聴覚に迫るオーディオ・コンバーター

2004年10月号

Illustration by Richard Borge

聴覚に迫るオーディオ・コンバーター

デジタル・オーディオが全盛である。CDやMD（ミニディスク）、DVDに加えて、MP3プレーヤーなど比較的新しい機器もずいぶん身近になってきた。これらの機器に内蔵されているのがデジタル・オーディオ・コンバーターLSIである。用途ごとに数多くの品種が製品化されている。機器に最適なコンバーターLSIを選ぶポイントはオーディオ性能だけではない。デジタル信号処理機能や消費電力、実装面積も考慮する必要がある。

ジョシュア・イズラエルソン
Joshua Israelsohn

　人間が音を感じる感覚、すなわち聴覚は音の周波数に応じて変化する。この特性を研究し、「等ラウドネス曲線＊」を初めて定義したのがハーベイ・フレッチャー氏とWA・マンソン氏だった。1933年の発表である ＊1）。これ以降、数多くの研究者が人間の聴覚特性の解明に取り組んできた ＊2）～4）。
　しかし、こうした研究がいくら進んでも人間の聴覚自体が変化するわけではない。相変わらず、人間の耳が聴き取れる音の周波数は20Hz～20kHz、音圧レベルは0～125 dB SPL＊のままである。一方で、音の利用方法は時代が進むとともに大きく変化した。音を情報の伝達手段や娯楽として活用するための技術が次々と登場したからだ。デジタル技術による高記録密度のストレージ装置や低コストの通信方式、高速の信号処理技術などである。

　ただしわれわれ人間は、デジタル技術がいかに進化しようとも、依然として「アナログな生き物」である。五感が受け付けるのはアナログ情報だけだ。従って人間がデジタル技術の恩恵に浴するには、本来アナログ信号であるオーディオ信号をデジタル信号に変換する必要がある。また反対に、デジタル信号をオーディオ信号に変換する技術も不可欠だ。こうして、オーディオ信号をアナログの世界とデジタルの世界でやりとりするためのオーディオ・コンバーター技術の重要性が高まり続けてきたのである。
　現在では、デジタル技術を活用したデジタル・オーディオ機器が身近にあふれている。人間の聴覚特性がほぼ一様であるにもかかわらず、オーディオ・コンバーターに求められる特性はオーディオ機器の用途に応じて千差万別である。このため、数10種類におよぶオーディオ・コンバーターLSIが主要な半導体ベンダーから供給されている。
　市販のデジタル・オーディオ機器では、8k～192kHzのサンプリング周波数を用いて8～24ビットの分解能で符号化されたデジタル・オーディオ信号が使用されている（下記の 「性能はどこまで必要か」を参照）。機器の用途が異なれば、オーディオ・コンバーターLSIに要求されるサンプリング周波数と分解能も異なってくる。
　ただし、デジタル・オーディオ機器を設計する際に最適なオーディオ・コンバーターLSIを選択するには、サンプリング周波数と分解能だけでは不十分である。同じサンプリング周波数に対応し、同じ分解能を備えたコンバーターLSIは数多く存在するからだ。例えば、サンプリング周波数と分解能が同じでも、民生機器、業務用機器と異なる用途に向けたコンバーターLSIが販売されている。

