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1 bearbeitet von DAU (Original: 2004-12-06 17:28)

Thema: Compact Disc - Aufbau und Grundlagen

Inhalt
- Aufbau einer CD
- Aufbau einer CD-R und CD-RW
- Funktionsweise der Fehlerkorrektur
- Haltbarkeit
- Handhabung
- Reinigung
- Reparatur einer CD
- Dank an die User und weiterführende Links zum Thema / Quellenverzeichnis



Mit diesem Artikel möchte ich die Grundlagen zu einer Compact Disc darstellen und insbesondere für den Umgang mit Lesefehlern ein entsprechendes Fundament anbieten. Auch die Reparaturmethoden habe ich versucht möglichst umfassend darzustellen, da diese für die meisten User ein sehr wichtiger Punkt sein dürften. Ziel dieses Artikels ist es ein Basiswissen zu vermitteln, er erhebt keinen Anspruch auf Detailtreue und wissenschaftliche Tiefe. Wer hier weiteren Bedarf hat, der möchte sich in die angegebenen Quellen einlesen und wird dort fündig werden.


Aufbau einer CD
Auf einer CD sind die Daten spiralförmig von innen nach außen gespeichert. Am Beginn dieser Datenspirale befindet sich das Lead-In, das ein Inhaltsverzeichnis der CD darstellt. Der größe Teil der CD steht für die Nutzdaten zur Verfügung und am Schluß markiert das Lead-Out das Ende der CD.

Eine industrielle gefertigte CD besteht aus einem durchsichtigem Kunststoff als Trägermaterial. In diesen Träger werden die Daten in der oben beschriebenen Spiralform in Form von kleinen Vertiefungen, sogenannten Pits, eingebracht. Diese Vertiefungen sind nur 0,5 µm breit und ca. 0,12 µm tief, um mal eine Größenangabe zu nennen. Anschließend wird der Träger mit Aluminium bedampft und mit einem Schutzlack versehen.

http://www.audiohq.de/articles/spunky/Aufbau_CD___Bild_1.png

Das Auslesen der Informationen funktioniert dabei nach folgendem Prinzip. Ein Laserstrahl (Strahl 1) wird auf einen halbdurchlässigen Spiegel geleitet. Hier wird der Strahl aufgeteilt. Der eine Anteil (Strahl 2) wird auf einen Spiegel gelenkt, dort reflektiert und zu einer Fotodiode geleitet. Dieser Strahl dient als Referenz. Der zweite Strahl (Strahl 3) durchdringt den Träger der CD und wird an der Aluminiumschicht reflektiert und geht von dort über den Spiegel ebenfalls zur Fotodiode. Der Clou an der Sache ist, dass es an der Fotodiode zu Überlagerungseffekten von Strahl 2 und Strahl 3 kommt. Abhängig davon, ob Strahl 3 von einem Pit oder einem Land reflektiert wurde ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten. Diese bewirken, dass es in einem Fall zu einer Verstärkung des Signals kommt, während im anderen Fall das Siganl ausgelöscht wird. Die Fotodiode ist somit anhand der unterschiedlichen Itensität des Laserstrahls in der Lage zu erkennen, ob es sich um ein Pit oder ein Land gehandelt hat.

In der Praxis ist der Laserstrahl jedoch nicht so gebündelt wie oben dargestellt. Schon geringe Fehler im Träger würden den Laserstrahl so stark beeinflussen, dass der Auslesevorgang nicht erfolgreich wäre. Man umgeht dieses Problem, in dem man  den Laserstrahl durch Beugungsgitter und Linsen "verbreitert".

http://www.audiohq.de/articles/spunky/Aufbau_CD___Bild_2.png

Der Einfachheit halber habe ich nicht nochmal den kompletten Aufbau skizziert, dieser ist mit dem ersten Bild identisch.

