ピークプログラムメーター

ピークプログラム メーター( PPM ) は、オーディオ信号のレベルを示すプロフェッショナル オーディオで使用される機器です。

さまざまな種類の PPM は、大まかに次のカテゴリに分類されます。

• トゥルーピークプログラムメーター。波形の持続時間がどんなに短くても、波形のピークレベルを表示します。
• 準ピーク プログラム メーター( QPPM )。これは、ピークが特定の持続時間 (通常は数ミリ秒) を超えた場合にのみ、ピークの実際のレベルを表示します。持続時間が短いピークでは、実際のピーク レベルよりも低いレベルを示します。不足の程度は、「積分時間」によって決まります。
• サンプルピークプログラムメーター（SPPM）。これはデジタルオーディオ用のPPMです。ピークサンプル値のみを表示し、実際の波形ピーク（サンプル間に落ちたり、振幅が高くなる場合があります）は表示しません。^[1]これは、「真の」または「疑似」の積分特性を持つ場合があります。
• オーバーサンプリング ピーク プログラム メーター。これは、基本サンプル PPM の問題を軽減するために、最初に信号を通常 4 倍にオーバーサンプリングするサンプル PPM です。

業界全体で一貫したレベル測定を必要とするプロフェッショナルな用途では、オーディオ レベル メーターは多くの場合、正式な規格に準拠しています。これにより、準拠しているすべてのメーターが、特定のオーディオ信号に対して同じレベルを示すことが保証されます。PPM の主要規格はIEC 60268-10 です。この規格では、1930 年代にドイツ (タイプ I) と英国 (タイプ II) のAM ラジオ放送ネットワーク用に開発されたメーターをルーツとする、2 つの異なる準 PPM 設計について説明しています。ピーク プログラム メーターという用語は、通常、これらの IEC 指定のタイプおよび同様の設計を指します。これらの PPM は、もともとアナログ オーディオ信号の監視用に設計されましたが、現在ではデジタル オーディオにも使用されています。

PPMは効果的なラウドネスモニタリングを提供しません。新しいタイプのメーターはそれを可能にします。現在、放送業界では、この記事で紹介した従来のレベルメーターから、EBU Tech. 3341に基づくラウドネスメーターとオーバーサンプリングの真のPPMという2つの新しいタイプに移行する動きがあります。前者は放送ラウドネスを-23 LUFSに標準化するために使用され、後者はデジタルクリッピングを防ぐために使用されます。^[2]

他の多くのタイプのオーディオ レベル メーターと同様に、PPM は元々電気機械式ディスプレイを使用していました。これらは、厳しい「弾道」を要求される可動コイル パネル メーターまたはミラー ガルバノメーターの形をとっており、主な要件は、表示されるレベルが無視できるオーバーシュートで可能な限り迅速に上昇することです。これらのディスプレイには、アクティブ ドライバー エレクトロニクスが必要です。

現在、PPM は、垂直または水平配列のソリッドステート照明セグメントを使用した「バーグラフ」増分表示として実装されることがよくあります。これらの場合、IEC 60268-10 では、最低 100 セグメントと、高レベルで 0.5 dB を超える解像度が要求されます。

多くのオペレーターは、棒グラフの直線的な動きよりも角度の動きのほうが人間の目には監視しやすいと感じるため、針が弧を描いて動く可動コイルメータータイプの表示を好みます。^[3]

PPM は、汎用コンピュータまたは画像信号に PPM 画像を挿入して画像モニターに表示する専用デバイスによってソフトウェアで実装することもできます。

「ラインアップレベル」や「動作レベル」などさまざまな用語があり、その意味は場所によって異なる場合があります。異なる技術的慣行が適用される可能性のある国から国へのプログラム伝送の状況でレベルの定義を明確にするために、ITU-R勧告BS.645は、測定レベル（ML）、アライメントレベル（AL）、および許容最大レベル（PML）の3つの基準レベルを定義しました。このドキュメントでは、いくつかのタイプのメーターのこれらのレベルに対応する読み取り値を示します。^[4]アライメントレベルは、安定した正弦波アライメントトーンのレベルです。許容最大レベルは、トーンではなく、オペレーターがスピーチ、音楽などで目指すべき 許容される最大のメーター表示を指します。

