Тип носителя | Оптический диск |
---|---|
Кодирование | 2 каналов аудио LPCM, каждое подписанное 16- битное значения выбираются на 44100 Hz |
Емкость | до 74–80 минут (до 24 минут для компакт-дисков mini 8 см) |
Механизм считывания | Полупроводниковый лазер (длина волны 780 нм) |
Стандарт | IEC 60908 |
Разработано | Sony и Philips |
Использование | Аудио хранилище |
Выпущено | 1980 |
Компакт-диск Digital Audio (CDDA или CD-DA ), также известный как Audio CD, является стандартным форматом для аудио компакт-дисков. Стандарт определен в Красной книге, одной из серии Rainbow Books (названных по цвету переплета), которые содержат технические характеристики для всех компакт-дисков форматы.
Красная книга определяет физические параметры и свойства компакт-диска, оптические параметры, отклонения и частоту ошибок, систему модуляции (модуляция от восьми до четырнадцати, EFM) и средства исправления ошибок (перекрестное чередование кодирования Рида – Соломона, CIRC), а также восемь каналов подкода. Эти параметры являются общими для всех компакт-дисков и используются всеми логическими форматами: аудио CD, CD-ROM и т. Д. Стандарт также определяет форму кодирования цифрового аудио (2-канальный signed 16-bit Linear PCM с дискретизацией 44,100 Гц ). Хотя эта спецификация используется редко, она позволяет мастеринг дисков с акцентом .
Первое издание Красной книги было выпущено в 1980 году компаниями Philips и Sony ; он был принят Комитетом по цифровым аудиодискам и ратифицирован Техническим комитетом 100 Международной электротехнической комиссии (IEC) в качестве международного стандарта в 1987 году со ссылкой на IEC 60908. Второе издание IEC 60908 был опубликован в 1999 г. и заменяет первое издание, поправку 1 (1992) и исправление к поправке 1. Однако IEC 60908 не содержит всей информации о расширениях, которая доступна в Красной книге, например, подробных сведений. для CD-Text, CD + G и CD + EG.
Стандарт не распространяется в свободном доступе и должен быть лицензирован. Его можно приобрести в Philips и в IEC. По состоянию на 2013 год Philips передает лицензию на стандарт Adminius, который взимает 100 долларов США за Красную книгу, плюс 50 долларов США за каждое приложение для каналов субкода RW и CD Text Mode.
Аудио, содержащееся в CD-DA, состоит из двухканального signed 16-бит Linear PCM с дискретизацией 44,100 Гц.
50>частота дискретизации адаптирована к той, которая достигается при записи цифрового звука на PAL (или NTSC ) видеокассету с адаптером PCM, более ранний способ хранения цифрового звука. Аудиодиск может представлять частоты до 22,05 кГц, частоту Найквиста из частоты дискретизации 44,1 кГц.
Долгие споры велись по поводу использования 16-битного (Sony) или 14-битного (Philips) квантования и 44 056 или 44 100 отсчетов / с (Sony) или примерно 44 000 отсчетов. / с (Philips). Когда рабочая группа Sony / Philips разработала компакт-диск, Philips уже разработала 14-битный цифро-аналоговый преобразователь (DAC), но Sony настаивала на 16-битном. В итоге Sony победила, поэтому преобладали 16 бит и 44,1 килосэмплов в секунду. Philips нашла способ добиться 16-битного качества, используя свой 14-битный ЦАП, используя четырехкратную передискретизацию.
. Некоторые компакт-диски мастерируются с предыскажением, искусственным усилением высоких звуковых частот. Предыскажение улучшает кажущееся отношение сигнал / шум за счет лучшего использования динамического диапазона канала. При воспроизведении проигрыватель применяет фильтр удаления акцента, чтобы восстановить кривую частотной характеристики до плоской в целом. Постоянные времени предыскажения составляют 50 мкс и 15 мкс (усиление 9,49 дБ на 20 кГц), а двоичный флаг в субкоде диска указывает проигрывателю применить фильтрацию удаления выделения, если это необходимо. Воспроизведение таких дисков на компьютере или «копирование» в волновых файлов обычно не принимает во внимание предварительное выделение, поэтому такие файлы воспроизводятся с искаженной частотной характеристикой.
