Opas: Cd-levyn historia ja tekniikka – Täydellistä ääntä, ikuisesti

Nykymuotoinen cd-levy alkaa olla formaattina pian 40-vuotias, ja tähän aikajänteeseen mahtuu sekä loiston päiviä että hiljaista hiipumista. Hopeakiekkoa ei kuitenkaan kannata hylätä, sillä siinä niveltyy lopulta montakin hyvän äänen laatutekijää – ja oikein käsiteltynä se voi kestää ihmisiän.

Teksti: Heikki Kivelä Kuvat: CC0, Wikimedia Commons, Pro-Ject

Musiikkiteollisuudessa pätee monellakin alueella viidakon lait – eikä vähiten formaattirintamalla. Tästä hetkestä tarkasteltuna globaalissa mittakaavassa suoratoisto on syrjäyttänyt käytännössä kaikki fyysiset formaatit suosituimpana tapana kuunnella musiikkia, ainakin jos tilastoja on uskominen.

Osviittaa tästä saa esimerkiksi RIAA:n eli Recording Industry Association of American tuoreimpia, vuoden 2019 ensimmäisen puoliskon lukuja silmäillessä. Striimaus näyttää kaapin paikan koko Yhdysvaltain musiikkiteollisuudelle eri toimialoineen rohmuamalla 62 prosentin potin kokonaistuloista. Kaukana perässä hiihtävät kaikki fyysiset formaatit pikkuruisella neljän prosentin osuudellaan. Cd:t ja vinyylit yhteenlaskettuna siis.

Sama tilasto kertoo, että tällä hetkellä cd-myynti laskee kolme kertaa niin nopeasti kuin vinyylimyynti kasvaa, joten vasta joitakin vuosia sitten täysin kuolleeksi julistettu vinyyli on kuin onkin palaamassa vanhaan valta-asemaansa ja kiilaamassa takaisin cd:n edelle.

Viimeksi samoissa kiritysasetelmissa oltiin reilut 30 vuotta sitten, kun cd oli vielä suhteellisen tuore keksintö. Jälkikäteen tarkasteltuna ei ole kuitenkaan ihme, että cd ajoi noin kymmenessä vuodessa reippaasti sekä vinyylin että c-kasetin ohi valtavirran ykkösformaattina. Tämän suosion ja sen mittakaavan hahmottamiseksi on kuitenkin syytä palata aina kultaiselle 1960-luvulle saakka.

Mistä kaikki lähti?

Cd-levyn historiasta puhuttaessa sivuutetaan yleensä se fakta, että idean alkuperäinen isä, keksijä James Russell, hahmotteli pääpiirteittäin koko hoidon kynällä ruutupaperille jo vuonna 1965. Samoihin aikoihin kehittyivät cd-levyn kannalta muutkin elimellisen tärkeät elementit, kuten laser, digitaalinen äänentallennusteknologia sekä optinen tallennusformaatti.

Kesti kuitenkin yli 10 vuotta ennen kuin Russell sai herätettyä mielenkiintoa potentiaalisissa yhteistyökumppaneissa, mutta sen jälkeen alkoi tapahtua. Päätös cd-levyn teknisten standardien yhdenmukaistamisesta syntyi kansainvälisten toimijoiden yhteistyöllä.

Teknologiaa kehittivät tahoillaan yhdenmukaiseen ja yhteensopivaan suuntaan eurooppalainen Philips sekä japanilaiset Sony, Mitsubishi ja Hitachi. Erilaisilla kehityslinjoilla kartutettiin tietämystä muun muassa levyjen koosta, sopivasta materiaalista niiden valmistamiseen, signaalinmuodostuksesta ja äänenlaadullisista lähtökohdista.

Siinä missä uusien kaupallisten cd-levyjen tuotanto on jyrkässä laskussa, käytettyjen levyjen markkina kukoistaa niin verkossa kuin kivijalkakaupoissakin.

Yksi näistä on cd-levylle lopulta valittu 44,1 kilohertsin näytetaajuus, jonka valinnan sanotaan pohjautuneen seuraaviin lähtökohtiin: ihmisen kuuloalueen (ja myös kaiken merkittävän musiikillisen informaation) ylärajan katsotaan yleensä olevan 20 kilohertsiä, mistä johtuen 20 kilohertsin kattamiseksi ja varmuuden vuoksi vähän sen ylittämiseksi sopivan näytetaajuuden on oltava Nyquistin teoreeman mukaan suurempi kuin 40 kilohertsiä. Siispä cd-levyn kohdalla päädyttiin 44,1 kilohertsiin, monestakin syystä.

