Compact Disc Digital Audio ( CDDA или CD-DA ), также известный как Digital Audio Compact Disc или просто как Audio CD , является стандартным форматом для аудио компакт-дисков . Стандарт определен в технических спецификациях Red Book , поэтому в некоторых контекстах формат также называют «Redbook audio» . [1] CDDA использует импульсно-кодовую модуляцию (PCM) и использует частоту дискретизации 44 100 Гц и разрешение 16 бит, и изначально был указан для хранения до 74 минут стереозвука на диске.
Первый коммерчески доступный аудио CD-плеер , Sony CDP-101 , был выпущен в октябре 1982 года в Японии. Формат получил всемирное признание в 1983–84 годах, за первые два года было продано более миллиона CD-плееров, которые воспроизвели 22,5 миллиона дисков [2] , прежде чем обогнать пластинки и кассеты , став доминирующим стандартом для коммерческой музыки. Достигнув пика около 2000 года, аудио CD сократились в течение следующего десятилетия из-за растущей популярности и доходов от цифровой загрузки , а в 2010-х годах из-за потоковой передачи цифровой музыки [3] , но остались одним из основных методов распространения для музыкальной индустрии . [4] В Соединенных Штатах продажи граммофонных пластинок в 2020 году впервые с 1980-х годов превысили продажи компакт-дисков, [5] [6] однако на других крупных рынках, таких как Япония, они по-прежнему остаются ведущим музыкальным форматом с большим отрывом, [7] а в Германии в 2022 году они превзошли продажи других физических форматов как минимум в четыре раза. [8]
В музыкальной индустрии аудио-CD обычно продавались либо как CD-синглы (сейчас в основном неактуальны), либо как полноформатные альбомы , последний из которых стал более распространённым с 2000-х годов. [9] Формат также оказал влияние на развитие музыки для видеоигр , использовавшись в смешанном режиме CD-ROM , обеспечивая звук CD-качества, популяризированный в 1990-х годах на таком оборудовании, как PlayStation , Sega Saturn и персональных компьютерах с 16-битными звуковыми картами, такими как Sound Blaster 16. [ 10] [11]
Оптофон , впервые представленный в 1931 году, был одним из первых устройств, которое использовало свет как для записи, так и для воспроизведения звуковых сигналов на прозрачной фотографии . [12] Более тридцати лет спустя американскому изобретателю Джеймсу Т. Расселу приписывают изобретение первой системы для записи цифровых носителей на светочувствительную пластину. Заявка на патент Рассела была подана в 1966 году, и он получил патент в 1970 году. [13] После судебного разбирательства Sony и Philips лицензировали патенты Рассела на запись в 1988 году. [14] [15] Спорным является вопрос о том, инициировали ли концепции, патенты и прототипы Рассела и в какой-то мере повлияли ли они на дизайн компакт-диска. [16]
Компакт-диск является развитием технологии LaserDisc , [17] где используется сфокусированный лазерный луч, который обеспечивает высокую плотность информации, необходимую для высококачественных цифровых аудиосигналов. В отличие от предшествующего уровня техники Optophonie и Джеймса Рассела, информация на диске считывается с отражающего слоя с использованием лазера в качестве источника света через защитную подложку. Прототипы были разработаны Philips и Sony независимо в конце 1970-х годов. [18] Хотя изначально руководство Philips Research отвергло его как тривиальное занятие, [19] CD стал основным направлением для Philips, поскольку формат LaserDisc испытывал трудности. [20] В 1979 году Sony и Philips создали совместную целевую группу инженеров для разработки нового цифрового аудиодиска. После года экспериментов и обсуждений в 1980 году был опубликован стандарт Red Book CD-DA. После их коммерческого выпуска в 1982 году компакт-диски и их проигрыватели стали чрезвычайно популярны. Несмотря на стоимость до $1000, в период с 1983 по 1984 год в США было продано более 400 000 CD-плееров. [21] К 1988 году продажи CD в США превзошли продажи виниловых пластинок, а к 1992 году продажи CD превзошли продажи предварительно записанных музыкальных кассет. [22] [23] Успех компакт-диска был приписан сотрудничеству Philips и Sony, которые совместно договорились и разработали совместимое оборудование. Унифицированный дизайн компакт-диска позволил потребителям покупать любой диск или проигрыватель у любой компании и позволил CD беспрепятственно доминировать на рынке домашней музыки. [24]