コンバーターに求められるものは

　オーディオ・コンバーターLSIの基本機能は、アナログ信号をデジタル信号に変換するA-D変換機能と、デジタル信号をアナログ信号に変換するD-A変換機能の2つである。現在、民生機器向けに販売されているオーディオ・コンバーターLSIは、この2つの基本機能にさまざまな周辺機能を追加した「オーディオ・サブシステム・チップ」とも呼べる製品である。A-D/D-A変換機能しか搭載していないコンバーターLSIは、オーディオ性能を追及するハイ・エンドのオーディオ機器向けの製品だけだろう。
　ハイ・エンド機器向けと一般の民生機器向けオーディオ・コンバーターLSIのオーディオ性能は、通常大きく異なっている。それぞれの機器が扱うオーディオ信号の品質が異なっているからだ。例えば、携帯電話機や携帯型 MP3＊プレーヤー、ラジカセなどに組み込むコンバーターLSIは、オーディオ再生の忠実度をそれほど高める必要はない。より重要なのは、音量（ボリューム）や音調（トーン）、ダイナミクス（強弱）などのコントロール機能や、音源のセレクター（切り替え）機能、ミキサー（混合）機能を搭載しているかどうかである。
　今度は、オーディオ・コンバーターLSIの用途を携帯型機器と据え置き型機器に分けてみる。すると、かつては携帯型機器向けコンバーターLSIにのみ求められていた特性が、現在では据え置き型機器向けLSIにも求められていることに気付く。すなわち消費電力が低いことや実装面積が小さいこと、外付け部品の点数が少ないことなどである。民生機器向けコンバーターLSIは、アナログ信号とデジタル信号が混在するオーディオ信号処理機能を効率よく集積していることが重要といえる。
　例えば 英ウォルフソン・マイクロエレクトロニクス社＊は、PDAやスマートホン、携帯型コンピューターなどへの組み込みに向けてタッチ・パネル・インターフェース回路を集積したハイファイ・ステレオ・コーデックLSI「WM9713L」を製品化している。抵抗膜方式の4線式あるいは5線式タッチ・パネルに対応した。外部インターフェースは AC'97＊のRevision 2.2に準拠する。
　WM9713Lは2チャンネルのマイクロホン用プリアンプのほか、音源セレクターやA-D変換器、自動レベル制御機能、トーン・コントロール機能、D-A変換器などを備える。複数の音源の出力先をヘッドホンとステレオ・スピーカー、電話用のスピーカーに切り替えられるマトリクス・スイッチを搭載した。内蔵の PLL＊回路で最高48kHzのサンプリング・クロックを生成可能だ。このほか、人間の音声の処理に特化したコーデックも集積した。機器に電話機能を実装するのに使える。音声信号は PCM＊インターフェースを介して入力可能である。
　D-A変換器の出力からヘッドホンあるいは電話用のスピーカーまでの雑音特性は、全高調波ひずみ （THD＊）が最大－74dB（フルスケール出力の－3dBにおいて）、SN比が最小85dB （A加重＊）。また、ライン入力からA-D変換器の入力までの雑音特性はTHDが最大－80dB、SN比が最小80dBである。ヘッドホン用アンプの出力は最大45mW。ステレオ・スピーカー用アンプは BTL＊出力で、8Ω負荷に対して400mWの出力が可能だ。パッケージは7mm×7mmの48端子QFN。価格は3.35米ドル（1000個購入時の単価）である。
　WM9713Lに搭載された機能は、ここで紹介したものだけにとどまらない。機能の全容は100ページを超えるデータ・シートで詳細に説明されている ＊5）。
　豊富な機能を備え、機器設計の柔軟性を高められる点でWM9713Lは卓越したオーディオ・コンバーターLSIであるといえる。では、電源および消費電力に関してはどうだろうか。電源については、低い電源電圧で動作可能な点が評価できる。デジタル部は最小1.62V、アナログ部は最小1.8Vで動作可能だ。
　一方、消費電力については苦言を呈したい。消費電力に関する情報がまったく提示されていないからだ。ウォルフソン社はWM9713Lと同種の製品を従来から供給している。また、設計段階で十分なシミュレーションを実施しているはずである。WM9713Lの消費電力について何らかの情報は提供できると考えられる。
　消費電力をデータ・シートに記載できるように仕様化するのが難しいのかもしれない。消費電力はクロック周波数やサンプリング周波数、動作モード、信号レベル、負荷インピーダンスなどの条件によって変化する可能性が高いからである。

