Beschreibbare CDs und DVDs
Als CDs in den 1980er Jahren populär wurden, wurden sie als reine Audio-CDs (CD-DA) verkauft, von denen man Musik abspielen, aber nicht aufzeichnen konnte. Es dauerte nicht lange, bis die Computerfirmen erkannten, dass sie CDs für den sehr billigen Vertrieb von Software (Programmen) verwenden konnten, und die normalen Computerbenutzer erkannten bald, dass CDs noch besser wären, wenn man darauf Musik und Daten schreiben und nicht nur lesen könnte.So wurden beschreibbare CDs (CD-Rs) entwickelt, aber der Haken war, dass sie nur einmal beschrieben werden konnten; man konnte sie nicht löschen und wiederverwenden.
Foto: Ein CD/DVD-Brenner/Wiederbeschreiber verfügt über einen wesentlich anspruchsvolleren Laser-Schreib-Lesekopf als ein gewöhnlicher CD/DVD-Player. Je nach Art des Abspielgeräts muss der Lese-/Schreibkopf in der Lage sein, normale CDs und DVDs, beschreibbare Disks und wiederbeschreibbare Disks zu lesen – er muss also wirklich mehrere ganz unterschiedliche Lese- und Schreibvorgänge durchführen können.
Wie funktioniert eine beschreibbare CD (CD-R)?
Wenn Sie zu Hause normale CDs herstellen wollten, müssten Sie theoretisch eine riesige und teure CD-Pressmaschine aufstellen – zum Glück brauchen Sie das nicht, denn beschreibbare CDs (CD-Rs) funktionieren ganz anders. Diesmal gibt es keine aufgedruckten Vertiefungen und Zwischenräume auf dem Kunststoff. Stattdessen befindet sich zwischen dem schützenden Polycarbonat und dem reflektierenden Aluminium eine Farbstoffschicht. Normalerweise ist der Farbstoff lichtdurchlässig: Laserlicht, das von einem CD-Spieler auf die Scheibe trifft, geht direkt hindurch, trifft auf das reflektierende Aluminium und prallt direkt wieder ab.
So weit, so gut, aber wie speichern wir Informationen auf einer solchen Compact Disc? Ein CD-R-Brenner hat einen Laser mit höherer Leistung als normal, der Hitze erzeugt, wenn er auf die Disc trifft, den Farbstoff „verbrennt“ und einen winzigen schwarzen Fleck hinterlässt.
Wenn später ein CD-Lesegerät seinen Laser auf diesen Fleck richtet, wird das Licht vollständig absorbiert und nicht zurück reflektiert. Dies zeigt an, dass an dieser Stelle eine Null („0“) auf der Disc gespeichert ist. An Stellen, an denen der Farbstoff nicht verbrannt ist, reflektiert das Laserlicht direkt zurück, was bedeutet, dass eine „1“ auf der Disc gespeichert ist. Sehen Sie, wohin das führt? Durch das Erzeugen von Bereichen mit „eingebrannten“ Punkten und anderen Stellen, an denen der Farbstoff nicht eingebrannt ist, erzeugt ein CD-R-Brenner ein Muster aus binären Nullen und Einsen, das zum Speichern von Informationen verwendet werden kann. Leider wird der Farbstoff, sobald er „eingebrannt“ ist, dauerhaft umgewandelt: Man kann ihn nicht mehr zurückverwandeln. Und deshalb kann man eine CD-R nur einmal beschreiben.
Illustration: Bei einer CD-R werden binäre Informationen als „verbrannte“ Bereiche (0) und nicht verbrannte Bereiche (1) in der Farbstoffschicht zwischen dem schützenden Polycarbonat und dem reflektierenden Aluminium gespeichert.
Wie funktioniert eine wiederbeschreibbare CD (CD-RW)?
Angenommen, Sie werden mit der Aufgabe betraut, einen Typ von Compact Disc zu entwickeln, der immer wieder beschrieben oder gelöscht werden kann. Es ist klar, dass Sie keine der bisher besprochenen Methoden anwenden können (die Pits-and-Lands-Methode von Nur-Lese-Audio-CDs oder die „gebrannte“-Farbstoff-Methode, die beiCD-Rs verwendet wird). Was man wirklich braucht, ist eine CD, die aus einer Substanz hergestellt ist, die leicht zwischen zwei verschiedenen Formen hin und her umgewandelt werden kann, so dass sie verwendet werden kann, um ein Muster von Nullen und Einsen zu speichern, dann gelöscht und später verwendet werden kann, um ein anderes Muster zu speichern, wenn es notwendig ist.
