D/A 中間部の信頼性は？

質問

例によって長ぁ～く難解な文でスミマセンm(_ _)m
……回答は URL の御紹介だけでも構いませんので(^_^;)。

私も含めて多くの人は「DAC (Digital Analog Converter) の音質は DAC Chip 後段にある増幅回路等の Analog 信号処理回路が最も重要である」と認識しているでしょうが、多くの Maker は Over Sampling 技法のように Pulse 発振以前の Digital 補正処理理論を宣伝の前面に謳っています。

しかし「Pulse 発信器の精度ってどうよ？」「I/V (電流/電圧) 変換部の信頼性ってどうよ？」「LPF (Low Pass Filter) はそれでいいの？」という、いわば Digital 処理系と Analog 処理系との間にある (或いは DAC Chip 内の最終段、または Analog 処理系の初段) 部分について考察されたものや計測されたものが公開されている例が非常に少なく、私が知っているものはいずれも DAC を自作する方々の実験報告ばかりです。

市販される Condenser や Resister の保証精度は誤差 1%～10% であって、Current Mirror 方式や Negative Feed Back といった工夫を凝らした回路構成にしなければ 0.1%～1.0% の歪率を生じるのは当たり前、工夫を凝らした回路でもやっと 0.01～0.1% という歪率になる現状で、実際の計測値による比較が示されることなく計算や推測で描かれた図示だけで解説される Maker の Over Sampling 技法は (私にとっては) 眉唾ものにしか映りません。

DAC Chip のあまり知られていない特徴に目を向けると……私がこよなく愛した PHILIPS TDA1541A という DAC Chip は電流出力が吸い込み型となっており、近年止む無く(^_^;) 愛用している TIBB PCM1794/1792A という Chip は吐き出し型になっています。……この違いだけでも後段処理系の回路型式を変えねばならず、当然のことながらこの違いが TDA1541 系と PCM179X 系との音色の違いを生み出す要因の 1 つとなっています。

計測しても歪率 0.1% 以下における違いなのに音色が変わって I/V 変換素子の選択が面倒なことから実行する人は滅多にいないものの、TDA1541A という DAC Chip は Transformer や Resister 1 基で I/V 変換できてしまう Chip で、この Chip 以降に発表された複雑極まる机上理論で補正に補正が重ねられた Chip 群が創り出す音色、特に PHILIPS 社の Bit Stream DAC 時代における 1bit DAC の音が気に入らなかった私は TDA1541A DAC 回路の Simple さに Non NFB (Non Negative Feed Back) 回路の Amp' にも通じる魅力を感じていました。

こんなところでも「音質って変わるんだよ」ということを自作派の方々は身をもって試され、情報を公開してくださっているのですが「この素子や回路を決定した背景の努力」みたいなものを現代の Maker が示さないのは不思議です。

一方、DAC 回路後段に配された LPF に関して言えば……1980 年代の LPF は 8 段 16 素子 (Condensor と Resister を 8 組、合計 16 基) で 96dB/oct (22.05kHz から 44.1kHz までに 96dB 減衰させる) をも要されたことから Condenser と Resister の組み合わせで変化する音色を目的の音色に追い込むために数十数百もの組み合わせを試行錯誤して設計されていました。……実際には 8 段 16 素子なんてものにはせず 2 段 4 素子から 7 段 14 素子ぐらいまでにしたものが多かったのですが、素子数が増えるに従って音質劣化が伴うことから高額商品では、例えば YAMAHA GT-CD1 なんて「そんなもの、物理計測特性に優れた酸化金属抵抗や有機 Film Condenser などを組み合わせれば一発じゃん！」なんて物理計測特性信奉論者には信じられないほどの、正に GT (Gigantic & Tremendous：途方も無く、途轍もない) 叡智が LPF 部にまでも注ぎ込まれていました。