Der Laserstrahl wird zuerst gestreut und kurz vor dem Eintreffen in den Träger wieder gebündelt. Dies hat den Vorteil, dass Kratzer und Fehler im Trägermaterial sich nur gering auswirken, da der Großteil des Laserstrahls wie gewollt seinen Weg findet.


Aufbau einer CD-R und CD-RW
Im Gegensatz zur Audio-CD werden die Daten nicht durch eine Vertiefung im Trägermaterial gespeichert, sondern an dessen Stelle befindet sich ein Farbstoff, dessen Eigenschaften durch den Brennvorgang beeinflusst werden können. Der Auslesevorgang bleibt identisch, jedoch ist eine CD-R empfindlicher, denn die Eigenschaften des Farbstoffes können sich bei Hitze leichter verändern. Außerdem sind die Unterschiede zwischen Pit und Land weniger stark ausgeprägt wie bei einer industriell gefertigten CD. Dies ist auch der Grund, warum manche CD-Player CD-R's nicht lesen können. Hier empfiehlt sich vor allem unterschiedliche CD-Hersteller auszuprobieren. Generell sollte man bei den Rohlingen auf Qualität achten, wenn man lange Freude an den gespeicherten Daten haben will.

CD-RW's beinhalten mehrere Schichten, die ähnlich wie eine CD-R durch den Brennvorgang verändert werden können, so dass Reflexionsunterschiede entstehen. Diese sind jedoch noch weniger deutlich ausgeprägt, als bei der CD-R, nur extra dafür ausgelegte CD-Player können diese noch lesen. Auch die Empfindlichkeit nimmt nochmal zu.


Funktionsweise der Fehlerkorrektur
Um eine CD trotz Fehler noch auslesen zu können werden bei einer CD verschiedene Verfahren zur Fehlerkorrektur eingesetzt. Die beiden wichtigsten Fehlerkorrekturen sind Paritätsbits und Interleaving.

Paritätsbits sind Informationen, die den Nutzdaten hinzugefügt werden, um die Korrektheit der Nutzdaten überprüfen bzw. korrigieren zu können. Ein Beispiel wäre, wenn man in einem Paritätsbit speichert, ob die Quersumme eines Bytes gerade oder ungerade ist. Werden mehrere Paritätsbits verwendet, die auf unterschiedliche Art und Weise gebildet wurden, so wird eine Redundanz erzeugt, mit der man in der Lage ist zu kontrollieren, ob ein Byte bzw. ein Frame korrekt ausgelesen wurde. Mit steigender Redundanz ist es möglich den Fehler nicht nur zu erkennen, sondern auch zu korrigieren.

Bei einzelnen fehlerhaften Bits sind Paritätsbits eine fantastische Möglichkeit zur Fehlerkorrektur. Problematisch wird es dann, wenn mehrere Fehler geballt auftreten, da die nötige Redundanz (d.h. die Anzahl der Paritätsbits) sehr groß sein muss, um diese Fehler noch korrigieren zu können. Diese geballten Fehler (Bursts) treten in der Praxis sehr häufig auf, da einzelnen Bits pysikalisch auf der CD weniger als einen µm groß sind. Praktisch hat somit jede Beschädigung der CD einen Burst zur Folge.

Um auch dieses Problem zu umgehen, werden die Nutzdaten nach einem definiertem Verfahren  über mehrere Datenpackete hinweg ineinander verschachtelt mit dem Ziel, dass zusammgehörende Datenpackete nicht nebeneinander auf der CD gespeichert werden (Interleaving). Beim Auslesen der CD wird diese Verschachtelung wieder rückgängig gemacht, so dass ein evtl. vorhandener Burst in kleinere Einzelfehler aufgeteilt wird, welche durch eine angemessene Anzahl von Paritätsbits wieder ausgeglichen werden können.

