Signalweg CD-Player (Übersicht)

Transkript

1 Tontechnik 2 CD-Player-Technologie Audiovisuelle Medien HdM Stuttgart Quelle: Peter Zastrow, Phonotechnik Signalweg CD-Player (Übersicht) 1

2 CD-Player-Technologie Verdrängung der analogen Schallplatte durch Compact-Disc-Verfahren (CD) seit etwa 1982 digitaler optischer Festspeicher in Form einer metallbeschichteten kreisrunden Scheibe Speicherung von digitalisierten Schallsignalen nach dem Prinzip der Puls-Code-Modulation (PCM) CD-Player-Technologie winzige Vertiefungen (pits) auf metallbedampfter Kunststoffplatte spiralförmig verlaufender Spur binär 1 lands binär 0 Laserabtastung optoelektronische Rückwandlung in digitale Impulse, kein mechanischer Kontakt!!! 2

3 Quelle: Peter Zastrow, Phonotechnik Pitspurmuster Anwendungsbereiche der CD ursprünglich als digitaler Nachfolger der Schallplatte Kapazität Verschleiß Zugriff auf Audiomaterial äußeres Format (Handlichkeit) CD-ROM als Massenspeicher für PCs CDI als interaktives Medium CD-Video mit Bild und Toninformation 3

4 Peter Zastrow: Phonotechnik, frankfurter fachverlag Technische Daten der CD Durchmesser 12 cm, Stärke 1,2 mm Pits: 0,5 μm breit, 0,11 μm tief (ca. ¼ Wellenlänge) Durchmesser des Mittelloches: 15 mm ± 0,1 mm Material: Polycarbonat Brechungsindex: 1,5 Pit-Länge: 0,833 µm bis 3,56 µm Spurabstand: 1,6 µm (ununterbrochene Spirale von innen nach außen) Länge der Spirale ca. 5,7 km (ca. 80 min Spielzeit) Zahl der Pitspuren (Querschnitt): ca Peter Zastrow: Phonotechnik, frankfurter fachverlag Technische Daten der CD Breite des Programmbereiches: 33 mm maximale Spielzeit: ca. 80 min Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn Ausleserichtung von innen nach außen Drehgeschwindigkeit CD 500 (innen) (außen) U/min DVD 1630 (innen) (außen) U/min 4

5 Peter Zastrow: Phonotechnik, frankfurter fachverlag Aufbau der CD wird von unten ausgelesen Information liegt dicht unter bedruckter Oberseite der CD!!! Peter Zastrow: Phonotechnik, frankfurter fachverlag CD-Herstellung wird von unten ausgelesen 5

6 CD-Player-Technologie Auslesegeschwindigkeit: 1,2 m/s bei 70 min Spielzeit CLV (Constant Linear Velocity) konstanter Datenfluss von ca. 4,3 MBits/s (insgesamt) digitales Musiksignal Subcodes Cue-Informationen Trennung der Stereokanäle Lage und Anzahl der Musikstücke Zeitanzeige PQ-Daten Basis eines Premasters spezielle Informationen die auf die CD gebrannt werden und sich im sog. P- und Q-Kanal zwischen den Audio Tracks befinden. P-Kanal zur Markierung der einzelnen Tracks 6

7 PQ-Daten Q-Kanal: Inhaltsverzeichnis (TOC, Table of Content) Angabe von Tracknummern und Laufzeitangaben enthält die fortlaufende Zeit während des Abspielens Die PQ-Informationen umfassen den International Standard Recording Code (ISRC), der für jeden Track benötigt wird und eine Musikaufnahme weltweit identifiziert. Quelle: 12 Stellen des ISRC Beispiel: DEA Ländercode des Ursprungslandes des Labels Bsp: DE für Deutschland (2 Stellen) Erstvergabeschlüssel, Betriebsnummer des Labels (von der Registrarstelle erteilt) Bsp: A23 (3 Stellen) letzten beiden Ziffern des Jahres (nach dem gregorianischen Kalender) der Erstauflage der Aufnahme Bsp: 98 für 1998 (2 Ziffern) Fortlaufende Nummer, vom Label einmalig zu vergeben Bsp: (5 Ziffern) 7

