デジタル用語の基礎知識

　プロオーディオにおけるデジタル化の始まりは、デジタルディレイからと言っていいでしょう。　初期は12ビット程度でしたが、CDの普及に後押しされる形で16ビット化が進み、最近では24ビットなどというものも聞かれるようになりました。

　今ではアナログ技術以上にホットな分野ですから、ごく基本的な用語は押さえておく必要があります。

　　●ADコンバータ
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　アナログ信号をデジタル信号に変換する回路です。デジタル機器の入力回路に使用されています。

一般的に問題視されるのはその分解能で、プロフェッショナルオーディオでは16ビット以上であることが望まれます。
　ビット数が多いほど、ダイナミックレンジも広くなりますし、ひずみ率も原理的にはよくなります。

　最近は∑－⊿型(シグマ－デルタ)のAD変換器が多く使用されています。これは他の方式に比べ分解能(ビット数)が上げやすい事と、方式自体がオーバーサンプリングが前提であるため、アンチエィリアシングフィルタを内蔵できる為、オーディオ用途には大変使いやすいからです。
　このオーバーサンプリングは64倍など他の方式に比べ桁違いに大きくできますから、スペックを書くときにも好都合です。

　以前は逐次比較型が主流で、これはアナログでアンチエイリアシングフィルタを作らねばならず、音質的によい特性を得るのは困難な事でした。これに対し⊿－∑型のデジタルフィルタではその性質を生かした良いフィルタを設計できるので、音質面でも有利になります。
注：オーバーサンプリングの項目も参照してください。

　　●DAコンバータ
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　デジタル信号からアナログ信号への変換回路です。デジタル機器の出力回路に使用されています。

　DAコンバータもADコンバータと同じくビット数が大きい方が優れており、16ビット以上であることが望まれます。

　CDプレーヤーの普及につれ、デジタル機器の黎明期に比べかなり進歩しています。これらのICの発展はCDプレーヤーなどの民生機器の発展によるものが大きく、プロフェッショナルオーディオが求めるスペックとは相容れない部分もありますが、周辺回路の設計によってカバーすることでうまく利用していると言うのが現状でしょう。

　最近ではADコンバータと同じく∑－⊿型が多く使用されていますが、従来の電流加算型なども健在です。これはデジタル機器ではDSP処理を行っていますので、その中にアンチエイリアシングフィルタを組み込むことで、実現可能だからです。

　いずれにしても、アンチエイリアシングフィルタはデジタルで作り、アナログ部分のフィルタは簡単なものにするというのが全体の流れです。
　　●サンプリング周波数
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　デジタル処理を時間に忠実におこなう基本となるものです。一般的には32kHz、44.1kHz、 48kHz、 96kHzの４種類です。

このうち、プロフェッショナルオーディオで一般的なのは　48kHzですが、CDのマスタリングなどはもちろん44.1kHzが使用されます。

　このサンプリング周波数は、デジタル同士のコピーをするときに問題になります。もちろん平易な著作権の侵害を防ぐ意味もありますが、44.1kHzのCDをデジタルで48kHzのMDにコピーすることはできません。サンプリング周波数がちがう機器間でデジタルコピーをするには後述のサンプルレートコンバータが必要になります。
　また、48kHz同士の機器であっても、うまくいかない場合があります。これは48kHzのサンプリング周波数が微妙にずれていることがあるためで、音にはなってもレコードの針飛びのように、時々ブツッとノイズが入ったりします。

通常はAES/EBUフォーマットなどのワードクロックが入った伝送フォーマットで接続しますから、１対１の接続では問題が発生することはありませんが、デジタルミキサーなどのように何種類もの機器をまとめて接続する様な場合は、必ずワードシンクをとる必要があります。これは送り側の機器のサンプリング周波数をデジタルミキサーに厳密にあわせるためで、信号線とは別にシンクを接続して行います。

　とはいっても、民生機器では外部シンクに同期させることができるものは少なく、プロ用の機器同士でないと実用にならない事がありますから、機器の選択時には注意して下さい。

