音樂CD（Compact Disc Digital Audio）

[psac]

音樂CD（Compact Disc Digital Audio）
　　
　　關於音樂CD實在是有太多可以聊的東東了，這個在1982年由新力（SONY）和飛利浦（PHILIPS）共同制定於紅皮書的儲存媒體既便於攜帶，音質又比錄音磁帶好，流行至今毫無頹勢。


關於它的規格有許多有趣的故事，如為什麼一張標準長度的音樂CD是74分鐘呢？

傳說這是因為設計者想要把貝多芬第九交響曲存進一張音樂CD中，於是開始估計音樂CD的直徑。


另一種說法是著名指揮家卡拉揚（Herbert von KaraJan）的要求，因為卡拉揚指揮的貝多芬第九交響曲總長度大概在68分鐘左右，而一般的版本大概在65~74分鐘。


還有一種說法是新力當時的總裁大賀典雄所決定的。
　　
　　據說，卡拉揚在世時跟大賀的交情不淺，而大賀本身就是聲樂家，所以他們之間算亦師亦友的感情，因此當年飛利浦找到新力制定音樂CD規格時，大賀就一口咬定一張音樂CD一定要能裝得下貝多芬第九交響曲，這還因為古典音樂單首曲目的長度比這個長的也寥寥無幾了！

為了能在欣賞時不影響興致，所以大賀對此非常堅持，而日後大賀用音樂CD錄製卡拉揚預演的曲目，並讓卡拉揚聽，卡拉揚也非常讚賞這個劃時代的數位媒體，甚至後來在說明會之類的活動時，卡拉揚也幫音樂CD說了不少好話。
　　
　　音樂CD是以螺旋狀由內到外儲存資訊的，在一張標準74分鐘的音樂CD中，從裡繞到外總共有22188圈，把它全部伸展開來長達5.7km。

音樂CD的讀取方式是等線速度（CLV），每秒有1.2m長的資訊經過激光頭，激光在真空中波長為780nm，以檢測音樂CD表面的凹凸變化來判斷信號。表面的凹凸刻痕寬0.5μm，深度為0.11μm（約為780nm激光在音樂CD塑料材料內波長的1/4），長度為0.8∼3.1μm。


音樂CD是以由凹變凸和由凸變凹定義為1，平坦的部分為0，所以改變刻痕的長度可以改變資訊內容。而讀取頭就是靠著由凹變凸和由凸變凹時的光反射作用來判斷信號的。
　　
　　音樂CD的規格為什麼是44.1KHz呢？

關於44.1KHz這個數位的選取有兩層意思。首先我們知道人耳的聆聽範圍是20Hz到20KHz，根據奈奎斯特定律（Nyquist Functions），理論上我們只要用40KHz以上的採樣率就可以完整記錄20KHz以下的信號。

那麼為什麼要用44.1KHz這個數位呢？
　　
　　其實這涉及到的環節非常複雜，我們必須從音樂CD的信號儲存格式說起。首先要引入的名詞是BLOCK（區塊），音樂CD每秒鐘的資訊被分成7350個區塊。

每個區塊內有588Bit資訊。可是這588Bit無法全部用來儲存有意義的資訊，因為過度密集的凹凸變化會增加硬體設計的難度，且音樂CD是以由凹變凸和由凸變凹定義為1，1是無法重複出現的，因此每14個Bit中只有8個Bit是有意義的，這就是EFM（Eight to Fourteen Modulation，8-14調製編碼）原理。

除去14Bit中6Bit無意義的資訊，每個區塊剩下336Bit（588×8/14），再除去72Bit的同步（SYNC）與合併（MERGE）資訊，還剩下264Bit，換算過來等於33bytes（264/8）。

在這33個資料byte中，只有24bytes的音樂信號具有實際意義。這樣，每個區塊就有192Bit（24×8），由於音樂CD以16Bit記錄資訊大小，因此每個區塊有6個立體聲采樣點資訊（192/2 /16）。記得前面說過每秒鐘有7350個區塊嗎？