Создатели компакт-диска изначально стремились обеспечить время воспроизведения 60 минут при диаметре диска 100 мм (Sony) или 115 мм (Philips). Вице-президент Sony Норио Огга предложил увеличить емкость до 74 минут, чтобы разместить запись Вильгельма Фуртвенглера, дирижирующего Девятой симфонией Людвига ван Бетховена на фестивале 1951 Байройт. Дополнительное 14-минутное время воспроизведения впоследствии потребовало перехода на диск диаметром 120 мм. Кес Шухамер Имминк, главный инженер Philips, однако, отрицает это, утверждая, что увеличение было мотивировано техническими соображениями, и что даже после увеличения размера запись Фуртвенглера не поместилась бы на одном из самые ранние компакт-диски.
Согласно интервью Sunday Tribune, история немного более сложная. В 1979 году Philips владел PolyGram, одним из крупнейших мировых дистрибьюторов музыки. PolyGram основала большой экспериментальный завод по производству компакт-дисков в Ганновере, Германия, который мог производить огромное количество компакт-дисков диаметром 115 мм. У Sony еще не было такой возможности. Если бы Sony согласилась на 115-мм диск, у Philips было бы значительное конкурентное преимущество на рынке. Длительное время воспроизведения Девятой симфонии Бетховена, наложенное Ohga, было использовано для того, чтобы Philips приняла 120 мм, так что Philips PolyGram потерял преимущество при изготовлении дисков.
74-минутное воспроизведение Время компакт-диска, которое превышает 22 минуты на сторону, типичное для долгоиграющих (LP) виниловых альбомов, часто использовалось в интересах компакт-дисков в первые годы, когда компакт-диски и LP соперничали за коммерческие продажи. Компакт-диски часто выпускались с одним или несколькими бонус-треками, что побуждало потребителей покупать компакт-диски для дополнительного материала. Однако попытки объединить двойные LP на один компакт-диск иногда приводили к противоположной ситуации, когда вместо этого компакт-диск предлагал меньше звука, чем LP. Одним из таких примеров был двойной альбом DJ Jazzy Jeff The Fresh Prince He's the DJ, I'm the Rapper, в котором на начальных CD-релизах альбома было несколько треков. уменьшена по длине, чтобы поместиться на одном диске; В результате недавние переиздания компакт-дисков упаковывают альбом на двух дисках. Появление 80-минутных компакт-дисков позволило переиздать некоторые двойные альбомы, которые ранее были отредактированы по длине или упакованы в виде двойных компакт-дисков, на одном диске, например, 1999 от Prince в случае первого и Томми от The Who в случае последнего.
Время воспроизведения более 74 минут достигается за счет уменьшения шага дорожки (расстояния, разделяющего дорожку при вращении диска по спирали) в нарушение строгих стандартов Красной книги. Тем не менее, большинство игроков по-прежнему могут размещать более близко расположенные данные, если они все еще находятся в пределах допусков Красной книги. Текущие производственные процессы позволяют аудио компакт-диску содержать до 80 минут (варьируется от одной репликационной фабрики к другой), не требуя от создателя контента подписания отказа, освобождающего владельца завода от ответственности, если произведенный компакт-диск частично или полностью не читается некоторым воспроизводящим оборудованием.. В современной практике максимальное время воспроизведения компакт-дисков увеличилось за счет снижения минимальных технических допусков.
