CD-Player: Präzise, verschleißfreie digitale Audiowiedergabe

Hintergrund

Eine Compact Disc, auch bekannt einfach als CD, ist ein optisches Speichermedium mit digitalen Daten auf seiner Oberfläche. Ein CD-Player liest die Daten mittels optischem Strahl und reproduziert die Originalinformation (Musik, Bilder, Daten) präzise. Da der Player die Information optisch ausliest, gibt es keinen physischen Verschleiß an der Disc. Die Grundtechnologie aller CD-Player ist im Wesentlichen identisch, ob für Audio, Video oder Computeranwendungen. Dieser Artikel fokussiert auf Player für Audio (speziell Heim-Audio).

Die Geschichte des Compact-Disc-Systems reicht in die frühen 1970er zurück, als rasante Fortschritte in Digital-Elektronik, Laseroptik und Großintegration (LSI) stattfanden. Viele Firmen erkundeten die Möglichkeit, Audiosignale in optischer Form digital statt analog zu speichern. Eine praktische Modulationsmethode fand sich mit Theorien, die 1948 von Claude E. Shannon veröffentlicht wurden. Diese Methode, Puls-Code-Modulation (PCM), sampelt Audiosignale in kurzen Zeitintervallen und konvertiert Samples in numerische Werte für digitale Speicherung.

Die Speicherung von Audio in digitalem Format (bekannt als Audio-Encoding) erfordert große Datenmengen. Zum Beispiel benötigt eine Sekunde Audioinformation eine Million Bits. Optische Discs, fähig Milliarden Bits auf winzigem Raum zu speichern, erwiesen sich als ideal. Eine optische Disc kann bis zu eine Million Bits auf Stecknadelkopffläche speichern. Nachdem Aufzeichnungs- und Speichertechnologien für digitales Audio gefunden waren, suchten Hersteller Wege, Daten aus so kleinem Bereich auszulesen und zu verarbeiten. Experimente mit Laservorrichtungen (ein Laser emittiert einen sehr schmalen, auf winzigen Bereich fokussierbaren Lichtstrahl) waren sehr erfolgreich. LSI-Techniken bedeuteten, dass die riesigen Datenmengen auf der Disc schnell genug verarbeitet werden konnten für kontinuierliche Musik. Die Bühne war bereitet für ein vollständiges Compact-Disc-System.

Zwar beteiligten sich viele Firmen an früher Forschung und Experimenten mit den diversen Technologien eines CD-Systems, doch zwei Unternehmen – Sony aus Japan und Philips aus den Niederlanden – werden mit der erfolgreichen Integration dieser Technologien zu einem vollständigen System zugeschrieben. Die beiden kooperierten zur Entwicklung spezifischer Standards für das CD-System, und ein Konsortium von 35 Herstellern adoptierte diese Standards 1981. Die ersten CD-Player kamen Ende 1982 in Europa und Japan, Anfang 1983 in den USA auf den Markt.

Rohmaterialien

Ein CD-Player ist ein hochentwickeltes Elektronikgerät. Das schlichte Äußere birgt komplexe Innenmechaniken zum Auslesen und Verarbeiten von Audiosignalen in sehr klarer, knackiger Musik. Komponenten umfassen Gehäuseschrank, optische Pickup-Baugruppe und Leiterplatten (PCBs) mit Mikrochips, die die elektronischen Prozesse steuern.

Der Schrank für das Komponentenlabyrinth besteht meist aus leichtem, verstärktem Aluminium. Der Laser ist ein kleines Glasröhrchen mit Gas und kleiner Stromversorgung für Laserstrahlerzeugung, während die Photodiode – ein Halbleiterbauteil, das vom Licht, reflektiert von der Compact Disc, in elektrisches Signal umwandelt – meist aus Silizium oder Germanium besteht. Linsen und Spiegel im optischen Pickup sind hochpoliertes Glas oder Kunststoff. Diese Baugruppe sitzt in eigenem Kunststoffgehäuse. Die meisten elektronischen Komponenten – Widerstände, Transistoren, Kondensatoren – sind auf Mikrochips auf PCBs. Basismaterial dieser Komponenten ist meist Silizium. Hardware zur Verbindung der Subbaugruppen besteht aus diversen Metall- und Kunststoffmuttern, Schrauben, Unterlegscheiben, Riemenscheiben, Motoren, Getrieben, Riemen und Kabeln.

