音響基礎知識大普及（五）

　　HDCD即High Definition Compatible Digital（高解析度兼容性數碼技術）的縮寫，它采用一種新的錄音技術，在將母帶上的模擬音頻信號送入HDCD編碼器的時候，以超過傳統CD制式44.1KHz，16bit的高解析力編成數碼信號，此時產生的信號將多于普通CD所能容納的信號。

　　高兼容高解析度的HDCD

　　CD現狀

　　12cm 的CD 激光唱片問世至今已十幾年的光景了。由于它許多特有的優勢如：小型、容易保存、頻響寬、信噪比高、動態范圍大，至今仍是 Hi Fi 設備的主要音源。隨著人們鑒賞力的提高，CD 音源固有的缺陷也日漸突出。同傳統 LP 唱片相比，CD 所播放的聲音總有一點生硬感，細節少，臨場感欠缺。如果把近幾年風起的 VCD 音質也列于其內的話，那就更使許多燒友、行家們宛惜之聲不絕了。

　　對于 CD 這種固有缺陷，得從 CD 當年制定的紅皮書規格說起。

　　限于當時微處理技術軟硬件的限制，1982年2月發布的CD DA激光唱盤紅皮書標準做了如下規定：唱盤直徑120mm，盤速1.2m/s，調制方式EFM，誤碼校正CIRC，數據速率0.6Mbps，數據量0.7GB。如要將變化著的模擬音頻信號記錄到這張光盤上，首先要對模擬信號進行采樣，其重現信號波形的條件基于香農定理：設信號帶寬為Bw，采樣頻率為fs，如滿足Bw《=fs/2的條件，即可完整重現原波形。基于人耳可聽到的最高頻率為20kHz這一研究結果，CD的采樣頻率為44.1kHz，將采樣所得的采樣值相對于振幅進行離散的數值化操作（即量化）就可得到一系列的脈沖串，再加上CIRC糾錯碼、同步信號和地址信息之后，再經EFM格式調制后所得到的數據信息即可灌制到CD唱片上了。

　　由于受當時激光唱盤容量和芯片技術的制約，量化采用了16 bit 操作，其能夠表現的動態范圍D為D=20lg2＋1.76［dB］=98dB（n=16），這就是CD的理論動態范圍。

　　20kHz的頻響，97dB的動態范圍再加上低不可測的抖晃度，使得激光的唱盤在數字音響領域中大放異彩，很短的時間內即成為Hi?Fi放聲設備的重要音源，以致人們毫不猶豫地拋棄了磁帶和膠木唱片。但是，隨著數字音響進一步深化和探討。這種44.1kHz/16bit的記錄格式其缺陷已日漸突出。

　　首先，44.1kHz采樣率是影響音質、音色的第一要素，44.1 kHz 的采樣能夠完整重現一個20kHz的正弦波，卻難以完整重現一個7kHz的非正弦信號。這是因為非正弦信號可分解一個基波加上二次三次…諧波組成。雖然基波能夠重現，但三次以上的諧波在D/A轉換后可能丟失或畸變，至使最終得到的波形與原始信息產生差距，造成音色的變化。

　　受當時的認識和條件制約，激光唱片的數據信息記錄格式定義為16bit其能夠實現的理論動態范圍為98dB，實際上為留有一個安全裕量，以免出現強限幅，尚不能完全用足16bit，加上錄制編碼至解碼過程的丟失，使得動態范圍難以突破96dB，這對于表現古典打擊樂（118dB）顯然不夠。這是人們發現的數字音頻所特有一種失真—缺損性失真（Subtractive distortions）。

　　由于原始模擬信息是無限連續變化著的。而激光唱盤上的信息是將這些原始信息分成65536個階段進行記錄的。16bit的CD錄音為完善信息只得把處理階段之間的聲音四舍五入，加到上一階段或下一階段中去。這樣一來，CD所含有的信息即使能夠完全復原也與原來的聲音相比有誤差。

　　如果量化的精度高，則重現原始模擬信息越逼真，細節更豐富，用一個16位游戲機和32位游戲機的畫面做比較很容易得出結論。低位的量化使得量化后的誤差也比高位的量化大，這些量化后產生的誤差（量化噪聲）使得聽感發刺、混濁，尤其是小信號時影響更加突出，這些原信號中未有的諧波成份構成了添加失真（additive distortion）

　　做為數字音響的一個特例，VCD所表現的音質更是典型的數字運算后得出的結果。它較之普通CD唱片放音感覺更為空洞缺乏細節和層次，高音尖刺感更突出，這是因為VCD為兼顧圖像聲音信息能夠在一張12cm的光盤上重放，對圖像和聲音信息利用人耳的掩蔽效應忽視了那些人們不易察覺的信息，對數據進行了大量的壓縮和編碼重組，其過程為一大幅度減法運算，其最終結果是形似而神少。

