Введение

Формат данных, используемый для аудио компакт-дисков. 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 Красной книге, одной из серии книг Rainbow (названных по цвету их переплета), содержащих технические спецификации для всех форматов CD. CDDA использует импульсно-кодовую модуляцию (PCM) с частотой дискретизации 44,100 Гц и 16-битной разрядностью, позволяя хранить до 80 минут стерео-аудио на диск. Первый коммерчески доступный проигрыватель Audio CD, Sony CDP 101, был выпущен в октябре 1982 года в Японии. Формат получил всемирное признание в 1983–84 годах, было продано более миллиона проигрывателей CD за эти два года для воспроизведения 22,5 миллиона дисков. В музыкальной индустрии аудио-CD обычно продавались как синглы (в настоящее время практически не выпускаются) или как полноформатные альбомы, последние из которых стали более распространенными с 2000-х годов. Начиная с 2000-х годов, CD все чаще заменялись другими формами цифрового хранения и распространения, в результате чего к 2010 году объем продаж аудио-CD в США снизился примерно на 50% по сравнению с пиковым значением; однако они оставались одним из основных каналов дистрибуции для музыкальной индустрии. В 2010-х годах доходы от цифровых музыкальных сервисов, таких как iTunes, Spotify и YouTube, впервые сравнялись с доходами от продаж физических носителей. Согласно полугодовому отчету RIAA за 2020 год, доходы от продаж грампластинок в США впервые с 1980-х годов превысили доходы от продаж CD, в то время как в Японии CD остается основным музыкальным форматом, и доходы выросли в 2022 году, а в Германии он обогнал другие физические форматы как минимум в четыре раза в 2022 году.

История

Оптофон, впервые представленный в 1931 году, был одним из первых устройств, использовавших свет для записи и воспроизведения звуковых сигналов на прозрачной фотографии. Более чем через тридцать лет американскому изобретателю Джеймсу Т. Расселу приписывают изобретение первой системы записи цифровых носителей на светочувствительной пластине. Расселл подал заявку на патент в 1966 году, и патент был выдан ему в 1970 году. После судебных разбирательств Sony и Philips лицензировали патенты Рассела на запись в 1988 году. Дискуссионным остается вопрос о том, стимулировали ли концепции, патенты и прототипы Рассела и в какой-то степени повлияли на разработку компакт-диска. Компакт-диск является развитием технологии LaserDisc, в которой используется сфокусированный лазерный луч, обеспечивающий высокую плотность информации, необходимую для высококачественных цифровых аудиосигналов. В отличие от предшествующих разработок Optophonie и Джеймса Рассела, информация на диске считывается с отражающего слоя с помощью лазера в качестве источника света через защитный слой. Прототипы были разработаны компаниями Philips и Sony независимо друг от друга в конце 1970-х годов. Хотя первоначально руководство Philips Research считало это незначительным направлением, в 1979 году Sony и Philips создали совместную рабочую группу инженеров для разработки нового цифрового аудиодиска. После года экспериментов и обсуждений в 1980 году был опубликован стандарт CD DA, известный как «Красная книга». После коммерческого выпуска в 1982 году компакт-диски и проигрыватели к ним стали чрезвычайно популярными. Несмотря на стоимость до 1000 долларов, в период с 1983 по 1984 год в Соединенных Штатах было продано более 400 000 проигрывателей компакт-дисков. К 1988 году продажи компакт-дисков в Соединенных Штатах превысили продажи виниловых пластинок, а к 1992 году – продажи предварительно записанных аудиокассет. Успех компакт-диска связывают с сотрудничеством между Philips и Sony, которые совместно разработали и согласовали совместимое оборудование. Унифицированная конструкция компакт-диска позволила потребителям приобретать любые диски или проигрыватели от любой компании, что обеспечило компакт-диску доминирование на рынке домашней музыки без конкуренции.

