激光唱片的数字音频标准

红灯记

9 {$ c/ `; c# n1 k5 D. SCD即Compact Disc的英文缩写，中文译作激光数字唱片，用来存储数字音频信息，如音乐歌曲等。早期，Philips公司、SONY公司希望用CD来保存数字高保真音乐，为此制定的标准称为Compact Disc-Digital Audio标准，简称CD-DA标准（CD-Audio Book）。符合这个标准的光盘都标有“Digital Audio”的标识。正式标准定义在1982年发布的红皮书(Red Book)中，包括定义了CD的尺寸、物理特性、编码方式、错误校正等。

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1979年，飞利浦（Philips）和索尼（Sony）结盟联合开发CD-DA(Compact Disc-Digital Audio,精密光盘数字音频）标准。飞利浦（Philips）已经是开发了商业的激光唱盘播放器，索尼（Sony）旗下则有十几年的数字记录技术研究经验。当它们就规范单一的音频技术进行协定时，这两个公司陷入了争吵——这就引入了潜在的不兼容的音频激光盘格式。
飞利浦（Phlipis）主要进行物理设计，它设计的CD类似于先前生产的激光唱盘，盘上的凹陷(pit)和平地(land)可以通过激光读取；索尼（Sony）则主要进行数模电路的设计，特别是数字编码和纠错码设计。
' D& j$ P+ M8 I/ x$ c, p9 [1980年，这两个公司发布了CD-DA标准，就是今天所说的红皮书标准（因发布文档的封面为红色而得名）。红皮书包括记录、采集以及今天仍然使用的120mm(4.72英寸）直径物理格式等规范。据说确定这个光盘尺寸是因为它可以容纳在没有中断情况下大约70分钟的贝多芬第九交响曲的全部内容。
* C9 v, X# W; p( k+ u该规范发布以后，这两家公司竞相推出第一款商用CD音频驱动器。由于索尼（Sony）在数字电路方面有丰富的经验，在与飞利浦（Phlipis）竞争了一个月以后最终取胜，并于1982年10月1日推出了CDP-101播放器和世界上第一个CD唱片——Billy Joe的52nd Street专辑。该播放器首先在日本上市，然后是欧洲，直到1983年初才打入美国市场。1984年，索尼（Sony）又推出了第一个可移动便携式CD播放器。
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# L3 u8 {- G) W, QCD唱盘是CD家族的第一个成员，其标准是其他CD标准的基础。声音是一种连续变化的模拟量，传统上采用模拟的方式记录。CD-DA克服了模拟唱盘的弱点，采用数字方式记录声音信息。基本方式如下：
（1）采样、量化
3 M0 g+ r: j* B- \把模拟的声音信号通过采样、量化转换成数字信号。
' ], k' g# B: h（2）编码
所谓编码，就是在有用数据中加入一定的纠错、同步和控制数据。在数据回放时，可以根据所记录的纠错数据判别读出的声音数据是否有错，如在一定范围内有错，可加以纠正。CD-DA采用差错校验码CIRC，用来检测和纠正因CD表面的划伤或灰尘产生的差错。
* r& S- \' j, d. B8 p: U- I在CD-DA中，立体声有两个声道（左右声道），因此每次采样有2个16位（bit）的样本，分别组成2个8位字节（byte）。6次采样共24字节组成一帧（frame），左右声道各12字节。红皮书定义98帧构成1节（Section），也称为1个扇区（Sector）。
CD-DA音频数据的采样频率为44.1kHz，因此1秒钟的音频数据率就为
9 T1 \3 o' `1 c1 c" _44.1×1000×2×(16÷8) = 176400字节/秒
1秒钟所需要的帧数为
176400÷24= 7350帧/秒
2 w, \/ ~' |0 P7 [1秒钟所需要的扇区数为
, p4 L& C. W5 h7 U. D% Z7350÷98=75扇区/秒
. c' P  }# H9 |. H换言之，每一扇区长度为1/75秒，包含2352字节数字音频数据。
9 o. Q9 z% q: }- a$ ~2 Z2 g* o每帧除左右声道音频数据（audio data）外，还包括：3字节同步信号（SYNC），1字节控制和显示子码（subcode/control and display），4字节Q错误校验码，以及4字节P错误校验码（表11-02-1）。
CD-DA的一帧

- I1 L: H" j9 P* d  f1 x2 y% y" W
6 T" F. }: v1 j" D3 q" [同步位不再经EFM（Eight-fourteen Modulation）调制，本身就是通道码。具体的码字是：
. r% t8 J6 @/ e6 _8 a0 L: v- e任何数据经EFM调制后都不会出现与同步码字相同的码。子码主要提供盘地址信息。Q校验码和P校验码都采用RS（Reed-Solomon，里德-索洛蒙）码，其中P校验是由(32，28)RS码生成的校验码，Q校验是由(28，24)RS码生成的校验码。
每个扇区所含音频数据量为98×24=2352（字节）：

红皮书还规定在2352字节的音频数据中添加两层错误检测和错误校验码（EDC/ECC，error detection and error correction code）。CD-DA在错误防护的前两层利用交叉插入的里德-索洛蒙编码（CIRC，Cross Interleave Reed-Solomon Code）。如果光盘被擦伤或沾上灰尘而使激光无法读数据，CD播放器就使用该CIRC重新形成音乐。
红皮书规定CD-DA的编码采用EFM。CD-DA的一帧36字节，除帧同步3字节外，其余用EFM编码；每一个域还要附加3个合并位（3 merge bits）。因此CD-DA一帧的通道位数是588（表11-02-2）。
一帧数据的通道位数
, n* H- u0 d! j) F

7 B" W) L$ J( B- x

一个扇区所含音频数据 6 t3 \8 q  O* r$ V' _

2352字节 ) z# c% ?! G3 q$ m) N

$ Y" K; ?7 Y" U) f! T) \9 o, v% B皮书规定，CD上的音频数据存放在一个或多个光道（tracks）上。每一光道通常是一首歌曲。一张标准CD-DA上最多可以有99条光道。一条光道可包含若干扇区。红皮书不仅定义了如何将音频存储在CD上，还定义了一种将图信息加在CD上的方法。这种类型的光盘通常称为CD+G光盘，或"CD plus graphics"光盘。在一张74分钟的红皮书标准光盘的子码（通道R~W）里大约可以存储16MB的图（用户数据）。
) k8 D0 ~2 A9 g8 k0 h) G9 `) A编码后的数据再经调制转换成通道码以确定光盘上凹痕和凸痕的长度。光盘记录时音频数据、控制和纠错码分别记录在不同的光道上。这也称红皮书（Red Book）或Mode 0规格。一张CD唱盘理论上可容纳约74分钟的立体声音乐信号。CD唱盘的成功，使它很快取代了普通留声机及密纹唱片。
5 X+ r; o% U( M& ]: T" [; y/ e5 d红皮书的部分内容汇总在表11-02-3中。
! U! N" i/ z; |3 T( ^2 g4 S+ d所有的光盘格式都是以CD-Audio格式为基础而发展的。

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