PPM では、特に長時間使用した場合の目の疲れを最小限に抑えるために、白地に黒のディスプレイがよく使用されます。

PPM は通常、次のいずれかの方法で調整されます。

• アライメントレベル（例：Nordic、EBU）に対するデシベル単位
• 許容最大レベルに対するデシベル単位（例：DIN、ABC、SABC）
• 0 dBu を基準としたデシベル単位 (例: CBC)
• 0 dBFS を基準としたデシベル単位 (例: IEC 60268-18)
• 上記のいずれかと相関関係にある単純な数字記号（例：英国）

どちらの方式を使用する場合でも、通常はアライメント レベルに対応するスケール マークがあります。

ほとんどの PPM は、ほぼ対数スケール、つまりデシベル単位でほぼ線形であり、広いダイナミック レンジにわたって有用な指標を提供します。

準 PPM は短い積分時間を使用するため、数ミリ秒を超えるピークを記録できます。1930 年代の AM ラジオ放送の当初の状況では、人間の耳は瞬間的なクリッピングによる歪みを感知できないという理由で、短いピークによるオーバーロードは重要ではないと考えられていました。瞬間的なクリッピングを無視することで、平均変調レベルを上げることができました。現代のデジタル オーディオの実践では、品質基準は 1930 年代の AM ラジオよりもはるかに高いことが期待されており、短いピークのクリッピングも通常は避けるべきものと考えられています。

典型的な現実世界のオーディオ信号では、準PPMは真のピークを6～8dB低く読みます。^[5]それにもかかわらず、準PPMはプログラムバランスを実現する上で有用であるため、デジタル時代でも依然として広く使用されています。準PPMでデジタルレベルを制御する場合、通常9dBのヘッドルームを許容することでオーバーロードを回避します。

準 PPM が瞬間ピークの真の振幅よりも小さい値を示す範囲は、「積分時間」によって決まります。これは、IEC 60268-10 で次のように定義されています。「基準レベルで 5000 Hz の正弦波電圧のバーストの持続時間で、基準表示より 2 dB 低い表示になります。」^{[6] [7]}この規格には、他の持続時間のトーン バーストの表示ピークと真のピークの差を示す表も含まれています。積分時間が長いほど、真のピークと表示ピークの差が大きくなります。

以前の規格では、 2dBではなく0.2ネーパーや80%電圧など、異なる測定方法と基準が使用されていましたが、それらの間の実質的な違いは小さかったです。 ^[8]

タイプ I PPM の積分時間は 5 ミリ秒で、タイプ II PPM の積分時間は 10 ミリ秒です。

すべての PPM の戻り時間は積分時間よりもはるかに長く、オペレーターがピークを確認する時間を長くして目の疲れを軽減します。タイプ I PPM は 1.7 秒で 20 dB 低下します。タイプ II PPM は 2.8 秒で 24 dB 低下します。

PPM は、もともと1930 年代にドイツとイギリスでAM ラジオ放送ネットワークで使用するために独自に開発されました。これらは準ピークメーターであり、共通する機能がいくつかありますが、それ以外は大幅に異なります。ピーク オーディオ レベルの監視に適していなかった以前のタイプのメーターよりも優れています。

1936年から1937年頃、ドイツの放送局は、ディスプレイ用の「Lichtzeigerinstrument」（光ポインター）と呼ばれるミラーガルバノメーターを備えたピークプログラムメーターを開発しました。このシステムは、駆動アンプ（ARDタイプU21およびU71など）と独立したディスプレイユニット（ARDタイプJ47およびJ48など）で構成されていました。^[9]「Doppel-Lichtzeigerinstrument」と呼ばれるステレオバージョンには、1つのハウジングに2つのミラーガルバノメーターディスプレイが含まれていました。このようなディスプレイは、ソリッドステートバーグラフディスプレイが標準となった1970年代まで使用されていました。

