HDCD的编码解码技术特点

2011-04-24 13:27:07来源: 互联网
什么是HDCD?

  HDCD即High Definition Compatible Digital(高解析度兼容性数码技术)的缩写,它采用一种新的录音技术,在将母带上的模拟音频信号送入HDCD编码器的时候,以超过传统CD制式 44.1KHz,16bit的高解析力编成数码信号,此时产生的信号将多于普通CD所能容纳的信号。

 

  CD规格带来的问题

  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。

  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44.1 kHz/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,44.1 kHz 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。

  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的特点

  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。

HDCD编码的CD碟片制作过程与兼容性

  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。

3.一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

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关键字:编码  解码  技术  特点

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0424/article_7610.html
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