HDCD

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方式編碼製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、動態範圍廣闊、信噪比極高，音色更為自然逼真。

12cm的CD激光唱片問世至今已十幾年的光景了。由於它許多特有的優勢如：小型、容易保存、頻響寬、信噪比高、動態範圍大，至今仍是 HiFi 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 音質也列於其內的話，那就更使許多燒友、行家們宛惜之聲不絕了。

對於CD這種固有缺陷，要從CD 當年制定的紅皮書規格說起。

限於當時微處理技術軟硬體的限制，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，調製方式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碟上，首先要對模擬信號進行採樣，其重現信號波形的條件基於香農定理：設信號帶寬為Bw，採樣頻率為fs，如滿足Bw<=fs/2的條件，即可完整重現原波形。基於人耳可聽到的最高頻率為20kHz這一研究結果，CD的採樣頻率為44.1kHz，將採樣所得的採樣值相對於振幅進行離散的數值化操作(即量化)就可得到一系列的脈衝串，再加上CIRC糾錯碼、同步信號和地址信息之後，再經EFM格式調製后所得到的數據信息即可灌制到CD唱片上了。

由於受當時激光唱盤容量和晶元技術的制約，量化採用了16 bit 操作，其能夠表現的動態範圍D為D=20lg2+1.76[dB]=98dB(n=16)，這就是CD的理論動態範圍。

20kHz的頻響，97dB的動態範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HiFi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44.1 kHz/16bit的記錄格式其缺陷已日漸突出。

首先，44.1kHz採樣率是影響音質、音色的第一要素，44.1 kHz 的採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。

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範圍為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，加上錄製編碼至解碼過程的丟失，使得動態範圍難以突破96dB，這對於 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)。

由於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捨五入，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位遊戲機和32位遊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(量化雜訊)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的光碟上重放，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。

如果採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先期製作採用如96kHz取樣率、20～24bit的錄音技術製作母帶，但在製作CD唱片時，受制於現行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，採用高取樣，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。但是高品質音頻光碟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。簡言之，HDCD技術是這類方案中一個成功而成熟的典範。

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製作中，查找並證實了對CD音質影響的幾個關鍵因素，並提出切實可行的解決方案。

HDCD技術是在前期錄音製作中即重視所錄製信號的完整和精確性，採用高於常規兩倍的取樣頻率88.1kHz對模擬信號進行採樣，以最大限度地展寬高頻響應，減少缺損性失真，高的採樣率也為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，採用高位元處理技術可以提高處理精度，降低量化誤差，增加動態範圍至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編碼製造的基礎，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。

用高採樣和高比特技術進行CD的錄音製作已被普遍認可和廣泛採用，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採用的比特數，由於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，編碼製成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，由於各唱片公司在轉化過程所採用手法不同，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：高比特高取樣技術製作的CD音質遠勝16bit/44.1kHz錄音格式製作的CD。

那麼HDCD技術又是怎樣製作與普通CD兼容的高清晰度唱片呢?

首先對88.1kHz取樣數據進行動態轉換，這是HDCD技術一大特色。它採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最後採樣率，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。

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然後再分配到16bit格式中運行。

自然界的音響變化範圍是很寬的，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採用電平壓縮方式以避免磁帶的飽含失真，而對於一個數字記錄系統過載可導致出現不必要的量化誤差(數據碎片)，同樣會對音質產生影響。為此普通A/D轉換器設備都有一個絕對最大錄音電平(0dB)以保證峰值不削波。HDCD採用獨特的振幅編碼技術，可獲得比常規數字記錄多出一個比特(相當於+6dB)的容量來處理大動態信號。由於採用數字運算處理方式，這個擴展信息能以精確穩定的特性控制重放設備的解碼器復原。加上數字處理特有的“超前處理”(Look ahead)能力，所以系統能在一個大信號開始前瞬時恢復增益，提供更大信息容量避免信號瞬時過載。

對於這個一個比特的信息擴張量，何時操作受制於HDCD的隱含控制碼(稍後講到)，對於普通CD播放，信息無變化，而用HDCD解碼器播放，則可在隱含碼的控制下，信息準確膨脹，達到大動態播放的目的。

