Michael Neuhold
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Aufbau und Funktionsweise der DVD

Funktionsweise der DVD

Die Digital Versatile Disc (digitale vielseitige Scheibe), kurz DVD, funktioniert im Prinzip wie eine CD: ein gebündelter Lichtstrahl (Laser) liest in einer von innen nach außen verlaufenden Spirale die Wechsel von Stellen, die das Licht gut oder schlecht reflektieren. Daher verursachen kreisförmige (d.h. entlang der Leserichtung verlaufende) Kratzer mehr Probleme als radiale (senkrecht zur Leserichtung verlaufende).

Der Wechsel der Reflexionseigenschaft wird als Wechsel von 0 und 1 interpretiert, die Zeit zwischen zwei solchen Wechseln ergibt die Anzahl von Nullen bzw. Einsen. Um die Anzahl solcher Wechsel (und damit die Störanfälligkeit) zu verringern, sind die Daten mit dem sog. Eight-to-Fourteen-Modulator (EFM) kodiert.

Bei einer in einem Preßwerk hergestellten CD werden mittels einer Preßmatrize Vertiefungen in einer durchsichtigen Polykarbonatscheibe angebracht. Auf diese wird eine reflektierende Aluminiumschicht aufgedampft. Darüber kommt eine Schutzlackschicht (diese Seite ist daher die empfindlichere). Die Vertiefungen (pits) reflektieren das Licht schlechter als die umgebende Oberfläche (land).

Spiralförmig angeordnete Pits	Reflexion am Land	Reflexion am Pit

Dank neuer Lasertechnik (kürzerwelliges Licht) kann man die Pits auf der DVD aber kleiner als auf der CD machen und die Spirale, in der sie angeordnet sind, enger führen. So passen auf die gleiche Fläche mehr Daten. Dafür benötigt man natürlich auch neue Laufwerke, die das lesen können.

Aufbau der DVD

Der DVD-Standard sieht dazu noch eine Möglichkeit vor, die Datenmenge, die auf eine DVD paßt, annähernd zu verdoppeln: man bringt eine zweite, halbtransparente Datenschicht (Layer) über der ersten an. Beim Layerwechsel muß der Laser neu fokussiert werden, dabei kann es kurzzeitig zu einem Stillstand in der Wiedergabe kommen. Um diese Unterbrechung so kurz wie möglich zu halten, wird die zweite Datenschicht gern in gegenläufigem Sinn (also von außen wieder nach innen) beschrieben (reverse spiral dual layer, kurz RSDL).

Längsschnitt durch ein DVD-Laufwerk: ein vertikal bewegliches Linsensystem über einem Laser (die sog. Pickup-Einheit) sitzt auf einem horizontal beweglichen Schlitten; darüber dreht sich auf einer rotierenden Spindel die DVD.	Zweilagig ist besser. Aber warum nur zwei Lagen?

DVDs bestehen aus zwei 0,6 mm dicken Halbdisks, die Rücken an Rücken zusammengeklebt werden (bonding). Enthalten beiden Seiten Daten, muß die DVD zum Abspielen der zweiten Seite (wie weiland die Schallplatte) umgedreht werden (ein sog. Flipper). Das ist unpraktisch und wird daher wenig verwendet. Des öfteren befindet sich auf einer Seite der Film, auf der anderen die Extras (z.B. bei Stadt der Engel) oder der Film ist auf einer Seite im Format 4:3, auf der anderen im Format 16:9 (z.B. bei Shaft). Man spricht dann auch von einer A-B-Disk.

DVD-ROM-Formate

Wie bei der CD wird der Begriff DVD-ROM oft im Sinne von "DVD mit Programmen oder Daten" im Unterschied zu Video-DVD oder Audio-DVD verwendet. Hier ist gemeint: in einem Preßwerk hergestellte DVD im Unterschied zu einer selbst gebrannten.

Die wichtigsten DVD-ROM-Formate sind:

	Layer je Seite	Seiten	Kapazität	Schemat. Darstellung	Erklärung
DVD-5	1	1	4,7 Mia. Byte =4,37 GB		Nur eine Halbdisk enthält Daten, die andere ist ein leerer Dummy.
DVD-9	2	1	8,5 Mia. Byte =7,95 GB		Die beiden Layer werden von derselben Seite gelesen, dazu muß der Laser durch die erste Reflexionsschicht durchsehen können. Daher ist diese Schicht semireflektiv (nur teilweise reflektierend, halbtransparent).
DVD-10	1	2	9,4 Mia. Byte =8,74 GB		Die DVD muß zum Lesen der zweiten Seite umgedreht werden. Daher darf auch diese Seite keinen Aufdruck tragen.
DVD-18	2	2	17 Mia. Byte =15,9 GB		Auch hier muß die DVD zum Lesen der zweiten Seite umgedreht werden.

