
パルス符号変調(PCM)を使用したデジタルオーディオでは、ビット深度は各サンプルの情報ビット数であり、各サンプルの解像度に直接対応します。ビット深度の例としては、1サンプルあたり16ビットを使用するコンパクトディスクデジタルオーディオ、および1サンプルあたり最大24ビットをサポートできる DVDオーディオとブルーレイディスクなどがあります。
基本的な実装では、ビット深度の変化は主に量子化誤差によるノイズレベル、つまり信号対雑音比(SNR)とダイナミックレンジに影響します。ただし、ディザリング、ノイズシェーピング、オーバーサンプリングなどの技術を使用すると、ビット深度を変更せずにこれらの影響を軽減できます。ビット深度はビットレートとファイルサイズにも影響します。
ビット深度はPCMデジタル信号を記述するのに役立ちます。非可逆圧縮を使用する非PCM形式には、関連するビット深度はありません。[a]
PCM信号は、元のアナログ信号を再構成するために必要な情報を提供するデータを含むデジタルオーディオサンプルのシーケンスです。各サンプルは特定の時点における信号の振幅を表し、サンプルは時間的に均一な間隔で配置されています。振幅はサンプルに明示的に保存される唯一の情報であり、通常は整数または浮動小数点数として保存され、固定桁数(サンプルのビット深度、ワード長またはワードサイズとも呼ばれます)の2進数としてエンコードされます。
The resolution indicates the number of discrete values that can be represented over the range of analog values. The resolution of binary integers increases exponentially as the word length increases: adding one bit doubles the resolution, adding two quadruples it, and so on. The number of possible values that an integer bit depth can represent can be calculated by using 2 n , where n is the bit depth. [1] Thus, a 16-bit system has a resolution of 65,536 (2 16 ) possible values.
Integer PCM audio data is typically stored as signed numbers in two's complement format. [2]
現在、ほとんどのオーディオファイル形式とデジタルオーディオワークステーション(DAW)は、サンプルを浮動小数点数で表すPCM形式をサポートしています。[3] [4] [5] [6] WAVファイル形式とAIFFファイル形式はどちらも浮動小数点表現をサポートしています。 [7] [8]ビットパターンが単一のビット列である整数とは異なり、浮動小数点数は、数学的な関係によって数値が形成される個別のフィールドで構成されています。最も一般的な規格はIEEE 754で、数値が正か負かを表す符号ビット、仮数、および仮数をスケーリングするための2の累乗係数を決定する指数の3つのフィールドで構成されています。仮数は、IEEEの2を基数とする浮動小数点形式では2進小数として表されます。 [9]
ビット深度は、再構成された信号の信号対雑音比(SNR)を量子化誤差によって決まる最大レベルに制限します。ビット深度は周波数応答には影響を与えず、周波数応答はサンプルレートによって制約されます。
アナログ-デジタル変換(ADC)中に発生する量子化誤差は、量子化ノイズとしてモデル化できます。これは、ADCへのアナログ入力電圧と出力デジタル値との間の丸め誤差です。ノイズは非線形で信号に依存します。

理想的なADCでは、量子化誤差が最下位ビット(LSB)間で均一に分布し、信号がすべての量子化レベルをカバーする均一な分布を持つため、信号対量子化雑音比(SQNR)は次のように計算できます。
ここで、 bは量子化ビット数であり、結果はデシベル(dB)で測定されます。[10] [11]
したがって、 CDに収録されている16ビットデジタルオーディオの理論上の最大SNRは98dBで、プロフェッショナルな24ビットデジタルオーディオは146dBです。2011年現在、デジタルオーディオコンバーター技術は、集積回路設計における現実世界の制限により、[更新]SNRは約123dB [12] [13] [14](実質的に21ビット)に制限されています。[b]それでも、これは人間の聴覚システムの性能とほぼ一致しています。[17] [18]複数のコンバーターを使用することで、同じ信号の異なる範囲をカバーできます。長期的には組み合わせることでより広いダイナミックレンジを記録できますが、短期的には単一のコンバーターのダイナミックレンジによって制限されます。これをダイナミックレンジ拡張と呼びます。[19] [20]
浮動小数点値は等間隔ではないため、浮動小数点サンプルの分解能は整数サンプルよりも複雑です。浮動小数点表現では、隣接する2つの値間の間隔は値に比例します
