Die (normale Audio-) CD verwendet ein PCM-Aufzeich- nungsformat (das steht für "Pulse Code Modulation"), bei dem die Musiksignale für jede Sampling- (= Abtast-) Frequenz in digitale Daten umgewandelt werden und in jeder Verarbeitungsstufe als eine Multibit-Quantisierung dargestellt werden.

Als das PCM-Format (etwa 1972) entwickelt wurde, versuchten die Ingenieure, eine Samplingfrequenz von 44,1 kHz und eine 16-bit-Quantisierung für die Aufzeichnung und Wiedergabe digitaler Daten zu erreichen. Dieses Ziel, das sie (erst viel später) als Standard für die CD-Technologie festlegen wollten, stellte damals ein (sehr hohes) Niveau dar, das die zu jenem Zeitpunkt verfügbare Technologie bei weitem überstieg.

Schließlich konnte dieses Ziel dank des Fortschritts bei A/D- Wandlern und anderer Halbleiterbausteine auf der Aufzeich- nungsseite und dank der technischen Entwicklungen für digitale Filter und D/A-Wandler auf der Wiedergabeseite erreicht werden (etwa 1982/83).

Wie in Abbildung 3 gezeigt, setzt der 1-bit Quantisierer die eingehenden analogen Signale auf einen Standardpegel herab und gibt diese Signale als einen von zwei Werten, „0" oder „1", aus (1 bit).

Nehmen wir an, daß Sinuswellen in diesen 1-bit Wandler eingegeben werden.

In Abb. 5 (nächste Seite) sieht man, wie ein einfaches DS-Modulatorsystem aufgebaut ist. Die Ausgabe vom 1-bit Wandler besteht aus 1-bit wertigen Daten („0" und „1"). Diese Ausgabedaten werden mit dem eingehenden Signal verglichen, um Fehler zu erkennen. Die Fehlerdaten werden von der Verzögerungsstufe um ein Sampling-Intervall verzögert und als zu subtrahierende Kompensierungsdaten wieder in das eingehende analoge Signal eingespeist. Dieser Prozeß der ständigen Rückführung der Fehlerdaten zum Eingang des 1-bit Wandlers für jedes Sample stellt das grundlegende Konzept dieses Systems dar.
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Die Methode der Extraktion und Rückführung von Ausgabefehlerdaten in die eingehenden Signale zwecks Subtraktion als Kompensierungsdaten bezeichnet man als „negatives Feedback". Es ist die allgemein verwendete Methode zur generellen Beseitigung von Verzerrungen.

In Abb. 6 sieht man die Wellenform, die ausgegeben wird, wenn eine Sinuswelle in den DS-Modulator eingegeben wird. Im Vergleich zu den in Abb. 4 gezeigten Ergebnissen schaltet die Ausgabe aus dem Konverter mit einem präziseren Timing zwischen „0" und „1" um. Im Ergebnis steigt die Anzahl von „1"-Impulsen, wenn die Sinuswelle größer wird, während die Anzahl von „0"-Impulsen ansteigt, wenn die Sinuswelle unterhalb des Basispegels sinkt.

Auf diese Weise drückt die DS-Modulation den Pegel des Signals korrekt aus, indem der Impulswellenform eine Dichte-Kennlinie (die als „Schattenkennlinie" bezeichnet wird) hinzugefügt wird.

Im Gegensalz zu PCM, das nur die berechneten Daten verarbeitet, konvertiert die DS-Modulalion das analoge Signal direkt in einen Impulsslrom von Nullen und Einsen. Das System trägt daher die Bezeichnung Direct Stream Digital.

Der DS-Modulator, wie er im realen DSD-System verwendet wird, hat viele höherwertige Feedbackstufen. Je nach Ordnungszahl des Modulators und Schaltkreisstruktur wird die Art der Geräuschformung bestimmt.

