Die CD. Enrico Schmidt

Transkript

1 Die CD Enrico Schmidt

2 1 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis2 2 Vorwort3 21 Allgemeines3 3 Die CD Herstellung3 31 Allgemeines3 32 Die Herstellung3 34 Wie kommen die Daten auf die CD?4 341 Überblick über die Datenraten und Framegröße einer CD-DA4 4 Technische Daten des Compact-Disc-Systems5 41 Physikalische Parameter5 42 Spezifikationen des Digitalen Bereichs einer CD5 43 Spezifikation des Optischen Systems6 5 CD- Formate und CD- Strukturierung7 51 Allgemeines7 52 CD-ROM Modi8 53 Subchanneldaten9 531 Der Kanal P Der Kanal Q Beispiele für Codierung der Kanäle P und Q Die Kanäle R bis W14 54 Verletzung der Spezifikation durch Veränderung der Subchanneldaten?14 6 Frames14 61 Allgemeines14 62 Aufgabe14 63 Basisframestruktur und erweiterte Framestruktur15 64 Endgültige Framestruktur15 65 Taktrückgewinnung16 7 Cross Interleave Reed-Solomon Code (CIRC)16 71 Allgemeines über Fehlerkorrektur und Fehlererkennung16 72 Fehlerbehebung & Fehlerverdeckung17 73 Unterschied zwischen CD-DA und CD-ROM19 74 Vorteile CIRC20 75 Nachteile CIRC20 8 EFM (Eight -to -Fourteen -Modulation)20 81 Allgemeines über EFM20 82 Funktionsweise EFM- Codierung20 83 Erklärendes Beispiel22 84 Unterschied zwischen CD-DA und CD-ROM23 85 Vorteile EFM23 86 Nachteile EFM23 87 Anforderungen Kanalcodierung23 9 Quellenangabe24 10 Anhang Programmablaufplan für Auswahl der Mergin-Bits24 2

3 2 Vorwort 21 Allgemeines Die 1982 eingeführte CD revolutionierte den Audio- Consumer- Bereich nachhaltig Sie war der erste digitaler Massenspeicher für Audiodaten Die Ausdehnung dieses Mediums auf andere Bereiche ist nur konsequent Dieser Bericht gibt ein Überblick zur CD Technologie Es werden einige Funktionsweisen besonders herausgestellt und erläutert Ein Anspruch auf Vollständigkeit wird nicht erhoben, da dies ganze Bücher füllen und den Umfang sprengen würde Weiterhin werden einige Probleme aufgezeigt, die sich über die Jahre seit der Einführung herauskristallisiert haben 3 Die CD Herstellung 31 Allgemeines Dies soll keine wissenschaftliche Abhandlung sein, sondern nur eine kleine Übersicht über die Herstellung einer CD bzw DVD Dieses Kapitel ist nur zum Verständnis der später von uns beschriebenen Ansätze 32 Die Herstellung Der Herstellungsprozess kann, wie folgt beschrieben werden: - Auftragen von Fotolack auf den Glasmaster - Belichten der Fotolackschicht mit Hilfe des Laser Beam Recorder - Entwickeln der Fotoschicht - Beschichten mit Silber - Herstellung des Vaters (Negativ des Glasmasters) Kann schon zum Pressen verwendet werden (Kleinserien) - Herstellung von Mutter (Negativ des Vater) und Sohn (Negativ der Mutter) - Pressen des CD-Rohlings (Polycarbonat) mit Hilfe von Sohn bzw Vater - Aufdampfen einer Metallschicht - Auftragen eines Schutzfilms Die CD ist nun fertig, was jetzt fehlt ist noch ein Labeldruck und eine Verpackung 3

4 34 Wie kommen die Daten auf die CD? Dies ist ein kleiner Überblick über die einzelnen Baugruppen, die von der Aufnahme bis zum entgültigen Speichern der Daten auf einer CD benötigt werden (CD-DA) Bandbegrenzung S & H ADU 16bit 441 KHz MUX 12x16bit (24x8bit) CIRC Bandbegrenzung S & H ADU 16bit Timing 1Frame(138µs) = 588 Kanalbits Kanalcodierung (EFM) MUX 32x8bit Sync generation Abbildung 1 : Gesamtsystem Control & Display encoding Als erstes werden die Daten (Musik oä) verstärkt, bandbegrenzt (anti-aliasing), abgetastet und analog digital gewandelt Die Abtastung erfolgt mit 441 khz und ein Abtastwert wird in ein 16bit Wort umgewandelt Nun werden 12 Wörter zusammengefasst auf 12 parallelen Leitungen Im nachfolgenden Fehlercoder werden erst die 12 parallelen Leitungen in 24 umgewandelt Es werden noch 8 Paritätswörter hinzugefügt Die 32 parallelen Wörter und 8 Bit für Kontroll- und Displayfunktionen werden in ein serielles Signal zusammengefasst (Frame) Als letztes werden diese Daten noch EFM - moduliert und noch mit dem Synchronisationsmuster versehen Diese Daten können nun auf einer CD gespeichert werden 341 Überblick über die Datenraten und Framegröße einer CD-DA Datenraten: 1, 4113 Mbit s CIRC 1,8816 Mbit s Control & Display 1,9404 Mbit s EFM 4,3218 Mbit s Framegröße: 12 16=192 bit Frame CIRC 32 8=256 bit Frame Control & Display 33 8=264 bit Frame EFM =588 bit Frame 4