　この場合でもサンプルレートコンバータは効果的です。微妙な差であってもサンプリング周波数の差を吸収できますから、ノイズが発生する心配はありません。ただし、サンプルレートコンバータの出力側は、デジタルミキサにシンクさせることが大切です。
　　●サンプルレートコンバータ
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　サンプルレートコンバータは、サンプリング周波数の違う機器を接続するときに、必要となる機器です。

　下図では44.1kHzのCDを48kHzのデジタルミキサーにつなぐ例を示しています。

　44.1kHzよりも48kHzの方が時間的に見て、密度が高いくなりますので、サンプルレートコンバータの入力に入った44.1kHzの音は、48kHzで見た場合に不足する音を追加されて、デジタルミキサーに入ります。

　こうすることで、サンプリング周波数が同じになりますので、ノイズは発生しなくなります。
　ただし、ポイントはサンプルレートコンバータにデジタルミキサーの「ワードシンク」が入力されている点です。これができていないと、時々ノイズが発生する事になります。　これは48kHzとはいっても、機器どうしで微妙にずれている事があるためで、回路技術的には「ずれていて当然」というべきものです。実際には48kHzに対して1Hz違うと言ったレベルの微妙な物のなですが、このずれをなくす物が「ワードシンク」なのです。

　さらに図の中でDATに「クロックマスター」と書かれていますが、この図ではDATのサンプリング周波数に全てを合わせるという意味で「クロックマスター」としています。

　ではDATが２台になった場合はどうすれば良いのでしょうか。 　正解は、１台をクロックマスターにして、もう１台にワードシンクを入れてやる、です。
　ワードシンクが入力できない機器は、時々「ブツッ」というノイズが出るのを覚悟の上で使うか、私に寄付するかどちらかにしましょう。

注：サンプリング周波数については、PLLやVCOなどのジッタや応答遅れなど色々な技術的なポイントが含まれていますが、かなり深い話になるのでこれくらいで・・・。

　　●アンチエイリアシングフィルタ
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　A/DコンバータやD/Aコンバータでデジタル変換を行うとき、音が正確に再現できるのはサンプリング周波数の半分までです。

　このため、デジタル変換を行う際に、変換できない信号をカットするためのフィルタを「アンチエイリアシングフィルタ」と言います。　昔はチェビシェフ型などのカットオフ特性が急峻なアナログフィルタが使用されていましたが、最近はオーバーサンプリングをすることで、アナログフィルタはなだらかなものとし、そのかわり、DSP処理のデジタルフィルタで急峻なフィルタをつくるというのが基本となっています。 　これは、アナログフィルタで急峻なフィルタをつくると、位相特性がかなりひどい状態になってしまうので、アナログフィルタは簡単なものにして音質の劣化を防ぐ事が目的です。

　デジタルフィルタではＦＩＲ型フィルタでは位相特性も制御できるため、デジタルでアンチエイリアシングフィルタをつくる方が音質的に有利だからです。

注：オーバーサンプリングの項目も参照してください。

　　●オーバーサンプリング
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　最近のデジタル機器ではほとんどの機器のA/DコンバータやD/Aコンバータでオーバーサンプリングを行い、実際のサンプリング周波数の数倍から数百倍のスピードでサンプリングを行っています。

　これは、A/D、D/A変換の際のアナログフィルタによる音質の変化を防ぐ目的で行われているもので、アナログフィルタの負担が少ない分、倍数が高い方が優れていると言えます。しかし、∑－⊿型のコンバータではオーバーサンプリングをしなければ音になにらないという前提もありますので、64倍のオーバーサンプリングであるからといって優れているとは言えない事になります。

オーバーサンプリングとアンチエイリアシングフィルタ
　この図は、オーバーサンプリングをしないで、カットオフが急峻なフィルタを使用した例(赤)と、８倍オーバーサンプリングをおこなって、なだらかなフィルタを使用した場合の例(緑)です。 　赤で示す例ではカットオフが急峻な分、20kHz付近での位相変化は過激になりますから、音質的に不利になってしまいます。