Der DS-Modulator ist eine wesentliche Technologie für die Super Audio CD. Und mit den ständigen Verbesserungen in diesem Bereich wird der Klang der Super Audio CD eine noch höhere Qualität erreichen. Durch künftige Weiterenlwicklungen dieser Technologie wird der breite Dynamikbereich, der das Super Audio CD-Format kennzeichnet, immer mehr Wirklichkeit werden.

Abb. 9 zeigt den Unterschied der Ergebnisse, wenn ein 10 kHz-Rechtecksignal mit DSD-Technik bzw. herkömmlicher PCM-Technik konvertiert wird. Eine Rechteckwellenform besteht aus einer Grundwelle und theoretisch unendlich vielen sinusformigen Oberwellen. Das heißt: die Rechteckwellenform beinhaltet zahlreiche ungerade harmonischc Oberwellen.

Mit dem PCM-Format der CD können die Bestandteile des Rechtecksignals nicht über die zweite Harmonische hinaus reproduziert werden, was zu einer erheblichen Signalverformung führt, das Rechtecksignal wird zum Sinussignal. Im Gegensatz dazu kann das DSD-Format harmonischc Oberwellen bis in sehr hohe Frequenzbereiche reproduzieren, was zu einem Ausgangssignal führt, welches der ursprünglichen Rechteckwellenform extrem ähnelt.

Dieses Beispiel zeigt, wie das DSD-Formal eine originalgetreue Klangumwandlung erreicht, bei der das Ausgangssignal nahezu identisch mit der Originalquelle ist.

Die Super Audio CD ist so standardisiert, daß Speicherplatz für Mehrkanalaufzeichnungen von bis zu 6 Spuren sowie für zusätzliche Daten und Audiosignale, einschließlich herkömmlicher 2-Kanal Stereoaufzeichnungen, vorgesehen ist. Kurzum, die Standardisierung und Verteilung des verfügbaren Speicherplatzes stellt sicher, daß die Super Audio CD allen zukünftigen Anforderungen gerecht wird.

Der für Mehrkanaldaten reservierte Speicherplatz auf der Disc ist vorgesehen für qualitativ hochwertige, im DSD-Format aufgenommene Mehrspur- Audioaufzeichnungen, die ein bislang unvorstellbares Hörvergnügen bieten. Der Speicherplatz für zusätzliche Daten kann für Text, Songtexte, Erklärungen und sogar für Fotos verwendet werden. (Abb. 10) Diese beiden Bereiche werden schon bald in der Super Audio CD genutzt werden.

Die Super Audio CD bietet drei unterschiedliche Disc - Varianten (siehe Abb. ll).Der gebräuchlichste Typ ist die einschichtige Disc, die eine Schicht (HD/High Density) mit hoher Datendichte enthält. Wie bereits zuvor erläutert, bietet diese Disc eine Speicherkapazität von 4,7 GByte.

Es gibt ebenfalls eine zweischichtige Disc, bei der zwei Super Audio CDs zu einer einzigen Disc kombiniert werden, wodurch erweiterte Wiedergabezeiten und eine Speicherkapazität von 8,5 GByte möglich werden.

Der dritte Disc-Typ ist die sogenannte Hybrid Disc, die eine HD-Schicht und eine CD-Schicht aufweist. Die Schichten der zweischichtigen Disc und der Hybrid Disc sind je 0,6mm dick. Zwei dieser Schichten sind miteinander verbunden und 1,2mm dick, dieselbe Dicke wie alle Super Audio CDs und herkömmlichen CDs.

Die CD-Schicht kann von herkömmlichen CD-Playern und von Super Audio CD-Playern gelesen werden, so daß vollständige Kompatibililät zwischen Super Audio CD-Playern und aktuellen CD-Playern gewährleistet ist (Abb. 12).