5 4 Technische Daten des Compact-Disc-Systems 41 Physikalische Parameter Spielzeit: 74 min oder 60 min Plattendurchmesser: 120 mm Innenlochdurchmesser: 15 mm Aufzeichnungsbereich: 46mm - 117mm Datenbereich: 50mm - 116mm Plattendicke: 1,2 mm Material: transparent mit Brechungsindex 155, meist Polycarbonat aufgezeichnetes Signal: Kanaldatenrate 4,3 Mbit/s Drehrichtung: gegen Uhrzeigersinn Spurlage: spiralförmig, innen nach außen Abtastgeschwindigkeit: 1,2 m/s - 1,4 m/s Spurabstand: 1,6 µm Max Pitlänge: 3,05 µm 3,56 µm Min Pitlänge: 0,833 µm 0,972 µm Pitbreite: 0,5 µm Pittiefe: 0,11 µm 42 Spezifikationen des Digitalen Bereichs einer CD Abtastfrequenz (CD-DA): 44,1 khz Quantisierung(CD-DA): 16 Bit linear (simultan alle Kanäle) Kanaldatenrate: 4,3218 Mbit/s Signaldatenrate: 3,0338 Mbit/s Audiodatenrate(CD-DA): 1,4112 Mbit/s Kanalcodierung: EFM- Kodierung (NRZ Kodierung) Fehlerkorrektur: CIRC (25% Redundanz) Verhältnis Audio-Kanal- Datenrate: ca 1:3 Emphasis(CD-DA): ohne bzw 50/15 µs db/dek 0 f1 τ1=50µs f2 τ2=15µs Abbildung 2 : Emphasis f 5

6 43 Spezifikation des Optischen Systems Standardwellenlänge: 780 nm Schärfentiefe: +-2 µm Die Informationen auf einer CD, die so genannten Daten, sind auf einer spiralförmig nach außen verlaufenden Spur angeordnet, sie belegen maximal 85% der CD-Gesamtfläche Pits und Lands bilden mit ihren Abmessungen und Übergängen einen seriellen digitalen Code, der die gespeicherte Information repräsentiert Auf einer Audio- CD können maximal 99 Musiktitel (Tracks) gespeichert werden, dazu hat jede CD ein Inhaltsverzeichnis (TOC, table of contents) und einer der Information eingelagerten Fehlerkorrektur, Displayanzeige, Zeitund Ablaufsteuerung CD- Text und weitergehende Informationen können optional aufgebracht werden Die Abtastung der CD erfolgt kontaktlos über einen der Spur nachgeführten Laser-Interferenzdetektor von der spiegelnden Unterseite her Die Taktfrequenz der ausgelesenen Daten hängt von der Drehzahl der CD ab (bei CD-DA), diese wird zugunsten einer konstanten Datentaktrate für nach außen fahrendes Abtastsystem gedrosselt, so dass sich eine konstante Lineargeschwindigkeit (CLV) ergibt 6

7 5 CD- Formate und CD- Strukturierung 51 Allgemeines Die Oberfläche einer CD ist in 3 Teile untergliedert, Lead- In Bereich, Programm Bereich und Lead- Out Bereich Die CD-DA ist mit einer spezifischen Anwendung gekoppelt Im Programm Bereich dürfen nur Audiodaten stehen, die aus 16 Bit Wörtern bestehen und in Zweierkomplementdarstellung gespeichert sind Im Gegensatz dazu ist die CD-ROM nicht mit einer spezifischen Anwendung verbunden Die Art der Daten, die im Programmbereich stehen, ist nicht definiert Das am häufigsten genutzte Format ist das ISO 9660, das von der High Sierra Group als Standard- Filesystem eingeführt wurde ISO 9660 Level 1 definiert Namen in der 8+3 Konvention, ähnlich dem Standard im MS- DOS: 8 Zeichen für die Dateibezeichnung und 3 Zeichen für den Dateityp getrennt durch einen Punkt Alle Zeichen müssen geschiftet sein, erlaubt sind A-Z, 0-9, "", und "_" Level 1 ISO 9660 fordert außerdem, dass eine Datei eine bestimmte Zahl zusammenhängende Sektoren belegt Das erlaubt es eine Datei genau zu spezifizieren anhand eines Startblocks und eines Zählers Die Verzeichnistiefe ist auf 8 beschränkt ISO 9660 Level 2 ermöglicht größere Flexibilität in der Bezeichnung von Dateinamen, ist aber nicht nutzbar auf einigen Systemen, vor allem im MS-DOS ISO-9660 Level 3 ermöglicht auch nicht zusammenhängende Dateien, nützlich bei Dateien, die in mehreren Datenpaketen geschrieben wurden Die Austauschformate ISO 9660 Level 2 und Level 3 sind bei der Namensgebung wenig oder nicht eingeschränkt, sind aber sehr selten Es gibt eine Vielzahl von Erweiterungen des ISO 9660 CD-ROM File- Formates, die wichtigsten sind: Microsofts Joliet Spezifikation wurde geschaffen, um eine Anzahl von Defizite im original ISO 9660 Dateisystem zu lösen Besonders die Unterstützung von langen Dateinamen in Windows 95 und folgenden Versionen Das Rock Ridge Interchange Protocol (RRIP), welches eine Erweiterung der ISO 9660 Standard ist, erlaubt das Aufzeichnen von genügend Informationen in der Semantik des POSIX Datei System Der Anwendungsbereich der ISO 9660 ist begrenzt auf die Bereitstellung der Kompatibilität der CD-ROM zwischen verschiedenen Computersystemen Der Vorteil von ISO 9660 besteht also darin, dass verschiedene Computersysteme Daten von ein und derselben CD lesen können Frames bestimmen viele weitere Abläufe im CD-Player Sie enthalten Informationen zur Fehlerverarbeitung, Synchronisation und Subcode Hier nur ein grober Überblick, näher wird dann in den einzelnen Abschnitten darauf eingegangen Je sechs 16bit-Werte des rechten und linken Kanals (bei CD- DA) werden zu einem Block von vierundzwanzig 8bit-Wörtern, Symbole genannt, umgruppiert Den 24 Symbolen werden Fehlerkorrekturcodes hinzugefügt und verschachtelt Dann werden noch Kontrollinformationen eingearbeitet, die zur Zeit- und Ablaufsteuerung dienen Letztendlich werden die Daten mit der EFM umgewandelt, die einzelnen Symbolwörter mit Mergin-Bits gekoppelt und mit einen Synchronisationswort versehen Ein Frame hat dann die Größe von 588 Bit Für den Audiobereich mag das ausreichend sein, aber für numerische Anwendungen ist der Frame zu kurz, außerdem besteht keine Möglichkeit zur Adressierung Deshalb hat man 98 Frames zu einen Sektor zusammengezogen und deren Kontrollbytes zusammengefasst Die 7

