光碟見證數碼多媒體的30年 影響后世的CD
張偉周 于 2009.05.08 01:39:43 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創 | 平均/總評分:09.67/87

我們今天介紹的主要是Audio CD,CD的分支--數據CD在這一篇中不是我們的重點。需要說明的是:要想詳細的闡述介紹什么是CD不是只言片語能夠解決的事情,從CD誕生至今,前前后后至少發布了不下6部標準,其中包括1980年的第一本紅皮書,83年的黃皮書,86年的綠皮書等等,篇幅所限我們在這里不可能介紹的面面俱到。我們從CD的物理特征、容量、速度,到編碼、采樣角度介紹,說說當年CD的標準給我們的生活帶來了什么樣的影響。

  • 什么是CD?CD是Compact Disk的縮寫,從硬體角度來說是一種直徑為120mm(還有一種非主流的80mm規格),厚度為1.2mm的塑料圓盤,中間有一15mm直徑的孔洞。 CD盤片多由聚碳酸酯組成,是一片透明的襯底,在數據面覆蓋了一張金屬(多為鋁質)膜,在這張膜上,從圓心到邊緣是一圈圈的肉眼無法分辨的數據軌道,數字0和1就在這一圈圈的軌道里以凹坑或非凹坑存儲,最后在金屬膜上覆蓋一層極薄的保護層。從數據角度說,CD是一個存儲聲音訊號軌道的光碟,在這張光碟上,聲音以數字化的編碼,以數字的形式記錄在物理層上,播放時激光頭將CD表面掃描軌道上的記錄并還原為數字訊號,經過解碼,還原出聲音。

    由于CD的巨大成功,它的物理特性也深刻的影響后世。它的120mm的直徑,直接的影響了光碟機的大小,光碟機的大小為5.25寸,進而影響了主流電腦機箱的大小。巨大的銷量,讓人們對CD有了一個定性的印象,CD成為了很多產品攝影中的重要參照物。不管數字技術如何進步,新一代的主流光碟尺寸始終都是120mm的。

    容量

    一張CD需要容納多長的聲音?這里還有個小典故。1979至1980年期間,在世界上第一張CD發布前夕,索尼和飛利浦為CD唱片行業設立統一標準進行商談,CD時長的標準便是圍繞著如何或者是否應該堅持單碟CD錄下整首“貝九”來討論。這是因為貝多芬的《第九交響樂》完整的演出往往要超過一個小時,當時的普遍時長為72-74分鐘。于是在商談的最后,索尼公司創始人盛田昭夫堅持認為一張CD應能容下一場完整的“貝九”演出,最終CD的最大時長標準被定在了74分鐘之上,這樣得出的光碟容量為650M。

  • 在CD剛剛誕生的那段日子,這樣的規格并不顯得落后,所有的唱片公司都按照這一規格制作唱片,所有的Audio CD最高容量都是74分鐘和650M,但650M其實是一個保守的容量,是對當時的技術的一種更保險的妥協。近年來,隨著光碟、光頭制造工藝的改進,以前為了保險起見而放棄的空間被利用上了,CD容量實現了700M的安全容量,并成為主流,現在市場上購買到得CDR燒錄盤大部分都是700M規格的。這個容量上限,也對我們一些熟知的事物產生了重要影響。比如我們常常接觸的Divx格式電影,大都都限制在700M以內,這是為了下載后能用一張光碟保存。

    速度

    提到CD的讀取,人們常常看到的是nnX倍,這是什么意思呢?最初的CD規范要求:CD讀取裝置的讀取速度為150KB/s,這就是標準的單倍速讀取速度,也就是1X的標準。隨著技術的發展,這個速度被以幾何倍數提升,1X到8X,16X再到24X,最后發展到52X。這里的X很好理解:多少X就是多少倍的150KB/s,例如52X,就是52x150KB/s=7800KB/s。在音樂器材制造領域,CD的讀取速度并不是一個被人關心的數據。但在IT領域,CD的讀取速度則是非常重要的。