　オーバーサンプリングが何倍であろうとも、内部の処理はサンプリング周波数で行われていますから、オーバーサンプリングで評価できるのはA/DコンバータやD/Aコンバータの回路だけで、デジタル信号処理部分の性能には無関係です。

　　●ＤＳＰ(デジタル信号処理)
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　最近では、エフェクタと言えば、必ず使用されている技術です。　ＤＳＰは音声信号をデジタルに変換して、スピードの非常に早いコンピュータでいろいろな計算をして、音を加工する技術です。

　この技術を利用すれば、リバーブやフランジングなどのエフェクトは、計算式や処理方法を変えるだけで実現できますから、いろんな効果が搭載されたエフェクタが作りやすくなります。

　そのスピードの速いコンピュータが「DSPチップ」で、様々なメーカーから発売されています。初期は固定小数点型でしたが、最近では浮動小数点も多くなり、音質的にも十分満足ができるものになってきています。

注：「デジタルフィルタ」も参照してください。

　　●デジタルフィルタ
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　ＤＳＰ技術で作られたフィルタのことです。アナログフィルタには無いメリットもあるため、チャンネルデバイダの様にアナログでも十分ではないかと思われていた分野にも積極的に使用されています。

　デジタルフィルタにも大きく分けて２種類のタイプがあります。
　IIR(Infinite Impulse Response)型フィルタと、FIR(Finite Impulse Response)型フィルタです。

ＩＩＲ型デジタルフィルタ

　この図の中で[-Z]というのは１サンプンプリング分のディレイです。　簡単な様に見えますが、実際の動作は結構複雑で、処理したはずの音が何度もぐるぐる回る事がわかると思います。　このぐるぐる回るうちに音が変化して、高い音を取り除くフィルタなどになるのです。

ＦＩＲ型デジタルフィルタ


　FIR型フィルタはIIR型フィルタに比べ、[-Z]が直線的にたくさん並んでいることが特徴です。　図を見ても解るとうり、IIR型フィルタの様に音がぐるぐる回ったりすることはありません。　入ってきた音が次々と加えられていく事で、フィルタとしての動作をします。

　アンチエイリアシングフィルタも、このFIR型フィルタで作られていることが多い様です。

注：デジタルミキシングコンソールなどのリアルタイム処理ではFIR型フィルタには別の問題もありますが、これについては別の項目で説明します。

　　●SPDIF規格
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　デジタル信号の規格で、民生機器に使用されています。　コネクタはRCAピンジャックで「コアキシャル」とも呼ばれます。　最近では光ファイバーが主流になりつつありますが、同軸ケーブルとはんだごてがあれば、ケーブルを自作できる点ではコアキシャルの方が実用的です。

　SPDIFの由来は「ソニー(S)とフィリップス(P)が決めたデジタル(D)インターフェース(IF)の規格」です。ソニーがデジタルマルチトラックレコーダーなどに採用しているSDIFとは全くの別物です。

　このSPDIF規格が便利な点は、デジタル信号からワードクロックが取り出せるようになっている点です。　このおかげで、民生機器でCDとMDをつなぐときなどではコアキシャル(または光ファイバー)でつなぐだけで「ワードシンク」を全く気にしなくて済みます。 　信号レベルは最大1V程度で、インピーダンスは75Ωのアンバランスですから、ビデオ用のケーブルがそのまま使えるというメリットもあります。

　また、アンバランスとはいえ、パルストランスでアイソレートされていますから、アナログ信号とのグランドループも発生せず、シロウトさんが安易に使ってもトラブルが起きにくいように考えられています。

注：「ワードクロックが取り出せる」のは、信号がバイフェイズ変調されているからです。４回に１回の割合でデータのヘッダ部分の変調が変化しますが、64倍のクロックの取り出しが可能です。

　　●ＡＥＳ／ＥＢＵ規格
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　プロフェッショナルオーディオ用のデジタルインターフェースの規格です。信号の中身そのものはSPDIF規格と全く同じ物です。

