Compact Disc

Speichermedium Compact Disc (CD)
Allgemeines
Typ	Optisches Speichermedium
Kapazität	bis zu 900 MB (100 min. Audio)
Größe	⌀ 12 cm / 8 cm
Lese- geschwindigkeit	176 KB/s (CD-DA) 150 KB/s (1×) 10800 KB/s (72×)
Schreib- geschwindigkeit	150 KB/s (1×) 8400 KB/s (56×)
Gebrauch	Datenspeicher (CD-ROM), Audio-CD, Video-CD
Ursprung
Vorstellung	1981 (Funkausstellung in Berlin)
Markteinführung	1982
Vorgänger	Diskette, Schallplatte, Compact Cassette
Nachfolger	DVD, SA-CD

Die Compact Disc (kurz CD, englisch für kompakte Scheibe) ist ein optischer Speicher, der Anfang der 1980er Jahre zur digitalen Speicherung von Musik von Philips/PolyGram und Sony eingeführt wurde und die Schallplatte ablösen sollte.

Später wurde das Format der Compact Disc erweitert, damit man nicht nur Musik (CD-DA) abspeichern konnte. Als CD-ROM wird sie seitdem auch zur Speicherung von Daten für Computer eingesetzt.

Geschichte

CD betrachtet mit Raster-Elektronen-Mikroskop (Schutzlack entfernt)

In den 1970er Jahren forschten Techniker sehr vieler Elektronikkonzerne im Bereich digitaler Audio-Aufzeichnung. Die ersten Prototypen basierten auf magnetischen Speichermedien, wie etwa der klassischen Audiokassette. Das erste Gerät auf dem Markt war im Jahr 1977 eine Erweiterung des Betamax-Videorekorders der Firma Sony um einen Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandler (PCM-Modulator bzw. -Demodulator). Dabei wird durch den Videorekorder statt eines Video-Signals das PCM-Signal aufgezeichnet, das – durch entsprechende Kodierung in Zeilen bzw. Bilder (Frames)  – aus der Sicht eines Videorekorders wie ein Videosignal aussieht. Das klobige Gerät und die Störgeräusche bei der Aufnahme konnten die Konsumenten nicht überzeugen. Sony entwickelte spezielle Verfahren, um die Störgeräusche zu eliminieren. Um diese Verfahren zu testen, wurden heimlich bei einer Probe eines Konzertes von Herbert von Karajan im September 1978 Aufnahmen gemacht. Karajan wurde später von Sony eingeladen, die Aufnahmen zu beurteilen.

Lichtbeugung an einer Compact Disc

Zur gleichen Zeit arbeitete man bei der Firma Philips an der optischen Aufzeichnung von Bildsignalen, die die Videotechnik revolutionieren sollte. U. a. wurde auf der Funkausstellung Berlin in die Bildplatte vorgestellt, die etwa das Format einer LP besaß und von einem entsprechend großen Abspielgerät wiedergegeben wurde. Bald entwickelte sich die Idee, diese Technologie auch für digitale Klänge zu nutzen. Beide Unternehmen standen plötzlich vor einem Problem. Sie hatten die neuen optischen Datenträger (Laserdisc), ähnlich der Schallplatte, mit einem Durchmesser von 30 cm geplant. Bei der Aufzeichnung von bewegten Bildern konnten sie darauf etwa 30 Minuten Videomaterial unterbringen. Bei Audiodaten reichte aber die Kapazität für 13 Stunden und 20 Minuten. Sony war klar, dass das Geschäftsmodell der Musikindustrie zusammenbrechen würde, wenn solche Mengen an Musik an die Verbraucher vermarktet werden sollte. Nachdem die Compact Cassette (Audiokassette) im Jahr 1963 von der Firma Philips allein entwickelt worden war, versuchten nun beide Unternehmen einen gemeinsamen Standard herbeizuführen. Der für die Spieldauer entscheidende Durchmesser der CD wurde durch die Philips-Führung folgendermaßen begründet: Die Compact Cassette war ein großer Erfolg, die CD sollte nicht viel größer sein. Die Compact Cassette hatte eine Diagonale von 11,5 cm, die Ingenieure machten die CD 0,5 cm größer. Allerlei moderne Legenden ranken sich um die Festlegung dieser Parameter; eine der populärsten ist folgende:

Nach einigen Differenzen schlug Sony vor, dass die neue CD zumindest Ludwig van Beethovens Neunte Sinfonie in voller Länge erfassen sollte. Dieser Vorschlag hing mit Sonys damaligem Vizepräsidenten Norio Ōga zusammen, der ein ausgebildeter Opernsänger war und sich schon immer wünschte, Beethovens Neunte ohne störendes Wechseln des Tonträgers hören zu können. Ōgas Lieblingsversion, dirigiert von Herbert von Karajan, dauert 66 Minuten, die Techniker hielten sich an die damals längste zur Verfügung stehende Version von Wilhelm Furtwängler. Die Aufnahme aus dem Jahr 1951 hat eine Spieldauer von exakt 74 Minuten. 74 Minuten bedeuteten zwölf Zentimeter Durchmesser des optischen Datenträgers. Die Entwickler von Philips reagierten mit Skepsis, da eine so große Scheibe nicht in die Anzugtaschen passen würde. Daraufhin maßen Sony-Entwickler Anzüge aus aller Welt aus, mit dem Ergebnis, dass für zwölf Zentimeter überall Platz sei. Damit hatte Beethoven einen neuen Standard festgelegt.

Eine ähnliche Version der Geschichte wird von Philips offiziell verbreitet; der Einfluss von Beethoven auf die CD-Spieldauer wird jedoch teilweise auch bestritten.