当時は 7 段 14 素子なんて LPF 構成を見ただけでも Maker 技術者の苦労が伺い知れるものでしたが、現代の「XX 社製 32bit DAC を！」じゃあ「何をもってその Chip を選んだのか？」という姿勢に疑問が沸きます。

また、Sampling 変換に伴う量子化誤差を丸め込んだり Shift したりする技術の解説では Oscilloscope などで可視化するものがなく、机上の計算と推測でしかない図示でしか解説されないのも不思議です。

例えば画像処理で行われる Dither 処理は下 Link Page での解説のように実に多くの処理法があり、処理法によって画像の質感が異なることが一目で判るようになっていますが、DAC 回路で行われている Dither 処理や Noise Shaper 処理は複数の処理法があるにもかかわらず、それによる音の質感がどう変化するかの解説は見たことがありません。……昔、2 種類の Dither をかけるか否かの 4 つの組み合わせで録音された Test CD を持っていたのですが、Headphone で極僅かに感じられる違いを Speaker 音で再現するのに苦労した想い出があります(^_^;)。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%e3%83%87%e3%82%a3%e3%82%b6

翻って現在の DAC は……質問に回帰しますが……

(1) 「電流出力部の Pulse 発信器が、例えば Sin Pulse ではなく矩形波や方形波のような電圧変化曲線上の歪みを発生させた場合、I/V 変換した波形は正しく Sin 波になるのか？ ならないのであれば Pulse 発信器の波形精度はどのように保たれているのか？」

(2) 「I/V 変換は Ope' Amp' IC Chip で行われるのが定石になったが、Ope' Amp' IC Chip 型番特有の回路構成に伴う独自の音色感は Maker にとって Over Sampling などの Digital 処理ほど重視する必要がないものなのか？」

(3) 「LPF は DAC Chip 内に単純な 1 段 2 素子型が組み込まれるようになり、理論上はそれだけでも充分な減衰特性を得られる Over Sampling が行われているが、実際には外部に更に CR (Condenser/Resister) 式 LPF を加えたり Ope'Amp' IC Chip で LPF を構成しているものが多く、そうした回路の追加に伴う音色への味付けを『我が社の Sound Character とする」ために』 のような Positive な主張で説明する Maker はいないのか？」

(4)「Over Sampling 以降の量子化誤差補正法は幾種類もあるのに、例えば複数ある Noise Shaper 法のうち、この方手法を採用した理由を Maker が解説しないのは何故か？」

というような疑問が沸きます。

因みに (3) に関してはかつて NAKAMICHI 社が NAKAMICHI 1000/700 を発表した際の解説に「電気特性上は Head Amp' の入力段を直結とした方が良いのだが、我々は試行錯誤の末に選択した Condenser 1 基を咬ませた方が良質の音色を醸し出すと判断し、敢えて非直結型を採用している」といったような記述があって感心した想い出があります。……古い話ですので DC (Direct Coupling) のことなのかどうかはうろ覚えなのですが(^_^;)……。

まぁこうした情報は「『トラ技」』や『MJ』を読めっ！」なのかも知れませんが……スミマセン、両誌共 10 年以上読んでいないもので(^_^;))。

1 つずつ回答されてはとても回答しきれない質問ですし、質問自体も解りにくいものであることは重々承知していますので(^_^;) 丁寧に回答されなくても結構ですが、こんな事を研究されている先人達の Web Site を御紹介いただけないでしょうか？

素敵な Audio Life を(^_^)/

回答No.2

John_Papa · ベストアンサー

こんにちは。

疲れている頭には拒否反応が出る出題です。

1BitDACの課題は、D級アンプの課題でもあります。
質問に無い課題についてだけ触れておきます、それはデッドタイム歪みです。
デジタルはON-OFFしかありませんよね、多くのデジタル回路が出力にコンプリメンタリを採用していますが、＋電源側と－電源側が同時にONに成ると何が起きるでしょう。
って訊くまでも無いですよね。
これを阻止する為に、わざわざ空白時間（デッドタイム）を設けているのです。
デッドタイムは歪みになりますが、事故を起こさない為の必要悪という訳です。

