Der Konzertsaal zuhause, mehr als 40 Jahre Compact Disc Digital Audio
Einführung
April 1981: Die Osterfestspiele in Salzburg sind in vollem Gange. Der Leiter und Maestro Herbert von Karajan hat sie am Samstag, den 11. April mit dem Parsifal von Richard Wagner eröffnet. Es folgten Tage mit Haydns Schöpfung, Beethoven, Schönberg, Schumann und Strauß. Am Mittwoch ist Pause. Aber nicht für den Maestro. Es ist der 15.4.1981 und er sitzt im Landesstudio Salzburg des ORF zwischen Akio Morita dem Gründer von Sony, Joop van Tilburg von Philips und Chef der Philips Audio Division und Richard Busch dem Chef von Polygram. Gemeinsam stellen sie die neue digitale Schallplatte, die Compact Disc Digital Audio, kurz CD vor. Karajan war ein Technikfreak und sehr an den technischen Möglichkeiten zur Aufnahme von Musik interessiert. Lange Jahre schon pflegte er eine enge Verbindung mit Akio Morita und wusste daher schon früh von den Ideen zu einer optischen Disc bei Sony. Karajan schätzte den großen Dynamikumfang mit dem er mittels der CD den Hörer erreichen konnte. Auch wenn er sein Orchester pianissimo spielen ließ waren keine störenden Nebengeräusche wie Kratzer und Rauschen zu hören. Und beim Fortissimo musste man keine Bedenken haben dass die Nadel aus der Rille sprang.
Philips befasste sich bereits länger mit der optischen Aufzeichnung von Bild und Ton und 1974 etablierte Lou Ottens (Direktor der Audio Division) eine kleine Gruppe Entwickler die eine optische Platte, deren Klangqualität besser als die der Vinyl Schallplatte sein sollte, entwickeln sollte. Am Ende dieser Entwicklung stand dann die Compact Disc Digital Audio. Zeitgleich entwickelte das Team von Heitaro Nakajima bei Sony einen digitalen Audiorekorder auf Basis des Betamax Videorekorders (Bandaufzeichnung). Danach widmeten auch sie sich der optischen Aufzeichnung des digitalen Signals.
1979 präsentiert Sony seine Digital Audio Disc auf der 62. AES Konferenz in Brüssel und eine Woche später präsentierte Philips den Prototyp einer optischen Digital Audio Disc auf einer Pressekonferenz in Eindhoven. Das Ziel beider Firmen war, die CD als einen weltweit einheitlichen Standard für die perfekte Audiowiedergabe (ohne Datenreduktion) und der Möglichkeit der Vervielfältigung durch Pressung wie bei der Schallplatte im Markt zu etablieren. Obwohl beide Firmen Konkurrenten in verschiedenen Bereichen waren, hatten sie schon in den 1960ern bei der Einführung des Audiokassetten Standards kooperiert und ihnen war klar, dass wenn sie einen neuen Weltstandard mit der CD ins Leben rufen wollten, sie das ebenfalls gemeinsam tun müssen. Von Vorteil war auch, dass beide Firmen im Bereich der Musikindustrie tätig waren. Sony mit CBS/Sony und Philips mit einer 50% Beteiligung an Polygram. So konnten sie nicht nur die Abspielgeräte sondern auch den Content, sprich Musikaufnahmen auf dem neuen Medium zur Verfügung stellen.
In der Pressemitteilung von Philips Deutschland hieß es 1981: "Die Schallplatte, deren technische Entwicklung vor mehr als 100 Jahren begann, steht vor einer revolutionären technischen Erneuerung. Durch Einführung der Digitaltechnik auf der neuen Platte und das berührungslose Auslesen der Musikinformation mit einem Laserstrahl werden die qualitativen Grenzen der heutigen Musikreproduktion auf Schallplatten aufgehoben. Die neue Schallplatte heißt Compact Disc Digital Audio, kurz CD. (...) Die neue Platte ist frei von allen Rumpel- und Jaulstörungen. Die Musikwiedergabe wird durch Kratzer, Staub und Fingerabdrücke auf der Oberfläche der Platte nicht beeinträchtigt, da die eigentliche Information unterhalb einer transparenten Schutzschicht liegt, und dort berührungslos von einem Laserstrahl ausgelesen wird." [4]
Und 1981 für die Premiere in Salzburg hatten sie sich nun ein Zugpferd par exellence geholt: Herbert von Karajan. Seine Worte bei der Pressekonferenz sind oft zitiert worden. Er war als Musiker mit hohen Ansprüchen an die Audiowiedergabe von der CD überzeugt und meinte, dass der Vergleich der CD mit der Schallplatte ungefähr so wäre als ob man elektrisches Licht mit der früheren Gasbeleuchtung vergleichen würde.
Ein Jahr später, auf der 33. Internationalen Funkausstellung in Berlin (4. – 18.9.1982) stellten Philips und Sony die CD dann der Öffentlichkeit vor. Der Absatz der CDs hielt sich, wie bei vielen neuen Entwicklungen, erst einmal in Grenzen. Die Ursachen waren natürlich zum einen das begrenzte Angebot an originalen Aufnahmen auf CD zum anderen musste man sich für die CD auch einen neuen Player kaufen und die Preise für einen CD-Player lagen am Anfang im 4stelligen Bereich. Aber bereits 1989 überholten in Deutschland die Verkaufszahlen der CD die der Schallplatte. Auch das Ziel einen weltweiten Standard zu etablieren war gelungen. Nicht allein wegen der Pressearbeit von Philips und Sony sondern auch wegen der frühzeitigen Vergabe von Lizenzen an interessierte Firmen für die Produktion von CDs und den Bau von CD-Playern. Zu den ersten Firmen die eine Lizenz erwarben gehörte 1981 auch Grundig.
40 Jahre Compact Disc Digital Audio, Teil 1 – CD Geschichte, Technik, Vinyl Schallplatte LP, Streaming
Wie kam es nun zu den physikalischen Abmessungen der CD?
Die Fakten: Die CD ist für eine Länge von 74 bis 80 Minuten nicht komprimierten Audioinhalt (Laufzeit) ausgelegt, das entspricht einem Datenvolumen von 650 MB und 700 MB. Der Durchmesser einer CD beträgt 12 cm. Zur Erinnerung: die Vinyl-Langspielplatte hatte eine Laufzeit von 20 bis 25 Minuten pro Seite und einen Durchmesser von 30 cm.