Im Jahr 1980 wurden von Philips und Sony für Audioaufnahmen der „Red Book“-Standard festgelegt. Der Durchmesser des Innenloches der CD (15 mm) wurde eher durch Zufall durch die niederländischen Philips-Entwickler bestimmt. Als Maßstab diente das seinerzeit weltweit kleinste Geldstück, das niederländische Zehn-Cent-Stück (das sogenannte Dubbeltje), das ein Entwickler bei der Festlegung des Durchmessers dabei hatte. Auf der Funkausstellung 1981 in Berlin wurde die CD erstmals öffentlich vorgestellt. Im Jahr darauf, am 17. August 1982, begann in Langenhagen bei Hannover, in den Produktionsstätten der damaligen Polygram, die weltweit erste industrielle Produktion des letzten ABBA-Albums The Visitors, und zwar noch bevor am 1. Oktober 1982 der erste in Serie produzierte CD-Spieler auf dem Markt angeboten werden konnte. 1983 kostete eine Compact Disc zwischen 30 und 45 DM, rund 700 Titel waren verfügbar. Im selben Jahr wurden in der Bundesrepublik Deutschland rund 70.000 CD-Player verkauft, deren Anschaffungspreis 1984 zwischen 650 und 1800 DM lag. Im Jahr 1988 wurden weltweit bereits 100 Millionen Audio-CDs produziert. Ab diesem Jahr gab es Systeme, mit denen CDs gebrannt werden konnten, und nicht mehr, wie bis dahin, gespritzt werden mussten.

Absatzzahlen 1984–1991 und 2001–2012 in der Bundesrepublik Deutschland:

Jahr	Langspielplatte	Compact Disc (ohne CD-Single)
1984	71,1 Mio. Stück	3,0 Mio. Stück
1985	74,0 Mio. Stück	6,8 Mio. Stück
1986	68,8 Mio. Stück	13,3 Mio. Stück
1987	66,3 Mio. Stück	22,8 Mio. Stück
1988	57,6 Mio. Stück	39,2 Mio. Stück
1989	48,3 Mio. Stück	56,9 Mio. Stück
1990	44,7 Mio. Stück	76,2 Mio. Stück
1991	23,4 Mio. Stück	102,2 Mio. Stück
2001	0,6 Mio. Stück	133,7 Mio. Stück
2002	0,6 Mio. Stück	129,4 Mio. Stück
2003	0,6 Mio. Stück	106,3 Mio. Stück
2004	0,5 Mio. Stück	105,3 Mio. Stück
2005	0,4 Mio. Stück	106,9 Mio. Stück
2006	0,3 Mio. Stück	108,3 Mio. Stück
2007	0,4 Mio. Stück	107,6 Mio. Stück
2008	0,5 Mio. Stück	105,1 Mio. Stück
2009	0,5 Mio. Stück	103,3 Mio. Stück
2010	0,6 Mio. Stück	98,7 Mio. Stück
2011	0,7 Mio. Stück	97,0 Mio. Stück
2012	1,0 Mio. Stück	93,0 Mio. Stück

Hinweis: Das Jahr des größten Absatzes ist jeweils grau hinterlegt.

Herstellung

CDs bestehen aus Polycarbonat, sowie einer dünnen Metallschicht (z. B. Aluminiumbedampfung) mit Schutzlack und Druckfarben. Sie werden – im Gegensatz zu Schallplatten – nicht gepresst, sondern in Spritzgussmaschinen in Form auf die Vater-Matrize gespritzt. Die Anlagen zur Herstellung optischer Datenträger werden dennoch Presswerk genannt.

Funktionsweise

Die Informationen der CD, das sogenannte „Programm“, sind auf einer spiralförmig nach außen verlaufenden Spur angeordnet, sie belegen maximal 85 % der CD-Gesamtfläche. Der Programmbereich reflektiert Licht mit deutlichen Farberscheinungen wegen seiner Mikrostruktur, den Pits. Länge und Abstand dieser kleinen Vertiefungen bilden einen seriellen digitalen Code, der die gespeicherte Information repräsentiert. Auf einer Audio-CD können maximal 99 Musiktitel gespeichert werden, dazu hat jede Scheibe ein Inhaltsverzeichnis (TOC, table of contents) und einen der Information eingelagerten Zeitcode, Texteinblendungen 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 eingelesenen Daten hängt von der Drehzahl der CD ab, diese wird zugunsten einer konstanten Datentaktrate für das nach außen fahrende Abtastsystem gedrosselt, so dass sich eine konstante Lineargeschwindigkeit (CLV) ergibt. Bei Verfahren ähnlich der Analogschallplatte spricht man hingegen von konstanter Winkelgeschwindigkeit (CAV).

Technische Angaben	Querschnitt einer Compact Disc mit Laserstrahlengang
Wellenlänge: 780 nm Numerische Apertur: 0,45 Durchmesser des Laserspots: 2,1 µm Spurabstand: 1,6 µm

Aufbau einer CD

Geometrischer Aufbau einer CD

Merkmal	CD mit Loch	Loch	CD ohne Loch
Radius	60 mm	7,5 mm	60 mm
Durchmesser	120 mm	15 mm	120 mm
Umfang	377 mm	47,12 mm	377 mm
Randhöhe	1,2 mm	1,2 mm	1,2 mm
Oberfläche	111,33 cm²	1,77 cm²	113,10 cm²
Volumen	13,360 cm³	0,212 cm³	13,572 cm³
Masse	15,9 g	–	16,2 g

Schematischer Querschnitt einer CD

Bei einer CD werden Daten mit Hilfe einer von innen nach außen laufenden Spiralspur gespeichert (also umgekehrt wie bei der Schallplatte). Die Spiralspur besteht aus Pits (Gruben) und Lands (Flächen), die auf dem Polycarbonat aufgebracht sind. Die Pits haben eine Länge von 0,833 bis 3,054 µm und eine Breite von 0,5 µm. Die Spiralspur hat etwa eine Länge von sechs Kilometern. Je nachdem, wie die CD erstellt wird, entstehen die Pits. Bei der industriellen Herstellung werden zunächst auf photochemischem Wege ein Glas-Master und darauf dann auf galvanischem Wege ein oder auch mehrere Stamper (Negativ) gefertigt. Anschließend wird damit in Presswerken per Spritzverfahren eine Polycarbonatscheibe geprägt und die Reflexions- und Schutzschicht angefügt.

Eine CD besteht demnach zum größten Teil aus Polycarbonat. Die Reflexionsschicht darüber besteht aus einem Aluminiumfilm.

Zwischen dem Aufdruck und der Aluminiumschicht (Dicke der Reflexionsschicht: 50 bis 100 nm) befindet sich noch eine Schutzlackschicht, um das Aluminium vor äußeren Einflüssen zu schützen. Der Abschluss ist der Aufdruck, der mit dem Siebdruckverfahren (bis zu sechs Farben) aufgebracht wird. Alternativ kann hier auch das Offsetdruckverfahren eingesetzt werden.