ちょろっと検索したら群馬大学のプレゼンがヒットしましたので貼っておきます。
http://www.el.gunma-u.ac.jp/~kobaweb/news/pdf/LSI-38.pdf
デッドタイムについてはあっさり片付けて（笑）、若干の歪み（必要悪）が発生するものの有効なキャリアの消去法も記載されていて、紹介する価値のある、収穫のあるファイルでした。
でも、こういうことってチップメーカーが研究試行錯誤するだけで、チップを採用して製品を製造するオーディオメーカーが知らないってことも有り得ますね。

もう眠くて考える余力がありません。では、おやすみなさい。

お礼

御回答、有り難うございます。

＞疲れている頭には拒否反応が出る……

……へ(^_^;)……毎度、御苦労をかけます(滝汗)。

Dead Time のことなんぞ思いもよりませんでした。

てっきり Switching は 2 分岐 Selector を切り替える +ON(-Off)/-Off(+On) ようなもので、PC の世界では DRAM でも 50MHz Pulse を No Wait で On/Off し、Chip 内蔵 SRAM ならば 1GHz 前後まで追従する時代ですので、たかだか数 MHz 程度の Digital Audio Pulse なんぞ 30 年前の Access Delay 50nsec 級 Switching Gate でも余裕で切り替えられるものと思っていました(汗)。

御紹介くださった pdf を見ると、どうやら PC 用 Memory Chip 内でも Pulse の重なり、CMOSFET 回路同士が同時に On になる Timing というものがありそうですね。……DRAM の発熱って貫通電流が大半なのかな(^_^;)……。

考えてみれば PC では 0 と 1 さえ読み取れれば 0.1 であろうと 0.9 であろうと一向に構わないものの、Pulse 合成する D 級 Amp' や DAC では合成された波形に歪みが生じますね(^_^;)。

質問にも「DAC Chip 内部にある LPF で変調 Carrier は EMI の分まで充分に取り除けるし、そもそも変調 Carrier は Speaker で再生できないし耳に聞こえないものなのに何故 DAC 後段 Ope' Amp' で LPF が組まれているの？」という疑問を挙げたのですが、御紹介の pdf でも「不要！」みたいに切り捨てられるとますます疑問が首をもたげてしまいますね(笑)。

ちなみに EMI 除去の重要性はよぉく判ります。

……と言うか、15 年ほど前に PLC/T (Power Line Communicator/Telecommunicator) を輸入して広めようとしたら電波通信系博士の大学講師で一級陸上無線技術士資格も持つ友人にバリバリ叱られた記憶があります(笑)。……他にも仕事で映像伝送 Cable の脇にあった蛍光灯からの Noise に悩まされたこともありますし(汗)……。

＞でも、こういうことってチップメーカーが研究試行錯誤するだけで、チップを採用して製品を製造するオーディオメーカーが知らないってことも有り得ますね。

なんだか、それが多そうなのが怖いです(笑)。

＞もう眠くて……

いえいえ、私なんぞ昨日は回答を頂いたのを確認せずに床に就いてしまって申し訳ないです m(_ _)m……今朝は早かったので(^_^;)。

有り難うございました。

素敵な Audio Life を(^_^)/

補足

いやぁ、締め切り催促ぎりぎりの 2 週間待ってみましたが、やはり質問の回答要求が「面倒」過ぎましたね(滝汗)。

Dead Time は「わざわざ ＋ と ー の波形を重ね合わせて Differential 動作歪の解消」を謳った DENON の Alpha Processor なんて「時間軸がずれれば歪んだままじゃん(笑)！」になりますので、びっくりさせられた情報です(^_^;)。