Прототипы цифровых аудио лазерных дисков

В 1974 году Лу Оттенс, директор аудио-подразделения Philips, создал небольшую группу для разработки аналогового оптического аудиодиска диаметром и с качеством звука, превосходящим виниловую пластинку. Однако, из-за неудовлетворительных характеристик аналогового формата, в марте 1974 года два инженера-исследователя Philips рекомендовали использовать цифровой формат. В 1977 году Philips основала лабораторию с целью создания цифрового аудиодиска. Диаметр прототипа компакт-диска Philips был установлен равным диагонали аудиокассеты. Хайтаро Накадзима, разработавший в 1970 году один из первых цифровых аудиомагнитофонов в рамках японской национальной общественной вещательной организации NHK, в 1971 году стал генеральным менеджером аудиоотдела Sony. В 1973 году его команда разработала цифровой PCM-адаптер, который позволял осуществлять аудиозапись с помощью видеомагнитофона Betamax. После этого, в 1974 году, переход к хранению цифрового аудио на оптическом диске стал естественным шагом. Sony впервые публично продемонстрировала оптический цифровой аудиодиск в сентябре 1976 года. Год спустя, в сентябре 1977 года, Sony показала прессе диск, способный воспроизводить час цифрового аудио (частота дискретизации 44 100 Гц и разрядность 16 бит) с использованием модифицированного частотно-импульсного кодирования. В сентябре 1978 года компания продемонстрировала оптический цифровой аудиодиск с 150-минутным временем воспроизведения, частотой дискретизации 44 056 Гц, 16-битным линейным разрешением и кодом коррекции ошибок с чередующейся интерляцией – характеристики, близкие к тем, которые впоследствии были утверждены для стандартного формата компакт-диска в 1980 году. Технические детали цифрового аудиодиска Sony были представлены на 62-й конференции AES, проходившей с 13 по 16 марта 1979 года в Брюсселе. Техническое сообщение Sony AES было опубликовано 1 марта 1979 года. Неделю спустя, 8 марта, Philips публично продемонстрировала прототип оптического цифрового аудиодиска на пресс-конференции под названием "Philips представляет компакт-диск" в Эйндховене, Нидерланды. Руководитель Sony Норио Ога, впоследствии ставший президентом и председателем правления Sony, и Хайтаро Накадзима были убеждены в коммерческом потенциале формата и продвигали его дальнейшую разработку, несмотря на широко распространенный скептицизм.

Сотрудничество и стандартизация

В 1979 году компании Sony и Philips создали совместную рабочую группу инженеров для разработки нового цифрового аудиодиска. Под руководством инженеров Киса Шухамера Имминка и Тошитады Дои исследования продвинули технологии лазеров и оптических дисков. После года экспериментов и обсуждений рабочая группа разработала стандарт CD DA, известный как «Красная книга». Впервые опубликованный в 1980 году, стандарт был официально принят IEC в качестве международного стандарта в 1987 году, а различные поправки стали его частью в 1996 году. Компания Philips предложила термин «компакт-диск» в соответствии с другим аудиопродуктом – компакт-кассетой, и внесла вклад в общий производственный процесс, основанный на технологии видео LaserDisc. Philips также разработала модуляцию 8-14 (EFM), а Sony – метод коррекции ошибок CIRC, обеспечивающий устойчивость к дефектам, таким как царапины и отпечатки пальцев. История компакт-диска такова, что, по мнению Philips, компакт-диск был «изобретен коллективными усилиями большой группы людей, работающих в команде».

Дальнейшее развитие

Ранние проигрыватели компакт-дисков использовали двоично-взвешенные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), которые содержали отдельные электрические компоненты для каждого бита ЦАП. Даже при использовании высокоточных компонентов этот подход был склонен к ошибкам декодирования. В то время как компания Matsushita (ныне Panasonic) выбрала широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), рекламируя её как MASH – аббревиатуру, образованную от их запатентованной топологии Multi stAge noiSe sHaping PWM. В июне 1985 года были представлены компьютерно-читаемые CD-ROM (память только для чтения) и в 1990 году – записываемые диски CD-R. Записываемые CD стали альтернативой магнитной ленте для записи и распространения музыки и могли быть скопированы без потери качества звука. Другие, более новые видеоформаты, такие как DVD и Blu-ray, используют ту же физическую геометрию, что и CD, и большинство DVD и Blu-ray проигрывателей обратно совместимы с аудио CD.