Datenrate einer CD

Datenrate einer CD

Geschwindigkeitsfaktor	Datenrate		Geschwindigkeitsfakor	Datenrate
1×	150 kByte/s		16×	2400 kByte/s
2×	300 kByte/s		24×	3600 kByte/s
4×	600 kByte/s		32×	4800 kByte/s
8×	1200 kByte/s		52×	7800 kByte/s

Bei einfacher Geschwindigkeit (1×) werden die Daten mit 150 kByte/s gelesen; diese Geschwindigkeit wird auch beim Abspielen von Audio-CDs benutzt. Daten-CDs können je nach verwendetem Laufwerk mit höheren Datenraten gelesen werden.

CD-RW (Rewritable)

Ein CD-RW-Medium besitzt im Prinzip die gleichen Schichten wie ein CD-R-Medium. Die reflektierende Schicht ist jedoch eine Silber-Indium-Antimon-Tellur-Legierung, die im ursprünglichen Zustand eine polykristalline Struktur und reflektierende Eigenschaften besitzt. Beim Schreiben benutzt der Schreibstrahl seine maximale Leistung und erhitzt das Material punktuell auf 500 bis 700 °C. Das führt zu einer Verflüssigung des Materials. In diesem Zustand verliert die Legierung ihre polykristalline Struktur, nimmt einen amorphen Zustand an und verliert ihre Reflexionskraft. Der polykristalline Zustand des Datenträgers bildet die Gräben, der amorphe die Erhebungen. Das Abtastsignal beim Auslesen entsteht also nicht durch Auslöschung oder Verstärkung des Laser-Lichtes durch Überlagerung des reflektierten Lichtes mit dem ausgesendeten wie bei gepressten CDs (Interferenz (Physik)), sondern wie bei beschreibbaren CDs durch gegebene oder nicht gegebene (bzw. schwächere) Reflexion des Laserstrahls. Zum Löschen des Datenträgers erhitzt der Schreibstrahl die amorphen Bereiche mit niedriger Leistung auf etwa 200 °C. Die Legierung wird nicht verflüssigt, kehrt aber in den polykristallinen Zustand zurück und wird damit wieder reflexionsfähig.

Lesevorgang

Lichtmikroskopische Aufnahme im Randbereich der Daten

Mikroaufnahme von Pits und Lands einer CD

Auslesevorgang bei einer CD

Das Abtasten einer CD erfolgt mittels einer Laserdiode (Wellenlänge 780 nm), wobei die CD von unten gelesen wird. Der Laserstrahl wird an der CD reflektiert und mit einem halbdurchlässigen Spiegel in eine Anordnung mehrerer Fotodioden gebündelt. Der Spiegel muss nur deswegen halbdurchlässig sein, weil der Laserstrahl auf seinem Weg zur CD dort hindurch muss. Die Fotodioden registrieren Schwankungen in der Helligkeit. Die Helligkeitsschwankungen entstehen teilweise aufgrund von destruktiver Interferenz des Laserstrahls mit sich selbst: Der Fokus des Laserstrahls ist etwa zwei- bis dreimal so groß wie die Breite eines Pits. Wird gerade ein Pit ausgelesen, dann wird der Laserstrahl teilweise vom Pit und teilweise vom umliegenden Land reflektiert. Dann kommen zwei Teilwellen zurück, die einen leicht unterschiedlichen Laufweg haben. Der Höhenunterschied zwischen Pit und Land ist so gewählt, dass der Laufzeitunterschied etwa eine halbe Wellenlänge beträgt (siehe auch Abschnitt „Funktionsweise“), so dass wegen destruktiver Interferenz die Intensität des reflektierten Lichts abnimmt. Zusätzlich wird bei den Pits ein Teil des Lichtes an dessen Kanten weggestreut. Die Fotodioden registrieren also auf den Pits eine reduzierte Helligkeit. Da die CDs von der Oberseite gepresst werden, sind die Pits (Vertiefungen) von der Unterseite her als Hügel zu erkennen.

Durch eine spezielle Lichtführung auf die Fotodioden, z. B. durch einen Astigmaten auf eine quadratische Anordnung von vier Fotodioden, können durch Differenzbildung der Signale unterschiedlicher Fotodioden neben dem Nutzsignal (Summe aller Signale) auch Regelgrößen für die Spurführung und den Fokus (richtigen Abstand zwischen CD und Leseoptik) ermittelt werden.

Die Optik mit dem Laser bewegt sich beim Abspielen vom ersten zum letzten Track – im Gegensatz zur Schallplatte – von innen nach außen. Außerdem hat die CD keine feste Winkelgeschwindigkeit (Umdrehungszahl); diese wird der momentanen Position des Lesekopfs angepasst, so dass die Bahngeschwindigkeit (CLV) und nicht, wie bei der Schallplatte, die Winkelgeschwindigkeit (CAV) konstant ist. Wenn der Lesekopf weiter außen auf der CD liest, wird die CD also langsamer gedreht. Auf diese Weise kann überall auf der CD mit voller Aufzeichnungsdichte gearbeitet werden, und es ist ein konstanter Datenstrom gewährleistet, wie er bei Audio-CDs benötigt wird. Im Red Book sind zwei verschiedene Geschwindigkeiten festgelegt, 1,2 m/s und 1,4 m/s. Somit sind entsprechend Spielzeiten von 74:41 Min. bzw. 64:01 Min., unter maximaler Ausnutzung aller Toleranzen 80:29 Min. möglich. Das entspricht einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 500 min⁻¹ am Anfang der CD (innere Spuren) bis 200 min⁻¹ am Außenrand der CD. Die Umdrehungsgeschwindigkeit wird durch einen Regelkreis anhand des Füllstandes eines FIFO-Puffers geregelt. Daher muss keine Umschaltung (weder manuell noch automatisch) je nach benutzter Linear-Geschwindigkeit erfolgen. Durch den genannten Puffer wirken sich Schwankungen der Drehzahl nicht auf die Wiedergabegeschwindigkeit aus.