В этой таблице показано изменение максимальной продолжительности выпущенных аудио компакт-дисков:
Название | Исполнитель | Метка | Выпущено | Время |
---|---|---|---|---|
Миссия Бирмы (компиляция) | Миссия Бирмы | Рикодиск | 1988 | 80:08 |
Провозглашение (бас-тромбон сольный концерт) | Дуглас Йео с Black Dyke Band | Doyen DOY CD 055 | 1996 | 80:17 |
Чайковский 's Щелкунчик | Оркестр им. Кирова усл. Валерий Гергиев | Philips / Polygram 462114-2 | 1998 | 81:14 |
Брукнера Пятый (live) | Мюнхенская филармония конд. Кристиан Тилеманн | Deutsche Grammophon 477 5377 | 2004 | 82:34 |
Этюды Шопена и Шумана | Валентина Лисица | Decca 478 7697 | 2014 | 85:16 |
So80s представляет Alphaville | Alphaville Куратор Blank Jones | Soulfood | 2014 | 85:10 и 85:57 |
Концерты Моцарта для скрипки (Моцарт 225, бокс-сет, CD75) | Различные исполнители | Decca / Deutsche Grammophon 478 9864 | 2016 | 86:30 |
Каждый аудиосэмпл имеет подписанный 16-битное дополнение до двух целое с выборочными значениями в диапазоне от -32768 до +32767. Исходные аудиоданные делятся на кадры, содержащие двенадцать отсчетов каждый (шесть левых и шесть правых отсчетов, чередующихся), всего 192 бит (24 байта) аудиоданных на кадр.
Этот поток аудиокадров в целом затем подвергается кодированию CIRC, которое сегментирует и переупорядочивает данные и расширяет их с помощью кодов исправления ошибок в способ, позволяющий обнаруживать и исправлять случайные ошибки чтения. При кодировании CIRC аудиокадры чередуются по всему диску по нескольким последовательным кадрам, так что информация будет более устойчивой к пакетным ошибкам. Следовательно, физический кадр на диске фактически будет содержать информацию из нескольких логических аудиокадров. Этот процесс добавляет 64 бита данных исправления ошибок к каждому кадру. После этого к каждому из этих кодированных кадров добавляются 8 битов подкода или данных подканала, которые используются для управления и адресации при воспроизведении компакт-диска.
Кодирование CIRC плюс байт субкода генерируют кадры длиной 33 байта, называемые кадрами «данных канала». Затем эти кадры модулируются посредством модуляции от восьми до четырнадцати (EFM), где каждое 8-битное слово заменяется соответствующим 14-битным словом, предназначенным для уменьшения количества переходов между 0 и 1. Это уменьшает плотность физических ямок на диске и обеспечивает дополнительную степень устойчивости к ошибкам. Три бита «слияния» добавляются перед каждым 14-битным словом для устранения неоднозначности и синхронизации. Всего 33 × (14 + 3) = 561 бит. 27-битное слово (24-битный шаблон плюс 3 бита слияния) добавляется в начало каждого кадра, чтобы помочь с синхронизацией, так что устройство чтения может легко найти кадры. Таким образом, кадр содержит 588 бит "данных канала" (которые декодируются только в 192-битную музыку).
Кадры данных канала, наконец, физически записываются на диск в виде ямок и площадок, где каждая ямка или паз представляет собой серию нулей, а с точками перехода - края каждой ямы - представляет 1. Совместимый с Красной книгой CD-R имеет пятна в форме ямок на слое органического красителя вместо настоящих ямок и площадок; лазер создает пятна, изменяя отражающие свойства красителя.
Из-за более слабой коррекции ошибок структура секторов, используемая на аудио CD и видео CD (Mode 2 Form 2 ), чем на дисках с данными ( Режим 1 или Режим 2 Форма 1), ошибки C2 не могут быть исправлены и означают потерю данных. Даже с неисправимыми ошибками проигрыватель компакт-дисков интерполирует их с целью сделать повреждение невыносимым.
Поток аудиоданных на аудио компакт-диске является непрерывным, но состоит из трех частей. Основная часть, которая далее делится на воспроизводимые звуковые дорожки, - это программная область. Этому разделу предшествует вводная дорожка, а за ней - выводная дорожка. Начальная и конечная дорожки кодируют только беззвучный звук, но все три раздела содержат потоки данных субкода.
Подкод вводной части содержит повторяющиеся копии таблицы содержания (TOC) диска, которая обеспечивает указатель начальных позиций дорожек в программной области и конечной точке. Позиции дорожек обозначаются абсолютным временным кодом относительно начала программной области в формате MSF: минуты, секунды и дробные секунды, называемые кадрами. Каждый кадр временного кода составляет одну семьдесят пятую секунды и соответствует блоку из 98 кадров данных канала - в конечном итоге, блоку из 588 пар левых и правых отсчетов звука. Временной код, содержащийся в данных подканала, позволяет считывающему устройству найти область диска, которая соответствует временному коду в оглавлении. TOC на дисках аналогичен таблице разделов на жестких дисках. Нестандартные или поврежденные записи TOC используются как форма защиты от копирования CD / DVD, например, в схема key2Audio.
