История компакт-диска

В 1970-х годах проигрыватели винила и их пластинки становились все менее популярны в ассортименте аудиопродукции. В то время как большая часть аудиоаппаратуры стремительно уменьшалась в размере, это было невозможно для вертушек с их диаметром диска в 30 см. Более того, пластинки были механически уязвимы и с ними нужно было обращаться осторожно. Царапина или грязь могли необратимо испортить удовольствие от воспроизводимой музыки.

Осознавая эти ограничения, Лу Оттенс, разработчик карманного рекордера Philips и компакт-кассеты, а по совместительству технический директор Аудиопромышленной группы Philips Corporation в голландском Эйндховене, начал искать меньшие по размеру и более эффективные альтернативы проигрывателя и носителя. Рынок требовал новый компактный формат на замену винилу.

Лу Оттенс

Вектором и образцом стал небольшой размер компакт-кассеты, который являлся её главным маркетинговым преимуществом. Хотя качество звука кассет и улучшилось в 1970-х годах, в основном благодаря более качественному составу магнитных лент и компандерным системам, но оно так и не превосходило качество звука виниловых пластинок.

В то время, когда Оттенс искал подходящего преемника виниловой пластинке, отдел оптики, возглавляемый П. Крамером, из исследовательской лаборатории Philips в Эйндховене, также известной как Nat.Lab (Natuurkundig Laboratorium), экспериментировал с совершенно новой системой записи и воспроизведения аналоговых цветных видеосигналов, позже ставшей известной как VLP (Video Long Play).

Nat.Lab

Оттенс, осведомленый о технологии VLP, попросил инженеров из Nat.Lab изучить возможности оптической записи и воспроизведения четырех (quadro) аудиосигналов на оптическом диске диаметром 20 см. Квадрофонический звук тогда воспринимался более обогащенным по сравнению со стереозвуком. Проект получил название ALP (Audio Long Play), что указывает на его сродство с VLP. Важно упомянуть, что сигнал, записанный на VLP, имеет дискретную амплитуду, но не дискретный тайминг и является аналоговым сигналом.

Поскольку было известно о «выпадениях» на дисках VLP, инженеры серьезно сомневались в возможности воспроизведения звука Hi-Fi качества с использованием аналогового способа, ведь аудио не имеет такой же избыточности данных, как видео. А с цифровым способом записи можно использовать код, исправляющий ошибки, которые будут возникать в процессе воспроизведения.

Интересный момент здесь в том, что идея компакт диска принадлежала на самом деле не Philips и Sony. Уже в 1965 году Джеймс Рассел в Северо-западной лаборатории Баттелла в Ричленде, штат Вашингтон, занимался вопросом хранения цифровой информации на оптическом диске. В 1970 году ему был выдан патент на систему записи и воспроизведения аналого-цифровой фотографии (патент США 3 501 586). Рассел изобрел общую концепцию оптической цифровой записи и воспроизведения. А в 1969 году Дэвиду Полу Греггу был выдан патент на оптический видеодиск (патент США 3 430 966). Таким образом, можно сказать, что эти два человека частично изобрели базовые компоненты компакт-диска.

Джеймс Рассел

Кратко описать различия между системами, описанными в этих двух патентах, и стандартом компакт-дисков Philips-Sony, установленным в 1980 году, нелегко. Но позвольте мне упомянуть только одно принципиальное отличие. Запись и воспроизведение в системе CD двух цифровых аудиосигналов в течение одного часа и с отношением сигнал/шум, равным 97 дБ, были невозможны без коррекции ошибок и их сокрытия. Сигнал, упомянутый в патенте Грегга, является аналоговым, что исключает использование кода, исправляющего ошибки. И хотя сигнал, описанный в патенте Рассела, является цифровым, исправление ошибок в нем не упоминается.

Тем не менее, цифровая система ALP была сложной и дорогой в реализации в начале 1970-х. Плюс ограниченные возможности по разработке цифрового оборудования в то время и высокая цена на гипотетический цифровой плеер не позволяли потребителям перейти на цифровые аудиосистемы. Поэтому было принято решение развивать проект по «аналоговому» сценарию.

Прототип из лаборатории Philips

В конце 1975 года проигрыватель ALP и диск были готовы к тестированию. Оказалось, что выпадения вызвали слишком много слышимых щелчков и других помех, и ни один из двух демодуляторов не давал звук Hi-Fi. Таким образом, аналоговый ALP оказался тупиком.