この設計はDIN 45406として標準化されました。これはIEC 60268-10でタイプIメーターに進化し、今でも口語的にDIN PPMと呼ばれています。タイプII設計と比較すると、積分時間と戻り時間が速く、ダイナミックレンジがはるかに広く、半対数スケールで、許容最大レベルに対するdBで校正されています。北ヨーロッパの多くの地域で今でも使用されています。^[10]

ドイツの放送では、許容最大レベルに対応する公称アナログ信号は ARD によって 1.55 ボルト (+6 dBu) に標準化されており、これは 0 dB 表示の DIN タイプ PPM の通常の感度です。アライメント レベル (-3 dBu) は、メーターの -9 の目盛りで示されます。

スカンジナビアでは、DIN PPMの変種である「ノルディック」が使用されています。積分時間と戻り時間は同じですが、スケールが異なり、「TEST」はアライメントレベル（0 dBu）に対応し、+9は許容最大レベル（+9 dBu）に対応します。^{[3] [10] [11]} DINスケールと比較すると、ノルディックスケールはより対数的であり、ダイナミックレンジがやや狭くなります。

BBCは初期の頃、「音量インジケーター」や「スライドバック電圧計」など、番組の音量を測定するさまざまな方法を使用していました。

1932年、BBCが放送局内の専用施設に移転すると、「プログラムメーター」と呼ばれる最初のオーディオメーターが導入されました。これは研究部のチャールズ・ホルト・スミスによって開発され、「スミスメーター」として知られるようになりました。これは、黒の背景に白いマークが付いた最初のメーターでした。これは、ほぼ対数伝達特性を与える回路によって駆動されたため、デシベルで較正することができました。全体的な特性は、駆動回路とムーブメントの弾道の積でした。

最初の PPM は、同じく BBC の研究部門に所属していた CG Mayo によって設計されました。1938 年に運用が開始されました。スミス メーターの対数表示、黒地に白文字の表示を継承し、全波整流、高速積分と低速戻り時間、1 から 7 までのシンプルなスケールなど、 わずかな変更のみで現在でも使用されている主要な設計機能がすべて備わっていました。

メイヨーらは一連の実験によって積分時間と戻り時間を決定した。当初、彼らは送信機が 100% 変調を超えないように真のピーク メーターを作成するつもりだった。彼らは積分時間が約 1 ミリ秒のメーターのプロトタイプを作成した。彼らは、耳が許容できる歪みは数ミリ秒だけであり、「登録時間」は 4 ミリ秒で十分であることを発見した。彼らは戻り時間を、目が疲れるほど速い戻りと、制御を困難にするほど遅い戻りの間の妥協点とした。エンジニアは、メーターが 26 dB 戻るのに 2 秒から 3 秒かかるように決定した。^{[12] [13]}

BBC PPMは、BS 4297:1968（廃止）、BS5428:Part 9:1981（廃止）、BS 6840-10:1991など、いくつかの正式な規格の対象となりました。後者のテキストは、IEC 60268-10:1991のタイプIIa PPMと同一です。^[10]

アライメント レベル (0 dBu) と許容最大レベル (+8 dBu) は、それぞれスケール マーク「4」と「6」に対応します。

BBC PPMは英国の民間放送局に採用されました。EBU 、CBC、ABCなど世界中の他の組織も、わずかに異なるスケールで同じダイナミクスを使用していました。^[10]

現代の英国の PPM では、目盛りの間隔は 4 dB です。古い設計では、「1」と「2」の間隔は 6 dB でした。この不一致は、派生した CBC および ABC スケールの同等の位置でも時々見られます。