Um die Länge des Audioinhaltes der CD ranken sich verschiedene Gerüchte. Prominent wird immer wieder die Forderung der Japaner genannt, dass die Interpretation der 9. Symphonie Beethovens von Furtwängler mit den Berliner Philharmonikern auf eine CD passen muss. Wobei man sich fragen kann warum Akio Morita, der Karajan Verehrer war, ausgerechnet die Furtwängler Interpretation gewählt haben soll und nicht die von Karajan, die ca. acht Minuten kürzer war. Ja, aber da gibt es eben noch die Geschichte, dass seine Frau die Furtwängler Interpretation am liebsten mochte. Philips selbst berichtet auf seiner Webseite, sie haben sich bei ihrer Tochter Polygram schlau gemacht was die längste Spieldauer einer LP zu diesem Zeitpunkt war. Und es war die 9. Symphonie Beethovens von Furtwängler mit den Berliner Philharmonikern in einer Mono Aufnahme. Also war man sich schnell einig und entschied sich für 74 Minuten. Plausibel erscheint aber auch die Begründung dass die Plattenindustrie an ihrem Albumformat auf der LP, also der Laufzeit (ca. 40-50 Minuten) und wichtiger noch an der Anzahl der Titel in einem Album festhalten wollte. Das Album war zu dieser Zeit die Basis für ihren Absatz und damit für ihren Umsatz.
Ähnliche Geschichten ranken sich um die Größe der CD. Philips lag daran dass die CD nicht größer als seine erfolgreiche Compact Cassette sein sollte, die 11,5 cm in der Diagonale hatte. Sony schlug erst 10 cm vor, da sie wahrscheinlich schon portable CD-Player im Hinterkopf hatten. Sony hatte zu diesem Zeitpunkt schon mit großem Erfolg den Walkman am Markt. Am Ende einigte man sich aber auf 12 cm Durchmesser, da es die erforderliche Größe war um die 9. Symphonie Beethovens von Furtwängler mit den Berliner Philharmonikern aufzuzeichnen. Aber die maximale Lauflänge der Musik auf einer CD hängt natürlich nicht nur von der physikalischen Größe der CD ab, sondern auch von dem verwendeten Codierungsverfahren. Dieses Codierungsverfahren wurde von Kees A. Schouhamer Immink (Ingenieur bei Philips) entwickelt. Die Anforderung war Musik ohne Qualitätsverlust auf der CD speichern zu können. Außerdem musste das Codierungsverfahren fehlertolerant sein damit kleine Kratzer oder Fingerabdrücke auf der CD keine Wiedergabefehler generierten.
Die erste CD die dann am 17.8.1982 von Polygram in Hannover-Langenhagen gepresst wurde war aber nicht die 9. Symphonie Beethovens von Furtwängler und auch nicht die von Karajan, sondern das Album „The Visitors“ der Popgruppe ABBA. Parallel erschienen CDs mit Karajans Einspielung der Alpensymphonie von Richard Strauß und Chopin Walzer gespielt vom Pianisten Claudio Arrau. Hannover schrieb beim Hören so wieder einmal Geschichte, denn 1887 hatte Emil Berliner mit einer Nadel Schallschwingungen in eine Wachsschicht auf Zinkplatten geritzt und daraus Schellackplatten pressen lassen. Der Bruder von Emil Berliner gründete die „Deutsche Grammophon-Gesellschaft“, bei der später Siemens einstieg. Die Philips Phonografische Industrie und die Deutsche Grammphon Gesellschaft schlossen sich 1962 zur Grammophon-Philips Group zusammen. 1972 wurde sie umbenannt in Polygram Group. Das optische Aufnahme- und Wiedergabesystem entwickelte sich im Weiteren aber nicht nur zum weltweiten Standarddatenträger für Audio (CD) und Video (DVD, Blu-Ray) sondern auch zum Datenträger in der Computerindustrie.
40 Jahre Compact Disc Digital Audio, Teil 2 – CD Geschichte, Technik, Vinyl Schallplatte LP Streaming
Technik CD
Aber jetzt wollen wir einen Blick in die Vorgeschichte der CD werfen, wie es sich für Rundfunk & Museum auch gehört. Wie bei so vielen Grundlagenentwicklungen liegen auch hier die Wurzeln, die zur CD geführt haben, in den USA. Nun ist es in diesem Rahmen nicht möglich die gesamte Historie der Überlegungen anzuführen, die schließlich zur Compact Disc geführt haben. Deswegen sei dies hier beispielhaft anhand der Entwicklungsarbeiten und den Patenten von zwei amerikanischen Ingenieuren und Erfindern aufgezeigt. Diese beiden werden auch meistens zitiert, wenn es um Grundlagenpatente zur optischen Signal Aufzeichnung und Wiedergabe, also auch um die CD, geht.
Zunächst sei auf die Arbeiten von David Paul Gregg eingegangen. Gregg (1923 - 2001) war in den späten 1950er Jahren Mitarbeiter der kalifornischen Elektronikfirma Westrex, die eine Tochtergesellschaft von Western Electric war. Neben RCA war die Westrex Corporation in den ersten 40 Tonfilmjahren der größte Technikausstatter der Filmindustrie. Beim Tonfilm wird ja bekanntlich die Tonspur neben den Bildern auf dem Film aufgebracht. Bei der Tonaufnahme wird das Audiosignal in Helligkeitssignale umgewandelt und damit der Filmstreifen seitlich belichtet (Zackenschrift oder Sprossenschrift). Bei der Wiedergabe wird diese Spur beleuchtet und durch die unterschiedliche Transparenz der Filmtonspur kann eine Fotozelle die Helligkeitsschwankungen wieder in elektrische Audiosignale umwandeln. Die optische Abtastung erfolgt somit vollkommen berührungslos. Also nicht wie bei Plattenspieler und Tonbandgerät wo Abtastnadel und Tonkopf in mechanischem Kontakt zur Platte und Tonband stehen. Dadurch werden nicht nur Abtastnadel und Tonkopf sondern auch Platte und Tonband durch Reibung abgenutzt. Um diese Nachteile zu vermeiden hatte Westrex schon 1947 den optischen Stereo-Rekorder RA-1231 vorgestellt, der auch schon Audio-Stereo-Aufnahmen auf einem Filmstreifen machen konnte. Wahrscheinlich inspirierte dieser Hintergrund Gregg dazu ein Aufnahme- und Wiedergabeverfahren zu entwickeln, dass auch für Signale mit sehr großer Bandbreite, wie z.B. Fernsehsignale, geeignet war.