Design

Eine Compact Disc ist eine 12,065 cm (4,75 Zoll) Polycarbonat-Kunststoffscheibe mit ca. 74 Minuten Audioinformation. Nicht alle Informationen sind Musik; einige dienen Fehlererkennung, Synchronisation und Anzeige. Information auf einer CD ist auf einer Spirale als Vertiefungen – Lands und Pits – kodiert, die Binär-Highs und -Lows repräsentieren. Diese Vertiefungen „liest“ der CD-Players Laser.

Konzeptionell ähnelt das CD-Player-Design einem Plattenspieler. Wie eine Schallplatte rotiert die Compact Disc auf einem Drehteller, und Audio wird von einem Pickup-Gerät ausgelesen. Anders als beim Plattenspieler dreht der Motor den Drehteller nicht mit konstanter Geschwindigkeit, sondern passt ihn an die Distanz des Pickups vom Zentrum an. Ferner ist das Pickup-Gerät kein mechanischer Tonabnehmer (Nadel), sondern ein optischer Laserstrahl, der keinen physischen Kontakt mit der Disc hat. Dieser Laser fokussiert seinen Strahl auf die Disc-Spur mit Lands und Pits, und der Detektor (Photodiode) erfasst den Unterschied zwischen Licht, reflektiert von Lands und Pits. Die Photodiode wandelt reflektiertes Licht in elektrisches Signal um. An die elektronische Schaltung weitergeleitet, wird dieses Signal vom Datendekodiersystem in Audiosignale für Wiedergabe umgewandelt.

Es gibt im Wesentlichen drei Subbaugruppen in einem CD-Player: Laufwerksmechanik (Disc Drive), optische Pickup-Baugruppe und elektronische Schaltungsbaugruppe, die die anderen Systeme koordiniert und Servomechanismus sowie Datendekodierschaltung umfasst. Durch Senden von Signalen an den Servomechanismus passt die Schaltung Motordrehzahl, Fokussierung und Nachführung des optischen Pickups an; managt Datenfluss zum Dekodierer; und liefert Anzeigeinformationen als Reaktion auf Bedientasten am Frontpanel.

Der Laufwerksmechanismus besteht aus einem Spindel, die die CD hält, und einem Motor, der sie rotiert. Der Motor, Spindelmotor genannt, sitzt unter der Kunststoff-Ladeschale oder dem Drehteller. Ein separater Motor am Chassis (Basis/Gestell) bewegt die Ladeschale ein und aus; dies geschieht via am Motor befestigtes Zahnrad, das auch ein größeres Zahnrad betätigt, um eine Klemme zum Halten der Disc anzuheben und abzusenken.

Der optische Pickup besteht aus Laser, Photodiode und diversen Linsen und Spiegeln. Die gesamte Subbaugruppe gleitet auf Schienen hin und her und wird vom Servomechanismus gesteuert, der Signale von der Schaltung empfängt. Der optische Pickup sitzt meist unter der Klemme, die die Disc positioniert, während der Antriebsmotor für die Baugruppe am Chassis nahe den Schienen montiert ist. Der Mechanismus richtet einen Laserstrahl durch Linsen und Spiegel auf die Disc-Unterseite. Linsen und Spiegel halten den Strahl korrekt fokussiert. Trifft der Strahl ein Pit, wird kein Licht reflektiert, die Photodiode bleibt inaktiv. Trifft er ein Land, wird Licht durch Linsen und Spiegel auf die Photodiode reflektiert, die ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal geht an die elektronische Schaltungsbaugruppe, wo das Datendekodiersystem es in Audiosignale für Wiedergabe umwandelt.