Viele moderne CD-ROM-Laufwerke, ab etwa einer 32-fachen Lesegeschwindigkeit, lesen Daten-CDs hingegen mit konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit, um das zeitraubende Beschleunigen und Abbremsen der CD beim Hin- und Herspringen der Leseposition zu vermeiden. Dadurch hängt bei Daten-CDs die Datenrate von der Position des Lesekopfes ab. Die auf der Verpackung angegebene Geschwindigkeit ist fast immer die maximale, nicht die durchschnittliche.

Durch die mechanische Festigkeit der CD sind der Steigerung der Lesegeschwindigkeit durch Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit Grenzen gesetzt. Sogenannte „52-fach“-Laufwerke drehen die CD mit bis zu 10.000 min⁻¹. Bei diesen Geschwindigkeiten führen selbst kleinste Unwuchten der CD zu starken Vibrationen, die einerseits deutlich hörbar sind und zum anderen auf Dauer sowohl Laufwerk als auch Medium beschädigen können.

Datenkodierung

Zur Aufzeichnung der Nutzdaten auf der CD müssen diese mit einer passenden Kanalkodierung (genauer: Leitungskodierung) kodiert werden, die den Eigenheiten des Mediums (hier also der optischen Abtastung und der Form und Größe der Pits) Rechnung tragen muss. Bei der CD ist das die sogenannte Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM). Diese stellt sicher, dass sich alle zwei bis zehn Takte die Polarität des ausgelesenen Signals ändert. Das geschieht, wenn der Laser in der Spur einen Übergang von einer Vertiefung (pit) zu einem Abschnitt ohne Vertiefung (land) passiert oder umgekehrt.

Der Hintergrund ist folgender: Die Abschnitte mit Vertiefungen bzw. ohne Vertiefungen müssen lang genug sein, damit der Laser die Veränderung erkennen kann. Würde man ein Bitmuster direkt auf den Datenträger schreiben, würden bei einem alternierenden Signal (1010101010101010…) falsche Werte ausgelesen, da der Laser den Übergang von 1 nach 0 beziehungsweise von 0 nach 1 nicht verlässlich auslesen könnte bzw. diese Übergänge gar nicht erst in Kunststoff ‚gepresst‘ werden könnten. Die EFM-Modulation bläht das Signal von acht auf 14 Bit auf. Hinzu kommen noch weitere drei Füllbits, die so gewählt werden, dass die oben erwähnte Forderung, dass sich alle zwei bis zehn Takte die Polarität ändert, auch zwischen den 14 Bit-Symbolen erfüllt wird. Durch diese Modulation wird zwar einerseits rechnerisch die Datenrate erhöht, andererseits aber kann die Datenrate so hoch gewählt werden, dass unmodulierte Daten gar nicht mehr in pits und land aufgelöst werden könnten; ein pit kann nicht kürzer sein als seine Breite, trotzdem kann die Länge auch in Bruchteilen der eigenen Breite variieren – diese Tatsache wird durch die Kodierung ausgenutzt. Sie ist mithin eine Designentscheidung, die (unter anderen) für die Spieldauer verantwortlich ist. Weiterhin wird durch die Kodierung dafür gesorgt, dass das Signal der Fotodioden keinen Gleichanteil enthält; dadurch wird die Signalverarbeitung wesentlich vereinfacht.

Fehlerkorrektur und Fehlerverdeckung

Damit sich Kratzer nicht negativ auf die Lesbarkeit der Daten auswirken, sind die Daten mittels Reed-Solomon-Fehlerkorrektur gesichert, so dass Bitfehler erkannt und korrigiert werden können. Weiterhin sind aufeinanderfolgende Datenbytes per Interleaving auf eine größere Länge verteilt. Der Cross Interleaved Reed-Solomon-Code (CIRC) ist dadurch in der Lage, einen Fehler von bis zu 3500 Bit (das entspricht einer Spurlänge von etwa 2,4 mm) zu korrigieren und Fehler von bis zu 12000 Bit (etwa 8,5 mm Spurlänge) bei der Audio-CD zu verdecken. Bei der Verdeckung wird der Fehler nicht korrigiert, sondern es wird versucht, ihn unhörbar zu machen, z. B. über eine Interpolation. Bei sehr starker Verkratzung des Datenträgers von der Unterseite ist jedoch die Lesbarkeit eingeschränkt oder ganz unmöglich.

Man unterscheidet zwischen C1- und C2-Fehlern. C1-Fehler geben singuläre Einzelfehler an (z. B. kleine Kratzer), C2 größere Blockfehler, welche von der ersten Korrekturstufe nicht mehr korrigiert werden konnten. Die Fehler vom Typ C1 können nur von wenigen Laufwerken gemeldet werden, z. B. von auf Plextor oder Lite-On basierenden mit spezieller Software (Cdrtools, Plextools, k-probe). C2-Fehler können von den meisten Laufwerken bestimmt werden, und es gibt Software für sogenannte C2-Scans, z. B. readcd, Nero CD-Speed oder CD-Doctor.

Informationen, die sich aus C1- oder C2-Fehlern ableiten lassen, geben Auskunft über den Zustand der optischen Datenträgern (beeinflusst durch Alterung, Kratzer, etc.), über die prinzipielle Lese- oder Brennqualität eines optischen Laufwerks in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (z. B. über eine C2-Statistik vieler Medien) und über die Qualität von frisch gebrannten Medien für eine langfristige Datenspeicherung (große C1-/C2-Werte nach dem Brennen weisen auf eine nur begrenzte langfristige Datensicherheit hin). Ein Problem ist, dass sich die Fehlerursachen nur schwer oder gar nicht trennen lassen. So kann beispielsweise ein Rohlingstyp, der mit einem spezifischen Brenner schlechte Werte erzielt, mit einem anderen Brenner-Typ trotzdem gute Ergebnisse erreichen. Außerdem lassen sich die C2-Informationen verwenden, um beim Übertragen von Audiomaterial auf einen Computer auf die Güte zu schließen, mit der Audiodaten von CD ausgelesen wurden. Dadurch können kritische Stellen ggf. erneut gelesen werden bzw. andersherum das erneute Lesen auf die kritischen Stellen eingeschränkt werden.

