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音乐CD及其格式

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音乐CD及其格式

音乐CD
  
  关于音乐CD实在是有太多可以聊的东东了,这个在1982年由索尼(SONY)和飞利浦(PHILIPS)共同制定于红皮书的储存媒体既便于携带,音质又比录音磁带好,流行至今毫无颓势。关于它的规格有许多有趣的故事,如为什么一张标准长度的音乐CD是74分钟呢?传说这是因为设计者想要把贝多芬第九交响曲存进一张音乐CD中,于是开始估计音乐CD的直径。另一种说法是著名指挥家卡拉扬(Herbert von KaraJan)的要求,因为卡拉扬指挥的贝多芬第九交响曲总长度大概在68分钟左右,而一般的版本大概在65~74分钟。还有一种说法是索尼当时的总裁大贺典雄所决定的。
  
  据说,卡拉扬在世时跟大贺的交情不浅,而大贺本身就是声乐家,所以他们之间算亦师亦友的感情,因此当年飞利浦找到索尼制定音乐CD规格时,大贺就一口咬定一张音乐CD一定要能装得下贝多芬第九交响曲,这还因为古典音乐单首曲目的长度比这个长的也寥寥无几了!为了能在欣赏时不影响兴致,所以大贺对此非常坚持,而日后大贺用音乐CD录制卡拉扬预演的曲目,并让卡拉扬听,卡拉扬也非常赞赏这个划时代的数字媒体,甚至后来在说明会之类的活动时,卡拉扬也帮音乐CD说了不少好话。
  
  音乐CD是以螺旋状由内到外储存信息的,在一张标准74分钟的音乐CD中,从里绕到外总共有22188圈,把它全部伸展开来长达5.7km。音乐CD的读取方式是等线速度(CLV),每秒有1.2m长的信息经过激光头,激光在真空中波长为780nm,以检测音乐CD表面的凹凸变化来判断信号。表面的凹凸刻痕宽0.5μm,深度为0.11μm(约为780nm激光在音乐CD塑料材料内波长的1/4),长度为0.8~3.1μm。音乐CD是以由凹变凸和由凸变凹定义为1,平坦的部分为0,所以改变刻痕的长度可以改变信息内容。而读取头就是靠着由凹变凸和由凸变凹时的光反射作用来判断信号的。
  
  音乐CD的规格为什么是44.1KHz呢?关于44.1KHz这个数字的选取有两层意思。首先我们知道人耳的聆听范围是20Hz到20KHz,根据奈奎斯特定律(Nyquist Functions),理论上我们只要用40KHz以上的采样率就可以完整记录20KHz以下的信号。那么为什么要用44.1KHz这个数字呢?
  
  其实这涉及到的环节非常复杂,我们必须从音乐CD的信号储存格式说起。首先要引入的名词是BLOCK(区块),音乐CD每秒钟的信息被分成7350个区块。每个区块内有588Bit信息。可是这588Bit无法全部用来储存有意义的信息,因为过度密集的凹凸变化会增加硬件设计的难度,且音乐CD是以由凹变凸和由凸变凹定义为1,1是无法重复出现的,因此每14个Bit中只有8个Bit是有意义的,这就是EFM(Eight to Fourteen Modulation,8-14调制编码)原理。除去14Bit中6Bit无意义的信息,每个区块剩下336Bit(588×8/14),再除去72Bit的同步(SYNC)与合并(MERGE)信息,还剩下264Bit,换算过来等于33bytes(264/8)。在这33个数据byte中,只有24bytes的音乐信号具有实际意义。这样,每个区块就有192Bit(24×8),由于音乐CD以16Bit记录信息大小,因此每个区块有6个立体声采样点信息(192/2 /16)。记得前面说过每秒钟有7350个区块吗?由此可以得知每秒钟有6×7350=44100个立体声采样点。
  
