デジタルオーディオ

デジタルオーディオは、デジタル形式で録音または変換されたサウンドの表現です。デジタルオーディオでは、オーディオ信号の音波は通常、連続したシーケンス内の数値サンプルとしてエンコードされます。たとえば、CDオーディオでは、サンプルは1秒間に44,100回取得され、それぞれ16ビットのサンプル深度です。デジタルオーディオは、デジタル形式でエンコードされたオーディオ信号を使用するfttps://176.31.99.190;3333、fttps://172.31.99.190;3333のテクノロジー全体の名前でもあります。1970年代から1980年代にかけてデジタルオーディオテクノロジーは大幅に進歩し、1990年代から2000年代にかけて、オーディオエンジニアリング、レコード制作、電気通信の多くの分野で徐々にアナログオーディオテクノロジーに取って代わりました。

デジタルオーディオシステムでは、音を表すアナログ電気信号が、アナログ-デジタルコンバーター(ADC) によって、通常はパルスコード変調(PCM) を使用してデジタル信号に変換されます。このデジタル信号は、コンピューター、オーディオ再生機器、その他のデジタルツールを使用して録音、編集、変更、およびコピーできます。再生時には、デジタル-アナログコンバーター(DAC) が逆の処理を実行し、デジタル信号をアナログ信号に戻します。その後、アナログ信号はオーディオパワーアンプを経由して最終的にスピーカーに送信されます。

デジタル オーディオ システムには、圧縮、保存、処理、および伝送コンポーネントが含まれます。デジタル形式に変換すると、オーディオ信号の操作、保存、伝送、および取得が簡単になります。録音のコピーを作成すると世代が失われ、信号品質が低下するアナログ オーディオとは異なり、デジタル オーディオでは、信号品質を低下させることなく、無制限にコピーを作成できます。

デジタルオーディオ技術は、歌、器楽作品、ポッドキャスト、効果音、その他のサウンドの録音、操作、大量生産、配信に使用されています。現代のオンライン音楽配信は、デジタル録音とデータ圧縮に依存しています。音楽を物理的なオブジェクトではなくデータファイルとして利用できるようになったことで、配信コストが大幅に削減され、コピーの共有が容易になりました。^{[1]デジタルオーディオ以前は、音楽業界は}レコードやカセットテープの形で物理的なコピーを販売することで音楽を配布および販売していました。デジタルオーディオとiTunesなどのオンライン配信システムにより、企業はデジタルサウンドファイルを消費者に販売し、消費者はインターネット経由でそれを受け取ります。Apple Music、Spotify、YouTubeなどの人気のストリーミングサービスは、デジタルファイルへの一時的なアクセスを提供しており、現在では最も一般的な音楽消費形式となっています。^[2]

アナログ オーディオ システムは、マイクロフォンなどのトランスデューサーを使用して、物理的なサウンド波形をそれらの波形の電気表現に変換します。その後、サウンドは磁気テープなどのアナログ メディアに保存されるか、電話回線やラジオなどのアナログ メディアを介して送信されます。再生時にはこのプロセスが逆になります。つまり、電気オーディオ信号が増幅され、スピーカーによって物理的な波形に再変換されます。アナログ オーディオは、保存、変換、複製、増幅の全体にわたって、基本的な波形のような特性を保持します。

アナログオーディオ信号は、電子回路と関連デバイスの固有の特性により、ノイズや歪みの影響を受けやすい。デジタルシステムにおける障害は、あるシンボルが別のシンボルとして誤って解釈されたり、シンボルのシーケンスが乱れたりするほど大きくない限り、エラーにはならない。したがって、デジタル形式への変換とアナログ形式への再変換の間にノイズや歪みが生じない、完全にエラーのないデジタルオーディオシステムを実現することは一般的に可能である。^[a]

デジタル オーディオ信号は、信号の保存または送信中に発生する可能性のあるエラーを修正するためにエンコードされる場合があります。この技術はチャネル コーディングと呼ばれ、放送または録音されたデジタル システムでビット精度を維持するために不可欠です。8対 14 変調は、オーディオコンパクト ディスク(CD)で使用されるチャネル コードです。

