[转贴]各种CD唱片技术详解

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一、传统CD唱片技术的局限性

CD激光唱片问世至今已十几年的光景了。由于它许多特有的优势如：小型、容易保存、频响宽、信噪比高、动态范围大，至今仍是HiFi设备的主要音源。随着人们鉴赏力的提高，CD音源固有的缺陷也日渐突出。同传统LP唱片相比，CD所播放的声音总有一点生硬感，细节少，临场感欠缺。如果把近几年风起的VCD 音质也列于其内的话，那就更使许多烧友、行家们宛惜之声不绝了。

对于CD这种固有缺陷，得从CD当年制定的红皮书规格说起。限于当时微处理技术软硬件的限制，1982年2月发布的CDDA激光唱盘红皮书标准做了如下规定：唱盘直径120mm、盘速1.2m/s、调制方式EFM、误码校正CIRC、数据速率0.6Mbps、数据量0.7GB。如要将变化着的模拟音频信号记录到这张光盘上，首先要对模拟信号进行采样，其重现信号波形的条件基于香农定理：设信号带宽为Bw，采样频率为fs，如满足Bw<=fs/2的条件，即可完整重现原波形。基于人耳可听到的最高频率为20kHz这一研究结果，CD的采样频率为44.1kHz，将采样所得的采样值相对于振幅进行离散的数值化操作（即量化）就可得到一系列的脉冲串，再加上CIRC纠错码、同步信号和地址信息之后，再经EFM格式调制后所得到的数据信息即可灌制到CD唱片上了。

由于受当时激光唱盘容量和芯片技术的制约，量化采用了16bit操作，其能够表现的动态范围D为D=20lg2＋1.76[dB]=98dB（n= 16），这就是CD的理论动态范围。20kHz的频响，97dB的动态范围再加上低不可测的抖晃度，使得激光的唱盘在数字音响领域中大放异彩，很短的时间内即成为HiFi放声设备的重要音源，以致人们毫不犹豫地抛弃了磁带和胶木唱片。但是，随着数字音响进一步深化和探讨。这种44.1kHz/16bit的记录格式其缺陷已日渐突出。

首先，44.1kHz采样率是影响音质、音色的第一要素，44.1kHz的采样能够完整重现一个20kHz的正弦波，却难以完整重现一个7kHz的非正弦信号。这是因为非正弦信号可分解一个基波加上二次三次……谐波组成。虽然基波能够重现，但三次以上的谐波在D/A转换后可能丢失或畸变，至使最终得到的波形与原始信息产生差距，造成音色的变化。

受当时的认识和条件制约，激光唱片的数据信息记录格式定义为16bit其能够实现的理论动态范围为98dB，实际上为留有一个安全裕量，以免出现强限幅，尚不能完全用足16bit，加上录制编码至解码过程的丢失，使得动态范围难以突破96dB，这对于表现古典打击乐（118dB）显然不够。这是人们发现的数字音频所特有一种失真-缺损性失真（Subtractive distortions）。

由于原始模拟信息是无限连续变化着的。而激光唱盘上的信息是将这些原始信息分成65536个阶段进行记录的。16bit的CD录音为完善信息只得把处理阶段之间的声音四舍五入，加到上一阶段或下一阶段中去。这样一来，CD所含有的信息即使能够完全复原也与原来的声音相比有误差。

如果量化的精度高，则重现原始模拟信息越逼真，细节更丰富，用一个16位游戏机和32位游戏机的画面做比较很容易得出结论。低位的量化使得量化后的误差也比高位的量化大，这些量化后产生的误差（量化噪声）使得听感发刺、混浊，尤其是小信号时影响更加突出，这些原信号中未有的谐波成份构成了添加失真（additivedistortion）做为数字音响的一个特例，VCD所表现的音质更是典型的数字运算后得出的结果。它较之普通CD唱片放音感觉更为空洞缺乏细节和层次，高音尖刺感更突出，这是因为VCD为兼顾图像声音信息能够在一张12cm的光盘上重放，对图像和声音信息利用人耳的掩蔽效应忽视了那些人们不易察觉的信息，对数据进行了大量的压缩和编码重组，其过程为一大幅度减法运算，其最终结果是形似而神少。