Самый большой объект на компакт-диске называется дорожкой. Компакт-диск может содержать до 99 дорожек (включая дорожку данных для дисков со смешанным режимом ). Каждый трек, в свою очередь, может иметь до 100 индексов, хотя плееры, поддерживающие эту функцию, редко встречаются за пределами pro audio, особенно радиовещания. Подавляющее большинство песен записано под индексом 1, причем pre-gap имеет индекс 0. Иногда скрытые дорожки помещаются в конец последней дорожки на диске, часто с использованием индекс 2 или 3. Это также относится к некоторым дискам, предлагающим "101 звуковой эффект", при этом 100 и 101 индексируются как два и три на треке 99. Индекс, если он используется, иногда помещается в список треков в виде десятичной дроби. часть номера трека, например 99.2 или 99.3. (Компакт-диск Information Society Hack был одним из немногих выпусков компакт-дисков, сделавших это, после выпуска с столь же малоизвестной функцией CD + G.) Трек и индексная структура компакт-диска были перенесены в формат DVD как заголовок и глава соответственно.
Дорожки, в свою очередь, делятся на кадры временного кода (или секторы), которые далее подразделяются на кадры данных канала.
Самым маленьким объектом на компакт-диске является кадр данных канала, который состоит из 33 байтов и содержит шесть полных 16-битных стереосэмплов: 24 байта для аудио ( два байта × два канала × шесть выборок = 24 байта), восемь байтов исправления ошибок CIRC и один байт субкода. Как описано в разделе «Кодирование данных», после модуляции EFM количество битов в кадре составляет 588.
На аудио компакт-диске Red Book данные адресуются с использованием схемы MSF с временными кодами выражается в минутах, секундах и кадрах другого типа (мм: сс: ff), где один кадр соответствует 1/75 секунды звука: 588 пар левых и правых отсчетов. Этот кадр временного кода отличается от 33-байтового кадра данных канала, описанного выше, и используется для отображения времени и позиционирования считывающего лазера. При редактировании и извлечении аудио компакт-диска этот кадр временного кода является наименьшим адресуемым временным интервалом для аудио компакт-диска; таким образом, границы дорожек встречаются только на этих границах кадра. Каждая из этих структур содержит 98 кадров данных канала, всего 98 × 24 = 2352 байта музыки. Компакт-диск воспроизводится со скоростью 75 кадров (или секторов) в секунду, то есть 44 100 выборок или 176 400 байт в секунду.
В 1990-х годах CD-ROM и связанная с ним технология извлечения цифрового звука (DAE) представили термин сектор для обозначения каждого кадра временного кода., при этом каждый сектор идентифицируется последовательным целым числом, начиная с нуля, и с дорожками, выровненными по границам секторов. Сектор аудио CD соответствует 2352 байтам декодированных данных. Красная книга не относится к секторам и не различает соответствующие разделы потока данных диска, за исключением «кадров» в схеме адресации MSF.
В следующей таблице показано соотношение между дорожками, кадрами (секторами) временного кода и кадрами данных канала:
Уровень дорожки | Дорожка N | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Кадр временного кода или уровень сектора | Кадр временного кода или сектор 1 (2352 байта данных) | Кадр временного кода или сектор 2 (2352 байта данных) | ... | |||
Уровень кадра данных канала | Кадр данных канала 1 (24 байта данных) | ... | Кадр данных канала 98 (24 байта данных) | ... | ... |
Аудио битрейт для звукового компакт-диска Red Book составляет 1411200 бит в секунду (1411 кбит / с) или 176 400 байт в секунду ; 2 канала × 44100 выборок в секунду на канал × 16 бит на выборку. Аудиоданные, поступающие с компакт-диска, содержатся в секторах, каждый из которых составляет 2352 байта, а 75 секторов содержат 1 секунду звука. Для сравнения, скорость передачи данных «1 ×» CD-ROM определена как 2048 байтов на сектор × 75 секторов в секунду = 153 600 байтов в секунду. Остальные 304 байта в секторе используются для дополнительного исправления ошибок данных.