低消費電力で携帯型機器を狙う

　電源と消費電力について詳細な情報を提供しているオーディオ・コーデックLSIもある。例えば、米テキサス・インスツルメンツ（TI）社＊の「TSC2101」である。集積した回路ブロックごとの消費電流を、データ・シートの1ページ全面を割いて記載している ＊7）。さまざまな動作条件における消費電流の値が記載されているため、この消費電流値とLSI全体の機能ブロック図を使えば、簡単な計算で消費電力を求められる。
　TSC2101も前出のWM9713Lと同様に、スピーカー・アンプとヘッドホン・アンプを集積している。PDAやスマートホン、MP3プレーヤーなど向けの4線式タッチ・パネル・インターフェース回路も備えた。このほか電源電圧の監視回路と温度センサーなどを内蔵。電源電圧監視回路は、0.4～6Vの電圧を±15mVの精度（－40～85℃の温度範囲において）で測定できる。
　オーディオ・コンバーターとしてはステレオ出力に対応したD-A変換器を搭載した。サンプリング周波数は最高48kHzである。内蔵のA-D変換器は1回路で、モノラル入力のみに対応した。サンプリング周波数は48kHz。電話機能の実装に向けた専用のコーデックは搭載していない。パッケージは48端子のQFN。価格は4.95米ドル（1000個購入時の単価）である。
　ステレオ・ヘッドセットや携帯電話機のヘッドセットとのインターフェースを備える。出力回路として8Ωのモノラル・スピーカー用アンプと16Ωのステレオ・スピーカー用アンプ、32Ωのレシーバー用ドライバーを内蔵した。8Ωスピーカー用アンプは最大出力が400mW、THDが最大－55dB（335mW出力時）。16Ωスピーカー用アンプの出力は最大90mW、THDは最大－60dB（71mW出力時）である。
　このほかTI社は、低消費電力を特徴とするステレオ・コーデックLSI「TLV320AIC26」も販売中である。TSC2101と比べてオーディオ信号処理機能を充実させたものだ。その代わり、タッチ・パネル・インターフェースは備えていない。48kサンプル/秒のステレオ・オーディオ再生時の消費電力はわずか11mWと低い（電源電圧が3.3Vのとき）。パッケージは5mm×5mmの32端子QFN。価格は3.25米ドル（1000個購入時の単価）である。
　ステレオ出力に対応し、D-A変換器を2回路内蔵した。各D-A変換器は16/20/24/32ビットのデジタル・オーディオ信号に対応可能である。デジタル信号処理回路を搭載。低音域と中音域、高音域を個別に調整できるトーン・コントロール機能や、イコライザー機能を実現できる。温度センサーと2個の電源電圧監視回路、1チャンネルのアナログ補助入力インターフェースを集積した。これらの回路の信号はいずれも、内蔵した逐次比較型 （SAR＊）D-A変換器を介してデジタル信号に変換する。デジタル化した情報は SPI＊インターフェースを介して外部から読み出し可能だ。
　雑音特性は、サンプリング周波数が48kHz、アナログ部とデジタル部の電源電圧がそれぞれ3.3V、1.8Vのときの値で仕様化している。D-A変換器のライン出力におけるTHDは標準－95dB（A加重）、SN比は最小85dBである。ヘッドホン出力のTHDは標準－91dB。ヘッドホン出力のTHDについては最大値も記載があり、－55dBである。標準値と最大値の差が数dBであれば無視できる範囲であろう。ただし実際には36dBと大きい。このためヘッドホン出力の特性を重視する用途では、なるべく標準値に近い特性を得られるような機器設計が必要になるだろう。

マイクロSMDパッケージに封止

　米ナショナルセミコンダクター社＊は、パッケージのさらなる小型化を目指して機能を絞り込んだオーディオ・コーデックLSI「LM4930」を販売している ＊8）。パッケージは外形寸法が3.2mm×3.4mm×0.6mmと小さい36端子のマイクロSMDを採用。ステレオ対応のD-A変換器と音声用コーデック、モノラル・スピーカー・アンプ、ステレオ・ヘッドホン・アンプ、マイクロホン・プリアンプ、PCMインターフェース、I2Sインターフェースなどを集積した。価格は3.95米ドル（1000個購入時の単価）である。
　電源電圧はデジタル部が2.6～4.5V、アナログ部が2.6～5.5V。データ・シートには電源電圧が異なる2つの条件における特性が記載されている。すなわちデジタル部が3.3Vでアナログ部が5Vのときと、いずれも5Vのときの特性である。
　モノラル・スピーカー・アンプはBTL出力。デジタル部とアナログ部がともに3Vの場合、8Ω負荷に対して標準330mW、最小270mWの出力が可能である（出力信号の周波数が1kHz、全高調波ひずみ＋雑音が2％のとき）。同じ条件におけるステレオ・ヘッドホン・アンプの出力は、32Ω負荷に対して標準25mW、最小15mW（出力信号の周波数が1kHz、全高調波ひずみ＋雑音が0.5％のとき）。SN比はモノラルの音声に対して標準72dB、ステレオの音楽に対して標準86dBを確保した。