8 CD-Wiedergabe CIRC = Cross Interleave Reed Solomon-Code Cross: benachbarte Daten werden zeitlich versetzt aufgeschrieben ( überkreuz ) Interleave: benachbarte Daten werden räumlich versetzt aufgeschrieben ( verschachtelt ) Eigenschaften von Laserlichtstrahlen L ight by A mplification S timulated E mission of R adiation 2 Arten der Lichtemission spontan (Natur) stimuliert gleiche Polarisierung, Richtung, Phase, Wellenlänge 8

9 Eigenschaften von Laserlichtstrahlen spontane Emission: Elektronen springen durch Energiezufuhr auf eine andere Außenschale des Atoms stimulierte Emission: eintreffender Lichtstrahl löst zusätzlichen Strahl gleicher Frequenz, gleicher Phase und gleicher Polarisation aus Peter Zastrow: Phonotechnik, frankfurter fachverlag Laser für CD-Abtastung Halbleiter-Laser erzeugt kohärentes Licht einheitliche Wellenlänge (monochrom) Wellenlänge 780 nm (in Luft) Wellenlänge 500 nm (in Polycarbonat) gleiche Polarisation (Schwingungsebene) phasengleich CD: 780 nm (infrarot) DVD: 650 nm (rot) Blue-ray: 405 nm (blau) Kapazität 0,7 GB Kapazität 4,7 GB Kapazität 25 GB (Transferrate 36 MB/s) 9

10 Abtastung Durchmesser Fokusfleck auf der reflektierenden Schicht CD 2,11 µm DVD 1,32 µm BLUE-RAY 0,58 µm Durchmesser des Lichtstrahls auf der Oberfläche deutlich größer wegen Schmutz oder Beschädigungen Lichtleiter Multimode: mehrere Winkelmöglichkeiten Zeitverzögerungen evt. Auslöschungen Monomode: sehr kleiner Innendurchmesser nur 1 Mode nur 1 Winkel sehr kleiner Öffnungsbereich Gradientenfaser: Brechungsindex ändert sich kontinuierlich nach außen sehr geringe Zeitverzögerung größerer Öffnungsbereich 10

11 Quelle: Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik Abtasteinrichtung CD-Player Quelle: Peter Zastrow, Phonotechnik Abtastung Hauptstrahl (Prinzip) 11

12 Haupt- und Nebenstrahlen bei der CD-Abtastung Keplersches Fernrohr Beugungsgitter fächert Lichtstrahl auf: 1 Hauptstrahl + 2 Nebenstrahlen Quelle: Peter Zastrow, Phonotechnik Optisches System CD-Player Keplersches Fernrohr parallele Ausrichtung von Haupt- und Nebenstrahlen Verbreiterung des sehr geringen Strahldurchmessers 12

13 Polarisationsprisma ungehinderter Durchlass in Polarisationsebene Reflexion, wenn Durchlassebene senkrecht (90 ) zur Polarisationsebene λ ¼ -Platte Polarisationsebene des Lichtes wird um 45 gedreht Hinweg + Rückweg = 90 Polarisationsprisma Strahlteiler (halbdurchlässiger Spiegel) nur für reflektiertes Licht wirksam Unterscheidung zwischen hinlaufendem und reflektiertem Licht durch Polarisation möglich 13

