什么是HDCD？

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

　　高兼容高解析度的HDCD

　　CD現(xiàn)狀

　　12cm 的CD 激光唱片問(wèn)世至今已十幾年的光景了。由于它許多特有的優(yōu)勢(shì)如：小型、容易保存、頻響寬、信噪比高、動(dòng)態(tài)范圍大，至今仍是 Hi Fi 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(diǎn)生硬感，細(xì)節(jié)少，臨場(chǎng)感欠缺。如果把近幾年風(fēng)起的 VCD 音質(zhì)也列于其內(nèi)的話，那就更使許多燒友、行家們宛惜之聲不絕了。

　　對(duì)于 CD 這種固有缺陷，得從 CD 當(dāng)年制定的紅皮書(shū)規(guī)格說(shuō)起。

　　限于當(dāng)時(shí)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(pán)紅皮書(shū)標(biāo)準(zhǔn)做了如下規(guī)定：唱盤(pán)直徑120mm，盤(pán)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(hào)記錄到這張光盤(pán)上，首先要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，其重現(xiàn)信號(hào)波形的條件基于香農(nóng)定理：設(shè)信號(hào)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?tīng)到的最高頻率為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(duì)于振幅進(jìn)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(cuò)碼、同步信號(hào)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(dāng)時(shí)激光唱盤(pán)容量和芯片技術(shù)的制約，量化采用了16 bit 操作，其能夠表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍D為D=20lg2＋1.76［dB］=98dB（n=16），這就是CD的理論動(dòng)態(tài)范圍。

　　20kHz的頻響，97dB的動(dòng)態(tài)范圍再加上低不可測(cè)的抖晃度，使得激光的唱盤(pán)在數(shù)字音響領(lǐng)域中大放異彩，很短的時(shí)間內(nèi)即成為Hi?Fi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(jìn)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(zhì)、音色的第一要素，44.1 kHz 的采樣能夠完整重現(xiàn)一個(gè)20kHz的正弦波，卻難以完整重現(xiàn)一個(gè)7kHz的非正弦信號(hào)。這是因?yàn)榉钦倚盘?hào)可分解一個(gè)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。

　　受當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)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(dòng)態(tài)范圍為98dB，實(shí)際上為留有一個(gè)安全裕量，以免出現(xiàn)強(qiáng)限幅，尚不能完全用足16bit，加上錄制編碼至解碼過(guò)程的丟失，使得動(dòng)態(tài)范圍難以突破96dB，這對(duì)于表現(xiàn)古典打擊樂(lè)（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(wú)限連續(xù)變化著的。而激光唱盤(pán)上的信息是將這些原始信息分成65536個(gè)階段進(jìn)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(lái)，CD所含有的信息即使能夠完全復(fù)原也與原來(lái)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(xì)節(jié)更豐富，用一個(gè)16位游戲機(jī)和32位游戲機(jī)的畫(huà)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(tīng)感發(fā)刺、混濁，尤其是小信號(hào)時(shí)影響更加突出，這些原信號(hào)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(gè)特例，VCD所表現(xiàn)的音質(zhì)更是典型的數(shù)字運(yùn)算后得出的結(jié)果。它較之普通CD唱片放音感覺(jué)更為空洞缺乏細(xì)節(jié)和層次，高音尖刺感更突出，這是因?yàn)閂CD為兼顧圖像聲音信息能夠在一張12cm的光盤(pán)上重放，對(duì)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(jué)的信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的壓縮和編碼重組，其過(guò)程為一大幅度減法運(yùn)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(jìn)行數(shù)字處理其音質(zhì)可獲得質(zhì)的飛躍，實(shí)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(shí)，受制于現(xiàn)行CD規(guī)格，不得不重新進(jìn)行編碼處理使得符合16bit/44.1kHz的格式，因此我們所能見(jiàn)到的標(biāo)有20、24bitCD唱盤(pán)，實(shí)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(wú)疑要增加信息容量和傳輸速度?，F(xiàn)行CD機(jī)無(wú)法勝任，好在DVD的面世已可解決這個(gè)問(wèn)題。但是高品質(zhì)音頻光盤(pán)的記錄格式尚未確定，而一旦確定則意味著已風(fēng)光市場(chǎng)十幾年的CD轉(zhuǎn)盤(pán)、DAC、LD、VCD機(jī)將與其無(wú)緣而成為玩具，即使上萬(wàn)元的CD機(jī)也難逃厄運(yùn)。

　　解決問(wèn)題另一辦法則是對(duì)先行CD進(jìn)行改良，以求得在現(xiàn)行體制下能有所突破，如同當(dāng)年黑白電視向彩色電視過(guò)渡一樣。HDCD技術(shù)則是這類方案中一個(gè)成功而成熟的典范。