エンターテインメント機器を彩る

　家庭用エンターテインメント機器に向けたオーディオ・コンバーターLSIも数多くの機能を高度に集積している。音声用のコーデックや電源電圧監視回路、スピーカー・アンプなどだけを集積したコンバーターLSIはすでに過去のものである。現在では多チャンネルのサラウンドに対応したオーディオ・コーデックや高機能のデジタル信号処理回路を搭載し、より高速のサンプリング周波数で動作可能なコンバーターLSIが主流である。
　家庭用エンターテインメント機器の音源はさまざまである。デジタル・オーディオ信号源は16ビット、44.1kサンプル/秒のCDから、24ビット、96kサンプル/秒のDVDまで数多く存在する。さらにアナログのオーディオ信号として地上波放送チューナーやカセット・テープからの出力信号、さらにデジタル出力を備えないセット・トップ・ボックスやビデオ・テープ・レコーダー、CDプレーヤー、DVDプレーヤーなどのアナログ出力にも対応する必要がある。
　オーディオ・コンバーターLSIからみると、家庭用エンターテインメント機器への組み込みを狙うアプローチは多様である。例えば、米アナログ・デバイセズ社＊と 米シーラス・ロジック社＊がそれぞれ異なるアプローチによる製品を供給中である。
　アナログ・デバイセズ社の「AD1954」は、D-A変換器と DSP＊を集積したオーディオ・プロセッサーLSIである ＊9）。デジタル・オーディオ信号処理の機能を極限まで高めたコンバーターLSIの好例であろう。DSPコアは高度なデジタル・オーディオ信号処理を実現するために新規に開発したものだ。強力なフィルタリング機能やレベル検出機能、ダイナミクス・コントロール機能などを備える。DSPからの出力信号は3個のD-A変換器に供給する。2.0チャンネルまたは2.1チャンネルのステレオ・システムに対応可能である。
　プログラムRAM、パラメーターRAMと呼ぶメモリーを内蔵した。各メモリーにあらかじめ格納しておいた情報を使って、コンバーターLSIの動作中にDSPの設定を変更できる。DSPのプログラミング用に GUI＊を備える設計ツールを用意した（図1）。GUIを介してDSPの処理を簡単に定義できるという。オーディオ信号の周波数特性や音量、入出力の伝達特性などを操作画面中のレバーなどを調整することで設定可能である。このツールで設定した情報はプログラム・メモリーに格納するファイルとして出力される。DSP処理の設定を変えた複数の動作モードを作成し、パラメーターRAMの設定データとして格納しておくこともできる。
　DSPで調整できるのはトーンや音量だけではない。スピーカー・キャビネットや室内などの音場における音響的欠点を補うためのイコライザー機能を実現することも可能だ。また、スピーカーを最適な位置に設置できない場合に、スピーカーの出力信号に時間遅延を加えることで仮想的に設置位置を最適点に動かすこともできる。発生させられる遅延時間は最長6ms。さらに、小型ステレオ装置やテレビ、ビデオ・モニターなどのように2個のスピーカーを近接して配置しなければならない場合に、ステレオ効果を空間的に広げる音響効果を生み出すことも可能である。
　3チャンネル入力に対応したシリアル・オーディオ信号のセレクター回路とマスター・クロックのセレクター回路を搭載する。ステレオ・スピーカー用出力のSN比は最小108dB、標準112dBと高い（いずれもA加重における値）。サブウーハー用出力の特性は若干劣るものの、最小104dB、標準107dBを確保した。THDはステレオ・スピーカー用出力が最大－93dB、サブウーハー用出力が最大－90dB。パッケージは実装面積が13.2mm×13.2mmの44端子 MQFP＊、または9.0mm×9.0mmの48端子TQFP。価格は5.88米ドル（1000個購入時の単価）である。