В 1974 году Лу Оттенс, директор аудиоподразделения Philips, создал небольшую группу для разработки аналогового оптического аудиодиска диаметром 20 см (7,9 дюйма) и качеством звука, превосходящим качество виниловой пластинки. [25] Однако из-за неудовлетворительных характеристик аналогового формата два инженера-исследователя Philips в марте 1974 года рекомендовали цифровой формат. В 1977 году Philips основала лабораторию с миссией создания цифрового аудиодиска. Диаметр прототипа компакт-диска Philips был установлен на уровне 11,5 см (4,5 дюйма), что соответствует диагонали аудиокассеты. [17] [26]
Хейтаро Накадзима , который разработал один из первых цифровых аудиорекордеров в национальной общественной вещательной организации Японии NHK в 1970 году, стал генеральным директором аудиоотдела Sony в 1971 году. В 1973 году его команда разработала цифровой PCM-адаптер , который делал аудиозаписи с помощью видеорекордера Betamax . После этого, в 1974 году, был легко сделан скачок к хранению цифрового звука на оптическом диске. [27] Sony впервые публично продемонстрировала оптический цифровой аудиодиск в сентябре 1976 года. Год спустя, в сентябре 1977 года, Sony показала прессе 30-сантиметровый (12-дюймовый) диск, который мог воспроизводить час цифрового звука (частота дискретизации 44 100 Гц и разрешение 16 бит) с использованием модифицированного кодирования частотной модуляции . [28] В сентябре 1978 года компания продемонстрировала оптический цифровой аудиодиск со временем воспроизведения 150 минут, частотой дискретизации 44 056 Гц, 16-битным линейным разрешением и перекрестным кодированием Рида-Соломона (CIRC) с исправлением ошибок — спецификации, аналогичные тем, которые были позже приняты для стандартного формата компакт-диска в 1980 году. Технические подробности цифрового аудиодиска Sony были представлены на 62-й конвенции AES , состоявшейся 13–16 марта 1979 года в Брюсселе . [28] Технический документ Sony AES был опубликован 1 марта 1979 года. Неделю спустя, 8 марта, Philips публично продемонстрировала прототип оптического цифрового аудиодиска на пресс-конференции под названием «Philips представляет компакт-диск» [29] в Эйндховене , Нидерланды. [30] Руководитель Sony Норио Ога , впоследствии генеральный директор и председатель Sony, и Хэйтаро Накадзима были убеждены в коммерческом потенциале формата и продвигали его дальнейшее развитие, несмотря на широко распространенный скептицизм. [31]
В 1979 году Sony и Philips создали совместную целевую группу инженеров для разработки нового цифрового аудиодиска. Под руководством инженеров Киса Шухамера Имминка и Тошитады Дои исследование продвинуло вперед технологию лазерных и оптических дисков . [29] После года экспериментов и обсуждений целевая группа разработала стандарт Red Book CD-DA. Впервые опубликованный в 1980 году, стандарт был официально принят IEC в качестве международного стандарта в 1987 году, а различные поправки стали частью стандарта в 1996 году. [ необходима цитата ]
Philips ввел термин «компактный диск» в соответствии с другим аудиопродуктом, компакт-кассетой , [26] и внес вклад в общий производственный процесс , основанный на технологии видео LaserDisc. Philips также внес вклад в модуляцию восемь-четырнадцать (EFM), в то время как Sony внесла вклад в метод исправления ошибок , CIRC, который обеспечивает устойчивость к дефектам, таким как царапины и отпечатки пальцев.
