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几种音乐盘片格式XRCD、HDCD、SACD 、DVD-Audio解析比较
ahaonet 发表于 - 2008-3-9 17:06:00

扩展解析度CD-XRCD




XRCD是由日本JVC公司开发研制出来的,这种“扩展解析度CD”(Etended ReSOlutiOn Compact DiSC XRCD)技术的重点是加强母带录音处理及CD唱片的制作,其目的是让聆听者听到更高保真度和更好音质表现的录音效果。XRCD的录音处理技术均是在目前的CD标准范围之内,因此,重播XRCD版本的CD唱片不需要特殊的CD唱机和解码器,目前的CD重播设备均能重放XRCD版本的CD唱片。

一般来说,现在的原始录音多是通过U-matic 1630开盘式录音座处理并转换成原版磁带,然后再送到唱片生产厂生产出压片母版,最后生产出CD唱片来。就这一点来说,音乐艺术家、唱片制作人、音响录音师门都希望CD唱片能重放出自己心目中的理想的原音效果。不过,出干制作工序并不是标准化的,因此即使是数字化处理是正确的,也并不意味着CD唱片总是能重放出最好的音质。既然唱片制作处理工作是由各个不同环节组成的,那么唱片的整体性能表现就有可能受制于这些环节。这也就是说,在唱片制作时,工作人员必须格外细心,对母带处理及唱片制作的各个方面都必须一丝不苟。

因此,为了保留原始录音的最好的声音纯净度,JVC公司在母带处理及唱片制作的每一步骤中都付出了辛勤的工作。其目标的实现不只是依靠技术手段,广泛的试听测试也是最好的测定方法之一。作为整个录音技术处理流程,录音设备、传输接口、交流电源校准、字时钟分配、母带格式、重放系统和CD重放设备都需经过测试。最终的结果就是JVC公司推出了XRCD。相以前的CD唱片相比,XRCD版本的CD唱片具有更清澈的清晰度,更精确的声像呈现,更高的音质表现。更重要的是,听XRCD版本的CD唱片不需要特殊的解码处理,其重放方法同原有的CD唱片一样。

XRCD录音技术的着手点是母版带电平。直接来源于母版带控制台的模拟信号经过JVC公司的20比特K2超级编码(2O bit K2 Super Coding)技术进行数字化处理。JVC公司的这种K2是一种20比特量化精度、128倍超取样的模/数转换器。其特点是动态范围高达108dB(-96dB,THD),平坦的频率响应(2OHz,2OKHz,+0.O5dB),低电平信号具有极低的谐波失真等。

K2超级编码还提供有20比特转换为16比特的比特下降模式,以及在数据流中通过接口信号的再成形处理来消除时基抖动误差的功能。这两个功能对唱片制作也大有稗益。20比特数字信号通过SDIF-2标准传输界面(接口)传送到索尼PKM-9OO0光磁机。通过索尼PCM-9OO0将原始信息记存在光磁碟片中,而不是象以往一样,通过U-matic 1630开盘式录音座将原始信息记录在原版磁带之中。由于光磁碟片具有极好的稳定性以及20比特的存储容量,因此,JVC的XRCD利用它作为传送到唱片制作的音频记录媒体。位于日本横滨市的JVC唱片制作公司,就是通过SDIF-2传输标准,利用索尼PCM-9OO0光磁机,采用K2超级编码技术之中的20比特转16比特的工作模式进行录音数字处理。这种处理方式能使高解析度的20比特信号转换成16比特的信号时仍保留有完整的低电平信息。在没有采用噪声整形技术的同时,能确保信号具有真正的16比特动态范围。最后,16比特信号再进行EFM编码处理。

另一个K2 电路叫作K2 Laser在把EFM信号传送到激光拾取头之前,通过K2 Laser电路对EFM信号进行再成形处理。这个电路的输出级同样采用K2超级编码接口。通过K2 Laser电路可以消除可能会出现在数据流之中的时基抖动。贯穿于整个处理过程,需将宇时钟放大镜分配至各个过程之中,以获得最大值的优异的信号保真度。同样地,每一台设备的电源在供应之前也需进行净化处理。为了保证音质以及音乐内在性能得到真实记录和重现,设备之间的电缆连线和插座等都采用SDIF-2接口。经过测试,SDIF-2标准接口具有更好的数字音频信号传输性能,远胜于AES/EBU传输标准。至于CD唱片的反射层也经过大量测试,包括采用24K镀金膜及纯铜膜反射层,最后测定出铝膜反射层具有最好的音频效果。XRCD最后的制作过程就是将高质量的数宇信号从母版带上转录到CD唱片上。