　SPDIF規格と異なる点は、バランス伝送で振幅が10Vもあり、インピーダンスが110Ωであると言う点です。コンピュータ用のツイストペアケーブルが使用できます。もっとも、オーディオの現場に転がっている様なシロモノではありませんから、ビデオ用のケーブルが使える方が便利かもしれません。

　ということで、プロ用のAES/EBU規格と民生用のSPDIF規格とを変換するコネクタ(トランスが入っている)も市販されていますので、同軸ケーブルで配線できる場合には利用する価値はあります。

　コネクタはアナログ信号と同じXLRタイプのキャノンコネクタが主流ではないかと思いますが、XLRのインピーダンスが110Ωだとも思えないので、マジメに考えて決めたのか、多少不安の残る形態です。

注：コネクタのインピーダンスが合っていないと、コネクタ部で信号が反射し、波形に歪みを発生させることがあります。　ビデオではこのあたりがシビアに出てきますので、特性インピーダンスが75ΩのBNCコネクタが使用されています。
　インピーダンスが合っているとは思えないコネクタを使用するのは、SPDIF規格やAES/EBU規格はデジタル信号を扱いますから、少々反射が合ったところでどうってことはないという立派な根拠があるのかもしれません。

　　●ジッタ
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　デジタル波形に含まれる、時間的なノイズの事です。

　これが増えてくるとワードシンクがはずれて、フルビットのデジタルノイズが発生します。

　アナログ的感覚で言い換えると、テープレコーダーのスピードが微妙にふらついているワウ・フラッタの様な物です。

　デジタルオーディオでは、サンプリング周波数は一定であるという前提で成り立っているのですが、実際はその周波数もほんの少しずれていたり、ふらついていたりします。
　テープレコーダーでは「ワウ・フラッター」が0.03%あっても、音の揺れはほとんどわかりませんが、デジタルではデータが拾えるかどうかのシビアな結果となります。



　データが拾えないと、1サンプリング周期分の音が無くなるわけですから、「バシッ」と言うフルビットのノイズが発生してしまうのです。

　ジッタはデジタル機器内部の発振器の不安定さが原因となることもありますし、アナログ的なグランドの弱さが原因となることもあります。

　　●ワードクロック
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　SPDIFなどのデジタルオーディオ信号のデータ１個分に相当するクロックのことです。

　サンプリング周波数の逆数(1をサンプリング周波数でわり算する)で求められます。

　当然のですが、このワードクロックはサンプリング周波数が違えば、変わってきますから、44.1kHzと48kHzの機器ではワードクロックは異なります。
　そのままつないでしまうと、ブチブチノイズが出てしまいます。

注：「量子化」の項目を参照してください。

　　●クロック
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　その名のとうり、「時計」の意味ですが、デジタル分野では機器全体の同期をとるためのパルスの事です。

　レコーディングの時に「キッ」というクリック音でリズムを取りながらドラムの録音をしますが、あのイメージが正解です。　ギターやボーカルもリズムにあわせて演奏するように、デジタル機器の内部でも回路同士のリズムをとるのがクロックの役目です。

　通常、サンプリング周波数の64倍から512倍の周波数のクロックが使用されます。

　デジタル機器はこのクロックに同期して動いており、送り側の回路と受け側の回路のクロックがずれたりするとデータが正常に伝わりません。

注：厳密に使い分けられているわけではありませんが、「クロック」はデジタル機器内部の同期信号で、「ワードクロック」は機器間の同期をとるための信号と理解すれば良いでしょう。

　　●ビット
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　デジタル信号のデータの最小単位です。

デジタルオーディオの世界では、音のきめ細かさを表すものです。

　CDは16ビットですが、これは216 乗の情報量があり、オーディオ風に言うと、6 x 16 = 96dBのダイナミックレンジがあります。　これが20ビットになると、6 X 20 = 120dB、24ビットになると 6 x 24 = 144dB ものダイナミックレンジがあることになります。

コンピュータの世界では、64ビットだの128ビットだの、多ければ多いほど、処理が一度に行えてスピードが速くなるのですが、デジタルオーディオの場合は扱える信号の幅(ダイナミックレンジ)が増えるので、こちらでも多ければ多い程よい事になります。