История компакт-диска [17] , рассказанная бывшим членом целевой группы, дает справочную информацию о многих принятых технических решениях, включая выбор частоты дискретизации, времени воспроизведения и диаметра диска. Целевая группа состояла примерно из 6 человек, [19] [32] хотя, по словам Philips, компакт-диск был «изобретен коллективно большой группой людей, работающих как команда». [33]
Первые этапы запуска и принятия формата включали в себя:
Первым артистом, продавшим миллион копий на CD, были Dire Straits с их альбомом 1985 года Brothers in Arms . [42] Один из первых рынков CD был посвящен переизданию популярной музыки, коммерческий потенциал которой уже был доказан. Первым крупным артистом, весь каталог которого был преобразован в CD, был Дэвид Боуи , чьи первые четырнадцать студийных альбомов из (тогда) шестнадцати были выпущены RCA Records в феврале 1985 года вместе с четырьмя альбомами лучших хитов; его пятнадцатый и шестнадцатый альбомы уже были выпущены на CD EMI Records в 1983 и 1984 годах соответственно. [43] 26 февраля 1987 года первые четыре британских альбома The Beatles были выпущены в моно на компакт-диске. [44]
Растущее признание компакт-дисков в 1983 году знаменует начало популярной цифровой аудиореволюции. [45] Он был принят с энтузиазмом, особенно в ранних сообществах классической музыки и аудиофилов , и его качество обработки получило особую похвалу. Поскольку цены на проигрыватели постепенно снижались, и с появлением портативного Discman , компакт-диски начали набирать популярность на более крупных рынках популярной и рок-музыки. С ростом продаж компакт-дисков продажи предварительно записанных кассет начали снижаться в конце 1980-х; продажи компакт-дисков обогнали продажи кассет в начале 1990-х. [ необходима цитата ] [46] В 1988 году 400 миллионов компакт-дисков были произведены на 50 заводах по прессованию по всему миру. [47]
Ранние проигрыватели компакт-дисков использовали двоично-взвешенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), которые содержали отдельные электрические компоненты для каждого бита ЦАП. [48] Даже при использовании высокоточных компонентов этот подход был подвержен ошибкам декодирования. [ необходимо разъяснение ] [48] Другой проблемой был джиттер , дефект, связанный со временем. Столкнувшись с нестабильностью ЦАП, производители изначально обратились к увеличению количества бит в ЦАП и использованию нескольких ЦАП на аудиоканал, усредняя их выход. [48] Это увеличило стоимость проигрывателей компакт-дисков, но не решило основную проблему.
Прорыв в конце 1980-х годов завершился разработкой 1-битного ЦАП , который преобразует низкочастотный цифровой входной сигнал высокого разрешения в высокочастотный сигнал более низкого разрешения, который отображается в напряжения и затем сглаживается аналоговым фильтром. Временное использование сигнала более низкого разрешения упростило конструкцию схемы и повысило эффективность, поэтому он стал доминирующим в проигрывателях компакт-дисков с начала 1990-х годов. Philips использовала вариант этой техники, называемый модуляцией плотности импульсов (PDM), [49] в то время как Matsushita (теперь Panasonic ) выбрала широтно-импульсную модуляцию (PWM), рекламируя ее как MASH, что является аббревиатурой, полученной от их запатентованной топологии Multi-stAge noiSe-sHaping PWM. [48]
CD изначально планировался как преемник виниловой пластинки для воспроизведения музыки, а не как носитель данных. Однако CD стали использоваться и в других областях. В 1983 году, после появления CD, Имминк и Джозеф Браат представили первые эксперименты со стираемыми компакт-дисками на 73-й конвенции AES . [50] В июне 1985 года были представлены считываемые компьютером CD-ROM (постоянное запоминающее устройство), а в 1990 году — записываемые диски CD-R . [a] Записываемые CD стали альтернативой магнитной ленте для записи и распространения музыки и могли копироваться без ухудшения качества звука.
Другие более новые видеоформаты, такие как DVD и Blu-ray, используют ту же физическую геометрию, что и CD, и большинство проигрывателей DVD и Blu-ray обратно совместимы с аудио CD.
Продажи компакт-дисков в Соединенных Штатах достигли пика к 2000 году. [51] К началу 2000-х годов проигрыватели компакт-дисков в значительной степени заменили аудиокассетные проигрыватели в качестве стандартного оборудования в новых автомобилях, а 2010 год стал последним модельным годом для любого автомобиля в Соединенных Штатах, который был оснащен кассетным проигрывателем на заводе. [52]
В 2000-х годах на рынок поступили два новых формата, разработанных в качестве преемников CD: Super Audio CD (SACD) и DVD-Audio . Однако ни один из них не был принят частично из-за возросшей значимости цифровой (виртуальной) музыки и очевидного отсутствия слышимых улучшений в качестве звука для большинства человеческих ушей. [53] Они эффективно продлили долговечность CD на музыкальном рынке. [54]
