Aktuelle Speichermedien im Audiobereich

I Inhaltsverzeichnis

I Einleitung

II Optische Medien
II.1 Anfänge und Entwicklung
II.2 Compact Disc
II.3 CD - Herstellungsprozess
II.4 CD-R – Medien
II.5 CD-RW – Medien
II.6 SACD (Super Audio Compact Disc)
II.7 DVD (Digital Versatile Disc)
II.8 DVD – Spezifikationen und Formate
II.9 EVD (Enhanced Versatile Disc)
II.10 FVD (Forward Versatile Disc)
II.11 BluRay und HD-DVD
II.12 Weitere Formate
II.13 Zukünftige Entwicklungen

III Magnetische Medien
III.1 Floppy-Disk
III.2 Festplatte
III.3 ZIP (IOMEGA)
III.4 JAZ (IOMEGA)
III.5 IOMEGA REV
III.6 DAT
III.7 ADAT
III.8 DTRS

IV Magneto-Optische Medien
IV.1 MiniDisc (MD)
IV.2 Hi-MD
IV.3 Weitere Medien

V Halbleitermedien
V.1 Flash-Speicher
V.2 Zukünftige Entwicklungen

VI Anhang

VII Literatur

I. Einleitung

Seit der zufälligen Entdeckung des Elektromagnetismus durch Hans Christian Oerstedt im Jahre 1820 [2,5], die ohne sein Wissen den Grundstein für die Entwicklung verschiedenster Medien zur Schallspeicherung legte, ist viel Zeit verstrichen. Obwohl bis heute auf dem Elektromagnetismus beruhende Verfahren erfolgreich zum Einsatz kommen, wurden in Folge der Entwicklungen Ende des 19. Jahrhunderts zunächst mechanische Tongeräte bevorzugt, die auf der direkten Übertragung von Schallschwingungen in das Speichermedium (und umgekehrt) basierten : Angefangen von der Walzentechnik des Phonographen von Edison (1877) über die Entwicklung des Grammophons von Emil Berliner (1887) mit Hartgummi- und später Schellackplatten, bis hin zum heutigen Plattenspieler und seinen 1948 erstmals vorgestellten Vinylplatten. Vor allem die Möglichkeit der Massenfertigung der Schellackplatten im Gegensatz zu den Wachszylindern des Phonographen, und die verbesserte Tonqualität, verhalfen dem Grammophon nach der Jahrhundertwende zu seinem populären Status.

Über die weitere Entwicklung der heute nur noch in Nischenmärkten anzutreffenden Vinylplatte aus der Analogtechnik gelangen wir zu einem der vier aktuell relevanten Teilbereiche der Datenspeicherung, den optischen Medien. Obgleich ihre Speicherung und Abtastung, auch aufgrund des digitalen Datenformats, auf einem gänzlich anderen Prinzip aufbaut, ist doch die Form des Mediums (eine Platte) und ihr industrielles Herstellungsverfahren (die Masterpressung) in den Grundzügen gleichgelieben.

Doch auch die Forschung auf dem Gebiet der magnetischen Schallpeicherungstechnik blieb nicht stehen : Michael Faraday fand und erforschte zunächst die induktiven Kräfte einer Spule. Darauf basierend, und auf den Forschungen von Graham Bell (magnetisches Telefon, 1876) und Charles Tainter (magnetoinduktiver Tonkopf, 1885), entstand die Idee einer magnetischen Schallaufzeichnung von Oberlin Smith aus dem Jahr 1888. Diese wurde von Valdemar Poulsen mit Hilfe von magnetisierbarem, auf einer Trommel aufgerolltem Stahldraht umgesetzt und 1900 als 'Telegraphon' präsentiert [2]. Darin enthalten waren nun die Grundzüge der technischen Mechanismen, die letztlich zum modernen Tonband führten : Ein magnetischer Speicher in Form eines Stahldrahts, die Spule zur Schallaufzeichnung, sowie Lösch- und Abhörvorrichtungen.

