9.4 Optische Speicher

Im Vergleich zu magnetischen Fest- und Wechselplatten bieten optische Datenträger eine höhere Speicherdichte zu geringeren Kosten. Die geschichtliche Entwicklung zeigt folgende Tabelle:

Jahr Bezeichnung Spezifikation

1982 CD-DA Compact Disc Digital Audio Red Book

1985 CD-ROM Compact Disc Read Only Memory Yellow Book

1988 CD-I Compact Disc Interactive Green Book

Schematische Darstellung des Abtastvorgangs

Eine optische Speicherplatte besteht aus einem durchsichtigen Kunststoffträger (1,2 $\mu$ m), der auf der einen Seite mit einer Reflexionsschicht (50 nm) und einer Schutzlackschicht (10 $\mu$ m) versehen ist. Die Schutzlackschicht wird mit einem Etikett bedruckt. Die Information wird durch Vertiefungen (Pit) in der Reflexionsschicht kodiert, die sich mit Nicht-Vertiefungen (Land) abwechseln. Der Höhenunterschied liegt bei etwa 0,15 $\mu$ m und kann durch einen fokussierten Laserstrahl entdeckt werden: Land reflektiert stark, Pit reflektiert wenig. Die Folge von Lands und Pits bildet eine Spirale, die sich aus mehreren Spuren zusammensetzt. Die Spurbreite beträgt 0,6 $\mu$ m, der Spurabstand 1,6 $\mu$ m. Somit passen auf 1 mm Plattenradius mehr als 600 Spuren. Zum Vergleich: eine Diskette enthält etwa 4 Spuren pro mm. Auf einer CD mit 12 cm Durchmesser stehen etwa 4 cm Radius zur Verfügung. Dies reicht für 24000 Spuren. Die größte Spur hat einen Radius vom 6 cm, die kleinste Spur hat einen Radius von 2 cm. Die mittlere Spurlänge beträgt daher 2 · $\pi$ · 4 $\approx$ 25 cm. Dies führt zu einer Gesamtlänge von 24000 · 25 cm = 6 km.

Um eine konstante Transferrate zu erreichen (Constant Linear Velocity = 1,3 m/sec), muß beim Lesen einer Spur die Umdrehungsgeschwindigkeit angepaßt werden: etwa 500 Umdrehungen pro Minute für die innerste Spur, etwa 200 Umdrehungen pro Minute für die äußerste Spur. Beim wahlfreien Zugriff wird daher zunächst der Lesekopf an die ungefähre Position gebracht, die Drehzahl angeglichen, dann einige Adressen gelesen, Drehzahl und Kopfposition justiert. Dies verursacht gegenüber einem Constant-Angular-Velocity-System, verwendet z.B. bei Magnetplatten, eine höhere Zugriffszeit.

Die binäre Information ist abgelegt durch Channelbits:

1:

Es findet ein Wechsel von Land nach Pit oder von Pit nach Land statt.

0:

Es findet kein Wechsel statt.

Zu schnelle Wechsel kann der Laser nicht mehr auflösen, zu lange Land- oder Pit-Folgen behindern die Synchronisation. Daher wurde festgelegt, daß mindestens 2 Pits und 2 Lands in Folge auftreten und spätestens nach 10 Pits oder Lands ein Wechsel kommen muß. Das bedeutet, daß in einer Channelbitfolge zwischen zwei Einsen mindestens zwei und höchstens zehn Nullen stehen. Dies führt zur sogenannten Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM): Unter den 2¹⁴ = 16384 Folgen, bestehend aus 14 Bits, befinden sich 267 zulässige Folgen, davon wurden 256 ausgesucht, die als Channelbits die acht Datenbits eines Byte kodieren.

Da beim direkten Hintereinanderfügen der Channelbit-Kodewörter die Bedingungen über minimale und maximale Pit- bzw. Landlängen verletzt werden können, werden zwischen je zwei Kodewörtern drei geeignet gewählte Merge-Channelbits eingefügt. Somit verursacht ein Datenbyte 17 Kanalbits.