Teknisten seikkojen rinnalla kerrotaan olleen myös eräs taiteellisempi pyrkimys, nimittäin Beethovenin 9. sinfonian mahduttaminen yhdelle levylle. Sanotaan, että tätä penäsivät erityisesti kapellimestarilegenda Herbert von Karajan sekä Sonyn puheenjohtajan Akio Moritan vaimo.

Enemmän ja vähemmän merkittävistä yksityiskohdista päästiin kuitenkin yhteisymmärrykseen, ja ne koottiin cd-levyn teknisen toiminnan määritteleväksi Red Book -standardiksi vuonna 1980.

Valta-asemaan varovaisella nousulla

Cd-levy laskettiin markkinoille pitkällisen kehityksen jälkeen Euroopassa ja Japanissa syksyllä 1982 ja Yhdysvalloissa keväällä 1983. Ensimmäisenä vuotenaan cd-levyt ja -soittimet otettiin kuluttajien keskuudessa vastaan varovaisella mielenkiinnolla.

Markkinoiden ensimmäisenä cd-soittimena pidetään Sonyn CDP-101:tä vuodelta 1982. Julkaisuvuotenaan se maksoi 900 dollaria, joka nykyrahassa vastaisi noin 2 130 euroa. Tämä ei sinänsä kuulosta vielä täysin mahdottomalta, toisin kuin cd-levyn keskiarvohinta 30 dollaria samana vuonna, joka tänä päivänä vertautuu yli 70 euroon. Hinnasta huolimatta soittimia myytiin 30 000 ja levyjä 800 000 kappaletta noin vuoden sisään julkaisun jälkeen.

Tästä kaikki alkoi. Vuonna 1982 julkaistu Sony CDP-101 oli markkinoiden ensimmäinen cd-soitin, joka sisältää yhden 16-bittisen da-muuntimen molemmille kanaville.

Ensimmäinen virallinen kaupasta ostettavissa oleva cd-levy oli vuonna 1982 Euroopassa ABBA-yhtyeen The Visitors ja Yhdysvalloissa tulkinnasta riippuen joko Billy Joelin 52nd Street tai Glenn Millerin In The Digital Mood – eikä yllättäen Beethovenin 9. sinfonia, joskin jo vuoteen 1988 mennessä siitä oltiin julkaistu yli 70 erilaista cd-versiota. Ensimmäisenä suomalaisena cd-julkaisuna puolestaan pidetään yleisesti Riki Sorsan Kellot ja peilit -levyä vuodelta 1985.

Vuoteen 1990 mennessä cd-levyjä oltiin myyty maailmanlaajuisesti noin miljardi kappaletta, mikä osoittaa, että cd-levyistä ja -soittimista oli täten muodostunut valtavirtakuluttajillekin varsin yleinen tapa nauttia musiikista. Vastaavasti 1990-luvun alkupuoliskolla aiemmin suosituimpien äänilevyformaattien, lp-levyjen ja kasettien, myynti kääntyi laskuun ja digitaalisesti tuotettu musiikki valtasi hiljalleen alaa saavuttaakseen huippunsa vuosituhanteen vaihteessa.

Selitys cd:n voittokulkuun liittyy moneen musiikkiteollisuuden ja ylipäätään markkinatalouden tekijään, joiden vaikutukset vielä kumuloituivat keskenään. Digitaalinen musiikintuotanto, cd-levyn mahdollistama 74 minuutin tallennusaika, levyjen monistamisen helppous, kevyempi logistiikka, teknologiahype ynnä monet muut seikat johtivat siihen, että moni äänesti kukkarollaan cd:n puolesta.

Täydellistä ääntä – melkein

Hifiharrastajien keskuudessa cd aiheutti varsinkin alkuvuosinaan enemmän tai vähemmän ristiriitaisia tuntemuksia, osin ymmärrettävistä syistä. Siinä missä osaa kiehtoi uuden digitaalisen teknologian mahdollisuudet, osa pitäytyi tiukasti huolella rakennettujen analogisettiensä parissa.

