一位荷兰博士写的关于CD的故事

红灯记 · 发表于 2020-10-14 22:04:27

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Kees Immink叙述了当年研究机构的工程师对CD发行前几年的研究观点，以及在此期间做出的各种关键决定，这些决定在当时可能会决定该介质的技术成败。从个人角度来看，他第一个评论了数字音频记录和重播的历史，并对数据存储中光学媒体的未来做出了一些预测（此文为很久以前的杂志文章）。
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一点历史
首先，我应该说我不是历史学家，而是工程师，我的发言来自我对15年前飞利浦和索尼工程师之间多次会议的个人回忆。即便如此，我将力争像最好的历史学家一样，简要回顾一下CD发行前100年音频磁性记录。以比特/ mm2为单位的记录介质的等效存储密度，从原始的爱迪生圆柱体逐渐增加到最新的DVD。现在，我们正在处理的存储密度比上世纪末的存储密度高出一百万倍。必须记住，它距爱迪生的圆筒至少有10年的历史，在Berliner和其他人提出磁盘记录方法之前-实际上，我参观了Edison Labs，据介绍，直到1920年左右的所有记录设备都是能够使用的原型机，现在已经没有办法复制这些媒介记录的声音信息，因此谁要是能把其中宝贵的声音进行复制一定是一个相当大的成就。我认为在50年代，立体声LP唱片在音质上迈出了重要一步，但是就光学唱片而言，1969年之前的一切都必须称为史前史。

光学和Laservision
飞利浦的研究员Klaas Compaan于1969年提出，开发光学系统来存储图片数据的想法和行动可能是值得的。他们提出了带有凸起或凹坑的同心圆轨迹的想法，从那时起，Laservision视盘诞生了六年。我于1973年开始从事伺服系统和电子产品的研究，我们认为，如果一个人可以研究出带有音频信息的光学存储视频，那么这个人一定能成为数字音频领域的佼佼者。当时的研究所管理人员驳斥了这个想法，说音频太简单了，不值得付出努力，因此我们在研究时暂时将其搁置。然后是1975年推出Laservision，那是一次巨大的失败。惨败在售出的约400个播放器中，有200个被退回，因为买家一直误以为它也会录制节目，当然不能。两年后，飞利浦管理层决定停止Laservision的后续研发，将其撤出市场。（我查了一下资料，那个时候推出的Laservision只能记录图片文件，主要用于文本/文档资料的储存和检索，也是一个巨大的进步）

早期的数字音频
我认为在那时可以实现数字音频，并且在1970年至1980年之间，飞利浦和索尼之间举行了无数次会议。为的是沟通和理解与样本分辨率（就是我们现在所说的采样率）相关的技术问题，在那时，必须结合演播室（录音室）设备和广播中的数字音频所发生的实际情况情况。英国的BBC是最早采用数字声音的国家之一，他们正在与用于发射机网络的13位分配系统一起工作，采样系统的采样频率为32 kHz。Stockham在1972-3年使用Soundstream系统进行的实验所涉及的采样率平均约为40 kHz，他使用计算机磁带作为存储手段，由于计算机数据是字节定向的，因此可以以16位分辨率存储数据存储。8位太少了，14位将意味着对存储空间的低效使用（这里作者的观点可能是指最高位和最低位空置），因此16位似乎是合乎逻辑的。实际上，这是计算机磁带是当时存储一小时声音的唯一方法。到70年代末，开发了（PCM）适配器，该适配器使用普通的模拟视频录像机作为存储数字音频数据的方法，因为它们是仅有的，具有足够带宽的广泛使用的设备。这有助于解释CD的采样频率的选择，因为视频线（帧）的数量，帧速率和每行的位数（行扫描次数/秒）最终决定了如果要存储2个音频通道可以实现的采样频率。因此，44.1 kHz和44.056 kHz的采样频率是需要与当时用于音频存储的NTSC和PAL视频格式兼容的结果。所以16位似乎合乎逻辑。

光学音频光盘
从1973年到1976年，飞利浦的两名工程师受命开发基于光学视盘技术的音频光盘，他们开始尝试使用宽带频率调制的模拟方法。问题在于，尽管声音质量有了一定的改善，但它并没有比模拟LP更能抵抗灰尘和刮擦，因此他们决定寻求数字解决方案。在1977-1978年，飞利浦和索尼都展示了使用激光视盘的数字声音系统的第一批原型机，然后在1979年做出了重要的高层决策，决定联合起来制定世界音频光盘标准。飞利浦失去了（实际上是放弃了）Laservision的市场，但拥有相当多的光学专业知识以及伺服系统以及数字和模拟调制系统方面的专业知识（这里专业知识指的是专利）。索尼公司在纠错、PCM适配器和通道编码等数字技术的专业知识（这里专业知识指的是专利）在理想的合作情况下，能对飞利浦的研究成果进行完美的补充，成为一个非常合理非常严谨研究结果。两家公司在这方面的研究成果和贡献是互补的：视频光盘“物理”由飞利浦提供，而数字音频体验由索尼提供。

