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2011年12月03日 (土) | Edit |
仕事中に時々リサンプリングの設定を変えながらIA-7Eで音楽を聴いていました。例のシュワシュワ感はアップサンプリング自体に原因があるのではなく、Frieve Audioの超高域ノイズ付加機能(HSC)が効いているように思えてきました。これをOFFにすれば、アップサンプリングしてもシュワシュワしないような気がするような気もしないでもないかもしれないような、そんな気がします。。。。切り換えて直ぐに分かるわけではないので、確たる判断は難しい。。

という事で、実験君としてはこのへんを検証するために、アップサンプリングの効果を波形とスペクトルで確認してみました。

今回はベト3第1楽章冒頭のジャンジャンの2発目を抜き出してテスト信号としました。また、Lameエンコーダを使用して128kbps/44.1kHzのMP3信号も作成しました。

以下はFrieve Audioのスペクトル表示です。横軸はリニアですのでご注意ください。

リサンプリングなし(44.1kHz)
41 copy
横軸は44.1/2=約22kHzまでです。青がWave(CDのまま)、赤がMP3です。MP3では約13.5kHz以上の信号が含まれていない事がわかります。2本のグレーは、曲が始まる前の無信号区間(非常に微小なノイズが含まれる)と、第1楽章終了後の音が完全に静まった後のスタジオ暗騒音(録音機材のノイズを含む)です。無信号区間が約-108dB、暗騒音が約-96dBです。CD信号は22kHzで完全に途切れてしまいますが、本当の音は暗騒音レベルに達するまで、自然に減衰するはずです。恐らく30kHz程度までは伸びていると思われます。

x3アップサンプリング/96kHz出力
Frieve Audioは44.1kHz信号を3倍(132.3kHz)にアップサンプリングしてから、96kHzにリサンプリングします。
96 copy
横軸のスケールは96/2=48kHzです。上図とスケールが異なるので注意してください。WAVEもMP3も、元の限界周波数以上の成分は見られません。

x5アップサンプリング/96kHz出力
これはFrieve Audioで設定可能な最大のアップサンプリング(5倍、220.5kHz)です。Icon AMPでは、この設定がなんとなく良く聞こえました。以前のハチマル標準設定です(参考記事)。
96_2 copy
22kHz以上にCDの無信号ノイズレベルを少し超える成分が見られます。何故このような成分が現れるのか、よくわかりませんが、ノイズのようなものでしょうか。

3xアップサンプリング+HSC
3倍にアップサンプリングして、超高域ノイズ(HSC)をONにしました。
96_3 copy
超高域成分がドカンと付加されます。IA-7Eを初めて使用した時、このHSCがONである事に気付きませんでした。Icon AMPでは、これがONでもシュワシュワしないので気付かなかった模様です。いろいろ試した結果、アップサンプリングしても、HSCをOFFにすれば、IA-7Eでもシュワシュワしないような気がします。IA-7EはICONに比べて超高域の特性が伸びているからかもしれません(100kHzを軽く超えているというのがNuForceの自慢)。

次は波形を比べてみます。
ベト3のジャンの、極一部の区間だけを拡大して比較します。高域信号の違いを分かりやすくするために、8kHzの最大急峻なハイパスフィルタを適用しました。今回はスピーカで出力せず、DACの出力波形を直接オシロで比較しています。オシロのサンプリングレートは48kHzです。

MP3 hakei copy
グレーが元の44.1kHz信号、青がアップサンプリングなしのMP3、赤が5倍アップサンプリング(96kHz出力)のMP3波形です。8kHz以上の成分だけで比較すると、MP3波形はオリジナルからかなり崩れている事がわかります。アップサンプリングしても、オリジナル波形に近付くわけではなく、どちらかというと、尖ったピークが少し丸くなるような傾向が見られます。

追加実験として、WAVエンコーダを使用して、オリジナルデータから22kHzのWAVファイルを作成して比較してみました。このファイルの限界周波数は約11kHzです。これならば、48kHzの計測レートでもアップサンプリングの効果を確認できるはずです。
22k hakei
青がリサンプリングなし、赤が5倍アップサンプリング(96kHz出力)です。波形は128kbpsのMP3よりもマシですね。やはり、アップサンプリングしてもオリジナル波形に近付くわけではなく、尖ったピークが少し丸くなる傾向が見られます(と言っても、逆にもっと尖ってることろもある?)。