Um das urheberrechtlich geschützte geistige Eigentum optimal zu schützen, verwendet die Super Audio CD die Pit Signal Processing (PSP)-Technologie, um ein Wasserzeichen, das aus einer kontrollierten Menge von mikroskopisch kleinen Vertiefungen auf der Disc-Oberfläche besteht, in die Disc einzubetten. PSP erlaubt zwei Arten von Wasserzeichen: ein „unsichtbares" Wasserzeichen, das nur vom Super Audio CD-Player erkannt werden kann, und ein „sichtbares" Wasserzeichen (je nach Entscheidung des Herstellers), das auf die Disc in Form von Text oder in Form eines Bildes aufgedruckt wird. Falls eine gefälschte Disc eingelegt wird, erkennt der Super Audio CD-Player das Fehlen des unsichtbaren Wasserzeichens, was ein Abspielen der CD verhindert. Es ist fast unmöglich, beide Wasserzeichentypen eindeutig zu duplizieren, sodaß eine Unterscheidung zwischen echten und gefälschten Discs ganz einfach ist, insbesondere bei dem sichtbaren Wasserzeichen, das unmittelbar identifiziert werden kann. Dieses ausgefeilte System schützt sowohl die Künstler als auch die Verbraucher vor illegalen Kopien.

Der SCD-1 verfügt über zwei unabhängige optische Pickups, die in den sog. Twin Pickup-Mechanismus integriert sind. Jeder Pickup liest Daten auf einer bestimmten Discebene aus: 650nm für Super Audio CD und 780nm für die herkömmliche CD. Das feststehende optische Pickupsystem ist dieselbe Technologie, die sich bei Top-CD-Playern bewährt hat. Außerdem verhindert das feststehende System unerwünschte Schwingungen, wahrend die Daten absolut präzise eingelesen werden.

Pickups, d.h. optische Abtasteinheiten, sind besonders empfindlich gegenüber Störungen, insbesondere gegenüber den vom Servo-Stromfluß stammenden Geräusehen. Leider ist es nicht möglich, den Servostrom zu eliminieren, da er für zahlreiche Operationen benötigt wird.

Wir haben daher bei der Entwicklung des SCD-1 besonders auf die Erzeugung einer „ruhigen Umgebung" geachtet, bei der die Pickup-Operation nicht durch das Servogeräusch beeinträchtigt wird und somit präzise Leseleistungen gewährleistet sind.

Der optische Abtastmechanismus ist an der Basiseinheit befestigt und greift auf dasselbe System zurück, das auch bei hochwertigen CD-Playern verwendet wird. Der optische Pickup steht ebenfalls fest und ist daher nicht schwingungsgefährdet. Im SCD-1 wird die komplette Disc horizontal in die korrekte Position über die feststehende Laserabtasteinheit geführt. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen reduziert dies den Einfluß des Servostroms auf den Pickup in beträchtlichem Maße.

Das System besteht aus zwei unabhängigen optischen Pickups, die in ein sog. Twin Pickup System integriert sind, welches Super Audio CDs mit einer Wellenlänge von 650nm und CDs mit einer Wellenlänge von 780nm auslesen kann.

Der Spindelmotor besteht aus einem neu entwickelten Druckguß-Aluminium, das hohe Festigkeit bietet. Die Statorseite, der stationäre Teil, umfaßt das Sapphirlager, während die Spindelwellenseite (die Spindelachse) die im Lager verwendete Rubinkugel enthält. Diese einzigartige Kombination von Materiaiieri gewährleistet lange Lebensdauer und verringert den Verschleiß am Kontaktpunkt, um äußerst stabile Rotation sicherzustellen. Das Resultat dieser Maßnahmen: Der Servosteuerungsstrom wird noch weiter reduziert.

• Anmerkung : Bei den SONY CD Spielern (und nicht nur bei diesem Hersteller) geht nach weniger als 10 Jahren sehr oft die Lasereinheit kaputt und die gibt es dann nicht mehr nachzukaufen. Da ist es völlig unwichtig, daß das Rubin-Lager 100 Jahre halten könnte.

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Die mechanische Basis, auf die diese Teile montiert sind, besteht aus einer 6mm dicken soliden Aluminiumplatte, die hervorragende Festigkeit für eine stabile Grundlage bietet.