Wert Datenbits Kodierung

0 00000000 01001000100000

1 00000001 10000100000000

2 00000010 10010000100000

3 00000011 10001000100000

4 00000100 01000100000000

5 00000101 00000100010000

6 00000110 00010000100000

7 00000111 00100100000000

8 00001000 01001001000000

9 00001001 10000001000000

10 00001010 10010001000000

Kodierung der Bytewerte 0-10

Pit-Land-Folge für die Datenbytefolge 5, 2, 0

Die Daten auf einer CD sind in sogenannten Frames organisiert. Ein Frame umfaßt 24 Bytes Nutzdaten (z.B. 24 Datenbytes oder 6 Stereo-Abtastpaare zu je 16 Bit). Neben den zugehörigen EFM-Kodewörtern enthält ein Frame noch Informationen zur Fehlerkorrektur und Synchronisation. Insgesamt ergeben sich 588 Bits.

Anzahl Inhalt Bytes Channelbits

24 Nutzdaten 24 336

8 Fehlerkorrektur 8 112

1 Control & Display 1 14

1 Synchronisation 24

34 Mergeworte 102 588

Inhalt eines Frame

CD-DA
Bei der Audio-CD werden 98 Frames zu einem Block zusammengefaßt. Dies ist die kleinste adressierbare Einheit und enthält 2352 Bytes Audiodaten. Alle Blöcke, die zu einem Musikstück gehören, bilden einen Track. Maximal 99 Tracks kann die Audio-CD enthalten.

Die 8 Bit des Control & Display-Byte werden aus allen Frames eines Blockes zusammengezogen und für die acht Subchannel P, Q, R, S, T, U, V, W mit jeweils 98 Bit Kapazität genutzt. Z.B. wird der Q -Channel im Vorspann zur Abspeicherung des Inhaltsverzeichnisses, im Rest der CD-DA zur Angabe der relativen Zeit innerhalb eines Tracks und der absoluten Zeitangabe auf der CD verwendet. Die Adressierung beinhaltet Minute, Sekunde und Block-Nr. Meistens hat ein Track zwei Indexpoints: einen für den Anfang des Tracks, einen für den Beginn der Audiodaten.

Die Fehlerkorrektur arbeitet mit dem Cross Interleaved Real Solomon Code und verteilt real hintereinanderliegende Audio-Bytes auf mehrere Frames eines Blockes. Auf diese Weise kann ein Loch, das mit 2 mm Durchmesser in die CD gebohrt wurde, kompensiert werden.

Bei einer Geschwindigkeit von 1,3 m/sec werden pro Sekunde 75 Blöcke gelesen. Dies führt zu einem Audiobitstrom von 75 · 98 · 24 · 8 = 1411200 Bit/sec. Bei 16 Bit Auflösung erlaubt dies eine Abtastfrequenz von 1411200/16 = 88200 Hz, für Stereo also 2 × 44100 Hz. Da 74 Minuten Spielzeit verlangt werden, müssen 74 · 60 · 1411200 Bits = 747 MByte vorhanden sein. Der Datenbitstrom berücksichtigt zusätzlich die Kontroll- und Fehlerkorrekturbytes und beträgt 1940000 Bit/sec. Der Kontrollbitstrom berücksichtigt zusätzlich den EFM-Overhead inklusive Mergebits und beträgt 4321800 Bit/sec.

CD-ROM
Die CD-DA besitzt eine Fehlerrate von 10^{- 8} und ermöglicht wahlfreien Zugriff auf einzelne Tracks und Indexpoints. Für Computerdaten ist eine bessere Fehlerkorrektur und wahlfreier Zugriff mit höherer Auflösung erforderlich.

Es werden 98 Frames zu einem Block mit 98 · 24 = 2352 Bytes zusammengefaßt. Die ersten 12 Bytes werden zur Synchronisation verwendet, 3 Bytes für die Blockadresse, 1 Byte zur Mode-Bezeichnung. Mode-1-Blöcke nutzen die restlichen 2336 Bytes für Audio- oder Bilddaten. Mode-2-Blöcke verwenden von den restlichen 2336 Bytes für Computerdaten 2048 Bytes und für eine erweiterte Fehlerbehandlung 288 Bytes. Die Fehlerrate verringert sich dadurch auf 10^{- 12}, d.h. 1 Fehler auf 10¹² Bit. Bei etwa 270.000 verfügbaren Blöcken zu je 2048 Bytes bedeutet dies ein Fehler auf etwa 2000 CDs.