Один из поздних прототипов CD-проигрывателя Philips

Следующим шагом группы проекта ALP была система, использующая дельта-модуляцию (DM), но без применения кода, исправляющего ошибки – так её было проще реализовать. Однако сигнал DM был чувствительным к ошибкам, которые вызывали слышимые щелчки. Маскировка выпадений не применялась. Применение кода коррекции ошибок было неизбежно...

Тем не менее, 25 ноября 1977 года Совету директоров Philips был продемонстрирован прототип DM-ALP. Правление пришло к выводу, что качество звука должно быть улучшено и быть выше, чем у винила. Они также подчеркнули, что разработчики должны стремиться к достижению уровня общемирового стандарта для этой новой оптической аудиотехнологии. Правление не хотело повторения истории нескольких стандартов, как это произошло с телевидением, в котором было три стандарта: NTSC, PAL и SECAM, и с видеомагнитофонами, которые также на тот момент имели три стандарта: VHS, Betamax и V2000.

Прототип Philips

С учетом этих указаний совета директоров, руководство группы разработки решило активизировать свои усилия. По предложению Йопа Ван Тилбурга, генерального директора аудионаправления Philips, название ALP было изменено на Compact Disc или просто CD. Слово «Compact» соответствовало другому хиту Philips - компакт-кассете.

Первый компакт-диск Philips

Диаметр CD-диска был определен в 11,5 см, что равно диагонали компакт-кассеты. Время воспроизведения цифрового оптического диска было ограничено одним часом. Более того, руководство проекта решило создать лабораторию CD Lab по созданию прототипа проигрывателя компакт-дисков и самих дисков, которые можно было бы продемонстрировать всему миру. Руководителем проекта стал Йоп Синжу, в рамках его лаборатории была собрана команда из 35 человек.

В начале 1978 года началось определение технических параметров системы CD. После короткого периода дискуссий между CD Lab и Nat.Lab был определен ряд технических спецификаций и параметров, таких как: глубина квантования 14 бит для каждого из двух аудиосигналов, отношение сигнал/шум 85 бит, достаточное для того, чтобы сделать шум квантования неслышным, полоса пропускания 0–20 кГц для каждого из двух звуковых сигналов с частотой дискретизации 44,3 кГц.

Прототип транспорта СD Lab

Код исправления ошибок в идеале должен был основываться на статистике ошибок компакт-дисков массового производства, но это пока было невозможно. Тем не менее, были сделаны предварительные измерения в отделе оптики, которые показали, что большинство ошибок на цифровом оптическом диске были ошибками с одним, двумя или тремя битами. Время от времени также возникала ошибка (выпадение) с максимальной длиной около 200 бит. Чтобы исправить эти ошибки был разработан специальный код коррекции ошибок.

Прототип из CD Lab

Еще одним значительным вкладом Nat.Lab был полностью монолитный 14-разрядный цифро-аналоговый преобразователь. Два из этих ЦАП были использованы в прототипе системы. В 1978 году это был единственный подобный ЦАП с таким разрешением, доступный на рынке.

Прототип чипа Philips TDA1541

Незадолго до Рождества в 1978 году маленький проигрыватель был закончен и Йоп Синжу показал его коллективу CD Lab. Он сказал: «Это наш маленький ребенок, так что давайте дадим ему имя». Один из его инженеров по фамилии Монс произнес: «его зовут Пинкельтье». Пинкельтье был гномом из одной голландской сказки, которую Монс читал своим детям.

Тот самый Пинкельтье из личной коллекции Йопа Синжу

6 февраля 1979 года система-прототип по имени Pinkeltje, с дисками 11,5 см, изготовленными в CD Lab была продемонстрирована аудио-экспертам из PolyGram в Баарне, Нидерланды. PolyGram, кстати, была основана в 1972 году в результате слияния звукозаписывающих производств Philips и Siemens.

Прежде чем решить, производить ли CD-диски, эксперты хотели определить, соответствует ли качество звука этой новой аудиосистемы их стандартам. Во время сравнительных тестов эксперты по звуку много раз переключались между музыкой с CD-плеера и оригинальных аналоговых мастер-лент. Эти эксперты не смогли определить разницу в качестве звука.

В соответствии со своим стратегическим планом руководство бизнес-подразделения аудиотехники Philips решило, что пришло время обнародовать систему CD. Так, 8 марта 1979 года в офисе Philips в Эйндховене были представлены прототип системы CD и диск. Аудитории около 300 журналистов их продемонстрировал сам Йоп Синжу. Журналиты отмечали что демонстрационная система была впечатляющей и полное отсутствие фонового шума любого рода во время пауз в музыкальных пассажах особенно шокировало.