1960 wechselte Gregg zu Mincom, einer Abteilung von 3M (Minnesota Mining and Manufacturing Company). 3M ist ein heute noch weltweit agierender US-amerikanischer Multi-Technologiekonzern, bei uns bekannt durch seine Folien, Klebebänder und nicht zuletzt durch diese gelben Klebezettel namens Post-it. Mincom war spezialisiert auf die Entwicklung und Fertigung von elektronischen Produkten wie Tonbandgeräte und Rekorder für Messwerte. Und Mincom hielt Ausschau nach weiteren vermarktbaren Technologien. Gregg konnte bei Mincom mit den in der Magnetbandaufzeichnung von Fernsehsignalen erfahrenen Ingenieuren Wayne Johnson und Dean De Moss zusammenarbeiten. Diese drei Ingenieure reichten Patente für optische Disc-Recording- und Playback-Systeme ein, die für Audio- und Videosignale geeignet waren.
Abb. 1: USA Patent US3381086 von D.P. Gregg, D.L. De Moss und W.R. Johnson: Reproduction of Television Signals from Photographic Disc Recordings (eingereicht am 16. August 1962)
Das Patent „Reproduction of Television Signals from Photographic Disc Recordings“, (Abb. 1) das sie im August 1962 einreichten wollen wir uns näher ansehen. Dabei wurde das Signal mittels eines Elektronenstrahls auf eine Scheibe aus durchsichtigem Plastik, die mit einer photographischen Emulsion beschichtet war, spiralförmig geschrieben. An den Stellen, an denen der mit dem Audio- oder Fernsehsignal modulierte Elektronenstrahl hohe Intensität hatte führte dies zu einer starken Entwicklung der Emulsionsschicht und damit zu einer hohen Transparenz. An Stellen an denen der Elektronenstrahl niedrige Intensität hatte führte dies zu weniger Transparenz der Emulsionsschicht (siehe Detail Abb. 1: Mechanischer Aufbau Disc; Bezeichnung 110 und 112). Das elektrische Signal wurde also ähnlich wie beim Tonfilm in Helligkeitswerte umgesetzt. Die ganze Aufnahmeprozedur (Elektronenstrahlsystem ähnlich dem einer Elektronenröhre) musste im Vakuum stattfinden und war deswegen für die Praxis kaum geeignet.
Aber die Vorrichtung zur optischen Abtastung bei der Wiedergabe der aufgezeichneten Signale war brillant durchdacht. Abb. 1 zeigt diese Anordnung im Aufriss, also ein senkrechter Schnitt durch die Vorrichtung. Die U-förmige bewegliche Abtastvorrichtung (Bezeichnung 204) konnte über einen Elektromotor mittels Zahnstangengetriebe in radialer Richtung, bezogen auf die Disc (10), grob verstellt werden. Die Disc wurde auf einem Teller (200) gelagert, der von einem Motor (202) in Umdrehungen versetzt wurde. Der X-Y Drive (222) sorgte für die feine Verstellung der Abtasteinheit und gewährleistete die genaue Einstellung auf die Spur. Somit konnte die Abtastvorrichtung der spiralförmigen Aufnahmespur folgen. Das Auslesen der optisch gespeicherten Information erfolgte auf folgende Weise: Eine Lichtquelle mit Reflektor (208 und 208a) warf mittels einer Sammellinse (210) einen kleinen Lichtpunkt auf die Disc (10). In Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit der Disc wurde der Lichtstrahl moduliert und über das Linsensystem (212) wieder verbreitert um eine genügend große Fläche zur Beleuchtung der Photozellen (218 und 220) zu erreichen. Der Umlenkspiegel (214) richtete den breiten Lichtstrahl auf die beiden im spitzen Winkel angestellten Umlenkspiegel (216).
Diese lenkten dann den Lichtstrahl auf die jeweilige Photozelle (218 oder 220). Die Anordnung der beiden Photozellen diente zur Erzeugung einer Regelinformation zur genauen Spurhaltung. Auf die elektronische Regelschaltung, die ebenfalls im Patent angegeben wurde, soll hier nicht eingegangen werden. Aber die Hauptaufgabe der Photozellen war natürlich die auf der Disc gespeicherten Helligkeitswerte wieder in ein elektrisches Signal umzuwandeln (z.B. ein Fernseh- oder Audiosignal). Das ganze System war natürlich ein analoges Aufnahmeverfahren. Über die Möglichkeiten die Aufnahme zu vervielfältigen wurde im Patent nichts gesagt. Es ist anzunehmen, dass das Verfahren als kostengünstiger Ersatz für die hochkomplexen Studio-Videobandmaschinen (z.B. Ampex) gedacht war. Aber wie schon erwähnt war es aufgrund des benötigten Vakuums bei der Aufnahme wohl keine Alternative zu den analogen Studio Audio- und Videobandmaschinen für Rundfunk und Fernsehen und für Consumergeräte war es natürlich erst recht nicht geeignet.
Um die Forschung auf dem Gebiet der optischen Aufnahme und Wiedergabe weiter zu erweitern und zu beschleunigen schloss Mincom einen Entwicklungsvertrag mit Stanfords SRI (Forschungsinstitut der Stanford University) ab. Gregg nahm dies zum Anlass Mincom zu verlassen und seine eigene Firma, die Gauss Electrophysics, zu gründen.
1967 reichte Gauss Electrophysics die Patentschrift „Transparent Recording Disc“ (US Patent 3430966) ein. Als Erfinder wurde David Paul Gregg angegeben. Zu dieser Zeit wurde klar, dass die Lasertechnik, die sich inzwischen etabliert hatte, zur Realisierung einer optischen Disc viel besser geeignet war als die Elektronenstrahltechnik, da Laserlichtquellen extrem gebündelte Lichtstrahlen aussenden und so gut wie keine Streuung aufweisen. Und natürlich im Gegensatz zur Elektronenstrahltechnik kein Vakuum bei der Aufnahme der Disc erforderlich war. In Greggs neuem Patent wurde auch explizit die Laserabtastung erwähnt. Greggs Firma hatte nun ein revolutionäres Produkt, das High-Fidelity Audio und Video Wiedergabe in einem einzigartigen neuen Format ermöglichte. Was noch fehlte war ein industrieller Partner, der die Idee zur Marktreife brachte. Und der Partner war schnell gefunden.
