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CD唱片的采样频率为什么是44.1K,这个问题一直是CD音乐爱好者关注的话题。大部分都认为这个44.1kHz,是来自于奈奎斯特定律;但是奈奎斯特定律也只是说,如果要恢复数字化的信息成为模拟波形,其采样频率至少要达到其记录模拟信号最高频率的两倍。具体为:以人耳最高听音频率20000Hz计算,其采样频率用40kHz就够了,或者再打些余量,44kHz就可以了,可为什么是44.1kHz这么一个有整有零的奇葩的数呢?因此,奈奎斯特定律只决定了这个采样频率的大致范围,具体的数据是另有原因的。- E \7 ]8 I7 ^* T) Q2 d
* r$ A( C. \1 E3 [历史上,在CD诞生之前,就有很多专业机构和组织的技术人员在研究数字化录音问题。在上世纪70年代初期,PCM数字编码的理论和技术就成熟了,然而,音频信号数字化后,如何存储、拿什么储存是个问题。要知道当年没有这个大容量的硬盘,更没有现在动辄几十G的存储卡。因为音频信号数字化以后的数据量非常大,于是当年大家就把目光投向了模拟的磁带录像机。录像机由于使用的是旋转磁头记录磁迹信号,即便是家用录像机,其磁头与磁带的扫描速度都能达到3米每秒,而专业录像机更高。而同期录音机中盒式录音带的带速才4.75厘米每秒,开盘录音机也才38厘米每秒的速度(顶级专业开盘机有76厘米每秒的选项)。这么低的带速是不足以录制数字化的音频信号的,因此,录像机就成为民用设施中唯一可用的载体。要想把数字音频信号通过录像机记录在录像带上,则必须研发一个从数字音频到模拟视频的转换器。1975年SONY工程师根据这个思路研发了名叫“PCM信息处理器”的机器,这台机器配合一台录像机工作,可以将音频数字化并通过录像机记录在录像磁带上。1977年这款名叫“PCM-1”的机器正式商品化。+ p4 l2 S3 Q: l6 [! c( p
9 Q/ j- h1 x& c. M) I2 ^" G' m为了让录像机能够记录数字化音频,数字化音频数据必须打包到模拟视频中,而模拟视频系统是有行、帧结构的,当年国际流行的电视制式有两种,一种是PAL制,另一种是NTSC制。我们以PAL制讲解记录过程。PAL制每秒有25帧图像,每帧有625行。由于每秒25帧会有闪烁感,因此,每帧被拆成两场,也就是所谓的奇偶场,奇场显示奇数扫描线即1,3,5,7,9....而偶场显示偶数扫描线即2,4,6,8,10.....当奇偶场合起来的时候就形成一个完整的帧。因此,数字化音频信号必须拆成每秒50场的形式,每场有312.5行。由于显像管电子枪在扫描图像的时候,正程(从上到下)扫完之后,必须要从下方回到上方以便扫下一场图像,因此312.5行不都在正程显示,在电子枪在回程的时候也会稀疏的扫几行,而且奇偶场回程的时间不对称,因此,并非这312.5行都能用于图像显示,于是名义上的312.5行真正能用于记录数字音频信号的,就剩下294行,而每行能记录3个数字段,如此计算下来,294X50X3=44100。这就是那个著名的44.1kHz采样频率的由来!
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7 f" d% A9 A" S为什么是PAL制而不是NTSC制?NTSC的场频为59.94Hz,不是整数,而且其每帧扫描行数是525行,每场为262.5行,其有效行数为245行。按照NTSC制式算出的采样频率应该是:245X59.94X3=44056. 据说当时有这个格式,但是在SONY与PHILIPS共同研发CD的时候,由于PHILIPS是欧洲国家,他们用的是PAL制,而且,事实上,PAL制也的确比NTSC有优越性,于是44.1kHz就成为CD最终的标准。( @+ [8 w. B2 U% E/ K# q7 `% n: f. {
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事实上,在CD被正式发表之前,采用录像机为载体的数字录音系统早已被很多录音室采用,不少黑胶唱片的母盘就是这种录像带为载体的数码录音。在我采集的不少PHILIPS的黑胶唱片中,很多都是这种母盘制作的。其频谱很明显的显现为20kHz以上被一刀切掉了,因此,有很多沉迷于黑胶唱片的玩家,说黑胶唱片的频响远高于CD云云,殊不知,不少黑胶唱片的母盘就是这种44.1kHz采样的数码录像带...
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( L0 }2 C% d4 n, N* k6 n最后说说48kHz采样频率,这个明显更合理一些,也没有零碎的小数。这是SONY发布的数码录音机(DAT)里采用的数字采样标准,由于其采用的就是类似录像机的旋转磁头系统记录数字化音频,而且自成系统,无需向录像机体系靠拢,因此它可以使用更合理的参数(至少不是小数)。而后来的数字音频系统基本也是以48kHz为基础升级的,如96kHz与192kHz采样,都是48kHz的倍数。
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