8 Abbildung unten gibt einen Überblick über gängige Formate und die Strukturierung der Sektoren Eingegangen wird hauptsächlich auf CD- DA und CD- ROM Bei einer CD-ROM wird der reine Nutzbereich für Audiodaten von 2352 Bytes wird verkleinert auf 2048 Bytes und von anderen Daten belegt Die verbleibenden 304 Byte werden für Synchronisations-, Headerdaten und eine erweiterte Fehlererkennung und Fehlerkorrektur verwendet Physikalischer Sektor 3234 Byte Logischer Sektor CD-DA 2352 Audio 784 EDC/ECC 98 Control CD-ROM Mode 1 12 Sync 4 Header 2048 Daten 4 EDC 8 Zero 276 ECC 784 EDC/ECC 98 Control CD-ROM Mode 2 12 Sync 4 Header 2336 Daten 784 EDC/ECC 98 Control CD-ROM Mode 2 Form 1 XA/CD-I 12 Sync 12 Sync 8 4 Sub- Header Header CD-ROM Mode 2 Form 2 XA/CD-I 8 4 Sub- Header Header CD+G und CD+MIDI 2048 Daten 2324 Daten 2352 Audio Abbildung 3 : Strukturierung der Daten einer CD 4 EDC 276 ECC 4 EDC 784 EDC/ECC 784 EDC/ECC 784 EDC/ECC 98 Control 98 Control Con Sub trol Ch 52 CD-ROM Modi Für Computerdaten ist ein genauerer Zugriff auf die Daten nötig als es die Tracks einer CD- DA erlauben Auf einer CD-DA können 99 Tracks adressiert werden, auf einer CD-ROM können jedoch Tausende von Dateien gespeichert sein, auf die zugegriffen werden muss Deshalb verwenden beide Formate, Modus 1 und Modus 2, einige Byte am Anfang des Sektors für die präzise Adressierung Die ersten 12 Byte sind Synchronisations-Bytes zur Trennung der Sektoren Da jedoch das Muster der Synchronisations-Bytes auch zufällig in den Benutzerdaten auftauchen könnte, werden sowohl die Synchronisations-Bytes als auch die Länge des Sektors zur Identifizierung eines Sektors genutzt Die nächsten 4 Byte stellen den Header des Sektors dar, drei werden für die Adressierung genutzt, das vierte ist das Modus-Byte, welches den Modus des Sektors markiert Sektoren im Modus 1 beinhalten 2048 Byte Benutzerdaten Der Sektor kann in logische Blöcke unterteilt werden Verschiedene CD-ROMs können verschiedene logische Blockgrößen verwenden, zb 512, 1024 oder 2048 Byte Logische Blöcke können nicht größer als der Sektor sein Sektoren sind die kleinste adressierbare Einheit einer CD-ROM, auf die unabhängig, ohne 8

9 andere adressierbare Teile, zugegriffen werden kann Auf kleinere logische Blöcke kann über den zugehörigen Sektor zugegriffen werden Die Adresse des Headers enthält Minuten, Sekunden, Sektoren und zusätzliche Informationen über die Blöcke Aus diesen Angaben kann die logische Blocknummer (LBN) ermittelt werden Der erste physikalische Sektor ist der Sektor 00:02:00 Er enthält den ersten logischen Block mit der Nummer 0 Wenn die Blöcke 512 Byte lang sind, entsprechen Blöcke einer Minute, 300 einer Sekunde und ein Sektor enthält 4 Blöcke Die logische Blocknummer kann also einfach errechnet werden Der CD-ROM-Standard enthält die CIRC- Fehlererkennung und -korrektur der CD-DA Computerdaten müssen jedoch eine höhere Datenintegrität aufweisen Deshalb wurde eine zusätzliche Fehlererkennung und -korrektur hinzugefügt Diese wird Layered EDC/ECC genannt und benötigt einige Byte hinter den Benutzerdaten eines Sektors Es werden 4 Byte für die Erkennung und 276 Byte für die Korrektur von Fehlern verwendet Zwischen der Fehlerkennung und der Fehlerkorrektur befindet sich eine Lücke von 8 Byte Diese nicht benutzten Bytes werden für CD-ROM/XA und CD-i neu definiert, auf die nicht näher eingegangen wird Im Modus 2 existiert keine zusätzliche Fehlererkennung und -korrektur, so dass alle 2336 Byte hinter den Synchronisations-Bytes und dem Header für Benutzerdaten genutzt werden können Die Sektoren von CD-DA, CD-ROM Modus 1 und Modus 2 sind gleich groß, jedoch variiert die Menge der Benutzerdaten, die in einem Sektor abgelegt werden können, wegen der unterschiedlichen Verwendung von Kontrollbytes Bei der CD-DA steht der ganze Platz, also 2352 Byte, für Benutzerdaten bereit Sektoren einer CD-ROM speichern im Modus Byte im Modus Byte Benutzerdaten Wegen der unterschiedlichen Größen ergeben sich auch unterschiedliche Übertragungsraten für Modus 1 und Modus 2 (etwa 122 Mbit/Sekunde und 14 Mbit/Sekunde) 53 Subchanneldaten Wie bereits erwähnt, befinden sich auf der CD zusätzliche Daten über den Inhalt der abgespeicherten Informationen Jeder Frame einer CD (Kapitel Frames) enthält ein Byte mit Kontrollinformationen Die einzelnen Bits dieses Bytes werden mit den Buchstaben P bis W bezeichnet und getrennt voneinander betrachtet Zu beachten ist, dass die Kontrollbits P bis Q nicht mit den Paritätssymbolen der CIRC Codierung verwechselt werden 8 bit innerhalb eines Frames sind jedoch nicht ausreichend, deshalb werden aus den Kontrollsignalen von 98 aufeinander folgenden Frames ein Datenblock gebildet Diesen Datenblock nennt man Steuersignalblock Die Informationen innerhalb des Steuersignalblocks wird Subcode genannt Der 98bit lange Datenblock enthält acht getrennte Kanäle (bitparallele wortserielle Datenverarbeitung) Bei der bereits genannten Framefrequenz von 7350Hz wird alle 75Hz = 7350Hz / 98 ein kompletter Subcodeblock gebildet Diese Einteilung bestimmt auch den Zeitcode, mit dem die Spielzeit eines Musikstückes angegeben wird, jede Sekunde ist in 75 Zeiteinheiten untergliedert Mit der Festlegung, dass in einer Sekunde 75 Subcode Blöcke gebildet werden, ergibt sich auch die Einteilung des Zeitcodes, mit dem die Spielzeit eines Musikstückes angegeben wird Jede Sekunde wird hierbei in 75 Zeiteinheiten eingeteilt Die Inhalte der nach den Bits benannten Kanäle P bis W sind genormt, 1984 erfolgte die letzte Revision 9