なお、3倍アップサンプリングの波形は、5倍と生の中間程度でした。3つ重ねると見にくくなるので掲載を省略しました。

以上のように、アップサンプリングしても、オリジナルのA/Dで失われた高域成分が復元できるわけでも、従ってオリジナル波形に近付くわけでもないと言えます。よく言われる波形の立ち上がりがシャープになるという事もなく、逆に低サンプリングレートで尖ってしまった波形ピークが少し丸くなるというのが効果と言えば効果と言えるかもしれません。ちょっと高音がマイルドになるという感じでしょうかね。

という事で、以前の関連記事に書いたハチマルのコメント:
信号再生クオリティとしては決して良い状態とは言えないんだけど、ナンカ良く聞こえる。という感じかな。。。。「音質」が向上したワケでは無い。むしろ「音質」は落ちている?
を裏付けるような結果であったと言えます。モトモトナイモンハナイノヨってやつです。NuForceの言う事もわかるけど、聴感ではなんとなく5倍アップサンプリングがホンの少し良く聞こえるような気がしないでもないような気もするような気がするので、従来通りこれを標準設定にしようと思います。HSCは絶対OFF。

IA-7Eは100kHzオーバーまで完全にフラットな特性を持っているそうですが、これを生かすには、超高域まで感度のあるマイクロフォンを使用して高サンプリングレートでデジタル化した音源を、それなりのスーパーツイータを使用して再生しない限り、その恩恵は感じられないのではないでしょうか。ハチマルのようにCDレベルのソースを聴くだけであれば、いくらアップサンプリングしても、可聴帯域さえしっかりと再生できれば十分という事かもしれませんね。Alpairフルレンジ + ICON AMPで必要十分という事でしょう。

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2011年04月19日 (火) | Edit |
前の記事の続きです。

ソフトウェアのデジタル信号ジェネレータで各種周波数の正弦波と鋸波を生成してみました。

信号は全てCDと同じ16bit/44.1kHzで生成しています。グラフ中の赤の波形は400Hzで生成したものです。サンプル点数は1周期あたり100点以上ですから、非常にスムースな波形となっています。

734.jpg
上は一般的に人間の可聴帯域の上限とされる20kHzの波形です。サンプリング点は1周期あたり約2点しかありません。一般的なDACでは、このようなサンプリング点からフィルタ処理によって20kHzの「正弦波」を再現する事ができます(あくまでも「正弦波」は)。しかし、この方式では22kHz以上の信号は生成できず、パルス状(正弦波以外の波形)等の再生で劣るようです(スペクトルは22kHzでストンと落ちる、22kHz以下のゲインはフラット)。

これを改善すべく「フルーエンシ型」と呼ばれるDA方式が一部のDACで採用されたりしています。この方式では、サンプリング点を結んだ波形(図の青線)に近い波形がそのまま出力されますが、補間によって22kHz以上の信号成分を生成できるという利点を持つそうです(スペクトルは22kHz以上でもなだらかに減衰する、しかし22kHz以下のゲインはフラットにならず高域側で若干落ちる)。この方式では周波数の高い正弦波はヘンテコリンになるけどパルス等の波形再生に優れるらしい。どちらも一長一短といったトコロかな。

詳しくはコチラを参照されたし。下図はそこからの抜粋。
20kHzの正弦波(左がフルーエンシ型、右が普通の)
image221.jpgimage251.jpg

2kHzの矩形波(左がフルーエンシ型、右が普通の)
image121.jpgimage151.jpg
ドッチの方が音が良いのかなぁ。。。?

733.jpg
上は9.1188kHzの波形です。20kHzの波形を96kHzで生成(サンプリング)した波形に相当します。サンプリング点は1周期あたり約5点。可聴帯域の上限でこれくらいサンプリングしてくれると安心だね。フルーエンシ型で再生しても心理的にOK?。。。

732.jpg
上は6.666kHzの波形です。20kHzの波形を132.3kHz(44.1kHzの3倍)で生成(サンプリング)した波形に相当します。

731.jpg
上は4kHzの波形です。20kHzの波形を220.5kHz(44.1kHzの5倍)で生成(サンプリング)した波形に相当します。可聴帯域上限でここまでは要らないでしょう。