С появлением и популярностью распространения файлов в сжатых с потерями аудиоформатах через Интернет , таких как MP3 , продажи компакт-дисков начали снижаться в 2000-х годах. Например, в период с 2000 по 2008 год, несмотря на общий рост продаж музыки и один аномальный год роста, продажи компакт-дисков крупных лейблов в целом снизились на 20%. [55] Несмотря на быстрое снижение продаж из года в год, распространенность технологии сохранялась некоторое время, и компании размещали компакт-диски в аптеках, супермаркетах и магазинах шаговой доступности на заправочных станциях, чтобы нацелиться на покупателей, которые с меньшей вероятностью смогут использовать распространение через Интернет. [20] В 2012 году компакт-диски и DVD составляли всего 34% продаж музыки в Соединенных Штатах. [56] К 2015 году только 24% музыки в Соединенных Штатах было куплено на физических носителях, две трети из которых состояли из компакт-дисков; [57] Однако в том же году в Японии более 80% музыки было куплено на компакт-дисках и других физических носителях. [58] В 2018 году продажи компакт-дисков в США составили 52 миллиона единиц — менее 6% от пикового объема продаж в 2000 году. [51] В Великобритании было продано 32 миллиона единиц, что почти на 100 миллионов меньше, чем в 2008 году. [59] В 2018 году Best Buy объявила о планах уменьшить фокус на продажах компакт-дисков, однако при этом продолжит продавать пластинки, продажи которых растут во время возрождения винила . [60] [61] [62]
В 2010-х годах растущая популярность твердотельных носителей и сервисов потоковой передачи музыки заставила автопроизводителей отказаться от автомобильных CD-плееров в пользу дополнительных входов minijack , проводных подключений к USB-устройствам и беспроводных подключений Bluetooth . [63] Автопроизводители считали, что CD-плееры занимают ценное пространство и вес, который можно было бы перераспределить для более популярных функций, таких как большие сенсорные экраны. [64] К 2021 году только Lexus и General Motors все еще включали CD-плееры в качестве стандартного оборудования в некоторые автомобили. [64]
Компакт-диски продолжали пользоваться спросом на некоторых рынках, таких как Япония, где в 2019 году было произведено 132 миллиона единиц. [65]
Спад продаж компакт-дисков замедлился в последние годы; в 2021 году продажи компакт-дисков в США выросли впервые с 2004 года, [66] при этом Axios ссылается на рост за счет «молодых людей, которые обнаруживают, что им нравятся бумажные копии музыки в цифровую эпоху». [67] Это произошло в то же время, когда и винил, и кассеты достигли уровней продаж, невиданных за 30 лет. [68] RIAA сообщила, что выручка от продажи компакт-дисков упала в 2022 году, прежде чем снова вырасти в 2023 году и впервые за более чем десятилетие превысила продажи загрузок. [69]
В США в 2022 году было продано 33,4 миллиона компакт-дисков. [70] Во Франции в 2023 году было продано 10,5 миллионов компакт-дисков, что почти вдвое больше, чем виниловых пластинок, но оба они принесли по 12% доходов французской музыкальной индустрии. [71]
Sony и Philips получили похвалу за разработку компакт-диска от профессиональных организаций. Эти награды включают:
Красная книга определяет физические параметры и свойства компакт-диска, оптические параметры, отклонения и частоту ошибок, систему модуляции ( модуляция восемь-четырнадцать , EFM) и средство коррекции ошибок (CIRC), а также восемь каналов субкода . Эти параметры являются общими для всех компакт-дисков и используются всеми логическими форматами: аудио-CD, CD-ROM и т. д. Стандарт также определяет форму цифрового аудиокодирования .
Первое издание Красной книги было выпущено в 1980 году компаниями Philips и Sony; [74] [75] оно было принято Комитетом по цифровым аудиодискам и ратифицировано Техническим комитетом 100 Международной электротехнической комиссии (МЭК) в качестве международного стандарта в 1987 году со ссылкой на IEC 60908. [76] Второе издание МЭК 60908 было опубликовано в 1999 году [77] и заменяет первое издание, поправку 1 (1992) и исправление к поправке 1. Однако МЭК 60908 не содержит всей информации о расширениях, которая доступна в Красной книге , например, сведения о CD-Text , CD+G и CD+EG . [78] [79]
Стандарт не является свободно доступным и должен быть лицензирован. Он доступен от Philips и IEC. С 2013 года [update]Philips передает лицензирование стандарта на аутсорсинг Adminius [ требуется ссылка ] , который взимает 100 долларов США за Красную книгу , плюс 50 долларов США за приложения Subcode Channels RW и CD Text Mode . [80]
Аудио, содержащееся в CD-DA, состоит из двухканального 16- битного LPCM со знаком , дискретизированного с частотой 44 100 Гц и записанного как чередующийся поток с прямым порядком байтов , при этом левый канал идет первым.