10 Kontrollsignal eines Frames Frame P Q R S T U V W 1 Frame 2 Frame 3 Frame 4-96 Frame 97 Frame 98 Frame P- Kanal, 98 bit Q- Kanal, 98 bit R - V Kanal W- Kanal, 98 bit Abbildung 4 : Aufbau der Subchannel-Daten Die Subchannels P und Q sind Kontrollzwecken vorbehalten, R bis W sind normalerweise Null Im Audiobereich werden lediglich die P- und Q- Bits benutzt 531 Der Kanal P Der P-Kanal enthält nur Bits, die den Anfang oder das Ende eines Musikstückes Man bezeichnet diese Bits deshalb als Flag-Bits oder Kenneichenbits Im Lead-In der CD liegt der P-Kanal konstant auf low Zwei bis drei Sekunden vor dem ersten Titel erfolgt ein Wechsel auf high, während des Musikstücks liegt der Pegel wieder auf low Mindestens zwei Sekunden vor Begin des nächsten Titels werden die P-Bits wieder auf High gesetzt Vor Ende des letzten Musikstücks liegen zwei Sekunden mit einem High-Pegel, gefolgt von 2 Sekunden Low Im Lead-out liefert der P-Kanal ein 2Hz intermittierendes Signal 10

11 532 Der Kanal Q S0,S1 2bit Control 4bit Adresse 4bit Daten Kanal Q 72bit CRC 16bit 98 bit Abbildung 5 : Datenstruktur des Kanal Q Die beiden S-Bits des Q-Kanal dienen der Synchronisation Die Kontrollinformation kennzeichnet Aufnahme- und damit Abspielverfahren: 0000/0001 steht für zwei Kanäle ohne/mit Preemphasis, 1000/1001 für 4Kanal ohne/mit Höhenanhebung CD-Text ist eine Erweiterung des bestehenden Red Book Standards In den ADR-Bits folgen Informationen über die verschieden Betriebsarten (Modi) den die Q- Bits enthalten Den ADR-Bits folgen die Datenbits, welche die eigentlichen Subcode- Informationen enthalten, aus der auch die Displayanzeige im CD-Player abgeleitet wird Da der Subcode nach der CIRC-Codierung in den Datenstrom eingesetzt wird, muss ein extra Fehlerkorrektur für die Subcodedaten verwendet werden Es wird ein CRC- Fehlerkorrekturcode (CRC = Cyclic Redundancy Check) verwendet Das Checksummenfeld CRC beinhaltet eine 16 bit Checksumme aus den Feldern Kontroll, Adresse und den Daten Auf der CD werden diese Bits invertiert Das dazugehörige Polynom heißt: P x =x 16 x 12 x

12 72 Bit Mode 1 TNO 2 digits BCD X 2 digits BCD Min 2 digits BCD Sec 2 digits BCD Frame 2 digits BCD Zero 8 bits 0 AMin/PMin 2 digits BCD Asec/Psec AFrame/PFrame 2 digits BCD 2 digits BCD Mode 2 Katalognummer 13 digits BCD Zero 12 Bits 0 AFrame 2 digits BCD Mode 3 I1 I2 I3 I4 I5 00 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12 ISRC Code 60 Bit Abbildung 6 : Der Kanal Q in verschiedenen Modi Zero 4 Bits 0 AFrame 2 digits BCD 533 Beispiele für Codierung der Kanäle P und Q information area program area Lead-in >2s <2s Track 1 Track 2 Track 3 Track 4 Lead-out Kanal P 2-3s Pause 2s 2s 2s 2-3s f = 2 Hz TNO AA X Q Time ATime Abbildung 7 : Beispiel für P und Q Kanal einer Audio CD 12

13 Lead-in information area program area Lead-out TNO >2s AA Q Index Time Pre-gap Post-gap ATime CD-Rom Mode Audio Audio Data Data Audio Audio Abbildung 8 : Beispiel des Kanal Q einer CD mit Audio und Daten Lead-in information area program area Lead-out TNO AA Q Index Time ATime Post-gap Pre-gap Post-gap Post-gap CD-Rom Mode Abbildung 9 : Beispiel des Kanal Q einer Daten CD 13

14 534 Die Kanäle R bis W Die CD-Text-Informationen sind innerhalb der Subchannels R bis W auf der CD-DA gespeichert Die R- W Kanäle dienen der Darstellung von Schrift und Grafik auf Monitorbildschirmen Die ungenutzten Bits können sich auf immerhin 24 MB addieren und waren von den Entwicklern des Systems als Speicherplatzreserve vorgesehen worden 54 Verletzung der Spezifikation durch Veränderung der Subchanneldaten? In letzter Zeit wurde viel über Kopierschutzmechanismen diskutiert Eine größer Anzahl von Kopierschutzmechanismen beruht auf der Manipulation von Subchanneldaten Diese Manipulation soll verhindern, dass Audio-CD s in Computerlaufwerken abgespielt werden können Durch diese Maßnahme kann es aber auch passieren, dass die kopiergeschützten CD s auch nicht in alten oder auch neuen CD-Laufwerken laufen Durch diese Manipulation erfüllen die CD s nicht mehr den Red Book Standard Und dürften, nach der Meinung einiger Experten, nicht mehr als Compact Disk verkauft werden (siehe Quellenangabe, Wider die Content - Kontroll - Manie der Datenherren, Philips hält CD-Kopierschutz für Totgeburt) 6 Frames 61 Allgemeines Vor einer Aufzeichnung von Audiodaten auf eine CD müssen die Daten in ein geeignetes Format gebracht werden Ein solches Format wird von einer bestimmten elementaren Rahmenstruktur dargestellt, das Frame genannt wird Frames bestimmen viele weitere Abläufe im CD-Player Sie enthalten Informationen zur Fehlerverarbeitung, Synchronisation und Subcode 62 Aufgabe Ein analoges Audiosignal wird pro Kanal mit Hz gesampelt (abgetastet) Das heißt, jede 22,6757 millionster Teil einer Sekunde wird ein Sample erstellt Das ergibt pro Sekunde Sample, bei 2 Kanälen sind das Samples je Sekunde In ein Frame werden 12 Abtastwerte, je Kanal 6 Stück, gepackt Daraus ergibt sich ein 1 Framefrequenz von: s 6 = 1 s =7350 Hz 136 Es erfolgt eine Taktrückgewinnung aus der Datenstruktur und in ihm enthalten Synchronisationsmuster Es gibt ein Synchronisationsmuster in der Framestruktur, nicht zu verwechseln mit dem extra Synchronisationsmuster im Sektor 14