ビットをダイナミックレンジで表すと・・

　しかし、144dB以上のダイナミックレンジが必要かどうかという疑問もありますので、やたら多くてもお金がかかるばかりで意味がありません。

　ハードディスクレコーディングでは16ビットで100分録音できるとすると、24ビットではその2/3の66分しか録音できないことになり、ビット数は少ないほど長時間録音ができるという事になりますから、何でもかんでもビット数が多いほど良いというわけにはいきません。

注：ただし、実際のデジタル信号処理では「演算精度」の問題もあり、ハードディスクへの録音を32ビットで行っている「優れた」ものもあります。

　　●量子化
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　アナログ信号をデジタル信号に変換するために、「デジタル信号に変換する」ということです。

　厳密に言うと、「サンプリングは一定時間ごとに区切る」という意味で、「量子化」とは異なります。

「量子化」は下図のように、音の「大きさ」を細かく区切って、数値化する事を言います。


　　●量子化雑音
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　アナログ信号は連続的な電圧ですが、デジタル化するときに数値に変換してしまいますから、階段状の値になってしまいます。

　この階段状の値と、元のアナログ電圧との差が量子化雑音です。

量子化雑音

　この雑音は、信号のない無音時に出る「シャー」という残留雑音とは異なり、信号がある時に出るのが特徴です。　また、入力信号と雑音の音色は因果関係があり、アナログ的な雑音(ホワイトノイズ)とは違った音になります。

　元の信号との差ですから、「歪」と理解してもかまいません。

　この雑音を減らすのは、ビット数を上げる以外に方法はありません。１６ビットの機器よりも８ビットの機器の方が量子化雑音は多くなります。


　　●ディザ
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　量子化雑音を「減らす」為にわざと加えられるノイズのことです。

でも、本当は量子化雑音が減ったわけではなく、加えられたノイズによって量子化雑音がぐちゃぐちゃになってわかりにくくなっているだけです。

ディザを加えて、量子化雑音をごまかしている様子

　トイレのにおいを強烈な「ピコレット」でごまかすのと同じやり口ですが、癖のあるノイズよりは聞き易くなりますので、昔のPCMコンバータなどにはよく使われた手法です。

　　●デジタルクリップ
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　デジタル信号処理をしているとき、信号処理結果が最大信号以上になってしまったときに発生する信号のことです。　アナログでの「クリップ」の感覚とは全く異なります。

　アナログ信号では大きすぎる音が入ってくると、頭がつぶれてしまい、音が歪んでしまいますが、デジタルの場合、特殊な処理をしなければ、ばかでかい「バリッ」といった音のノイズになってしまいます。このノイズのことをデジタルクリップと呼びます。

アナログのクリップ波形

　アナログの場合、最大レベル以上の信号は出力されませんので、「頭がつぶれた様な信号」となってしまいます。

　なぜこの様なことになるかというのはデジタル信号が16ビットなどのデジタル値に基づいて「計算」されているからです。

　アナログでは15Vまでしか扱えない回路に5Vと12Vの信号を入れても、15V以上が出ることはありません。
　しかし、デジタルでは本来17Vになるべきものが2Vに化けてしまうために、この様なノイズが発生します。これはデジタルで計算した計算結果が扱える範囲を超えてしまった場合、超えた部分が無視されてしまうために起こります。

デジタルのクリップ波形

　デジタル信号処理された信号は、演算中に桁あふれが発生すると、あふれた桁は無視されてしまい、図のような「頭がたたき込まれた様な信号」に化けてしまいます。　これがデジタルクリップです。

　最近のデジタル機器では、こうしたノイズが発生しそうになると、計算結果を強制的に最大値になおして、アナログのようなクリップにしてしまい、ばかでかい音が出ないようにしています。

注：デジタル機器特有のノイズは、このデジタルクリップ以外にもワードシンクがはずれたときのノイズなどがあります。どのノイズもアナログの様な「優しさ」や「持ち味」は無く、耳障りで強烈なものです。

　　

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