  音乐CD的每个区块中还有1个sub-code byte。在光盘lead-in(导入)区域内的sub-code记录了这张音乐CD有几个轨道,总长度多少;在音轨部分的sub-code则记录了从这轨开头已经经过了多少时间,从第一轨开头又经历了多少时间,音轨是二声道还是四声道(不过从来没听说过四声道的音乐CD),是否允许复制,以及该音轨是否经过Pre-emphasis(预加重,内容请参看上期相关文章)处理与纠错。另外sub-code也可以用来记录该音乐CD的UPC(Universal Product Code,通用产品编码)与该音轨的ISRC(International Standard Recording Code,国际标准录音编码)。ISRC由IFPI(The International Federation of the Phonographic Industry,国际唱片业协会)统一发放,前两位英文代表国名,接下来三位英文为发行者,最后五位是数字。
  
  我们常在古典音乐CD上看到DDD、ADD、AAD字样,这代表了什么意思呢?这三个英文字母其实是Digital(数字)或Analog(模拟)的缩写,第一个英文字母表示录音时的母带为数字或是模拟格式,第二的英文字母代表混音及剪辑时母带使用数字或是模拟格式,最后一个英文字母代表最终的Master母带是用数字还是模拟格式储存。由于音乐CD的母带一定是数字化的,因此最后一个英文字母都是D。

香港的银圈版CD:
  银圈版与普通版最大的区别就在于光碟的内圈制作不同,银圈版CD的内圈(有些CD连同盘身)都是银色,而普通CD的内圈则是由透明塑胶材料制成,因而又叫做“胶圈版”。另外;香港大部分歌手在1991年之前所推出的大碟在第一版印制上几乎都发行过银圈版CD,之后才是普通CD、再版CD,所以又称之为“首批银圈版”,生产数量不多、升值速度极快。因为1992年之后就没有继续生产过银圈版CD!

普通CD:
  普通CD唱片的采样频率为44.1kHz,16比特量化。可以达到20-20kHz的频响和90DB的动态范围以及不低于90DB的信噪比。普通激光唱片的频率响应非常平坦,底噪声很小,动态范围相当大。在模拟录音的时代,动态范围达到80DB已属不易,但数字录音可以轻轻松松地做到90DB。既然普通CD唱片的技术指标不错,为什么后来又推出了很多种格式的CD唱片呢?这主要的因为普通CD唱片的采样频率过低,量化的比特数也不够高。因此在聆听老一代的CD唱片时,总会有声音粗糙,缺少细节的甜美的歌唱性等问题。在重播的音场深度、宽度等方面也比较窄、比较紧,整体的空气感和临场感不太好。

改良型普通CD:
  1994年,美国泰拉克唱片公司推出了采用20比特录制的CD唱片。在母带的录制、编辑过程中,动态范围达到了112DB。然后转换成16比特进行数字压片。
  1995年,美国泰拉克TELARC唱片公司推出了双声道环绕声录音方式的CD唱片。这在录音史上具有阶段性的意义。因为通过双声道环绕声方式,在普通的立体声音响系统中,你可以听到更深、更宽的音场,能够体会到一定程度的包围感了。
  其实泰拉克唱片公司早在1986年就推出了采用双声道环绕声技术录制、出版了CD唱片。只不过那时的双声道环绕声录音技术还处于实验阶段。唱片投放市场后,效果良好。在经过了十年的改进与完善之后,正式推出了双声环绕声系列CD唱片。
  1996年,飞利浦唱片公司推出了采用24比特录制和模拟母带24比特重新制作的系列CD唱片,并且采取限量发行的方式。这批唱片的采样频率仍是44.1kHz,24比特量化。主观听感的改进很大。音色甜美、细致,具有丰富的细节。歌唱性不错,可听性很强。
  以上的CD、20比特CD、双声道环绕声CD、24比特CD都属于普通CD的范畴。HDCD虽然采用了专用的编解码技术,但最终还是落在了普通CD的技术范畴之中。在播放中,均与普通CD机良好地兼容。
  从以上的CD技术发展来看,不论是提高录音时的采样频率还是提高量化的比特数,都能够获得比较丰富的信息。最后落实到16比特普通CD唱片上,在重播的音质、动态、歌唱性等方面都会有一些改进。