15 63 Basisframestruktur und erweiterte Framestruktur Die Framefrequenz steuert alle anderen Taktfrequenzen im CD-DA System mit Je sechs 16bit-Werte des rechten und linken Kanals (bei CD- DA) werden zu einem Block von vierundzwanzig 8bit-Wörtern, Symbole genannt, umgruppiert Den 24 Symbolen werden im C2-Codierer, einem Paritätsgenerator, vier Q-Symbole hinzugefügt Die 28 verschachtelten Symbole werden einem zweiten Paritätsgenerator zugeführt, welcher das Signal um vier P- Symbole erweitert Die unten folgende Grafik zeigt die Datenstruktur am Ausgang der CIRC- Codierung (siehe Kapitel CIRC) 1 grundsätzliche Framestruktur, 32 * 8 Bit = 256 Bit, Blockorganisation des seriellen, CIRC codierten Datenstroms Frame n-1 Q- Paritätsblock P- Paritätsblock Frame n+1 8 Bit = 1 Symbol Q- Paritätsblock mit 4 Symbolen P- Paritätsblock mit 4 Symbolen Abbildung 10 : Basisframestuktur Wie erwähnt, befinden sich auf einer CD zusätzliche Daten über den Inhalt der gespeicherten Information, Servosteuerung usw (Kapitel Subchanneldaten) Dieses Information wird Kontrollsignal genannt Jedem Frame wird ein solches Signal vorangestellt, mit einer Wortbreite von 1 Symbol = 8 Bit Die 8 Bit werden alphabetisch von P bis W gekennzeichnet Ein solches Frame bezeichnet man erweitertes Frame Anfügen des Kontrollsignals an bisherige Framestruktur, 1 Frame = 264 Bit Bisherige Framestruktur, 1 Frame = 256 Frame n-1 P Q R S T U V W Informationsbits 12 Symbole Q- Paritätsblock Informationsbits 12 Symbole P- Paritätsblock Frame n+1 8 Bit Kontrollsignal Abbildung 11 : erweiterte Framestruktur 64 Endgültige Framestruktur Nach dem Hinzufügen des Kontrollsignals zum CIRC- Block besteht ein einzelnes Frame aus 33 Symbolen je 8 Bit, ergibt 264 Bit Die vorliegende Framestruktur kann so aber noch nicht über den Übertragungsweg geschickt werden, da besondere Anforderungen an den Kanalcode gestellt werden (siehe EFM) Aus jedem der 33 Symbole zu 8 Bit wird ein 14 Bit kanalcodiertes Datenwort erzeugt Die Framestruktur wird auf 33 Symbole * 14 Bit = 462 Bit erweitert Die Umcodierung auf 14 Bit Datenwörter reicht noch nicht aus, deshalb fügt man zwischen jedes Datenwort noch 3 zusätzliche Koppelbits hinzu, Mergin-Bits bezeichnet Bei 15

16 33 Symbolen ergibt das 33 * 3 Bit = 99 Bit Vor jedes Frame wird jetzt noch ein Synchronisationswort gesetzt, welches 24 Bit lang ist So kann im entstanden EFM- Bitstrom jedes Frame einzeln erkannt, beschrieben und im Bitstrom ein eigener Takt erzeugt werden (Taktrückgewinnung) Das Synchronisationswort ist von jeden anderen möglichen Bitkombination eindeutig unterscheidbar Synchronisationswort wird vom restlichen Frameblock ebenfalls durch Mergin-Bits getrennt Redundante Bits für Merging und LF-Unterdrückung 1 Frame (588 channel Bits) Daten Parität Daten Parität Daten- & Paritätssymbole (14 channel Bits) Synchronisationsmuster (24 channel Bits) (auch invers möglich) Control & Display Symbol (14 channel Bits) Synchronisationsmuster (24 channel Bits) Abbildung 12 : Entgültige Framestruktur Taktrückgewinnung Das System ist selbsttaktend, deshalb ist eine Synchronisation notwendig Aus diesem Grund wird der Datenstrom in Frames aufgesplittert Da die Frameübertragungsrate bekannt ist, können Unregelmäßigkeiten im CD- Antrieb durch einen Zwischenspeicher aufgefangen werden Es wird üblicherweise ein RAM verwendet, der von eine präzisen Quarz- Taktgeber geregelt wird Die Taktrückgewinnung stellt eine konstante Datenrate am Ausgang sicher, unabhängig vom eingehenden Datenstrom Durch die Taktregelung wird also ein Hauptproblem analoger Abspielgeräte, die Gleichlaufschwankung, umgangen 7 Cross Interleave Reed-Solomon Code (CIRC) 71 Allgemeines über Fehlerkorrektur und Fehlererkennung Die Fehlererkennung und Fehlerkorrektur stellt eine großen Vorteil von digitalen Speichermedien dar Bei analogen Speichermedien war es bis dahin nicht möglich, Fehler zu korrigieren Wenn eine CD zerkratzt ist, besteht eine gute Aussicht einen Fehler zu korrigieren, und so das Originalsignal wieder herzustellen Digitale Signale sind ebenso anfällig gegen Störungen auf der Übertragungsstrecke wie analoge Signale Zum Schutz von Informationen werden redundante Daten eingebaut Natürlich spielt auch die Art des Fehlers eine Rolle, man unterscheidet Einzelbit- Fehler, bei dem nur ein oder wenige Bits gekippt 16