Während die mechanischen Verfahren immer populärer wurden, brachte jedoch erst die für die Schallverstärkung notwendige Technik das Magnettonverfahren in eine konkurrenzfähige Ausgangsposition zur Schallplatte. Vorteil der Magnettontechnik war vor allem die Wiederbespielbarkeit der Bänder wie auch die Möglichkeit der Editierung aufgenommenen Materials.

Mit der Entwicklung der Hochfrequenz-Vormagnetisierung, deren Wirkungsweise 1940 von Walter Weber entdeckt wurde, konnte der Störspannungsabstand bei Magnetbändern erheblich gesteigert werden [2]. Damit war nun auch eine für damalige Zeiten hohe Audioqualität erreicht.

Zusätzlich zu den klanggestalterischen Möglichkeiten bei Magnetbändern, z.B. am Schnittplatz im Tonstudio, eröffnete sich mit dem Tonbandmaterial eine neue ästhetische Kategorie des künstlerisch-handwerklichen Tonschnitts (Stockhausen sei hier stellvertretend genannt), die in ihrer digitalen Form in der 1990er Jahren eine Renaissance erlebte (Clicks&Cuts).

Ab den 30er/40er Jahren des 20. Jahrhunderts entstanden verschiedenste Tonbandgeräte für den Rundfunk-, Studio- und Hausgebrauch, die in Entwicklungen mündeten, die teilweise bis heute in Gebrauch sind, so vor allem die Kompaktkassette und Mehrspurbandmaschinen für die analoge Aufnahme in Tonstudios.

Digitale Aufzeichnungsverfahren waren ab 1976 im Einsatz, in Form von Festplatten- oder Magnetbandgestützten Systemen [8,31].

Auch im Filmtonbereich wurde das Magnetband als Alternative zum vorherrschenden Lichttonverfahren wie auch als Zwischenstufe im Produktionsprozess eingesetzt.

Allen letzt genannten Verfahren, wie auch den darauf aufbauenden wie DAT, Video oder Festplatte, ist der magnetische Speichermechanismus zueigen, weshalb sich diese in den Teilbereich der magnetischen Medien eingrenzen lässt.

Ein dritter Teilbereich von Speichermedien ergab sich aus der Kombination von optischen und magnetischen Techniken. Die MOD (Magneto-Optical Disc) und die MiniDisc – um nur einige zu nennen – nutzen die magnetische Speichertechnik unter Zuhilfenahme von Laserlicht.

Mit dem Zuwachs von computerspezifischen Anwendungen fand in den letzten Jahren als vierter Teilbereich die Halbleitertechnik enorme Verbreitung. Im Zusammenhang mit der Nachfrage nach kleineren und formatskompatibleren Geräten und Medien enstanden Technologien, die im Computer, im Handy oder im Audiobereich Anwendung fanden. Der zur Zeit wohl populärste Vertreter der Halbleitertechnologie im Audiobereich ist der MP3- Player.

In der digitalen Domäne findet zunehmend eine hohe Austauschbarkeit der Formate statt : Während analoge Medien wie Kassette oder Langspielplatte oder auch die Urform der digitalen Compact Disc darauf spezialisiert waren, genau einen Audiostream abzubilden, sind aktuelle Medien wie DVD, Festplatte oder Flash-Memory-Sticks in der Lage, verschiedenste Formate zu speichern, deren Anwendung vom auslesenden Gerät bestimmt wird. So lässt sich beispielsweise eine DVD-R mit MP3-Files von einem Flash- Speicher aus bespielen, um diese in einem, ursprünglich für die Filmwiedergabe konstruierten, DVD-Player mit MP3-Kompatibilitätseigenschaften abzuspielen.