Cd-levyjen markkinointiin liittyi paljon rohkeita mainospuheita, joista ehkä mieleenpainuvimpana on jäänyt elämään kuvaus ”Perfect Sound Forever” – täydellistä ääntä, ikuisesti. Etenkin äänen täydellisyyteen cd-levyn alkutaipaleella kannattaa suhtautua kriittisesti, mutta asia ei ole täysin yksioikoinen.

Musiikkistudioiden tuotantolinjat eivät olleet vielä 1980-luvun alussa erityisen digitalisoituneita, joten iso osa tuotannosta tehtiin puhtaasti analogisessa ympäristössä ja muunnettiin vasta loppuvaiheessa digitaaliseksi – eikä konversiossa vältytty lähestulkoonkaan kaikilta ongelmilta.

Yksi esimerkki negatiivisista lieveilmiöistä on särö, joka käyttäytyy analogisessa tuotannossa eri tavalla kuin digitaalisessa. Kevyt äänen yliohjautuminen voi olla jopa toivottavaa ja profiililtaan harmonista analogilaitteistoa käytettäessä, mutta varsinkin huonoilla filttereillä varustettu digimuunnin voi tuoda ääneen ikävää säröytymistä.

Paitsi studiotyökalut myös cd-soittimet sisälsivät 1980-luvun alussa paljon standardisoimatonta tekniikkaa ja komponentteja, joiden yhteistoiminta ei ollut tyystin saumatonta. Monen 1980-luvun albumin kohdalla onkin niin, että niin sanotusti perinteisellä tyylillä täysin analogisesti tuotettu äänilevy kuulostaa alkuperäisellä vinyylipainoksella huomattavasti paremmalta kuin samaan aikaan tehty cd-versio. Mutta kun digitaalinen äänentallennusteknologia kehittyi 1990-luvulle tultaessa ja myös toistolaitteistot alkoivat soveltua paremmin digitoiston tarpeisiin, kaula menetelmien välillä kapeni, eikä eroon sen koommin ja varsinkaan remasteroitujen cd-painosten jälkeen ole yleisellä tasolla kiinnitetty huomiota.

Tai ehkäpä sittenkin on. Nimittäin aiemmin mainitussa Red Book -standardissa cd-levyn näytetaajuudeksi määritelty 44,1 kilohertsiä 16 bitin syvyydellä on tietyssä mielessä asettanut sekä musiikin tuotannon että sen kuuntelun eräänlaiseen karsinaan. Vaikka yleisesti ottaen ihmisen kuuloalueen ylärajana pidetään kliinisten tutkimusten pohjalta 20 kilohertsiä, lääketieteellisestikään ei ole täysin poissuljettua etteikö ihminen voisi jollain muulla tavalla tuntea tai aistia sitä korkeampia taajuuksia, sillä akustisissa soittimissa ja ympäristössämme yleisesti niitä esiintyy. Cd-levylle näitä taajuuksia ei saa, sillä vaikka teoreettisesti korkein tallennettavissa oleva taajuus on Nyquistin teoreeman mukaan 22,05 kilohertsiä, moni digitaalinen alipäästösuodin aktivoituu jo huomattavasti matalammilla taajuuksilla.

Se siis ”täydellisestä äänestä”, vaikka on tietysti syytä ottaa huomioon, etteivät monien kaiuttimien diskanttielementitkään välttämättä yllä yli 20 kilohertsin, koska siellä ei ikään kuin oleteta olevan mitään kuulemisen arvoista.

Samanaikaisesti on myös hyvä muistuttaa, että cd-äänenlaatu on kaikesta huolimatta ylivertainen kaikkiin hävikillisiin ja pakattuihin tiedostopohjaisiin musiikkiformaatteihin verrattuna, ne kun jättävät ikään kuin kuuloaistin täydennettäväksi paljonkin sisältöä melko herkälläkin kuulokaistalla.

Cd pyörii edelleen

Laskevista myyntiluvuista ja musiikinkuuntelutottumusten muutoksesta huolimatta cd:tä ei kannata laisinkaan laskea multiin vielä pitkään aikaan, ja tälle on monia hyviä syitä.

Yksi keskeisimmistä on siinä, että cd, eli compact disc, on nimensä mukaisesti kompakti musiikkiformaatti, joka on itse asiassa melko nerokkaasti suunniteltu ja toteutettu läpikotaisin. Se kestää käyttöä ja kuuntelua kiistatta aikalaiskilpailijoitaan vinyyliä ja c-kasettia paremmin, koska siihen ei kohdistu samankaltaista mekaanista kulumista. Oikein käsiteltynä ja säilytettynä cd-levyn tulisikin kestää kymmeniä vuosia, käytännössä ihmisiän halki. Sen sisältö pysyy tuotantoketjun näkemysten mukaisena hamaan tappiin asti ja kuulostaa samalta aina ja kaikkialla.