Die elektronische Schaltungsbaugruppe besteht aus Leiterplatten mit Schaltung für Servomechanismus (betreibt optisches Pickup-System), Datendekodierung und Steuersystem. Viele integrierte Schaltkreise, Mikroprozessoren und LSI-Komponenten sitzen auf der Baugruppe.

Eine Schlüsselbaugruppe im CD-Player ist die optische Pickup-Baugruppe. Sie sitzt auf Schienen, um unter der Compact Disc hin und her zu gleiten. Sie arbeitet, indem sie einen Laserstrahl auf die CD richtet; trifft der Laser ein Land, gelangt reflektiertes Licht zur Photodiode, die ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal geht an die CD-Player-Schaltung, die es in Musik umwandelt.

Der Fertigungsprozess

In heutiger Fertigungsumgebung gibt es keine einzelne Herstellungs- und Montagemethode. Produkte werden zunehmend als Subbaugruppen gefertigt und als größere Subbaugruppen oder Endprodukt zusammengeführt. Robotik und computergesteuerte Linien erlauben praktisch jedes Teil in jedem Subbaugruppen-Zustand an jedem Prozesspunkt zu installieren. Die Sequenz kann in Minuten geändert werden für Modifikationen oder QC-Checkpoints. Der hier beschriebene Fertigungsprozess folgt daher einem ähnlichen Ansatz wie der tatsächliche industrielle Prozess. Er wird erst in Subbaugruppen beschrieben, dann detailliert, wie diese zum Endprodukt zusammengefügt werden.

Optische Pickup-Subbaugruppe

• 1. Von externen Zulieferern bezogen, werden Laser und Photodiode unter der Discklemme installiert. Die diversen Linsen und Spiegel in der Baugruppe müssen korrekt beabstandet und ausgerichtet sein, um Licht zu fokussieren und zu lenken. Die ganze Baugruppe wird dann in einem Kunststoffgehäuse untergebracht. Das Gehäuse wird durch übliche Kunststoffformverfahren wie Extrusion oder Spritzguss gefertigt, während Linsen und Spiegel (meist Silizium) in Form geschnitten und fein mit Abrasiva poliert. Die halbleitende Photodiode wird durch Präparieren und Polieren von Silizium oder Germanium und Dotieren zur Schichterstellung hergestellt. Elektrische Kontakte werden hinzugefügt. Nach Positionierung der optischen Komponenten werden Getriebe und Riemen für Pickup-Positionierung eingebaut.

Laufwerks-Subbaugruppe

• 2. Als Nächstes wird der Motor, der den optischen Pickup bewegt, mit Getrieben und Riemen verbunden und auf dem Chassis platziert. Die Ladeschale wird nun zentriert, und der Spindelmotor, der die Disc rotiert, wird installiert. Nach Positionierung der Klemme, an der der optische Pickup befestigt ist, adjacent zur Ladeschale, werden Schale, Klemme und Pickup-Motor in die Ladeschublade eingebaut, die in den CD-Player-Schrank eingesetzt wird.

Elektronische Schaltungs-Subbaugruppe

• 3. Zuletzt werden elektronische Komponenten montiert. Von Ingenieuren mit CAD-Paketen designed, bestehen Leiterplatten aus kupferbeschichtetem Basismaterial, auf das ein Muster per Siebdruck oder ähnlichem Verfahren übertragen wird (Maskieren). Nach Beschichtung mit fotosensitivem Material werden die gemusterten Bereiche chemisch geätzt, um ein mehrlagiges Board zu schaffen – die Lagen umfassen die diversen Transistoren und Kondensatoren der Schaltungen. Die winzigen Mikrochips (meist Silizium), die auf dem Board montiert sind, werden ähnlich, aber im viel kleineren Maßstab gefertigt. Je nach Hersteller hat der CD-Player eine große Leiterplatte oder mehrere kleinere. Nach Befestigung an Panel(n) werden Schaltungen an Frontbedienpanel, Schalterbaugruppe und schließlich Netzteil angeschlossen.