Aber auch das Interleaving hat seine Grenzen. Kreisförmige Kratzer stellen die schlimmsten Beschädigungen dar, da diese Kratzer entlang der Datenspur laufen und somit immer mehrere direkt hintereinander liegende Datenpackete betreffen. Der Burst wird damit so groß, dass er das Interleaving übersteigt. Trotz Aufteilung in  Einzelfehler reicht dann die Redundanz der Paritätsbits nicht mehr aus, um die vielen Fehler zu korrigieren.

Verläuft ein Kratzer dagegen von innen nach außen, so verteilt sich der Burst auf mehrere Datenspuren. Durch das Interleaving wird der Fehler zusätzlich aufgespalten und in viele Einzelfehler aufgeteilt, die durch Paritätsbits in der Regel korrigiert werden können.


Haltbarkeit
Laut Hersteller hält eine gepresste Audio-CD mindestens 30 Jahre. Da das Produkt aber als Massenware noch nicht so lange am Markt ist, können hier keine verlässlichen Angaben getroffen werden. Zum Thema Kopierschutz ist zu sagen, dass dieser mit Sicherheit die Haltbarkeit einer Audio-CD negativ beeinflusst, da diese u.a. auf absichtlich eingebrachte C2-Fehler basieren. Zweifelhaft dagegen die Behauptung, kopiergeschützte CD's hätten einen schlechteren Klang. Mir ist kein Beweis dieser Behauptung bekannt und halte es für ein Gerücht.

Die Haltbarkeit einer CD-R oder CD-RW ist stark von deren Lagerung abhängig. Manche User berichten, dass die Informationen bereits nach wenigen Jahren nicht mehr lesbar waren. Noch kürzer ist die Lesbarkeit von selbstgebrannten DVD's. Zur Langzeitarchivierung sind diese Medien somit nicht geeignet. Die Frage, wie oft eine CD-RW wieder beschrieben werden kann hängt vom Brenner, Firmware und CD-Rohling ab. Im Durchschnitt treten ab ca. 30x Fehler auf.


Handhabung
CD's sind insbesondere gegen starke Temperaturschwankungen und Hitze empfindlich. Gerade das Auto ist im Sommer nicht der geeignete Aufbewahrungsort. Sogar im CD-Wechsler kann unter Umständen die kritische Temperaturschwelle schon überschritten werden und die CD ist defekt. Wer lange Freunde an seinen CD's haben möchte, der sollte auch vermeiden, diese ohne Schutzhülle auf den Tisch zu legen oder sogar neben der Stereoanlage in einer Art Loseblattsammlung zu stapeln.  Sollte es doch einmal unvermeidbar sein, dann die CD's immer mit der Datenseite nach unten auf den Tisch legen.


Reinigung
Zum Reinigen von CD's (und auch DVD's) empfehlen sich spezielle Reinigungsflüssigkeiten für CD's, eine milde Seifenlauge oder Isopropylalkahol. Von andere Reinigungsmitteln ist dringend abzuraten, insbesondere scharfe Haushaltsreiniger können die CD beschädigen! Die CD immer mit einem weichen Tuch (Baumwolle) und der gewünschten Reinigunsflüssigkeit von innen nach außen reinigen (nicht kreisförmig). Wichtig ist, dass anschließend alle Reste der Reinigungsflüssigkeit beseitigt werden. Wer also seine CD's mit Seifenlauge reinigt, der muss diese mit klarem Wasser nachspülen. Zum Schluß die CD mit einem weichem fusselfreiem Tuch wieder von innen nach außen trockenreiben bis die Oberfläche spiegelklar ist. Man sollte eine CD nie mit kreisförmigen Bewegungen "bearbeiten", da diese der Richtung der Datenspur entsprechen und einen Burst zur Folge haben können (wie oben unter "Fehlerkorrektur" beschrieben).


Reparatur einer CD
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zerkratzte CD's zu reparieren, allerdings nur dann, wenn es wirklich "nur" Kratzer auf der Obefläche des Trägermaterials sind.