Die gelegentlich genannte DVD-14 ist eine Mischung aus DVD-5 und DVD-18, die eine Seite hat zwei Layer, die andere nur einen.

Die Kapazitätsangaben der Hersteller sind als Milliarden Byte (10^9) zu verstehen, auch wenn sie Gigabyte hinter die Zahl schreiben. Echte GB (2^30) sind etwa um den Faktor 1,074 größer.

Die DVD-9 wird (zumindest bei Sony DADC) aus zwei datentragenden Halbdisks, die mit durchsichtigem Kleber zusammengeklebt werden, hergestellt. Bei der DVD-18 wird bei jeder Halbdisk auf die halbtransparente Reflexionsschicht ein flüssiges Harz aufgetragen, in das die Daten des zweiten Layers gepresst werden. Wenn das Harz ausgehärtet ist, kommt die voll reflektierende Reflexionsschicht drauf. Wegen des vergleichsweise komplizierten Herstellungsprozesses wird die DVD-18 nur wenig erzeugt.

Neben der DVD mit 12 cm Durchmesser (auf die sich die obigen Angaben beziehen) gibt es wie bei der CD auch eine mit 8 cm Durchmesser. Die entsprechenden Formate der 8-cm-DVD heißen laut DVD Demystified: DVD-1, -2, -3, -4.

Beschreibbare DVD

Auf der Polykarbonatschicht ist zur Orientierung für den Schreiblaser eine Rille (groove) eingepreßt (die dazwischenliegenden Erhöhungen heißen land). Der Groove verläuft - zumindest bei den mehrfach beschreibbaren Formaten - nicht gerade, sondern in einer Sinuskurve (wobble).

Eine Möglichkeit, zwei Schichten pro Seite zu schreiben (entsprechend der DVD-9), gibt es bei der beschreibbaren DVD nicht.

Hinsichtlich der Schreibgeschwindigkeit gibt es zwei Verfahren:

• Constant Linear Velocity (CLV): Die unter dem Laser zurückgelegte Strecke pro Zeit ist konstant. Da der Umfang der Spirale nach außen zu größer wird, muß man die Umdrehungsgeschwindigkeit immer weiter verringern. Dieses Verfahren ermöglicht eine konstante Bitrate und eine bessere Ausnutzung der Datenkapazität (gleichbleibende Datendichte), braucht aber größere Zugriffszeiten, weil das Laufwerk dauernd abbremsen und beschleunigen muß. Geeignet für Multimediadatenströme.
• Constant Angular Velocity (CAV): Die Anzahl der Umdrehungen/s ist konstant. Die Datendichte nimmt daher nach außen hin ab (d.h. schlechtere Ausnutzung der Datenkapazität) und die Bitrate wird geringer. Dafür hat dieses Verfahren deutlich bessere Zugriffszeiten. Geeignet für Computerdateien.

Eine Mischung aus beiden Verfahren ist Zoned CLV. Die DVD wird in Bereiche eingeteilt, innerhalb derer die Umdrehungsgeschwindigkeit konstant ist.

Wessen Format sich durchsetzt, der streift die Lizenzgebühren ein. Daher versucht immer wieder der eine oder andere große Mitstreiter im Markt, ein eigenes Format einzuführen. Aus diesem Grund und weil im DVD-Forum die Vertreter der Filmindustrie ohnehin nur wenig Interesse an der Entwicklung beschreibbarer DVDs haben, hat sich die sog. DVD+RW Alliance formiert. Das sind vor allem die Branchengrößen Sony, Hewlett-Packard, Philips und Ricoh. Die von der DVD+RW Alliance eingeführten Formate DVD+R und DVD+RW haben bisher nicht den Segen des DVD-Forums, daher befindet sich auf den entsprechenden Medien kein DVD-Logo.

Einmal beschreibbare DVD

Bei einmal beschreibbaren DVDs besteht die Schreibschicht aus einem Lack, in den der Laser gewissermaßen Löcher brennt (d.h. Stellen mit schlechterem Reflexionsvermögen).

