iPod+mp3 は24bit精度に迫れるか?

iPhoneやiPod以外にも応用できます。mp3やaacに関係する話です。
24bit→16bit変換してCDに焼く時にも大いに関係するでしょう。



【iOS6以前の話】
iOS6以前は駄目でした。
当方が確認したのはアップル純正の「ミュージック」アプリの再生。
iOS6でも24bit音声ファイルは再生可能でしたが、
これはiPodの方で強制的に24bit→16bit変換されてました。
当方の手持ちで実験確認した話なので、機種が異なれば判りません。

確認方法は、
-90dBの正弦波をフェードアウトするファイルを24bitで作ります。
24bitが再生できれば最後まで徐々にフェードアウト再生するでしょう。
iPodで再生すると、-90dBが-96dBになるまでは歪みつつも再生しますが、
-96dB以下になった途端に音が消えますな。

パソコンのライン入力で取り込んで、スペアナで確認できますよ。
(パソコンの入力インターフェイスは24bitでお願いします。)
プツッとスペクトルが消えました。
消えるならそれは16bitです。データ切り捨てでした。(爆)
OSをアップデートしちゃったので波形等は掲載できません。(爆)


【iOS7と周辺機器の性能まとめ】
iOS7では24bit音声ファイルはちゃんと再生する様になりました。
そんな話を含めての「まとめ」です。オシロで波形を実測し確認しました。
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追記:MacBook本体での176.4k,192k再生は96kに変換されちゃう模様。
   その箇所は誤解しやすい記載でしたな。ご免なさい。(爆)

これで話が終わりの気もしますが、mp3の話がまだですから。
徐々に突っ込んで行きましょう。


【量子化歪みは低音で発生する】
標本化定理と量子化は分けて考えましょう。
ここでは量子化の問題について考えてみます。
これを回路の動作としてMicroCap9でシミュレーションしてみました。
例として5kHz,4Vp-pの正弦波をAD/DA変換してみます。
DAC後のフィルターは3次のバタワース型で、カットオフfは20kHzです。
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上図の波形は実際の回路動作そのもので矛盾はありません。

その条件は同じまま、周波数だけを100Hzに変更したのが下図です。
ここまでは何ら問題ありません。
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次に条件は同じまま、振幅だけを5mVp-pに変更したのが下図です。
何やら正弦波の頭が怪しいですな。
フィルターで取り切れず階段波になってしまう箇所があります。
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これは「量子化」の問題なんじゃないの?
もっとレベルを下げれば更に酷いでしょう。
高い音じゃなく低い音の小レベルの方が問題という事です。
この段差が耳に聞こえるかと申しますと、
はっきり聞き取れますな。(爆)


【量子化歪みを見て評価する】
この段差のある波形を実際に再生してオシロで確認します。
100Hz正弦波-84dBのWAVファイルを作成し再生します。
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雑音だらけで小レベルなので確認には20kHzフィルタや増幅器が必要です。
過去記事の20kHzLPF低雑音+60dB計測アンプをご参照下さい。

まずは16bitファイルを再生して見ます。量子化歪みの階段波になっちゃってます。
音としても聞き取れます。「ジー」という歪み音がはっきり判ります。
iPodじゃなくて国産CDプレイヤーでも同じ波形です。
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同じ100Hz正弦波-84dBですが、24bitファイルを再生します。
iPodTouchで24bitファイルが再生できるかどうか? 出来ましたね。
こちらは澄んだ低音ですよ。
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この様に、スペアナでフェードアウト信号を見る以外にも、
上記の手段で24bit対応の是非を確認できる訳です。
iOS7になったら24bit再生できる様になりました。今まで何だったの?
ちなみに、iPodnanoは雑音まみれで観測不能です。(爆)


【AirPlayも確認してみる】
AirPlayの確認は下図の接続となります。
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これは16bitファイルも24bitファイルも両方同じ波形になりました。
強制的に16bit化されちゃう訳ですな。データ切り捨てです。
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追記:デジタル接続のポタアンも製品により16bit強制変換で同じ結果かもね?