　　HDCD簡(jiǎn)述

　　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(guó)Pacific Microsonics公司推出了具有專利保護(hù)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(jī)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(jī)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(xì)膩、動(dòng)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(duì)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 O·Johnson錄音師和Michael W.pflaumer計(jì)算機(jī)專家在多年音響制作中，查找并證實(shí)了對(duì)CD音質(zhì)影響的幾個(gè)關(guān)鍵因素，并提出切實(shí)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(hào)的完整和精確性，采用高于常規(guī)兩倍的取樣頻率88.1kHz對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(yùn)算留足了空間。

　　用24bit量化其取樣值為1677216個(gè)，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(dòng)態(tài)范圍至120dB。

　　在模擬至數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)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(dá)到的指標(biāo)為轉(zhuǎn)換精度百萬(wàn)分之一，失真分量《－120dBfs。

　　這個(gè)高精度、寬頻帶的數(shù)字信號(hào)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(wú)法將其容納。如要在普通CD機(jī)上兼容播放，需經(jīng)特殊運(yùn)算編碼方可。

　　用高采樣和高比特技術(shù)進(jìn)行CD的錄音制作已被普遍認(rèn)可和廣泛采用，但提醒一點(diǎn)是目前市場(chǎng)上所能見(jiàn)到的20、24bit CD激光唱盤(pán)其實(shí)質(zhì)應(yīng)是錄音過(guò)程中采用的比特?cái)?shù)，由于CD“紅皮書(shū)”所制定的44.1kHz/16bit標(biāo)準(zhǔn)格式制約，這些高信息量的母帶在灌制CD唱片時(shí)，均經(jīng)過(guò)重新運(yùn)算，編碼制成16bit的CD唱片。因此，我們現(xiàn)在CD唱機(jī)所能解讀出來(lái)的規(guī)格仍然是16bit/44.1kHz，由于各唱片公司在轉(zhuǎn)化過(guò)程所采用手法不同 ，我們現(xiàn)在能聽(tīng)到的不同版本的CD音質(zhì)也的確各有千秋，但有一點(diǎn)可以肯定：高比特高取樣技術(shù)制作的CD音質(zhì)遠(yuǎn)勝16bit/44.1kHz錄音格式制作的CD。

　　那么HDCD技術(shù)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(zhuǎn)換。首先對(duì)88.1kHz取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，這是HDCD技術(shù)一大特色。它采用多個(gè)數(shù)據(jù)插值濾波器經(jīng)分析系統(tǒng)做動(dòng)態(tài)控制，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析信號(hào)頻帶寬度，波峰能量和高頻信息，以高分辨信號(hào)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(gè)精細(xì)微妙的變化。

　　振幅分析。HDCD技術(shù)另一特點(diǎn)就是對(duì)振幅進(jìn)行了有效控制，由Decimation濾波器傳送的是一個(gè)24bit/44.1kHz的信號(hào)，為了容納這個(gè)信號(hào)，編碼器在這一級(jí)被精確地進(jìn)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(yùn)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(shí)過(guò)載出現(xiàn)削峰現(xiàn)象，在模擬磁帶記錄過(guò)程中采用電平壓縮方式以避免磁帶的飽含失真，而對(duì)于一個(gè)數(shù)字記錄系統(tǒng)過(guò)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(huì)對(duì)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(gè)絕對(duì)最大錄音電平（0dB）以保證峰值不削波。HDCD采用獨(dú)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(gè)比特（相當(dāng)于＋6dB）的容量來(lái)處理大動(dòng)態(tài)信號(hào)。由于采用數(shù)字運(yùn)算處理方式，這個(gè)擴(kuò)展信息能以精確穩(wěn)定的特性控制重放設(shè)備的譯碼器復(fù)原。加上數(shù)字處理特有的“超前處理”（Look ahead）能力，所以系統(tǒng)能在一個(gè)大信號(hào)開(kāi)始前瞬時(shí)恢復(fù)增益，提供更大信息容量避免信號(hào)瞬時(shí)過(guò)載。

　　對(duì)于這個(gè)一個(gè)比特的信息擴(kuò)張量，何時(shí)操作受制于HDCD的隱含控制碼（稍后講到），對(duì)于普通CD播放，信息無(wú)變化，而用HDCD譯碼器播放，則可在隱含碼的控制下，信息準(zhǔn)確膨脹，達(dá)到大動(dòng)態(tài)播放的目的。

　　高頻擾動(dòng)技術(shù)（Dither）。采用高頻擾動(dòng)技術(shù)，可提高量化信號(hào)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(hào)的諧波失真，而且有可能重現(xiàn)低于量化差值的信號(hào)。但如添加不當(dāng)，高頻振蕩（dither）將會(huì)變成真正的添加噪聲。HDCD技術(shù)采用了改良的高頻擾動(dòng)技術(shù)，使得音樂(lè)細(xì)節(jié)更為豐富而噪聲低不可聞。