Toinen mainittava ominaisuus liittyy musiikinkuunteluun. Kuten sanottua, cd-äänenlaatu on enemmän tai vähemmän määritellyt sen, mitä digitaalinen ääni on. Toki saatavilla on nykyään myös korkearesoluutiomateriaalia, mutta musiikin tuotannollista taustaa aina äänitystekniikasta lähtien tarkastellessa voidaan olla montaa mieltä siitä, onko kahdeksankertaisella näytetaajuudella ja tuplasti suuremmalla bittisyvyydellä peruskuuntelussa muuta merkitystä kuin suuremman tallennustilan tarve.

Ja edelleen, suoratoistopalveluiden perusäänenlaatuun verrattuna cd on yksinkertaisesti parempi kaikilla mittareilla – toistoketjustakin riippumatta ainakin teoriassa. Ja mitä sitten, jos Spotify tai Tidal päättää yhtäkkiä mennä konkurssiin?

Kolmantena syynä voidaan pitää cd-levyjen keräilyn helppoutta suhteessa vaikkapa vinyyliin. Koska lp-levyjen saatavuus on mitä on ja varsinkin niiden postitusmaksut esimerkiksi mannerten välillä alkavat olla naurettavassa mittakaavassa, huomattavasti näpsäkämpi cd-levy tulee perille hyvin pakattunakin kirjepostin mukana. Ja käytettyjä cdlevyjähän on saatavilla niin netissä kuin kivijalkakaupoissakin kirppareita myöten huomattavasti vinyyliä laajemmin.

Neljäs näkökulma liittyy cd-soittimien saatavuuteen. Karkeasti yleistäen voidaan väittää, että melko hyvän cd-soittimen saa käytettynäkin suhteessa huomattavasti keskinkertaista vinyylisoitinta halvemmalla, eikä sen kylkeen tarvitse ostaa äänirasiaa, neulaa tai erillistä esiastetta.

Peruslaadukas cd-soitin hyvällä da-muuntimella ei todennäköisesti ole lähimainkaan toistoketjun heikoin lenkki perussetissäkään, vaikka se voi olla koko paketin edullisin laite.

Vaikka muutaman hipaisun päässä taskussa odottava miljoonien musiikkikappaleiden valinnanvara kiehtoo ymmärrettävistä syistä, niin siitäkin huolimatta – tai ehkä juuri siitä syystä – vaikkapa omien aution saaren levyjen hankkiminen cd-formaatissa on jokaiselle musiikin ystävälle harkitsemisen arvoinen hanke. Se ei tule järin kalliiksi, ja cd:lle tallennettu ääni on ainakin lähes ikuisesti lähes täydellistä.

Cd-levyn rakenne

Cd-levy on tavanomaisesti halkaisijaltaan 120-millimetrinen, noin 16 grammaa painava kiekko, joka koostuu neljästä kerroksesta. Niistä alin (1) on 1,2 millimetriä paksu ruiskuvalettu polykarbonaattilevy, johon data tallennetaan. Se taas on päällystetty ohuella alumiinikerroksella (2), jonka tehtävä puolestaan on heijastaa cd-soittimen lukukoneiston puolijohdelaserin säde (3) lukukennolle. Tämän kerroksen päällä on suojaava lakkakerros (4), joka ehkäisee hapettumista, ja sen päällä vielä ylin kerros (5), johon levyn etiketti painetaan tyypillisesti silkkipaino- tai offset-menetelmällä.

Vaikka cd on karkeasti yleistäen fyysisenä formaattina oikein käsiteltynä paremmin kulutusta kestävä kuin vaikkapa vinyyli tai c-kasetti, täysin immuuni vaurioille sekään ei ole. Huolellisesti käsiteltynä ja säilytettynä laadukkaasti tehtaalla valmistettu cd kestää käyttöä kymmeniä vuosia äänenlaadun kärsimättä lainkaan. Kuitenkin naarmut, pöly ja säröt voivat tehdä levystä toistokelvottoman.

Näin musiikki-cd valmistuu

Myyntiin menevien cd-levyjen monistamisessa käytetään lasista master-levyä.