Пик

Продажи компакт-дисков в США достигли пика к 2000 году. К началу 2000-х годов CD-плеер во многом вытеснил аудиокассетный плеер как стандартное оборудование в новых автомобилях, а 2010 год стал последним модельным годом для автомобилей в США, оснащенных кассетопроигрывателем с завода. В 2000-х годах было представлено два новых формата, задуманных как преемники CD: Super Audio CD (SACD) и DVD Audio. Однако ни один из них не получил широкого распространения, отчасти из-за растущей популярности цифровой (виртуальной) музыки и незначительных, заметных большинству слушателей, улучшений качества звука. Это фактически продлило срок жизни CD на музыкальном рынке.

Упадок

С появлением и популярностью интернет-распространения файлов в сжатых аудиоформатах с потерями, 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 увеличения, продажи компакт-дисков крупных лейблов в целом сократились на 20%. Несмотря на быстрое снижение продаж из года в год, распространенность технологии сохранялась некоторое время, и компании размещали компакт-диски в аптеках, супермаркетах и магазинах при заправочных станциях, чтобы привлечь покупателей, менее склонных к использованию интернет-распространения. К 2015 году только 24% музыки в Соединенных Штатах приобреталось на физических носителях, две трети из которых приходилось на компакт-диски; однако в том же году в Японии более 80% музыки покупалось на компакт-дисках и других физических форматах. В 2018 году продажи компакт-дисков в США составили 52 миллиона единиц – менее 6% от пикового объема продаж в 2000 году. В 2018 году Best Buy объявила о планах снизить акцент на продажах компакт-дисков, но продолжила продавать виниловые пластинки, продажи которых росли в период возрождения винила. В течение 2010-х годов растущая популярность твердотельных носителей и музыкальных стриминговых сервисов привела к тому, что автопроизводители стали отказываться от автомобильных CD-плееров в пользу разъемов mini-jack, проводных подключений к USB-устройствам и беспроводных Bluetooth-соединений. Автопроизводители считали, что CD-плееры занимают ценное пространство и добавляют вес, который можно было бы перераспределить на более востребованные функции, такие как большие сенсорные экраны. К 2021 году только Lexus и General Motors по-прежнему включали CD-плееры в стандартную комплектацию некоторых автомобилей. Снижение продаж компакт-дисков замедлилось в последние годы; в 2021 году продажи компакт-дисков в США увеличились впервые с 2004 года, и Axios объяснил это тем, что "молодые люди обнаруживают, что им нравятся физические копии музыки в цифровую эпоху". Это произошло одновременно с тем, как продажи винила и кассет достигли уровней, невиданных за 30 лет. RIAA сообщила, что доходы от компакт-дисков снизились в 2022 году, но затем снова выросли в 2023 году и впервые за более чем десятилетие превысили доходы от загрузок. В США в 2022 году было продано 33,4 миллиона компакт-дисков. Во Франции в 2023 году было продано 10,5 миллионов компакт-дисков, почти вдвое больше, чем виниловых пластинок, но оба формата принесли по 12% доходов французской музыкальной индустрии.

Награды и награды

Sony и Philips получили высокую оценку от профессиональных организаций за разработку компакт-диска. Среди наград: Техническая премия «Грэмми» для Sony и Philips, 1998 год. Награда IEEE Milestone, 2009 год, присуждена компании Philips с формулировкой: «8 марта 1979 года компания N. V. Philips’ Gloeilampenfabrieken продемонстрировала международной прессе компактный аудиоплеер на дисках. Демонстрация показала возможность воспроизведения аудиосигналов с превосходным стереозвучанием посредством цифровой оптической записи и воспроизведения. Эти исследования, проведенные в Philips, заложили технический стандарт для систем цифровой оптической записи».

Аудиоформаты

Аудио, содержащееся в CD DA, состоит из двухканального 16-битного LPCM с фиксированной точкой, дискретизированного с частотой 44,100 Гц и записанного в виде потока с чередованием байтов, где сначала идет левый канал. Частота дискретизации была взята из той, что достигалась при записи цифрового аудио на видеомагнитную ленту с помощью PCM-адаптера – более раннего способа хранения цифрового аудио. Аудио-CD может воспроизводить частоты до 22,05 кГц, что соответствует частоте Найквиста для частоты дискретизации 44,1 кГц. Первоначально планировалось включить поддержку четырехканального, или квадрофонического, звука в CD DA. Четырехканальный режим кратко упоминался в спецификации Red Book в редакциях июня 1980, сентября 1983 и ноября 1991 годов. На первой странице спецификации приведены "Основные параметры" системы CD, включая: "Количество каналов: 2 и/или 4 одновременно[*] дискретизированных". В сноске указано: "В случае использования более двух каналов необходимо адаптировать схемы кодирования и декодирования". Однако на практике этот недостаточно определенный "четырехканальный" режим был исключен из стандарта CD при его принятии Международной электротехнической комиссией и последующем преобразовании в IEC 908:1987, а затем в IEC 60908:1999. Поскольку поведение бита "четырехканального" или "для вещания" никогда не было определено ни одним из стандартов CD, ни один диск, выпущенный в массовой продаже, не пытался использовать четырехканальный режим Red Book, и ни один проигрыватель не заявлял о его поддержке.