1939年の発売から2009年まで、PPMディスプレイは、厳しい弾道仕様を備えた電気機械式の可動コイル式メータームーブメントの形で提供されていました。これらは長年アーネスト・ターナー・アンド・カンパニー^[12]によって製造され、その後はトーキーに拠点を置くシファムによって製造されました。2009年、シファムはタイプ74デュアルニードルメータームーブメントの生産を終了すると発表しました。2010年、シファムはすべてのPPMメータームーブメントの製造を終了しました。3つの主要ユーザーであるブライアント・アンリミテッド、キャンフォード・オーディオ、TSLは、数年間の製造およびメンテナンス活動に供給するために、シファムにメーターの大量在庫の最終注文を出しました。^[14]

英国では、ステレオにツイン針 PPM が使用されることがあります。赤と緑の針は左と右に使用されます。白と黄色の針は合計と差 (M と S) に使用されます。最近のバリエーションでは、S に黄色ではなく蛍光オレンジ色の先端が付いた黒い針が使用されています。

一部のメーター設置では、S 表示の感度を 20 dB 増加できます。これは、S 信号のキャンセルに依存するステレオ マイク ペアやアナログ テープ マシン ヘッドの方位角などのラインアップ手順を支援するためです。

M メーターと S メーターは通常、「M6」標準に揃えられており、M = (L + R) − 6 dB、S = (L − R) − 6 dB です。言い換えると、合計信号と差信号はそれぞれ 6 dB 減衰されてからメーターに表示されます。その結果、左右のチャンネルで振幅と位相が同じ信号の場合、M メーターは個別の L メーターと R メーターとまったく同じ偏差を示します。これは、2 つの同一信号を合計するとどちらのソースよりも 6 dB 大きい結果になりますが、M メーターと S メーターは補正のため 6 dB 減衰された合計信号を表示するためです。M6 標準は、デュアル モノ ソース (ステレオ サウンド ステージの中央にパンされたプレゼンターなど) を両方のチャンネルで 6 にピーク設定でき、M メーターも 6 を示すことを意味します。

M6 フォーマットは、和と差の減衰がわずか 3 dB であった以前の「M3」規格にほぼ取って代わりました。この M3 フォーマットは、従来のステレオ素材を扱うときに、加算されたモノラル信号のレベルをより正確に表示できるように設計されています。前提は、レベルは似ているが位相が一致しないサウンド (つまり、一般的なステレオ素材) を運ぶ 2 つの信号を加算すると、結果は平均してどちらのソース チャネルよりも 3 dB 多くなります (6 dB 多くではなく)。M3 規格では、真のステレオ素材は両方のチャネルで 6 にピークすることができ、M メーターも 6 を示します。ただし、デュアル モノラル ソースは、M メーターを 6 に保つために、各チャネルで 5.25 にピークすることしかできません。

注: 選択した M6/M3 メータリング標準は、片側と中央にパンされたサウンドの相対的な可聴バランスには影響しません。これは、ミキシング コンソールのパンポットのパンニング法則によってのみ決定されます。

M6 規格は、M メーターをアライメント レベルの場合は「4」、ピークの場合は「6」に維持し、オペレーターが 3 dB を減算することを覚えておく必要がないため、訓練を受けていない放送局でも使用できる、よりシンプルな計測形式であると考えられています。

英国の商業放送は当初M3 ^{[16] を}使用していましたが、1980年までにM6に切り替えました。これはIBAのエンジニアリング実務規範によって義務付けられていました。^[17] BBCの設備は1999年までM3を使用していました。BBCは現在、ラジオとテレビの両方でM6を使用していますが、多くの旧式機器は依然として「従来の」M3標準用に構成されています。

EBU PPM は、国際番組交換における番組レベルの制御用に設計された英国 PPM の派生版です。IEC 60268-10 ではタイプ IIb PPM として公式化されています。スケール プレート以外は英国 PPM と同一で、スケール プレートは「TEST」とマークされたアライメント レベルを基準として dB 単位で較正されています。また、2 dB 間隔と +9 dB の目盛りがあり、これらは許容最大レベルに対応しています。