基本機能を小さなチップに詰め込む

　「高度な集積化」とは、必ずしも数多くの機能を1チップに集積することばかりではない。基本的な機能をできるだけ小さなパッケージに詰め込むことも高度な集積化ということができる。この製品例がシーラス・ロジック社のステレオD-A変換器LSIファミリー「CS434x」だ。分解能が24ビット、サンプリング周波数が192kHzのD-A変換器を2個集積したLSIである ＊10）。パッケージは10端子のTSSOP。実装面積は3.0mm×4.9mmと小さい。音量調節やトーン・コントロール機能を必要としないか、アナログ信号処理技術で実現するような機器に向ける。具体的には比較的低価格のDVD搭載エンターテインメント機器やテレビ、セット・トップ・ボックスなどである。
　シリアル・オーディオ信号の入力インターフェースの違いで4品種を用意した。品名は「CS4344」と「CS4345」、「CS4346」、「CS4348」である。内蔵のD-A変換器は2k～200kHz（実用上は32k～192kHz）のサンプリング周波数を自動的に判別する機能を備える。このため、外部からサンプリング周波数を指定するための専用端子を不要にできた。価格は1.20米ドル（1000個購入時の単価）と低い。
　いずれの品種も5Vあるいは3.3Vどちらか単一の電源電圧で動作する。SN比（A加重）は、電源電圧が5Vで16ビット分解能動作のときに最小90dB、18～24ビット分解能のときに最小99dB。3.3V電源では16ビット時に最小90dB、18～24ビット時に最小97dBである。5V電源で動作させると18～24ビット時に若干ダイナミック・レンジが広がることが分かる。全高調波ひずみ＋雑音（THD＋N）は、電源電圧が5V、3.3Vいずれの場合にも、16ビット時に最大－87dB、18～24ビット時に最大－89dBである。動作温度範囲は－10～70℃。CS4344については動作温度範囲を－40～85℃に広げた品種も用意した。

コーデックLSIか個別LSIか

　ハイ・エンドの民生用オーディオ機器やプロフェッショナル用オーディオ機器に向けたオーディオ・コンバーターLSIでは、一般の民生用オーディオ機器向け製品と比べて、要求される仕様がかなり多様化してしまう。ハイ・エンド機器やプロフェッショナル用機器でも価格競争は存在する。ただしこの市場では、性能が明らかに高い場合には、多少価格が高くてもエンド・ユーザーに受け入れられるという傾向がある。最低限の性能として要求されるのは、ハイ・エンド機器とプロフェッショナル用機器いずれも分解能が24ビット、サンプリング周波数が192kHzである。
　ハイ・エンドの民生機器ではオーディオ・コーデックLSIの採用例が存在する。ところがプロフェッショナル用機器では、コーデックLSIを使う例は多くない。D-A変換器LSIとA-D変換器LSIを個別に用意して組み合わせる場合がほとんどだ。機器の具体例としては、デジタル・オーディオ・コンソールやオーディオ・ワークステーション、エフェクト・プロセッサー、サラウンド音響プロセッサー、放送機器などが挙げられよう。
　こうした機器に向けたオーディオ・コンバーターLSIを供給する半導体ベンダーは、機能的な集積度を高めることよりも、オーディオ特性を高めることに主眼を置いてLSI開発に取り組んでいる。プロフェッショナル用機器のエンド・ユーザーは価格よりも性能を重視するためだ。具体的には、LSI内部のデジタル・データ・パスのビット幅を広くしてデジタル・フィルター処理で生じる丸め誤差を抑えたり、直線性の高いコンバーター回路を搭載したりしている。
　さらに、可聴周波数帯域を超える帯域におけるコンバーター回路の直線性にも配慮している。コンバーター回路の変換方式にΔΣ型を使うことで、可聴周波数帯域内の雑音を人間の聴覚が感じ取りにくい帯域、すなわちナイキスト周波数以上の帯域に移動してしまう。
　ただし、超音波帯域においてコンバーター回路に非線形性があると、可聴周波数帯域に雑音が折り返されてしまう可能性がある。主観的な表現を用いれば、この折り返し雑音によって「音響的な透明性」が損なわれてしまう。データ・シートに記載されているTHDの値はあくまでも1kHzの理想的な正弦波信号に対する仕様値であり、この仕様値から折り返し雑音の影響を読み取ることは不可能である。
　折り返し雑音を見積もる際にデータ・シートの情報で最も役に立つのはオーディオ特性曲線である。ただしここで、特性曲線が可聴周波数帯域の高域側で急激に減衰していることに注意してほしい。コンバーターLSIの出力にフィルターを外付けしている場合があるからだ。外部フィルターの特性にコンバーターLSI自体の特性が隠れている可能性がある。
　ハイ・エンドの民生機器やプロフェッショナル用機器に向けたコンバーターLSIのほとんどが、マルチビットのΔΣ型変調技術を採用している（図2）。シングル・ビットD-A変換器の場合と同様に、マルチビットD-A変換器の入力にもインターポレーション（補間）・フィルターを設けておく。サンプリング周波数を実効的に高めるとともに帯域外のイメージ信号を抑圧するためだ。
　マルチビットΔΣ変調器の出力信号はダイナミック・エレメント・マッチング （DEM＊）回路に入力され、多数のΔΣ変調信号に分解される ＊11）。DEM回路はD-A変換器の変換素子のばらつきを打ち消すように機能し、直線性を高める役割を果たす ＊12）。

