【IC.TECH】第二期 | 為什麼CD的採樣率是44.1KHz？

Compact Disc

日常生活中大家都接觸過CD，記得在2000年前後，當時MP3還未普及，IC當時聽音樂、歌曲主要靠購買CD。CD一般來說是Compact Disc Digital Audio的簡稱，翻譯成中文大概是緊湊型數字音頻盤的意思。最初由飛利浦和索尼在上個世紀80年代初以紅書（Red Book）的形式聯合發布，在1987年被標準化組織IEC接納為正式標準，編號為IEC 60908。這個標準最近一次修訂是在1999年。飛利浦和索尼出版了一系列以顏色命名的標準，全部都是關於Compact Disc的，紅書（Red Book）就是其中描述數字音頻CD的一本。

（CD Logo、CD盤面、早期的CD唱機、放大的CD表面紋路）

IEC 60908整個標準還是挺繁雜的，我們只關注其中的編碼部分。簡單來說，存放於CD中的音頻編碼標準就是聲音通道數為2、採樣精度16位、編碼格式為線性PCM、採樣率固定是44.1KHz。

（適用於CD的音頻標準IEC60908）

PCM Adaptor

在紅書（Red Book）發布之前的1970年代，還存在著一種錄音設備叫做PCM適配器。故名思義，它把模擬的音頻信號轉換成數字的PCM編碼，並提供錄製到視頻存儲設備上的介面。為什麼音頻和視頻攪和在一起？因為當時已有的音頻存儲設備帶寬不夠大，不足以提供16位的PCM數字音頻的存取帶寬，這個帶寬大概在1M~1.5M bit/s，這在當時是一個相當「高」的帶寬，只有視頻存儲設備才有如此高的存取能力。PCM適配器把音頻數據按特定的視頻格式打包，從而可以藉助於已有的「高帶寬」視頻存儲設備實現音頻數據的存取。

（Sony PCM-F1：PCM Adaptor）

好吧，回憶一下我們之前在創刊號的問題：為什麼CD的採樣率是44.1KHz？到這裡，已經非常的接近問題的答案了。那就是任何新事物都要尊重傳統的力量。放到這裡，那就是音頻CD的採樣率沿用了PCM適配器的採樣率，而PCM適配器的採樣率還要能夠兼容視頻存儲設備的特定要求，以便利用現有的視頻存取設備來存取其中的音頻數據。

Video Format

當時大量存在的視頻存儲設備主要支持兩種視頻制式，一種是25幀制式（稱為CCIR 625/50，也叫PAL），一種是30幀制式（稱為EIAN 525/60，也叫NTSC）。當時世界上有電視普及的國家按這兩種制式分為兩個陣營。首先看30幀（即60場）制式，這種制式的一幀中，可利用來錄製音頻的視頻行最多能有490行，分到每一場（Field）就有245行。在每一視頻行可以平均存儲3個音頻採樣點，那麼音頻出現的頻率就是60*245*3 = 44100。這就是44.1KHz採樣率的由來的原因之一。

同樣在25幀（即50場）制式中，最大可利用的行數是588行，分到每一場有294行，同樣每一行存放3個音頻採樣點，那麼音頻採樣率就是50*294*3 = 44100 。這樣的音頻採樣率可以保證對兩種視頻制式的最大限度兼容。

Prime Numbers

還有一種解釋說明採用44100Hz的原因是，44100可以分解成2、3、5、7四個最小連續素數的平方的乘積。聽起來有些神秘主義的傾向，IC推測這些素數因子有助於系統實現時的頻率合成。

（神秘數字44100可分解為素數平方積）

Symphony No. 9 (Beethoven)

還有一種更為傳奇的說法，就是最初的CD設計團隊發現，如果用48KHz的採樣率的話，一張CD放不下74分鐘版的貝多芬第九交響曲。而採用稍小的44.1KHz，則剛好可以放下。IC感覺這種說法有點兒太傳奇太浪漫了，信不信由您。

（貝多芬第九交響曲手稿）

好了，看到這裡，想必您對CD為何採用44.1KHz的音頻採樣率已經有了一些了解。可以看出，任何一項新技術的發明和發展，都離不開對已有技術的依賴、消化和繼承。任何創新都不是憑空從頭腦中誕生的，而是一步一步腳踏實地的走出來的。這是IC在這個問題的探索中獲得的最大感悟，與諸君分享。

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