Die vom DVD-Forum abgesegnete DVD-R gibt es in zwei Varianten: als DVD-R(G) ("General") und als DVD-R(A) ("Authoring"). Für letztere wird ein Laser mit kürzerer Wellenlänge verwendet (DVD-R(A) 635 nm, DVD-R(G) 650 nm). Jedes Format benötigt also seinen eigenen Brenner. Ersteres ist überdies mit einem Kopierschutzring in Form eines kleinen nicht beschreibbaren Bereiches versehen (vermutlich die Sektoren für CSS-Keys). Damit sollen wohl 1:1-Kopien von Video-DVDs unmöglich gemacht werden.

Die Kapazität der DVD-R beträgt 4,7 Mia. Byte pro Seite, zweiseitige Medien gibt es aber nur bei der DVD-R(G).

Zur DVD+R weiß ich nur wenig: Kapazität 4,7 Mia. Byte pro Seite, beschreibbar nur im CLV-Modus.

Wiederbeschreibbare DVD

Wiederbeschreibbare DVDs erzeugen die unterschiedliche Reflexion mit Hilfe der Phase-Change-Technik: ein Laser erhitzt die Schreibschicht, je nachdem wie rasch man sie abkühlen läßt, wird das Material amorph (ungeordnete Anordnung der Moleküle, schlecht reflektierend) oder kristallin (regelmäßige Anordnung der Moleküle, gut reflektierend).

Für alle Formate gibt es einseitig und zweiseitig beschreibbare Medien.

DVD-RAM

Arbeitet mit Zoned CLV; bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 16 bis 37 U/s wird eine konstante Bitrate von 11,08 MBit/s erreicht. Die konzentrischen Spuren sind in 18 bis 23 Zonen (vergleichbar den Sektoren einer Festplatte) aufgeteilt, jede Zone enthält ca. 2500 Bytes. Die Zonengrenzen sind durch Pits markiert. Daten werden in Groove und Land geschrieben.

DVD-RAM ist der älteste Standard für wiederbeschreibbare DVDs und vom DVD-Forum abgesegnet. Leider ist er von Haus aus inkompatibel zur DVD-ROM, DVD-Player können im allgemeinen die Daten im Land nicht lesen.

DVD-RW

Arbeitet mit CLV. Adressiert werden die Sektoren über vordefinierte Beschriftungen im Land (Pre-Pit). Die Daten werden nur in den Groove geschrieben. Damit die DVD nicht in einem Rutsch beschrieben werden muß, schreibt der Brenner Linking Sectors.

DVD-RW ist vom DVD-Forum abgesegnet, der wichtigste (einzige?) Hersteller ist Pioneer.

DVD+RW

Arbeitet mit CLV oder (theoretisch) mit CAV. Der Sinus des Wobble hat eine fast sechsmal so hohe Frequenz wie bei DVD-RAM und DVD-RW. Auf ihn ist ein zweites Sinussignal aufmoduliert, das die Adreßinformation enthält. Daten werden nur in den Groove geschrieben. Durch die exaktere Positioniermöglichkeit des Schreibkopfes können auch kleinere Datenblöcke einzeln geschrieben werden (statt des ganzen Bereichs zwischen zwei Linking Sectors), daher wird das Verfahren Losless Linking genannt.

Im CAV-Modus beschriebene Medien lassen sich in DVD-Playern nicht wiedergeben, daher wird er von aktuellen DVD-Brennern nicht unterstützt.

	DVD-RAM	DVD-RW	DVD+RW
Schemat. Darstellung
Die Darstellungen sind nicht maßstabsgetreu (die Wellenlänge des Wobble dürfte um einiges größer sein). Das Land ist durch helleres Blau als der Groove kenntlich gemacht.
Adressierung	Zone-Bit	Land-Pre-Pit	Wobble
Datenbereich	Groove und Land	Groove	Groove
Wiederbeschreibbarkeit	100.000fach	1000fach	1000fach
Kapazität	Type I (fix in Caddy): 2,6 Mia. Byte pro Seite Type II (aus Caddy herausnehmbar): 4,7 Mia. Byte pro Seite	4,7 Mia. Byte pro Seite	4,7 Mia. Byte pro Seite
Kopierschutz	keiner?	Kopierschutzring wie bei DVD-R(G)	keiner

Gemeinsam ist den Formaten DVD-RW und DVD+RW das Problem, daß die Reflexionseigenschaften der Schreibschicht (18 bis 30% Reflexion) etwa der der halbtransparenten Schicht einer DVD-9 entsprechen. Ältere DVD-Laufwerke halten die DVD daher für eine solche Zweischicht-DVD und suchen vergeblich nach dem zweiten Layer, bis sie mit einer Fehlermeldung aufgeben.

Autor: Michael Neuhold (E-Mail-Kontakt)
Letzte Aktualisierung: 01. März 2003