Кодирование данных

Каждый аудиообразец представляет собой знаковое 16-битное целое число в дополнительном коде, со значениями образцов в диапазоне от −32768 до +32767. Исходные аудиоданные разделены на кадры, каждый из которых содержит двенадцать образцов (шесть левых и шесть правых, чередующихся), что составляет в общей сложности 192 бита (24 байта) аудиоданных на кадр. Этот поток аудиокадров в целом подвергается CIRC-кодированию, которое сегментирует и переупорядочивает данные, а также расширяет их кодами коррекции ошибок, позволяя обнаруживать и исправлять случайные ошибки чтения. CIRC-кодирование перемежает аудиокадры по всему диску, распределяя их по нескольким последовательным кадрам, чтобы повысить устойчивость информации к прерывистым ошибкам. Следовательно, физический кадр на диске фактически содержит информацию из нескольких логических аудиокадров. Этот процесс добавляет 64 бита данных коррекции ошибок к каждому кадру. После этого к каждому из этих закодированных кадров добавляется 8 бит подкода или подканальных данных, используемых для управления и адресации при воспроизведении CD. CIRC-кодирование вместе с байтом подкода формируют кадры длиной 33 байта, называемые "кадрами канальных данных". Эти кадры затем модулируются с использованием модуляции 8-14 (EFM), где каждое 8-битное слово заменяется соответствующим 14-битным словом, предназначенным для уменьшения количества переходов между 0 и 1. Это снижает плотность физических углублений на диске и обеспечивает дополнительную степень устойчивости к ошибкам. Для уточнения и синхронизации перед каждым 14-битным словом добавляются три "объединяющих" бита. В общей сложности получается 33 × (14 + 3) = 561 бит. К началу каждого кадра добавляется 27-битное слово (24-битный шаблон плюс 3 объединяющих бита) для облегчения синхронизации, чтобы устройство чтения могло легко находить кадры. В результате кадр содержит 588 бит "канальных данных" (которые декодируются только в 192 бита музыки). Кадры канальных данных в конечном итоге физически записываются на диск в виде углублений и плоских участков, где каждое углубление или плоский участок представляет собой последовательность нулей, а точки перехода – края каждого углубления – представляют единицу. CD-R, совместимый со стандартом Red Book, имеет пятна в форме углублений и плоских участков на слое органического красителя вместо фактических углублений и плоских участков; лазер создает эти пятна, изменяя отражающие свойства красителя. Из-за более слабой структуры сектора коррекции ошибок, используемой на аудио- и видео-CD (Mode 2 Form 2), чем на дисках данных (Mode 1 или Mode 2 Form 1), ошибки C2 не подлежат исправлению и указывают на потерю данных. Даже при наличии неисправимых ошибок, проигрыватель компакт-дисков интерполирует потерю данных, стремясь сделать повреждение неслышимым.

Структура данных

Поток аудиоданных на аудио-CD непрерывен, но состоит из трех частей. Основная часть, которая далее разделена на воспроизводимые аудиодорожки, называется программой. Ей предшествует вводный трек, а следует за ней – завершающий трек. Вводный и завершающий треки содержат только тишину, но все три секции содержат потоки данных подкода. Подкод вводного трека содержит повторяющиеся копии таблицы содержания диска (TOC), которая предоставляет индекс начальных позиций дорожек в программной области и завершающем треке. Позиции дорожек задаются абсолютным таймкодом относительно начала программы в формате MSF: минуты, секунды и доли секунды, называемые кадрами. Каждый кадр таймкода составляет одну семьдесят пятую секунды и соответствует блоку из 98 каналов данных – в конечном итоге, блоку из 588 пар левых и правых аудиосемплов. Таймкод, содержащийся в данных подканала, позволяет устройству чтения определить область диска, соответствующую таймкоду в TOC. TOC на дисках аналогична таблице разделов на жестких дисках. Нестандартные или поврежденные записи TOC используются как средство защиты от копирования CD/DVD, например, в схеме key2Audio.