17 werden und Burst- Fehler, bei dem ganze Datenwörter ausgelöscht oder verfälscht werden Je nach Ursache der Störung unterscheidet man weiterhin zwischen sogenannten Soft Errors, dass sind Zufallsfehler, meist hervorgerufen durch Umweltstörungen (zb können Halbleiterbauteile durch Alphastrahlung gestört werden) und Hard Errors, deren Ursache durch Fehlstellen, Kratzer oder Fingerabdrücken auf einen Datenträger ausgelöst werden Eine digitale Audio- CD speichert bis zu 15 Milliarden Bits Bei einer so großen Datendichte verdeckt auch das kleinste Staubkorn eine große Anzahl von Bits Diese Fehler existieren nach wie vor, die Fehlerkorrektur schütz lediglich vor deren Auswirkung Natürlich stößt auch diese Maßnahme irgendwann an ihre Grenzen, da die Größe des Fehler eine wichtige Rolle spielt und die Korrekturfähigkeit ist begrenzt Vor jeder Fehlerkorrektur muss eine Fehlererkennung erfolgen, EDC (Error Detection Code) genannt Bei der Fehlererkennung wird der Fehler tatsächlich nur erkannt und eine erneute Übertragung der Daten angefordert Wiederholtes Senden von Daten ist allerdings ein ineffizienter Weg zur Fehlerkorrektur, und ist nicht immer möglich Deshalb verwendet man eine Methode aus oben aufgeführten Verfahren und einer, die auf Datenredundanz beruht Redundante Daten sind zusätzliche Informationen die sich von den Originalinformationen ableiten Die simpelste Form der Fehlerprüfung ist die einfache Paritätsprüfung Paritätsbits werden als redundante Information als Korrekturcodes eingearbeitet Das Paritätsbit wird so gewählt, dass die Anzahl von Einsen oder Nullen in einer bestimmten Gruppe gerade oder ungerade ist (inklusive Paritätsbit, also Datenwort plus Parität) Man unterscheidet geradzahlige Parität bei dem die Anzahl der Einser gerade oder Null ist und als Paritätsbit eine Null gesetzt wird Der Nachteil der einfachen Paritätsprüfung ist, dass nur erkannt wird, ob ein Fehlerfall vorliegt, und nicht korrigiert werden kann Liegen in einem so gesicherten Block mehrere Fehler vor, können diese unter Umständen nicht erkannt werden 72 Fehlerbehebung & Fehlerverdeckung Der Reed Solomon Code korrigiert die meisten Fehler die auf einer CD auftreten können Manche Fehlermuster sind nicht korrigierbar, in dieser Situation werden die Fehler erkannt und können durch Interpolation korrigiert werden Eine CD kann durch unsachgemäße Handhabung oder auch durch normale Gebrauch zerkratzen Aus diesem Grund sollte ein Code in der Lage sein Long Burst Fehlern korrigieren zu können Der CIRC kann Fehler mit einer Länge bis zu 450 Symbolen korrigieren Die Effizienz des Codes liegt bei ¾, dh aus drei Datenbits werden nach der Codierung vier Am Eingang des Codierers werden zwölf 16bit Wörter angelegt Diese werden in vierundzwanzig 8bit Wörter umgewandelt d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d 10 d 11 d 12 d 13 d 14 d 15 MSB LSB d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 WmA WmB WmA enthält die higher Bits und WmB die lower Bits 17

18 Als nächstes werden die Wörter verzögert und räumlich gespreizt (Interleaving) Die ersten 4 werden um 2 Byte verzögert, dann folgen 4 nicht verzögerte, dann wieder 4 verzögerte Nun folgend werden alle verzögerten Wörter in der erste Hälfte und die unverzögerten in der zweite Hälfte angeordnet Als nächstes folgt der C2-Encoder Die Paritäts-Bit (4 8-bit Wörter) werden in der Mitte angeordnet um der Abstand zwischen den geraden und ungeraden Werten zu vergrößern und somit bei Flächenfehlern die Interpolation zu erleichtern Die nun vorhandenen 28 8-bit Wörter werden unterschiedlich verzögert Die Verzögerung ist ein ganzzahliges Vielfaches von vier Blöcken, dh jedes C2-Wort wird in 28 verschiedenen Blöcken gespeichert (über 109 Blöcke verteilt) Im C1-Encoder werden wieder 4 Paritätsbit erzeugt und an das Ende gestellt Als letztes werden die ungeraden Wörter um ein Wort verzögert (Spreizung über zwei Datenblöcke) und die Paritätsbits negiert, damit Nullwerte bei den Daten keine Nullwerte bei den Paritätsworten erzeugen (das Auslesen besser wird erleichtert) 24x8bit Verzögerung + Interleaving 24x8bit 28x4bit Verzögerung 28x4bit 32x8bit Verzögerung + Negation der Paritätsbits 32x8bit Abbildung 13 : CIRC-Gesamtsystem Reed-Solomon Codierung H P V P =0 H Q V Q =0 Die H-Matrix ist wie folgt definiert: 18

19 28 32 n i j 1 α i=1 V = H = h i, j Q= 4 = j=1 i=1 j=1 Das Primitiv-Element ist α=[ ] Die V-Vektoren werden durch die Anordnung des CIRC-Encoders bestimmt W 12 n 12 2, A W 12 n 12 1 D 2, B W 12 n D 2, A W 12 n 24, A W 12 n D 2, B W 12 n 24, B W 12 n D 2, A W 12 n 4 24, A W 12 n D 2, B W 12 n 4 24, B W 12 n D 2, A W 12 n 8 24, A W 12 n D 2, B W 12 n 8 24, B W 12 n D 2, A W 12 n 1 24, A W 12 n D 2, B W 12 n 1 24, B W 12 n D 2, A W 12 n 5 24, A W 12 n D 2, B W 12 n 5 24, B Q 12 n D W 12 n 9 24, A Q 12 n D W 12 n 9 24, B Q 12 n D Q 12 n V Q 12 n D Q 12 n 1 P W 12 n D, A Q 12 n 2 W 12 n D, B Q 12 n 3 W 12 n D, A W 12 n 2, A W 12 n D, B W 12 n 2, B W 12 n D, A W 12 n 6, A W 12 n D, B W 12 n 6, B W 12 n D, A W 12 n 10, A W 12 n D, B W 12 n 10, B W 12 n D, A W 12 n 3, A W 12 n D, B W 12 n 3, B W 12 n D, A W 12 n 7, A W 12 n 7, B W 12 n D, B W 12 n 11, A P 12 n W 12 n 11, B P 12 n 1 P 12 n 2 P 12 n 3 73 Unterschied zwischen CD-DA und CD-ROM Es gibt keinen Unterschied zwischen CD-DA und CD-ROM bei der Anwendung der Fehlerkorrektur und Fehlererkennung Die CD-ROM war eine Entwicklung, die aus der CD- DA hervorgegangen ist Viele technische Merkmale wurden übernommen, weil kein Grund zur Veränderung bestand 19