Die ausgeschnittene Öffnung für die Bewegung des Spindelmotors ist mit einer zusätzlichen Platte verstärkt, um die Gesamtfestigkeit zu steigern. Diese Platte enthält Öffnungen, um schwingungsbedingte Resonanzen zu verhindern. Dies ist einer der zahlreichen Aspekte, die die Festigkeit erhöhen, Schwingungen minimieren und eine hohe Klangqualität gewährleisten.

Die vom optischen Pickup gelesenen Disc-Signale werden vom RF-Verstärker innerhalb des Mechanikblocks verstärkt und in den RF-Prozessor weitergeleitet, der sich auf der Hauptplatine befindet. Dieser einzelne RF-Prozessorchip ist für die Extraktion des Taktsignals und die Synchronisation sowie für die Demodulation und die Fehlerkorrektur der RF-Signale für CD und Super Audio CD zuständig. Außerdem ist er für das eigentliche Einlesen der auf der Dise enthaltenen Informationen verantwortlich.

Zur Steuerung des optischen Pickups und der Motorsysteme wird andererseits ein exklusiver Servo-DSP-LSI verwendet. Obgleich die Super Audio CD im Vergleich zur herkömmlichen CD eine hohe Datendichte aufweist, wurde die Abtastgeschwindigkeit zusätzlich um den Faktor drei erhöht und die Spurabstand halbiert, so daß die Servosteuerungssysteme von Super Audio CD und CD sehr unterschiedlich sind.

Dank eines ausschließlich für den digitalen Servo verwendeten DSPs erreicht der SCD-1 präziseste Servosteuerung sowohl für Super Audio CD als auch für die CD und liest das Signal absolut stabil aus.

Wie bereits zuvor gesagt, erlaubt die Verwendung eines exklusiven LSI-Kreises für digitale Prozesse wie die RF-Signalverarbeitung und Servooperationen die Verwendung kleinerer Platinen, was unnötige Störungen reduziert.

Kernstück der 1-bit Signalverarbeitung der Super Audio CD ist der neu entwickelte DSD-Decoder-LSI. Der RF-Prozessor extrahiert lediglich die auf der Disc enthaltenen Daten, ohne irgendeine Analyse der eingehenden Daten vorzunehmen. Der DSD-Decoder muß jedoch intelligente Entscheidungen bezüglich der Verarbeitung der eingehenden Daten treffen und das hochauflösende l-bil Audiosignal erzeugen.

Der DSD-Decoder liest zunächst das unsichtbare Wasserzeichen ein - ein wichtiges Merkmal zum Schutz der Super Audio CD vor illegalen Kopien und beginnt sodann mit der Decodierung der eingehenden Daten. Unter Verwendung des Speichers werden die blockweise ausgegebenen Daten neu geordnet und entsprechend dem Master-Takt der Audio-Platine in einem ununterbrochenen 1-bit Audiodatenstrom ausgegeben.

Dieser LSI-Baustein ist ebenfalls für das Auslesen von Sub-Code-Daten wie TOC-Informationen einschließlich Titelnummern, Zeitangaben und Textdaten zuständig.
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Indem das bei der Super Audio CD verwendete DSD-Signal durch einen analogen Tiefpaßfilter geleitet wird, ist es im Prinzip möglich, dieses Signal in ein analoges Signal zurückzuverwandeln. Dies unterliegt natürlich gewissen Beschränkungen. Es war daher erforderlich, ein neues D/A-Wandlersystem zu entwickeln, das eine Umwandlung mit höherer Präzision als je zuvor erlaubt.

