Beispiel eines Laser-Abtastsystems

Das Laserlicht wird beim Dreistrahlsystem durch ein optisches System in drei Strahlen aufgeteilt. Dabei dient ein Strahl zum Lesen der Daten von der CD und zur Fokussierung, die beiden anderen Strahlen zur Spurführung (Tracking). Das Dreistrahlsystem ist das am häufigsten eingesetzte Abtastsystem:

Die Lasereinheit ist das empfindlichste Bauteil und verursacht somit den größten Teil der Defekte an CD-Spielern. Werden CDs nicht mehr richtig gelesen, wird in den Reparaturwerkstätten als erster Versuch meistens die Fokussierlinse gereinigt. Bringt dies keine Besserung, wird das komplette Pickup (wenn erhältlich) ausgewechselt.

Spurabtastung beim Dreistrahlsystem:

Die Abbildung zeigt die Lage der Laserstrahlen auf der Spur einer CD. Die Hilfstrahlen LB1 und LB3 dienen zur Spurführung. Diese Strahlen teilen der Elektronik des CD-Spielers mit, ob die Spurlage stimmt. Der Hauptstrahl LB2 zum Lesen der Daten von der CD und zur Fokussierung. Die Abtasteinheit wird radial zur Spur geführt (rote Pfeile), damit der Winkel der Laserstrahlen zur Spur konstant bleibt.

Strahlfokussierung beim Dreistrahlsystem:

Die sechs im Dreistrahlsystem vorhandenen Fotodioden sind gemäß der Abbildung angeordnet. Der Hauptstrahl trifft auf die vier Dioden A–D, die zwei Hilfsstrahlen je auf eine der Dioden E und F. Bei gleichmäßiger Beleuchtung der vier Hauptstrahldioden ist der Linsenabstand richtig eingestellt (Abb. 3b). Bei falscher Fokussierung beleuchtet der Strahl jeweils zwei gegenüberliegende Dioden stärker (Abb. 3a und 3c). Durch eine differentielle Betrachtung der Diodenströme wird ein Korrektursignal für den Linsenabstand gewonnen:

${\displaystyle error=(A+C)-(B+D)}$

Bei korrekter Fokussierung wie in Abb. 3b wird das Fehlersignal null. In Abb. 3a wäre es positiv, in Abb. 3c wäre es negativ.

Stromversorgung

Die Stromversorgung stellt alle zum Betrieb des Gerätes nötigen Betriebsspannungen bereit. Bei netzbetriebenen Geräten kommen konventionelle Netztransformatoren oder Schaltnetzteile zum Einsatz. Ziel ist dabei unter anderem, die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Elektronikbereiche minimal zu halten. Insbesondere der analoge Audiobereich und dessen Stromversorgung muss sorgfältig ausgeführt sein, um Störeinflüsse der steilflankigen Ströme der digitalen Baugruppen und der Servosteuerung fernzuhalten.

Steuerelektronik

In der Steuerelektronik sind alle Funktionen zusammengefasst, die mit der Bedienung und Steuerung des CD-Spielers zu tun haben. Dazu zählen die Abfrage der Tastatur, die Anzeige, ggf. der Empfang von Fernbedienungssignalen, die Steuerung des Displays (früher oft eine LED-Ziffernanzeige, heute meist eine Flüssigkristallanzeige oder eine Fluoreszenzanzeige) und der Laufwerksfunktionen. Es werden ein oder mehrere Mikrocontroller eingesetzt.

Servosteuerung

In einem CD-Spieler existieren drei Regelkreise, die unabhängig voneinander die Antriebsdrehzahl der CD, die Fokussierung des Lasers (Focus) und die Spurhaltung (Tracking) regeln.

Die CD wird von innen nach außen abgespielt. Je weiter sich die Lasereinheit zum äußeren Rand der CD bewegt, desto langsamer dreht die CD, so dass die Umfangsgeschwindigkeit, mit der die Datenspur abgetastet wird, und damit die Datenmenge pro Zeitspanne konstant bleibt. Die Antriebsdrehzahl wird dabei so geregelt, dass der Datenstrom immer so groß ist, wie von der anschließenden Signalverarbeitung benötigt. Zum Ausgleich von Schwankungen werden die Daten in einem Puffer zwischengespeichert. Je nach Position der Abtasteinheit liegt die Drehzahl zwischen 200 min⁻¹ und 500 min⁻¹.