Частота дискретизации адаптирована к той, которая достигалась при записи цифрового звука на видеоленту с помощью адаптера PCM , более раннего способа хранения цифрового звука. [81] [82] : раздел 2.6 Аудио CD может представлять частоты до 22,05 кГц, частота Найквиста частоты дискретизации 44,1 кГц . [83]
Был долгий спор по поводу использования 16-битного (Sony) или 14-битного (Philips) квантования и 44 056 или 44 100 выборок/с (Sony) или приблизительно 44 000 выборок/с (Philips). Когда целевая группа Sony/Philips проектировала компакт-диск, Philips уже разработала 14-битный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), но Sony настояла на 16-битном. В конце концов Sony победила, поэтому 16 бит и 44,1 киловыборок в секунду возобладали. Philips нашла способ производить 16-битное качество, используя свой 14-битный ЦАП, используя четырехкратную передискретизацию . [17]
Некоторые ранние компакт-диски были сделаны с предыскажением , искусственным усилением высоких звуковых частот. Предыскажение улучшает видимое отношение сигнал/шум, лучше используя динамический диапазон канала. При воспроизведении проигрыватель применяет фильтр деэмфазиса, чтобы восстановить кривую частотной характеристики до общей плоской. Постоянные времени предыскажения составляют 50 мкс и 15 мкс (усиление 9,49 дБ при 20 кГц), а двоичный флаг в субкоде диска предписывает проигрывателю применять фильтрацию деэмфазиса, если это необходимо. Воспроизведение таких дисков на компьютере или копирование в файлы WAV обычно не учитывает предыскажение, поэтому такие файлы воспроизводятся с неправильной частотной характеристикой. [ необходима цитата ] FFmpeg имеет фильтр для удаления (или применения) предыскажения для создания стандартных файлов WAV или для создания компакт-дисков с предыскажением. [84]
Четырехканальный или квадрофонический режим, изначально предполагалось включить в CD-DA. [85] Спецификация Red Book кратко упоминала четырехканальный режим в своих изданиях от июня 1980 г., [86] сентября 1983 г., [87] и ноября 1991 г. [88] . На первой странице излагаются «Основные параметры» системы CD, в том числе: «Количество каналов: 2 и/или 4 одновременно[*] сэмплируемых». В сноске говорится: «В случае более двух каналов схемы кодера и декодера должны быть адаптированы».
Однако в действительности недостаточно определенный «четырехканальный» режим был исключен из стандарта CD, когда он был принят Международной электротехнической комиссией и стал IEC 908:1987, [89] а позднее IEC 60908:1999. [90] Поскольку поведение бита «четырехканальный» или «вещательного использования» никогда не было определено ни одним из стандартов CD, ни один из дисков массового производства не пытался использовать четырехканальный режим Red Book, и ни один проигрыватель не претендовал на его реализацию.
Создатели компакт-диска изначально ставили целью время воспроизведения 60 минут при диаметре диска 100 мм (Sony) или 115 мм (Philips). [19] Вице-президент Sony Норио Ога предложил увеличить емкость до 74 минут, чтобы вместить запись Вильгельма Фуртвенглера, дирижирующего Девятой симфонией Людвига ван Бетховена на Байройтском фестивале 1951 года . [91] [92] Дополнительное 14-минутное время воспроизведения потребовало увеличения диаметра диска. Однако Кис Шухамер Имминк , главный инженер Philips, отрицает это, [93] утверждая, что увеличение было мотивировано техническими соображениями и что даже после увеличения размера запись Фуртвенглера не поместилась бы ни на один из самых ранних компакт-дисков. [17] [19]
Согласно интервью Sunday Tribune , [94] история немного сложнее. В 1979 году Philips владела PolyGram , одним из крупнейших в мире музыкальных дистрибьюторов. PolyGram построила 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 такого предприятия. Если бы Sony согласилась на 115-миллиметровый диск, Philips имела бы значительное конкурентное преимущество на рынке. Длительное время звучания Девятой симфонии Бетховена, навязанное Ohga, было использовано, чтобы подтолкнуть Philips принять 120-миллиметровый, так что PolyGram от Philips потерял свое преимущество в производстве дисков. [94]
74-минутное время звучания компакт-диска, что больше, чем 22 минуты на сторону [95] [96], типичные для долгоиграющих (LP) виниловых альбомов , часто использовалось в пользу компакт-диска в ранние годы, когда компакт-диски и пластинки соперничали за коммерческие продажи. Компакт-диски часто выпускались с одним или несколькими бонус-треками , что побуждало потребителей покупать компакт-диск ради дополнительного материала. Однако попытки объединить двойные пластинки на одном компакт-диске иногда приводили к противоположной ситуации, в которой компакт-диск вместо этого предлагал меньше звука, чем пластинка. Одним из таких примеров был двойной альбом DJ Jazzy Jeff & The Fresh Prince He's the DJ, I'm the Rapper , в котором первоначальные выпуски альбома на компакт-дисках содержали несколько треков, отредактированных для того, чтобы поместиться на одном диске; недавние переиздания на компакт-дисках в результате упаковывают альбом на двух дисках. Появление 80-минутных компакт-дисков позволило переиздать на одном диске некоторые двойные альбомы, которые ранее были отредактированы по длине, например, альбом 1999 группы Prince , или упакованы как двойные компакт-диски, например, альбом Tommy группы The Who .