20 74 Vorteile CIRC Der Code korrigiert die meisten auf einer CD auftretenden Fehler Fehlermuster die nicht korrigierbar sind können durch Interpolation korrigiert werden Die Möglichkeit einen nichtkorrigierbaren Fehler nicht zu erkennen ist nicht null, aber der Code sorgt dafür dass die Wahrscheinlichkeit dafür gering ist Es können bis zu 2 Wortfehler pro Datenblock korrigiert werden Weiterhin ist eine Korrektur von bis zu vier Wortfehler, wenn die Lage bekannt ist, möglich 75 Nachteile CIRC Die redundanten Informationen kosten natürlich Speicherplatz Durch die größere Datenmenge wird auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Daten größer So erhöht sich in unserem Fall die Datenrate von 1,4112 Mbit/s auf 1,8816 Mbit/s 8 EFM (Eight -to -Fourteen -Modulation) 81 Allgemeines über EFM Die EFM- Codierung ist eine so genannte Kanalcodierung, dh, die Struktur der Daten wird so umgebaut, dass sie den technischen Begebenheiten des Übertragungssystems angepasst wird In dem Fall werden diese Bedingungen vom Lasersystem und vom Modulationssystem vorgegeben Konkret bedeutet das, dass eine einfache Demodulation ermöglicht wird, und die Niederfrequenzspektrumeigenschaften des aus den Kanalbits abgeleiteten Signals verbessert werden sollen Pits sowie Lands stehen für logische Nullen Erst der Übergang von Pit zu Land und Land zu Pit erzeugt eine Eins Es wird ein NRZ-I (Non Return to Zero Inverted) verwendet Die EFM ist eine modifizierte NRZ und der letzte Schritte, um jegliche Art von Daten auf eine CD zu bringen Ein quellencodiertes Audiosignal ist nun eine Folge von Nullen und Einsen Eine solche binäre Folge kann nicht ohne besondere Maßnahmen übertragen werden Mit Hilfe der Kanalcodierung wird das digitale Audiosignal an die Eigenschaften des Übertragungskanal (CD-Player) angepasst Neben den reinen Audiodaten enthält die Signalfolge auf der CD noch Informationen zur Fehlerkorrektur, Displayanzeige, Zeit- und Ablaufsteuerung, die alle schon vorher eingebracht werden Damit wird der Hardware-Aufwand weitestgehend auf die Aufnahmeseite verlagert, der CD-Player kommt mit einfachen Bauteilen aus 82 Funktionsweise EFM- Codierung Der entstehende Kanalcode legt fest, wie die binären Werte im Übertragungskanal dargestellt werden Elektrisch gesehen kann das Ausgangssignal des ADC (Anm ADC = Analog Digital Converter, zb serielles 16bit digitalisiertes Audiosignal) aus mehreren ununterbrochenen Folgen von L- oder H- Pegeln bestehen Für den Übertragungskanal bedeutet eine solche Folge eine Ansteuerung mit reinen Gleichspannungswerten Ein nur in größeren Abständen folgender Pegelwechsel stellt für den Übertragungskanal eine sehr niederfrequente Information dar Das bedeutet, Pit- und Landbereich dürfen nicht zu lang sein, da sonst kein phasenrichtiges Synchronisationssignal (Anm Digitaltechnik) abgeleitet werden kann 20

21 Für den Fall, dass die 0-1-Werte stetig wechseln, kann das Signal als hochfrequente Schwingung mit der Frequenz der halben Datenrate angesehen werden Nun ist zu erkennen, dass ein Übertragungskanal mit ausgeprägten Bandpasseigenschaften nicht direkt mit diesem Signal angesteuert werden kann Hinzu kommt die Tatsache, dass Übertragungskanäle Zeitbasisfehler produzieren, die eine korrekte Auswertung der seriellen Datenfolge erschweren Weiterhin ist es durch das Kodieren einer Bitfolge in Pits und Lands unmöglich, aufeinander folgende Einsen darzustellen Selbst wenn die kürzeste Pit Land Kombination vorliegt, sind mindestens noch zwei Nullen zwischen zwei Einsen Wenn die Übergänge zwischen Pit und Land noch enger beieinander liegen würden, könnte der Laser sie nicht mehr korrekt erfassen, da die Auflösung des Laser nicht ausreichen würde um solche Pit Land Pit Land Folgen exakt zu lesen Aus den oben genannten Gründen wurde das EFM- Verfahren eingeführt Es werden 8 Bits in den EFM- Code mit 14 Kanal- Bits übersetzt Die Decodierung beim Lesen erfolgt über eine Tabelle, die in der Steuerungselektronik eines jeden Laufwerks implementiert ist Die Darstellung von Bits durch ein Muster aus Pits und Lands ergibt die so genannten Kanal-Bits Über die Eight to Fourteen Modulation werden die minimalen und maximalen Dimensionen, sprich die Länge der Pits und Lands erreicht (die Länge ist ein Vielfaches von 0,3 µm und bestimmt die Anzahl der Nullen, die ausgelesen werden) Abbildung 14 : Pit - Land Struktur auf einer CD Mit 8 Bit (1 Byte) lassen sich 256 verschiedene Werte darstellen (2 8 = 256) Um 256 verschiedene Bitmuster (die bestimmten Bedingungen erfüllen) für die Darstellung der 256 Werte zu erhalten, werden 14 Kanal-Bits verwendet Mit 14 Kanal- Bits lassen sich Werte darstellen Lediglich 267 lassen sich verwenden, die anderen fallen auf Grund von Lauflängenbegrenzung heraus 14 Kanal- Bits sind das Minimum für die Darstellung von 8 Daten- Bits Es gibt eine Tabelle für die Konvertierung der 14 Kanal- Bits in 8 Daten- Bits und umgekehrt Diese Transformation wird Acht auf Vierzehn Modulation (Eight to Fourteen Modulation, EFM) genannt Das nachfolgende Beispiel zeigt einen Auszug aus dieser Tabelle: 21

