahl an Messwerten, was später bei der Speicherung der digitalen Daten zu geringem Speicherbedarf führt. Der Nachteil liegt natürlich im großen Quantisierungsfehler. Hier muss ein vernünftiger Kompromiss zwischen Speicherbedarf und Wiedergabequalität gefunden werden.

Dem Codierer obliegt die Aufgabe die erhaltenen quantisierten Spannungswerte in Binärzahlen zu kodieren. Dabei richtet sich die Anzahl der Binärstellen nach der Anzahl der Quantisierungsstufen, also der Anzahl der Werte. Lägen 8 Werte vor, so würde eine entsprechende Codetabelle folgendermaßen aussehen:

 

 

Um 8 Werte zu kodieren werden also 3 Bit benötigt. Ein Bit ist dabei eine Informationseinheit, die entweder den Wert "0" oder "1" erhalten kann. Um eine highfidele Musikwiedergabe zu erhalten, wird bei der Audio-CD die 16 Bit Kodierung angewendet. Die dadurch nötigen Spannungswerte, die aus der Quantisierung gewonnen werden, errechnen sich über 2¹⁶ = 65536. Bei der 16 Bit Kodierung können also 65536 unterschiedliche Spannungswerte unterschieden werden.

Aus dem Werteumfang von 65536 Einzelspannungswerten kann die ungefähre Dynamik des Systems bestimmt werden. Als Dynamik bezeichnet man den größten Lautstärkeabstand zwischen Nutzsignal und Fehlersignalen wie Rauschen. Die Dynamik liegt bei der 16 Bit Audio-CD bei etwa 96dB. Dabei wird die Dynamik theoretisch vom Quantisierungsrauschen, den Rundungsfehlern während der Quantisierung begrenzt. In der Praxis kommt noch das heutzutage extrem niedrige thermische Rauschen der Halbleiter hinzu.

Moderne Produktionen arbeiten bisweilen auch mit höheren Quantisierungen und damit aufwendigerer Codierung. Beispielsweise können Musiksignale mit 18, 20 oder gar 24 Bit gespeichert werden. Bei 18 Bit kann das analoge Original entsprechend mit 2¹⁸= 262 144 Spannungswerten nachgebildet werden, bei 24 Bit erreicht man bereits einen Wertumfang von 16 777 216. Bei einer Auflösung von 24 Bit wird eine enorme Dynamik von 144dB erreicht. Aufgrund des hohen Speicherbedarfs werden diese Codierungen in erster Linie bei den neuen Medien DVD-Audio und SACD verwendet. Eben diese Medien bieten auch einen deutlich erweiterten Frequenzbereich, was an der höheren Samplingfrequenz von bis zu 192kHz liegt. Nach dem Abtasttheorem ist hier ein Frequenzgang von bis etwa 90kHz zu erwarten. Der erweiterte Frequenzbereich und die feinere Auflösung aufgrund der höheren Quantisierungsrate sollen subtile Feinheiten des Klanggeschehens noch besser herausarbeiten.

Die Digitalisierung der analogen Originalfunktion mittels PCM hat also binäre Datenworte der Länge 16 Bit hervorgebracht. Diese binären Worte werden der Reihe nach in Form von Erhöhungen und Vertiefungen, sogenannter Pits and Lands auf die CD geschrieben. Ein Pit bezeichnet die logische "1", ein Land eine logische "0". Auf diesen Vorgang der Herstellung der Compact Disc soll im Folgenden näher eingegangen werden.

Herstellungsprozess der Compact Disc

Ziel bei der Entwicklung der Compact Disc war ein kleiner, portabler und pflegeleichter Datenträger. Diesem Ziel kommt die heutige kleine Silberscheibe am nächsten. Das Standardverfahren, mit dem die CD heute hergestellt wird, ist unter der englischen Bezeichnung Standard Stamper-Injection Molding bekannt und stellt eine Weiterentwicklung der Herstellungstechnik für Schallplatten dar.

Bei diesem Verfahren wird zunächst ein Glasmaster aus einer hochpolierten 6mm dicken Glasscheibe mit einem Durchmesser von 24mm hergestellt. Dazu wird diese Scheibe mit einer Photo-Resist-Schicht überzogen. Dieses Überziehen erfolgt durch Auftragen des Photo-Resist-Materials in der Mitte der Scheibe. Anschließend lässt man die CD rotieren. Wie in einer Zentrifuge verteilt sich so das aufgebrachte Material gleichmäßig auf der CD. Dabei ist die Dicke der Photo-Resist-Schicht abhängig von der verwendeten Rotationsgeschwindigkeit der Glasscheibe. Damit die Schicht an der Glasscheibe haftet, wird als "Klebstoff" Chrom oder eine salzhaltige Verbindung verwendet. Die Dicke der Photo-Resist-Schicht wird von der Tiefe der später vorhandenen Pits vorgegeben. Um die Vertiefungen später optimal mit dem Laser auslesen zu können, muss die Tiefe mindestens 25% der Wellenlänge des Laserlichtes betragen. Im Fall der CD sind das 195nm 1 Angström ( = 10^-10m ). Nach dem Aufbringen der Photoschicht wird die Scheibe in einem Ofen getrocknet.