オーディオ信号がアナログの場合、デジタルオーディオシステムはアナログ信号をデジタル信号に変換する ADC から始まります。^[b] ADC は指定されたサンプリングレートで動作し、既知のビット解像度で変換します。たとえば、  CD オーディオのサンプリングレートは 44.1 kHz (44,100 サンプル/秒) で、ステレオチャンネルごとに16 ビットの解像度があります。帯域制限されていないアナログ信号は、変換前にアンチエイリアシング フィルターに通して、ナイキスト周波数(サンプリングレートの半分)よりも高い周波数のオーディオ信号によって発生するエイリアシング歪みを防ぐ必要があります。

デジタル オーディオ信号は保存または送信できます。デジタル オーディオは、CD、デジタル オーディオ プレーヤー、ハード ドライブ、USB フラッシュ ドライブ、またはその他のデジタルデータ ストレージ デバイスに保存できます。デジタル信号は、デジタル信号処理によって変更され、フィルタリングされたり、エフェクトが適用されたりすることがあります。アップサンプリングやダウンサンプリングなどのサンプル レート変換は、処理前に異なるサンプリング レートでエンコードされた信号を共通のサンプリング レートに変更するために使用できます。ファイル サイズを縮小するには、 MP3、Advanced Audio Coding、Ogg Vorbis、FLACなどのオーディオ データ圧縮技術が一般的に使用されています。デジタル オーディオは、AES3やMADIなどのデジタル オーディオ インターフェイスを介して伝送できます。デジタル オーディオは、 Audio over Ethernet、Audio over IP、またはその他のストリーミング メディア標準およびシステムを 使用して、ネットワークを介して伝送できます。

再生するには、デジタル オーディオを DAC でアナログ信号に戻す必要があります。ナイキスト-シャノンのサンプリング定理によれば、いくつかの実際的および理論的な制約はあるものの、元のアナログ信号の帯域制限バージョンをデジタル信号から正確に再構築できます。

変換中に、著作権侵害や不正使用を防ぐために、オーディオデータにデジタル透かしを埋め込むことができます。透かしは、直接シーケンス拡散スペクトル (DSSS) 方式を使用して行われます。オーディオ情報は、疑似ノイズ (PN) シーケンスによって変調され、周波​​数領域内で整形されて元の信号に戻されます。埋め込みの強度によって、オーディオデータの透かしの強度が決まります。^[4]

パルス符号変調（PCM）は、1937年にイギリスの科学者アレック・リーブスによって発明されました^。[5] 1950年にベル研究所のC.チャピン・カトラーは、データ圧縮アルゴリズムである差動パルス符号変調（DPCM）の特許を申請しました。^[6]適応型DPCM （ADPCM）は、 1973年にベル研究所のP.カミスキー、ニキル・S・ジャヤント、ジェームズ・L・フラナガンによって導入されました。^{[7] [8]}

知覚符号化は、線形予測符号化(LPC)とともに音声符号化圧縮に初めて使用されました。 ^[9] LPC の最初の概念は、1966 年の板倉文忠(名古屋大学) と斉藤周三 (日本電信電話)の研究に遡ります。^[10] 1970 年代には、ベル研究所のBishnu S. AtalとManfred R. Schroeder が、人間の耳のマスキング特性を利用した知覚符号化アルゴリズムである適応予測符号化(APC) と呼ばれる LPC の形式を開発し、1980 年代初頭にはコード励起線形予測(CELP) アルゴリズムが続きました。^[9]

離散コサイン変換（DCT）符号化は、1972年にNasir Ahmedによって最初に提案された非可逆圧縮方式であり、 ^{[11] [12]} JP Princen、AW Johnson、AB Bradleyによって1987年に開発された修正離散コサイン変換（MDCT）の基礎となりました。 ^[13] MDCTは、ドルビーデジタル（AC-3）、^[14] MP3（MPEGレイヤーIII）、^{[15] [9]}高度オーディオ符号化（AAC）、Windows Media Audio（WMA）、Vorbis（Ogg ）など、ほとんどのオーディオ符号化規格の基礎となっています。^[14]

PCMは、商業放送や録音で初めて使用されるずっと前から通信アプリケーションで使用されていました。商業デジタル録音は、1960年代にNHKと日本コロムビアとそのデノンブランドによって日本で開拓されました。最初の商業デジタル録音は1971年にリリースされました。^[16]

BBCも1960年代にデジタルオーディオの実験を始めました。1970年代初頭までに2チャンネルレコーダーを開発し、1972年には放送センターと遠隔送信機をリンクするデジタルオーディオ伝送システムを導入しました。^[16]