Das DSD-Signal besteht aus 2 Datenwerten: „0" und „1". Ein Wert von „0" hat keine Impulsausgabe, ein Wert von „1" ja; dies erklärt, warum das Signal als Impulsdichtemodulation (PDM)-Signal bezeichnet wird.
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Die exakte Reproduktion dieses Signals ist für die Aufrechterhaltung des qualitativ hochwertigen, präzisen DSD-Signals von ausschlaggebender Bedeutung. Die wichtigsten Faktoren bei der Festlegung der Genauigkeit der Impulsreproduktion sind:

• Präzision der Amplitude
• Präzision der Zeitaehse

Um die Präzision der Amplitude zu verbessern, wurden das ACP-Svstem und ein Strom puls-D/A-Wandler eingebaut. Und zur Verfeinerung der Präzision der Zeilachse dient ein S-TACT-Impulsgenerator

Ein inhärenter Nachteil eines Halbleiters wie einer integrierten Schaltung (IG) ist die Umschaltverzerrung.

• Anmerkung: Wieder ein Begriff, der auch in technisch bewanderten Hifi Kreisen nahezu ungebräuchlich ist. Mehr darüber steht in den Fachartikeln der Hifi-Stereophonie.

Um diese unerwünschte Verzerrung zu beseitigen, hat Sony das ACP-System („Accurate Complementary Pulse Density Modulation"-System) entwickelt.

Das ideale Impulssignal für den Austausch von digitalen Daten ist eine ideale, rechteckige Wellenform (Abb. 4). Leider sind die Impulssignale, die tatsächlich vom IC ausgegeben werden, verformt. Das heißt: obwohl sie rechteckig sein sollten, sind sie am Anfang und Ende (ansteigende und abfallende Flanke) jedes Impulses schräg und können somit keine rechten Winkel bilden. Diese Verformung führt zu zusätzlichen Verzerrungen in Form von Überschwingen.

Darum erscheint die Umschaltverzerrung beim Wechsel von der „0"-zur-„l"- und „l"-zur-„0". (Abb. 5).

Die Signalverarbeitung, die in der digitalen Verarbeitungsstufe erfolgt, wird mit einer Geschwindigkeit ausgeführt, die die Samplingfrequenz der CD um das 512fache übersteigt.

Das einspricht dem Achtfachen der Samplingfrequenz von Super Audio CD, und wird mit einer Kapazität von mehr als 50 bit durchgeführt. Während dieser Operationen gibt das Transistorelement im LSI-IC ein beträchtliches Umschaltgeräusch ab.

Die eigentliche Menge des Umschaltgeräusches hängt von dem zu verarbeitenden Audiosignal ab. Dieses Geräusch gelangt in das Netzteil und erzeugt Spannungs-Schwankungen, die zu einem Präzisionsverlust der Zeitachse führen, wenn der Ausgangsimpuls gebildet wird.

Da hierdurch ein Jitter (Taktschwankungen) im Impulsstrom verursacht wird, sinkt die Präzision des ursprünglichen Signals (Abb. 9 Herkömmliches System).

S-TACT verwendet hingegen einen separierten Schaltungsaufbau, um die digitale Verarbeitung vollständig von der Impulserzeugung abzutrennen. Als Ergebnis erhält man einen Impuls, der Quarzpräzision auf der Zeitachse erreicht. Unter Verwendung dieser Technologie kann Super Audio CD eine höhere Wiedergabequalität für exzellente Audio-Software bieten (Abb. 9 S-TACT).

Der Stromimpuls-D/A-Wandler (Abb. 10) wandelt die Spannungs- impulsausgabe vom S-TACT-Impulsgenerator in einen Stromimpuls um. Beim Spannungsimpulssignal kann die Höhe des Impulses geringfügig in Form von Schwankungen während der Umschaltphase beeinflußt werden. Um dies zu verhindern, setzt Sony im SCD-1 einen Strompuls-D/A-Wandler ein, der diese Impulssignale präzise reproduziert. Unter Verwendung einer besonders stabilen und konstanten Stromversorgung wandelt der Strompuls-D/AWandler des SCD-1 die Spannungsimpulse in Stromimpulse um und verbessert dadurch die Präzision der Impuls-Amplituden.