JVC之所以精工细作采用XRCD,是为保证聆听者在享受音乐的同时,音乐艺术家、唱片制作人和音响录音师门的各自初衷也都能一一真实呈现。同样的原始录音,经过不同的录音技术处理,在音质表现和声像呈现面必然会出现细微的差别。而XRCD,追求的就是真实的原音再现。

超级CD-SACD



音响媒体从模拟唱片转为CD后,数码技术便迅速开始进入千家万户。当初,人们在设计CD时,为了消除折迭噪声,根据“人耳感受不到20KHz以上超声”听听觉特点,将CD的取样频率定为44.1KHz,使CD录音范围的高端位于20 KHz(44.1 KHz的一半)。这虽然是历史条件所造成的一个错误,但以当时的技术水平而论,CD的录音范围也只能是这样。尽管如此,CD的音质已令人耳一新——20 Hz~ 20KHz的频率响应,超过30dB的动态范围、超过90dB的信噪比、低于0.01%的谐波失真,这一切比起乙烯树脂的长寿模拟唱片端的是不可同日而语。流行了近一百年的模拟唱片,其重放时间是每面大约30分钟、频率响应是30Hz~20 KHz,动态范围仅70dB、信噪比低至60dB、谐波失真高达1%至2%。长期以来,音响发烧友一直强烈要求改善这种规格的CD音质,但由于技术条件未成熟,迟迟未能满足这一要求,最近,DVD的诞生实现了长时间、高密度的记录,读取光学讯息的半导体激光枪也可以使用更短的波长,从而使数据记录密度大幅度提高。有了这样的高密度记录技术,人们已可以在同样的光盘上记录比CD多出六倍以的上数据。具备了这样的条件后,人们便可以使录音的数据量摆脱以往的限制,利用新技术来改善音质。这种光学系统的技术开发和有关重放设备的性能改善,使现行CD的特性获得明显的,从而开拓出迈向新一代的音响媒体——Super CD。

一般地说,人耳听不见20 KHz以上的纯音(正弦波)。但是,在自然界的音响中几乎不存在纯音;音乐中也几乎没有纯音,因为纯音并不悦耳。纯音通常只出现在人为的测试音中,例如音叉、定音笛的声音或测试仪器发出的标准信号等。音响是非正弦波。自然界的虫声、雀鸟声和乐器中的铃声等都含有超过20 KHz的泛音成分,大多可达到100 KHz附近。根据傅里叶分析,所有非正弦都可以被分解成基波和若干次谐波。其二次谐波的频率是基波之倍,三次谐波是基波之三倍,依此类推。人耳能分辨纯音和非正弦波,两者的频率即使相同,听起来其音色却不一样,这正是人耳能分辨各种乐器的音色的原因。人耳能辨别20 KHz的纯音和20 KHz的非正弦波,说明了人耳能辨别20 KHz非正弦波所含的更高频率成分。

日本的电子技术综合研究所2000年作过一个实验。该实验所使用的刺激音是31.5KHz的谐波复合音(特地使31.5KHz中混有2次、3次、4次……10次以上的谐波成分),再从该信号中截取31.5KHz的基波成分和31.5KHz以上的谐波成分作为测试信号。其中,31.5KHz是9次谐波成分,称为目标音,通过ON/OFF开关切换,试验人耳能否分辨音质有无不同。

首先,采取两个系统重放,从扬声器A输出不含目标的信号,由扬声器B输出31.5KHz的目标音。测试时,操作人员还增减了31.5KHz的频谱,但参与试听的人员都感觉不到扬声器B目标音的ON和OFF对音色有任何影响。

跟着,在电路上混入目标音信号,由一只扬声器输出,此时,全体试听人员都能辨别出它对音质有影响。从声压谱可以看出,混入目标音时,35KHz和38.5KHz的超声波成分增加,被暗噪声掩盖的31.5KHz成分露出。这主要是因为扬声器的混合调制失真造成差拍之故。该实验无可争辩地证明了人耳的确能够辨别20KHz以上的超声。