Время воспроизведения свыше 74 минут достигается за счет уменьшения шага дорожек (расстояния, разделяющего дорожки при движении по спирали диска). Однако большинство проигрывателей все еще могут вмещать более близко расположенные данные, если они все еще находятся в пределах допусков Красной книги . [97] Производственные процессы, используемые в последние годы технологии CD, позволяли аудио CD содержать до 98 минут (варьируется от одного завода по репликации к другому) без необходимости для создателя контента подписывать отказ, освобождающий владельца завода от ответственности, если произведенный CD частично или полностью нечитаем на каком-либо воспроизводящем оборудовании. В этой последней практике максимальное время воспроизведения CD постепенно увеличивалось за счет уменьшения минимальных инженерных допусков.
Каждый аудиосэмпл представляет собой 16-битное целое число с дополнением до двух со знаком , которое имеет значения сэмплов в диапазоне от −32768 до +32767. Исходные аудиоданные делятся на кадры, содержащие двенадцать сэмплов каждый (шесть левых и шесть правых сэмплов, чередующихся), что в общей сложности составляет 192 бита (24 байта) аудиоданных на кадр.
Этот поток аудиокадров затем подвергается кодированию CIRC, которое сегментирует и перестраивает данные и расширяет их кодами исправления ошибок таким образом, что позволяет обнаруживать и исправлять случайные ошибки чтения. Кодирование CIRC чередует аудиокадры по всему диску в несколько последовательных кадров, так что информация будет более устойчива к пакетным ошибкам . Таким образом, физический кадр на диске фактически будет содержать информацию из нескольких логических аудиокадров. Этот процесс добавляет 64 бита кодов исправления ошибок к каждому кадру. После этого к каждому из этих закодированных кадров добавляются 8 бит данных субкода , которые используются для управления и адресации при воспроизведении компакт-диска.
Кодирование CIRC плюс байт субкода генерирует 33-байтовые длинные кадры, называемые кадрами данных канала . Затем эти кадры модулируются с помощью модуляции восемь-четырнадцать (EFM), где каждый 8-битный байт заменяется соответствующим 14-битным словом, разработанным для уменьшения количества переходов между 0 и 1. Это уменьшает плотность физических питов на диске и обеспечивает дополнительную степень устойчивости к ошибкам. Три объединяющих бита добавляются перед каждым 14-битным словом для устранения неоднозначности и синхронизации. Всего имеется 33 × (14 + 3) = 561 бит. 27-битное слово (24-битный шаблон плюс 3 объединяющих бита) добавляется в начало каждого кадра для помощи в синхронизации, поэтому считывающее устройство может легко находить кадры. При этом кадр в конечном итоге содержит 588 бит данных канала , которые декодируются в 192 бита цифрового звука.
Кадры данных канала в конечном итоге физически записываются на диск в виде углублений и площадок , где каждое углубление или площадка представляет собой ряд нулей, а точки перехода — край каждого углубления — представляет собой 1. Совместимый с Red Book CD-R имеет пятна в форме углублений и площадок на слое органического красителя вместо реальных углублений и площадок; лазер создает пятна, изменяя отражательные свойства красителя.
Из-за более слабой структуры сектора коррекции ошибок , используемой на аудио- и видео-CD ( режим 2 форма 2 ), чем на дисках с данными ( режим 1 или режим 2 форма 1 ), ошибки C2 не поддаются исправлению и означают потерю данных. [108] [109] Даже при неисправимых ошибках проигрыватель компакт-дисков использует сокрытие ошибок с целью сделать ущерб неслышимым. [110]
Поток аудиоданных на аудио CD непрерывен, но состоит из трех частей. Основная часть, которая далее делится на воспроизводимые аудиодорожки, — это программная область . Этому разделу предшествует вводная дорожка, а за ней следует выводная дорожка. Вводная и выводная дорожки кодируют только тихий звук, но все три раздела содержат потоки данных субкода .
Субкод лида содержит повторяющиеся копии таблицы содержания (TOC) диска, которая содержит индекс начальных позиций дорожек в программной области и лида-аута. Позиции дорожек определяются 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 счете, блоку из 588 пар левых и правых аудиосэмплов. Временной код, содержащийся в данных подканала, позволяет считывающему устройству находить область диска, которая соответствует временному коду в TOC. TOC на дисках аналогичен таблице разделов на жестких дисках . Нестандартные или поврежденные записи TOC используются как форма защиты от копирования CD/DVD , например, в схеме key2Audio .