Bei der Interpretation für Medien gilt, dass neue CDs maximal 250 C1-Fehler pro Sekunde und keine C2-Fehler aufweisen sollten. Ein häufiges Auftreten von C2-Fehlern kann ein Indikator für eine fortschreitende Alterung des Mediums darstellen. Zur Datensicherung empfiehlt sich ein Umkopieren auf ein neues Medium. Eine solche Datensicherung sollte auch sofort nach dem Kauf von Medien erfolgen, die mit einem ‚Kopierschutz‘-Mechanismus ausgestattet sind („Un-CDs“), da diese meist absichtlich mit weit über 250 C1-Fehlern pro Sekunde produziert werden und daher schon eine geringe Menge sonst harmloser Kratzer solche Medien unlesbar machen kann. Ferner ist die Verwendung eines Reparatursprays oder von Schleif- und Poliergeräten möglich, um eine beschädigte CD oder DVD zu retten. Zufriedenstellende Ergebnisse können jedoch nicht in jedem Fall garantiert werden.

CD-Formate

Physische Formate

Mini-CD

CDs gibt es in zwei verschiedenen Größen, am weitesten verbreitet ist die Version mit einem Durchmesser von 120 mm und 15 Gramm Gewicht, seltener die Mini-CD mit einem Durchmesser von 80 mm und 30 % der Speicherkapazität bei einem Gewicht von 6,7 Gramm.

Daneben gibt es auch CDs, die eine andere Form als eine runde Scheibe haben. Diese sogenannten Shape-CDs fanden aber aufgrund von Abspielproblemen (Unwucht, kein Einzug in Slot-Laufwerke) nur eine geringe Verbreitung.

Übliche Größen

Typ / Bezeichnung	Durchmesser in cm	Anz. Sektoren	Speicherkapazität
			Daten 2048 Byte/Sektor		Audio 2352 Byte/Sektor
			in MB	in MiB	in MB	in MiB	in Min.
Visitenkarten-CD	?	?	≈ 20–110	≈ 19–105	?	?	5
Mini-CD	8	94.500	≈ 194	≈ 185	≈ 222	≈ 212	23
„540 MB“	?	283.500	≈ 581	≈ 554	≈ 667	≈ 636	63
normale CDs / „650 MB“	12	333.000	≈ 682	≈ 650	≈ 783	≈ 747	74
„700 MB“	12	360.000	≈ 737	≈ 703	≈ 847	≈ 807	80
„800 MB“	12	405.000	≈ 829	≈ 791	≈ 953	≈ 908	90
„900 MB“	12	445.500	≈ 912	≈ 870	≈ 1.048	≈ 999	99

Die Format-Spezifikationen der Audio-CD (kurz CD-DA), bekannt als „Red Book“-Standard, wurde von dem niederländischen Elektronikunternehmen Philips entworfen. Philips besitzt auch das Recht der Lizenzierung des „Compact Disc Digital Audio“-Logos. Die Musikinformationen werden in 16-Bit-Stereo (Quantisierung mit 2¹⁶ = 65.536 Stufen) und einer Abtastrate von 44,1 Kilohertz gespeichert.

Die Spezifikationen der CD-ROM sind im „Yellow Book“-Standard festgelegt. Ein plattformübergreifendes Dateisystem der CD-ROM wurde von der ISO im Standard ISO 9660 festgeschrieben. Sein Nachfolger lautet UDF.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Audio-CD-Inhalte und CD-ROM-Inhalte auf einer Scheibe zu kombinieren. Die einfachste Möglichkeit ist, einen Datentrack mit dem CD-ROM-Inhalt als ersten Track auf die CD zu bringen (Mixed Mode CD, von einigen Herstellern auch „Enhanced CD“ genannt). Dem heute praktisch nichtigen Vorteil, dass der CD-ROM-Teil auch in ausschließlich Single-Session-fähigen CD-ROM-Laufwerken gelesen werden kann, steht der vergleichsweise große Nachteil der Sichtbarkeit dieses Datentracks für normale Audio-CD-Spieler entgegen – insbesondere, da manche ältere CD-Spieler auch eine Wiedergabe der CD-ROM-Daten als Audio-Daten ermöglichen. Das äußert sich je nach Lautstärke-Einstellung in ohrenbetäubendem und für die Lautsprecher potenziell gefährlichem Krach.

Als Weiterentwicklung wurde der Datentrack mit einer Index-Position von 0 versehen, wodurch dieser nicht ohne weiteres vom CD-Spieler angefahren wird (i-Trax). Das Audiomaterial beginnt, wie bei einfachen Audio-CDs, an Index-Position 1 von Track 1. (Problematisch für die Abspielkompatibilität könnte die Tatsache sein, dass innerhalb des Tracks der Modus von CD-ROM Mode 1 auf Audio wechselt.)

Heute werden zu diesem Zwecke praktisch ausschließlich Multisession-CDs benutzt – die Audio-Daten liegen in der ersten Session, während die CD-ROM-Daten in einer zweiten Session enthalten sind, die nicht von Audio-CD-Spielern gelesen wird (CD-Extra, CD-Plus). Natürlich wird für den CD-ROM-Teil ein multisessionfähiges CD-ROM-Laufwerk benötigt.

Eine Mischform ist die CD+G (CD+Graphics). Diese CD stellt zeitgleich zur Musik grafische Daten, wie beispielsweise den Liedtext, auf einem Bildschirm dar. Häufigste Anwendung dieses Formats ist Karaoke. In einem normalen CD-Spieler ist die CD+G als normale Audio-CD abspielbar. Auf speziellen Geräten (in jüngerer Zeit auch auf einigen DVD-Spielern) ist zur Musik auch die Grafik auf dem Bildschirm sichtbar. Die zusätzlichen Daten sind im Subcode der CD gespeichert, d. h. sie sind im Gegensatz zum Inhalt von Datentracks nicht ohne weiteres für ein Betriebssystem sichtbar.

Deutlich häufiger anzutreffen sind dagegen CDs mit CD-Text. Dabei werden im Subcode der CD (meistens im Lead-in) zusätzliche Informationen gespeichert, beispielsweise Titel und Künstler. Diese Informationen werden dann von geeigneten Geräten während des Abspielens der CD angezeigt.