先に提言した性能評価への考え方……BND (Octave 単位の再生 Bandwidth、bit 単位の最大音量対 Noise-Floor 比、bit 単位の常態 Distortion) 値を用いる「音能 (音質ではない)」に、部屋の音響状態や Speaker Unit の反応速度等と聴者が好みとする音色という感性の問題といった Catalog 数値からは推し測れない Acoustics (音響環境) の A を加えた「BAND Guarantee (音域保証)」という考え方にまとまってきました。

BND＝4-4-4
　(帯域保証 175Hz～2.8kHz、実効暗騒音比 24dB、歪率 6%)
　辺りで携帯電話などの最低保障値
　(B の中心周波数は f1＝約 700Hz ですが、±0.5oct は許容範囲です)
　(また ND も±3dB は許容誤差範囲です)

BND＝6-6-6
　(帯域保証 85Hz～5.6kHz、実効暗騒音比 36dB、歪率 1.5%)
　辺りで優秀な Audio 環境

BND＝8-8-8
　(帯域保証 43Hz～11kHz、実効暗騒音比 48dB、歪率 0.5%)
　辺りで家庭環境ではほぼ限界、Studio Monitor に近い環境

BND=10-10-10
　(帯域保証 22Hz～22kHz、実効 S/N 比 60dB、歪率 0.1%)
　辺りは Studio Monitor でのほぼ限界
　家庭環境では音波にして出す前の電気信号状態に「音量等の調整に要する余裕値」
　として求められる値として Analog 時代の機器では御馴染みの音能

BND＝12-12-12
　(帯域保証 11Hz～44kHz、実効 S/N 比 72dB、歪率 0.03%)
　辺りは Analog 時代は電気信号機器でも保証できない値でしたが、
　この質問でも Dead Time 問題を御紹介いただけたように
　「Digital 処理状態でも位相 (時間軸) 問題や量子化誤差問題により、保証できるかどうか怪しい領域」
　となりそうですね。

「音質」には「音能」の BND に加えて音響環境の A (Acoustics) も考慮すべきものなのですが、BAND Guarantee (音域保証) の考え方を進めて行くに当たって有力な情報をいただきました。

有り難うございました m(_ _)m

素敵な Audio Life を(^_^)/

回答No.1

chiha2525

私は理学系で、工学系の測定したりいじったりというアプローチとはちょっと違うので、求められている回答とは異なるものでしょうが、にぎわいの１つとして。

元々のサンプリング定理が、ターゲット周波数の倍の周波数でサンプリングすれば（20kHz以下の音なら40kHzでサンプリング）、これと帯域制限から元の信号が再現できる、というものな分けですが、これを勝手解釈して、帯域制限はローパスフィルタのことで、これを通せば『魔法のように』元のアナログ信号が再現できるなどという基地外の話のようなものを信じてしまい、そんなわけないだろ、というまともな突っ込みがされないまま２０年以上経ってしまっているわけです。

それを前提に考え直してみれば、ローパスフィルタで音が変わる（実際に変わるけど）とか、ジッターとか入力デジタルデータの伝送方式とか、そのどれもがＤＡ変換のイーカゲンさと比べると何を追求しようとしていたのかと思えるほど虚しいものになるわけです。

最近ではコストカットで、チップメーカーが示す回路通りに作って売っているだけなのでしょうけど…
（実際に動作まで知ってる製品開発者がどれほど居る／居たのか）

お礼

御回答、有り難うございます。

私も初めて CD Player を購入した時は「44.1kHz の Pulse 2 波を並べて、何故 22.05kHz の Pulse ができるの？ それって LPF の応答遅延でできるってこと？それなら滅茶苦茶歪んだ波形になるだけじゃないの(^_^;)？」と物凄く懐疑的でした(笑)。

