Die CD

Die Technik, Musik auf CDs zu speichern, ist noch nicht sehr alt - die ersten CDs gab es Anfang der 80er Jahre. Allerdings basieren sie auf einer ganz neuen Art, Schall festzuhalten. Und zwar nicht analog, also mit dem Speichern der Wellen, wie in all den anderen vorgestellten Verfahren, sondern digital - in Form von Zahlen. Das hat den Vorteil, dass die Klangqualität wesentlich besser ist, als bei einer analogen Aufnahme, die viel schneller abnutzt. Eine Zahl nutzt nicht so schnell ab. Eine verwischte Welle gibt sofort einen falschen Ton, aber eine verwischte Sieben ist immer noch eine Sieben:

Aber wie kann man denn Musik in Zahlen verwandeln? Dazu braucht man einen wenn auch kleinen Computer, den sogenannten Analog-Digital-Wandler.

Und alles beginnt wieder mit der Welle:

Der Analog-Digital-Wandler (auch AD-Wandler) tastet nun nach und nach die Welle ab und merkt sich für jeden Moment eine Zahl, die angibt, wie hoch die der Wellenberg ist. Die verschiedenen AD-Wandler unterscheiden sich dabei durch ihre sogenannte Samplingrate, also wie oft pro Sekunde sie abtasten, und die Samplingpräzision, also wie genau eine Zahl ermittelt wird. Die Welle dort oben wird folgendermaßen umgewandelt:


Wenn dieser Ton eine Sekunde lang ist, dann hat der AD-Wandler eine Samplingrate von 10Hertz, also merkt er sich 10 Zahlen in der Sekunde. Und er hat eine Samplingpräzision von 9, denn er unterscheidet neun verschiedene Werte.
Diese Zahlen (7, 8, 9, 5, 3,...) kann der AD-Wandler nun an seinen Speicher weitergeben.


Dieser AD-Wandler ist doppelt so genau, er tastet 20 mal in der Sekunde ab und unterscheidet 18 Werte. Das bedeutet aber auch, dass sich sein Speicher doppelt so viele und auch längere Zahlen merken muss.
Noch genauer sieht es so aus:

Man kann schon sehen, dass der untere AD-Wandler die Welle am besten nachbilden kann.

Nun kann man sich fragen, wie denn nun diese Zahlen wieder zu Musik werden. Das geht wieder über einen Computer, den Digital-Analog-Wandler. Der verwandelt die Zahlen wieder in eine elektrische Welle, die fast so aussieht wie die ursprüngliche. Dazu muss er natürlich wissen, wie der AD-Wandler sie vorher übersetzt hat. Er muss also die gleiche Samplingrate und die gleiche Samplingpräzision haben, sonst kommt nur Müll dabei raus. Die Welle, die der DA-Wandler "zusammenbaut", sieht dann so aus:

Das sieht sehr zackig aus, aber wenn man ein gutes Gerät verwendet (was CD-Player heute sind), dann sieht die Welle so gut wie exakt so aus wie vorher.
Bei einem CD-Player hat der DA-Wandler eine Samplingrate von 44100 pro Sekunde und eine Präzision von 65536 Abstufungen.

Damit könnt ihr jetzt schon ahnen, wie die CD funktioniert: Eigentlich genauso wie der Plattenspieler mit einer Rille, die abgetastet wird, nur das sie sozusagen aus Zahlen besteht.

Wie geht dann das?

Nun, erst mal sind es nicht wirklich Zahlen, die auf die CD geschrieben werden, sondern ein Strichcode aus kleinen Hügeln, der die Zahlen darstellt; und zwar winzig klein. Er muss so klein sein, denn es müssen ja irre viele Zahlen draufpassen.


Rechenbeispiel:
Für die 74 Minuten Musik auf einer CD braucht man
74min*44100pro Sek.*60(Sekunden pro Minute)*2Kanäle(Stereo)=391.508.000 Zahlen, die dann auch alle noch zwischen 0 und 65535 liegen können, also sehr lang sind.

Dieser Strichcode sieht in der Vergrößerung so aus:

Die einzelnen Spuren sind nur einen halben Mikrometer breit (0,0005 mm) und haben einen Abstand von 1,6 Mikrometer (0,0016mm) - also wirklich winzig. Damit sie nicht zerstört werden, ist die CD noch mal mit einer durchsichtigen Plastikschicht lackiert. Würde man diese Spur ausbreiten, wäre sie übrigens über 8km lang.
Die CD sieht dann von der Seite stark vergrößert so aus:

Die Spuren sind so klein, dass man sie natürlich nicht mit einer Nadel abtasten kann, sondern man benutzt statt dessen einen feinen Laserstrahl, der über die CD fährt und je nachdem, wie er dort reflektiert wird, kann die Optik des CD-Players darauf schließen, ob der Laser gerade über einen Hügel oder ein Tal gefahren ist.
Und daraus werden dann die Zahlen entschlüsselt, die im DA-Wandler in elektrische Wellen umgewandelt werden, und von der Stereoanlage über die Lautsprecher wieder in Musik verwandelt werden.

Der CD-Player ist natürlich noch viel komplizierter, als es jetzt scheint, denn er muss ja extrem genau funktionieren, damit er auch immer die richtige Spur trifft, die er abspielen will. Außerdem muss die Optik sich immer wieder neu auf die CD einstellen, um immer ein "scharfes" Bild von den Strichen zu haben. Wichtig ist auch noch, dass der Motor die CD immer in der richtigen Geschwindigkeit drehen muss, damit die Striche immer gleich schnell am Laser vorbei gehen. Die Geschwindigkeit hängt dabei auch noch davon ab, wo auf der CD das entsprechende Lied ist. Ist es weit außen muss sich die CD langsamer drehen, als wenn es weiter innen ist. Für diese Präzisionsarbeit ist eine komplizierte Technik nötig.

Nun habt ihr Euch vielleicht schon gefragt, warum die Musik, die man aus dem Internet herunterladen kann, und die ja auch aus Zahlen besteht, nicht so GROSS ist. Vielleicht habt ihr schon mal versucht, eine CD auf Festplatte zu kopieren - das benötigt sehr viel Platz. Warum braucht man bei der Internet-Musik weniger Zahlen?
Sie ist im sogenannten mp3-Format gespeichert.

Die Grafiken sind zitiert aus den Seiten von HowStuffWorks.com