如果采用高比特和高取样率进行数字处理其音质可获得质的飞跃，实际上，不少录音公司已在CD先期制作采用如96kHz取样率、20-24bit的录音技术制作母带，但在制作CD唱片时，受制于现行CD规格，不得不重新进行编码处理使得符合16bit/44.1kHz的格式，因此我们所能见到的标有20、 24bitCD唱盘，实际上仍然为16bit的数据流。

二、HDCD技术的意义

如要改变CD现状，一是推翻现有CD格式，采用高取样，高比特记录格式和播放设备，这无疑要增加信息容量和传输速度。现行CD机无法胜任，好在DVD的面世已可解决这个问题。但是高品质音频光盘的记录格式尚未确定，而一旦确定则意味着已风光市场十几年的CD转盘、DAC、LD、VCD机将与其无缘而成为玩具，即使上万元的CD机也难逃厄运。

解决问题另一办法则是对先行CD进行改良，以求得在现行体制下能有所突破，如同当年黑白电视向彩色电视过渡一样。HDCD技术则是这类方案中一个成功而成熟的典范。

为改善现有CD记录格式的缺陷，使之既能高度兼容而在音质上又能有所突破，美国PacificMicrosonics公司推出了具有专利保护的HDCD录播新技术，它的英文全称是High Definition CompatibleDigital，译为高解析度的CD。用HDCD方式编码制造的激光唱片与普通CD具有高度的兼容性，用在普通的激光唱机上播放，已可领略到HDCD编码录音技术的优越性，如用带有HDCD解码功能的CD唱机播放，则可充分欣赏到全部释放的HDCD信息所特有的魅力：音质清晰细腻、动态范围广阔、信噪比极高，音色更为自然逼真。

针对传统CD录音格式的局限与不足，PM公司的两位HDCD创始人，录音师Keith O.Johnson和计算机专家MichaelW.pflaumer在多年音响制作中，查找并证实了对CD音质影响的几个关键因素，并提出切实可行的解决方案。HDCD技术是在前期录音制作中即重视所录制信号的完整和精确性，采用高于常规两倍的取样频率88.1kHz对模拟信号进行采样，以最大限度地展宽高频响应，减少缺损性失真，高的采样率也为HDCD编码运算留足了空间.用24bit量化其取样值为1677216个，它比16bit系统高出256倍，采用高位元处理技术可以提高处理精度，降低量化误差，增加动态范围至120dB。在模拟至数字信号转换过程中，HDCD技术十分重视转换精度，尽量减少串音和处理的稳定性，其能够达到的指标为转换精度百万分之一，失真分量<－120dBfs。这个高精度、宽频带的数字信号构成HDCD编码制造的基础，其数据信息量十分庞大。用常规CDPCM编码格式无法将其容纳。如要在普通CD机上兼容播放，需经特殊运算编码方可。用高采样和高比特技术进行CD的录音制作已被普遍认可和广泛采用，但提醒一点是目前市场上所能见到的20、24bitCD激光唱盘其实质应是录音过程中采用的比特数，由于CD“红皮书” 所制定的44.1kHz/16bit标准格式制约，这些高信息量的母带在灌制CD唱片时，均经过重新运算，编码制成16bit的CD唱片。因此，我们现在 CD唱机所能解读出来的规格仍然是16bit/44.1kHz，由于各唱片公司在转化过程所采用手法不同，我们现在能听到的不同版本的CD音质也的确各有千秋，但有一点可以肯定：高比特高取样技术制作的CD音质远胜16bit/44.1kHz录音格式制作的CD。

三、HDCD技术原理详解

那么HDCD技术又是怎样制作与普通CD兼容的高清晰度唱片呢？以下的几点可以说明：

（1）取样频率转换。首先对88.1kHz取样数据进行动态转换，这是HDCD技术一大特色。它采用多个数据插值滤波器经分析系统做动态控制，这个系统实时分析信号频带宽度，波峰能量和高频信息，以高分辨信号精确控制滤波器的波通特性。执行结果使得即使变化为44.1kHz最后采样率，其频宽在16kHz -22kHz变化仍然很少。该系统有超越44.1kHz取样率的记录，能够反映声音的每个精细微妙的变化。