В отличие от DVD или CD-ROM, на нем нет «файлов ». аудио компакт-диск Красной книги; имеется только один непрерывный поток аудиоданных LPCM и параллельный меньший набор из 8 потоков данных субкода. Однако компьютерные операционные системы могут предоставлять доступ к аудио-компакт-диску, как если бы он содержал файлы. Например, Windows представляет таблицу содержания компакт-диска как набор файлов аудиодорожки компакт-диска (CDA), каждый файл содержит информацию индексации, а не аудиоданные. Однако, в отличие от этого, Finder в macOS представляет содержимое компакт-диска как фактический набор файлов с расширением AIFF, которое можно копировать напрямую, случайным образом и индивидуально за дорожкой, как если бы это были настоящие файлы, на самом деле macOS выполняет свои собственные рипы по мере необходимости в фоновом режиме, полностью прозрачном для пользователя. Скопированные треки полностью воспроизводимы и редактируются на компьютере пользователя.
В процессе, называемом копирование, программное обеспечение для извлечения цифрового звука может использоваться для чтения аудиоданных CD-DA и сохранения их в файлах. Общие форматы аудиофайлов для этой цели включают WAV и AIFF, которые просто предваряют данные LPCM коротким заголовком ; FLAC, ALAC и Windows Media Audio Lossless, которые сжимают данные LPCM таким образом, чтобы сэкономить место, но позволяют их восстанавливать без каких-либо изменений; и различные форматы с потерями, перцептивного кодирования, такие как MP3, AAC, Opus, которые изменяют и сжимают аудио данные таким образом, что необратимо изменяют звук, но используют особенности человеческого слуха, чтобы сделать изменения трудноразличимыми.
Издатели звукозаписи создали компакт-диски, нарушающие стандарт Красной книги. Некоторые делают это с целью предотвращения копирования, используя такие системы, как Контроль копирования. Некоторые делают это для дополнительных функций, таких как DualDisc, который включает в себя как слой CD, так и слой DVD, при этом слой CD намного тоньше, 0,9 мм, чем требуется Красной книгой, которая предусматривает номинальное значение 1,2 мм, но не менее 1,1 мм. Philips и многие другие компании заявили, что размещение логотипа Compact Disc Digital Audio на таких дисках, не соответствующих требованиям, может представлять собой нарушение товарного знака.
Super Audio CD был стандартом, опубликованным в 1999 году, целью которого было обеспечение лучшего качества звука на компакт-дисках. DVD Audio появился примерно в то же время. Формат был разработан для обеспечения более точного воспроизведения звука. Он применяет более высокую частоту дискретизации и использует лазеры 650 нм. Ни один из форматов не получил широкого распространения.
В индустрии звукозаписи были предприняты шаги, чтобы сделать аудио компакт-диски (компакт-диски, цифровой звук) не воспроизводимыми на компьютере CD-ROM диски, чтобы предотвратить копирование музыки. Это делается путем преднамеренного внесения ошибок на диск, которые встроенные схемы на большинстве автономных аудиоплееров могут автоматически компенсировать, но которые могут сбивать с толку приводы CD-ROM. Защитники прав потребителей с октября 2001 г. настаивали на том, чтобы на компакт-дисках, не соответствующих официальному стандарту цифрового звука компакт-дисков (часто называемому Red Book), требовались предупредительные надписи, чтобы информировать потребителей о том, какие диски не позволяют полностью добросовестное использование их содержания.
В 2005 году Sony BMG Music Entertainment подверглась критике, когда механизм защиты от копирования, известный как Расширенная защита от копирования (XCP), автоматически и тайно использовался на некоторых из их аудио компакт-дисков. установленное программное обеспечение для предотвращения копирования на компьютеры (см. скандал с руткитами Sony BMG ). Такие диски по закону не могут называться компакт-дисками или компакт-дисками, потому что они нарушают стандарт Красной книги, регулирующий компакт-диски, и Amazon.com, например, описывает их как «диски с защитой от копирования», а не как «компакт-диски» или «компакт-диски».