由此可以得知每秒鐘有6×7350=44100個立體聲采樣點。
　　
　　音樂CD的每個區塊中還有1個sub-code byte。

在光碟lead-in（匯入）區域內的sub-code記錄了這張音樂CD有幾個軌道，總長度多少；在音軌部分的sub-code則記錄了從這軌開頭已經經過了多少時間，從第一軌開頭又經歷了多少時間，音軌是二聲道還是四聲道（不過從來沒聽說過四聲道的音樂CD），是否允許複製，以及該音軌是否經過Pre-emphasis（預加重，內容請參看上期相關文章）處理與糾錯。


另外sub-code也可以用來記錄該音樂CD的UPC（Universal Product Code，通用產品編碼）與該音軌的ISRC（International Standard Recording Code，國際標準錄音編碼）。


ISRC由IFPI（The International Federation of the Phonographic Industry，國際唱片業協會）統一發放，前兩位英文代表國名，接下來三位英文為發行者，最後五位是數位。
　　
　　我們常在古典音樂CD上看到DDD、ADD、AAD字樣，這代表了什麼意思呢？

這三個英文字母其實是Digital（數位）或Analog（模擬）的縮寫，第一個英文字母表示錄音時的母帶為數位或是模擬格式，第二的英文字母代表混音及剪輯時母帶使用數位或是模擬格式，最後一個英文字母代表最終的Master母帶是用數位還是模擬格式儲存。由於音樂CD的母帶一定是數位化的，因此最後一個英文字母都是D。
　　
　　HDCD(High Definition Compatible Digital)
　　
　　別給這個產品名稱給嚇倒了，HDCD本質上還是CD，放到一般的CD播放器中播放完全沒有問題。

HDCD是Pacific Microsonics的創始人Keith Johnson和Pflash Pflaumer於1995年提出的規格，其技術本身也包含從20Bit的原始母帶Dither（抖動，請參看名詞解釋）至16Bit的技術，但其獨特的地方在於比Dither能更有效地利用CD的第16個Bit（LSB，Least Significant Bit），它不但用Dither技術處理LSB，使得音質比一般CD好，甚至將LSB以類BIOS的數位排列，當作是一種指令，這種指令在一般的CD播放器上沒有作用，可是在具備HDCD解碼晶片的CD播放器上，這些特殊的指令就可以改變聲音的特性，例如增加某頻段的音量，提升整體動態範圍，或是調整音場。

這些「佐料」使得聲音聽起來細節更多，定位更加精準，這正是HDCD的特色。HDCD的技術並非限於音樂CD，在DVD-Audio上也有發揮的空間。


目前HDCD的技術屬於Microsoft（微軟），Windows XP操作系統內部的Windows Media Player 8.0就有識別HDCD的能力。
　　
　　
　　XRCD(eXtended Resolution Compact Disc)
　　
　　XRCD也是不折不扣的音樂CD，由日本JVC公司研製發展。XRCD的特色是以DIGITAL K2處理。


這套技術不光是以20Bit、128倍超采樣將模擬信號轉為數位信號，還加上另一套20Bit轉16Bit的Dither技巧，盡量將CD製作程序的每一個步驟最佳化！

不但非常注重各個器材的供電品質、器材的連接線材和配送系統，而且為了降低Jitter（時基誤差，請參看名詞解釋）對音質的影響，所有的數位信號都改用SDIF-2傳輸，有別於一般使用的AES/EBU工業標準，並對於時鐘的運作精度做過特別的校正。



經處理最後的CD母帶資訊儲存於新力PCM9000真24BitMO錄音機中，送至位於日本橫濱的全世界唯一一條XRCD生產線開工生產。

XRCD另外一個特色是以鋁作為反射面（與一般CD相同），JVC稱使用鋁可以達到比較低的Jitter。

XRCD碟片價位相當高，通常要數百元以上，但是音質與音場表現的確有其獨到之處，因此在發燒音響界仍有其市場。
　　
　　DVD-Audio
　　
　　DVD-Audio是以DVD（Digital Versatile Disc，數位多用途光碟）作為儲存介質的新音樂媒體，於1999年3月出台。