1968 kaufte MCA (Music Corporation of America), ein US-amerikanisches Medienunternehmen der Musik- und Fernsehindustrie, die Patente von Gregg und Gauss Electrophysics. MCA hatte die Rechte an tausenden von Filmen und großes Interesse einen Weg zu finden diese in Heimvideos zu konvertieren und zu vermarkten. Deswegen gründete MCA 1969 die MCA Laboratories (später umbenannt in MCA DiscoVision) eine Forschungsabteilung, die ein für die Serienfertigung geeignetes VideoDisc System entwickeln sollte. Die Entwicklungsanstrengungen von MCA DiscoVision waren schließlich von Erfolg gekrönt. Auch Philips hatte um diese Zeit ein VideoDisc System entwickelt, das, wie das MCA System, im Reflexiven-Mode arbeitete. Dies hatte den Vorteil gegenüber dem Transparenten-Mode, dass die Abtasteinheit Laser und Laserdiode auf einer Seite der Disc angeordnet werden konnten.
MCA und Philips entschieden sich ihre Entwicklungsaktivitäten zu kombinieren und 1972 präsentierten sie ein gemeinsames VideoDisc System, sowie die erste nach einem Spritzpress-Verfahren, ähnlich dem der Schallplatten-Pressung, duplizierte Scheibe.
Das Videosignal wurde dabei analog in Frequenzmodulation aufgezeichnet. Dabei wurde ein Hochfrequenzträger von 8,3 MHz mit dem analogen Videosignal moduliert (Hub ca. 2 MHz). Die Frequenzmodulation gewährleistete eine stabile Signalamplitude. Die analogen Audiosignale wurden auf eigenen FM-Subträgern moduliert. Das kombinierte Signal wurde einem Begrenzer (Schaltschwelle) zugeführt der es in eine Pulsweitenmodulation (PWM) umwandelte. Dieses PWM Signal steuerte den Laser der auf die rotierende Masterglasplatte die Pits brannte (Abb. 2). Die Bezeichnung Pit kommt vom englischen „Grube“ und hat nichts mit dem Bit der Digitaltechnik zu tun. Der Begriff Pit bezeichnet die Vertiefungen. Der Schreibprozess wird später bei der Herstellung der CD genauer erläutert. Nach diesem „Brennvorgang“ enthält der Glasmaster eine spiralförmige Spur von Pits und Lands (Zwischenraum zwischen den Pits). Der Glasmaster dient dann als Basis für die Erstellung der in der LaserDisc Produktion verwendeten Spritzpress-Formen. Es sei noch einmal betont, dass die auf der LaserDisc vorhandenen zwei Zustände (Pit und Land) keine digitale Codierung darstellen, vielmehr ist die analoge Information in der Länge von Pits und Lands enthalten. Die Wiedergewinnung des analogen Signals kann man sich gut nach dem Prinzip der Zero-Cross FM-Demodulation erklären (siehe Literatur- und Internetquellenangabe).
Abb. 2: Wandlung der analogen Video- und Audiosignale in eine Sequenz von Pits (Pit = engl. Grube) von variabler Länge längs der Spur einer LaserDisc.
Die ersten serienmäßigen VideoDisc Player und Platten für den Konsumenten kamen 1978 auf den Markt. Sie hatten einen Durchmesser von 30 cm, wie die LP. Die mit „Standard Play“ bezeichneten Discs wurden bei der PAL Norm mit einer konstanten Drehzahl von 1500 Umdrehungen/Minute betrieben und hatten 36 Minuten Spielzeit pro Seite. Die mit „Extended Play“ bezeichneten Discs hatten eine Spielzeit von 64 Minuten pro Seite in der PAL Version. Sie hatten eine konstante Abtastgeschwindigkeit für die Pits und Lands. Demzufolge auf der innersten Spur 1500 Umdrehungen/Minute und auf der äußersten Spur entsprechend weniger.
Aber 1975 hatte Sony sein Betamax Consumer Videorecorder System vorgestellt und 1976 folgte JVC mit seinem VHS System. Das erste Video-2000-System (Systempartner Philips und Grundig) wurde 1979 auf der Internationalen Funkausstellung in Berlin vorgestellt und traf in der Fachwelt auf großes Interesse. Diese Systeme waren von der technischen Performance wie z.B. Auflösung und Tonwiedergabe schlechter als die LaserDisc. Aber sie konnten Fernsehsignale aufnehmen und ermöglichten so das zeitversetzte Sehen der Lieblingssendung. Und dazu kam noch, dass das Aufkommen von Videotheken mit ihrem großen Angebot von Leihkassetten dem schmalen Angebot von Filmen auf VideoDisc überlegen war.
So kam es, dass Philips die Sparte VideoDisc aufgab und MCA dieses Geschäftsfeld an den japanischen Hersteller Pioneer veräußerte. Dieser verbesserte das VideoDisc System noch weiter. Im asiatischen Bereich, wo technische Innovationen und Bildperformance höher geschätzt werden, war die LaserDisc noch länger ein bevorzugtes Objekt von Filmliebhabern. Bei Philips überlegte man sich, was man aus dem bei der Entwicklung der LaserDisc gewonnen Know-how noch für einen Nutzen ziehen könnte. Entwicklungen um die LaserDisc als Audioträger zu nutzen gab es zwar schon, aber es müsste schon etwas sein was die Wiedergabequalität der mechanischen Abtastung der Schallplatte übertreffen würde.