HDCD:
  1992年,在普通CD的基础上,研制开发了HDCD。HDCD的含意为高精度CD唱片。同年,美国RR唱片公司推出了编号为RR-S3CD的HDCD样片。
  HDCD的主要技术原理是:采用18比特进行录音。在录制的过程中,16比特为普通全频带数码录音:另外2比特经过高通滤波器等设备专门用于记录包含有大量相位信息的高频与超高频。然后在编辑、制作母盘时,将全频带部分压缩成为14比特,将相位专用的2比特单独记录。然后压制成HDCD唱片。
  HDCD唱片在普通CD机上重放时,只能读出14比特的全频带音频信号。这时的动态范围仅能达到78DB。在具有HDCD解码功能的CD机上,可以读出并复合2比特的相位、高频信号,增加了播放时的透明度与细致度,音场的宽度同时也会有所改善。
  HDCD由于采用比特预留的预加重方式制作,虽然与普通CD机有不错的兼容性,但不论在何种解码的工作方式下,都压缩了动态。对于动态不大的录音来说,清晰度提高了;但对于大动态的录音来说,会有一定的损失。再加上HDCD的播放机是九十年代后期才开始大量上市的;世界上各主要唱片公司对HDCD的支持态度也不够大,采用HDCD方式的唱片软件不够丰富。
  HDCD唱片与播放机真正的普及年代是2000年。在此期间已有多种格式的CD唱片问世,还正式推出了SACD和DVD Audio两种格式的CD唱片。因此,HDCD唱片的普及具有一种生不逢时的感觉。

DDDD:
  1993年,德国DG唱片公司推出了4D录音格式。CD唱片原来最多只具有3个D,这就是数字录音、数码母带和数字压片(DDD)。在这其中还有另外三种方式:这就是模拟录音、模拟母带制作、数码压片的AAD方式;模拟录音、数码制作母带、数字压片的ADD方式和数字录音、模拟编辑制作母带、数字压片的DAD方式。4D录音是在数字录音机的前端,增加了话筒用的模拟、数字转换器和数字调音台。同时采用21比特量化。使原始的动态记录范围达到了118DB。声音的细致、甜美程度有了不小的改善。然后以21比特的方式进行母带编辑制作,最后转换成16比特进行数字压片。4D唱片明显的播放效果,重播的整体音色厚道了,细致度提高了。

XRCD:
  XRCD也是为音响发烧友津津乐道的另一种可以出得好音质的CD唱片。
  XRCD和HDCD最大的不同就是:在重播XRCD版本的CD唱片不需要特殊的CD唱机和解码器,目前的CD重播设备均能重放XRCD版本的CD唱片。而且,那CD完美的16bit音频的音响效果都能够以最高的境界表现出来,因此受到发烧的极度欢迎。
  但有人称XRCD为“后CD时代”的“末代皇帝”,主要是由于价格高昂,而且音质更好的DVD Audio和SACD已经出现,所以难以普及。为什么会这样呢?因为XRCD全称Extended Resolution Compact Disc,就是“扩展解析度CD”,是由日本JVC公司开发研制出来的独家技术。
  使用JVC自身开发的K2数码界面系统,包括了Mastering设备、压片制造工序、硬件与理论等多方面成果,技术的主要重点是:加强母带录音处理及CD唱片的制作,其目的是让聆听者听到更高保真度和更好音质表现的录音效果。而且XRCD的录音处理技术均在目前的CD标准范围之内。但这就使得其在加工成本上有一个很大的提高,所以不论是JVC自己品牌出的XRCD,还是其他少数公司的重新刻录XRCD发烧碟,价格都很昂贵,普通发烧友无法张张都买,只能择其精品下手。事实上,也正是由于昂贵的因素,大多数唱片公司都难以支持XRCD,所以在市面上看到的XRCD品种实在寥寥无几。