采樣方式為LPCM（Linear Pulse Code Modulation，線性脈衝編碼調製），可選項採用MLP（Meridian Lossless Packing，無損壓縮音瀕）技術減少龐大的資訊容量。


DVD-Audio的採樣率有44.1KHz、48KHz、88.2KHz、96KHz、176.4KHz和192KHz等，可以16Bit、20Bit、24Bit精度量化，使用立體聲錄製時最大資訊流量可達192KHz、24Bit，當採用5.1聲道錄製時最大採樣率可達96KHz。


DVD-Audio如此高的採樣率最大的好處在於不需要繁複的超采樣運算就可以得到正確的音樂信號波形，另一個好處是減少Jitter對音質的影響。

DVD-Audio碟片目前的價位大概也在數百元左右。
　　
　　
　　SACD(Super Audio Compact Disc)
　　
　　SACD是新力提出的以DVD為儲存媒體的下一代音樂儲存規格。SACD的最大特色在於摒棄PCM，改用Delta-Sigma Modulation（△-Σ調製，噪聲修整技術），它是PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調製）的一種。


其實Delta-Sigma Modulation是很一般的技術，低價的CD播放器、床頭音響、CD隨身聽、音效卡都是先將PCM信號經過Delta-Sigma Modulation然後再轉為模擬信號的。


Delta-Sigma Modulation可以用較低的成本和比較少的數位濾波器達到較高品質的聲音水準，因此大受歡迎，飛利浦的Bitstream（比特流）也屬此類技術。新力將其改良的Delta-Sigma Modulation技術命名為DSD（Direct Stream Digital，直接流數位）。



PWM不同於PCM采樣，是以信號振幅大小為主，而且改為記錄目前資訊數值大於或是小於前一個資訊，是相當複雜的技術，我們簡略地以下圖表示。
　　
　　SACD使用DSD的最大好處是從錄音到播放全部都以Delta-Sigma Modulation處理數位信號，不用在錄音時先用PWM采樣再轉回PCM儲存，放音時又要把PCM經過PWM處理再經轉回模擬信號的層層手續（聽起來很笨，可是絕大部分的CD都是這樣工作的），因此可以降低失真，以下是工作程序：
　　
　　SACD同樣也有立體聲和5.1聲道的規格。由於SACD並非PCM編碼，不需要多Bit儲存振幅，只要1個Bit就夠了，且採樣率高達2822400Hz。SACD如同DVD-Audio有單面單層和單面雙層的規格，比較特殊的是混合光碟（Hybrid Disc），此種格式第一層資訊與普通CD相同，可以放到CD播放器中播放，第二層則是存放正宗的DSD信號，供SACD播放器播放。
　　
　　
　　DTS CD
　　
　　DTS CD的資訊格式與一般CD相同，都是16Bit、44.1KHz，可是記錄的資訊內容不是PCM采樣信號，而是經過DTS（Digital Theater Systems）編碼後的5.1聲道信號。


DTS CD欣賞時必須將CD轉盤的數位輸出接至支持DTS的解碼器才能獲得5.1聲道模擬信號。


由於DTS CD格式與普通CD相同，因此與HDCD、XRCD一樣都可以用普通的方法複製。
　　
　　名詞解釋
　　
　　Dither:是數位音樂處理上非常神奇的技巧，目的是通過用少數的Bit達到與較多Bit同樣的聽覺效果，方法是在最後一個Bit（LSB）上動「手腳」。




例如用16Bit記錄聽起來好似20Bit的資訊，聽到原先16Bit無法記錄的微小資訊。舉例來說，現在我有個20Bit的采樣資訊，現在想將其存為16Bit的資訊格式，最簡單的轉換方式就是直接把後面4個Bit去掉，但是這樣就失去用20Bit錄音混音的意義。