Und nun müssen wir einen zeitlichen Rücksprung zu dem zweiten amerikanischen Erfinder, James T. Russel (*1931), machen. Er hatte Physik studiert und anschließend bei General Electric gearbeitet und dort viele Typen von experimentellen Messanordnungen initiiert. Russel begann 1965 für das Battelle Memorial Institute zu arbeiten, eine Non-Profit-Organisation, die sich mit Technologieentwicklung und angewandten Wissenschaften befasst und heute noch existiert. Dort hatten auch Forscher den ersten kommerziell nutzbaren Fotokopierer entwickelt, was zur Gründung der Xerox Corporation führte. Jedenfalls könnte die Sache mit dem Fotokopierer, also die Möglichkeit preisgünstig viele Kopien eines Originals zu erstellen, bei Russel den Anstoß gegeben haben, eine Anordnung zu entwickeln die einfach und preisgünstig viele Kopien von Videos und Tonaufnahmen ermöglichen würde. Jedenfalls hat Russel beim Pacific Northwest National Laboratory des Battelle Memorial Institutes ein Gesamtkonzept eines Gerätes zur optischen Aufnahme und Wiedergabe entwickelt. Sein erstes Patent reichte er im September 1966 ein (US Patent US3501586 Analog to Digital to Optical Photographic Recording and Playback System).
In dem Patentauszug sehen wir das Blockschaltbild Fig. 1, die spiralförmige Aufzeichnungsspur Fig. 5 sowie ein Detail der aufgezeichneten Bit- und Synchronisationsstruktur der Aufzeichnungsspur Fig. 5a. Aber lassen wir Russel selbst zu Wort kommen. In seinem Patent erklärte er: „Die Signalquelle (12 Bezeichnung Abb. 3 Fig. 1) liefert ein Video- oder Audiosignal (23), das zum Beispiel ein Fernsehsignal oder ein High Fidelity Musiksignal sein kann. Dieses analoge Eingangssignal wird an den Eingang eines Analog Digital Converters (24) in der Recorder Unit (10) gelegt. Dieser ADC erzeugt ein digital codiertes elektrisches Ausgangssignal (26). Der Signalrecorder (28) konvertiert das digitale elektrische Signal in ein digitales Lichtsignal und zeichnet dieses photographisch auf. Dies geschieht durch spiralförmiges Schreiben eines Lichtstrahls, der stark fokussiert auf die photoempfindliche Schicht der Aufnahmeplatte (20) gerichtet ist. Da der Lichtstrahl mit dem binären digitalen Signal gesteuert wird entstehen Spots längs der Spur, die entweder lichtundurchlässig oder lichtdurchlässig sind entsprechend den 0 oder 1 bits des binären Codes.“ (Übersetzung der Autoren.)
Nun hat er sich vorgestellt, dass vom Photomaster (20) preisgünstige Abzüge oder Photokopien für die Konsumenten erstellt werden könnten. Diese Kopien würden dann in das Wiedergabesystem (14) eingelegt, optisch abgetastet (32) und nach der Digital/Analog Wandlung durch das Wiedergabegerät (16), zum Beispiel Fernsehgerät oder HiFi Anlage, als eine hochwertige Reproduktion des analogen Originalsignals wieder sichtbar oder hörbar gemacht werden. Das grandios Neue an seiner Idee war, die Signale nicht analog abzuspeichern sondern als seriellen digitalen Datenstrom wie es ja auch später bei der CD realisiert worden ist. Wir haben ja oben gesehen, dass bei der LaserDisc das analoge Signal abgespeichert wurde.
Abb. 3: USA Patent US3501586 von J. T. Russel: Analog to Digital to Optical Photographic Recording and Playback System (eingereicht am 1. Sept. 1966).
Nun da wir uns die grundlegenden Patente des „Vor Compact Disc“ Zeitalters angesehen haben zum CD Konzept selbst. In der Einführung haben wir schon eine Menge über die CD erfahren. Eigentlich ist sie ja ein Nebenprodukt der Suche nach einem optischen Wiedergabesystem von Filmen und Videos im Heimbereich. Zur CD-Systembeschreibung gehen wir vom Blockdiagramm des Aufnahme- und Wiedergabeprinzips der CD (Abb. 4) aus.
Abb. 4: Blockdiagramm des Aufnahme- und Wiedergabeprinzips der Compact Disc.
40 Jahre Compact Disc Digital Audio, Teil 3 – Grundlagen Patente Technik - CD Vinyl Schallplatte
Aufnahme und Signalaufbereitung
Eine Musikdarbietung wird heute, nicht so wie im Blockdiagramm vereinfacht gezeigt mit einem Stereomikrophon, sondern meist über sehr viele Mikrophone aufgenommen und auf hochwertigen digitalen Mehrspurbandmaschinen oder heute meistens Digital Audio Workstations (DAW) gespeichert und dann im Studio zu einem Stereosignal abgemischt. Der linke und der rechte Kanal durchlaufen dann ein Anti-Aliasing Tiefpassfilter bevor sie an die beiden 16 Bit Analog Digital Converter (ADC) gelangen. Die Abtastrate der ADCs, also die Anzahl der Proben pro Sekunde, die aus dem kontinuierlichen analogen Audiosignal entnommen werden, legt dann die höchste Audiofrequenz des CD-Systems fest. Dem liegt das Abtasttheorem von Nyquist und Shannon zugrunde. Es besagt, dass ein auf fmax bandbegrenztes Signal aus einer Folge von äquidistanten Abtastwerten exakt rekonstruiert werden kann, wenn es mit einer Frequenz (Abtastrate) von größer als 2 x fmax abgetastet wurde. Nehmen wir als fmax 20 kHz, also die Obergrenze des menschlichen Hörbereichs, so muss die Abtastfrequenz größer als 40 kHz sein.
Es muss aber gewährleistet sein, dass im abzutastenden Eingangssignal des Analog Digital Converters keine höhere Frequenz als die halbe Abtastfrequenz vorhanden ist. Deswegen ist ein Tiefpass-Filter am ADC Eingang erforderlich. Da man aber so ein Filter aus physikalischen Gründen nicht beliebig steil machen kann hat man bei der CD eine Abtastfrequenz von 44,1 kHz gewählt (44,1 kHz / 2 = 22,05 kHz), sodass quasi für den Dämpfungsanstiegsverlauf des Filters 2,05 kHz (aus 22,05 kHz – 20 KHz) zur Verfügung stehen. Warum beschreiben wir hier die Abtastung des Signals so im Detail? Weil von Vinyl-Liebhabern immer wieder damit argumentiert wird, dass durch die zeitliche Abtastung das analoge Audiosignal verfälscht würde. Wie wir gesehen haben ist dies nicht der Fall. Weiterhin wird vorgebracht die Begrenzung auf 20 kHz wäre hörbar. In der Systemtheorie nennt man diese Begrenzung eine Irrelevanzreduktion, d.h. für den Menschen nicht hörbare Frequenzen tragen auch nicht zum menschlichen Höreindruck bei und brauchen daher nicht übertragen zu werden.
