パソコンでオーディオ、機器構成の概要 USB DACの概要


−初心者なんで個人的に整理してみた 2010.5.23−
−改訂 2013.12.23 ５．クロックとUSB接続とS/PDIF規格について−

１．はじめに

少し前にPCで音楽を聴いていた私はよりよく聴こうと思いたち、ネットを調べたことがあった。昔はカセットデッキやCDプレイヤーのLINE出力からアンプに入力していたので光デジタル音声端子(S/PDIF規格。TOS-LINKなど)のことはわからないまま今日まで来た。そのうちラジカセになり、ウォークマンがiPodになり、PCからヘッドフォンで聴いたり、PCからアンプに繋いだりして聴くようになった。それで充分だけれど、あるときもっと良い音で聴くことの可能性に気づいた。

ネットを見るとPCを音源として音楽を聴くための機器がずいぶん増えているようだ。しかし、どういう仕組みでどんな機器が必要なのか、その理由は何かを説明する情報にあたれず、DACやDDCって何？USBと光ケーブルの違いは何？とか、まとめて説明してくれるサイトがなかなか見つけられなかった。そこで、個人的に納得できるところまで調べ、PCで音楽を聴くときのハードウェアが何をしているか、なぜそれが必要なのか、をメモしたのがこの稿である。素人なんでおおよそのところがわかれば充分と。

２．音楽が出るまでの機能

音楽が録音されたファイルをPCで再生してスピーカーから音が出てくるまでに登場するソフトや機能、および、それらの機能が何をしているかについて整理した結果は次のとおり。

ａ．音が出てくるまで起きていることの流れ

曲の入ったファイルをiTunesなどのプレイヤーソフトで再生して音になって出てくるまでに次のような処理が行われている。
  1. プレイヤーソフトは音楽ファイルを読み出して、音声データを作る
  2. OSのオーディオをコントロールする機能は音声データを取り入れて、機器へ出す
  3. 機器は音声データからアナログ音声信号を作る
  4. アンプはアナログ音声信号を増幅してスピーカへ流す
  5. スピーカは音を出す

ｂ．音を出すまでに必要な機能

この処理の流れを実現するために必要なのは次の機能をもつソフトやハードである。 2-bイメージ図

※後述のクロックのことがあるので音声データとデジタル音声信号を区別してます。

３．機能と機器

ａ．機能と機器の種類

PCで音楽を聴くときに必要なハードやソフトとその機能について整理した表を次に示す。
#. 機能 機器 処理の概要
a. 音楽ファイル→音声データ プレイヤーソフトウェア（WindowsMediaPlayer,iTunes,OSのサウンドコントロールやデバイスドライバなど） 音楽ファイルから音声データを作成する。例：mp3ファイル，AACファイルを読み込んで音声データを作成する
b. 音声データ→デジタル音声信号 DDC（digital-degital-converter,DD変換装置） 音声データをデジタル音声信号に変換する。例：PCMデータをUSBで取り込んでS/PDIF規格のデジタル音声信号に変換する。
c. デジタル音声信号→アナログ音声信号
,音声データ→アナログ音声信号 		DAC(digital-analogue-converter,DA変換装置) デジタルからアナログ音声信号に変換する機能。例：音声データやS/PDIF規格の音声信号を取り込んで、アナログ音声信号に変換する。
d. 音声出力 アンプ・スピーカ アナログ音声信号を増幅してヘッドフォンやスピーカに出力する。例：アナログ音声信号を取り込んでスピーカへ出力できるように増幅してスピーカを鳴らす

ソフトウェアとして必要なのはa.である。ソフトウェアの機能には音声データを処理したりハードウェアをコントロールする役割も含む。必要なハードウェアとして必要なのはb.c.d.である。

ｂ．複数の機能を持つ機器

複数の機能をひとつの機器にまとめた製品もある。

ｃ．接続ケーブル

（３）機器と機器をつなぐ接続ケーブルの種類については次の通り。
ケーブル種類（端子） 伝送されるデータ
光ファイバーケーブル,オプティカル(光デジタル音声端子、TOSLINK) S/PDIF規格のデジタル音声信号が流れる。
同軸ケーブル,コアキシャル（RCA端子） S/PDIF規格のデジタル音声信号が流れる。
USBケーブル（USB端子） USBオーディオデータが流れる。

