レコードをハイレゾ化するならDSDかPCMか?

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ことの 発 端

ことの発端は、あるハイレゾDLサイトから、チャイコのバイオリンコンチェルトをPCM(Flacファイル 192Khz、24Bit)で購入しました。WAVファイルも平行販売されています。

たまたま、このPCMファイルを、Audacityでスペクトルを見たところ、高域(40khz以上)に異常と思われる成分が存在しています。

sonyのHAP-Z1ESで再生し録音した結果も、同様に高域異常?がありました。

この高域異常は何であるか、色々調べて行くうちに、購入したPCMファイルは、元々DSDソースをPCM変換して販売しているのではないか?と思い至りました。

 

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高域異常の 原 因 推 定

DSDは、PCM(アナログ量の数値化)と違って、1BitのデルタシグマADC(変調方式)で、音声レベルに応じてパルス幅が疎密的に変化する方式です。

このデルタシグマADCは、量子化ノイズ(誤差)を高域に追いやり(ノイズシェーピング)ますので、アナログに復調(DAC)するには、簡単なローパスフィルター(=積分器)を通して、多分100Khz以上のノイズをカットしてアナログに復元します。

しかし、ノイズシェーピングによるノイズは、40Khz付近から増加しますので、100KHzのローパスフィルターでは、このノイズ成分の残渣が残ります。

よって、このDSDファイルをPCM(192Khz、24Bit)に変換した場合、サンプリング定理から、エイリアシング・フィルタは、サンプリング周波数の半分(192Khz÷2=96Khz)以上でハイカットしているので、40KHz~96KHzにあるノイズ残渣成分は取り除かれず、上図の高域異常が生じる原因と思われます。

 

高域異常部分を試しに抽出

この高域異常部分の波形を、Audacityで、30Khz以下をLow cutし抽出たのが、この波形です

0.1Vp-p程度のレベルが観測できます。可聴帯域外ですから、問題は無いと思われるもの、アンプとしては、無駄な電力を消費してしまうことになります。 最悪、ツイータを焼損する恐れもあります。

 

実際のDSD64ファイル(2.8Mhz)では如何に

では、HAP-Z1ESに入っていたミュージックサンプル、DSD64ファイル(2.8Mhz)を再生するとどうなるのか?をHAP-Z1ESで再生して録音(Flac192Khz、24Bit)してみました。

矢印の様に、やはり、DSD再生でも、高域成分が存在しています。

 

FlacファイルからXLDソフトで、DSD64(2.8Mhz)に試しに変換してみると

次に、レコードをハイレコしたFlacファイル(192Khz、24Bit)をXLDソフトで、DSD64(2.8Mhz)に変換したファイルを、HAP-Z1ESに入れて、再生し、録音(Flac192Khz、24Bit)してみました。

やはり、録音したFlacファイルにも高域異常が見られます。

 

❏ ま と め

ポイント

以上の検証結果から、HAP-Z1ESによるDSD64(若しくはDSDをソースにしたPCM(192Khz,24Bit)変換ファイル)の再生は、高域異常ノイズ成分を含みます。
この高域ノイズは、オーディオアンプ周波数帯域内にあり、不要な電力も消費し、混変調歪も発生する原因にもなり得ると思われます。 最悪、ツイータの破損につながるかもしれません。

PCMで録音する方が、DSDに見られる高域異常ノイズの発生無く、PCMファイルであればレコードのプチノイズ除去等の波形編集もできるので、 レコードをハイレゾ化(ハイ・レコ)するならPCM(192Khz,24BitがBest)でレコーディングするのが得策と思われます。

また、ハイレゾのダウンロード(DL)購入は、DSDを避け、 サンプリング周波数が96Khz以下の PCMを購入すべきかと思われます。(サンプリング周波数が96Khzであれば、48Khzでフィルタリングされるので、殆ど高域異常ノイズは再生されないと思います。)

 

 

ノイズシェーピングのシミュレーション

DSDのデルタシグマADCについて、調べてみました。 デルタシグマ回路は、原理的には非常にシンプルな回路構成で成り立っています。(実際には、段数を増やしていますが。)

CQ出版社の ネットに掲載されている「ΔΣ変調を使用したA-D/D-A変換回路はどっち?」の 回路図を利用させて頂き、LTspiceで、色々入力波形を変えてシミュレーションしてみました。

LTspiceは、以下からダウンロードできます。

[https://www.analog.com/jp/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html]

<CQ出版社の回路図をLTspiceへ書写しました>


LTspice によるシミュレーションに当たり、クロックは、DSD64(2.8Mhz)にしています。

<シュミレーションの結果>

各種信号源(正弦波、矩形波、三角波)のシュミレーション結果は下のグラフで示します。

正弦波の場合、倍音成分は有りませんので、高域(40khz以上)に発生しているノイズは、シェービングノイズということになります。 正弦波に対して、DSDのクロック周波数を高くするに従って、シェービングノイズのレベルは、低減することが判りました。(下記) ただし、クロックを上げるとDSDのファイルサイズが大きなってしまいます。

70khz付近のシェービングノイズ
・DSD64(2.8Mhz):-60db
・DSD128(5.6Mhz):-70db
・DSD256(11.2Mhz):-80db

 

❏ 1Khz 正弦波入力の場合

DA出力FFT解析

 


❏ 1Khz 矩形波入力の場合

波形拡大

 

DA出力FFT解析

 

 


❏ 1Khz 三角波入力の場合

波形拡大

DA出力FFT解析

 

 


ーさらにー

DSD128(5.6Mhz)と DSD256(11.2Mhz)のシミュレーション

❏ DSD128(5.6Mhz) 正弦波入力の場合

DA出力FFT解析

 

70Khz付近のノイズレベルが約70dbで、DSD64より低下している。

 


❏ DSD256(11.2Mhz) 正弦波入力の場合

DA出力FFT解析

 

70Khz付近の
ノイズレベルが約80dbで、DSD128より低下している。

 

 

ポイント

以上のシュミレーションから、1khz正弦波入力のノイズに着目しますと、クロックをアップすると、下表のように、70khz付近のノイズが低減しますが、ノイズシェービングが残存するのが判りました。

DSD NAME クロック 70khz ノイズレベル 
DSD64 (2.8Mhz) -60db
DSD128 (5.6Mhz) -70db
DSD256 (11.2Mhz) -80db
以上、「レコードをハイレゾ化するならDSDかPCMか?」でした。

 

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