Und wie ist es mit der Dynamik? Der Dynamikbereich eines Signals ist als das logarithmische Verhältnis von maximaler zu minimaler Signalamplitude (bei der Wiedergabe dann Lautstärkepegel) in Dezibel definiert. Bei der CD wird ja das linke und das rechte Audiosignal mit 16 Bit Auflösung abgetastet, also jeder Abtastwert besteht aus einem 16 Bit Wort für den Signalpegel. 16 Bit bedeutet, dass der analoge Signalpegel (Amplitude) in 65536 Stufen (entspricht 2 hoch 16) aufgelöst wird. Beziehen wir es zur Veranschaulichung z.B. auf eine ADC Vollaussteuerung von 1V, so ergibt sich für die kleinste Auflösungsstufe 1V / 65536 = 0,000015259V also ca. 15µV. Signalverhältnisse werden in der Technik, wie oben erwähnt, oft logarithmisch als dimensionslose Zahl angegeben (Dezibel abgekürzt dB). Auf unser obiges Beispiel bedeutet das einen Dynamikbereich von 96 dB für die CD (man kann mit 6 dB pro Bit rechnen). Eine Schallplatte erreicht nur Dynamikwerte zwischen 55 und 65 dB. Bezüglich der Dynamik ist die CD der LP also überlegen.
Wenn wir den Signalverlauf im Blockdiagramm (Abb. 4) weiter verfolgen werden die beiden parallelen 16 Bit Digitalsignale (linker und rechter Kanal) im Multiplexer zusammengeführt. Im nächsten Block (Fehlerkorrektur; Kanalcodierung; Synchronisation) erfolgt die Aufbereitung des Signals für den Schneidelaser zur Matrizenherstellung. Im Gegensatz zur elektromechanischen Aufnahme- und Wiedergabetechnik bei der Schallplatte, bei der jede Störung verursacht durch Staub, Kratzer und weitere mechanische Störungen, sofort hörbar wird, hat man bei der digitalen CD die Möglichkeit einer Fehlerkorrektur. Innerhalb der digitalen Signalverarbeitung ist die Fehlerkorrektur ein eigenes Spezialgebiet, das ohne Code-Theorie nur schwer zu verstehen ist. Im Rahmen dieses Artikels wollen wir uns deshalb darauf beschränken, dass durch zusätzliche Einfügung von Redundanzwörtern und Fehlerkorrekturalgorithmen eine weitgehende Robustheit der CD gegen Störungen erreicht wurde. Nun muss dieses um die Fehlerkorrektur und um Zusatzinformationen für Steuerung und Anzeige erweiterte Digitalsignal (Quellcode) in eine für den Übertragungskanal geeignete Form gebracht werden. Der Übertragungskanal ist ja die Spur auf der CD. Folglich können die einzelnen Datenbits nur hintereinander (seriell) übertragen werden. Da bei dieser seriellen Datenübertragung (nur eine Spur) kein zusätzlicher Takt mit übertragen werden kann wird dafür gesorgt, dass bei der Wiedergabe aus der seriellen Bitfolge der Takt wieder gewonnen werden kann. Dazu wird eine Codierung nach dem EFM-Kanalcode (EFM = Eight to Fourteen Modulation) vorgenommen. Grob gesprochen wird dadurch vermieden, dass mehrere Einsen oder Nullen hintereinander vorkommen und damit die Taktregenerierung nicht mehr gewährleistet ist.
Durch den EFM-Kanalcode wird natürlich die Datenrate weiter vergrößert. Für das reine Audiosignal ergibt sich bei je 16 Bit pro Kanal und 44,1 kHz Abtastfrequenz eine Datenrate von 1,4112 Mbit/s (16bit x 2 x 44100/s). Wie wir aus Abb. 5 ersehen können ist die Signal-Datenrate 2,0338 Mbit/s und die Kanaldatenrate 4,3218 Mbit/s. Die Fehlerkorrektur, die Zusatzinformationen und die EFM-Kanalcodierung vergrößern die Datenrate erheblich.
40 Jahre Compact Disc Digital Audio, Teil 4 – Aufnahme Wiedergabe Vervielfältigung und Technik der Vinyl LP
Herstellung der Compact Disc
Zuerst wird auf eine Glasplatte eine lichtempfindliche Beschichtung (Photolack) aufgebracht. Dann wird die beschichtete Glasplatte mit dem „Schneidelaser“ belichtet. Dabei wird dieser vom seriellen Kanal-Datenstrom gesteuert (moduliert). Danach werden die nicht belichteten Teile ausgewaschen. Die so entstandene Glasmatrize (Master) enthält nun eine spiralförmige Spur von Pits und Lands und dient als Basis für die weiteren Umformungsschritte. Die Herstellung der CD erfolgt im Spritzpress-Verfahren also ähnlich wie das oben angeführte Verfahren bei der LaserDisc. Dank der digitalen Informationsstruktur der CD ergeben die vielen Arbeitsschritte vom Glasmaster bis zur Pressmatrize (Stempel) keinen Qualitätsverlust wie bei der in konventioneller Lackschneidetechnik gefertigten analogen Schallplatte. Die Fertigungstoleranzen der CD sind sehr eng. So darf der Höhenschlag nur maximal 0,5 mm und die Abweichung der Plattendicke nur +/- 0,01 mm betragen. Einige Herstellungsschritte erfordern sogar Reinluft-Bedingungen, ähnlich wie bei der Herstellung von Integrierten Schaltkreisen (IC).