后来,日本举行过多次新音响试听会,证明了重放频率扩展到100KHz的位流方式信号源和重放系统着实能令人耳目一新,绝大多数聆听者都认为新系统所重放的音响更接近原音。

Super CD的诞生

是这样的理念促使了Super CD系统的诞生。SACD是“Super Audio Compact Disc”的缩写,顾名思义,这是一种CD光盘的衍生物,以音响为主听的高密度光盘。

SACD光盘的分类也和CD一样,按其外径分为12厘和3厘米两种。另外,这种光盘亦可以按它的数据记录层来分类。其中与CD兼容的数据记录层就直接称之为CD层,而记录CD~100KHz超宽频带信号的高密度层则称之为HD层(High Density Layer)。两者之中的HD层是必不可少的,如果没有HD层,就不能叫做SACD;而CD层则可有可无,规格上对此并无硬性规定。

CD层在格式上和传统的CD一样,其数据也是以44.1KHz取产和16bit量化的方式记录的,因此,这种信号层也可以由普通的CD机读取。

SACD碟有三种结构。一种是单层HD(Hight Density)高密度碟,录入DSD信号。另两种均为双层碟。其中一种是混合式双层碟,即一面与CD兼容的CD层,另一面是将两层HD层粘合在一起的双层碟。在HD层上所记录的信号是采取DSP(Direct Stream Digital)直接位流数码)和PDM(Pulse Density Modulalion=胍动密度调制)作高速取样的二比特数据,经过无损编码(即没有信息失落的压缩)压缩到1/2左右的信号。

HD层有两个录音区。其一是以2.8224MHz取样的“双声道立体声区”。其一是以2.8224 MHz取样(CD的64倍)或2.1168 MHz(CD的48倍)取样的“六声道立体声区”,另外,在光盘的外沿还有三个“附加数据区”,即文本区、圆形区和短片区(简短的活动图像)。

众所周知,CD是由单独一块1.2毫米厚的塑胶片构成的,但是,SACD则改由两块0.6毫米厚的塑胶片相对贴合而成。SACD采取这种结构,是为了确保对激光的倾斜度不会超过容许的极限,以及确保光盘不易受潮扭曲。

数码记录格式的出现使翻录保护问题更尖锐化。因此SACD有四种防盗版措施:(1)不可见水印;(2)内容加密;(3)SACD反盗版标记;(4)可见水印。

Super CD的重放设备

去年五月索尼和飞利浦研制的Super CD机面世。以现时家用产品的水平而论,要实现100KHz的宽频带重放也并不困难。首先必须解决的问题是:确保作为“龙头凰尾”的收录咪高峰和扬声器两者的高端频率响应,并改善信号处理、放大电路的动态范围。目前,许多厂家已开始生产DC~100 KHz的宽频带录放设备。其动态范围在数码信号领域为144dB(20 KHz附近)和120dB(100KHz附近)。

在模拟信号领域为120dB(20KHz附近)。这是因为现行CD采取16bit量化,其动态范围的理论值为96dB ;改用20bit量化时时可达到120dB ,采用24bit高位量化时可达144dB。

通过高速取样提高时间轴方向的精度,上述技术指标也可以改由1bit方式来实现。索尼和飞利浦把这种技术称为直接流数码(DSD)。模拟信号进行64X过取样之复位流不经抽选就直接记录在光盘上,2.8224414 bits/s),这只是超过音频CD的4倍(16×44.100KHz=705.6Kbi.s/s),可以用现有磁带或光盘格式来处理。DSD在模/数变换时使用负反馈。把量化器的输出和模拟输入比较。如果量化器的数值较高,输出就是1,否则就是零。结果,正半周由一系列1组成,而负半周则由一系列0组成,这种处理方法称为脉冲密度调制(PDM)。索尼和飞利浦认为以这种方式产生的数码信号看来几乎是模拟的,而理论上你需要做的只是使它通过低通滤波器而把模拟信号复原。可是,实际情况并不是这幺简单。PDM脉冲串具有相当多的噪声,所以要用噪声成形滤波器来取昨高信噪比。DSD具有很宽的频响DC-100KHz,以及120Hz的动态范围,远远超越以前的模拟和数码录音系统。决定采用2.8224MHz取样频率是由于容易把它变换为标准的数码格式(32411.1和48KHz)这样就使向下变换DSD信号以便存档和制作母板的工作变得较为简单。