プロ用オーディオ機器に対応

　高性能オーディオ・コンバーターLSIの例に、テキサス・インスツルメンツ社の4チャンネルD-A変換器LSI「PCM4104」がある ＊13）。16/18/20/24ビットのリニアPCM入力信号に対応した。サンプリング周波数は最高200kHz。外部からのソフトウエア制御を介さずに単独で動作させられるほか、4線式SPIインターフェースを介して外部からソフトウエアで制御することも可能である。ソフトウエア制御を使えば、チャンネルごとに出力信号をミュート（消音）したり、デジタル・オーディオ・コンソールなどの機器で必要な、出力位相反転などの処理を実行させたりできる。
　D-A変換器の出力は差動形式。出力インピーダンスは5Ωで、600Ωの負荷に対して最大6.15Vppの電圧振幅を供給可能だ。サンプリング周波数が48kHzのときのTHD＋Nは最大－94dB（10Hz～20kHzにおいて）。サンプリング周波数が96kHzと192kHzのときのTHD＋Nは、測定帯域幅を10Hz～40kHzと広げたときの値を記載している。96kHzのときに標準－100dB、192kHzのときに標準－97dBである。SN比（加重なし）の値は、サンプリング周波数がいずれの場合も、標準値で113dB以上を確保した。ただしSN比の最小値は仕様化していない。
　電源電圧はアナログ部が5V、デジタル部が3.3V。サンプリング周波数が48kHzのときの消費電力は256mWと低い。ただしサンプリング周波数が高まれば、消費電力は若干増加する。パッケージは48端子のTQFP。価格は1000個購入時の単価が7.50米ドルである。
　このほか、シーラス・ロジック社も高性能オーディオ機器に向けたステレオD-A変換器LSI「CS4398」を販売中である ＊14）。16～24ビットのPCM入力信号に対応する。サンプリング周波数は最高192kHz。このほか、DSD＊信号入力にも対応した。DSD入力専用の端子を備える。PCMとDSDの入力信号はいずれも、音量を対数関数的に調整可能だ。
　外部からI²CあるいはSPIインターフェースを介して、2チャンネルの音量を個別に調整したり、ミュート状態に設定したりできる。外部からのソフトウエア制御を介さずに単独で動作させる場合には、I²C/SPIインターフェース用の4本の端子を使って動作モードを設定する。この場合でも、各チャンネルを個別にミュート状態に設定することが可能だ。
　ダイナミック・レンジは、24ビットのPCM入力信号に対して最小114dB（A加重）、111dB（加重なし）である。DSD入力信号に対しては3dB劣化し、111dB（A加重）、108dB（加重なし）。THDは24ビットPCM入力のとき最大－100dB、DSD入力のとき最大－98dBに抑えた。D-A変換器の出力は差動形式で、出力インピーダンスは50Ω。1kΩの負荷を駆動できる。
　電源電圧はアナログ部が5V、デジタル部が3.3V。消費電力はアナログ部とデジタル部の両方に5Vを供給したときに最大340mW。デジタル部を3.3Vで動作させると最大240mWまで低下する。また、待機状態に設定すれば、消費電力は電源電圧によらず1mWに抑えられる。
　CS4398のパッケージは28端子のTSSOP。価格は4.32米ドル（1000個購入時の単価）である。シーラス・ロジック社はCS4398と組み合わせて使えるA-D変換器LSI「CS5381」も販売している。5次マルチビットΔΣ変調器を搭載した ＊15）。パッケージは24端子のTSSOPあるいは24端子の SOIC＊。価格は14.95米ドル（1000個購入時の単価）である。