Befindet sich der Kratzer im Schutzlack (also in der beschrifteten Seite der CD) und ist so tief, dass es zu Beeinträchtigungen kommt, so kann man dies nicht reparieren. Auch Verwerfungen des Trägermaterials, die aufgrund von Hitze oder Temparaturschwankungen entstanden sind, können nicht mehr rückgängig gemacht oder abgeschwächt werden. Ein User hatte sogar einmal berichtet, dass die Aluminiumschicht aus ungeklärten Umständen oxidiert ist, was an einer deutlichen Verfärbung der sonst silberfarbenen CD-Unterseite zu erkennen war. Auch in diesem Fall kommt jede Hilfe zu spät.

Einzig für Kratzer auf der Oberfläche des Trägermaterials gibt es Hoffnung zur Reparatur, sofern diese nicht zu gravierende Schäden angerichtet haben. Wie bereits oben beschrieben, wird durch die Streuung des Laserstrahls eine gewisse Unempfindlichkeit gegen Kratzer erzielt. Jeder Kratzer schwächt jedoch den Laserstrahl ab, bis irgendwann die Fotodiode nicht mehr in der Lage ist, das Signal klar zu unterscheiden. Dies wirkt sich besonders schlimm aus, wenn es sich um kreisförmige Kratzer handelt, so dass die Fehlererkennung versagt. Ist der Kratzer so gravierend, dass dies über einen längeren Zeitraum der Fall ist, so verliert das CD-Laufwerk die Synchronisation evtl. sogar die Spur.

Ziel jeder Reparatur ist somit, die Oberfläche des Trägers zu glätten, um ein besseres Eindringen des Lasers zu ermöglichen, damit die Intensität des Laserstrahls der seinen Weg zur Fotodiode findet wieder geisteigert wird.

Bitte beachtet die angegebenen Warnhinweise. Nicht jede der hier vorgestellten Methoden ist ungefährlich für die CD! Gerade bei Usern, die eine Methode zum ersten Mal ausprobieren, kann es durchaus passieren, dass die CD nicht repariert, sondern restlos ruiniert ist. Es empfiehlt sich daher vor etwas härteren Reparaturversuchen eine Sicherheitskopie der CD anzulegen (so gut es eben geht). Außerdem sollte der erste Versuch nicht gleich am geliebten Stück stattfinden, sondern vielleicht mit einer CD, die sowieso nicht mehr benötigt wird. Ob Audio oder Daten CD spielt hier keine Rolle (z.B. Werbe-CD's). Ich möchte an der Stelle betonen, dass ich oder AudioHQ keinerlei Haftung übernehmen, falls es bei der Anwendung der unten beschriebenen Methoden zu Schäden kommt, egal welcher Art!


Spezielle CD-Repair-Pasten
Besonders gute Ergebnisse konnte ich mit speziellen CD/DVD-Repair-Pasten erzielen, die es im Handel zu kaufen gibt. Der Preis einer solchen Paste gewegt sich bei gute 10,- EUR (Stand 2004) und reicht für ca. 10 bis 20 Anwendungen. Ein Vorteil dieser Variante ist, dass sie für die CD ungefährlich ist, man kann bei ordnungsgemäßer Anwendung eigentlich nichts kaputt machen. Auch hört man immer wieder, dass Pasten geeignet sind, die zum Entfernen von Kratzern auf Handy-Displays, Uhren oder Kunststoffbrillengläsern angeboten werden (Habe ich aber nicht getestet).

