HDCD的編碼解碼技術(shù)特點

　　HDCD即High Definition Compatible Digital(高解析度兼容性數(shù)碼技術(shù))的縮寫，它采用一種新的錄音技術(shù)，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(tǒng)CD制式 44.1KHz，16bit的高解析力編成數(shù)碼信號，此時產(chǎn)生的信號將多于普通CD所能容納的信號。

　　CD規(guī)格帶來的問題

　　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(yōu)勢如：小型、容易保存、頻響寬、信噪比高、動態(tài)范圍大，至今仍是HiFi設(shè)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(tǒng)LP唱片相比，CD所播放的聲音總有一點生硬感，細節(jié)少，臨場感欠缺。

　　對于CD這種固有缺陷，得從CD當年制定的紅皮書規(guī)格說起。

　　限于當時微處理技術(shù)軟硬件的限制，1982年2月發(fā)布的CD DA激光唱盤紅皮書標準做了如下規(guī)定：唱盤直徑120mm，盤速1.2m/s，調(diào)制方式EFM，誤碼校正CIRC，數(shù)據(jù)速率0.6Mbps，數(shù)據(jù)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(xiàn)信號波形的條件基于香農(nóng)定理：設(shè)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(xiàn)原波形?；谌硕陕牭降淖罡哳l率為20kHz這一研究結(jié)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(shù)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(jīng)EFM格式調(diào)制后所得到的數(shù)據(jù)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(shù)的制約，量化采用了16bit操作，其能夠表現(xiàn)的動態(tài)范圍D為D=20lg2+1.76[dB]=98dB(n=16)，這就是CD的理論動態(tài)范圍。

　　20kHz的頻響，97dB的動態(tài)范圍再加上低不可測的抖晃度，使得激光的唱盤在數(shù)字音響領(lǐng)域中大放異彩，很短的時間內(nèi)即成為HiFi放聲設(shè)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(shù)字音響進一步深化和探討。這種44.1 kHz/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(zhì)、音色的第一要素，44.1 kHz 的采樣能夠完整重現(xiàn)一個20kHz的正弦波，卻難以完整重現(xiàn)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(xiàn)，但三次以上的諧波在D/A轉(zhuǎn)換后可能丟失或畸變，至使最終得到的波形與原始信息產(chǎn)生差距，造成音色的變化。

　　當時的認識和條件制約，激光唱片的數(shù)據(jù)信息記錄格式定義為16bit其能夠?qū)崿F(xiàn)的理論動態(tài)范圍為 98dB，實際上為留有一個安全裕量，以免出現(xiàn)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(tài)范圍難以突破96dB，這對于 表現(xiàn)古典打擊樂(118dB)顯然不夠。這是人們發(fā)現(xiàn)的數(shù)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(xù)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(fù)原 也與原來的聲音相比有誤差。

　　如果量化的精度高，則重現(xiàn)原始模擬信息越逼真，細節(jié)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(jié)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(chǎn)生的誤差(量化噪聲)使得聽感發(fā)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(gòu)成了添加失真(additive distortion)。

　　做為數(shù)字音響的一個特例，VCD所表現(xiàn)的音質(zhì)更是典型的數(shù)字運算后得出的結(jié)果。它較之普通CD唱片放音感覺更為空洞缺乏細節(jié)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(yīng)忽視了那些人們不易察覺的信息，對數(shù)據(jù)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(jié)果是形似而神少。

　　如果采用高比特和高取樣率進行數(shù)字處理其音質(zhì)可獲得質(zhì)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(shù)制作母帶，但在制作CD唱片時，受制于現(xiàn)行CD規(guī)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(shù)據(jù)流。

　　如要改變CD現(xiàn)狀，一是推翻現(xiàn)有CD格式，采用高取樣，高比特記錄格式和播放設(shè)備，這無疑要增加信息容量和傳輸速度。現(xiàn)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(zhì)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(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)則是這類方案中一個成功而成熟的典范。HDCD的特點

　　為改善現(xiàn)有CD記錄格式的缺陷，使之既能高度兼容而在音質(zhì)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(shù)，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(lǐng)略到HDCD編碼錄音技術(shù)的優(yōu)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(zhì)清晰細膩、動態(tài)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(tǒng)CD錄音格式的局限與不足，PM公司的兩位HDCD創(chuàng)始人，Keith OJohnson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(zhì)影響的幾個關(guān)鍵因素，并提出切實可行的解決方案。

　　HDCD技術(shù)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(guī)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(yīng)，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(tǒng)高出256倍，采用高位元處理技術(shù)可以提高處理精度，降低量化誤差，增加動態(tài)范圍至120dB。

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

　　這個高精度、寬頻帶的數(shù)字信號構(gòu)成HDCD編碼制造的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)信息量十分龐大。用常規(guī)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(jīng)特殊運算編碼方可。

　　用高采樣和高比特技術(shù)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(zhì)應(yīng)是錄音過程中采用的比特數(shù)，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(jīng)過重新運算，編碼制成16bit的CD唱片。因此，我們現(xiàn)在CD唱機所能解讀出來的規(guī)格仍然是16bit/44.1kHz，由于各唱片公司在轉(zhuǎn)化過程所采用手法不同 ，我們現(xiàn)在能聽到的不同版本的CD音質(zhì)也的確各有千秋，但有一點可以肯定：高比特高取樣技術(shù)制作的CD音質(zhì)遠勝16bit/44.1kHz錄音格式制作的 CD。

HDCD編碼的CD碟片制作過程與兼容性

　　1.取樣頻率轉(zhuǎn)換。首先對88.1kHz取樣數(shù)據(jù)進行動態(tài)轉(zhuǎn)換，這是HDCD技術(shù)一大特色。它采用多個數(shù)據(jù)插值濾波器經(jīng)分析系統(tǒng)做動態(tài)控制，這個系統(tǒng)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(zhí)行結(jié)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(tǒng)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。

　　2.振幅分析。HDCD技術(shù)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(shè)備瞬時過載出現(xiàn)削峰現(xiàn)象，在模擬磁帶記錄過程中采用電平壓縮方式以避免磁帶的飽含失真，而對于一個數(shù)字記錄系統(tǒng)過載可導(dǎo)致出現(xiàn)不必要的量化誤差(數(shù)據(jù)碎片)，同樣會對音質(zhì)產(chǎn)生影響。為此普通A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備都有一個絕對最大錄音電平(0dB)以保證峰值不削波。HDCD采用獨特的振幅編碼技術(shù)，可獲得比常規(guī)數(shù)字記錄多出一個比特(相當于+6dB)的容量來處理大動態(tài)信號。由于采用數(shù)字運算處理方式，這個擴展信息能以精確穩(wěn)定的特性控制重放設(shè)備的 譯