XRCD24:——–文/ 谭泽江(有改动)
  据JVC的资料显示,XRCD24的音色极像黑胶碟,但却没有黑胶碟的缺点,如:杂音等。它的音质通透,音乐感、动态、高低频的延伸均胜过黑胶碟!因此,XRCD24又以“超级模拟音响”(Super Analog Sound)自居。
  开创XRCD的两位JVC工程师的姓氏,都是以K字母行头。因此,亦被称为K2双雄。他们先创了K2 XRCD,后来又将XRCD双重处理,成为XRCD2。经过三年呕心沥血的研究后,推出了K2 24bit母带处理技术,轰动全球!
  据JVC透露,XRCD24以先进的科技,将24bit的数码讯源灌入16bit内,令16-bit的PCM音响变为真正的24bit的音效。虽然许多专家都认为不可能,但JVC却以科学的方法证明了这个事实。XRCD24的最大的优点是,它可以在任何CD机上播放;不像SACD光碟,必需得在SACD机上才能够播放。
  母带的处理,是XRCD24的精华所在及科技突破!一般激光唱机,如:CD机、SACD机及DVD机等,都是以石英(Crystal)为激光的发射提供数码时基,在制作光碟时,亦是如此。石英的优点是便宜,缺点是不稳定。它会产生数码抖摆,引起失真,劣化音质。JVC进一步指出,由于石英的抖摆与不稳定,若以它控制激光束射向月球的一个目标,其误差可以达到十万哩!若改用“铷”(Rubidium)的话,则保证准确命中目标!因此,卫星发射、洲际飞弹等,都一定采用“铷”;而XRCD24在制模的过程中,亦同样采用了“铷”。据JVC表示,其结果是音效得到了惊人的改善!因此,JVC骄傲地宣称,XRCD24比任何制式更准确了十万倍!

SACD:
  SACD是由飞利浦和索尼共同研制的第二代高密度光碟。SACD的采样频率是2.8224MHz,是普通CD采样频率的整整64倍,SACD采用的是DSD(Direct Stream Digital)数字音频技术,从头到尾都是1Bit形态,不需任何转换,它的重放还原质量是其它任何数字或模拟音频无法比拟的。
  SACD也有两种形式,一种是纯粹的SACD。除了使用专用的播放器材之外,和任何一种播放器材都不兼容。SACD还有一种复合盘的制作方式,属于典型的单面双层式结构。一层保留了传统的"红皮书音频"即 16bit / 44.1kHz CD 标准,因此碟片可以仍旧可在标的CD播放器上播放;另一层是高密度层,碟片可以在SACD播放器上播放,能提供2声道(立体声)和多声道(6声道或环绕声),具有极高的音频质量,频率响应从DC到100KHz ,而动态范围大于120dB。高密度层也可用来储存文本、图片和视频信息在播放时重现多媒体的形式。 复合盘的SACD与普通CD机良好地兼容。SACD的记录格式有两种:一种是双声道格式,另一种是多声道(6声道)格式。
  SACD的音乐播放效果非常理想:就连复合后的普通CD,其播放效果也相当好。目前DVD-Audio和SACD唱片的价格很高,专用的播放器材也很贵;对高格式CD的普及产生了较大的阻力。

DVD-Audio :
  DVD-Audio是以DVD(Digital Versatile Disc,数字多用途光盘)作为储存介质的新音乐媒体,于1999年3月出台。采样方式为LPCM(Linear Pulse Code Modulation,线性脉冲编码调制),可选择采用MLP(Meridian Lossless Packing,无损压缩音频)技术减少庞大的信息容量。
  DVD-Audio的采样率有44.1KHz、48KHz、88.2KHz、96KHz、176.4KHz和192KHz等,可以16Bit、20Bit、24Bit精度量化,使用立体声录制时最大信息流量可达192KHz、24Bit,当采用5.1声道录制时最大采样率可达96KHz。DVD-Audio如此高的采样率最大的好处在于不需要繁复的超采样运算就可以得到正确的音乐信号波形,另一个好处是减少Jitter对音质的影响。DVD-Audio碟片目前的价位大概也在数百元左右。

DTS CD :
  DTS CD的信息格式与一般CD相同,都是16Bit、44.1KHz,可是记录的信息内容不是PCM采样信号,而是经过DTS(Digital Theater Systems)编码后的5.1声道信号。DTS CD欣赏时必须将CD转盘的数字输出接至支持DTS的解码器才能获得5.1声道模拟信号。由于DTS CD格式与普通CD相同,因此与HDCD、XRCD一样都可以用普通的方法复制。

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