(Literaturangaben in eckigen Klammern bezeichnen die Nummer im Anhang und, wenn vorhanden, die Seitenzahl)

II. Optische Medien

Optische Medien basieren auf einem zweidimensionalem Disckonzept mit zumeist binärer, digitaler Datenspeicherung [3,72]. Während die Fertigungsprozesse sich leicht unterscheiden, findet der Auslesevorgang immer durch Abtastung mithilfe eines Laserstrahls ohne direkten Kontakt zur Medienoberfläche statt, daher auch die Bezeichnung „optisch“. Der eingestrahlte Laserstrahl wird durch die informationstragende Schicht der Disc getragen und relektiert. Aus der Art der Reflexion des Laserstrahls, die sich aufgrund der Struktureigenschaften in der Disc mehr oder weniger gestreut verhält, ergibt sich die Zuordnung zur binären 0 oder 1. Nach einem weiteren Dekodierungsschritt, je nach Medium, und eventueller Fehlerkorrektur liegen die Daten in nutzbarer Form vor.

Die Fehlerkorrektur ist im Hinblick auf die digitale Audioübertragung besonders wichtig, da schon ein kleiner Übertragungsfehler, z.B. ein falsch übertragenes Bit, zu starker Signalverzerrung führen kann. Noch schwerer wiegt eine solche Fehlübertragung beim Auslesen von PC-Daten, was dazu führen kann, dass Dateien überhaupt nicht mehr rekonstruiert werden können.

Um die Datensicherheit zu erhöhen, werden die Daten deshalb meist kodiert und mit zusätzlichen Redundanzen auf den Medien gespeichert.

Grundsätzlich unterscheiden lassen sich die Discs zunächst nach vier Typen :

- ROM (Read Only Memory) sind industriell produzierte Medien mit festem Dateninhalt.

- R / +R (Recordable) bezeichnen Discs, die als unbeschriebene Datenträger ausgeliefert werden und vom Anwender mittels 'Brennern' einmalig beschrieben werden können.

- RW / +RW (Rewritable) sind wiederbeschreibbare Medien.
-RAM (Random Access Memory) sind Medien mit wahlfreiem Zugriff. II.1 Anfänge und Entwicklung

Der Beginn der Massenfertigung optischer Medien lässt sich auf das Jahr 1982 datieren, als Sony und Philips die „Compact Disc“ in Europa und Japan als Ergebnis einer 1980 erarbeiteten gemeinsamen Spezifikation (Red-Book) auf den Markt brachte. Infolgedessen gab es eine Vielzahl von Weiterentwicklungen, die sich, von Ausnahmen abgesehen wie der 8cm-Single-CD oder den DVD-Typen 1 bis 4, derselben materiellen Grundlage bedienen, einer 1,2mm dicken Polycarbonatscheibe mit einem Durchmesser von 12cm und einem inneren Loch von 15mm. Durch Nutzung desselben physikalischen Formats konnte die Industrie die Speicherproduktion auf bestehender Technologie aufbauen und so die Entwicklungskosten senken.

Die industrielle Produktion [6,62] verlangt, aufgrund der hochauflösenden Mikrostrukturen der optischen Medien, sensiblen Umgang und eng gesteckte Fertigungstoleranzen [4,81].

II. 2 Compact Disc (CD)

Die erste Spezifikation der Compact Disc (-Digital Audio, 'CD-DA') von 1980 sah ihre Verwendung als reinen Audiodatenträger mit einer Kapazität von 74 min in Stereo vor, abgesehen von einem kleinen Datenbereich der z.B. die Speicherung von Titelinformationen ermöglicht. Mit der festen Abtastfrequenz von 44,1 kHz und 16 bit Wortbreite bietet sie einen Dynamikumfang von rechnerisch 96 dB. Bis zu 99 Tracks, also Musiktitel, finden auf einer CD Platz.

Die physikalische Abtastung erfolgt mit Laserlicht der Wellenlänge 780 nm (Infrarot).

Die CD-DA löste die Vinylplatte als marktbestimmendes Medium schon wenige Jahre nach ihrer Entwicklung ab und ist bis heute einer der wichtigsten Träger von Audioinhalten.

Neben der „normalen“ CD gibt es auch die Single-CD mit 8cm Durchmesser und einer Kapazität von 158 MB.