４．機器構成と接続のパターン

機器の構成と入出力を以下の表で示す。

ａ．PCもしくはPCに繋いだスピーカで聴く場合

4-aイメージ図

PCで再生して直にスピーカ（アクティブスピーカ）で聴く場合。
↓ 入力→ 機器 →出力
1. 音楽ファイル プレイヤーソフトウェア（iTunesなど）&OSのシステムソフトウェア 音声データ（おそらくPCMデータ）
2. 音声データ PC内蔵のオーディオデバイスと同じく内蔵のDAC アナログ音声信号
3. アナログ音声信号 スピーカ内蔵のアンプ アナログ音声信号（増幅後）
4. アナログ音声信号 PC内蔵のスピーカ 音

1.〜2.をPCで処理する。3.〜4.はアクティブスピーカで処理する。

ｂ．PCの光デジタル音声端子とアンプを繋いで聴く場合

4-aイメージ図

PCに光デジタル音声端子が付いていてそれをアンプに繋いで聴く場合。
↓ 入力→ 機器 →出力
1. 音楽ファイル プレイヤーソフトウェア&OSシステムソフトウェア 音声データ
2. 音声データ PC内蔵のDDC（光デジタル音声端子出力） デジタル音声信号
3. デジタル音声信号 アンプ内蔵のDAC、アンプ（光デジタル音声端子入力，スピーカ端子出力） アナログ音声信号（増幅後）
4. アナログ音声信号（増幅後） スピーカ 音

PCとアンプに光デジタル音声端子が付いている場合か。PC内蔵のDDCによってデジタル−デジタル変換をして、その結果をアンプに送り込む。アンプは「DAC」と「増幅」の2機能を持ち、DACでデジタル−アナログ変換で音声信号に変換し、音声信号をスピーカを鳴らせるまで増幅する。

ｃ．PCと光デジタル音声端子とDACを繋いでアンプで聴く場合

4-cイメージ図

PCに光デジタル音声端子が付いている場合。
↓ 入力→ 機器 →出力
1. 音楽ファイル プレイヤーソフトウェア&OSシステムソフトウェア 音声データ
2. 音声データ PC内蔵のDDC（光デジタル音声端子出力） デジタル音声信号
3. デジタル音声信号 DAC（光デジタル入力端子，RCA端子出力） アナログ音声信号
4. アナログ音声信号 アンプ（RCA端子入力，スピーカ端子出力） アナログ音声信号（増幅後）
5. アナログ音声信号（増幅後） スピーカ 音

PCとアンプに光デジタル音声端子が付いていてアンプがRCA端子の場合でDACを足した場合か。PCとDACの接続に光ケーブルを使用する。

ｄ．PCとUSBオーディオデバイス（DAC）を繋いでアンプで聴く場合

4-dイメージ図

PCにUSBオーディオ装置を繋いでアンプをつなげて聴く場合。
↓ 入力→ 機器 →出力
1. 音楽ファイル プレイヤーソフトウェア&OSシステムソフトウェア（USB端子出力） 音声データ
2. 音声データ DAC（USB端子入力，RCA端子出力） アナログ音声信号
3. アナログ音声信号 アンプ（RCA端子入力，スピーカ端子出力） アナログ音声信号（増幅後）
4. アナログ音声信号（増幅後） スピーカ 音

アナログなアンプを持っている場合か。PCとDACの接続にUSBケーブルを使用する。私はこの構成で聴いている。

ｅ．PCとUSBオーディオデバイス（DDC）とDACとアンプを繋いで聴く場合

4-eイメージ図

PCにUSB接続したDDCから光ケーブルを使用してDACとアンプを繋ぐ。
↓ 入力→ 機器 →出力
1. 音楽ファイル プレイヤーソフトウェア&OSシステムソフトウェア（USB端子出力） 音声データ
2. 音声データ DDC（USB端子入力，光デジタル音声端子出力） デジタル音声信号
3. デジタル音声信号 DAC（光デジタル音声端子入力，RCA端子出力） アナログ音声信号
4. アナログ音声信号 アンプ（RCA端子入力，スピーカ端子出力） アナログ音声信号（増幅後）
5. アナログ音声信号（増幅後） スピーカ 音