ハイ・エンドの民生機器に向ける

　ハイ・エンドのオーディオ・レシーバーやビデオ・レシーバー、家庭用ビデオ・レコーダー、電子楽器などに向けたA-D変換器LSIの製品例が、米AKMセミコンダクター社＊のΔΣ型24ビットA-D変換器LSI「AK5385A」である ＊16）。8k～216kHzのサンプリング周波数に対応。アナログ信号の入力は差動インターフェース。線形位相のデシメーション・フィルターを集積した。デシメーション・フィルターの出力は高域通過特性を備えるデジタル・フィルターを介して出力する。高域通過フィルターで入力信号に重畳された直流オフセット成分を除去している。
　S/（N＋D）比＊は、サンプリング周波数が48kHzのときに最小－92dB（フルスケール出力の－1dBにおいて、測定周波数帯域幅20kH時）、96kHzのときに最小－90dB（測定周波数帯域幅40kHz時）である。SN比（A加重）は最小107dBを確保した。パッケージは28端子の VSOP＊。価格は5.0米ドル（5000個購入時の単価）である。

独自技術で雑音を低減

　ウォルフソン・マイクロエレクトロニクス社は24ビット、192kHzサンプリングに対応したステレオD-A変換器LSI「WM8740」を製品化している ＊17）。マルチビットΔΣ変調器に続くダイナミック・エレメント・マッチング（DEM）回路に独自の工夫を施している点が興味深い。このDEM回路によってD-A変換器出力の直線性を高め、マルチビットΔΣ変調器を使った一般的なD-A変換器に比べて可聴周波数帯域外の雑音を大幅に減少させている（図3）。D-A変換器出力のSN比は、サンプリング周波数が48kHz、測定周波数帯域幅が20kHzのときに最小110dBを確保した。
　WM8740では、ΔΣ変調器の出力である6ビットのPCM信号を、不均等に重み付けした14個のD-A変換素子（エレメント）を備えるダイナミック・エレメント・マッチング（DEM）回路に入力する。DEM回路の内訳は1×エレメントが2個と2×エレメントが2個、4×エレメントが4個、8×エレメントが8個。それぞれのエレメントで処理した信号を足し合わせることで、出力信号のひずみを低減する仕組みである。
　WM8740は外部からのソフトウエア制御を介さずに単独で動作させられる。オーディオ信号のデータ・フォーマットとデエンファシスの有無、ミュート状態をデジタル値で設定できる専用端子を用意した。また、4線式SPIインターフェースを介して外部からソフトウエア制御することも可能だ。ソフトウエア制御を用いれば減衰量を256段階、0.5dBステップで調整したり、位相反転機能を利用したりできる。パッケージは28端子のSSOP。価格は4.56米ドル（1000個購入時の単価）。
　WM8740を単一チャンネルのD-A変換器として使うことも可能である。差動モノラル・モードで動作させる。この動作モードでは、2つの出力がお互いに逆位相で動作する。従って2つの出力を適切に結合させれば、2チャンネルのD-A変換器として動作させた場合に比べてSN比は3dB高まるわけだ。このためWM8740を2個用意して、共通のオーディオ信号とクロック信号を供給すれば、SN比の高いステレオD-A変換器として機能させられる。
　ウォルフソン社はデジタル・フィルターの設計についても新しい研究成果を発表している。線形位相応答を改善する効果があるという。ほとんどの半導体ベンダーは、自社のデジタル・フィルターの振幅特性についてはある程度明らかにしているものの、位相応答特性については詳細な情報を提供していない。オーディオ・コンバーターLSIの設計者は、実際に聴取者の耳に届く信号の音質に位相応答特性が何らかの影響を与えることを認識している。ただし、位相応答特性と聴取者が感じる音質についての相関関係は明らかになっていない。このため現状では、位相特性の重要性について業界の共通認識がまだ確立されていないのである。