Die meisten von uns haben in der Schule gelernt, dass die Atome (oder Moleküle) in Flüssigkeiten, Gasen und Flüssigkeiten sich in verschiedenen Positionen anordnen, wobei die Atome in Festkörpern fest miteinander verbunden sind. Einige feste Stoffe sind komplexer: Ihre Atome (oder Moleküle) können auf zwei oder mehr verschiedene Arten angeordnet sein, die als feste Phasen bezeichnet werden. (Fester Kohlenstoff zum Beispiel kann in vielen verschiedenen Phasen vorliegen, darunter Graphit und Diamant). Das ist genau das, was wir brauchen, um eine CD-RW-Disc herzustellen.
Anstatt einer Farbstoffschicht hat eine CD-RW eine Schicht aus einer Metalllegierung, die in zwei verschiedenen festen Formen existieren und zwischen ihnen hin und her wechseln kann. Das nennt man Phasenwechsel- oder Phasenverschiebungsmaterial. Manchmal ist es kristallin, mit geordneten Atomen/Molekülen, so dass es lichtdurchlässig ist und Licht direkt hindurchdringen kann; ein anderes Mal sind die Atome/Moleküle in einer viel zufälligeren und ungeordneten Form durcheinander, die anamorpher Feststoff genannt wird, undurchsichtig ist und Licht blockiert. Wenn ein CD-RW-Laser auf dieses Material trifft, verändert er winzige Bereiche des Materials zwischen der kristallinen und der amorphen Form. Wenn er einen kristallinen Bereich erzeugt, macht er einen Teil der CD reflektierend und schreibt effektiv eine Eins („1“); wenn er einen amorphen Bereich erzeugt, macht er die CD nicht reflektierend und schreibt eine Null („0“).Da dieser Prozess beliebig oft wiederholt werden kann, kann man eine CD-RW so oft beschreiben und wiederbeschreiben, wie man will!
Illustration: Bei einer CD-RW werden binäre Informationen als Bereiche einer Metalllegierung gespeichert, die entweder kristallin oder amorph sind. Kristalline Bereiche haben eine regelmäßige Struktur, die das Licht bis zum Aluminiumbereich durchlässt und wieder zurückreflektiert, wodurch Einsen gespeichert werden. Amorphe Bereiche haben eine zufällige Struktur, die das einfallende Laserlicht streut, so dass es nicht zurückreflektiert werden kann, wodurch Nullen gespeichert werden. Ein CD-Brenner kann die Metalllegierung auf der CD von einer Form in die andere und wieder zurück verwandeln, weshalb diese Art von Disc viele Male gelöscht und wiederbeschrieben werden kann.
Andere Arten von CDs
CDs wurden ursprünglich nur zum Speichern von Musik verwendet. Auf jeder Scheibe konnten 74 Minuten Stereoton gespeichert werden – mehr als eine typische LP-Schallplatte. In den 1990er Jahren wurde die CD-Technologie auch für die Speicherung von Computerprogrammen, Spielen und anderen Informationen populär. Das PhotoCD-System von Kodak (eine Möglichkeit, bis zu 100 Fotos auf einer Compact Disc zu speichern) wurde ebenfalls in den 1990er Jahren auf den Markt gebracht.
Die ursprüngliche Form der Computer-CD wurde CD-ROM (CD-Read Only Memory) genannt, da die meisten Computer nur Informationen von ihr lesen (und keine Informationen auf ihr speichern) konnten. Damals brauchte man ein separates Gerät, einen „Brenner“, um seine eigenen CDs zu beschreiben, die oft als WORM (Write Once Read Many) bezeichnet wurden. Heute ist es üblich, dass Computer CD-R- oder CD/RW-Laufwerke zum Brennen eigener CDs haben, obwohl die meisten neuen Computer jetzt stattdessen DVD-Laufwerke haben.
Der Unterschied zwischen CDs und DVDs liegt in der Menge der Informationen, die sie speichern können. Auf einer CD können 650 Megabyte (eine Million Zeichen) an Daten gespeichert werden, während auf einer DVD mindestens 4,7 Gigabyte (Tausend Megabyte) Platz finden, also etwa siebenmal mehr. Da DVDs die gleiche Größe wie CDs haben und siebenmal mehr Informationen speichern, müssen die Nullen und Einsen (oder Pits und Lands) auf einer DVD entsprechend kleiner sein als auf einer CD. Die neuesten optischen Discs verwenden eine Technologie namens Blu-ray, um sechsmal mehr Daten als DVDs oder 40-mal mehr als CDs zu speichern (siehe Kasten unten für eine vollständige Erklärung).