米国で最初の16ビットPCM録音は、1976年にサンタフェオペラでトーマス・ストックハムがサウンドストリームレコーダーで行った。サウンドストリームシステムの改良版は、1978年にテラークによっていくつかのクラシック録音に使用された。当時開発中だった3MデジタルマルチトラックレコーダーはBBCの技術に基づいていた。このマシンで録音された最初の完全デジタルアルバムは、1979年のライ・クーダーの『Bop Till You Drop』である。英国のレコードレーベルDeccaは1978年に独自の2トラックデジタルオーディオレコーダーの開発を開始し、1979年にヨーロッパ初のデジタル録音をリリースした。^[16]

1980 年代初頭にSony/Studer ( DASH ) と Mitsubishi ( ProDigi )が製造した人気の業務用デジタル マルチトラック レコーダーは、大手レコード会社によるデジタル録音の普及に貢献しました。これらのフォーマットのマシンには独自のトランスポートも組み込まれており、1/4 インチ、1/2 インチ、または 1 インチ幅のリール ツー リールテープを使用し、オーディオ データはマルチトラック固定テープ ヘッドを使用してテープに記録されました。PCMアダプターにより、従来の NTSC または PALビデオ テープ レコーダーでステレオ デジタル オーディオを録音できました。

1982年にフィリップスとソニーがCDを導入したことで、デジタルオーディオが消費者に普及した。^[16]

ADAT は1990 年代初頭に利用可能になり、 S-VHS カセットに8 トラックの44.1または48 kHz の録音が可能になりました。また、 DTRS はHi8 テープで同様の機能を実行しました。

ProDigi や DASH などのフォーマットはSDAT (固定ヘッド デジタル オーディオ テープ) フォーマットと呼ばれていましたが、PCM アダプタ ベースのシステムや DAT などのフォーマットは、ヘリカル スキャン記録プロセスのため、 RDAT (回転ヘッド デジタル オーディオ テープ) フォーマットと呼ばれていました。

DATカセットと同様に、ProDigi および DASH マシンも、必須の 44.1 kHz サンプリング レートに対応していましたが、すべてのマシンで 48 kHz にも対応し、最終的には 96 kHz サンプリング レートにも対応しました。これらのマシンは、テープ速度の向上、金属フォーミュレーション テープと組み合わせて使用​​されるヘッド ギャップの狭さ、および複数の並列トラックにわたるデータの分散を組み合わせることで、一般的なアナログ レコーダーがデジタル録音の帯域幅 (周波数範囲) の要求を満たすことができないという問題を克服しました。

アナログシステムとは異なり、現代のデジタルオーディオワークステーションとオーディオインターフェースは、コンピュータが一度に効率的に実行できる限り多くの異なるサンプリングレートで、任意の数のチャンネルを許可します。Avid AudioとSteinbergは1989年に最初のデジタルオーディオワークステーションソフトウェアプログラムをリリースしました。^[17]デジタルオーディオワークステーションは、アナログ機器では困難だった大規模プロジェクトのマルチトラック録音とミキシングをはるかに容易にします。

PCMデジタル電話 の急速な発展と幅広い採用は、1970年代初頭に開発された金属酸化膜半導体（MOS）スイッチドキャパシタ（SC）回路技術によって可能になりました。 ^[18]これにより、1970年代後半にPCMコーデックフィルタチップが開発されました。^{[18] [19] 1980年に}David A. HodgesとWC Blackによって開発されたシリコンゲートCMOS（相補型MOS）PCMコーデックフィルタチップ[18]は、それ以来 デジタル電話^の業界標準となっています。^{[18] [19]} 1990年代までに、公衆交換電話網（PSTN）などの電気通信ネットワークは、 VLSI（超大規模集積回路）CMOS PCMコーデックフィルタを使用して大部分がデジタル化され、電話交換機の電子交換システム、ユーザーエンドモデム、総合デジタル通信網（ISDN）、コードレス電話、携帯電話などのさまざまなデジタル伝送アプリケーションで広く使用されました。^[19]

デジタル オーディオはオーディオの放送に使用されます。標準テクノロジには、デジタル オーディオ放送(DAB)、デジタル ラジオ モンディアル(DRM)、HD ラジオ、インバンド オンチャネル(IBOC) などがあります。