    說到這里有必要多一句:DVD規格里同樣有倍速的概念,但是DVD的1X 可就不是150KB/s,而是1380KB/s,遠大于CD的150KB/s。

    編碼

    聲音到底是如何“放置”到CD上去的?這里需要介紹的是另外一個名詞:PCM編碼。PCM是PULSE CODE MODULATION的縮寫,直譯為脈沖編碼調制。在CD的制作環節中,母帶的聲音訊號經過取樣、量化、編碼三個環節,完成PCM調制,實現A/D轉化,形成數字訊號,再經過進一步的糾錯和調制,記錄到光碟上。播放時,數字訊號經過解調和糾錯等處理后,得到PCM數字訊號,在經過D/A轉換還原為模擬的音頻訊號得到聲音。

    在這里我們不用去關心PCM編碼到底是什么樣的算法,就說說它造成的影響力。由于音樂CD采用了PCM編碼,這對后來的音頻編解碼技術產生了長遠的影響,大家熟知的WAV檔案,大部分都是采用的PCM編碼。在當年,由于技術的落后,PCM的編解碼被設計得很簡單,它完全沒有考慮數據壓縮,PCM也因此顯得“體態臃腫”,PCM的這個缺點是明顯的,受此刺激,出現了大量的壓縮音頻編解碼方案,無損的例如APE、有損的例如MP3。

    說到這里我們引出了另外一個話題:聲音的有損和無損,無損和有損都是相對概念。我們常說的無損編碼也并不是絕對無損。將原始母帶的模擬訊號轉變為數字的過程,任何編碼都不可能絕對的無損轉換,只能是盡可能接近原始訊號。相對原始母帶來說,CD的PCM始終是有損的,相對CD的PCM來說,APE、FLAC等則是無損的,而MP3、MPC等,不管對應什么原始資訊,都是有損的。

    采樣速率

  • 音頻編碼離不開采樣速率。什么叫采樣速率?我們來看上圖。采樣率就是每秒中的采樣次數。采樣速率越高,我們得到的波形的輪廓就越接近原始波形,反之,采樣速率低的話,我們得到的數字訊號就會失真明顯。采樣速率高了雖然更有利于還原聲音,但帶來的弊病就是數據檔案的龐大。所以,CD采用何種采樣速率,也是在音質和檔案體積之間尋求一個平衡。在CD里,采樣標準是 44.1KHz,也就是每秒鐘采樣44100個點。那么為什么不是44KHz?也不是44.2KHz呢?這里又有兩個小典故:典故之一:在CD發布之前,人們記錄高保真的數字訊號采用的是錄像帶,用黑與白代替0和1的方式記錄數字資訊。而當時的錄像帶格式是每秒30幀,而每幀又可以分為490線,每一條線又可以儲存3個取樣訊號,因此每秒有30x490x3=44100個取樣點,這就是44.1kHz的由來。典故之二:科學界有一個“乃奎斯特抽樣定理”是這樣說的:“要從抽樣訊號中無失真地恢復原訊號,抽樣頻率應大于2倍訊號最高頻率。”而我們都知道音頻的最高頻率為20kHz,所以取樣率至少應該大于40kHz,為了留一點安全系數,再考慮到工程上的習慣,CD標準最終選擇了44.1kHz這個數值。兩個典故對于44.1KHz的由來都做了貌似真實的闡述,到底哪個是準確的?很遺憾我們也沒法告訴你。

    采樣大小

    沿時間軸采樣,只能記錄頻率資訊,但無法記住頻率的訊號強度。這就還需要有個“采樣大小”。這樣才能記錄數字訊號的輪廓,這個采樣大小就就是我們常說的bit,中文叫“位”,比如8bit、16bit,所謂bit(位),就是2的幾次方,8bit就是2的8次方,即256。采樣大小為8位時, 就是把電平量化為256級,這樣聲音的強度能出現256級變化。同理16bit可以把電平分成65,536級。位數越高,聲音的保真度越高,層次也跟豐富。CD的采樣大小最終被確定為16bit,是因為采樣大小和聲音的動態范圍有著最直接的關系,采樣大小越高,聲音大小的變化也就越大,動態范圍也就越高。在當初制定規范時,飛利浦和索尼的工程師針對是采用14bit還是16bit展開過激烈的討論,飛利浦工程師認為14bit就已經足夠用,而崇尚數據的索尼工程師堅持更高規格的 16bit。 最終還是索尼取得了勝利,CD的采樣規格定格于16bit。