Die Handhabung der Paste ist denkbar einfach. Nachdem man die CD gereinigt hat, wird die Paste aufgetragen, besonders auf die problematischen Stellen. Anschließend die CD auf eine weiche aber stabile Unterlage legen und die Paste mit einem weichen Tuch (ist i.d.R. im Repair-Set enthalten) mit Bewegungen von innen nach außen gut einmassieren. Die weiche Unterlage ist hier sehr wichtig, denn die beschriftete Seite der CD ist empfindlich. Eine ungeeignete Unterlage kann bei der großen Druckbelastung während des Einmassierens die CD ruinieren! Ich habe die Erfahrung gemacht, dass die Ergebnisse besser werden, wenn man die Paste dann ein paar Minuten trocknen läßt und das Einmassieren nochmal wiederholt. Durch das Einmassieren legt sich die Paste in die Kratzer und Ritzen und füllt diese zum Teil auf, so dass der Laserstrahl die beschädigten Stellen wieder besser durchdringen kann. Zum Schluß wird die CD gründlich poliert, so dass von der Paste keine Reste mehr vorhanden sind. Die CD muss wieder spiegelklar sein! Sollte nach einer Anwendung die CD immer noch Fehler aufweisen, so kann man den Vorgang nochmal wiederholen. Eine mehr als zweimalige Anwendung ist nach meiner Erfahrung jedoch Zeit- und Geldverschwendung, die Ergebnisse werden dann nicht mehr besser.


Der Zahnpastatrick
Wer gerade keine spezielle Paste zur Hand hat, dem ist vielleicht mit dem Zahnpastatrick geholfen, der sogar in der Zeitschrift "AUDIO" (Ausgabe 8/2001) schon einmal vorgestellt wurde.

Die Methode ist den oben vorgestellten Pasten praktisch identisch, anstatt einer speziellen Paste wird aber Zahnpasta verwendet. Die Ergebnisse sind nach meiner Erfahrung durchaus brauchbar, jedoch nicht so gut, wie mit einer extra dafür ausgelegten Paste. Auch lassen sich die Repair-Pasten besser verarbeiten als Zahnpasta. Wichtig dabei ist, dass man eine Zahnasta verwendet, die keine Schleifkörperchen enthält, denn diese können die CD beschädigen. Wenn man einen kleinen Tropfen Zahnpasta zum Testen zwischen den Fingern verreibt, so sollte eigentlich jeder merken, ob die Zahnpasta diese Schleifkörperchen enthält oder nicht.

Die Handhabung ist den speziellen Repair-Pasten gleich. Nach der gründlichen Reinigung trägt man die Zahnpasta auf die CD auf und massiert diese besonders bei den problematischen Stellen gut ein. Das kurze Antrocknen und Wiederholen des Einmassierens entfällt bei der Zahnpasta, denn diese ist nach kurzer Zeit bereits so trocken, dass keine weitere Verarbeitung mehr möglich ist. Wenn die Zahnpasta komplett getrocknet ist, kann man beginnen die CD zu polieren. Auch hier ist die Zahnpasta etwas unbequemer als eine Repair-Paste, trotzdem ist bei der Zahnpasta unbedingt darauf zu achten, dass keine Reste auf der CD verbleiben. Diese muss zum Schluß wieder spiegelklar sein.


Vorsicht mit dem Schleifpapier
Die Schleifpapiermethode ließt man immer wieder, leider aber auch, dass User damit die CD ruiniert haben. Dem kann ich mich nur anschließen, denn mein eigener Test ging auch daneben. Allerdings haben auch einige User von erfolgreichen Reparaturversuchen berichtet und es gibt sogar Schleifpapier für CD/DVD-Reparatur zu kaufen, so dass ich diese Methode hier aufführe.

Wichtig beim Schleifpapier sind insbesondere 3 Dinge:
- sehr feine Körnung verwenden (1000 und höher)
- nicht trocken, sondern naß schleifen
- Niemals kreisförmig schleifen! Nur von innen nach außen (oder umgekehrt)!