8 марта 1979 года. Йоп Синжу демонстрирует новый формат

После того, как система-прототип была обнародована, для Philips Audio было важно найти сильного промышленного партнера, который был бы заинтересован в сотрудничестве для воплощения общего стандарта CD. Руководство аудионаправления Philips обратилось к нескольким японским компаниям с просьбой аудиенции для показа и демонстрации прототипа компакт-диска Philips. Так, в период с 14 по23 марта 1979 года, состоялся гастрольный тур прототипа по компаниям: JVC, Sony, Pioneer, Hitachi и MEI (Matsushita).

Пресса видит компакт-диск в первый раз

Также был посещен Комитет по цифровым аудиодискам DAD (Digital Audio Disc Committee). Министерство промышленности и торговли Японии поставило перед DAD задачу оценить различные разрабатываемые системы цифровых аудиодисков и рекомендовать мировой стандарт.

В последний день визита Йопу Ван Тилбургу позвонил сам Акио Морита, председатель Sony. Морита сказал, что, посоветовавшись с руководством Sony, он решил сотрудничать с Philips. Вскоре вице-председатель Sony Норио Ога приехал в Эйндховен, чтобы обсудить контракт. Sony была идеальным партнером для Philips. Она не только занимала отличные позиции в сегменте, связанном с цифровой записью звука на магнитную ленту, но также разработала свои прототипы оптического цифрового аудиоплеера и диска.

Чтобы установить общий стандарт для системы CD, Philips и Sony договорились о череде встреч в Эйндховене и Токио. Во время этих встреч технические эксперты из Philips и Sony рассмотрели такие вопросы, как время воспроизведения диска, его диаметр, частота дискретизации звука, квантование сигнала (биты на семпл) и формат сигнала, который будет использоваться. Компании обменялись мнениями и обсудили ряд вопросов в своем намерении создать спецификации к апрелю 1980 года для конференции DAD в июне.

Дирижер Герберт фон Караян с Акио Моритой, президентом Sony рассматривают прототипы Philips и Sony, слева Йоп Синжу.

Как рассказывал Йоп Синжу, диаметр 11,5 см диска-прототипа, по личному желанию Норио Оги, был изменен до 12 см. Дело в том, что на 12-сантиметровом диске можно было записать любимое произведение Огги – Девятую симфонию Бетховена, продолжительностью 74 минуты.

Норио Ога между делом подрабатывал дирижером

И практически анекдот о том, как определялся размер центрального отверстия в диске. Когда этот вопрос встал во время одной из встреч Philips-Sony, Йоп Синжу положил на стол голландскую 10-центовую монету. Все согласились с тем, что это был прекрасный размер для отверстия.

На конференции DAD были оценены три недавно разработанные системы. Это были системы на оптических дисках, предложенные Sony и Philips, механическая система, предложенная Telefunken, и электростатическая система, предложенная JVC. Все они существенно различались, но главной проблемой конкурентов было то, что эти системы считывали сигнал через прямой контакт с поверхностью диска. В апреле 1981 года конференция DAD официально отказалась от утверждения только одной системы. Они решили признать как систему Sony-Philips, так и систему, разработанную JVC.

Прототип CD-проигрывателя Philips с вертикальной загрузкой

Philips и Sony обнародовали совместный стандарт в июне 1980 года. Он определил качество последовательных операций обработки сигналов. Этими операциями были: аналого-цифровое преобразование, кодирование с исправлением ошибок, кодирование модуляции, декодирование модуляции, исправление ошибок, скрытие обнаруженных ошибок и, наконец, цифроаналоговое преобразование.

Знаменитый прототип Sony Goronta

Так появился знаменитый стандарт «Красная книга», представляющий собой серию документов, в которых описан диск диаметром 120 мм, носящий музыку с разрешением 16 бит / 44,1 кГц. Частота дискретизации основана на теореме Найквиста (привет нашим читателям-задротам), которая в данном случае описывает минимальную частоту, необходимую для воспроизведения всех частот, которые теоретически могут слышать люди. Сам компакт-диск, однако, не будет официально доступен широкой публике до 1983 года.

В 1983 году на рынке появились CD-плееры и сами диски. Вскоре после этого весь мир принял этот новый способ прослушивания музыки. После появления CD-технологии последовали несколько десятилетий разработки цифровых оптических дисковых систем для воспроизведения и записи компьютерных данных, музыки и видео.

Sony CDP-101 - первый в мире коммерческий проигрыватель компакт-дисков

Этот эволюционный процесс был запущен 8 марта 1979 года, когда был публично представлен и продемонстрирован прототип со странным именем гномика Пинкельтье с небольшим поликарбонатным диском внутри.