Der Stromimpulsausgang des D/A-Wandlers wird I/V(Strom/Spannung)-gewandelt und schließlich in der letzten Stufe durch ein analoges Tiefpaßfilter geleitet, in welchem das analoge Audiosignal entsteht. Der SCD-1 verwendet ein GIC-Tiefpaßfilter, das sich von üblichen aktiven Tiefpaßfiltern dadurch unterscheidet, daß die Signale nicht durch Halbleiter oder Aktivelemente wie OP-Verstärker geleitet werden. So kann der GIC-Filter ein hohes Maß an klanglicher Integrität oder reiner Klangqualität wahren (Abb. 11).

Im Super Audio CD-System wird die Wiedergabefrequenz nicht durch das Format festgelegt. Statt dessen hängt sie von der Filtercharakteristik des Tiefpaßfilters auf der Playerseite ab. Aus diesem Grund setzt eine Optimierung der Klangqualität voraus, daß zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Balance zwischen erhöhter Frequenz-Bandbreite und Eliminierung von Quantisierungsgeräuschen sowie Filtereigenschaften, wie Schaltungsaufbau, Anzahl der Filterstufen und schließlich auch Bauteilequalität.

Ausgehend von all diesem wird die am besten geeignete Filtercharakteristik so gewählt, daß optimale Klangqualität sichergestellt ist. Der Frequenzumfang des DSD-Signals überschreitet erheblich den Wiedergabefrequenzbereich der herkömmlichen CD.

Herkömmliche Verstärker und Lautsprecher wurden für einen Frequenzumfang von etwa 20kHz konzipiert. Wenn wir annehmen, daß der SCD-1 zusammen mit solcher Ausrüstung verwendet wird, muß der Frequenzbereich in der Standardposition so eingestellt werden, daß er bei etwa 50kHz langsam endet, wodurch eine Filterkennlinie entsteht, die den DSD-Signalen, welche 100kHz übersteigen können, genügt. Kombinieren Sie den SCD-1 mit dem TA-E1 und TA-N1 und genießen Sie (unter Verwendung der Custom-Position) einen nochmals erweiterten Frequenzumfang.

Der neu entwickelte „Isolator-Gerätefuß" ist ein außergewöhnlicher Fuß, der zwei wichtige Vorteile bietet. Zum einen verhindert der Punktkontakt Resonanzen und damit unsaubere Klänge im mittleren bis hoben Frequenzbereich. Die Kontaktoberfläche ist perfekt für die Wiedergabe von schweren Baßklängen geeignet. Die Basis des Isolators besteht aus Hartgußeisen, das gute Dämpfungseigenschaften aufweist.

Die Innenseite der Basis verwendet ebenfalls die Punktkontakt-Bauweise. Der Kontaktpunkt besteht aus zwei verschiedenen Metallen, Messing und Gußeisen, um transparente Klänge im mittleren bis hohen Bereich zu gewährleisten. Durch diese Kombination von Materialien und das Design der Bauteile konnte die Klangqualität über einen breiten Frequenzbereich verbessert werden.

Als erster Super Audio CD-Player bietet der SCD-1 revolutionäre konstruktionstechnische Innovationen, beispielsweise das neue Chassis. Früher wurde das Chassis verstärkt, indem ein Rahmen und Verstrebungen verwendet wurden. Die neue vereinfachte Chassis-Struktur des SCD-1 läßt alle Konventionen hinter sich. Das Basischassis besteht aus zwei 5mm dicken Metallplatten, die eine starre 10mm Basis bilden.

Auf dieser Basis sind sieben Pfeiler aus Gußeisen mit hohem Kohlenstoffgehalt, 4,5mm dicke Seitenwände und eine 5mm dicke Abdeckplatte montiert. Indem Materialien verwendet wurden, die als solche extrem fest sind, konnte ein einfaches, aber sehr starres und stabiles Chassis konstruiert werden. Dank dieser neuen Chassiskonstruktion entstand ein großer Freiraum in der Einheit, was eine ideale Anordnung u.a. des Mechanikblocks, des Netzteils und des Audioblocks ermöglicht.