Foto: Die CD hat uns in die digitale Musik eingeführt, aber jetzt wird sie von MP3-Playern und digitalen Downloads verdrängt. Und warum? Sehen Sie nur, wie schwer es ist, ein Dutzend CDs in der Hand zu halten. Selbst ein 20-GB-MP3-Player von Apple kann ohne mit der Wimper zu zucken 400-500 CDs speichern – und er passt in jede Hemdtasche! Abgesehen davon wird ein Musiktitel auf CD immer besser klingen als die entsprechende MP3-Version, und zwar aus Gründen, die wir in unserem Artikel über MP3-Player und digitale Musik erläutern.
Mehr über diese Nullen und Einsen
Es ist schön und einfach, CDs zu erklären, indem man sagt, dass die Vertiefungen den Nullen und die Böden den Einsen entsprechen, aber das ist nicht wirklich wahr.Die Informationen auf einer CD werden auf viel subtilere Weise kodiert, wobei komplexe und ausgeklügelte Datenkodierungstechniken zum Einsatz kommen, darunter die Acht-zu-Vierzehn-Modulation (EFM) und die NRZI-Kodierung (Non-Return-to-Zero Inverted). Das klingt sehr technisch, ist aber nicht allzu schwer zu verstehen. EFM bedeutet im Grunde nur, dass kurze Datenmuster in längere umgewandelt werden (paradoxerweise), um sie effizienter und mit geringerem Fehlerrisiko zu speichern. NRZI bedeutet, dass der Laser nicht einzelne Lands und Pits liest, sondern auf Veränderungen zwischen einem Pit und einem Land oder auf lange Strings von Pits und Lands achtet und diese in Einsen und Nullen umwandelt. Wenn er zum Beispiel ein langes Pit liest und plötzlich auf ein Land stößt, wird dies als eine Eins interpretiert. Wenn es ein Land liest und plötzlich auf eine Grube stößt, wird dies ebenfalls als eine Eins interpretiert. Andererseits werden unveränderliche Bereiche von Land oder Pits beide als Nullen interpretiert.
Artwork: Wie Pits und Lands Nullen und Einsen auf der Oberfläche einer CD kodieren. Der Übergang von Pit zu Land oder Land zu Pit kodiert eine Eins; eine ununterbrochene Länge von Pit oder Land kodiert eine Null.
Warum diese Art von Techniken anstelle der einfachen Methode „Pit gleich Null, Land gleich Eins“, die ich oben beschrieben habe? Sie nutzt den Platz auf der Disc effizienter (so dass wir mehr Daten auf eine Disc packen können), vermeidet die Notwendigkeit sehr kurzer oder langer Pits oder Lands und minimiert die Bedeutung von Bits, die durch Kratzer oder Schmutz verloren gehen (und hilft so, Fehler zu korrigieren). Solange Sie nicht Ihren eigenen CD-Player bauen oder mit Datenkommunikation herumspielen, müssen Sie nicht genau wissen, wie Ihre Daten auf einer CD oder DVD gespeichert werden. Wenn Sie sich also vorstellen, dass Pits Nullen und Lands Eins sind, ist das eine perfekte Annäherung an das, was passiert – und alles, was die meisten von uns wissen wollen. (Weitere Einzelheiten finden Sie im Abschnitt über Datenkodierung im Compact Disc Handbook von Ken C. Pohlmann, ab Seite 74.)
Wer hat die CD erfunden?
Die Technologie hinter der CD wurde in den späten 1960er Jahren von James T. Russell (1931-) erfunden. Als begeisterter Musikfan suchte er nach einem Tonaufzeichnungssystem, das die Musik genauer wiedergibt als LP-Schallplatten und Kassettenbänder. Er ließ das erste optische Tonaufzeichnungssystem 1970 patentieren und entwickelte es in den folgenden Jahren weiter. Audio-CDs kamen 1982 in Europa auf den Markt, auf den Markt gebracht von den Elektronikkonzernen Sony und Philips, und ein Jahr später auch in den Vereinigten Staaten. CD-ROMs wurden in den 1990er Jahren populär, als Verlage wie Encyclopedia Britannica, Broderbund und DorlingKindersley populäre „Multimedia“-Enzyklopädien mit geschriebenem Text, Ton, Bildern, Animationen und Videos herausbrachten. Heute sind CD-ROMs weniger populär, dank des World Wide Web (WWW), das es einfacher macht, Informationen sofort zu veröffentlichen und zu aktualisieren und Seiten aus vielen verschiedenen Quellen miteinander zu verknüpfen.