Следы

Самый крупный элемент 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, поддерживающие эту функцию, встречаются всё реже. Подавляющее большинство песен записываются под индексом 1, а прегэп – индексом 0. Иногда скрытые треки размещают в конце последнего трека диска, часто используя индекс 2 или 3, либо используя прегэп как индекс 0 (в последнем случае трек начнет воспроизводиться, когда счетчик времени достигнет 0:00 в начале трека, индекса 1). Это также справедливо для некоторых дисков, предлагающих "101 звуковой эффект", где 100 и 101 трек индексируются как два и три на треке 99. Индекс, если он используется, иногда указывается в списке треков в виде десятичной дроби номера трека, например, 99.2 или 99.3. (Альбом Hack группы Information Society был одним из немногих CD-релизов, использовавших подобный подход, после выпуска с не менее загадочной функцией CD+G). Структура треков и индексов CD была перенесена в формат DVD в виде названия и главы соответственно. Треки, в свою очередь, делятся на временные кадры (или секторы), которые далее подразделяются на кадры данных каналов.

Битовая скорость

Битовая скорость аудио на CD Red Book составляет 1 411 200 бит в секунду (1 411 кбит/с) или 176 400 байт в секунду; 2 канала × 44 100 отсчетов в секунду на канал × 16 бит на отсчет. Аудиоданные, поступающие с CD, содержатся в секторах, каждый из которых имеет размер 2 352 байта, при этом 75 секторов содержат 1 секунду аудио. Для сравнения, скорость чтения "1×" CD-ROM 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.

Доступ к данным с компьютеров

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 подкода. Однако компьютерные операционные системы могут предоставлять доступ к аудио-диску так, как будто он содержит файлы. Например, Windows представляет таблицу содержания CD в виде набора файлов компакт-дисковых аудиодорожек (CDA), каждый из которых содержит информацию для индексации, а не сами аудиоданные. В отличие от этого, Finder в macOS отображает содержимое CD как реальный набор файлов с расширением AIFF, которые можно скопировать напрямую, случайным образом и по отдельности по трекам, как если бы это были обычные файлы. На самом деле, macOS выполняет собственное извлечение данных в фоновом режиме, полностью невидимое для пользователя. Скопированные треки полностью воспроизводимы и редактируемы на компьютере пользователя. В процессе, называемом риппингом, программное обеспечение для цифрового извлечения аудио может использоваться для чтения аудиоданных CD DA и сохранения их в файлы. Распространенные форматы аудиофайлов для этой цели включают WAV и AIFF, которые просто добавляют короткий заголовок к данным LPCM; FLAC, ALAC и Windows Media Audio Lossless, которые сжимают данные LPCM таким образом, чтобы экономить место, но при этом позволяют восстановить их без каких-либо изменений; а также различные форматы кодирования с потерями, такие как MP3, AAC и Opus, которые изменяют и сжимают аудиоданные, необратимо изменяя звук, но используют особенности человеческого слуха, чтобы сделать эти изменения малозаметными.

Формат вариаций

Издатели звукозаписей создали диски, нарушающие стандарт Red Book. Некоторые делают это в целях предотвращения копирования, используя системы, такие как Copy Control. Другие – для добавления дополнительных функций, например, DualDisc, который содержит как CD-слой, так и DVD-слой, при этом толщина CD-слоя значительно меньше, 0,9 мм, чем требуется стандартом Red Book, где указана номинальная толщина 1,2 мм, но не менее 1,1 мм. Philips и многие другие компании заявили, что нанесение логотипа Compact Disc Digital Audio на такие диски, не соответствующие стандарту, может являться нарушением прав на товарный знак. Super Audio CD был стандартом, опубликованным в 1999 году, призванным обеспечить более высокое качество звука по сравнению с CD. DVD-Audio появилось примерно в то же время.