CD盤的數據抖動
音響CD盛行三十年。其中，播放設備經厲了多次的技術更新，聲音品質也因此有了很大改善。但仍至目前，音響CD音樂播放的聲音自然度遜於LP唱片的這一種情況似乎仍很普遍。
另一方面，不同級別播放器有著不同聲音品質。甚至，同一CD盤在同一播放器的前後兩次播放，也可能有兩種不同的音效。對於一致性極強的數碼類設備來說，這樣的情況有點不可思議。
以上問題源於CD盤上數據的抖動* 。這些抖動干擾了播放器的伺服系統，導致所讀取的數據（數據流）出現更大量值的抖動。數據因此而出現錯誤，最終影響CD播放的聲音品質。
* 排列在CD盤上的坑點出現了物理結構偏差。當這些坑點所代表的數據被播放器讀取，便反映為電信號在水平軸（時間）方向的抖動。
下面，我們將從技術層面去剖析CD播放所要遇到的問題，用一個客觀的角度來認識、以至更有效地使用音響CD和播放設備。對於其它的數碼音樂格式，若其數據仍是使用塑料盤作為存儲載體，數據產生錯誤的機制相同。
概述
CD盤的生產需要經過多個工序。某些生產工序會讓產品出現一些結構偏差。這些偏差會導致播放器所讀取數據出現抖動（Jitter），並影響EFM解碼數據的正確性。當解碼後數據的錯誤率達到一定程度，並超過播放器的糾錯能力而不能全部糾正；又或者這些錯誤數據是一些校驗數據，就會影響CD播放的聲音品質。偏差的程度取決於生產工藝以及製作設備。所以，相同品牌而不同產地的CD盤也可能會有著不同的聲音品質。以下視頻，你可以看到我們日常使用的一些CD盤其數據流抖動的差異。CD Jitter Test Part 1 、 CD Jitter Test Part 2.
數據載體
CD盤生產，在擠壓這個過程中，因為冷卻時間短暫，塑料的物理特性必然促使坑點的邊緣要產生斜度（其斜率具有隨機性，導致物理結構偏差）。這個傾斜的邊緣成了0或1之間的灰色地帶。冷卻時間的長短會改變灰色地帶的寬度，並具體控制數據抖動的程度。
數據傳送
CD盤上面的數據是不歸零串行格式。低速傳送串行數據，要求所傳數據有較短的同步週期（如RS232）。更長的同步週期（同步週期內含有更多數位），將會有更多的數據因為數據流抖動而產生錯誤。因此，在高速狀態下傳送長同步週期的串行數據（如I2C），我們就必須使用另一數據線來同步發送位時鐘信號（用於辨析數位狀態）。
音響CD播放的聲音品質問題就出在這個用於辨析數據流數位狀態的位時鐘上面。
播放器是以每秒4.22MBit的速度（4.3218 MHz）傳送CD盤數據。因為播放器的CD盤數據傳送機制只能是單一數據線方式。所以，在高速度、長同步週期（588個數位）情況下，播放器仍需在數據接收端產生位時鐘信號。數據流存在著抖動，位時鐘也必須跟隨其抖動。這個跟隨抖動極具複雜性，很容易造成位時鐘在時域上產生錯位，而導致數位在狀態辨析的過程中出現錯誤。
位時鐘
CD盤上數據傳送到播放器後，必須使用位時鐘來鑑別每一數位之狀態（0或1）。播放器的位時鐘由鎖相環的一個壓控振盪器產生。位時鐘的頻率需要經過雙重的偏差校正：其一，用數據流的同步信號來修正位時鐘頻率，並向伺服系統提供數據讀取速度的修正信息；其二，通過數據流的狀態跳變邊沿提供信息來修正位時鐘的相位偏差。數據流的抖動將要影響以上各項修正。
修改
修正是一個反饋過程並需要經歷一段響應時間。結合了時域因素後，反饋這一過程便是從過去的事實中提取信息、供給後續事件作為對照並修補差距。反饋信息取自於一物件跟另一基準物件的差距，
- 當隨後物件與前一物件的偏差方向是一致，這一信息有效；
- 對於一些不規則偏差的物件，這一信息不但無效，而且會因為前一錯誤物件所提供的信息而錯誤地修改後續準確物件，反之亦然；
- 當隨後物件與前一物件的偏差方向是相反，這一信息將產生一個更大的量值並以此錯誤地修改隨後物件。
CD盤的物理結構偏差，導致數據流出現不規則抖動，因此數位與位時鐘之間出現時域偏差，發生在第二和第三種情況。若修改後的位時鐘，它與數位的時域偏差量值仍在容許範圍內，此修改不會導致數據錯誤。當不規則抖動增大到了一定程度並超出時域偏差所容許範圍，將產生數據錯誤。
CD播放器使用伺服馬達機構來傳送盤上數據。期間，伺服器需要修正傳送速度的偏差。因為馬達改變速度的過程需要一段響應時間，播放器的數據讀取速度會因此有一個較低頻率（相對於同步信號頻率）的周期性變化。即，數據流會有一個有規律的週期性抖動。
調製
- 由鎖相環壓控振盪器產生的位時鐘信號其自身有隨機性抖動。
- 數據流存在著抖動，位時鐘也必須跟隨其抖動。