人間の可聴帯域の上限が一般に20kHzだから、その約2倍の44.1kHz(理論的限界周波数22kHz)でサンプリングすれば十分だろうというのは、かなり際どい判断であるように感じます。普通の技術屋的センスからすると、これはあまりにもギリギリ過ぎる。通常少なくとも1.5倍の60Hzできれば2倍の80Hzは確保したいとマズは考えるはずです。CDの規格を定める際にサイズ、再生時間(ベト9を基準にしたとか)、コスト、技術的問題等の制約の中で本当にギリギリの選択だったと言えるのではないでしょうか。普通に音楽を聴くには十分だとしても、諸条件が許すならもう少し余裕を持たせたかったというのが本音ではないかな。もし2倍の88kHzなり96kHzなりでリリースされていたら、音質面やDA方式で議論が持ち上がる事もそれほど無かったのではないでしょうか。

とは言えこれだけ世の中に受け入れられ普及したという事は、総合的判断として間違いなく正しかったと言わざるを得ません。技術とはそういうものです。重要なのは「音質」だけではないという事です。当時の技術レベルにおけるコスト、サイズ、音質のトレードオフを鑑みた総合的な判断として妥当であったと言えるのではないでしょうか。そのCDの時代も終焉を迎えつつあるようですが、今後主流の規格はどのようになるのでしょうかね。

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2011年04月18日 (月) | Edit |
FrieveAudioではデジタル信号のアップサンプリング/ダウンサンプリングを設定できます。いろいろ試した結果、通常は44.1kHz/16bitのソースを5逓倍の220.5kHzまでアップサンプリングし、これを96kHz/24bitにダウンサンプリングして出力しています(途中の信号処理は全て64bit分解能)。下にFrieveAudioの「リサンプリング」設定タブを示します。
730.jpg

なのですが、数ヶ月前にUSB接続の小さなディスプレイ(タッチ機能付き)を購入して接続したところCPU負荷が増えてしまい、Atomプロセッサの非力さのためにアップサンプリングできなくなってしまいました。まあいいか。。と暫くアップサンプリングせずに44.1kHz出力で聞いていたのですが、先日タッチ機能だけを殺してみたところCPU負荷が一気に下がって以前のようにアップサンプリングできるようになりました。

とういことで、その効果を改めて実感した次第です。明らかに高音がスムースで好印象に聞こえます。暫く44.1kHz出力に耳が慣れた後であっただけに、その違いがはっきりと分かったのかも知れません。

下にFrieveAudioの「スペクトル」画面を示します。曲はベト3冒頭のジャンジャンです。ピークホールドの赤のラインを比較して下さい(キャプチャするタイミングが正確ではないので、青は正確に同一タイミングではありません)。横軸のスケールはリニアです。

729.jpg
44.1kHz出力です。22kHzでストンと信号が無くなります。

728.jpg
96kHz出力です。3逓倍(132.3kHz)してから96kHzにリサンプリングして出力しています。22kHzで急激に落ちます。アップサンプリングによってAD時に失われた22kHz以上の情報がよみがえるというワケではない。この状態だと僕にはあまり効果を感じられません。

727.jpg
96kHz出力です。こちらは5逓倍(220.5kHz)してから96kHzにリサンプリングしています。22kHzより上でもナニヤラ結構な信号が出できて、22kHzでの段差が目立たなくなります。これが僕の標準設定ですが、この状態でAtomプロセッサのCPU使用率は約70%に達します。ギリギリ。。。5倍のアップサンプリングで出てくる22kHz以上の成分は単なるノイズのはずです(元々ナイモン)が、高域にランダムノイズを付加するのと似たような効果を持つのだと思われます。スペクトルが22kHzでストンと無くなるのではなく、自然界がそうであるようになだらかに減衰するというのが良いのでしょうか??信号再生クオリティとしては決して良い状態とは言えないんだけど、ナンカ良く聞こえる。という感じかな。。。。「音質」が向上したワケでは無い。むしろ「音質」は落ちている?

FrieveAudioにはスーパーツイータの使用を想定したHSC機能という22kHz以上に人工的に信号を付加する機能も備わっています(関連記事)。しかしこの機能はCPU負荷が高いため、Atomプロセッサでは96kHz出力に組み合わせて使用する事はできません。PCの性能が高ければ、さらにこのHSC機能を組み合わせてみる事もできますよ。

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