Endmontage

• 4. Sobald die Subbaugruppen bereit sind, werden sie verbunden und interfaced zum Abschluss der Endmontage. Der Großteil der Arbeit in diesem Stadium wird von menschlichen Arbeitern ausgeführt. Der CD-Player wird nun getestet und zur Verpackung geschickt.

Qualitätskontrolle

Wie angemerkt, ist ein CD-Player ein hochentwickeltes Gerät, und strenge Qualitätskontrollmaßnahmen werden von Anfang bis Ende der Fertigung angewendet, um ordnungsgemäße Funktion gemäß Industriestandards zu sichern.

Da so viele Komponenten von spezialisierten Zulieferern gefertigt werden, muss der Player-Hersteller auf diese für Qualitätslieferung vertrauen. Kritischste Elemente sind im optischen Pickup. Linsen und Spiegel im Laser-Pickup bestehen aus hochwertigem Glas, und menschlicher Kontakt muss während Fertigung vermieden werden, um Oberflächen sauber und fettfrei zu halten. Ebenso müssen elektronische Schaltungskomponenten in „Reinraum“-Umgebung (spezielle Luftfilter, Kleidungsvorschriften) gefertigt werden, da ein einzelnes Staubteilchen Schaltkreisfehlfunktionen verursachen kann. Leiterplatten und Chips werden auf vielen Ebenen von Diagnosegeräten getestet, um Schaltkreisfehler zu lokalisieren.

Für QC durch den Player-Hersteller wird die Laufwerksbaugruppe auf korrekte Ausrichtung von Motor, Spindel, Ladeschale und diversen Getrieben geprüft. Zusätzlich wird der optische Pickup auf korrekte Ausrichtung von Linsen und Laserstrahl gecheckt. Sobald Subbaugruppen im Schrank vereint sind, werden alle Verdrahtungsverbindungen auf korrekten elektrischen Kontakt und Interface mit anderen Komponenten inspiziert. Sichtprüfungen von Riemen, Riemenscheiben und Getrieben sind integraler QC-Bestandteil. Die Endprüfung besteht aus Abspielen einer Testdisc, die spezielle Signale und Muster erzeugt, wodurch Arbeiter Systemfehler orten können. Zusätzlich werden Frontpanel-Schalter und -Tasten geprüft, ob sie angezeigte Funktionen ausführen und korrekte Informationen anzeigen.

Zukunftsaussichten

Die CD-Systemtechnologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, und neue Anwendungen für Compact-Disc-Systeme werden täglich entdeckt. Der Markt hat bereits CD-ROMs, CD-Video und CD-Interactive gesehen. Das neueste Produkt, das Verbraucheraufmerksamkeit erregt, ist Kodaks Photo-CD, die Fotos auf TV- und Computerschirmen anzeigen kann. Diese Bilder können vom Nutzer bearbeitet oder beschnitten werden, wie Clip-Art.

Audio-CD-Systeme werden in kommenden Jahren viele neue Features sehen. Player mit fortgeschrittenen Fernbedienungsfunktionen befinden sich in Entwicklung. Das Gehäuse eines CD-Players umfasst oberes Cover oder „Haube“ und Frontbedienpanel. Die Compact Disc ruht auf einer Ladeschale, die ein- und ausfährt. Diese Funktionen erlauben Anzeige von Informationen auf der Fernbedienung selbst, wie Songtitel, Künstlernamen und tatsächliche Songtexte. Compact Discs mit Aufzeichnungs- und Wiedergabefähigkeit, wie Kassetten, sind auch in Arbeit. Die gewaltigen Speicherkapazitäten der CD eignen sich für breit angelegte Multimedia-Anwendungen, und es ist gut möglich, dass Compact Discs zum gemeinsamen Datenaustauschmedium für alle Audio-, Video- und Computeranwendungen werden.