除了考虑有关器材的技术指标之外,还必须考虑到重放设备的安全性。为此,首先将重放频率高端限于100KHz,另外还要采取适当的应变措施。例如在Super CD重放机上加设一个超声滤波器和一个ON/OFF开关。但使用超声波放大器和扬声器时,该滤波器的ON/OFF开关应置于OFF处,即不起滤波作用,让超声波直通至放大器和扬声器。在使用传统的放大器和扬声器时,该ON/OFF开关应置于ON处,以滤除超声波成分;否则,超声波成分右能还使放大器输出级的保护电路动作,切断输出至扬声器的信号,以保护扬声器。如果该挂号信电路不动作或没有保护电路、便有可能导致扬声器损坏。

超声波扬声器和传统扬声器不同,它除了要重放人耳可闻的声音之外,还必须能够重放高达100KHz的超声波。为此,必须采用不同的设计。例如索尼公司推出的高音驱动单元,它的音圈分为两个同心圆筒,在两个同心圆筒之间加插一个单匝音圈。所谓单匝音圈,其实就是一层短路的铝箔。两种音圈构成了一个变压器,同心圆筒音圈为初级;单匝音圈为次级。这样,初级所产生的高热便可以通过次级、极靴和框架散出,保证扬声器长时间被100瓦以上的100KHz信号连续驱动而不会损坏。

此外,为了超声波录音的需要,人们也另起炉灶,专门设计了用于SACD的超宽频带咪高峰,DSD的模数变换器的数摸变换器,以及10GB磁带录音机和DSD编辑机等。

最后,必须指出一点,就是SACD不同于DVD-Audio,后者所录放的仍然属于人耳可闻的频率范围,与超声波无关。 

高兼容高解析度CD-HDCD



高兼容高解析度CD-HDCD

一、CD现状

12cm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Hi-Fi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HiFi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。
二、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?

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。

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。

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。

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的解码过程与PMD100

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,其解码流程如下图2所示。

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,该芯片需经授权使用。它是一个28脚DIP封装的大规模集成电路,图3是它的内部结构及功能图。

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:

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;

可按受32~ 55kHz任一输入取样频率;

输出16、18、20及24bit不同数据格式;

具有数字去加重功能;

可用0.188dB步长进行数字音量控制;

时钟频率为256fs或384fs可选;

具有软、硬两种静噪方式;

提供硬件设定及程序方式两种控制模式;

提供8种不同类型的高频扰动模式以适应不同类型的DAC;

提供恒定输出时钟到DAC,即使输入数据和主脉冲都丢失也能保证DAC输出无偏移和产生脉冲的可能。

解码芯片PMD 100的管脚排列与一些顶级数字滤波器有相似之处,如SM5842、SM5803、DF1700等,因此在有上述滤波器的DAC或CD机上,通过稍加改动就可将普通CD机或DAC改为具有HDCD解码功能的处理器了。

具有HDCD功能的HDAC200解码器特点介绍

带有HDCD解码功能的成品机国外品牌已有许多,如PS-AUDIO 的Kappa、ROTELR CD-990、LUXMAN D-700CD唱机,THETA DIGITAL的DS Pro Basic III DAC等。做为一个实例,这里将山东海威电子公司生产的HDA200 HDCD解码器做一简单介绍,该机是国内首批通过美国PMI公司HDCD认证产品。

该机主要技术特点:

一、 数字接收解调部分选用美国晶体公司低时基抖动24bit接收的CS8412CP

二、 HDCD解码芯片为PMD 100

三、 D/A 转换采用美国BB公司产多比特集成电路PCM 1702,这里未选用1比特方式DAC主要考虑到1比特方式DAC对时基抖动(Jitter)较为敏感,对于制作分体式数模转换器对时钟精度要求较高,需在接收解调部分添置二次锁相环等方式获得高精度时钟输出供一比特DAC使用,另外由于采用噪声整形技术和非常高的过取样频率,虽然解决了低电平信号的线性但信噪比和互调失真较大。而PCM1702采用新方法解决低电平信号的线性,使用2个19比特的DAC组成线性互补电路,共用一个参考基准和比特电流源的R-2R阶梯电阻网络,以确保在各种条件下实现理想跟踪,通过交叉存储2个DAC的比特数和应用激光精密微调电阻网络获得两个19比特DAC之间的高精度匹配。