位時鐘自身的抖動（隨機）、數據流的周期性抖動（低頻）以及數位的不規則抖動（高頻），它們所產生的多層次互調將增大位時鐘與數位之間時域偏差的量值，並導致位時鐘跟隨數據流抖動更具複雜性。數據錯誤率將由此進一步增高。
門限
當數據流的抖動量增大到一定程度，除了有更多數據要出現錯誤，正常的數據傳送條件也可能要遭到破壞。並且鎖相環也有可能超出其可鎖定之範圍。因此，伺服系統需要為數據流的抖動設定一個門限。若抖動量達到這一門限，伺服系統將運用另一調控機制去作出一個乾預性的修正以維持數據的不間斷傳送。此時，錯誤數據的數量將最大化。伺服系統設定的這個門限，就是播放器對於數據流抖動之容忍度。
容忍度
工業生產當中，若不容許產品有偏差便沒有了成品。所以，播放器對於讀取數據過程中所出現的數據流抖動，仍需要有一定的容忍度。低級別播放器可設定一個更寬的容忍範圍（每一個同步週期+/-
7T，T=位時鐘週期），容許播放那些有更大抖動量的CD盤。但CD播放過程中，數據也將會有更多的錯誤。
一些高級別播放器有相對更好的抖動跟隨特性，可以更準確跟踪CD盤上數據。因此，容忍度可設定到一個較低抖動量的門限（+/-
3T），CD播放也可以有較小數量的錯誤。然而，當數據流有了較大的抖動量，伺服控制當中偏差與修正的平衡也會因此更容易遭到破壞。低級別播放器能夠播放所有不同質素的CD盤，而一些高級別播放器則不能，這數據流抖動的容忍度是其中一個因素。
精確度
當CD盤在播放，播放器的鎖相環以及伺服控制會進入一個偏差與修正的循環狀態。拾取偏差的靈敏度、施加的修正量、響應時間、等，這些技術特性確定了伺服系統跟踪數據流的精確程度。基於各級別播放器伺服系統精確度的有所不同，CD盤數據抖動因此導致數據錯誤的機會也隨之有所差別。
解碼
記錄在CD盤上的數據經過了兩重編碼，分別是交叉交錯所羅門編碼（CIRC）以及8至14調製（EFM）編碼。音響CD播放，首先是進行EFM解碼。
EFM解碼是用查表方式來做一個14位至8位的數據轉換。解碼過程中，EFM解碼器在3T到11T這一範圍沒有糾錯能力。所以，當數據流抖動因而造成數據錯誤時，EFM解碼器也會提供錯誤數據給CIRC解碼器。這樣，便要出現以下兩種情況：
-
這錯誤數據是一個音頻數據。這個錯誤可能會在CIRC解碼過程中被修復。
-
這錯誤數據是一個校驗數據。校驗數據將用於查驗音頻數據有否錯誤，若然則予以修正。
校驗數據
校驗數據錯誤將要導致嚴重問題。
CIRC解碼有很強的修復能力，但校驗數據必須要正確。若校驗數據出現了錯誤，它便要修改一些已經是正確的音頻數據。我們可以從音響CD的數據格式來評估這數據錯誤出現在第二種情況的機率。
音響CD格式當中，每一幀有33個數據。這包括1個控制顯示數據，24個音頻數據和8個校驗數據。如果每個數據其出現錯誤的機會都是相同。那麼，一幀數據當中出現了一個錯誤，這個錯誤屬於校驗數據的機會將是
24.2%（8/33）。
在實際使用當中，校驗數據錯誤的機會將高於其它數據。這因為CD數據排列當中，校驗數據是安排在遠離同步信號的中間以及最後位置。而經同步信號校正後的位時鐘，其累積偏差量值會隨著時間的推移而增大。即位時鐘與校驗數據數位之間的時域偏差會隨時間增大。因此，校驗數據出現錯誤的機會將遠高於其它數據。
音響CD每幀數據排布序列：
| 同步字 | 控制顯示字 | 右聲道12個音頻字 |
4個校驗字 | 左聲道12個音頻字 | 4個校驗字 |
結果
只要獲得正確的校驗數據，CIRC便可以輸出正確的音頻數據。若EFM解碼器未能提供正確的校驗數據，不但不能有效運用CIRC的強修復能力，而且它的高可靠性會造成解碼器要輸出一些錯誤的音頻數據。這種情況嚴重地影響了CD的聲音品質。
脆弱性
音響CD運用數碼方式來存儲音樂信息。我們從各種數碼設備的工作都有著極高準確度這一個認知，在意識上很容易就會認為CD播放器也會理應如此。當我們認識到播放器是使用電動機來驅動CD盤，並需要每秒鐘讀取排列在物理長度只有1.2m的4,321,800個數位。便可以理解，這個理所當然僅存在於理想狀態，並可以被數據載體的結構質素以及數據傳遞方式輕而易舉地破壞。
展望
當初，音響CD面世，人們便預料LP將會消亡。但三十年後的今天，LP仍受眾多音樂愛好者眷顧，且似乎還有著再次興起之趨勢。
LP聲音能有今天之品質，有賴過往幾十年之技術發展。與早期相比，今天的音響CD，聲音品質已有了頗大改善。但若要進一步發揮音響CD的技術優勢，我們仍需繼續努力。
編寫：Chen
最後更新日期：Aug-2018