Weitere CD-Formate sind:

• CD-i
• CDTV
• Kodak Photo CD
• Kodak Picture CD
• Fujicolor CD
• Image CD
• Video-CD

Daneben gibt es noch sogenannte HDCD-CDs. Diese sind mit echten 20 Bit Musik-Information kodiert (anstatt mit 16) und sollen in Verbindung mit entsprechenden CD-Playern besser klingen. HDCD-CDs sind vollständig kompatibel mit „normalen“ CD-Spielern.

Weiterentwicklungen der CD sind die DVD-Audio und die Super Audio Compact Disc (SACD). DVD-Medien bieten wesentlich größere Speicherkapazitäten von 4,7 (eine Schicht) bis 8,5 Gigabyte (zwei Schichten). Der Hauptvorteil ist dabei nicht eine längere Spielzeit, sondern dass die Audiodaten im 5.1-Soundformat vorliegen. Während die Super-Audio-CD und DVD Audio ausschließlich für Audiodaten verwendet werden, sind bei der DVD verschiedene Datenarten möglich (DVD Data, DVD-Video, DVD-Audio, DVD-ROM, DVD+/-R(W)). Allerdings hat sich die DVD im Audiobereich noch nicht durchgesetzt.

Eine von Sony weiterentwickelte Variante der CD war die Double Density Compact Disc (DDCD). Die Speicherkapazität beträgt das Doppelte der Speicherkapazität der 640-MB-CD. Sie war in zwei Varianten erhältlich, eine beschreibbare (DDCD-R) und eine wiederbeschreibbare (DDCD-RW), konnte sich jedoch nicht gegen die DVD durchsetzen. Eine weitere von Sony entwickelte Variante ist die Blu-spec CD, die 2008 im Markt eingeführt wurde.

Das CD-Videoformat ist (im Gegensatz zur Video-CD) keine Compact Disc, sondern eine LV/LD (Bildplatte) mit analogen Videodaten und digitalen Audio-Daten.

Kopierschutz

Die CD-Standards sehen keinen Kopierschutz vor, da zur Zeit ihrer Festlegung Anfang der 1980er Jahre noch nicht absehbar war, dass in näherer Zukunft beschreibbare digitale Speichermedien mit der nötigen Datenkapazität für den Endverbraucher erschwinglich sein würden – das Kopieren wurde also einfach dadurch verhindert, dass es nichts gab, wohin die Daten realistischerweise kopiert werden konnten. Es blieb nur die qualitativ schlechtere und nicht beliebig wiederholbare Analogkopie auf Audiokassetten, die ebenso wie bei Schallplatten in Kauf genommen wurde. Das Aufkommen von CD-Brennern, hochkapazitiven Festplatten, Kompressionsverfahren wie etwa MP3 und Internet-Tauschbörsen in den 1990er Jahren hat diese Situation entscheidend geändert.

Seit dem Jahr 2001 werden in Deutschland auch Medien verkauft, die einen Kopierschutz enthalten, der das digitale Auslesen der Audiodaten (und damit das Kopieren der Daten) verhindern soll. Sie wurden zwar teils ebenfalls als Audio-CD bezeichnet, entsprechen aber nicht den Bestimmungen des Red Book und sind daher in diesem Sinne keine echten Audio-CDs. Diese CDs werden daher auch als „Un-CDs“ (Nicht-CDs) bezeichnet.

Der Kopierschutz wird realisiert, indem Fehler oder eine zweite fehlerhafte Session eingebracht werden. Auch Abweichungen vom Red-Book-Standard sind möglich, aber eher selten. Der „Abspielschutz“ ergibt sich daraus, dass die Fehler bewirken sollen, dass sich die Scheiben nicht mehr in dem CD-Laufwerk eines PC abspielen lassen. So soll das Kopieren verhindert werden. Manche CD-Laufwerke und die meisten DVD-Laufwerke lassen sich davon aber nicht beeinflussen und können die Daten trotzdem lesen, wodurch diese Idee des „Kopierschutzes“ letztendlich nutzlos wird.

Stattdessen verursachen die Fehler auf der „kopiergeschützten“ CD Probleme auf zahlreichen normalen Audio-CD-Spielern und vielen Autoradios mit integrierter CD-Einheit. Diese können diese Medien entweder gar nicht oder nur teilweise abspielen, teilweise entstehen sogar ernsthafte Hardware-Defekte, etwa wenn die Firmware des CD-Spielers abstürzt und sich das Medium nicht mehr auswerfen lässt. Außerdem leiden oft die Tonqualität und die Lebensdauer des Abspielgerätes unter dem Kopierschutz.

Seit dem 1. November 2003 sind die Hersteller in Deutschland durch § 95d UrhG gesetzlich verpflichtet, kopiergeschützte Medien als solche zu kennzeichnen. Solchen Kennzeichnungen ist jedoch kaum zu entnehmen, welche Probleme im Einzelfall mit Autoradios, MP3-CD-Spielern, DVD-Spielern und anderen Geräten auftreten können.

Da der Kopierschutz in der Praxis kaum wirksam ist, immer wieder zu Problemen beim Abspielen führt und auch eine teilweise Kaufzurückhaltung zur Folge hatte, haben ab ca. 2009 immer mehr Labels das Konzept „kopiergeschützte CD“ wieder aufgegeben. Zunehmend werden wieder gewöhnliche, ungeschützte CDs nach dem Red Book veröffentlicht, zumal sich so außerdem Lizenzgebühren für den Kopierschutz einsparen lassen.

Herstellerangaben und Produktionsstätten

Rückseite einer handelsüblichen Compact Disc mit verschiedenen Identifizierungs-merkmalen
1 = Label (hier EMI)
2 = CD-Presswerk (hier Uden)
3 = Katalog-Nr. (hier 8937272)
4 = IFPI-Kennung (hier L047)
5 = Ländercode (hier NL für Niederlande)

Die meisten CDs sind auf dem Innenring der Abtastseite mit Angaben zum Hersteller, dem Produktionsland (zum Beispiel Made in Germany by EDC, Made in France by PDO oder Mastered by DADC Austria) und weiteren Kennungen (zum Beispiel Katalog-Nr., IFPI-Kennung, Source Identification Code (SID)) versehen. Diese Identifizierungsmerkmale befinden sich i. d. R. auf einem etwa 5 mm breiten Kreis (dem Spiegel) und sind mit dem bloßen Auge nur schwer zu erkennen.