14 Wirkungsweise λ ¼-Platte Tiefe der Pits = ¼ λ bewirkt eine zusätzliche Weglänge von ½ λ reflektierter Strahl (Pits) hat 180 Phasenverschiebung (gegenphasig) zu den Lands Auslöschung (ideal), real: Abschwächung Ausgangsspannung der Fotodiode entspricht Pitmuster auf der CD (Binärsignal) dem Optisches System CD-Player Fokussieroptik als Zweiachsen-Element axial (senkrecht zur Oberfläche, Abstand) Größe des Lichtflecks, Fokussierung radial (parallel zur Oberfläche) Spurführung betrieben mit Servos (Steuerschaltungen zur mechanischen Nachführung) Fotodiode wandelt Lichtsignale in elektrische Signale 14

15 Auslesevorgang der CD-Information CD-Oberfläche wirkt wie optische Linse Fokussierung: relativ großer Lichtfleck auf Oberfläche sehr kleiner Lichtfleck auf Spiegelfläche relativ geringe Auswirkung von Schmutz und Beschädigungen auf der Oberfläche λ = 780 nm (Luft) λ = 500 nm (Polycarbonat) Brechungsindex exakt festgelegt (1,5) alle Teilstrahlen werden auf der Spiegelfläche phasengleich reflektiert Quelle: Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik Fokussierung bei der CD astigmatische Linse durch zwei aufeinander senkrechte Achsen mit unterschiedlichen Brennweiten astigmatische Linse 15

16 Fokussierung bei der CD Quelle: Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik Quelle: Peter Zastrow, Phonotechnik Zusammenschaltung: paarweise diagonal Funktion der Fotodioden Fokussierung (vertikal) Fotodetektor: Aufteilung in 4 Quadranten 4 Fotodioden kreisrunder Fleck bei richtiger Fokussierung (ideal) alle 4 Dioden liefern gleiche Spannungen Spannungsabweichungen führen zur Nachregelung der Fokussierlinse Spule im Magnetfeld angelegte Gleichspannung bestimmt Auslenkung 16

17 Fokussierung durch Fotodioden Differenz der Summensignale ergibt Fokussierungsstellsignal für Zwei-Achsen- Element Steuersignal der Servomotoren Summe aller Quadranten ergibt digitales abgetastetes Signal Wechsel zwischen starkem und abgeschwächtem Licht Quelle: Peter Zastrow, Phonotechnik Pitspur / Spurführung 17

18 Quelle: Peter Zastrow, Phonotechnik Spurführung bei der CD Quelle: Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik Spurführung bei der CD 18

19 Quelle: Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik Spurführung bei der CD Spurführung bei der CD Spurführung (radial): unterschiedlicher Lichteinfall an Nebenlichtfotodioden Spannungsdifferenz Nebenstrahlen Intensitätsmodulation der Nebenstrahlen Überdeckung der Nachbarspuren ~ Intensität Vergleich beider Nebenstrahlen auf separaten Fotozellen Differenz ergibt Steuersignal für Servos der Spurführung 19

20 Regelkreise CD-Player notwendige Steuerspannungen Regelschaltung für Laser: gleichmäßig starkes Licht auch bei Netzspannungsschwankungen Drehgeschwindigkeit der CD konstante Bitrate von 2,0338 MBit/s ständige Synchronisation des Antriebsmotors Zwei-Achsen-Element Vierquadrantendetektor für Fokussierung Nebenlichtfotodioden für Spurführung Zusammenfassung 2 Fehlerarten: Zufallsfehler (beliebig auf die einzelnen Bits verteilt) Gruppenfehler (über ein oder mehrere Raster), z. B. durch Schmutz oder Kratzer Lösung: CIRC (Cross Interleave Reed Solomon) Verzögerungsschaltungen nötig wegen CIRC und evt. Mehrfachfehlern digitaler Zwischenspeicher zum Auslesen nötig 20

21 Zusammenfassung Mehrfachfehler: als unzuverlässig gekennzeichnet unverändert weitergegeben Demultiplexer für Kanaltrennung Decoder 2 interpoliert, ggf. mute Inhaltsverzeichnis auf dem Innenrand der CD 21