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关于音乐CD的一些常识性介绍

2002-6-7日 9:6 阅读:次 作者: [ ]


 

关于音乐CD实在是有太多可以聊了,这个于1982年由Sony和Philips共同制定于红皮书的储存媒体,便于携带音质又比录音带好,流行至今毫无颓势。关于它的规格有许多有趣的故事,例如为什么一片标准长度的CD是74分钟呢?话说这是因为设计者想要把贝多芬第九号交响曲存进一片CD中,于是开始估计CD的直径,另一套说法是著名指挥家Herbert von Karajan这样要求,也有人说是Sony公司当时主席的太太这样要求,另一套说法是Sony当时的Mr. Oga所决定的。另外要补充的是Herbert von Karajan指挥的贝多芬第九号交响曲总长度大概在68分钟左右,一般的版本大概在65~74分中间分布。 
  CD是以螺旋状由内到外储存资料,在一片标准74分钟的CD中,从里绕到外总共有22188圈,把它们全部伸展开来长达5.7km。CD读取的方式是等线速度(CLV),每秒有1.2m长的资料经过雷射头,雷射在真空中波长为780nm,以侦测CD表面的凹凸变化判读讯号。表面的凹凸刻痕宽0.5um,深度为0.11um(约为780nm雷射在CD塑料材质内波长的1/4),长度为0.8到3.1um。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资料内容。 
  音乐CD的规格为什么是44.1kHz、16Bits呢?关于44.1kHz这个数字的选取分为两个层面。首先我们知道人耳的聆听范围是20Hz到20kHz,根据Nyquist Functions,理论上我们只要用40kHz以上的取样率就可以完整纪录20kHz以下的讯号。那么为什么要用44.1kHz这个数字呢?那是因为在CD发明前硬盘还很贵,所以主要数字音讯储存媒体是录像带,用黑白来记录0与1。而当时的录像带格式为每秒30张,而一张图又可以分为490条线,每一条线又可以储存三个取样讯号,因此每秒有30*490*3=44100个取样点,而为了研发的方便,CD也继承了这个规格,这就是44.1kHz的由来。 
  我们可以发现一张刮痕累累的CD放到CD Player中往往听起来似乎没有什么问题,这又是什么原因呢?这是一个非常复杂的问题,我们必须从CD的讯号储存格式说起。首先要引入的名词是block,CD每秒钟的资料被分成7350个block。每个block内有588bits的资料。可是这588bits无法全部用来储存有意义的资料,因为过度密集的凹凸变化会造成硬件设计难度的增加,因此每14个bits中只有8个bits是有意义的,这就是所谓EFM(Eight-to-Fourteen-Modulation)的目的。扣除掉6bits无意义的资料,每个block剩下588*8/14=336bits,再扣除掉同步与合并(merge)信息,剩下264bits,等于264/8=33bytes。在这33个data bytes中,有1个sub-code byte、12个odd-audio bytes、4个Q-redundancy bytes、12个even-audio bytes和4个P-redundancy bytes。其中最有意义的就是那12+12=24个音讯bytes,每个block共有24*8=192bits,我们知道CD以16bits纪录资料大小,因此我们得知每个block有6个立体声取样点资料(6*16*2=192)。好啦,还记得前面说过每秒钟有7350个block吗?我们由此可以得之每秒钟有6*7350=44100个立体声取样点!没错,就是这个数字。顺带一提的是每98个block组成一个frame,每秒有75个frame(98*75=7350)。好了,我们还没讲到重点,为什么有轻微刮痕的CD听起来还是很正常呢? 
  答案就在于这24bits的音讯资料,并非单纯按照出现顺序储存在单一的block中,而是打散顺序离散分布在接下来109个block中,因此若有刮痕造成一部份的资料无法正确读出,可以藉由前面提到的P-redundancy bytes和Q-redundancy bytes作同位检查确保资料正确性,进而重建资料,还可利用声音连续变化的特性,由问题资料的前后取样点来内插恢复资料。实际编码时,是先将12bytes的even samples重新排列然后经由C2编码计算出4 bytes的Q-redundancy得到28bytes的资料,然后由这28bytes的资料来决定这24bytes的音讯要如何分布在0到108个block中。再来将这28Bytes的数据经过C1编码,我们就得到4bytes的P-redundancy。P-redundancy另外的用途是确保当取样点都为0时这block中的32bits仍不都为零。另外每个block还有一个sub-code byte,其用途非常广泛,在lead-in的区域sub-code纪录了这张CD有几轨、总长度多少﹔在音轨的部分则记录了从这轨开头已经经历了多少时间、从第一轨开头又经历了多少时间、这音轨是二声道还是四声道(不过从来没看过四声道的CD)、是否允许复制、以及该音轨是否有经过Pre-emphasis处理还有一些侦错信息。另外sub-code也可以用来记录该CD的UPC(Universal Product Code)号码与该音轨的ISRC(International Standard Recording Code)号码。ISRC由IFPI统一发放,前两码英文是国名,再来三码英文为发行者,最后五码是数字。 
  我们常在古典音乐CD上看到DDD,ADD,AAD字样,又代表了什么意思呢?这三个英文其实是Digital或Analog的缩写,第一个英文表示录音时的母带为数字或是模拟格式,第二的英文代表混音及剪辑时母带使用数字或是模拟格式,最后一个英文字代表最终的Master母带是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都是D。 
  接下来想要介绍一些CD的衍生物如HDCD,xrcd2等,但是不可避免要提到一些数字录音着专业术语,因此我们先解释一下这些术语。

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