　　HDCD隱含控制碼。對(duì)于HDCD的最后量化操作部分，為準(zhǔn)確控制HDCD編碼記錄的超量信息在解碼器上精確播放，特設(shè)置一相關(guān)的控制代碼，這個(gè)代碼被插入數(shù)據(jù)記錄的字組段中的最小有效位LSB位，如被普通CD機(jī)播放該碼為隱含而不被激發(fā)。由于所處的特定位置且只占LSB位元的1％～5％，對(duì)于CD音質(zhì)的影響弱不可聞。當(dāng)用HDCD解碼器播放時(shí)，系統(tǒng)可準(zhǔn)確捕捉該隱含碼并用來(lái)激活主要數(shù)據(jù)通道的信息，使得信息量膨脹，得到數(shù)倍于普通CD格式的信息輸出，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換即可獲得大動(dòng)態(tài)、細(xì)節(jié)豐富、高信噪比的模擬音頻信號(hào)。

　　為避免誤碼操作，HDCD采用在主副通道設(shè)置雙重代碼同步計(jì)時(shí)器，這樣它與該字組段中的主要信息相伴而生時(shí)序不會(huì)錯(cuò)位。只有在隱含碼與主要相關(guān)代碼呼應(yīng)時(shí)，主通道選擇數(shù)據(jù)才有效，否則取消解碼操作。

　　模擬音頻信號(hào)經(jīng)緩沖器低通濾波后，先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并用一個(gè)高頻擾動(dòng)信號(hào)對(duì)ADC實(shí)時(shí)控制，量化產(chǎn)生88.1kHz、24bit數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流向主副兩通道，主通道信息被延遲存儲(chǔ)，而副通道信息相對(duì)于主通道提前一個(gè)分量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生控制信號(hào)，該信號(hào)動(dòng)態(tài)控制數(shù)字濾波器做取樣率變換，振幅編碼和增益控制。最后由微處理器將分析、濾波、數(shù)據(jù)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(chǎng)、微細(xì)聲音），與控制碼一起組合生成隱含碼被插入主通道音頻數(shù)據(jù)LSB位，經(jīng)高頻擾動(dòng)處理后再量化為16bit/44.1kHz標(biāo)準(zhǔn)CD格式輸出，完成全套HDCD編碼過(guò)程。

　　HDCD的解碼過(guò)程與PMD100

　　HDCD的解碼操作是編碼過(guò)程的逆動(dòng)作。設(shè)計(jì)目的是在DAC的數(shù)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(shù)字濾波雙重作用。

　　解碼器首先檢測(cè)數(shù)據(jù)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(xù)指令激活主通道音頻數(shù)據(jù)信息使之膨脹，恢復(fù)在編碼過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)信息的壓縮。由于隱含碼的控制，可準(zhǔn)確地對(duì)波峰進(jìn)行適時(shí)擴(kuò)展，對(duì)低于平均電平值的信息做適當(dāng)?shù)脑鲆嫦聹p，因此HDCD方式可獲得高于常規(guī)的大動(dòng)態(tài)及小信號(hào)的高清晰度。

　　作為HDCD的唯一解碼芯片是美國(guó)PMI公司生產(chǎn)的PMD100，該芯片需經(jīng)授權(quán)使用。它是一個(gè)28腳DIP封裝的大規(guī)模集成電路。

　　當(dāng)PMD100接收到輸入數(shù)據(jù)為HDCD編碼方式則自動(dòng)轉(zhuǎn)換到HDCD解碼格式下工作，并在其27腳輸出電流驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光管做狀態(tài)指標(biāo)。

　　當(dāng)非HDCD信號(hào)時(shí)，信息數(shù)據(jù)被接收做常規(guī)超取樣數(shù)字濾波處理，因此該器件有雙重特性。在做普通CD格式數(shù)字濾波器使用時(shí)該器件特性也相當(dāng)優(yōu)良，通帶紋波從0～20kHz不超過(guò)0.0001dB，阻帶衰減》120dB。

　　該器件的其它特性為：

　　·具有2、4、8倍超取樣數(shù)字濾波

　　·可接受24bit輸入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式

　　·具有數(shù)字去加重功能

　　·可用0.188dB步長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)字音量控制

　　·時(shí)鐘頻率為256fs或384fs可選

　　·具有軟、硬兩種靜噪方式

　　·提供硬件設(shè)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(dòng)模式以適應(yīng)不同類型的DAC

　　·提供恒定輸出時(shí)鐘到DAC，即使輸入數(shù)據(jù)和主脈沖都丟失也能保證DAC輸出無(wú)偏移和產(chǎn)生脈沖的可能

　　解碼芯片PMD 100的管腳排列與一些頂級(jí)數(shù)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(jī)上，通過(guò)稍加改動(dòng)就可將普通CD機(jī)或DAC改為具有HDCD解碼功能的處理器了。