性能はどこまで必要か

　オーディオ業界では、デジタル・オーディオ処理の性能がどこまで必要かという議論が長い間続いている。16ビット以上の量子化ビット数（分解能）、そして44.1kHz以上のサンプリング周波数は本当に必要なのかという議論である。16ビット、44.1kサンプル/秒という値はCD技術の標準仕様「Red Book」からとったものだ。しかしそのCDの登場からすでに20年以上が経過している。
　IC業界からみれば、16ビット、44.1kサンプル/秒以上の性能を達成できるオーディオ・コンバーター技術は、かなり以前に実現したものである。ただし、分解能とサンプリング周波数のどちらを高めるにしても、より大容量のメモリーとより高いデジタル信号処理性能が必要になる。メモリーとデジタル信号処理を実装するためのコストが低くなるのに伴って、どちらを増強するべきかという議論は、再生信号の忠実度に帰着する。つまり、より自然界の音に近く聞こえるかどうかである。
　デジタル符号化システムのダイナミック・レンジは、主に量子化ビット数によって制限されてしまう。ただし、理論上のダイナミック・レンジを確保できない理由はこのほかにも存在する。従って、量子化ビット数が多いほどよいという考え方について筆者は懐疑的である。ではダイナミック・レンジはどの程度あれば十分なのだろうかという疑問が生じるからだ。例えば、2mの距離に大音量を発する削岩機が動作している場所で、3mの距離に人間の息遣いよりも大きい程度の音が存在しても問題にならないだろう。この場合のダイナミック・レンジは90dBであり、今では古くなったCDの標準仕様が妥当と認めていた数値より大きい（表A-1）。
　非線形のオーディオ記録メディアがデジタル符号から外れて動作すれば、とんでもない挙動を引き起こす。このため、デジタル録音システムにおいては、クリッピングを発生させないような対策が不可欠である。ハイ・エンドの民生機器に向けたオーディオ・コンバーター・サブシステムLSIの中には、デジタル・クリッピングを抑えるための「ダイナミック・プロセッサー」（コンプレッサーあるいはリミッター）を搭載した製品がある。このダイナミック・プロセッサーのほとんどは、A-D変換器の出力信号を処理するデジタル信号処理回路である。
　一方、プロフェッショナル用機器向けのコンバーターLSIは通常、ダイナミック・プロセッサーを集積していない。音楽スタジオの技術者は、抑制されていない信号によってコンバーターが飽和状態に達しないように、数dBの余裕を持たせた20ビットのコンバーターと24ビットのコンバーターを併用することが多い。
　プロフェッショナル用機器では、最初の録音が完了した後のオーディオ信号にさまざまな加工を施す。このため後工程での信号処理によって付加されてしまう雑音を許容できるだけの雑音性能を確保しておく必要がある。筆者は、20ビットのコンバーターで実現可能なダイナミック・レンジで十分に対応可能であると考える。人間の聴覚のしきい値の下限は低下することがない。実際には年を重ねるにつれて高まっていく。米労働安全衛生庁（OSHA：Occupational Safety and Health Administration）によれば、人間が大音響を長時間聞き続けた場合の悪影響は、音圧レベルが90dB SPL程度から生じ始めるという ＊A-1）（表A-2）。
　「サンプリング周波数は高いほどよい」とする陣営は、コンバーターを高いサンプリング周波数で動作させれば、インターポレーション・フィルターやデシメーション・フィルターへの依存度を低くできると主張する。しかし、コンバーターLSIのベンダーは、インターポレーション・フィルターなどのデジタル処理ブロックをコンバーター回路と別々に開発するわけではない。このため実際には、サンプリング周波数を高めるのが必ずしも得策であるとは断言できないはずである ＊A-2）。


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