该芯片最大特点是即使在-90dB输出时,其(THD+N)失真加噪声仍然很小,这就保证了弱音重放的真实和细腻。

PCM 1702按其精度分三个档次:P、U级,P、UJ级,P、UK级。U为贴片封装,P为标准DIP封装,这三个级别在动态范围,信噪比等指标都是相同的,主要区别 在于THD+N指标上,在0dB电平处,J级为-96dB、K级为-100dB,P(U)级为-92dB,约含0.0025%,在-60dB电平处,P(U)级为-46dB,K级为-50dB。

四、 该机在设计上注重布局和电源设计,注意数字—模拟电路的分开隔离,数字 部分供电采用独立的R型变压器及稳压电源单独供电,模拟部分采用左右声道独立供电 方式,使得通道分离度极高,选用日本三洋OS电容做电源滤波和去耦合,采用双面玻纤印板装配,机箱面板采用8mm铝合金切削并着金色处理,由于良好的电路布局和工艺设计,在美国HDCD认证时一次通过并获好评。

目前,市场上可见到许许多多带有HDCD标志的激光唱片,像NAXOS代理RR公司录制的《泰利号快车》编号RR-77CD,《摇摆年代》RR-59CD,TOP MUSIC公司的《排箫天碟》编号TMCD1025等,如有机会请在普通CD机或是在具有HDCD解码功能的DAC上对比播放一下,您定会体会到HDCD所特有的无穷魅力。

DVD-Audio 

DVD-Audio音频格式

二十世纪末,即1999年国际上提出两种新的音频格式。一种是索尼和飞利浦公司于1999年初颁布的超级音频CD(Super Audio CD,简称SACD)的1.0版本;另一种是DVD联盟指导委员会于1999年3月通过的DVD-Audio(简称DVD-A)的1.0版本,并于8月最后定稿的DVD-A音频格式。由于SACD音频格式不在本文讨论范围内,只列出了DVD-A和CD的技术性能对比。

1、DVD-A和CD均采用120mm直径碟片,但DVD-A的信息容量已大大增加,从CD的650MB扩展到DVD-A的最大容量17GB,记录时间也从CD的74分钟延长到DVD-A的最长时间400分钟。

2、DVD-A两声道格式的取样频率最高达192Hz,多声道格式的最高取样频率达96Hz,而CD的两声道取样频率为44.1Hz。

3、DVD-A的最高量化精度为24bit,而CD的量化精度仅为16bit。

4、DVD-A的重放频率范围为DC-96KHz,而CD的重放频率范围为5-20Hz。

5、DVD-A的动态范围最高可达114dB,而CD的动态范围为98dB。

因此,DVD-A的技术指标全面高出CD很多。

与CD相比,DVD-A的另一特点是可以实现多声道重放。DVD-Video(简称DVD-V,即目前的DVD机)虽也能进行多声道的重放,但DVD-V多声道重放时采用的是DD、DTS等压缩音频格式,丢失了一些声音细节,对于音质不利,而DVD-A的多声道的记录与重放则采用了与CD相同的非压缩线性脉冲调制PCM或者无损压缩技术MLP,可最大限度地保持原有声音的保真度,是多声道放声中比较完美的技术。

DVD-A的又一特点是可以兼容DVD-V,即既可作重放音频,也可作重放视频用,当然,DVD-A也兼容CD。

DVD-A碟机

1999年10月松下公司首先推出了DVD-A7和DVD-A10两款DVD-A样机。随后JVC公司的XV-D9000和先锋公司的DV-AX10(兼容SACD)和DV-S10A样机也相继登场,正当各开发商跃跃欲试准备大举向DVD-A市场挺进之时,出现了一个小插曲,影响了DVD-A机的开发进程。