Самая большая сущность на CD называется треком . CD может содержать до 99 треков (включая трек данных для дисков смешанного режима ). Каждый трек, в свою очередь, может иметь до 100 индексов, хотя проигрыватели, которые все еще поддерживают эту функцию, со временем стали редкими. Подавляющее большинство песен записаны под индексом 1, при этом предварительный интервал имеет индекс 0. Иногда скрытые треки помещаются в конец последнего трека диска, часто используя индекс 2 или 3, или используя предварительный интервал в качестве индекса 0 (это последнее использование приведет к воспроизведению трека, пока счетчик времени отсчитывает до времени 0:00 в начале трека, индекс 1.) Это также касается некоторых дисков, предлагающих «101 звуковой эффект», при этом 100 и 101 индексируются как два и три на треке 99. Индекс, если он используется, иногда указывается в списке треков как десятичная часть номера трека, например, 99.2 или 99.3. ( Hack от Information Society был одним из немногих релизов на CD, в котором была реализована такая возможность, после релиза с такой же малоизвестной функцией CD+G .) Структура дорожек и индекса компакт-диска была перенесена в формат DVD в виде заголовка и главы соответственно.
Дорожки, в свою очередь, делятся на кадры тайм-кода (или сектора), которые далее подразделяются на кадры данных канала.
Наименьшим объектом в CD является фрейм данных канала , который состоит из 33 байт и содержит шесть полных 16-битных стереосэмплов: 24 байта для аудио (два байта × два канала × шесть сэмплов = 24 байта), восемь байтов исправления ошибок CIRC и один байт субкода . Как описано в разделе «Кодирование данных», после модуляции EFM количество бит в фрейме составляет 588.
На аудио-CD Red Book данные адресуются с использованием схемы MSF , с временными кодами, выраженными в минутах, секундах и другом типе кадров (mm:ss:ff), где один кадр соответствует 1/75 секунды звука: 588 пар левых и правых сэмплов. Этот кадр временного кода отличается от 33-байтового кадра канальных данных, описанного выше, и используется для отображения времени и позиционирования считывающего лазера. При редактировании и извлечении аудио CD этот кадр временного кода является наименьшим адресуемым временным интервалом для аудио-CD; таким образом, границы дорожек возникают только на этих границах кадров. Каждая из этих структур содержит 98 кадров канальных данных, что в сумме составляет 98 × 24 = 2352 байта музыки. CD воспроизводится со скоростью 75 кадров (или секторов) в секунду, таким образом, 44 100 сэмплов или 176 400 байт в секунду.
В 1990-х годах CD-ROM и связанная с ним технология Digital Audio Extraction (DAE) ввели термин «сектор» для обозначения каждого кадра временного кода, при этом каждый сектор идентифицировался последовательным целым числом, начинающимся с нуля, и с дорожками, выровненными по границам секторов. Сектор аудио CD соответствует 2352 байтам декодированных данных. Красная книга не ссылается на секторы и не различает соответствующие разделы потока данных диска, за исключением «кадров» в схеме адресации MSF.
В следующей таблице показана связь между дорожками, кадрами временного кода (секторами) и кадрами данных канала:
Скорость передачи аудиоданных для аудиодиска Red Book составляет 1 411 200 бит в секунду (1 411 кбит/с) или 176 400 байт в секунду ; 2 канала × 44 100 выборок в секунду на канал × 16 бит на выборку. Аудиоданные, поступающие с компакт-диска, содержатся в секторах, каждый сектор составляет 2 352 байта, и 75 секторов содержат 1 секунду звука. Для сравнения, скорость передачи данных для CD-ROM "1×" определяется как 2 048 байт на сектор × 75 секторов в секунду = 153 600 байт в секунду. Оставшиеся 304 байта в секторе используются для дополнительной коррекции ошибок данных.
В отличие от DVD или CD-ROM , на аудио-CD Red Book нет « файлов » ; есть только один непрерывный поток аудиоданных LPCM и параллельный, меньший набор из 8 потоков данных субкода . Однако компьютерные операционные системы могут предоставлять доступ к аудио-CD, как если бы он содержал файлы. Например, Windows представляет оглавление CD как набор файлов дорожек компакт-диска (CDA), каждый из которых содержит индексную информацию, а не аудиоданные. Однако, в отличие от этого, Finder в macOS представляет содержимое CD как фактический набор файлов с расширением AIFF , которые можно копировать напрямую, случайным образом и индивидуально по дорожкам, как если бы это были реальные файлы. В действительности, macOS выполняет свои собственные рипы по мере необходимости в фоновом режиме, полностью прозрачно для пользователя. Скопированные дорожки полностью воспроизводятся и редактируются на компьютере пользователя.