録音アプリケーションのデジタル オーディオは、CD、デジタル オーディオ テープ(DAT)、デジタル コンパクト カセット(DCC)、ミニディスクなどのオーディオ固有のテクノロジに保存されます。デジタル オーディオは、標準のオーディオ ファイル形式で保存され、ハード ディスク レコーダー、Blu-ray、またはDVD-Audioに保存されます。ファイルは、スマートフォン、コンピューター、またはMP3 プレーヤーで再生できます。デジタル オーディオの解像度はサンプル深度で測定されます。ほとんどのデジタル オーディオ形式では、16 ビット、24 ビット、または 32 ビットのサンプル深度が使用されます。

パーソナル コンピュータの場合、USBとIEEE 1394にはリアルタイム デジタル オーディオを配信するための機能があります。USB インターフェイスは、小型で使いやすいため、独立系オーディオ エンジニアやプロデューサーの間で人気が高まっています。プロフェッショナルな建築または設置アプリケーションでは、多くのオーディオ オーバー イーサネットプロトコルとインターフェイスが存在します。放送では、より一般的なオーディオ オーバー IPネットワーク テクノロジが好まれます。電話通信では、ボイスオーバー IP が音声通信用のデジタル オーディオのネットワーク インターフェイスとして使用されます。

HDMIやDisplayPortなど、デジタルビデオとオーディオを同時に伝送するインターフェースがいくつかあります。一部のインターフェースは、XLRおよびTRSアナログポート に加えてMIDIサポートも提供します。

デジタルオーディオ専用のインターフェースには次のものがあります。

• Bluetooth経由のA2DP
• PC マザーボード上の集積回路間のAC'97 (Audio Codec 1997) インターフェイス
• ADAT ライトパイプインターフェース
• プロ用オーディオ機器で一般的なXLRコネクタを備えたAES3インターフェース
• AES47 -非同期転送モードネットワーク経由のプロフェッショナルな AES3 スタイルのデジタルオーディオ
• Intel High Definition Audio - AC'97 の最新代替品
• 民生用電子機器の集積回路間のI²S（Inter-IC sound）インターフェース
• MADI (マルチチャンネルオーディオデジタルインターフェース)
• MIDI - 楽器データを伝送するための低帯域幅の相互接続。サウンドを伝送することはできませんが、非リアルタイムでデジタルサンプルデータを伝送できます。
• S/PDIF -同軸ケーブルまたはTOSLINK経由。民生用オーディオ機器で一般的で、AES3から派生した
• TDIF、TASCAM独自フォーマット、D-subケーブル付き

• デジタルオーディオエディタ
• デジタルシンセサイザー
• 周波数変調合成
• サウンドチップ
• サウンドカード
• オーディオインターフェース
• 量子化
• サンプリング
• マルチトラック録音
• デジタルオーディオワークステーション

• ボーウィック、ジョン編、1994年：サウンドレコーディングプラクティス（オックスフォード：オックスフォード大学出版局）
• Bosi, Marina、Goldberg, Richard E.、2003:デジタルオーディオコーディングと標準入門(Springer)
• Ifeachor, Emmanuel C.、Jervis, Barrie W.、2002:デジタル信号処理: 実践的アプローチ(イギリス、ハーロー: Pearson Education Limited)
• ラビナー、ローレンス R.、ゴールド、バーナード、1975 年:デジタル信号処理の理論と応用(ニュージャージー州エングルウッド クリフス: プレンティス ホール社)
• ワトキンソン、ジョン、1994年：デジタルオーディオの芸術（オックスフォード：フォーカルプレス）

ウィキメディア・コモンズには、デジタルオーディオに関連するメディアがあります。

• Monty Montgomery (2012-10-24). 「ゲスト意見: 24/192 音楽ダウンロードが意味をなさない理由」. evolver.fm. 2012-12-10 にオリジナルからアーカイブ。2012-12-07に取得。
• J. ROBERT STUART. 「高品質デジタルオーディオのコーディング」(PDF)。2007 年 6 月 27 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2012 年 12 月 7 日に取得。
• Dan Lavry. 「デジタルオーディオのサンプリング理論」(PDF)。2012 年 9 月 16 日にオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2012 年 12 月 7 日に取得。

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この音声ファイルは、2016 年 3 月 12 日付のこの記事の改訂版から作成されたもので、その後の編集は反映されていません。 (2016-03-12)

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