Gerade für Sammler von CDs sind solche Hinweise teilweise sehr wichtig, da man daran zum einen die legal hergestellte CD von einer Schwarzkopie unterscheiden und zum anderen „Sonderpressungen“ erkennen kann. Oft werden CDs eines Interpreten mit gleichem Inhalt in verschiedenen Ländern produziert. Die Auflagen können unterschiedlich hoch und dementsprechend wertvoll für Sammler und Fans sein.

Beschreibbare CDs

Datenschicht eines Rohlings

Beschreibbare CDs gibt es in einer einmal beschreibbaren Variante (CD-R: CD recordable) und in einer mehrfach wiederbeschreibbaren Variante (CD-RW: CD rewritable). Während die Reflexionseigenschaften einer CD-R denen einer normalen CD nahezu gleichen und diese somit auch in älteren CD-Laufwerken gelesen werden können sollte, ist das Lesekopf-Ausgangssignal einer CD-RW weitaus schwächer, so dass diese Medien nur von entsprechend ausgestatteten (neueren) Laufwerken bzw. Spielern gelesen werden können.

Zum Beschreiben einer CD kann kein gewöhnlicher CD-Spieler benutzt werden. Es ist ein sogenannter ‚CD-Brenner‘ (bzw. ein CD-Rekorder) notwendig. CD-Brenner können CDs nicht nur beschreiben, sondern auch lesen. Daher sind reine CD-ROM-Lesegeräte für Computer inzwischen praktisch vom Markt verschwunden.

Das ISO-9660-Dateiformat einer CD-ROM gestattet keine nachträglichen Änderungen. Außerdem können beschreibbare CDs – im Gegensatz zu Festplatten – nicht blockweise beschrieben werden. Deshalb muss erst ein Speicherabbild angelegt werden, das eine exakte Kopie der auf die CD zu brennenden Daten enthält. Dieses Abbild kann dann (als eine Spur) in einem Durchgang auf die CD „gebrannt“ werden. Dafür sind spezielle CD-Brennprogramme nötig. Aktuelle Brennprogramme beherrschen das Erstellen des Abbildes „on-the-fly“, das heißt, das ISO-Abbild wird während des Schreibens erzeugt.

Allerdings kann man, solange die CD nicht abgeschlossen („finalisiert“) wurde, mit einem weiteren Schreibvorgang nachträglich in einem weiteren Track (das heißt normalerweise in einer weiteren Session) der CD ein neues Dateisystem erzeugen. Die Verzeichnisse dieses neuen Dateisystems können auch auf Dateien in den älteren Tracks referenzieren. Da beim normalen Betrieb immer das Dateisystem des letzten Tracks benutzt wird, ist es so möglich, Dateien hinzuzufügen, umzubenennen, zu „löschen“ und zu „überschreiben“. Natürlich kann der belegte Platz nicht erneut benutzt werden. Mit spezieller Software (zum Beispiel IsoBuster unter Windows oder ISO Master unter Linux) kann auch auf die älteren Dateisysteme zugegriffen werden, das heißt, die „gelöschten“ Dateien bzw. die älteren Versionen ‚überschriebener‘ Dateien sind damit noch erreichbar (Multisession-CD).

Alternativ können die Dateisysteme in den Tracks einer CD (analog zu Partitionen einer Festplatte) als unterschiedliche virtuelle Laufwerke betrachtet werden (Multivolume-CD). Dieses Verfahren wurde zum Beispiel beim Mac OS in den Versionen 8 und bis 9 eingesetzt, ist jedoch sonst kaum verbreitet.

CD-RWs können theoretisch blockweise beschrieben werden. Das muss auch vom CD-Brenner unterstützt werden. Da das auf CD-ROMs verwendete ISO-9660-Dateiformat keine nachträglichen Änderungen an Dateien unterstützt, wurde dafür ein eigenes Dateisystem namens UDF eingeführt, das auch auf DVDs verwendet wird. Dieses Format erlaubt es, wie zum Beispiel bei einer Diskette, direkt Dateien auf der CD zu speichern.

Labelaufdruck

Mit LightScribe beschriftete CD

Für den Labelaufdruck bei der CD stehen, ebenso wie bei der DVD, verschiedene Drucktechniken zur Auswahl:

• Siebdruck: Im Siebdruck sind bis zu sechs Labelfarben möglich, es können Schmuckfarben (HKS oder Pantone) gewählt werden. Siebdruck ist derzeit die gängigste Variante, um CDs oder DVDs zu bedrucken, wird aber mehr und mehr vom Offsetdruck verdrängt. Siebdruck ist geeignet für gepresste CDs und DVDs, auch Rohlingsbedruckung ist möglich. Beim Siebdruck sind die Farben sehr brillant.
• Trockenoffsetdruck: Im Trockenoffset sind vier Labelfarben möglich (CMYK), kombiniert mit Siebdruck bis zu sechs (CMYK im Offset, zusätzlich weiß Vollfläche und eine Schmuckfarbe im Siebdruck). Auf Grund der höheren Auflösung verglichen mit Siebdruck ist Offsetdruck ideal für fotorealistische Darstellungen. Seit Anfang 2004 ist Offsetdruck nicht nur für gepresste CDs und DVDs, sondern auch für CD-Rohlinge und DVD-Rohlinge möglich.
• Thermotransferdruck: Bei diesem Druckverfahren wird mit einem speziellen Drucker Farbe von einem speziellen Farbband durch punktuelles Erhitzen mit einem Druckkopf auf die CD oder DVD übertragen. Technisch bedingt ist dieses Druckverfahren eher für Schriften und Logos geeignet. In der Praxis wird es bei kleinen Auflagen (selbst gebrannte CDs und DVDs) angewendet.
• Thermoretransferdruck: Der Thermoretransferdruck ist die Weiterentwicklung des Thermotransferdrucks. Das Labelmotiv wird im Thermotransfer-Druckverfahren auf ein Übertragungsband gedruckt und davon dann eine Folie auf die CD aufgebracht. Durch diese Technik ist eine bessere Auflösung möglich. So kann bereits bei Kleinauflagen ein fotorealistischer Druck erreicht werden.
• Tintenstrahldruck: Einige Hersteller bieten Rohlinge mit papierähnlich beschichteter Oberfläche an. Derartige Rohlinge, die meistens mit „printable“ o. ä. bezeichnet werden, können in geeigneten Tintenstrahldruckern mit recht ansehnlichen Ergebnissen vollfarbig bedruckt werden. Fotorealistische Bildwiedergabe ist die Regel.
• LightScribe-Verfahren: Bei diesem Verfahren brennt der Laser eines LightScribe-fähigen CD-Brenners auf die Vorderseite entsprechender Rohlinge eine beliebige Graustufengrafik, die mittels entsprechender Software entworfen und an den Brenner übertragen wird. Der Brennvorgang dauert etwa 15 Minuten. Neuerdings sind auch farbige Rohlinge vorhanden.
• Labelflash: Alternative DVD-Beschriftungsmethode
• DiscT@2: CD-R-Beschriftungsmethode