1999年10月,一名年轻的挪威计算机程序员成功地破译了CSS加密系统。CSS(Content Scram bling System)加密系统全文叫“内容不规则系统”,是防止对DVD光盘进行非法复制的一种版权保护系统。CSS加密系统破译后它的破译方法已在因特网上传播,所以利用计算机很容易进行盗版和复制。虽然DVD视频产品用的是CSS加密系统,而DVD音频产品用的是CSS2加密系统,即CSS加密系统的更新版本,但不少人担心CSS2加密系统也会被破译,而在计算机上复制一曲音乐只要很短时间就够了。所以DVD-A软件开发商对CSS加密系统破译的反应极为强烈,他们推迟了DVD-A唱片的发行工作,并且认为必须建立更有效的加密系统,才可能发行DVD-A唱片。好在不久之前,一种新的加密系统CPPM(Copy Protection For Prerecorded Media,预录载体复制保护)已经建立,它比CSS具有更高的安全性。因此,在DVD-A硬件和软件开发商面前又显露了一线曙光。

JVC XV-D723是在新形势下推出的新一代DVD-A商品机,它于今年8月在欧洲面市,其售价为1600马克(约合人民币6千余元)。在德国市场上,它的价格同安桥DV-S525以及索尼DVP-S725D机的价格相当,并不算高,相当于一台中高档DVD机的价格。该机兼容DVD-V和CD。

DVD机芯,中部后方是视频部分,右方是音频部件。四部分各自独立,减少了相互干扰的可能性。JVC XV-D732机在视频和音频方面均耗资不菲。视频方面采用一个数码处理器来调节清晰度、色温和画面放大,音频部分则采用24bit数模转换器。在六通道输出前设置解码器。可以对杜比数字、DTS以及MPEG进行解码,以满足不同影碟片的要求,放大器不必再内置解码电路。

试听JVC XV-D732时,当然首先注重它的声音表现。试听时采用的是世界上第一张商品DVD-A唱片“Retold”。用两声道播放音乐时,192Hz/24bit的音乐格式不同凡响,它的空气感很好,声音的透明丰富是普通CD机很难达到的。欣赏多声道音乐时,空间感很自然,不会产生双声道放音时的那种“皇帝位”效应,犹如置身演奏现场。

展望

DVD-A机的发展前景究竟如何?是否能被市场所接受?这是国内外媒体非常关注的问题,目前尚难下定论。其原因是:

1、DVD-A和SACD都是高音质媒体,两者在将来的市场中鹿死谁手,或者两者平等发展,尚待观察市场的反应。SACD音频格式出台较早,索尼公司早在1999年5月即推出了首台SCD-1型SACD机,售价高达4500美元。索尼在随后推出的SCD-777ES型SACD机,以及马兰士公司、安桥公司和夏普公司推出的SCAD样机的价格均不低于25万日元(约2300美元)。据介绍,索尼SCD-1型SACD机的音质很好。该机只设两个声道,放音时的音质是其它数字音源无法比拟的。DVD-A机走的是另一条道路。除了先锋公司的DV-AX10机可兼容SACD,其售价高达50万日元外,去年推出的松下DVD A-10和DVD A-7样机定价仅分别为15万日元和12万日元(约1100美元);而本文提到的JVC XV-D732 DVD-A商品机的售价仅760美元。并且随着产量的增大,其价格肯定会进一步下降。看来,目前两者走的是不同的道路,SACD走的是高价位的贵族道路,完全以音乐的高享受为目标;DVD-A走的是低价位的大众化道路。

2、软件商的支持。任何硬件的发展均离不开软件的支持。DVD-A机也然。例如,超级VCD影碟机由于缺少碟片的支持,SVCD功能形同虚设,由于近年来DVD影碟片的不断丰富,DVD机的销售量正不断增长。SACD机的软件主要得到索尼音乐(SONY MUSIC)唱片公司的支持,它首批推出13张音乐唱片,并承诺以后每个月发行10张音乐唱片。这些软件对SACD机提供了一定的支持。DVD-A的软件供应情况要严峻得多。早先,影音大展播放DVD-A样机所用碟片都是本公司的试音碟片。以后又出现了CSS加密系统被破译的意外事故,推迟了DVD-A碟片的发行时间。目前,世界上出现了第一张商品DVD-A碟片“Retold”。DVD-A软件数量之少肯定会影响DVD-A机的发展。但软件开发商已认识到DVD-A机巨大的潜在市场,美国华纳和环球公司,日本JVC和天龙公司等均有意加盟DVD-A软件的发行工作。因此,DVD-A的软件种类将不断增多。DVD-A软件数量的多少肯定最终会影响DVD-A机的前程。