Die Einsatzmöglichkeiten von CDs sind mittlerweile vielfältig und in den ständig erweiterten „Rainbow Books“ festgehalten. Sie beschreiben die einzuhaltenden Standards für die verschiedenen CD-Datei- und -Aufzeichnungsformate [7,231], siehe auch Tab. 1 im Anhang. So folgte 1985 die CD-ROM, die digitale Inhalte jedweder Art mit einer Kapazität von 650 MB liefern konnte.

Mit der 1990 eingeführten CD-R (Recordable, auch CD-WO (Write Once) genannt) und der CD-RW (Rewritable, vormals CD-E) war es nun auch möglich, selbst CDs mit Inhalten zu füllen. Sie boten für damalige Zeiten enorme Speicherkapazitäten und Anwendungs- möglichkeiten, sodass sie 20 Jahre nach ihrer Entwicklung heute noch immer im Einsatz sind. Technisch überholt wurden sie dennoch von der DVD-RW.

Weitere CD-Spezifikationen, die auch teilweise ineinander übergreifen, sind :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

II.3 CD - Herstellungsprozess

Zunächst erfolgt im Premastering-Prozess die Aufbereitung der Dateninhalte, die im anschliessenden Mastering-Prozess auf die CDs gepresst werden sollen.

Eine mit Fotolack beschichtete Glasplatte, das sogenannte Glasmaster, wird nun entsprechend der im Premastering erstellten Daten belichtet [4,82]. Das Glasmaster weist danach Vertiefungen ('pits') und Erhöhungen ('lands') in Spiralstruktur auf, entsprechend der Datenstruktur der fertigen CD. Das Glasmaster wird metallisch bedampft und galvanisiert [7,174], es entsteht ein metallenes Negativ der CD ('Vater'). Dieses wird zur Erzeugung einer Positiv-Platte benutzt. Aus dieser sogenannten 'Mutter' werden nun die eigentlichen Pressmatrizen erstellt, die 'Söhne'.

Die endgültige Pressung erfolgt in Polycarbonat, dem Hauptträgermaterial der CD. Dabei übertragen sich die pits und lands als Struktur in die CD. Eine sehr dünne Aluminiumschicht (40-60 nm) wird aufgedampft, diese bildet das 'Reflective Layer', also die reflektierende Schicht der CD. Als mechanischer Schutz der darunter liegenden Layer wird die CD mit einem Lacküberzug versehen, dem 'Protective layer'. Weitere abschliessende Prozesse sind Lochstanzung, Labelling und Verpackung der CD.

II.4 CD-R – Medien

CD-R-Medien werden als unbeschriebene 'Rohlinge' ausgliefert. Sie können mithilfe von Standalone-Kopierstationen oder mit Computer-'Brennern' mit digitalen Daten von bis zu 700 MB Grösse beschrieben werden.

Die Datenschicht einer CD-R in ihrer jungfräulichen Form beinhaltet einen Farbstoff ('Dye'), der unter Einwirkung von stärkerem Laserlicht des Brenners lichtundurchlässig gemacht wird. So entstehen lichtreflektierende und lichtschluckende Stellen (entsprechend den pits und lands), die die Datenstruktur ausmachen. Das schwächere Laserlicht, das beim Auslesevorgang eingesetzt wird, zerstört diese Struktur nicht. Sind die Daten jedoch einmal gebrannt, sind sie nicht mehr veränderbar. Somit ist die CD-R einmalig bechreibbar.

II.5 CD-RW-Medien

CD-RW-Medien erlauben das wiederholte Brennen und Löschen beliebiger digitaler Daten. Die Wiederbeschreibbarkeit wird durch das Phase-Change-Verfahren [10] erreicht, bei dem das Metallmaterial der informationstragenden Schicht durch das Laserlicht in zwei möglichen Weisen erhitzt wird :

Bei der Erhitzung auf ca. 200 Grad und langsamem Abkühlen nimmt das Metall eine kristalline Gitterstruktur an, die beim Auslesen wegen ihrer guten Reflexionsfähigkeit als 'land' erkannt wird.