Käytännössä cd-muotoisen äänilevyn tuotannossa mennään melko pitkälle musiikki edellä, ja vasta oikeastaan loppumetreillä masterointivaiheessa toteutuksessa tulee ottaa huomioon esimerkiksi cd-formaatin tekniset ominaisuudet. Käytännössä tämä tarkoittaa musiikkitiedostojen konvertointia cd-standardin mukaiseksi, eli 16 bitin syvyyteen ja 44,1 kilohertsin näytetaajuuteen. Koska lähes kaikki nykyäänitykset ovat lähtökohtaisesti digitaalisia, kaikki materiaali käy jo äänitysvaiheessa muunnoksen analogisesta digitaaliseksi.

Tuotannon loppuvaiheessa masteroija muodostaa kokonaisuudesta yleensä DDP- eli Disc Description Protocol -paketin, jossa on määritelty esimerkiksi raitojen täsmälliset kestot, niiden väliset tauot ynnä muut tekniset seikat. Tämä paketti lähtee cd-monistamoon, jossa siitä tehdään niin kutsuttu master-levy. Mikäli kyseessä on ammattimainen, isompi cd-monistamo, master-levy on yleensä ollut tapana tehdä laserilla lasilevylle, jota taas käytetään ikään kuin leimasimena myyntiin menevien varsinaisten cd-levyjen monistuksessa.

Näin cd-levyn sisältö muuttuu musiikiksi

Jokaisen cd-soittimen sisällä on muutama peruskomponentti, joista keskeisimmät ovat pyöritin- ja lukukoneisto. Käytännössä jälkimmäinen koostuu pienestä puolijohdelaserista ja valokennosta linsseineen ja prismoineen. Kun asetat cd-levyn soittimeen ja painat toistonäppäintä, pyöritinkoneisto käynnistyy ja pyörittää levyä aluksi noin 500 kierrosta minuutissa.

Suurennos cd-levyn lukupinnasta. Miljardeista tasaisista kohdista ja kuopista koostuva spiraalimainen jono sisältää datan binäärisessä muodossa. Cd-soittimen lukukoneisto lähettää sen mikropiirin ja da-muuntimen tulkittavaksi.

Samanaikaisesti laser ja valokenno hakeutuvat levyn keskiöön (cd-levyn lukusuunta on vinyyliin verrattuna käänteinen, eli se alkaa sisempää ja etenee kohti ulkoreunaa) ja siirtyvät raita kerrallaan loppua kohti, jolloin myös levyn pyörimisnopeus hidastuu 200 kierrokseen minuutissa. Itse levyn luku tapahtuu niin, että lasersäde osuu levyn pinnassa oleviin mikroskooppisiin kuoppiin ja tasaisiin kohtiin. Näistä alueista tasaiset kohdat heijastavat lasersäteen takaisin kennolle ja kuopat taas eivät.

Aina kun lasersäde heijastuu takaisin tasaiselta pinnalta, valokenno havaitsee sen ja lähettää lyhyen sähkövirtapurskeen eteenpäin mikropiirille, joka tulkitsee sen arvoksi 1. Jos taas lasersäde siroaa kuopan kohdalla, valokenno ei havaitse sitä eikä myöskään tee mitään, jolloin mikropiiri tulkitsee sen arvona 0. Tämä kahden arvon vaihtelu toistuu koko levyn pyörimisen ajan, ja niiden perusteella cd-soittimen mikropiiri tulkitsee levylle valmistusvaiheessa tallennettua binääristä lukujonoa, spiraalimaista miljardien ykkösten ja nollien virtaa.

Pro-Ject RS2T -cd-pyörittimen koneisto. Keskellä kiskoa pitkin liikkuva lukukoneisto komponentteineen.

Jotta binäärinen lukujono saadaan muunnettua musiikiksi, siihen tarvitaan useimmista mutta ei kaikista cd-soittimista löytyvää da- eli digitaali–analogi-muunninta (da-muunnin voi olla myös erillinen laite tai integroituna johonkin toiseen toistoketjun laitteeseen). Da-muunnos on lyhyesti kuvattuna prosessi, jossa digitaalinen abstraktio muunnetaan reaalimaailman analogiamuotoon. Kun muunnos on tapahtunut, da-muunnin lähettää analogisen signaalin eteenpäin enemmän tai vähemmän suoraan vahvistimen ja kaiuttimien toistettavaksi.