　　如果采用高比特和高取樣率進行數字處理其音質可獲得質的飛躍，實際上，不少錄音公司已在CD先期制作采用如96kHz取樣率、20～24bit的錄音技術制作母帶，但在制作CD唱片時，受制于現行CD規格，不得不重新進行編碼處理使得符合16bit/44.1kHz的格式，因此我們所能見到的標有20、24bitCD唱盤，實際上仍然為16bit的數據流。

　　如要改變CD現狀，一是推翻現有CD格式，采用高取樣，高比特記錄格式和播放設備，這無疑要增加信息容量和傳輸速度。現行CD機無法勝任，好在DVD的面世已可解決這個問題。但是高品質音頻光盤的記錄格式尚未確定，而一旦確定則意味著已風光市場十幾年的CD轉盤、DAC、LD、VCD機將與其無緣而成為玩具，即使上萬元的CD機也難逃厄運。

　　解決問題另一辦法則是對先行CD進行改良，以求得在現行體制下能有所突破，如同當年黑白電視向彩色電視過渡一樣。HDCD技術則是這類方案中一個成功而成熟的典范。

　　HDCD簡述

　　為改善現有CD記錄格式的缺陷，使之既能高度兼容而在音質上又能有所突破，美國Pacific Microsonics公司推出了具有專利保護的HDCD錄播新技術，它的英文全稱是High Definition Compatible Digital，譯為高解析度的CD。用HDCD方式編碼制造的激光唱片與普通CD具有高度的兼容性，用在普通的激光唱機上播放，已可領略到HDCD編碼錄音技術的優越性，如用帶有HDCD解碼功能的CD唱機播放，則可充分欣賞到全部釋放的HDCD信息所特有的魅力： 音質清晰細膩、動態范圍廣闊、信噪比極高，音色更為自然逼真。

　　HDCD的編碼與制造

　　針對傳統CD錄音格式的局限與不足，PM公司的兩位HDCD創始人，Keith O·Johnson錄音師和Michael W.pflaumer計算機專家在多年音響制作中，查找并證實了對CD音質影響的幾個關鍵因素，并提出切實可行的解決方案。

　　HDCD技術是在前期錄音制作中即重視所錄制信號的完整和精確性，采用高于常規兩倍的取樣頻率88.1kHz對模擬信號進行采樣，以最大限度地展寬高頻響應，減少缺損性失真，高的采樣率也為HDCD編碼運算留足了空間。

　　用24bit量化其取樣值為1677216個，它比16bit系統高出256倍，采用高位元處理技術可以提高處理精度，降低量化誤差，增加動態范圍至120dB。

　　在模擬至數字信號轉換過程中，HDCD技術十分重視轉換精度，盡量減少串音和處理的穩定性，其能夠達到的指標為轉換精度百萬分之一，失真分量《－120dBfs。

　　這個高精度、寬頻帶的數字信號構成HDCD編碼制造的基礎，其數據信息量十分龐大。用常規CD PCM編碼格式無法將其容納。如要在普通CD機上兼容播放，需經特殊運算編碼方可。

　　用高采樣和高比特技術進行CD的錄音制作已被普遍認可和廣泛采用，但提醒一點是目前市場上所能見到的20、24bit CD激光唱盤其實質應是錄音過程中采用的比特數，由于CD“紅皮書”所制定的44.1kHz/16bit標準格式制約，這些高信息量的母帶在灌制CD唱片時，均經過重新運算，編碼制成16bit的CD唱片。因此，我們現在CD唱機所能解讀出來的規格仍然是16bit/44.1kHz，由于各唱片公司在轉化過程所采用手法不同 ，我們現在能聽到的不同版本的CD音質也的確各有千秋，但有一點可以肯定：高比特高取樣技術制作的CD音質遠勝16bit/44.1kHz錄音格式制作的CD。

　　那么HDCD技術又是怎樣制作與普通CD兼容的高清晰度唱片呢？

　　取樣頻率轉換。首先對88.1kHz取樣數據進行動態轉換，這是HDCD技術一大特色。它采用多個數據插值濾波器經分析系統做動態控制，這個系統實時分析信號頻帶寬度，波峰能量和高頻信息，以高分辨信號精確控制濾波器的波通特性。執行結果使得即使變化為44.1kHz最后采樣率，其頻寬在16kHz～22kHz變化仍然很少。該系統有超越44.1kHz取樣率的記錄，能夠反映聲音的每個精細微妙的變化。

　　振幅分析。HDCD技術另一特點就是對振幅進行了有效控制，由Decimation濾波器傳送的是一個24bit/44.1kHz的信號，為了容納這個信號，編碼器在這一級被精確地進行振幅解析和增益控制量化編輯為20bit然后再分配到16bit格式中運行。

　　自然界的音響變化范圍是很寬的，突響的聲壓能造成記錄設備瞬時過載出現削峰現象，在模擬磁帶記錄過程中采用電平壓縮方式