Der Fokus-Regelkreis bezieht seine Eingangssignale von den in der Abtasteinheit untergebrachten Fotodioden. Durch die astigmatische Optik in der Abtasteinheit lassen sich Fokussierungsfehler erkennen und führen zu einem entsprechenden Korrektursignal an den Fokussierungs-Tauchspulenantrieb.

Der Tracking-Regelkreis erhält seine Eingangssignale ebenfalls von den in der Abtasteinheit untergebrachten Fotodioden. Kleine Spurhaltungsfehler werden zunächst mit dem Radial-Tauchspulenantrieb korrigiert. Die Abtastung der spiralförmigen Datenspur auf der CD führt zum stetigen Anwachsen des Tracking-Fehlers, bis eine Schwelle überschritten wird, ab der eine radiale Nachführung der Abtasteinheit mittels des Zahnstangenantriebs und des Schlitten-(Sled-)motors um einen bestimmten Betrag ausgeführt wird. Diese Schritte sind im Abstand von einigen Sekunden nötig und werden mit vom Tracking-Regelkreis gesteuert. Im Falle des Schwenkantriebs für die Trackingbewegung entfällt die Unterteilung in diese Grob- und Feinbewegung, hier wird die Nachführung vom Direktantrieb-Radialmotor allein ausgeführt.

Signalverarbeitung

Die elektrischen Signale von den Fotodioden (HF-Augenmustersignal oder engl. Eye Pattern Signal) der Abtasteinheit werden zunächst verstärkt und hinsichtlich der Lageregelung ausgewertet. Der digitale Datenstrom wird in einem FIFO-Puffer zwischengespeichert, dessen Füllstand als Eingangssignal für die Drehzahlregelung des CD-Antriebsmotors dient. Es folgen die Fehlerkorrektur nach dem Cross Interleaved Reed-Solomon-Code und die Extraktion der Audio- sowie der Subcodedaten.

Daran schließen sich das Überabtastungsfilter, die Digital-Analog-Wandlung und das Tiefpassfilter an. Im Fall von CDs, die mit Höhenanhebung (Emphasis) produziert wurden, erfolgt eine spiegelbildliche Absenkung des Hochtonanteils (Deemphasis), um wieder einen linearen Frequenzgang herzustellen. Die Höhenabsenkung wird von einem Subcodebit auf der CD automatisch eingeschaltet, jedoch nur selten angewandt. Danach steht das Signal in analoger Form am Ausgang des CD-Spielers bereit.

Zusätzlich kann das digitale Audiosignal im S/PDIF-Format in elektrischer Form (durch 75-Ohm-Koaxialkabel mit Cinch- oder BNC-Steckverbinder) oder in optischer Form (durch TOSLINK-Kabel) bereitgestellt werden. Dieses digitale Signal ermöglicht eine verlustfreie Übertragung zu anderen digitalen Audiogeräten, insbesondere zu externen Digital-Analog-Wandlern und digitalen Aufzeichnungsgeräten (z. B. DAT-Recordern). Dabei wird das Serial Copy Management System (SCMS) eingesetzt, um sicherzustellen, dass nur eine Kopiengeneration von urheberrechtsgeschützten CDs angefertigt werden kann.

Um das Abtasttheorem nicht zu verletzen, dürfen keine Frequenzen codiert werden, die gleich oder größer der Hälfte der Abtastfrequenz sind. Um den Audiofrequenzbereich bis zu einer oberen Grenzfrequenz von 20 kHz codieren und wiedergeben zu können, ist wiedergabeseitig ein extrem steilflankiges Filter erforderlich, das alle Frequenzen oberhalb von 20 kHz stark bedämpft. Bei 22,05 kHz sind bereits Dämpfungen von etwa 100 dB erforderlich.

Die Fouriertransformation des Frequenzverhaltens dieses Tiefpassfilters in den Zeitbereich ergibt, dass steilflankige Impulse nicht exakt wiedergegeben werden können. Die Analyse bzw. Messung der Sprungantwort ergibt Einschwingvorgänge. Ein Nadelimpuls wird mit Ein- und Ausschwingvorgängen wiedergegeben, die im Originalsignal nicht vorhanden sind. Diese Ein- bzw. Ausschwingvorgänge sind Resonanzen auf der Grenzfrequenz des Filters. Um diese unerwünschten Verfälschungen zu mindern, wurden CD-Spieler entwickelt, deren Impulsantwort zu Lasten eines weniger ebenmäßigen Frequenzganges optimiert wurde. Die prinzipiellen Probleme, die ein so steilflankiges Filter im Signalweg verursacht, können jedoch auch so nicht komplett beseitigt werden.