索尼飞利浦联络员
1979-80年在东京和埃因霍温举行了许多次会议。第一次是1979年8月在埃因霍温，第二次是10月79日在东京，为工程师提供了相互了解并发现各自团队的主要优势的机会。彼此学习很多。两个团队都有工程原型机展示，必须就调制和纠错系统做出决定。在这两个地方都进行了并行实验，自然地，在很多情况下每个团队都认为这是最佳或最实用的解决方案-他们的团队可以纠正最长的连发错误或提供最长的相互对比时间，依此类推。如此精致的原型电子设备必须与世界各地的工程师一起探讨，因此，很多工程师为此而享受了两家公司专门为他们预定的头等舱，和他们携带的设备一起，享受着在一个特别为此预定的单独座位上旅行。荷航（KLM）的确为此而特比喜欢和我们合作（因为预定的都是头等舱的缘故）。因为如您所知，一箱电子设备不会像空姐提出喝香槟酒或要求更多食物！到1980年5月，几乎一切都井然有序。调制系统仍然是争论的焦点，各方仍然声称一方优于另一方，然后索尼现任董事长Ohga先生打来了电话，他告诉我们，如果我们不能做出决定，一周之内，管理层就会为我们做出决定。我很想说，如果他们能够如此轻松地做出决定，那为什么六个月前他们不这样做呢？但出于外交利益而克制。因此，我们迅速采取了行动，并就磁盘的机械规格等做出了所有决定。
确定参数
圆盘直径是一个非常基本的参数，因为它与播放时间有关。然后必须权衡所有参数以优化播放时间和可靠性。该决定是由飞利浦公司的高层决定的。他们说，“小型盒式录音带取得了巨大的成功”，“我们认为CD不应太大”。

照原样，我们将CD增大了0.5 cm，产生了12 cm。（关于贝多芬《第九交响曲》的长短有各种各样的故事，等等，但您不应该相信它们。）确定了44.1 kHz的采样频率。实际上，这是我们唯一的选择，因为当时没有可用的设备提供44.056 kHz的不同采样频率。经过长时间的考虑，我们决定44.1 kHz而不是44.056 kHz仅仅是因为它更容易记住-确实没有其他原因。索尼做出了16位分辨率的绝佳选择，尽管飞利浦当时开发了14位D / A转换器，这使飞利浦最初辩称不可能在足够短的时间内重新设计16位分辨率的转换器。

所选择的交叉交错的里德-所罗门编码（CIRC）比飞利浦提出的要好得多，尽管当时非常复杂。索尼提议使用16kB RAMS进行交织，这对我们来说将花费约50美元，并显著增加了播放器的商业成本。那些索尼家伙，他们疯了吗？飞利浦公司的许多人问道，但事实上RAM的价格及其容量变化如此之快，以至于今天不可能购买不到1 MB的RAM，而且花不到16k的钱就可以买到-我们如此之快。因此，事实证明这是一个不错的决定。双方商定了8-14位频道代码，它们之间的所有规范导致播放时间为75分钟。确定了几何形状和其他物理参数，并添加了覆盖凹坑的塑料层（所有光盘的基本范例），以保护数据表面不受损坏，并确保激光拾取器表面上的污垢和划痕完全不在焦点范围内。（我应该注意，最近的DVD已经失去了这种范例的一小部分，因为其覆盖层只有0.6mm的厚度，因此光学头会更容易受到灰尘和划痕的影响。）

CD
光盘的兴起应运而生，音频磁盘市场显示LP的销量逐渐下降，CD的销量呈指数增长。全球的销量也急剧上升。

就我个人而言，我完全不知道CD是否会成功，因为我已经看到了Laservision出现的问题，但是我很高兴地看到，预计1997年全世界将售出50亿张CD。使其成为一个非常成功的市场。（我看到，走进会议厅，今年将有1000亿个汉堡包（便携CD机，作者在这里或者是指CD的walkman）在美国出售，所以也许毕竟还不算太大……）