Umweltschutz

Die Compact Disc besteht hauptsächlich aus dem wertvollen Kunststoff Polycarbonat. Ein sortenreines Recycling lohnt sich zwar nicht für die Herstellung neuer Compact Discs, jedoch kann der sehr hochwertige Rohstoff in der Medizin, der PC- und der Autoindustrie verwendet werden. Verschiedene Firmen bieten Sammelsysteme an. Dabei werden Sammelbehälter kostenlos bereitgestellt. Sammelstellen (zum Beispiel Betriebe oder Kommunen) haben somit keinerlei Risiko, sondern müssen nur eine entsprechende Fläche für den Sammelbehälter vorhalten. Die Deutsche Telekom nimmt eigene CDs in ihren Shops zurück, AOL-CDs können unfrei an AOL gesendet werden.

Vernichtung der Daten

Da eine CD auch vertrauliche Daten enthalten kann, muss es sichere Verfahren geben, um diese Daten vor der Entsorgung unleserlich zu machen, sei es, weil die Daten nicht mehr benötigt werden oder weil sie gelöscht werden müssen.

Ineffektive Verfahren

• Bemalen ist praktisch wirkungslos.
• Zerkratzen auf der Unterseite ist, wenn die Kratzer nicht sehr tief sind, nahezu wirkungslos. Selbst bei vielen und tiefen Kratzern können mit Spezialprogrammen und -werkzeugen oft beachtliche Teile der Daten wiederhergestellt werden. Zerkratzen auf der Oberseite hilft, aber auch dort können nicht zerkratzte Teilbereiche mit speziellen Verfahren noch gelesen werden.

Effektive Verfahren

• CD-Brenner – Seit einiger Zeit bieten diverse Hersteller von CD-Brennern auch Zusatzfunktionen (Smart-Erase) in den Laufwerken an, mit denen ein bereits beschriebenes CD-R-Medium erneut „überbrannt“ werden kann, um die darauf gespeicherten Daten endgültig zu vernichten. Das funktioniert nicht mit gepressten CDs.
• Zerbrechen (evtl. mit Hammer) ist eine relativ sichere Methode, wobei die Sicherheit umso höher ist, je kleiner die Teile sind. Es besteht aber Verletzungsgefahr für Hände und Augen durch umherfliegende scharfkantige Polycarbonatsplitter, weshalb man eine Schutzbrille tragen und die CD in einen Umschlag oder Beutel stecken sollte.
• Zerschneiden oder Schreddern – für extrem sensible Daten existieren spezielle CD-Schredder, die CDs und andere optische Datenträger in so kleine Stücke häckseln, dass die Datenträger als zuverlässig vernichtet gelten können, wobei die Recyclingfähigkeit des Datenträgers erhalten bleibt. Auch manche herkömmliche Papierschredder können CDs zerkleinern. Die Tauglichkeit eines bestimmten Modells für diesen Zweck ist der Gebrauchsanweisung zu entnehmen.
• Reiben – Man reibt die Labelseite der CD solange an einer rauen Fläche (z. B. einer Raspel oder einem Ziegelstein o. Ä.), bis die CD vollständig durchsichtig und dadurch unbrauchbar ist.
• Mikrowellenherd oder Verbrennen – funktioniert sowohl bei gepressten als auch bei selbstgebrannten CDs. Dabei wird die Metallschicht aufgrund der Hitzeentwicklung durch die elektromagnetischen Wellen bzw. des Feuers zerstört. Dieses Verfahren ist im Grunde sehr effektiv und im Notfall durchaus geeignet, allerdings entstehen dabei gesundheitsschädliche Dämpfe. Darüber hinaus besteht die Gefahr eines Brandes.

Die oben beschriebenen mechanischen und thermischen Verfahren sind nicht uneingeschränkt empfehlenswert, da durch eine derartige Behandlung der Datenträger Chemikalien der Beschichtung zum Teil als sehr kleine Partikel in die Umgebungsluft abgegeben werden. Unter gesundheitlichen Gesichtspunkten ist Smart-Erase das einzige unbedenkliche Verfahren.

Siehe auch

• Vergleich optischer Datenträger – Vergleich von CD, DVD, HD-DVD und Blu-Ray-Disc
• Liste von Audio-Fachbegriffen

Literatur

• Hartmut Gieselmann: Gegen das Vergessen. US-Forscher prüfen Lebensdauer von [beschreibbaren] CDs und DVDs. In: c't, 1/2005. Heise-Verlag, S. 44
• Kees A. Schouhamer Immink: The Compact Disc Story. Journal of the Audio Engineering Society, 46(5), S. 458–465, Mai 1998
• Rolf Müller: Musik und Technik. Die Gitarre und die silberne Scheibe, nova giulianiad 1/83, S. 54 ff. (ISSN 0254-9565)

Weblinks

Wiktionary: CD – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Compact Disc – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Aufbau und Grundlagen, Fehlerkorrektur, Reinigung, Reparatur
• Zur Datenvernichtung
• Sammelstellen für Blueboxx GmbH
• Die Geschichte der CD
• Wann ist die CD wirklich geboren? Eine lange Geschichte.

Einzelnachweise

Dieser Artikel wurde am 18. Juli 2005 in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen. Vorlage:Lesenswert/Wartung/ohne Version