（2）振幅分析。HDCD技术另一特点就是对振幅进行了有效控制，由Decimation滤波器传送的是一个24bit/44.1kHz的信号，为了容纳这个信号，编码器在这一级被精确地进行振幅解析和增益控制量化编辑为20bit然后再分配到16bit格式中运行。自然界的音响变化范围是很宽的，突响的声压能造成记录设备瞬时过载出现削峰现象，在模拟磁带记录过程中采用电平压缩方式以避免磁带的饱含失真，而对于一个数字记录系统过载可导致出现不必要的量化误差（数据碎片），同样会对音质产生影响。为此普通A/D转换器设备都有一个绝对最大录音电平（0dB）以保证峰值不削波。HDCD采用独特的振幅编码技术，可获得比常规数字记录多出一个比特（相当于＋6dB）的容量来处理大动态信号。由于采用数字运算处理方式，这个扩展信息能以精确稳定的特性控制重放设备的译码器复原。加上数字处理特有的“超前处理”（Lookahead）能力，所以系统能在一个大信号开始前瞬时恢复增益，提供更大信息容量避免信号瞬时过载。对于这个一个比特的信息扩张量，何时操作受制于HDCD的隐含控制码（稍后讲到），对于普通CD播放，信息无变化，而用HDCD译码器播放，则可在隐含码的控制下，信息准确膨胀，达到大动态播放的目的。

（3）高频扰动技术（Dither）。采用高频扰动技术，可提高量化信号的分辨能力，使之量化器的非线性变换特性得以改善，降低低电平信号的谐波失真，而且有可能重现低于量化差值的信号。但如添加不当，高频振荡（dither）将会变成真正的添加噪声。HDCD技术采用了改良的高频扰动技术，使得音乐细节更为丰富而噪声低不可闻。

（4）HDCD隐含控制码。对于HDCD的最后量化操作部分，为准确控制HDCD编码记录的超量信息在解码器上精确播放，特设置一相关的控制代码，这个代码被插入数据记录的字组段中的最小有效位LSB位，如被普通CD机播放该码为隐含而不被激发。由于所处的特定位置且只占LSB位元的1％-5％，对于CD 音质的影响弱不可闻。当用HDCD解码器播放时，系统可准确捕捉该隐含码并用来激活主要数据通道的信息，使得信息量膨胀，得到数倍于普通CD格式的信息输出，经DA转换即可获得大动态、细节丰富、高信噪比的模拟音频信号。

四、HDCD编解码流程

为避免误码操作，HDCD采用在主副通道设置双重代码同步计时器，这样它与该字组段中的主要信息相伴而生时序不会错位。只有在隐含码与主要相关代码呼应时，主通道选择数据才有效，否则取消解码操作。

模拟音频信号经缓冲器低通滤波后，先进行模数转换，并用一个高频扰动信号对ADC实时控制，量化产生88.1kHz、24bit数据流，该数据流向主副两通道，主通道信息被延迟存储，而副通道信息相对于主通道提前一个分量进行数据分析产生控制信号，该信号动态控制数字滤波器做取样率变换，振幅编码和增益控制。最后由微处理器将分析、滤波、数据再格式化容易被漏失的信息分离（这些信息可能涉及到音色、声场、微细声音），与控制码一起组合生成隐含码被插入主通道音频数据LSB位，经高频扰动处理后再量化为16bit/44.1kHz标准CD格式输出，完成全套HDCD编码过程。

HDCD的解码操作是编码过程的逆动作。设计目的是在DAC的数字滤波器部位用HDCD解码专用集成电路取代，完成HDCD信息解码及超取样数字滤波双重作用。

解码器首先检测数据流中的LSB位中是否携带有HDCD隐含码，如有则按照隐含码的连续指令激活主通道音频数据信息使之膨胀，恢复在编码过程中对数据信息的压缩。由于隐含码的控制，可准确地对波峰进行适时扩展，对低于平均电平值的信息做适当的增益下减，因此HDCD方式可获得高于常规的大动态及小信号的高清晰度。

