什么是HDCD？

发布时间：2022-01-26 点击：4545次

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。

那么HDCD技术又是怎样制作与普通CD兼容的高清晰度唱片呢?

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。

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。

对于这个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译码器播放，则可在隐含码的控制下，信息准确膨胀，达到大动态播放的目的。

高频扰动技术（Dither）。采用高频扰动技术，可提高量化信号的分辨能力，使之量化器的非线性变换特性得以改善，降低低电平信号的谐波失真，而且有可能重现低于量化差值的信号。但如添加不当，高频振荡（dither）将会变成真正的添加噪声。HDCD技术采用了改良的高频扰动技术，使得音乐细节更为丰富而噪声低不可闻。

HDCD隐含控制码。对于HDCD的最后量化操作部分，为准确控制HDCD编码记录的超量信息在解码器上精确播放，特设置一相关的控制代码，这个代码被插入数据记录的字组段中的最小有效位LSB位，如被普通CD机播放该码为隐含而不被激发。由于所处的特定位置且只占LSB位元的1％～5％，对于CD音质的影响弱不可闻。当用HDCD解码器播放时，系统可准确捕捉该隐含码并用来激活主要数据通道的信息，使得信息量膨胀，得到数倍于普通CD格式的信息输出，经DA转换即可获得大动态、细节丰富、高信噪比的模拟音频信号。

为避免误码操作，HDCD采用在主副通道设置双重代码同步计时器，这样它与该字组段中的主要信息相伴而生时序不会错位。只有在隐含码与主要相关代码呼应时，主通道选择数据才有效，否则取消解码操作。

模拟音频信号经缓冲器低通滤波后，先进行模数转换，并用一个高频扰动信号对ADC实时控制，量化产生88.1kHz、24bit数据流，该数据流向主副两通道，主通道信息被延迟存储，而副通道信息相对于主通道提前一个分量进行数据分析产生控制信号，该信号动态控制数字滤波器做取样率变换，振幅编码和增益控制。最后由微处理器将分析、滤波、数据再格式化容易被漏失的信息分离（这些信息可能涉及到音色、声场、微细声音），与控制码一起组合生成隐含码被插入主通道音频数据LSB位，经高频扰动处理后再量化为16bit/44.1kHz标准CD格式输出，完成全套HDCD编码过程。

HDCD的解码过程与PMD100

HDCD的解码操作是编码过程的逆动作。设计目的是在DAC的数字滤波器部位用HDCD解码专用集成电路取代，完成HDCD信息解码及超取样数字滤波双重作用，其解码流程如下图2所示。

解码器首先检测数据流中的LSB位中是否携带有HDCD隐含码，如有则按照隐含码的连续指令激活主通道音频数据信息使之膨胀，恢复在编码过程中对数据信息的压缩。由于隐含码的控制，可准确地对波峰进行适时扩展，对低于平均电平值的信息做适当的增益下减，因此HDCD方式可获得高于常规的大动态及小信号的高清晰度。

作为HDCD的唯一解码芯片是美国PMI公司生产的PMD100，该芯片需经授权使用。它是一个28脚DIP封装的大规模集成电路，图3是它的内部结构及功能图。

当PMD100接收到输入数据为HDCD编码方式则自动转换到HDCD解码格式下工作，并在其27脚输出电流驱动LED发光管做状态指标。

当非HDCD信号时，信息数据被接收做常规超取样数字滤波处理，因此该器件有双重特性。在做普通CD格式数字滤波器使用时该器件特性也相当优良，通带纹波从0～20kHz不超过0.0001dB，阻带衰减>120dB。

该器件的其它特性为：

具有2、4、8倍超取样数字滤波；

可接受24bit输入数据及同精度处理；

可按受32～ 55kHz任一输入取样频率；

输出16、18、20及24bit不同数据格式；

具有数字去加重功能；

可用0.188dB步长进行数字音量控制；

时钟频率为256fs或384fs可选；

具有软、硬两种静噪方式；

提供硬件设定及程序方式两种控制模式；

提供8种不同类型的高频扰动模式以适应不同类型的DAC；

提供恒定输出时钟到DAC，即使输入数据和主脉冲都丢失也能保证DAC输出无偏移和产生脉冲的可能。

解码芯片PMD 100的管脚排列与一些顶级数字滤波器有相似之处，如SM5842、SM5803、DF1700等，因此在有上述滤波器的DAC或CD机上，通过稍加改动就可将普通CD机或DAC改为具有HDCD解码功能的处理器了。

具有HDCD功能的HDAC200解码器特点介绍

带有HDCD解码功能的成品机国外品牌已有许多，如PS－AUDIO 的Kappa、ROTELR CD－990、LUXMAN D－700CD唱机，THETA DIGITAL的DS Pro Basic III DAC等。做为一个实例，这里将山东海威电子公司生产的HDA200 HDCD解码器做一简单介绍，该机是国内首批通过美国PMI公司HDCD认证产品。

该机主要技术特点:

一、 数字接收解调部分选用美国晶体公司低时基抖动24bit接收的CS8412CP

二、 HDCD解码芯片为PMD 100

三、 D/A 转换采用美国BB公司产多比特集成电路PCM 1702，这里未选用1比特方式DAC主要考虑到1比特方式DAC对时基抖动（Jitter）较为敏感，对于制作分体式数模转换器对时钟精度要求较高，需在接收解调部分添置二次锁相环等方式获得高精度时钟输出供一比特DAC使用，另外由于采用噪声整形技术和非常高的过取样频率，虽然解决了低电平信号的线性但信噪比和互调失真较大。而PCM1702采用新方法解决低电平信号的线性，使用2个19比特的DAC组成线性互补电路，共用一个参考基准和比特电流源的R－2R阶梯电阻网络，以确保在各种条件下实现理想跟踪，通过交叉存储2个DAC的比特数和应用激光精密微调电阻网络获得两个19比特DAC之间的高精度匹配。

该芯片最大特点是即使在－90dB输出时，其（THD＋N）失真加噪声仍然很小，这就保证了弱音重放的真实和细腻。

PCM 1702按其精度分三个档次：P、U级，P、UJ级，P、UK级。U为贴片封装，P为标准DIP封装，这三个级别在动态范围，信噪比等指标都是相同的，主要区别 在于THD＋N指标上，在0dB电平处，J级为－96dB、K级为－100dB，P（U）级为－92dB，约含0.0025％，在－60dB电平处，P（U）级为－46dB，K级为－50dB。

四、 该机在设计上注重布局和电源设计，注意数字—模拟电路的分开隔离，数字 部分供电采用独立的R型变压器及稳压电源单独供电，模拟部分采用左右声道独立供电 方式，使得通道分离度极高，选用<