すでにDACを持っていて、パソコンに光デジタル音声端子出力がない場合のパターンか。PCとDDCはUSBで繋ぐ。DDCとDACは光ケーブルで繋ぐ。

５．クロックとUSB接続とS/PDIF規格について

音質を決める重要な要素であるクロックとは何か？ また、DACとの接続にUSBケーブルと光ファイバーケーブル（同軸ケーブルも含む）が使える場合、両者の違いは何か？

クロック

イメージ図

DACがD/A変換するときは動作クロックによって音の時間を決める。音楽演奏におけるメトロノームみたいなもの。たとえばCDに入っている曲はサンプリングレートが44.1kHzである。これは1秒を44100回に分けて音声データを記録したことを意味する。再生するのときは音声データを44100回出力したら1秒となる。録音時の1秒と同じ長さになるよう正確に1秒を計るのに必要なのが「クロック」である。

PCM音声データのように標準化されてないためD/A変換のクロックは実装も品質も機器によって異なる。高級オーディオ機器には精度の良いクロックを使っていることをアピールする製品がある。また精確なクロックを得るのに外部クロック装置を使う方法がある。クロックを供給する製品と組み合わせて使えるようにクロック信号を入力する端子を備えた製品がある。クロックの精度を高めるための工夫は、アナログ部品の品質と並び、オーディオ製品のトレンドである。

USB接続

※2010年当時は理解が足らず、記述に不足と誤りがありました。2013年現在の状況に合わせて、この項を記述し直しました。

初心者向けとしてWindowsOSやMacOSの標準ドライバでそのまま使えるUSB接続DACについて述べる。OS標準ドライバが使えると言うことは、USBオーディオ機器がUSBオーディオ規格に沿って作られていることを示す。PCとUSBオーディオ機器の間をUSBケーブルでつなぎ、そのケーブルを流れるのはPCMデータである。オーディオデータの転送では一定時間（1ミリ秒）ごとに一定の量（1ミリ秒分）のデータを送らねばならない。そのためUSBオーディオデータにはエラー訂正なし再送なしのIsochronous転送方式が使われる。

ちなみにCDの場合はサンプリングレートが44.1kHzなので1秒間に音が44100回の変化する。約0.23ミリ秒ごとに1回の割合で音が変化し、USBケーブルを流れる1ミリ秒分のデータには4〜5回分の音が入っている計算になる。これを再生するための正確で安定したクロック信号が必要である。DACがクロックを得る方法は機器によって異なる。

クロックをデータから作る方式
この方法ではUSB転送データからクロックを作り出す。USBオーディオ規格ではPCから1ミリ秒を単位として1ミリ秒分のデータが送信されているので、送られてきたデータを元にしてクロックが作れる。この方式の利点はPC側のデータ送信タイミングに合わせて音声データを受信できること。欠点はPC側の転送タイミングのずれによってクロックが揺らぐことである。この揺らぎがジッターであり、音質に悪い影響を与える。
この方法をとるUSB接続のDACはPCの転送タイミングに同期するためにUSBオーディオの転送モードにSynchronous転送を用いる。廉価な製品に多く、製品紹介にクロックやジッターについての記述や転送モードについての記述がない。なおメーカーによってはこの方式でもクロックを生成するロジックを工夫することでジッターを低く抑えた製品がある。この場合は低ジッターを実現する特徴として記述がある。

クロックを発振器から作る方式
この方法ではUSB接続DACの中に高性能な発振器を用意して精度の良いクロックを発生させて再生する。またはクロックジェネレーター機器からクロックのみ入力する。この方式の利点はクロックが安定しているので、PCから送られてくる転送タイミングの精度にかかわらず音質の良い再生ができること。欠点はPC側の送信タイミングと再生するタイミングのずれを吸収する機能が必要なこと。この機能のためにコストが上がり価格が上がる。
この方法をとるUSB接続のDACはPCの転送タイミングに同期しないためにUSBオーディオの転送モードにAsynchronus転送を用いる。2010年はこの方式をとる製品は5万円以上していた気がしたが、2013年のカタログでは1万円台で売られている。安くなった背景にはハイレゾ音源（高サンプリングレート音曲データ）が普及しだしたことがあると思う。ハイレゾに対応するためにDACが高サンプリングレートに対応して転送データからクロックを作り出すことが困難になったので機器内に高精度発振器を持つことが必要になったと推測する。たとえばサンプリングレートが192kHzなら0.0053ミリ秒ごとに音が変化する。これを再生するクロックを1ミリ秒ごとに送られる転送データから作るのは困難なのではないか。