40 Jahre Compact Disc Digital Audio, Teil 5 – Rezeption Studien Zukunft - Technik Vinyl LP Streaming
Wiedergabe der Compact Disc
Im optischen Abtastsystem (Pick-Up-Einheit) erfolgt die Generierung und Bündelung des Laserlichts, die Trennung von hinlaufendem und reflektiertem Licht und die Auswertung des reflektierten Lichts durch den Photodetektor. Im Herstellungsprozess wurde ja auf die gepresste Polycarbonatscheibe mit den Pits und Lands eine dünne Aluminiumschicht aufgebracht, die beim Abtasten das Laserlicht reflektieren soll. Das bedeutet aber, dass Pits und Lands gleich gut reflektieren. Wie also hinlaufendes und reflektiertes Licht trennen? Die geniale Idee ist für die Höhe eines Pits 0,11µm zu wählen. Das ist in etwa ¼ der Laserlichtwellenlänge von ca. 500nm (im Kunststoff ursprünglich in Luft 780nm). Trifft der abtastende Laserspot auf ein Pit so wird das Laserlicht infolge der Pithöhe um einen Betrag von 2 x ¼ Laserlichtwellenlänge oder 180° früher als von einem Land reflektiert. Dadurch kommt es zu einer Interferenz zwischen hinlaufendem und rücklaufendem Licht und bei idealen Verhältnissen wird das reflektierte Licht ausgelöscht. Auf das gesamte komplexe Abtastsystem kann in diesem Rahmen nicht eingegangen werden. Bei Interesse kann die genaue Funktionsbeschreibung in [1] nachgelesen werden.
Aus dem Signal des Photodetektors wird das serielle Kanalsignal wiedergewonnen. Wie schon angeführt kann aus diesem, dank der Verwendung des EFM-Kanalcodes, das Taktsignal regeneriert werden und zur Synchronisierung verwendet werden. Im Weiteren muss dann die EFM-Demodulation erfolgen und die Fehlerkorrektur durchgeführt werden. Schließlich kann ein Demultiplexer wieder die originalen 16 Bit Abtastwerte des linken und rechten Kanals an die beiden 16 bit Digital Analog Converter (DAC) liefern. Nach den DACs sind auch bei der Wiedergabe wieder Anti-Aliasing Tiefpass-Filter erforderlich. Und nach entsprechender Verstärkung steht an den Ausgängen des CD-Players das Stereo-Audiosignal für die HiFi Verstärkeranlage oder für den Kopfhörer zur Verfügung.
Technische Daten der Compact Disc
In der Abb. 5 ist die Spezifikation des Compact-Disc-Systems zusammengestellt. Der Klirrfaktor bei der CD beträgt nur maximal 0,05%. Bei der Schallplatte kann dieser Wert von 0,4% bis zu 3% (z.B. bei den innenliegenden Rillen bei einem nicht gut abgeglichenen Plattenspieler und oft gespielten Platten) variieren. Die Gleichlaufschwankungen sind bei der CD unter der messbaren Grenze. Ein guter Plattenspieler kann nur Gleichlaufschwankungen (wow&flutter) von etwas weniger als 0,05% erreichen.
Und die Kanaltrennung bei der CD? Wie im Blockschaltdiagramm (Abb. 4) zu sehen ist wird der linke und rechte Kanal vollkommen getrennt verarbeitet codiert und decodiert. Demzufolge erreicht man bei der CD einen Wert von größer 90 dB. Die Schallplatte erreicht nur einen Wert von 30 dB. Darum ist die örtliche Auflösung (auf der Stereobasis) bei der CD bei der Wiedergabe wesentlich besser als bei der Vinyl-Platte. Schallplatten können knistern und knacken und erleiden durch die mechanische Abtastung nach und nach einen Qualitätsverlust. CDs haben diese Probleme nicht da sie optisch abgetastet werden und eine Fehlerkorrektur besitzen.
Und last but not least bei der CD kommt ein verlustfreies (lossless) Codierungs-Verfahren zum Einsatz. Bei MP3 (eigentlich MPEG-1 Audio Layer 3) wird z.B. eine Datenreduktion vorgenommen, was dann ein verlustbehaftetes Verfahren (lossy coding) zur Folge hat. Bei dieser Datenreduktion (Kompression) verringert sich die Audioqualität. Da der MP3 Codierungsalgorithmus sich an der Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen Gehörs orientiert sind die Verluste in vielen Anwendungsfeldern trotzdem akzeptabel.
Abb. 5: Technische Daten des Compact-Disc-Systems
Rezeption der Compact Disc und Studien
Im Bereich der Wahrnehmung beim Musikhören wurden viele Forschungen im Institut für Musikpsychologie und Musikermedizin an der Hochschule für Musik, Theater und Medien Hannover bei Prof. Dr. Eckart Altenmüller durchgeführt. Einige Ergebnisse und Gedanken daraus möchten wir im Folgenden erläutern (bei tiefergehendem Interesse: siehe [11]). Es ist noch nicht ganz verstanden wie die Informationen von den Haarzellen des Innenohrs im Gehirn verarbeitet werden damit wir tatsächlich ein Musikstück hören. Fest steht aber dass viele Gehirnareale beteiligt sind und interessant ist, dass beim Hören auch andere Sinnesbereiche wie das Auge und der Tastsinn mit im Spiel sind. Und jeder hat sicher schon erlebt dass Musik stark die Emotionen (das limbische System) anspricht. Beispielsweise können wir uns gut an Musikstücke erinnern die mit starken Emotionen besetzt sind. Wo sich dieser Effekt zunutze gemacht wird ist u.a. die Filmmusik oder die Werbung.
Allerdings ist die emotionale Reaktion beim Musikhören abhängig von der individuellen Hörbiographie. Zitat Altenmüller[11]: „Stehen wir der Musik von vorneherein positiv gegenüber und bewerten sie als angenehm, dann werden mit großer Wahrscheinlichkeit im Gehirn diejenigen Anteile des Emotionssystems – des „limbischen Systems“ – aktiviert, die auch andere positive Reize verarbeiten. Die Bewertung des Musikstücks ist dabei von der Vertrautheit mit dem Musikstil, von der Möglichkeit die akustischen Ereignisse einzuordnen, von frühen Einflüssen des Elternhauses, von der Peer-Group, von Vorbildern, sowie von zahlreichen weiteren, schwer zu fassenden subtilen Einflussfaktoren bestimmt.“
Wir werden sehen dass dieser Sachverhalt auch bei der Bewertung der Musikquelle eine Rolle spielt. Professor Klaus Ernst Behne führte 1992 eine Studie zur analogen und digitalen Musikwiedergabe im unmittelbaren Vergleich durch [8]. Er lud High End Hörer (sogenannte Goldene Ohren) zu einem Hörvergleich ein. Sie wussten beim Test nicht ob sie die Musik gerade von einer Vinyl-Schallplatte oder einer CD hörten. Die Probanden mussten zum einen sagen welches Gerät sie hören und welche Klangattribute sie dem Klang zuordnen würden. Das Ergebnis war, dass die Mehrheit der Zuhörer erkannt hat welchen Tonträger sie hören und haben ihm dann auch die gängigen Attribute zugeordnet. Die Schallplatte wurde als warm und natürlich klassifiziert während die CD als brillant und klar beschrieben wurde. Bei genaueren Analysen erkannten die Forscher aber, dass die Testhörer die Schallplatte durch ein elektrostatisches Knistern und Knacken erkannt hatten und ihr dann die entsprechenden Attribute zuwiesen. Daher wurde der Versuch unter, wenn man so will, noch härteren Bedingungen wiederholt. Den Probanden wurde beide Male eine CD vorgespielt, sie glaubten aber es würde zwischen Schallplatte und CD gewechselt. Nun konnten die Forscher feststellen was die Leute hören, die glauben es sei eine Schallplatte und was die hören die glauben es sei eine CD. Und bei dieser Versuchsanordnung ordneten die Testpersonen jeweils die entsprechenden Attribute (warm, natürlich, brillant, klar) dem Medium zu dass sie glaubten zu hören. In der Psychologie nennt man das die Hypothesen geleitete Wahrnehmung.