 

Nun wird die Glasscheibe der CD-Mastering-Maschine übergeben. Hier wird die Glasscheibe mit konstanter Datengeschwindigkeit (constant linear velocity = CLV) rotiert. Konstante Datengeschwindigkeit bedeutet, dass die Daten so auf die Disc geschrieben werden, dass der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Pits und Lands später beim Auslesen gleich ist. Um das zu bewerkstelligen, muss der physische Abstand zwischen den Informationseinheiten am Rand der Disc länger sein als in der Mitte, schließlich drehen sich Punkte weit entfernt von der Drehachse schneller, als nahe an der Drehachse gelegene. Wäre der Abstand überall gleich, so würden die Punkte am Rand der Disc schneller hintereinander ausgelesen, als Punkte in der Mitte der Scheibe.

Hauptbestandteil der Aparatur ist ein Argon- oder Helium-Cadmium-Laser mit einer Wellenlänge von 442 oder 458nm. Dieser Laser wird spiralförmig von der Mitte der Disc bis zu deren Rand geführt. Dabei werden die Bereiche belichtet, die später einmal Pits werden sollen. Die Stellen für Lands lässt der Laser unbelichtet. Nach dem Brennvorgang wird die CD in wässriger Alkalilösung entwickelt und anschließend mehrmals mit deionisiertem Wasser gespült.

Da das Glasmaster zu zerbrechlich ist, um als Pressmatrize zu dienen, wird auf galvanischem Weg eine exakte Negativkopie angefertigt. Für die galvanische Weiterbearbeitung muss die Glasdisk allerdings elektrisch leitfähig sein. Darum wird sie mit einer dünnen Metallschicht überzogen (meißtens Silber oder Nickel). Anschließend erfolgt ein Bad in Nickel, wobei die Glasscheibe an eine Kathode angeschlossen wird. Das Bad liegt entsprechend an einer Anode. Schickt man nun Strom durch die Anordung, so wird Nickel am Glasmaster abgeschieden. In einer Stunde wägst die Nickelschicht auf etwa 0,3mm. Auf diese Weise entsteht eine Negativkopie des Glasmasters aus Nickel, das sogenannte Metal-Master oder der "father" (Vater).

Bei der Herstellung des Metal-Master wird das Glasmaster zerstört. Das liegt daran, dass die Photo-Resist-Schicht durch das Bad im Nickel stark angegriffen wird. Der father muss nach dem Nickelbad mit Aceton oder anderen Lösungsmitteln behandelt werden, um Reste der Photoschicht abzuwaschen.

Mit dem auf diesem Weg gewonnen Metal-Master könnten bereits CDs gepresst werden. Um aber auf mehreren Maschinen gleichzeitig pressen zu können und um die bisher einzige Pressmatrize zu schonen, werden vom father nochmals bis zu 50 weitere Kopien angefertigt. Dazu wird zunächst ein genaues Abbild des fathers mit der oben beschriebenen Technik des Galvanisierens hergestellt. Ein solches Abbild wird im Fachjargon auch als "mother" (Mutter) bezeichnet. Da eine mother allerdings eine Positivkopie des Glasmasters ist, kann mit ihr nicht gepresst werden. Es muss von der mother nochmals ein Negativabbild geschaffen werden. Erst diese, auch als "son" (Sohn) bezeichnete Schablone kann als Pressmatrize eingesetzt werden. Zuvor wird sie allerdings gereinigt und in Form gebracht. Die Rückseite wird poliert und die Kanten begradigt. Außerdem erhält bereits der son ein auf 1 Mikron exakt mittig gestanztes Zentrierloch.

 

 

 

Ist der Sohn fertig vorbereitet, so kann mit der Pressprozedur begonnen werden. Als Pressmaterial wird ein technischer Thermoplast namens Polycarbonat verwendet. Dieses Material basiert auf der chemischen Verbindung Bispenol A (siehe Bild links). Die Vorteile von Polycarbonat liegen in der extremen Härte und der weitgehenden Unempfindlichkeit gegen organische und anorganische Substanzen. Um den Einschluss von Luftblasen während der Pressung auszuschließen, wird das Material in einem Ofen mindestens vier Stunden lang getrocknet. Anschließend werden unter hoher Temperatur und hohem Druck mit Hilfe der Pressmatrize die Pits und Lands in die Polycarbonatmasse gepresst. Die Apparatur besitzt dabei eine Geschwindigkeit von etwa einer CD alle 12 Sekunden.

Nach dem Pressvorgang wird reflektierendes Aluminium (bisweilen auch Gold) im Vakuum auf die Informationsfläche der Disc aufgetragen. Erst dadurch kann der Laser, der später die CD abtastet, die Lands von den Pits unterscheiden. Er wird durch das Polycarbonat hindurch auf die Aluminiumschicht treffen und von den Lands reflektiert, sowie von den Pits gestreut.

Der letzte Schritt bei der CD-Herstellung ist die Versiegelung der Metalloberfläche mit einer Acrylschicht. Das Acryl wird von einer UV-Lampe getrocknet, ebenso wie das auf die Acrylschicht gedruckte CD-Label.