作为HDCD的唯一解码芯片是美国PMI公司生产的PMD100，PMD100既有HDCD的解码功能，还有数字滤波的功能。它的数字滤波部分与NPC的 SM5842功能品质一样。PMD100是一个28脚DIP封装的大规模集成电路。当接收到输入数据为HDCD编码方式则自动转换到HDCD解码格式下工作，并在其27脚输出电流驱动LED发光管做状态指标。当非HDCD信号时，信息数据被接收做常规超取样数字滤波处理，因此该器件有双重特性。在做普通 CD格式数字滤波器使用时该器件特性也相当优良，通带纹波从0-20kHz不超过0.0001dB，阻带衰减>120dB。PMD100的其它特性为：系统时钟为256fs或384fs；可按受32-55kHz任一输入取样频率；具有2、4、8倍超取样数字滤波；可接受24bit输入数据及同精度处理；输出16、18、20及24bit不同数据格式；具有数字去加重功能；可用0.188dB步长进行44.1/48KHZ；有数字增益控制器。

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五、其他音频格式简介

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。

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。

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 StreamDigital）数字音频技术，从头到尾都是1Bit形态，不需任何转换。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。在唱片的下层是SACD，在唱片的上层是普通CD。属于典型的单面双层式结构。复合盘的SACD与普通CD机良好地兼容。ACD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。

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DVDAudio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 CompactDisc，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。

CD格式分类:传统CD,DTS CD,DVD AUDIO,HDCD,XRCD,SACD

主要的分类：
传统CD、DTS-CD、DVD AUDIO、HDCD、XRCD、SACD

传统CD
  CD的数字音频采用PCM多比特录音技术，以每秒44.1KHz采样频率，16bit量化精度来记录音频数据。以后所开发的多种数字音频产品，如：DAT、DCC、MD等也沿用这种格式。但PCM存在着一些难以克服的缺陷：
  (1)当采用44.1 KHz取样频率时，必须在22 .05KHz处采用急剧升降的数字滤波器，以防止基带外的频率成分混入。该种锐截止滤波器带来的群延时失真明显地劣化了高频端的重放音质。
  (2)对于小信号，PCM方式中由于量化噪声的原因造成信噪比下降。为了解决这个问题而采用了一些改善措施。但这些措施随之又带来了新的问题，导致在声音还原时人们很容易辨别出CD还原的数码声，具体表现在低频生硬、单薄，中频不够透明，高频有毛刺感等。迄今近20年来虽然这种技术虽然在不断进步，量化编码从16bit上升到24bit、32bit，采样频率提升到96KHz，即使这样，其改善也是有限的。

DTS CD
  DTS-CD，顾名思义就是DTS音轨的音频Audio-CD。其存储方式与一般的音乐 CD 相同，都是 16bits、44.1kHz采样频率。只是DTS CD中纪录的实际内容并不是普通CD的PCM采样信号，而是DTS 编码的音轨信号。由于 DTS CD 文件记录形式与普通CD 兼容，因此它也就与音乐CD一样可以用普通的方法复刻、制作和播放。
  结论：
　　DTS CD，需专用解码芯片。但现在市面上几乎所有的DVD机都支持DTS（同轴电缆或者光纤送给功放解码，或者直接用DVD机内置的解码芯片解码），所以DTS CD大多数人都可以用。传统的CD机不能放，放的时候只有沙沙沙的声音。

DVD AUDIO
  与DVD Video尺寸容量相同，为音乐格式的DVD光盘；DVD Audio采用与过去CD相同的"PCM线性"录制，或采用由英国Meridian所研发的"非删减式压缩技数"MLP。 DVDAudio并支持多种数字讯号格式，其允许的位有16位、20位、24位三种，多声道模式最多达6声道。可以实现数字环绕三维高保真音响效果。
  结论：
  DVD AUDIO需要专用的带DVD AUDIO解码的DVD才能放。如今中低档的有DVD AUDIO解码的DVD机只比同档次的普通DVD机贵几十钱。