现在我们许多书籍杂志叙述有CD标准， CD-ROM播放器的销量比CD音频大约高70％到30％，这是我从未料到的。

期待
作为一名研究人员，我喜欢向前和向后展望，并且我希望对基于DVD的光盘介质的未来做出一些预测。这个新磁盘的容量是CD的7倍左右，我们需要研究一下这个磁盘，才能确定光盘的增长路径。与CD相比，许多不同的特性导致DVD的容量增加。激光的波长和物镜的数值孔径（NA）均已改变，新的研究正在使该领域进一步发展。

只有将光盘制作得更薄时，才可以使镜头的NA更大，因此，也只有将盘制作得越来越薄时，才有可能在此进行进一步的改进。蓝色和绿色激光已经可以实现。应当理解，容量的潜在增加的很大一部分纯粹取决于物理学，而不是取决于唱片专家。DVD的容量已取得其他进步。有些事情只能执行一次-例如，删除第3层，CIRC并删除子代码。减少轨道间距和其他物理余量是可能的，因为我们现在知道如何很好地制造和读取光盘。表I列出了DVD与CD相比的主要参数。这使我对2010年做出了一些预测，涉及各种存储介质的物理密度。将记录密度与CD进行比较，CD的密度为每平方微米1位，而DVD的密度为6-7位每平方微米。高密度形式的DVD将进一步扩展这一范围，因此在2002年（可能在5月！）我们将看到20 GB的磁盘，而在2006年（几乎可以肯定是在6月……），我们将看到40 GB的磁盘。同时，尽管DRAM的价格目前比光学器件的价格高得多，但DRAM和磁盘容量的增长仍在以指数级的速度增长。公司是否会销售这些产品完全是另一回事-这只是工程师的预测。这就是我故事的结局，当然还有偏见。

我是从工程师的角度讲这个故事的。有关CD的许多决定都是由非常聪明的营销人员做出的-例如，使用“珠宝盒”存储磁盘的想法。出于充分的理由，这些决定不是工程师的责任。

关于作者
Kees A. Schouhamer Immink博士是荷兰人，1946年12月18日出生于鹿特丹。他分别于1975年和1984年获得了埃因霍温科技大学的硕士学位和博士学位。他于1968年至1998年在埃因霍温的飞利浦研究实验室工作。然后，在1998年，他创立了Turing Machines Inc，目前担任该公司总裁。自1994年以来，他一直担任德国埃森大学实验数学研究所的兼职教授，以及新加坡国立大学和新加坡数据存储研究所的杰出客座教授。

Immink通过他的无数发明和对数字音频，视频和数据记录设备的贡献而声名卓著。他和他在飞利浦研究中心的同事从70年代初开始就光学视频光盘记录进行了开创性的实验。在70年代后期，他是飞利浦的首席工程师，在索尼和飞利浦的共同努力下开发了光盘（CD）。在80年代和90年代，他参与了许多数字音频和视频记录产品的创建，并为此设计了编码技术。列表包括CD-R，CD-Video（1982），DAT（1985），数字音频磁带录音机，DCC（1988），DVD（1996），VCD（1998），视频光盘录像机（1998））和Blu-ray Disc（2002）。

他的研究获得了1000多项国际专利。他的创造力对日常生活的影响可以很容易地归纳为总结：从任何品牌或类型的刻录机（光学，磁性或磁光，光盘或磁带）播放的数字音频或视频，几乎是不可能收听的。没有使用他的一项基本发明。

他在数字音频和视频革命中的许多贡献得到了广泛的认可。他被荷兰女王比阿特丽克斯（Beatrix）封为爵士，并获得了“艾美奖”，2004年SMPTE进步奖章，1998年IEEE爱迪生奖章和AES金奖。他被任命为IEEE，AES，SMPTE和IEE研究员，入选了电子名人堂，并当选为荷兰皇家科学院和美国国家工程院院士。他于2003年担任纽约音频工程学会主席。

本文根据网络资源翻译整理

红灯记 · 发表于 2020-10-15 10:53:49

这篇文章的作者，曾经是一位飞利浦研究机构的研究工程师，也是飞利浦和索尼公司的联络员，亲历了CD研发前后的整个过程。通过阅读这篇文章，我们可以了解以下三点：

1、最初的数字音频的采样率是32K，根据那奎斯特的定律，应该是以当时的LP（45转）能达到最高纪录频率而定的

2、44.1K的采样率不是因CD光盘而产生的，而是根据当时采用模拟录像机记录数字音频数据，由录像机的记录带宽结合视频行场扫描频率制定的44.056K，为了好记和技术上容易实现，采用了44.1K

3、CD的最长纪录时间的决定和流传盛行的《贝九》没有关系

jsjjskfb · 发表于 2020-10-15 11:37:34

精华好文，

Eric_lv · 发表于 2020-10-16 08:48:28

灯版分享好资料，学习了。

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