22 Dezimal Binär EFM modulierte Bits Tabelle 1 : Auszug aus der Modulationstabelle Wenn aber nun der EFM- Code eines Bytes mit einer Kanal 1 endet und der des nächsten mit einem Kanal 1 beginnt, wird die (d,k) Bedingung (mindestens d Bit und höchstens k Bit zwischen zwei Einsen ) verletzt, deshalb müssen hier zusätzliche Bits eingefügt werden Genauso dürfen nicht mehr als 10 Kanal 0 hintereinander folgen Die minimale Lauflänge beträgt 3 Bits, ehr sollte beim modulierten Signal kein Pegelwechsel auftreten Ebenso bei der maximalen Lauflänge, sie darf 10 Bits betragen, spätesten dann muss ein Pegelwechsel erfolgen Auf Grund dessen werden jedem EFM Byte drei weitere, so genannte "Mergin- Bits", angehängt Da die 3 Mergin-Bits keine Information enthalten, kann ein zusätzlicher Pegelwechsel im Mergin-Bit 1, 2 oder 3 eingeführt werden, solange die (d,k) Bedingung nicht verletzt wird Weiterhin wird ein Pegelwechsel eingeführt, wenn bei zwei Blöcken hintereinander die maximale Lauflänge auftritt Somit wird das generieren eines Synchronisationsmusters im Datenstrom verhindert Greift keine der oben aufgeführten Beschränkungen auf die Wahl der Mergin-Bits ein, werden diese von der DSV (digital sum value) bestimmt Dazu zählt man high- Pegel- Bits mit +1 und low- Pegel- Bits mit -1 Ergibt diese statistische Summe über weite Strecken Null, so besitzt die serielle Information keine Gleichspannungsanteile Oft kann ein Pegelübergang bei den Mergin-Bits die DSV um ±2 verändern 83 Erklärendes Beispiel In diesen Beispiel werden die Dezimalzahlen 218 und 151 moduliert Dezimal Binär EFM Zusammengesetzt würde der Code wie folgt aussehen: Zwei aufeinander folgende Einsen an der Stoßstelle der beiden EFM- Codes sind die Folge, die nach den technischen Bedingungen nicht dargestellt, bzw nicht gelesen werden können Es werden 3 Mergin-Bits eingeführt, welche nur die Form 000 haben können [(d,k) Bedingung] 22

23 Unterschied zwischen CD-DA und CD-ROM Es gibt keinen Unterschied zwischen CD-DA und CD-ROM bei der Anwendung der EFM- Codierung Die CD-ROM war eine Entwicklung, die aus der CD-DA hervorgegangen ist Viele technische Merkmale wurden übernommen, weil kein Grund zur Veränderung bestand 85 Vorteile EFM Ganz klar gehört EFM zu einer Fehlerschutzmaßnahme, die eingeführt worden ist, um die physikalischen Grenzen der Lasertechnologie auszubügeln Bei der Entwicklung von CD- DA Anfang der 80iger Jahre war die Lasertechnologie und Steuerelektronik noch nicht in der Lage, die gewünschte Genauigkeit zu erzeugen 86 Nachteile EFM Zu den reinen Informationen werden redundante Daten hinzugefügt und damit die Speichermenge erhöht So ändert sich die Datenrate von 1,9404 Mbit/s auf 4,3218 Mbit/s 87 Anforderungen Kanalcodierung Kanalcodes sollen gleichspannungsfrei sein und keine niederfrequenten Signalanteile besitzen Nur so können Signale auf Magnetband aufgezeichnet werden oder über Schaltungen mit Hochpasscharakter geführt werden (Hochpasscharakter wird von Wiedergabeschaltungen verlangt, um niederfrequente Störungen ausfiltern zu können) Durch die Kanalcodierung werden im seriellen Datensignal zusätzliche Pegelwechsel eingeführt Die spektrale Energieverteilung muss hierbei so gewählt werden, dass oberhalb der Grenzfrequenz des Kanals keine Energieanteile auftreten, die noch Information enthalten Bei der seriellen Datenübertragung wird kein zusätzlicher Takt mit übertragen Demzufolge muss der Kanalcode so beschaffen sein, dass sich am Ende der Übertragungsstrecke der Takt aus den Flanken des Datensignal ableiten lässt (Taktrückgewinnung) 23

24 9 Quellenangabe K Pohlman, Compact Disc Handbuch, 1 Auflage, IWT Verlag München, 1994 C Biaesch- Wiebke, CD-Player und R-DAT-Recorder, 3 Auflage, Vogel Verlag, 1992 Red Book: Compact DISC Digital Audio, Version August 1995, SONY PHILIPS Yellow Book: Compact DISC Read Only Memory, Version November 1988, SONY PHILIPS Jörg Asshoff, Optische Datenspeicher Der CD-Player, April 1997, CD-Formate und Standards, FAQ zu Patenten Wider die Content - Kontroll - Manie der Datenherren Philips hält CD-Kopierschutz für Totgeburt 24

25 10 Anhang 101 Programmablaufplan für Auswahl der Mergin-Bits D S V a c c : = 0 i : = 0 B D i B I j ( B D i ) j : = 0 i : = j + 1 N j < = Q? Y m i n D S V = D S V l B C i j : = B I i + B S j B C i l D S V j =? D S V a c c : = D S V l > k j m a x Y N i : = i + 1 < d j m i n Y N D S V j : = M a x D S V ( j ) a c c : D S V ( j ) + D S V a c c 25