1930 年代後半、米国では PPM の使用が検討されたが、コストを理由に却下され、「標準音量計」（ VU メーター）が採用された。CBS 、NBC、ベル研究所の共同研究により、プログラムレベルの制御に PPM の実験設計（比較的長い 25 ミリ秒の積分時間）を使用した場合、一定の歪み量に対する平均出力レベルでは、VU メーターより 1 dB の利点しか得られないことが判明した。これは、はるかに高額な費用を正当化するには小さすぎると感じられた。また、波形を変化させるグループ遅延の影響を受ける長い回線の送信側と受信側のプログラム レベルを比較した場合、VU メーターの方が PPM よりも一貫性のある読み取り値を示すことも判明した。 ^[18]この発見は他の研究者によって異論が唱えられている。^[19]

PPMはVUメーターの優れた代替品として開発されたというのが広く信じられている神話です。実際にはPPMが先に登場し、VUメーターはPPMの経済的な代替品として開発されました。^[18]

1980年までに、ABCはニューヨークとワシントンのニュース局のコントロールルームで約100台のPPMを使用しており、PPMを装備した新しいコンソールを注文していました。これらはタイプII PPMで、7つのマークに-22、-16、-12、-8、-4、0、+4とラベルが貼られていました。ABCは、VUメーターの「Aスケール」に基づいたEBUメーターの修正版が最適であることに気付きました。これは、オペレーターが「ゼロレベル」などの通常の専門用語を使用できるためです。^[19]外観はEBUスケールに似ていますが、数字が8dB低い点が異なります。

VUメーターとPPMSの両方の調整を容易にするために、ニューヨークのABCはATSと呼ばれる特別なテスト信号を使用しました。440Hzのトーンは、+8dBu（0VUおよび-8PPMで表示）の安定したトーンと+16dBu（0VUおよび0PPMで表示）のトーンバーストを交互に繰り返しました。^[19]

1978年までに、PPMはカナダ放送協会のバンクーバー工場で使用されていました。30台から40台のPPMが使用されていましたが、通信会社との紛争解決のためにVUメーターが1台か2台残されていました。これらはタイプII PPMで、-6、0、+4、+8、+12、+16、+20の7つの目盛りが付いています。この目盛りはdBu（または600ΩでdBm）単位の絶対レベルを示しています。外観はABC PPMに似ていますが、すべての数字が16dB高くなっています。^[19]

南アフリカ放送協会(SABC)は、+6 dBu の許容最大レベルに対するパーセンテージと dB で較正された白地に黒の目盛りプレートで修正されたタイプ II PPM を使用しています。調整レベルは 0 dBu または 50% です。

IEC 60268-18 は、プロフェッショナルおよび消費者向けのデジタルオーディオ用に設計された PPM の部分的な標準であり、「増分ドットまたはバータイプのディスプレイまたは数値ディスプレイ」を使用します。このようなディスプレイは、0 dBFS に対するレベルを示します。積分時間は 5 ミリ秒未満の任意の値を取ることができます。したがって、真のピークメーターと準ピークメーターの両方が準拠できますが、異なるメーターは標準に準拠しているにもかかわらず、非常に異なるレベルを示す場合があります。戻り時間はタイプ I メーターと同じ値です。20 dB の低下に対して 1.7±0.3 秒です。^[20]

IEC 60268-10では、タイプI、IIa、IIbの3つのバリエーションが指定されており、それぞれDIN、英国、EBUタイプとして知られています。タイプIIaとIIbは目盛りのみが異なります。^[6]

Nordic、ABC、CBC、および SABC バリアントは、IEC 60268-10 では指定されていません。Nordic PPM は、異なるスケールのタイプ I 弾道を使用します。ABC、CBC、および SABC バリアントは、異なるスケールのタイプ II 弾道を使用します。