В процессе, называемом ripping , программное обеспечение для извлечения цифрового аудио может использоваться для чтения аудиоданных CD-DA и сохранения их в файлах. Распространенные 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 способами, которые экономят место, но позволяют восстанавливать их без каких-либо изменений; и различные форматы кодирования с потерями , такие как MP3 , AAC и Opus , которые изменяют и сжимают аудиоданные способами, которые необратимо изменяют звук, но которые используют особенности человеческого слуха, чтобы сделать изменения трудноразличимыми.
Издатели звукозаписи создали компакт-диски, которые нарушают стандарт Красной книги . Некоторые делают это в целях предотвращения копирования , используя такие системы, как Copy Control . Некоторые делают это для дополнительных функций, таких как DualDisc , который включает как слой CD, так и слой DVD, причем слой CD намного тоньше, 0,9 мм, чем требуется Красной книгой , которая предусматривает номинал 1,2 мм, но не менее 1,1 мм. Philips и многие другие компании заявили, что включение логотипа Compact Disc Digital Audio на такие несоответствующие диски может представлять собой нарушение прав на товарный знак.
Super Audio CD был стандартом, опубликованным в 1999 году, который был направлен на обеспечение лучшего качества звука, чем у CD. DVD-Audio появился примерно в то же время. [111] Оба формата были разработаны для обеспечения более высокого качества звука за счет использования более высокой частоты дискретизации и DVD- носителей. Ни один из форматов не получил широкого распространения.
Индустрия звукозаписи предприняла шаги , чтобы сделать аудио компакт-диски (компактные цифровые аудиоданные) невоспроизводимыми на компьютерных CD-ROM- приводах, чтобы предотвратить копирование музыки. Это делается путем намеренного внесения ошибок на диск, которые встроенные схемы большинства автономных аудиоплееров могут автоматически компенсировать, но которые могут сбить с толку CD-ROM-приводы. Защитники прав потребителей в октябре 2001 года настаивали на необходимости ставить предупреждающие этикетки на компакт-диски, которые не соответствуют официальному стандарту компакт-дисков цифрового аудио (часто называемому Красной книгой ), чтобы информировать потребителей о том, какие диски не позволяют полностью добросовестно использовать их содержимое.
В 2005 году Sony BMG Music Entertainment подверглась критике, когда механизм защиты от копирования, известный как Extended Copy Protection (XCP), используемый на некоторых из их аудио-CD, автоматически и тайно устанавливал программное обеспечение для предотвращения копирования на компьютеры (см. скандал с руткитом для защиты от копирования Sony BMG ). Такие диски юридически не могут называться CD или компакт-дисками, поскольку они нарушают стандарт Красной книги, регулирующий компакт-диски, и Amazon.com, например, описывает их как «диски, защищенные от копирования», а не «компакт-диски» или «CD».
Eine Alpensinfonie
Рихарда Штрауса
, а первым CD, действительно отпечатанным на фабрике, был
The Visitors
группы ABBA , но этот диск был выпущен в продажу только позже.
Частота Найквиста в два раза больше полосы пропускания сигнала ... Частота Найквиста или частота свертывания равна половине частоты дискретизации и соответствует самой высокой частоте, которую система дискретизированных данных может воспроизвести без ошибок.
сотрудничество Philips и Sony Corporation привело к созданию компакт-диска. Автор объясняет, как это произошло
Этот релиз Rykodisc стал первым компакт-диском, содержащим 80 минут музыки; ранее максимальная продолжительность, которую можно было закодировать на CD, составляла 78 минут.
Дополнительной особенностью аудио-CD является то, что в случае повреждения недостающие данные могут быть интерполированы; то есть информация следует предсказуемому шаблону, который позволяет угадать недостающее значение. Таким образом, если аудио-CD поврежден грязью или царапиной, недостающие данные могут быть усреднены из шаблона без заметной разницы для слушателя. Это то, что следующая технология в оптической цифровой памяти, CD-ROM, не может сделать, потому что данные исполняемой программы не следуют естественному закону. Предположение, основанное на интерполяции, не просто немного отличается; оно полностью неверно. Из-за этой точности приводы CD-ROM для ПК появились позже и намного дороже, чем аудио.