CD

平音盤の歴史へ戻る 余談：シリンダー
ＣＤの事は良く判らないのです。なんであんな光った面にレーザービームを当てて音になるのかが！！って そこで音のデジタル化とは何かを調べてきました。 音声信号というアナログを標本化し→ 量子化し → 符号化する３段処理を行ってデジタル化することです。これを A/D変換、または PCM(Pulse Code Modulation = パルス符号変調)とも呼びますね。
標本化、量子化、符号化、データー格納

◎標本化(sampling)　アナログ信号から一定間隔毎に標本を抽出することです。
  • 標本化周波数(sampling rate)：
    • 一定時間当たりいくつの標本を抽出するかです。音楽CDの場合は、一秒間に44,100個の標本抽出を行います。この場合に標本化周波数４４.１kHz という呼び方をします。音声信号は、サンプリングの定理(シャノンの定理)により、標本化周波数の1/2までです。このために音声信号に含まれている高域周波数成分をカットするフィルタで音質の劣化を防ぐ工夫がされるようになりました。２２kHzまでを標本化します。
    • ◎量子化(quantization)　抽出された信号の振幅を数値化することです。
  • 量子化ビット数(quantization bit rate)：
    • 量子化するときにどの位の分解能で数値化するかが、量子化ビット数です。音楽CDの場合は、65536分の1に分解して数値化します。これは2の16乗に相当する分解能で、この場合を(量子化ビット数16bit)と呼びます。計算上のCDのダイナミックレンジ(P-P)は、約96dBになります。
    • 量子化ノイズ(quantization noise)：
      • 量子化数を無限にしない限り量子化の際の誤差、アナログ値を２進化する際に整数化する誤差が出現します。しかし信号が歪んでも少々雑音が混ざっても情報の欠落が起こらないという利点があります。この量子化の際の誤差を量子化雑音と呼びます。それなりの対策がとられていますが「デジタル臭い音だ」といわれる原因の１つが量子化（A/D変換に伴う人間の感覚に沿わない量子化ノイズ）なのかもしれません。
    • ◎符号化(encoding)　量子化された数値をコンピュータが処理できる２進数で表わすことです。
  • 音声信号デジタル化：
    • 標本化周期ごとの赤い線の部分だけが標本抽出されて、赤い線と線の中間の「誤差」と書かれた黄色部分は欠落してしまうのです。図からわかるように、一定時間当たりの標本数を多くすれば誤差は小さくなりますが、元の信号を忠実に再現するためには、標本化周波数と量子化ビット数を無限にする必要があります。
    • ◎ファイル化(fileing)　encoding数値を２進数で格納することです。
  • 44.1kHz 16ビット ステレオ信号：
    • 右と左の各チャンネルごとに２バイトの１６進表記(すなわち両チャンネルで４バイト使用)で格納されます。モノラル信号は１チャンネルですから当然２バイトで格納されます。
    • ◎標本化周波数と量子化ビット数はこうしてきまった
    PCM録音が実用化され始めた１９７９年当時は記録媒体にＶＴＲを使用して、ＶＴＲの１Ｈ(水平走査線の同期信号と同期信号の間)にデジタル信号を記録しようとしていました。 また、人間の可聴周波数帯域は約 20Hz〜20kHz なのでこの周波数範囲が記録再生できるようにしたい、音楽のダイナミックレンジは 110dB 以上ありますが、コスト面・技術面から 85〜95dB 程度を目標としました。従って標本化周波数は 40kHz程度以上、量子化ビット数は 14〜16bit 程度が必要だということになります。
     音楽ＣＤ

    音楽CDとは、音楽情報をデジタル化したデータの記録媒体で、正式名称はCD-DA(Compact Disc Digital Audio)です。一般的な形状は厚さ約1.3ｍｍ、直径約120mmの樹脂製の円盤です。 （シングルＣＤは約80mm） データの記録フォーマットは、1982年にソニーとフィリップスの2社によって開発されました。その仕様書は表紙が赤色だったことから、レッドブックと呼ばれています。
      音楽CD内のデータ概念
    • 記録データの再生。
      デジタル信号は、音楽CDの表面にピットという微細なくぼみで、螺旋状に記録されています。このピットにレーザ光線を照射し反射光をピックアップしデジタル信号に変換の後D/Aコンバータでアナログ信号に変換する。これが音楽CDの再生原理です。
      もっとも無音時にはデジタルデータは"0"ですから、もしピットのない状態が長時間続いてしまうと、正しくトレースすることが出来なくなります。故にデジタルデータをEFM変調して、データ"1"をパルスの反転、データ"0"の時はパルスは変化しないと設定しＣＤ読み取り後にEFM復調-デジタルデータ復元という工程もありますが。
    • データ構造の最小単位は1フレームです。
      1フレームには、2チャンネルステレオ音楽情報を標本化周波数：44.1kHz、量子化ビット数：16ビットでデジタル化したデータのＬ・Ｒ信号各6サンプル分(16×6×2)192ビットにCIRCによる誤り訂正符号(パリティ)の付加−EFM変調−サブコーディング付加−フレーム同期信号付加−等の処理を行った、588チャネルビットの情報が含まれています。
     ＣＤ補足
    • CIRC = Cross Interleaved Reed Solomon Code

    • EFM = Eight to Fourteen Modulation
      8ビットのデータを、14ビットに変換する変調です。音楽CDは8ビット分のデータをEFM変調して14ビットで記録しています。

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