まとめると

PCとの間の伝送エラーについて

PCに高い負荷をかけることで転送落ちや遅れが発生する場合や異常にノイズが強い場合を除いてデジタル信号そのものがエラーになることは、まず、ない。たとえば、CDはサンプリングレートが44.1kHz、16bit符号化、ステレオチャンネル、のPCM音声データである。これを1秒あたりのデータ量としてみると、44100×16×2=1411200となり、1.4Mbpsのストリーミングデータである（実際はもうちょっと多い）。USB1.1では12Mbpsの容量があり、CD相当の音源を再生しても帯域の12%程度の使用となり余裕がある。よって通常の場合は伝送エラーによってデータが部分的に欠落したり変わってしまうことを考える必要はない。

光ファイバーケーブル、同軸ケーブル

イメージ図 光ファイバーケーブルの場合は、S/PDIF規格で流れてくるデジタル音声信号に時間軸を表す情報（以下クロック）が含まれている。クロックはデジタル音声信号からアナログ音声信号を再生するときに必要な情報である。DACは入力したデジタル音声信号からクロックを取り出し音の再生に使用することができる。

クロックはデータではなく信号であり、信号の品質は音に影響する。DACにおいてはクロックは精確であることが望ましい。

光ファイバーケーブル接続の場合は信号の送り手のクロックに音が影響を受ける。また、製品によってはクロックを作り出すときに安定したクロックを取り出すように工夫したものもある。スタジオ用の製品ではクロックを外部から供給されるものもある。

光ファイバーケーブルの場合はオーディオ機器のアナログ回路をPCの電気的な特性から切り離せる利点があり、特にPCから発生するノイズがケーブルからDACに入ることはない。

おまけ。費用をかけるべき機器

正しいかどうか別として前提をおく。

PCでオーディオをしていい音で聴くには、PC内蔵の機器はコスト的に改善の余地があるので外部の機器を接続することで改善する。その優先順位は次の通り。ただし私の主観。

  1. スピーカ
  2. アンプ
  3. DAC,DDC
  4. セッティング

スピーカとアンプは音の出口に近い重要な部分なのでもっとも留意すべき機器と考える。DACも音を作り出す部分なので次に重要な部分であり、ノイズからの遮断やアナログ部分の品質、そして音声信号を再生するときのクロックがポイント。PCはオーディオ製品ではないが、DACはオーディオ製品であることを考えるとそれなりの品質のクロックを使っているのではないか？　そう考えるとUSB接続のDACが面倒でなくて良いんじゃないかなぁと考える。DDCもポイントはクロック。PCに品質の良いクロックのついたサウンドカードがあれば光デジタル音声端子出力でも良いと思う。デジタル側はDACやDDC以外の機器へ費用をつぎ込むなら、曲データを入手したり、スピーカやセッティングに費用をつぎ込む方がましと考える。

たとえば。USBケーブルにはオーディオ用の高級なケーブルが存在するが、理屈で考えるとUSBケーブルで送信するビットが変化してしまう可能性はほぼゼロのはず、また、クロックも含んでいないので音への影響はほんの僅かと考える。また、オーディオ雑誌のUSBケーブルを比較するレビューでは、ある評価者は他の機器の差に比べてUSBケーブルの差による違いは僅かである、と記述してた。実際に音が変わるという記述を見ると「変わるんだろうなぁ」と思うけれど、その理由はノイズの遮断やアナログ回路への影響ではないか？そしてそれはケーブルの品質でカバーできるのものだろうか・・・謎。以上のことから「音の品質」のために高級オーディオ用USBケーブルの存在を選ぶことについて、私はデジタルの理屈や目的に合わないので否定する。否定するけれど、いにしえの「CDがデジタルにもかかわらず機器によってなぜ音が変わるのか？」という論争を思い出すに、まだ断定できなかったり。→考察しました。リンク：オーディオ用高級USBケーブルの意義を考える

以上。

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