比較技巧性的方法是在第17~20Bit中加入一些噪音，這段噪音就叫做Dither。

這些噪音加入後，可能會進位而改變第16個Bit的資訊，然後我們再把最後4個Bit刪掉，這個程序我們稱為redithering，用意是讓後面4個Bit的資料線性地反映在第16個Bit上。


由於人耳具有輕易將噪音與樂音分離的能力，所以雖然我們加入了噪音，實際上我們卻聽到了更多音樂的細節。
　　
　　我們通過一個比喻來讓大家瞭解Dither：我們通過手指間的細縫只能看到眼前部分的圖像，但是如果前後揮動手掌，就可以通過不同時刻看到的整個圖像的各個部份，從而在大腦中建構出完整的圖形資訊，這就是大腦神奇的地方。Dither與此類似，但不是簡單的理論就可以說得清楚的。

在眾多的Dither技術中，新力（SONY）公司的SBM（Super Bit Mapping，超級數碼映像）、LIVE STUDIO RECORDINGS的ULTRA MATRIX PROCESSING（超級矩陣處理）都是專攻20Bit轉16Bit的技術。


Dither的數位音訊處理用途非常廣泛，凡是兩個波形的相加、振幅的縮放、Normalize都會用到。


現在的錄音室已經發展到24Bit錄音，在這個音樂CD還是主流儲存媒體的時代，Dither還是非常重要的技術。順便提一下，在影像處理領域，將24Bit的全彩圖像以16Bit的高彩畫面顯示也會用到Dither的技術。
　　
　　
　　名詞解釋
　　
　　Jitter：一般翻譯作時基誤差，是數位音訊播放音質劣化的原因之一。

Jitter會造成聲音的改變，成因並非振幅資訊本身的錯誤，而是時間部分出錯。
在前文數位化的程序中我們知道一個采樣點包括振幅和時間這兩項資訊，而Jitter造成振幅沒有在準確的時間呈現出來就使得波形扭曲。

在普通的CD唱機中，由於讀取機構是由資訊流量來判斷轉速是否合適，而電路的工作時基又是以讀出的一連串數位信號的多少來決定，因此當轉速不穩定時，每秒讀出的資訊數量就有誤差，而電路工作時基就受到影響，由電路工作時間所決定的各個采樣點的出現時間與實際的時間就產生誤差，這就是Jitter的成因之一。


還有很多影響工作時脈的因素可能造成Jitter，例如音樂CD的重量與厚度是否均勻影響轉動穩定性、反射面的材質、石英震盪的品質、CD轉盤到DAC解碼器之間的連接線都會造成Jitter。


避免Jitter發生最直接的方法就是re-clock，將接收的數位信號先存到緩衝存儲器中，在精確的時鐘工作下重新送出這些數位信號，並且讓後續的數位電路以這個時鐘為工作基準。


有些Hi-End器材使用不同於普通S/PDIF的單線數位傳輸接頭，加入了包含時鐘信號的接線。而S/PDIF將工作時基資訊藏在資訊的變化中，因此資訊流量會影響工作時脈。
　　
　　為了讓讀者對Jitter有更深刻的認識，筆者在此提出一個相關實驗：準備一張音樂CD，通過這張母盤再複製一張音樂CD，然後用抓音軌軟體檢查確保這兩張音樂CD的資訊內容相同。


可是，放入CD唱機中聆聽時卻發現兩張CD的音質還是有很大差異。開始筆者猜測是因為CD唱機的讀取機制不如電腦光碟精確，嘗試用Digital Audio Labs公司出品的專業音效卡CardDeluxe錄製從CD唱機數位輸出（SPDIF Out）的數位錄音信號，再經過多次對比，我們發現數位錄音的結果與直接抓音軌的資訊內容相同，也就是說CD唱機讀取資訊內容並沒有問題，而影響音質的主要原因就是Jitter——服務機構時間資訊流量不穩定的變動造成Jitter，但這些資訊內容本身並沒有出錯，因此不能單從數位錄音的資訊發現錯誤。

[leowang]

感謝分享
原來CD這種東西，學問還真多耶
受教了........