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2015年5月 9日 (土)

DSD対PCM ダイナミックレンジ比較 (ノイズフロア比較)

DSDとPCMの比較をネット検索すると、よくこの画像を目にすると思います。

実は、この画像には、ちょっとした数値マジックが隠されています。 

fig2

ご存知の方も多いとは思いますが、DSD信号は、1bitで量子化されたデジタル信号です。 16bitで量子化されると、レベルは約65500段階に切り分けられますが、1bitなら2段階です。 画像にすると、下の絵のようになりますね。 

 

 Dsd_encoding 

これもここからの引用です。 

さて、このエンコーディング画像も、ちょっとだけ誤りがあります。  実はDSDは、この画像のようにフルレンジ信号を入れると歪みが多くなるので変調率を下げています。 SACDでは変調率を-6dBさげたレベルを、PCMで言うところのフルスケール[0dB]とするようにと規格で決めています。 

-6dBとは電圧で半分。 つまり、録音したいフルスケール信号の2倍の振幅のパルス高の信号がDSD信号なのです。  

 

ここで、最初の画像にもどります。 デルタシグマ変調されて可聴帯域ではノイズレベルが十分に下がっているのはOKですが、そのノイズが移動(シフト)された高周波領域が-25dBな訳はありません。 少なくとも フルスケール +6dB のノイズがあるハズです。 

まぁ、この画像が間違っているかというと、間違いではありません。 DSDのノイズフロアだけを書いてあるのなら。。。 

 

実は、FFT演算は、サンプル数と窓関数により、時間的に相関がないノイズ(量子化ノイズ)は、実際より低く表示される性質を持っています。 一般的なFFTアナライザーもこの性質を活かして、12bitの高速ADコンバータを使用していながら 計測ダイナミックレンジ100dB以上を達成していたりします。 (プロセスゲイン / 処理利得といいます)

その原理の詳細は、こちらをご覧頂くとして

 

本当の意味での比較は、下の図のような関係になるんじゃないかと思います。 プロセスゲインを30dB(あくまでも推測値)として、その分を上にスライドしてみました。 (= 高域ノイズが +6dB くらいになるようスライドしてみただけです。)

Dsd_figure_zz

わかりやいように16bit 44.1kのラインも加えておきました。 (すみません、ヤッツケな画像編集で。。。) 

 

これと似た比較画像をネット上で発見しました。 計測方法が不明ですが、16bitと24bitのPCM、 2.8M と 5.6M のDSD の比較です。 ノイズフロアを上の修正版画像と比較してみると、よく似ている結果といえます。 

Ns

こちらからの引用です。

こちらもFFT解析なので、16bit PCM(黄色)のノイズフロアが-130dBを切っている画像ですが、理論上では-98dBです。  24bit PCM(白)も理論上146dBです。 プロセスゲインは32~35dB程度と思います。 そのことをふまえてDSDは可聴帯域で120dB以上のダイナミックレンジと謳っているSACDのスペックとも一致します。 

 

最初の比較画像は、FFT解析してプロセスゲインによりノイズが低く表現されたDSDのノイズフロアと、理論値のままのPCMで比較しているのでフェアじゃないってことが分かりますね。

 

結果ですが、24bit PCM、DSD、ともにCDフォーマットを大きく超えるダミナミックレンジがあるという事がわかりました。 どちらが良いのかというのは、個人の好みによると思います。 
個人的には、DSDでレコーディングされた音源ならDSDのまま聴きたいですし、PCMでレコーディングしているなら、変換せずにそのままPCMが良いと思います。 

 

※) ΔΣ変調は、次数や係数によりノイズシフトのカーブが変わりますので、上の画像のノイズフロア・カーブは一例に過ぎないと考えたほうが良いです。 

 

 

 

 

 

 

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