HDCD
  HDCD即High Definition CompatibleDigital（相兼容性高分辨率数码技术）的缩写，它采用一种新的录音技术，在将母带上的模拟音频信号送入HDCD编码器的时候，以超过传统CD制式44.1KHZ，16 BIT的高解析力编成数码信号，此时产生的信号将多于普通 CD所能容纳的信号。
　　HDCD编码器让多出来的信号进入以11个MotorolaDSP56001处理器组成的超强电脑处理，以连续且即时处理的方式，配合工程师所研究的音响心理学的影响，将全部信号筛选后再分成传统的CD音轨所能容纳的部分和超出的信号部分，HDCD编码器将后一部分信息放在传统CD的隐藏式指令轨里面，以便能与现有的CD系统相兼容。
　　因此HDCD解码芯片PMD100包含有两个部分，一部分是数字滤波，另一部分是HDCD解码。在播放普通CD唱片时，HDCD解码部分是不工作的，此时的PMD100可看作一片高性能的数字滤波器，其音质优于现在广泛使用的NPC系统的数字滤波器。当播放以HDCD方式录制的CD片时，PMD100 中的HDCD解码器会自动检测到CD片隐藏式指令轨中的信号，并将之还原成高分辨率信号，经数模转换输出，即可感受到高分辨率CD的独特魅力了。
  结论：
  普通CD机可以播放HDCD碟片，理论上比播放普通CD音质要好。但要享受真正HDCD的魅力需要购买带HDCD解码的CD机。

XRCD(完美的16位)
  XRCD是采用日本JVC公司开发的K2接口，包括了Mastering设备、制造工序、硬件与理论等多方面成果。发明这一技术，在CD制作的各个环节都以独创的主时钟系统对时基进行控制，使CD制版的抖晃失真系数以及玻璃母模的组误差系数有大幅降低，制版精度相应地则有大幅提高，从而使CD制作中的保真度有了很大的保证。
　　XRCD可以说是完美的16位,不需要任何附加设备,在任何一部唱机上都能表现出CD的最高音响效果来。JVC公司为了保持XRCD品牌的优势，在选择母带品质上极为严格，而且对母带的XRCD再制作、刻母盘、压片等各工序都有严格的要求，加之技术保密等原因，JVC公司严格规定只能在本公司的本土的定点制作室及定点工厂加工生产。由于这些特性，即使是以数字对数字的刻制母盘这样严格方式进行非法复制，加工时不使用XRCD技术，XRCD的优势也将毫无显现。因此XRCD又被称为是"不能被盗版的光盘" 。
  结论：
  普通CD机可以播放XRCD碟片。但你从网上BT下来的XRCD没有真正的XRCD效果。

SACD
  SACD碟片的硬件结构是在DVD的前身——索尼和飞利源共同开发的MM－CD高密度光碟上发展起来的。这是一种单面双层结构的碟片，直径为   12cm，厚为 1.2mm，外观与CD片一样。最早露面的 SACD只有单面双层一种结构：上层为CD层，与CD片的物理结构和数据结构完全一样；中间0.6mm处分了一层HD层，这里的物理结构与DVD一样，数据为SACD的高品质音频结构，但音乐内容与上面 CD层一样，最多也只能放 74min(分)节目。
  SACD的信号采用一种叫l bit直接数据流数据（DSD）的技术，采样频率达到了2.8224MHz（大家用乃奎斯特定理算算这是一个什么样的概念）。它声音的清晰度、信嗓比、动态和频响都远高于现行CD标准。

CD、打口碟常识及常见CD术语请参看
http://www.zasv.com/thread-29010-1-1.html

yizhongyijian

真的很详细，但感觉现在的音频数字光盘格式的发展有点混乱。索尼的SACD在音色与动态方面都超越了CD，但似乎全世界的唱片公司都不想买它的帐，可能是专利费的问题(现在的CD也是索尼的专利)，而DVD AUDIO阵营又打败仗，结果衍生了许多CD的另类产品，XRCD比用传统方法去做的CD在音色方面是有一定的提升，但价格偏贵，好像JVC已经停产了。香港易有伍先生（雨果）所做的LPCD其实都不错，如果有玩过LP的朋友去听一下这种CD，你会感觉到在数字光盘里能听到黑胶味，不过价格还是偏贵。

rzxx

回复 3# yizhongyijian

是。以点拨论坛刻录的角度分析，从播放设备占有率、音质要求，刻录CD的需求依次应该是：普通CD—HDCD—DTSCD。