「でも低電圧 Pulse 2 波に高電圧 Pulse 1 波を挟んだ 3 Pulse で作る 14.7kHz の波形は、多少はマシな形になりそうだし、4 波で作る 11.025kHz ならば歪率 10% 以下の歪みになるかも……上手に補正されていれば Speaker や真空管 Amp' のように全く問題ない音色になるのでは？ 」ぐらいの気持ちで Portable CD Player を買ってみたところ「行けるじゃん(^_^;)/」……で Cassette Tape への AirCheck を止めてまともな CD Player を購入すべく Shop へ試聴しに走りました。

当時は PHILIPS 社が SAA7221 Bit Stream DAC を発表したばかりの頃で、雑誌の記事や広告では 256fs 1bit DAC の優秀性がこれでもかと言うほど謳われていたのですが、私には「TI (Texas Instruments) PCM56 DAC が入っている Portable CD Player の方がマシな音だぞ(^_^;)！」としか思えず、結局購入したのは PHILIPS TDA1541AS1 DAC 機の MARANTZ CD80 でした。

以後 MARANTZ CD95 を経て PHILIPS DFA1000 (MARANTZ PM95) まで TDA1541AS1 DAC を愛用し、その後は TIBB (Texas Instruments Burr Brown) PCM1704、PCM1792 と Multi Bit DAC 機ばかり(笑)……Bit Stream 系の音色は最後まで気に入りませんでした。

私は Audio Media (現在は Compact Disc) に記録されている Data が Concert 会場等で Microphone が収録した音を忠実に記録しているなどとは毛頭、思っていません。

私にとって CD などの「Music Media は Recording Engineer や Producer 達が Audio 再生 System 用に創り直した音が記録されているものである」と思っており、Recording Engineer もまた Player や Composer と同列に表記されるべき Creator であると思っています。

また、その彼等が Microphone から Monitor Speaker System に至るまで揃えている機材で波形 Data を変えることは一向に構わず、最終的に彼等が聴いて欲しいと創り出す範囲の音色と我々 Listener が聴きたいと望む範囲の音色とが調和してくれればそれで良いと思っています。

幸か不幸か CD は黎明期の頃から不完全な ADC で Digitize した音を不完全な DAC で Analog 化して再生する環境で製作されており、Engineer 達はその不完全な System を通しても素晴らしい音になるように補正していますので、今更、より完全な System に移行したところで「補正」がずれて変な音になるだけでしょう(^_^;)。

真面目な Maker ならば「原音に忠実」みたいな馬鹿なことは言わず、採用する素子が変わっても TI PCM56 や PHILIPS TDA1541A のような DAC であった頃からあった Maker 独自の Sound Charancter を崩さない筈でしょう。

でも、そうした姿勢を持たずに、目先の数値だけで素子をコロコロ変えていては、例えば AAD の Label が付いている 80 年代に製作された CD を 2010 年代に発売された Player で再生したら「酷い音」になった(笑) なんてことにもなりかねないのではないかとも思います(^_^;)。……なにしろ私がその音に感動した Jazz Quartet 曲 CD の 1 つは後に「SONY PCM-F1 に One Point Stereo 設置された ElectroVoice RE20 2 本を直挿しして β-max VTR に 録音されたもの」であることが判って魂消てしまったぐらいですので(^_^;)。

因みに私は DAT は SONY TCD-D10PRO と TASCAM DA-P1 しか借りて使ったことがなく (Studio 録音では TASCAM 80-8 を借りていました) どちらも SHURE SM58 を直挿しして Club での騒々しい Hardcore Punk Rock を録音したのですが(笑)、後で PC Data に Backup してもらったものを聴いてみると TASCAM DA-P1 の方が反響音の様子が綺麗で、ΔΣ ADC って 1bit DAC とはまるで違うのだなと、遅まきながら気付きました(滝汗)

結局のところ「聴いてみて良いと感じる音こそが最良の音である」というものに回帰してしまうのですが(滝汗)、求める音色が得られなくなるようなことにはなって欲しくないものですね。

有り難うございました。

素敵な Audio Life を(^_^)/