浮動小数点形式と整数形式のトレードオフは、大きな浮動小数点値間の間隔が、同じビット深度の大きな整数値間の間隔よりも大きいことです。大きな浮動小数点数を丸めると、小さな浮動小数点数を丸めるよりも誤差が大きくなりますが、整数を丸めると常に同じレベルの誤差になります。言い換えれば、整数は均一な丸め方をしており、常にLSBを0または1に丸め、浮動小数点形式は均一なSNRを持ち、量子化ノイズレベルは常に信号レベルに一定の比率を持ちます。[21]浮動小数点ノイズフロアは、信号が上昇すると上昇し、信号が下降すると下降するため、ビット深度が十分に低い場合は可聴な変動が生じます。[22]
デジタルオーディオの処理操作のほとんどは、サンプルの再量子化を伴うため、アナログ-デジタル変換中に発生した元の量子化誤差と同様の追加の丸め誤差が発生します。ADC中の暗黙の誤差よりも大きな丸め誤差を防ぐには、処理中の計算を入力サンプルよりも高い精度で実行する必要があります。[23]
デジタル信号処理(DSP)操作は、固定小数点または浮動小数点の精度で実行できます。どちらの場合も、各操作の精度は、入力データの解像度ではなく、処理の各ステップを実行するために使用されるハードウェア操作の精度によって決まります。たとえば、x86プロセッサでは、浮動小数点演算は単精度または倍精度で実行され、固定小数点演算は16ビット、32ビット、または64ビットの解像度で実行されます。したがって、Intelベースのハードウェアで実行されるすべての処理は、ソース形式に関係なく、これらの制約の下で実行されます。[c]
固定小数点デジタル信号プロセッサは、多くの場合、特定の信号解像度をサポートするために特定のワード長をサポートします。たとえば、Motorola 56000 DSPチップは、24ビットの乗算器と56ビットの累算器を使用して、2つの24ビットサンプルに対してオーバーフローや切り捨てなしで乗算累算演算を実行します。 [24]大きな累算器をサポートしないデバイスでは、固定小数点の結果が切り捨てられ、精度が低下します。エラーは、実行される操作に依存する速度でDSPの複数のステージで増加します。DCオフセットのないオーディオデータに対する相関のない処理ステップでは、エラーは平均ゼロでランダムであると想定されます。この仮定に基づくと、分布の標準偏差はエラー信号を表し、量子化エラーは操作数の平方根に比例します。[25]畳み込みなどの繰り返し処理を伴うアルゴリズムには、高いレベルの精度が必要です。[23]無限インパルス応答(IIR)フィルタなどの再帰アルゴリズムでも、高い精度が必要です。 [26] IIRフィルタの場合、特に丸め誤差によって周波数応答が低下し、不安定性が生じる可能性があります。[23]

量子化誤差によって生じるノイズ(音声処理中に生じる丸め誤差や精度の低下など)は、量子化前に信号に「ディザ」と呼ばれる少量のランダムノイズを加えることで軽減できます。ディザリングにより非線形量子化誤差の挙動が排除され、歪みが非常に少なくなりますが、ノイズフロアがわずかに上昇します。ITU -R 468 ノイズ加重法を使用して測定された 16 ビット デジタル オーディオの推奨ディザは、アライメント レベルより約 66 dB 低い、またはデジタルフルスケールより 84 dB低い値です。これは、マイクロフォンや室内のノイズ レベルに匹敵するため、16 ビット オーディオではほとんど影響がありません。
24ビットおよび32ビットオーディオでは、デジタルコンバータのノイズレベルが適用される可能性のあるディザの必要レベルよりも常に大きいため、ディザリングは必要ありません。24ビットオーディオは理論上144dBのダイナミックレンジをエンコードでき、32ビットオーディオは192dBを達成できますが、最高のセンサーやマイクでさえ130dBを超えることはほとんどないため、現実世界ではこれを達成することはほぼ不可能です。[27]
ディザリングは、実効ダイナミックレンジを拡大するためにも使用できます。16ビットオーディオの知覚ダイナミックレンジは、人間の耳の周波数特性を利用したノイズシェーピングディザリングによって120dB以上になります。 [28] [29]
ダイナミックレンジとは、システムが録音または再生できる最大信号と最小信号の差です。ディザリングがない場合、ダイナミックレンジは量子化ノイズフロアと相関します。たとえば、16ビット整数解像度では約96dBのダイナミックレンジが可能です。ディザリングを適切に適用することで、デジタルシステムは通常の解像度で許容されるよりも低いレベルの信号を再生でき、解像度によって課される制限を超えて有効ダイナミックレンジを拡張できます。[30]オーバーサンプリングやノイズシェーピングなどの技術を使用することで、量子化誤差を対象の周波数帯域から移動させることで、サンプリングされたオーディオのダイナミックレンジをさらに拡張できます。
信号の最大レベルがビット深度で許容されるレベルよりも低い場合、録音にはヘッドルームがあります。スタジオ録音中に高いビット深度を使用すると、同じダイナミックレンジを維持しながらヘッドルームを確保できます。これにより、低音量での量子化誤差を増やすことなく、 クリッピングのリスクを軽減できます。
オーバーサンプリングは、サンプルあたりのビット数を変えずにPCMオーディオのダイナミックレンジを拡大する代替方法です。[31]オーバーサンプリングでは、オーディオサンプルは目的のサンプルレートの倍数で取得されます。量子化誤差は周波数に対して均一に分布すると想定されるため、量子化誤差の多くは超音波周波数にシフトし、再生中にデジタル-アナログ変換器によって除去できます。