Musik hören ist also eine stark von Emotionen gesteuerte Sache was sowohl die Musik selbst aber auch das Medium betrifft. Daher haben es die objektiven physikalischen und technischen Fakten bei einer Bewertung des Höreindrucks von Schallplatte und CD schwer gegen die subjektiven Bewertungen von Hörern, seien es die High End Freaks oder der normale Hörer zuhause an seiner ganz normalen Stereoanlage.
Und in Zukunft?
Weltweit setzt sich immer mehr Video- und Audiostreaming durch. Der Duden definiert Streaming als: „Datenübertragungsverfahren, bei dem die Daten bereits während der Übertragung angesehen oder angehört werden können [und nicht erst nach der vollständigen Übertragung der Daten]“.
Spotify, Apple Music, Deezer um nur die wichtigsten Audiostreaming-Plattformen zu nennen erzielen mehr Umsatz als die Verkäufe von CDs, Schallplatten oder Downloads. Das liegt natürlich an der hohen Verfügbarkeit des Abspielgerätes schlechthin, dem Smartphone, aber auch am Abonnement Konzept mit dem die Anbieter arbeiten.
Bereits in einem Artikel 2019 schrieb der Spiegel [9]: „Tschüss, gute alte Compact Disc: Nach fast 40 Jahren hat der digitale Tonträger bald ausgedient. Erstmals wurde im vergangenen Jahr mit Musikstreaming mehr Umsatz erzielt als mit CD-Verkäufen.“ In Deutschland erzielte die Musikindustrie 2020 einen Umsatz von 1,79 Milliarden Euro (Daten von www.statistica.com). Davon entfielen 28,5 Prozent auf physische Tonträger und 71,5 Prozent auf das Download und Streaming Segment, wobei Aboservices und Musikstreamingplattformen fast 90 Prozent dieses Umsatzes generierten. Und es schien niemanden zu stören dass aufgrund der zur Verfügung stehenden Bandbreiten mit hohen Datenkompressionen gearbeitet wurde und wird, beispielsweise mit MP3.
Erst seit neuestem werben große Anbieter wie Spotify, Amazon Music oder Apple Music mit qualitativ hochwertigeren Streamingangeboten. Und wie bei der guten alten Schallplatte und CD scheiden sich auch hier wieder die Geister. Spotify bietet ein „Lossless-Abo“ an, also eine verlustfreie Codierung, was sich auf den CD-Standard bezieht. Die anderen beiden Anbieter werben mit einem Hi-Res oder auch Highres (hohe Auflösung) Angebot. Hi-Res geht, laut den beiden Anbietern, über „lossless“ hinaus und bietet Studio Qualität. Näheres kann man im Artikel „Hi-Res-Streamingdienste im Vergleich: Besser als jede CD?“ ( https://hifi.de/beste/hi-res-streamingdienste-test-64227) nachlesen. Es ist schon interessant dass auch im kommenden Medium im Prinzip wieder die gleiche Diskussion über Klangqualitäten aufflammt.
Eines kann man aber mit Sicherheit sagen: Was in Zukunft in der Streamingwelt fehlen wird ist das haptische Erlebnis eine Schallplatte oder eine CD aus dem Regal zu nehmen, das Cover zu betrachten, im Booklet zu blättern, die schwarze oder silberne Scheibe aus der Hülle zu nehmen und auf den Plattenteller zu legen bzw. in den CD-Player zu schieben. Den Kopfhörer aufzusetzen und sich dem Musikgenuss hinzugeben ohne Internetverbindung, Daten-Flatrate, 5G oder 6G Bandbreite. Und seine Lieblingsaufnahmen anzuhören auch wenn sie schon lange von der Streamingplattform verschwunden sind.
Literatur und Internetquellen
[1] Biaesch-Wiebke, Claus: CD-Player und R-DAT Recorder. Vogel-Buchverlag Würzburg (1988)
[2] Mäusl, Rudolf: Digitale Modulationsverfahren 3. Bearbeitete Auflage. Hüthig Buch Verlag Heidelberg (1991)
[3] Rückert, Martin: Understanding MP3. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag (2005)
[4] Philips: Compact Disc Brochure 1981
[5] von Lucius, Robert: Die Welt war eine Scheibe, FAZ 26.07.2007
[6] Doi, Toshi T.; Itoh, Takashi; Ogawa, Hiroshi: A Long-Play Digital Audio Disk System AES E-Library, 01.03.1979
[7] Schouhamer Immink, Kees A.: Shannon, Beethoven, and the Compact Disc, published in the IEEE Information Theory Newsletter, Dec 2007
[8] Behne, Klaus Ernst & Barkowsky, Johannes: Analoge und digitale Musikwiedergabe im unmittelbaren Vergleich. Eine Studie zur hypothesengeleiteten Wahrnehmung, Forschungsberichte 1 Hochschule für Musik und Theater Hannover, 1994
[9] Streaming hängt CD-Verkäufe ab, Der Spiegel, 07.03.2019
[10] BBC News: How the CD was developed, 17.08.1977 http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/6950933.stm
[11] Altenmüller, Eckart: Musik als Sprache der Gefühle: Musikpsychologische und neurobiologische Aspekte, Akademie der Wissenschaften zu Göttingen, 01.09.2017 https://doi.org/10.26015/adwdocs-1298