Things Behind ATH-DSR9bt(2)

Beyond PCM

前回のブログでは今のフルデジタル製品の大元、Sonyが提案したパルス符号変調(PCM)ベースのデジタルヘッドホンを紹介した。ただし、最後に問題が残っていた：この方式では、ボイスコイルの巻き数を\(2^{N-1}\)までしないと実現できない。これだと超大型の製品しかできないし、かなりの精度で作らないと音の歪みが発生する。とすると、もっといい方法はないだろうか？

当然改善し続ける選択肢もあるし、例えばPhillipsはソニーの手法を改善している¹が、そもそも音の出し方自体を変えるとどうなるだろうか？

From PCM to PWM

前回で紹介したPCM方式では、一定時間毎に、音声信号の強さを量子化して記録する方式だ。逆に考えば、信号の強さを固定にして時間を変化すれば、信号も記録できるではないか？ということで、パルス幅変調（PWM）もしくはパルス密度変調(PDM)はこのような方式だ。

緑の曲線は音声で、青線は量子化したPDM信号となっている。PDMの信号は０、１の２つの状態しかない（もしくは、０、１、ー１の３つでもよい）、元の信号が強ければ、PDMの信号は１にいる時間が長い。つまり信号の強さを時間の長さで表現している。厳密に言うと、音声の強さはPDM信号の積分になっていて、音声\(P = \int_{t \in PDM=1}1dt + \int{t \in PDM=-1}-1dt\)のような感じで計算されるのだ。これ以上の紹介はWikiのΔΣ変調を読めば分かるのはず。

ということで、この方式であれば、量子化した信号の強さは０か１の二種類しかないため、強さのバリエーションが多すぎることはまず発生しないので、PCMにあった問題を解決できるかもしれない。実は、今のフルデジタルヘッドホンもこの考えをベースに作っている。とりあえず特許を検索してみると．．．

特開昭５９－１８１８９７ 音響装置(ソニー株式会社)

こっちもだいぶ昔ソニーが関連している特許を出していた。当然ソニーだけでなく、海外含めていらんな所もこの方式を研究していた。複数のスピーカーを利用する方式もあれば²³、１つのスピーカーにPWMの０と１それぞれに対応するボイスコイルを入れる方式⁴も考えられている。ここでは、Sharp Corpが提案した方式⁴を簡単に説明する。

ボイスコイルは二種類が存在し、プラス（＋）方向に動くものと、マイナス（ー）方向に動くものだ。プラス方向のボイスコイルに電流流せばその方向に動き続けるし、切断すると自然に戻ってくる。マイナスは逆方向に同じ動きをする。そうすると、振動板の動きは＋、ー、０の３種類の動きができるようになる。

上のPWMの話を思い出すと、PWM信号も同じ構成なので、デジタル信号に合わせて、セレクターで２つボイスコイルのOn/offを切り替えることで、そのまま音声信号に変換できる。この処理は信号をアナログに変換することなく、デジタルそのまま振動板に持って行けたといえるでしょう。

この考え方はDSR9BTまでずっと変わっていないが、上の述べた方法はいくつの問題があった。 　 * PWM信号の周波数がとんでもない高い。よく使っているPCM音楽なら周波数は44.1KHzだが、SACDのようなΔΣ変調の形式だと2922.4KHzも当たり前は。この周波数に合わせてセレクターやスイッチがOn/Offするが、さすがにこんな高い周波数だとエラーが起きやすい。更に厄介なのは、エラーが一回でも発生すると、あとの処理に影響し続けるので、何回もエラー起きると音がめちゃくちゃになる。 * スイッチが高速にOn/Offすると、熱が溜まったり、効率が下がったりするので、コンパクトな製品はほぼ作れない。

この後、PWM方式の周波数を如何に下げることに対して研究が広がってきた。

From Single Bit to Multiple Bits

当然、単純に周波数を削るだけなら、記録できる情報量が減るのでよくない。ならば、量子化ビット数を２、３などに少し増やせばどうだろうか？

ビット数が８や１６になると前回で紹介したようにボイスコイルが多すぎて対応できないが、２、３ビットならば全然問題なく対応できるし、周波数も当然その分減らすことができる。ということで、９０年代末から多ビットΔΣ変調の方法が考えられてきた。この中の１つはDNoteと呼ばれている変換方式である⁵⁶⁷。言うまでもないが、DSR9BTはこの技術を基づいて作った製品だ。

DNoteに対して提案当時からDSR9BT発売まで複数回インタビューがあり、開発元のTrigence Semiconductor社が技術の詳細を紹介してたが、あまりにも一般ユーザーに難しく当時はあまり理解されず、話題にもならなかった。

ただし、今回上に書いているようなことを把握できていれば、その紹介を分かるようになるはずだ。

まず１つは藤本健のDigital Audio Laboratory, 第587回, AV Watch。記事に添付されている図はここに載せないが、DNoteは\(-4 \dots 4\)の９通り、4BITを採用している。DSR9BTも同じく「4芯ボイスコイル」になっているため、技術上は同じものだと分かる。１ビットの前と同じ、１ボイスコイルは＋１かー１しか出せないが、今回４つも持っているので、４つに同時同じ方向の電流流せば、それで＋４になれる。

Summary

DSR9BTは正真正銘のフルデジタルで間違いない。ただし、多くのユーザーがまだ3.5MM端子のアナログが最高と考えている中、時代を先取りしすぎた製品はあまり注目されないだろう。また、オーディオテクニカの宣伝力も追いついていなく、仮にソニーのハイレゾ戦略と同じくらいの力を入れたら、１つのカテゴリーを確立できたかもしれない。いずれにせよ、DSR9BTが生産終了している今、オーディオテクニカの再チャレンジを末しかない。しかし、DNoteを使う限り、特許はオーディオテクニカ側に一切ないため⁸、新製品の企画も開発の調整も難しいだろう。