Wird das Material auf 500 bis 700 Grad erhitzt und kühlt schnell ab, entsteht eine amorphe Struktur, die als 'pit' erkannt wird. Die schnelle Abkühlung wird durch dielektrische Schichten erreicht, die die Metallschicht beidseitig umgeben [6,65f].

RW-Medien können bis zu 1000 Mal wiederbeschrieben werden. Der Schreibprozess dauert jedoch länger als bei CD-Rs.

II.6 SACD (Super Audio Compact Disc)

Die SACD stellt eine Entwicklung aus dem Jahr 1999 von Philips und Sony speziell für den audiophilen Markt dar, also für Hörer mit gehobenen Ansprüchen an die klangliche Qualität. Sie steht in Konkurrenz zur DVD-Audio, die ebenso eine erhöhte Audioauflösung bietet. Der SACD ist jedoch, ebenso wie der DVD-Audio, kein großer Markterfolg beschieden.

Das Speicherverfahren, DSD (Direct Stream Digital) bezeichnet, ist ein 64fach überabgetasteter 1-Bit-Datenstrom, der die Veränderung zum vorhergehenden Wert liefert und nicht, wie bei der sonst üblichen Pulse-Code-Modulation (PCM), einen bitkodierten Absolutpegelwert [9]. In Verbindung mit einer verlustfreien Kompression, dem Direct Stream Transfer (DST) können auf der SACD sechs Kanäle mit einer Bandbreite von 100 kHz gespeichert werden [6,242].

Die Fertigung der SACD in zwei Schichten ermöglicht einerseits das Auslesen mit normalen CD-Playern in der entsprechenden CD-Auflösung, während die zweite halbtransparente Schicht einer DVD ähnelt und mit hochauflösenderem Audiomaterial beschrieben wird. Allerdings sind diese sogenannten Hybrid-CDs am Markt seltener zu finden.

II.7 DVD (Digital Versatile Disc)

Die DVD, entwickelt in einem Zusammenschluss von 10 Firmen aus der Consumer- Electronics-Branche unter Einfluss der Filmindustrie, wurde 1996 erstmals in Japan auf den Markt gebracht, zunächst in fünf Spezifikationen.

Sie gilt als Nachfolger der CD und, aufgrund des DVD-Video-Standards, auch als der der Laserdisc und der VHS-Kassette [6,16ff].

Gegenüber der CD bietet sie eine 8fach höhere Datendichte. Diese Kapazitätssteigerung konnte durch die Vekleinerung und engere Anordnung der 'pits' und einem verringerten Spurabstand von 1,6 mikrometer (CD) auf 0,74 mikrometer erreicht werden. Die Frequenz des Laserlichts wurde hierzu auf 635nm herabgesetzt. Ausserdem können DVDs sowohl doppelseitig beschrieben werden als auch mit zwei übereinanderliegenden informationstragenden Schichten pro Seite ('Dual-Layer') bestückt sein.

Aufgrund der physikalischen Verwandtschaft sind DVD-Player häufg abwärtskompatibel zur CD.

Es existieren folgende DVD-Typen :

Single-Sided single-Layer mit 4,7 GB (DVD-5) Single-Sided dual-Layer mit 8,5 GB (DVD-9) double-sided single-Layer mit 9,4 GB (DVD-10) double-Sided dual-Layer mit 17 GB (DVD-18)

Am gebräuchlichsten sind die Typen DVD-5, -9 und -10.

Weiterhin gibt es die DVD-14 mit 13,2 GB und die Typen DVD-1 bis -4 mit 80cm Durchmesser [6,47].

Seit der Markteinführung verbreitete sich das Medium DVD sehr schnell, vor allem als Träger von Videos. Zwei Jahre nach der Markteinführung waren 6 Millionen DVD-Player verkauft und über 5000 DVD-Titel in den Händlerregalen vorhanden.

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