解像度をnビット追加するのに相当する増加を得るには、信号をオーバーサンプリングする必要があります。
たとえば、14ビットADCは、16倍オーバーサンプリング、つまり768kHzで動作させると、16ビット48kHzのオーディオを生成できます。したがって、オーバーサンプリングPCMでは、同じ解像度を得るために、サンプルあたりのビット数を少なくしてサンプル数を多くします
ダイナミックレンジは、ソースでオーバーサンプリングを行わず、信号再構成時にオーバーサンプリングを行うことで拡張することもできます。再構成時に16倍のオーバーサンプリングを行うことを考えてみましょう。再構成時の各サンプルは、元のサンプルポイントごとに16個のポイントが挿入され、すべてデジタル再構成フィルタによって計算されるため、一意になります。実効ビット深度の増加のメカニズムは前述のとおりです。つまり、量子化ノイズ電力は減少していませんが、ノイズスペクトルはオーディオ帯域幅の16倍に広がっています
歴史的背景:コンパクトディスク規格は、ソニーとフィリップスの共同開発によって開発されました。ソニーの最初の民生用ユニットは16ビットDACを搭載し、フィリップスの最初のユニットはデュアル14ビットDACを搭載していました。14ビットPCMではS/N比が84dBとなり、16ビットPCMよりも12dB低くなるため、市場だけでなくプロの間でも混乱が生じました。フィリップスは、1次ノイズシェーピングを用いた4倍オーバーサンプリングを実装し、理論的にはCDフォーマットの96dBのダイナミックレンジを実現しました。[32]実際には、フィリップスCD100は20Hz~20kHzのオーディオ帯域でS/N比90dBと評価されており、これはソニーのCDP-101と同じです。[33] [34]
信号をオーバーサンプリングすると、すべての周波数で帯域幅の単位あたりの量子化ノイズが等しくなり、ダイナミックレンジはオーバーサンプリング比の平方根のみで改善されます。ノイズシェーピングは、高周波数でノイズを追加することで低周波数での誤差を打ち消す技術であり、オーバーサンプリング時にダイナミックレンジが大幅に増加します。n次ノイズシェーピングの場合、オーバーサンプリングされた信号のダイナミックレンジは、ノイズシェーピングなしのオーバーサンプリングと比較して、さらに6ndB向上します。 [ 35]例えば、2次ノイズシェーピングを用いて4倍オーバーサンプリングでサンプリングされた20kHzのアナログオーディオの場合、ダイナミックレンジは30dB増加します。したがって、176kHzでサンプリングされた16ビット信号は、ノイズシェーピングなしで44.1kHzでサンプリングされた21ビット信号と同じビット深度になります
ノイズシェーピングは、一般的にデルタシグマ変調で実装されます。デルタシグマ変調を使用することで、ダイレクト・ストリーム・デジタルは、64倍オーバーサンプリングの1ビットオーディオを使用して、オーディオ周波数で理論上120dBのSNRを実現します。
ビット深度は、デジタルオーディオ実装の基本的な特性です。アプリケーションの要件と機器の機能に応じて、異なるアプリケーションに異なるビット深度が使用されます。
ビット深度はビットレートとファイルサイズに影響します。ビットは、コンピューティングとデジタル通信で使用されるデータの基本単位です。ビットレートとは、1秒あたりに送信または受信されるデータ量、具体的にはビット数を指します。MP3やその他の非可逆圧縮オーディオ形式では、ビットレートはオーディオ信号をエンコードするために使用される情報量を表します。通常はkb/sで測定されます。[51]
24ビットDACは多くの場合約16ビットの性能しか発揮できず、最高のものでも21ビット(ENOB)の性能に達します。
ダイナミックレンジ(-60 dB入力、A特性):124 dB(標準) ダイナミックレンジ(-60 dB入力、20 kHz帯域幅):122 dB(標準)
比128dB(A特性モノラル@48kHz)、SN比123dB(非特性ステレオ@48kHz)
つまり、32ビットDACは最大21ビットの有効なデータしか出力できず、残りのビットは回路ノイズによってマスクされてしまいます。
現在存在するすべての「32ビット対応」DACチップの実際の解像度は24ビット未満です
人間の聴覚のダイナミックレンジは[約]120dBです。
実用的なダイナミックレンジは、聴力閾値から痛覚閾値[130dB]までと言えるでしょう。
量子化ノイズのエネルギーを聞き取りにくい周波数に移動させるシェーピングディザを使用することで、16ビットオーディオの有効ダイナミックレンジは実際には120dBに達し、96dBという主張の15倍以上になります。120dBは、同じ部屋のどこかにいる蚊と30センチほど離れた削岩機の音の差よりも大きく、あるいは人気のない「防音」室と数秒で聴覚障害を引き起こすほどの大きな音の差よりも大きいです。16ビットは、私たちが聞き取れるすべての音を保存するのに十分であり、永遠に十分な量です
における偉大な発見の一つは、小さなランダムノイズ(ディザと呼ぶ)を加えることで切り捨て効果が消えるというものでした。さらに重要なのは、
加える
べき適切なランダムノイズの種類があり、適切なディザを使用するとデジタルシステムの解像度が
無限大に
なるという認識でした。