Die Oberfläche ist nach der Behandlung mit Naßschleifpapier nicht mehr klar und schön wie vorher, sondern die bearbeiteten Stellen sind blind. Ohne es ausprobiert zu haben, halte ich eine nachfolgende Behandlung mit einer Reparaturpaste für sinnvoll, da sie die kleinen Kratzer schließt und somit das Ergebnis verbessern müßte. Wer die Schleifmethode einmal ausprobieren möchte, dem rate ich dringend, diese mit einer CD-R oder Werbe-CD zu testen. Mehr Tips kann ich mangels Erfahrung leider nicht geben. Wenn Ihr genauere Details hierzu wisst, freue ich mich auf Eure Erfahrungsberichte.


keine Polierscheiben für Autolacke verwenden
Auch diesen Tip habe ich vor einiger Zeit mal im Internet gelesen, aber ich kann nur davon abraten. Das CD-Trägermaterial ist nicht so wiederstandsfähig wie ein Autolack und hält eine derartige Bearbeitung nicht aus. Es klingt zwar verlockend, die Kratzer einer CD ähnlich wie beim Autolack "herauszupolieren", jedoch funktioniert das nicht. Ich habe es selbst mit einem Polierflies getestet. Die entstehende Wärme beim Polieren ist jedoch so hoch, dass die CD an der Oberfläche zu schmelzen beginnt, was sich an einem schmierigen Film äußert. Die CD sah anschließend aus, als hätte man einen Kaugummi auf der Oberfläche verteilt und war nicht mehr lesbar.


Kaufgeräte
Auch hat der Markt erkannt, dass betreffend CD/DVD-Reparaturen ein Bedarf besteht. So verwundert es nicht, dass es mittlerweile auch Geräte zu kaufen gibt, bei denen man nach dem Einlegen der CD nur noch ein Knöpfchen drücken muss und den Rest erledigt das Gerät. Wer hier Interesse hat, der kann mit Google jede Menge finden. Die Qualität dieser Geräte konnte ich allerdings nicht in Erfahrung bringen. Ich kenne niemand, der so ein Gerät besitzt. Solltet Ihr Erfahrung mit diesen Helfern haben, so würde ich mich über ein Posting freuen.


Die professionelle Lösung
Schließlich gibt es auch Dienstleister, die einen Reparaturservice für CD und DVD anbieten. Die verwendeten Techniken variieren von Naßschleifverfahren über Standstrahlung bis hin zur Polierung. Da hier mit hoher Wahrscheinlichkeit profesionelle Geräte zum Einsatz kommen, erscheint mir diese Variante als empfehlenswert, wenn man mit den Repairpasten nicht zum Erfolg gekommen ist und die Anwendung riskanterer Methoden vermeiden möchte. Allerdings habe ich diese Dienstleister noch nicht selbst ausprobiert, über Qualität bzw. Erfolg im Gegensatz zu den "selbst-ist-der-Mann-Methoden" kann ich daher leider keine Auskunft geben.

Die Kosten betragen in der Regel ca. 5 EUR, manche bieten sogar an, bei erfolgloser Behandlung nichts zu berechnen. Eine konkrete Liste möchten wir nicht online stellen, da diese zum einen sehr schnell veraltert wäre, zum anderen nie komplett sein kann und somit eine ungerechte Bevorzugung von einigen wenigen zur Folge hätte. Daher bitte Google verwenden.



Dank an die User und weiterführende Links zum Thema / Quellenverzeichnis
Herzlich bedanken möchte ich mich bei allen Usern, die mich bei der Erstellung dieses Artikels unterstützt haben:
Frank Bicking, DAU, fuffy, Lego und start78.


Wer sich näher einlesen möchte, der findet in den hier angeführten Links zu allen angesprochenen Themen weitere Informationen und Details.

TTD/Graphics - copyprotected media
elektronikinfo - Compact-Disc
Wikipedia - Compact Disc
Jörg Asshoff - Optische Datenspeicher
Hans Harleß - CD-ROM's brennen
computer-tutorial.de - CD-ROM Laufwerke und Brenner
Tom Muller - CD-Recording FAQ
HCinema - Was is DVD
Michael Neuhold - DVD-Grundlagenwissen
Wikipedia - Digital Versatile Disc

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