CD 里存的，究竟是什么信号 [科普向]

超级新手

大家坛的老大在微博上面发文说数字转盘，看了评论，简直不能忍。我尽量浅显易懂告诉大家，CD 里，究竟存的是什么。

首先看看 CD 的参数：声音CD（Audio-CD）包括一条或以上的立体声音轨（Track），以16bit PCM编码，采样率为44.1kHz。标准CD的直径为120毫米或80毫米，120毫米CD可存储约80分钟的音频。（来自维基百科）

首先，CD 储存采用的是“轨”的形式，而黑胶碟和硬盘，也是采取“轨”的方式储存数据，所以“轨”储存并不能说明 CD 究竟是数字音频还是模拟音频。其次，就要首先跟大家科普一下，为什么 CD 储存音乐的能力，是以时间长短来计算的。还是先从黑胶碟说起，黑胶碟通过轨道的深浅，得出一个相应的信号强度，而这个读取的过程，是连续的，这就是大家对黑胶碟深深痴迷的核心。在科学领域，我们将这种连续，称之为”时域“，简单的说，黑胶碟的运行，就和时间一样，延绵不绝。反之，CD 相对于黑胶碟，最被烧迷们唾弃的，就是它的“不连续”，理由很简单，CD 有一个采样率，为 44.1KHz，也就是每秒记录44.1千次音源信号，所以，每秒对音源进行了四万四千一百次切割。问题就来了，大家寥寥一句 CD 声音不连续，就完了，但切割之后，是什么信号呢？这就是本文要讨论的东西。

当声音被切割后，CD 记录的，是那一瞬间，音频信号的频率。科学的说，这是”频域“。黑胶碟的”时域“和CD的”频域“有什么区别呢？这个问题，涉及拉普拉斯变换，这是打通”时域“和”频域”的唯一方式，我们不深入讨论。但”时域“和”频域“的输出效果是一致的，因为频率是时间的倒数。时域周期为一秒的正弦波，和频域频率为 1Hz 的正弦波，画出来的波形是一模一样的。因为 CD 工作在频域，这个 44.1KHz 的采样率，我们也称之为时钟信号。人类的时钟，我们将一分钟切割成60秒。而频域的时钟，就告诉 CD，你采集了 44.1KHz，时间就过了一秒。因为 CD 依赖时钟，所以 CD 的记录能力，是以时间来计算的。那么 CD 和黑胶碟轨道的差异就明了了，CD 的轨道时间，代表了时钟信号，而黑胶碟的时间，就是普通时间。

而真正拉开 CD 和黑胶碟音质差异的，并不是信号的连续不连续，将一个信号一秒钟切割几万次，人耳根本分辨不出差别。而是 CD 播放器，一秒钟有没有精确的抓取了四万四千一百次信号，如果没有，那么就会出现误差。我们设想一下，你的手表走时不准，有可能你就会错过火车，上课迟到等等。同理，CD 抓取的速度和时钟信号有偏差，那么它还原的信号就有误差，也就是音质不好了。所以 CD 几块钱一张，但 CD 播放器，sony 敢卖出几千块，就是这个道理。

但讲到这里，也是只是告诉你，CD 记录的是频率。但还是没能说明 CD 储存的是什么信号。重点在这句，“以16bit PCM编码”，这句话透露了，CD 是以数字信号，记录频率的。我们来看一下，人耳能听到最大的频率，是两万赫兹。那么将两万转换成二进制，则是：0100111000100000。其中，第一个零，代表这是一个正数，如果第一位是一，则代表是负数，这是二进制的规则。所以我们总共数一数，就发现有16位二进制，这就是为什么 CD 用 16bit 来编码的原因。

所以，CD 记录的是频率信号，以数字化的方式储存。那么，我们继续延伸阅读，MP3，究竟是什么信号？

MP3 的诞生，要得益于一个重要的科学，叫傅里叶变换，傅里叶变换说的是：复杂的周期函数可以用一系列简单的正弦、余弦波之和表示。傅里叶变换是对傅里叶级数的扩展，由它表示的函数的周期趋近于无穷。（来自维基百科）

傅里叶变化也是频域，所以 Mp3 也依赖于时钟信号。MP3 的采样频率和 CD 一样，也是 44.1KHz。但 MP3 的时钟信号，是通过电脑的芯片产生的。其实 CD 也可以做到这个过程，比如你将 CD 插入电脑，直接通过资源管理器进入 CD ，将里面的音频文件拷贝出来，大小也是几个 K 的大小，照样能够播放。这就是因为电脑忽略了光盘内的时钟信号，只是将频率信号（前文已说，频率信号是以数字化储存下来的）提取出来，靠电脑 CPU 加载时钟。

这里给出个公式：CD 文件实际大小：16 bit * 44.1 KHz * 2*时间 （2代表双声道，左右耳两个音轨）。如果把时钟信号交给电脑 CPU 后期加载，那么 CD 文件的体积就锐减了 44.1千倍。

所以从数字化的角度来说，CD 音频的体积比 MP3 小太多了，光从体积来说明音质。其实是很可笑的。那么 MP3 为什么比 CD 音质差呢？

这里给出一个公式：比特率 = x bit *44.1KHz *2  

MP3 最高的比特率是 320K bps，那么你算算，也就 4 bit 的采样深度。而 CD 达到 16bit。然后这两个 bit 的算法是不同的，这就是为什么 MP3 是纯数字格式的原因。

还是说回前文提到的傅里叶变换，傅里叶说无论你是什么信号，都可以通过标准的正弦波组合而成。所以 MP3 只用告诉数模转换芯片，这个采样点，你用哪四种标准正弦波去合成这个信号就好了，所以4 bit 足以。而不是像 CD 需要16bit 去描述这个信号的频率。所以 mp3 是纯数字格式，它的作用就是告诉数字芯片怎么去产生这个波，而数字芯片要负责计算波产生和合成。为什么没有比 4bit 更高的 MP3 呢？因为波的合成会有谐振，就像桥有频率，车子在桥上行驶有个频率，如果它们频率相仿就会发生共振，那么桥就会大幅度摇摆导致坍塌。所以音频合成也有这个风险，导致波变形。如果用 4bit 以上的信号进行合成，那么谐振的干扰就会上升。

所以，恰恰是不可避免的谐振，导致了 MP3 的合成精度就只能在这个级别，这才是拉开 CD 和 MP3 音质的核心原因。

以上。