下記は改善対策ですな。


【ディザの改善効果を確認】
元が16bitの音声ファイルにディザを掛けても無意味ですが、
24bitの滑らかな音声ファイルにディザを掛けて16bit化すれば、
iPodやAirPlayでも音質改善が得られるでしょう。
イメージ的には下図の波形です。ディザを掛けた100Hz正弦波-84dBです。
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段差の粗さは変わりありませんが、薄目で見ると正弦波。(爆)

まあそんな訳で、ディザ付きの16bitテスト信号を作成しました。
それをAirPlay経由で再生してみました。
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24bitに近い滑らかさで再生できてますな。
当然の結果なのでしょうが、話だけじゃなく実証できました。


【mp3にもディザは有効か?】
24bitの滑らかさを16bitに押し込む!(爆)
同じ様にディザを使用して高音質mp3が作れないかやってみました。
これは変換ソフトの癖もあるでしょうが、一発で変換は駄目でしたな。
16bit wavの中間ファイルを作ってみたら可能でした。
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下図はパソコン上でデコードしスペクトル表示させた物です。
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MBITディザよりも優れるかも知れないディザは、
KORGのAudioGateというソフトがあります。まあ有名ですな。
これに搭載されているKORG AQUAというディザが使えます。
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ディザ無し16bitなら-96dB以上の音しか扱えませんが、
KORG AQUAというディザを使えば-110dBでも余裕で高精細みたいですな。
24bit→16bit変換する時には素晴らしく有効な感じがします。

そしてmp3やaacでもディザが有効である。
というのが今回の成果で御座います。


【感想】
さて音質の方ですが、良くなったっぽいです。(爆)
もうiPodの中に入れるのはaacかmp3で十分だな。(爆)
非圧縮ハイレゾ再生はパソコン本体からSPDIF出力すればヨロシ。

ここに書くまでも無いと思いますが、
  iPodTouchにアップル純正のRemote Appというアプリを入れます。
  するとPC本体側のiTunesを操作できる便利な専用リモコンになります。
  (Windows版のiTunesも対応している様ですな。)
  AirPlayを使うより軽いのでiPod内蔵電池も節約になるのかいな?
  そしてパソコン側からUSB-DACなりSPDIFで再生すれば音も良いでしょう。

これもご存知でしょうが、一応書いておきます。
  MacBookの光出力ですが、下図の様に旧タイプのMacBookも対応しています。
  96kHz/24bitまで対応するSPDIF出力が標準で内蔵されてます。
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  全機種のMacが対応しているかどうかは保証の限りではありません。(爆)

追記です。(2014.05.04)
  上の写真の黒MacBookを買った時にリモコンが付いてまして、
  Front Rowというソフトをリモコンで操作できた訳ですが、
  MacBookProのOS10.9.2でどうなるか試したらiTunesが操作できました。
  iPhoneやiPodTouchが無くても椅子に座ったまま選曲できちゃったよ。
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  Apple Remote (リモートコントロール) について
  Apple Remote
  MacBookAirはリモコン非対応っぽい。対応機種はご自身でお調べ下さい。


当方の意見は置いといて、ご自身で検証してみれば良いんじゃない?

以上です。






2014.05.25追記です。聴感だけの話です。
mp3 or AACで320kbps→少しの差ですが音が前に寄って音場が狭い。
AppleLossless→aiffと同じに聞こえる感じがします。



2015.03.04 追記改訂。
ご存知とは思いますが、Macを使う時の出力設定です。
Macのユーティリティ・アプリ「Audio Midi 設定」を起動して設定します。
AudioGateなどは問題無い様ですが、iTunes等では要注意です。
ハイレゾファイル再生時でも44.1k/16bitで出力しちゃってる可能性があります。
下図の様に要チェック、設定変更!
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ハイレゾ再生時には要注意ですな。
iTunes再生時にアップサンプリングも可ですが音質的には?かも。(爆)
by ca3080 | 2014-01-11 11:38 | オーディオ&電子工作
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