3、对多声道音乐的适应性。长期以来音乐爱好者收听的都是两声道立体声。由于习惯了两声道放送音乐,对声音的高保真程度也会以两声道为准。现在突然冒出一个陌生的多声道音乐,音乐爱好者是否能很快接受,还需要时间。例如对音场的DSP处理,有的认为效果很好,有的认为是画蛇添足,或者简直是垃圾。多声道音乐重放是一个新生事物,对于新生事物可能有一个适应过程,对它的接受可能需要一些时间。但有一点是肯的,只要DVD-A的声音确如介绍的那样,能使聆听者犹如置身于音乐厅内,那对发烧友来说肯定是不会反对的。因为还没有听说过哪位音乐爱好者宁愿在家里听高保真音响设备放送的音乐,而放弃去音乐厅聆听现场演奏的。只要货真价实,这个问题肯定会解决的。

4、DVD-A是作为多用途的音频载体而问世的,它可以兼容DVD-V,即它既可以用来听音乐,也可作家庭影院之用;而SACD只有重放音乐的功能。对于中国或某些其它国家,这种功能上的差别是极其重要的。在国内,CD机的市场比较小,同影碟机相比不可同日而语。除了少数喜欢欣赏音乐的发烧友会选购CD机外,绝大多数会选购视听兼顾的影碟机。DVD-A机在这一点上将胜出SACD机。

综合以上所述,看来SACD是面对有经济实力、有意欣赏高品位音乐的高级发烧友的。DVD-A具有多用途性,能兼容DVD-V,它是面对对视、听有一定要求的大部分老百姓的。DVD-A机的视频部分可以做到不低于目前的DVD-V机,DVD-A的音频又优于CD和DVD-V,只要DVD-A的价位与DVD-V相比不要过于悬殊,而且又有大量DVD-A软件(价格当然也不能太高)支持的话,DVD-A的前途是光明的,很可能由目前的DVD逐步过渡到DVD-A。至少在不久的将来,你在购买DVD机时多了一种选择,也为了在视觉和听觉上达到高品位享受提供了可能性

SACD(Super Audio Compact Disc)
  
  SACD是索尼提出的以DVD为储存媒体的下一代音乐储存规格。SACD的最大特色在于摒弃PCM,改用Delta-Sigma Modulation(△-∑调制,噪声修整技术),它是PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)的一种。其实Delta-Sigma Modulation是很常见的技术,低价的CD播放器、床头音响、CD随身听、声卡都是先将PCM信号经过Delta-Sigma Modulation然后再转为模拟信号的。Delta-Sigma Modulation可以用较低的成本和比较少的数字滤波器达到较高品质的声音水准,因此大受欢迎,飞利浦的Bitstream(比特流)也属此类技术。索尼将其改良的Delta-Sigma Modulation技术命名为DSD(Direct Stream Digital,直接流数字)。PWM不同于PCM采样,是以信号振幅大小为主,而且改为记录目前信息数值大于或是小于前一个信息,是相当复杂的技术,我们简略地以下图表示。
  
  SACD使用DSD的最大好处是从录音到播放全部都以Delta-Sigma Modulation处理数字信号,不用在录音时先用PWM采样再转回PCM储存,放音时又要把PCM经过PWM处理再经转回模拟信号的层层手续(听起来很笨,可是绝大部分的CD都是这样工作的),因此可以降低失真,以下是工作过程:
  
  SACD同样也有立体声和5.1声道的规格。由于SACD并非PCM编码,不需要多Bit储存振幅,只要1个Bit就够了,且采样率高达2822400Hz。SACD如同DVD-Audio有单面单层和单面双层的规格,比较特殊的是混合光盘(Hybrid Disc),此种格式第一层信息与普通CD相同,可以放到CD播放器中播放,第二层则是存放正宗的DSD信号,供SACD播放器播放。

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