高頻擾動技術(Dither)。採用高頻擾動技術，可提高量化信號的分辨能力，使之量化器的非線性變換特性得以改善，降低低電平信號的諧波失真，而且有可能重現低於量化差值的信號。但如添加不當，高頻振蕩(dither)將會變成真正的添加雜訊。HD CD技術採用了改良的高頻擾動技術，使得音樂細節更為豐富而雜訊低不可聞。

對於HDCD的最後量化操作部分，為準確控制HDCD編碼記錄的超量信息在解碼器上精確播放，特設置一相關的控制代碼，這個代碼被插入數據記錄的字組段中的最小有效位LSB位，如被普通CD機播放該碼為隱含而不被激發。由於所處的 特定位置且只佔LSB位元的1%～5%，對於CD音質的影響弱不可聞。當用HDCD解碼器播放時，系統可準確捕捉該隱含碼並用來激活主要數據通道的信息，使得信息量膨脹，得到數倍於普通CD格式的信息輸出，經DA轉換即可獲得大動態、細節豐富、高信噪比的 模擬音頻信號。

為避免誤碼操作，HDCD採用在主副通道設置雙重代碼同步計時器，這樣它與該字組段中的主要信息相伴而生時序不會錯位。只有在隱含碼與主要相關代碼呼應時，主通道選擇數據才有效，否則取消解碼操作。

模擬音頻信號經緩衝器低通濾波后，先進行模數轉換，並用一個高頻擾動信號對ADC實時控制，量化產生88.1kHz、24bit數據流，該數據流向主副兩通道，主通道信息被延遲存儲，而副通道信息相對於主通道提前一個分量進行數據分析產生控制信號，該 信號動態控制數字濾波器做取樣率變換，振幅編碼和增益控制。最後由微處理器將分析、濾波、數據再格式化容易被漏失的信息分離(這些信息可能涉及到音色、聲場、微細聲音)，與控制碼一起組合生成隱含碼被插入主通道音頻數據LSB位，經高頻擾動處理后再量化為 16bit/44.1kHz標準CD格式輸出，完成全套HDCD編碼過程。

HDCD的解碼操作是編碼過程的逆動作。設計目的是在DAC的數字濾波器部位用HDCD解碼專用集成電路取代，完成HDCD信息解碼及超取樣數字濾波雙重作用。

解碼器首先檢測數據流中的LSB位中是否攜帶有HDCD隱含碼，如有則按照隱含碼的連續指令激活主通道音頻數據信息使之膨脹，恢復在編碼過程中對數據信息的壓縮。由於隱含碼的控制，可準確地對波峰進行適時擴展，對低於平均電平值的信息做適當的增益下減，因此HDCD方式可獲得高於常規的大動態及小信號的高清晰度。

作為HDCD的唯一解碼晶元是美國PMI公司生產的PMD100，該晶元需經授權使用。它是一個28腳DIP封裝的大規模集成電路。

當PMD100接收到輸入數據為HDCD編碼方式則自動轉換到HDCD解碼格式下工作，並在其27腳輸出電流驅動LED發光管做狀態指標。

當非HDCD信號時，信息數據被接收做常規超取樣數字濾波處理，因此該器件有雙重特性。在做普通CD格式數字濾波器使用時該器件特性也相當優良，通帶紋波從0～20kHz不超過0.0001dB，阻帶衰減>120dB。

·具有2、4、8倍超取樣數字濾波

·可接受24bit輸入數據及同精度處理

·可按受32～ 55kHz任一輸入取樣頻率

·輸出16、18、20及24bit不同數據格式

·具有數字去加重功能

·可用0.188dB步長進行數字音量控制

·時鐘頻率為256fs或384fs可選

·具有軟、硬兩種靜噪方式

·提供硬體設定及程序方式兩種控制模式，

·提供8種不同類型的高頻擾動模式以適應不同類型的DAC

·提供恆定輸出時鐘到DAC，即使輸入數據和主脈衝都丟失也能保證DAC輸出無偏移和產生脈衝的可能

解碼晶元PMD 100的管腳排列與一些頂級數字濾波器有相似之處，如SM5842、SM5803、DF1700等，因此在有上述濾波器的DAC或CD機上，通過稍加改動就可將普通CD機或DAC改為具有HDCD解碼功能的處理器了。