音楽データの知識

「サンプリング周波数(サンプリングレート)」、「量子化ビット数」、「ビットレート」を理解するにはA/D変換(アナログ/デジタル変換)の工程について知る必要がある。

AD変換には様々な種類があるが、ここでは音声に関するAD変換の一種PCMについて扱う。

PCM方式とはPulse Code Modulation、パルス符号変調の略で、アナログ信号をパルス列(2進数)に変換することを指す。

具体的にはサンプリング(標本化)⇒量子化⇒符号化が行われる。

PCM方式で記録された音楽ファイルにはWAVやAIFFファイルがある。

1.サンプリング

サンプリング(標本化)とは、一定の周期ごとに測定することであり、またサンプリング周波数[Hz]は1秒間の記録回数のことである。

CDのサンプリング周波数は44.1kHzであるため、1秒間に441000回記録しているということになる。

サンプリングのイメージ

上の画像の場合サンプリング周波数が28Hzなので本数は28本となっている。

また、サンプリング周波数が高い(周期が小さい)ほど、高い周波数の音を記録できる。

基本的なことだが、高い音は周期が小さく、低い音は周期が大きい。

高音と低音の波の比較

低いサンプリング周波数でサンプリングした場合、元の周期よりも大きくなってしまうためより低い周波数の音となる。

一方で高いサンプリングの場合には元の周期と同じで、周波数も変わらない。

サンプリング周波数の比較

具体的に言えば、サンプリング周波数の半分の周波数の音まで記録できる。

CDではサンプリング周波数44.1kHzなので22.05kHzの周波数まで記録されている。

2.量子化

量子化とは、縦軸の値を一定の段階ごとで近似値をとることである。
その段階の数を量子化ビット数[bit]という。
PCMにおける量子化ビット数は8bit、16bit、24bit...となっている。

量子化のイメージ

上図の場合量子化ビット数は8bitで2の8乗=256段階(0～255、128を無音)の近似値をとる。
量子化の縦軸の値の数としては最大値より最小値の方が1個多くなる。
CDの場合は16bitなので2の16乗=65536段階(-32768～32767、0を無音)をとる。

3.符号化

符号化とは、縦軸の値を二進数に変換することである。

符号化のイメージ

量子化のビット数が二進数の桁数となる。
図の場合、量子化ビット数が8bitであるため、8桁の二進数で記録する。
8bitの場合、二進数に符号は必要ないが、16bit以降では符合付きの二進数でなければならない。