    還記得1996年起開始興起的多媒體電腦,一定要配一款“真16位”音效卡才算有面子。到此時,音樂CD所確定的16位采樣大小的規范,已經有14年了。

    回首

    直徑120mm、容量650-700M、兩聲道,44.1KHz和16bit,這就是音樂CD的典型特征。CD的每一個參數,幾乎都對后世產生了重大的影響,無時無刻都在影響著我們生活中方方面面,除了上文中說的那些。你能說說,CD還在那些方面改變了我們的生活嗎?

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    發表于2010.04.09 23:25:37
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    關于采樣率,其前提是必須遵循那奎斯特采樣定理,至于為什么是44.1K而不是44.2?估計就LZ第一個典故的原因了.
    發表于2009.10.03 17:45:53
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    發表于2009.05.15 16:01:52
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    特別是杜比TrueHD和DTS-HD 都已經發展到192/24了
    為什么cd還遲遲不動步。雖然現在有好多dts音樂,但是卻也未成為主流
    如果真的在超過20的聲音人就聽不到,那么為什么杜比TrueHD和DTS-HD 還要那么費勁搞192/24?特別是環繞音頻從一開始好像就是48而不是 cd的44.1
    發表于2009.05.09 10:22:14
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    我又忘記登入了。。。。。。暈死了。。。。每次都莫名其妙的登出。。。
    發表于2009.05.09 10:14:02
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    24 192類似的高標準對于我們回放來說可能意義不大,但是對于制作端越來越多的使用到數字化處理,高標準是很有必要的。
    發表于2009.05.09 10:08:21
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    221.003.***.***
    221.003.***.***
    那為什么發展到現在,音樂還沒有達到192/24
    如果沒有意義,那么為什么又有那么多音效卡宣稱支援192\24?
    發表于2009.05.09 09:51:14
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    to LZ “而我們都知道音頻的最高頻率為20kHz,所以取樣率至少應該大于40kHz” 這個其實是人耳所能感覺到的最高頻率了,而為什么電話語音的采樣頻率只有11 Khz或者8 Khz甚至更低,是因為直到4 Khz的聲音已經基本涵蓋了人們日常生活所有能發出的聲音了。
    to 3樓 超過44.1Khz的話, 會有一個問題就是, 超過20Khz的聲音, 人是聽不見的,如果仍然用48Khz采樣的話,那么同樣700M的cd,樂曲或者歌曲的長度就會變短,而被占去的空間卻是你聽不見的無用訊號。
    發表于2009.05.09 06:57:03
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    CD沒有進化可能和傳統HIFI產業還沒有跟上時代有關吧
    也許有可能跟上來,也許會淘汰。然后是次世代。。。
    發表于2009.05.08 13:02:06
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    又学习到新的知识了,收藏的
    發表于2009.05.08 13:01:16
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    To摟主:很有意思。學習學習!
    發表于2009.05.08 12:06:42
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    發表于2009.05.08 11:32:14
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    為什么用了那么多年的44.1和16還沒有發展到192/24?
    為什么當初不用48而用44.1?有什么區別嗎?
    不知道還有沒有下一篇,如果有,希望在介紹一下現在音樂盤片的分類區別用途等等,還有音樂盤片廠商代表盤介紹之類,就像什么黑膠盤啊水藍盤啊之類的。。還有cd盤片的燒錄介紹等等,呵呵。
    發表于2009.05.08 11:00:32
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    光碟容易復制,賣盜版盤在中國都算一個大產業了
    發表于2009.05.08 10:26:38
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    10
    發表于2009.05.08 09:18:56
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