【IC.TECH】第二期 | 为什么CD的采样率是44.1KHz？

前文：【IC.TECH】创刊号 | Audio ABC

Compact Disc

日常生活中大家都接触过CD，记得在2000年前后，当时MP3还未普及，IC当时听音乐、歌曲主要靠购买CD。CD一般来说是Compact Disc Digital Audio的简称，翻译成中文大概是紧凑型数字音频盘的意思。最初由飞利浦和索尼在上个世纪80年代初以红书（Red Book）的形式联合发布，在1987年被标准化组织IEC接纳为正式标准，编号为IEC 60908。这个标准最近一次修订是在1999年。飞利浦和索尼出版了一系列以颜色命名的标准，全部都是关于Compact Disc的，红书（Red Book）就是其中描述数字音频CD的一本。

（CD Logo、CD盘面、早期的CD唱机、放大的CD表面纹路）

IEC 60908整个标准还是挺繁杂的，我们只关注其中的编码部分。简单来说，存放于CD中的音频编码标准就是声音通道数为2、采样精度16位、编码格式为线性PCM、采样率固定是44.1KHz。

（适用于CD的音频标准IEC60908）

PCM Adaptor

在红书（Red Book）发布之前的1970年代，还存在着一种录音设备叫做PCM适配器。故名思义，它把模拟的音频信号转换成数字的PCM编码，并提供录制到视频存储设备上的接口。为什么音频和视频搅和在一起？因为当时已有的音频存储设备带宽不够大，不足以提供16位的PCM数字音频的存取带宽，这个带宽大概在1M~1.5M bit/s，这在当时是一个相当“高”的带宽，只有视频存储设备才有如此高的存取能力。PCM适配器把音频数据按特定的视频格式打包，从而可以借助于已有的“高带宽”视频存储设备实现音频数据的存取。

（Sony PCM-F1：PCM Adaptor）

好吧，回忆一下我们之前在创刊号的问题：为什么CD的采样率是44.1KHz？到这里，已经非常的接近问题的答案了。那就是任何新事物都要尊重传统的力量。放到这里，那就是音频CD的采样率沿用了PCM适配器的采样率，而PCM适配器的采样率还要能够兼容视频存储设备的特定要求，以便利用现有的视频存取设备来存取其中的音频数据。

Video Format

当时大量存在的视频存储设备主要支持两种视频制式，一种是25帧制式（称为CCIR 625/50，也叫PAL），一种是30帧制式（称为EIAN 525/60，也叫NTSC）。当时世界上有电视普及的国家按这两种制式分为两个阵营。首先看30帧（即60场）制式，这种制式的一帧中，可利用来录制音频的视频行最多能有490行，分到每一场（Field）就有245行。在每一视频行可以平均存储3个音频采样点，那么音频出现的频率就是60*245*3 = 44100。这就是44.1KHz采样率的由来的原因之一。

同样在25帧（即50场）制式中，最大可利用的行数是588行，分到每一场有294行，同样每一行存放3个音频采样点，那么音频采样率就是50*294*3 = 44100 。这样的音频采样率可以保证对两种视频制式的最大限度兼容。

Prime Numbers

还有一种解释说明采用44100Hz的原因是，44100可以分解成2、3、5、7四个最小连续素数的平方的乘积。听起来有些神秘主义的倾向，IC推测这些素数因子有助于系统实现时的频率合成。

（神秘数字44100可分解为素数平方积）

Symphony No. 9 (Beethoven)

还有一种更为传奇的说法，就是最初的CD设计团队发现，如果用48KHz的采样率的话，一张CD放不下74分钟版的贝多芬第九交响曲。而采用稍小的44.1KHz，则刚好可以放下。IC感觉这种说法有点儿太传奇太浪漫了，信不信由您。

（贝多芬第九交响曲手稿）

好了，看到这里，想必您对CD为何采用44.1KHz的音频采样率已经有了一些了解。可以看出，任何一项新技术的发明和发展，都离不开对已有技术的依赖、消化和继承。任何创新都不是凭空从头脑中诞生的，而是一步一步脚踏实地的走出来的。这是IC在这个问题的探索中获得的最大感悟，与诸君分享。

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