VUメーターとNagraモジュロメーターのパラメータは比較のために以下の表に示されています。一部の情報はITU-T勧告J.15から取得されています。^[8]

「モジュロメーター」は、 Nagra製品に搭載されている独自の準 PPM です。積分時間 (-2 dB) は 7.5 ms で、^[21] VU メーターと DIN タイプの PPM の中間の外観を持つ半対数スケールを備えています。ステレオ バージョン (「ダブル モジュロメーター」) では、2 つの同軸針を備えたメーター ムーブメントを使用します。

Nagra アナログ テープ レコーダーの一般的な使用法では、アライメント レベルは -8、最大レベルは 0 と見なされます。したがって、ロケーション ミキサーを使用するサウンド レコーダーは通常、0 VU または PPM 4 (英国) でトーンを送信し、Nagra レコーダーのゲインを調整して、モジュロメーターで -8 が表示されるようにします。

Nagra VIなどの新しいデジタルレコーダーには、dBFSで調整された棒グラフとして表示されるモジュロメータが搭載されています。^[22]これらのレコーダーでは、アライメントレベルは他のデジタルPPMと同じで、-18 dBFS（EBU）または-20 dBFS（SMPTE）です。

PPM を効果的に使用して音量を制御するには、設計の根拠と制限を理解する必要があります。

多くのエンジニアは、米国で使用されているはるかに遅い VU メーターよりも PPM を好みますが、使用時には解釈が必要です。PPM は便利なオーバーロード警告を提供しますが、真のピーク レベルや主観的な音量は表しません。BBC は、スピーチ、クラシック音楽など、さまざまなタイプのプログラムに推奨される設定を示す表を用意しており、後者を考慮しようとしています。

プログラムの種類に関係なく、通常、PPM に示されているように、公称の許容最大レベルがあります。オペレーターは、合理的な範囲内でレベルをそのレベル以下に抑えることが求められます。実践は国や組織によって異なります。英国では、許容最大レベルはアラインメント レベルより 8 dB 高く、英国 PPM スケールの「6」に相当します。国際音声プログラム回路の ITU-T 規格では、許容最大レベルをアラインメント レベルより 9 dB 高く指定しています。したがって、+9 dB は EBU PPM スケールのマークで表されます。

準ピーク PPM は音量も真のピークも示さず、両者の中間を示すため、デジタル オーディオ レベルの制御にこれを使用する場合は十分なヘッドルームを確保することが重要です。EBU 規約 (R68) では、アライメント レベルを -18 dBFS と定義してこれを規定しています。^{[23]したがって、}準 PPM で示される許容最大レベルのピークは、-9 または -10 dBFS に相当します。この 9 ～ 10 dB の余裕により、オペレーターのエラー、真のピークが PPM 表示よりも数 dB 高くなること、および後続の信号処理 (サンプル レート変換など) によって振幅が増加する可能性が考慮されています。

SMPTE RP 0155では、0 VUに対応する-20 dBFSという異なるアライメントレベルを推奨しています。^[24] 2つの規則により、ラインアップトーンレベルは2 dB異なりますが、実際にはプログラム変調のレベルは同様になる傾向があります。

SMPTEとEBUは、アライメントレベルとして−18dBFSまたは−20dBFSのどちらが使用されるかにかかわらず、そのレベルを宣言する必要があり、どちらの場合も、10ミリ秒の積分時間でIEC 60268-10準PPMで測定したときに、プログラムは許容最大レベルの−9dBFSに達する必要があることに同意しています。^[25]

IEC 60268-10 は、主に放送で使用される高度に仕様化されたタイプ I およびタイプ II PPM に関するものです。ただし、この規格には、「二次および消費者向け」アプリケーション用の PPM に関する短いセクションも含まれています。要件には、公称最大レベルに対して -42 dB から +6 dB の範囲をカバーする 12 セグメントのバーグラフ型ディスプレイ、およびタイプ I PPM と同じ積分時間と戻り時間が含まれます。^[6]

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