高兼容高解析度的HDCD

蟋蟀最帅 · 发表于 2006-6-19 21:36:00

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高兼容高解析度的

  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CD DA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(additive distortion)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。

  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。

HDCD简述

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Pacific Microsonics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 Compatible Digital，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。

HDCD的编码与制造

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，Keith OJohnson录音师和Michael    W.pflaumer计算机专家在多年音响制作中，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CD PCM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、24bit CD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。

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”(Look ahead)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。

  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。该《HDCD》标签需经授权使用。它是一个28脚DIP封装的大规模集成电路。当PMD100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。

该器件的其它特性为：
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；

木槿子 · 发表于 2006-6-19 21:56:00

可用0.188dB步长进行；44.1/48KHZ ；有数字增益控制器；

PMD100引线脚功能
1	DIN	串行数据输入
2	BCK	位时钟输入
3	XTIM	系统频率选择：“L”为256fs “H”为384fs
4	DITH	高频振荡选择：“L”停止：“H”振荡有效，可选8种方式中一种
5	GAIN	模拟输出增益：“L”为低增益：“H”为高增益（+6DB）
6	XTI	系统时钟输入
7	VDD1	电源正5V
8	VSS1	地
9	PROG	选择输入方式：“L”为停止：“H”为输入方式（由10-14脚决定方式）
10	OSIZO	- R( C- Y$ d$ d/ f	10脚	0	1	0	1
		BIT控制
			11脚	0	0	1	1
11	OSIZO
			BIT	16	18	20	24
		; h2 _& ~' N, h( R' E2 Y/ R3 c
12	COB	输出数据校正：“L”为二进制补偿：“H”为2’S补尝
13	JUST	输入数据识别：“L”向左识别至24BIT：“H”向右识别至18BIT
14	PCPL	输入数据闩锁：“L”在上升沿：“H”在下降沿被闩锁
15	SMUTE	软静音：“L”为关：“H”为开
16	DEEMPH	去加重滤波器：“L”为关：“H”为开
17	HMUTE	硬静音：“L”为关：“H”为开
18	FSEL	去加重滤波器fs：“L”为44.1KHZ：“H”为“48KHZ
19	SCAL	增益均衡：”L“为6DB：”H“为控制模拟增益
20	DG	DAC取样和同步消噪信号
21	VSS2	地（与VSS1共用）
22	VDD2	+5V电源（与VDD1共用）
23	DOR	R声道串行数据输出
24	DOL	L声道串行数据输出
25	WCK	码组时钟输出
26	BCKO	位时钟输出
27	HDCD	HDCD编码探测：“L”为不编码：“H”有编码（输出电流12MA）
28	LRCI	码组时钟输入 ( J) m ^! }& n" j( Y$ i

lostkings · 发表于 2006-6-19 22:58:00

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