アナログ・クロスオーバとデジタル・クロスオーバの比較 - オーディオ用DSPの長所を見極める

はじめに

DSPを利用するスピーカ・システムとすべてをアナログで実現したスピーカ・システムの長所と短所を比較する際には、多くの要因がかかわってきます。そのことが理由の1つとなり、スピーカ・システムの設計にDSPを導入することについては賛否が分かれる状態になっています。

アナログ方式を支持する理由としては、2ウェイ・システムにおける従来のアナログ・パッシブ・クロスオーバ・ネットワークの存在が挙げられます。よく知られているように、その種の回路ではA/D変換は使用しません。また、群遅延は最小限に抑えられ、遅延もほぼゼロになります。そのため、すべてをアナログで設計することを差別化要因としているメーカーも存在します。DSPは音質を劣化させると信じている消費者もいるので、その効果は得られていると言えるでしょう。

一方で、DSPの利用を支持するメーカーやシステム・インテグレータも数多く存在します。そうした企業は、DSPを活用することにより、設計を改善するという目標を達成できると考えています。例として、ハイエンドのレコーディング・スタジオについて考えてみましょう。特別な音響処理が施された室内でモニタ・システムをチューニングする上で、DSPは高精度かつ非常に重要な手段になり得ます。

本稿の目的は、DSPを使用したスピーカ・システムを設計する際に生じるいくつかのトレードオフの定量化を図ることです。また、従来のアナログ方式の設計と比較した場合に、DSPをベースとする設計を採用することでどのようなメリットが得られるのかも明らかにします。データに基づいた透明性の高い比較結果を提示することを目指し、いくつかの評価結果と分析結果も示すことにします。

方法論

本稿では、従来のアナログ・クロスオーバの実装と比較し、DSPを利用したデジタル・クロスオーバであれば性能を高められるのか否かを検証します。それに向けた実測評価を適切に行えるようにするために、品質の高い部品を調達しました。また、デジタル・クロスオーバについては、各チャンネルにイコライゼーション(EQ)機能を設けたアナログのバイアンプ・システムのトポロジを再現するように設計しました。主な目標は、周波数応答の標準偏差を小さく抑え、DSPが原因でシステムの他の特性が劣化しないようにすることです。実測結果をベースとしてこれらの検証を実施します。

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  図1. デジタル・フィルタのトポロジのブロック図 (SigmaStudioを使用して作成)

図1に、完成したシグナル・チェーンのトポロジを示しました。これは「SigmaStudio」を使用して作成したものです。SigmaStudioは、オーディオ用DSP製品である「SigmaDSP」用の無償のプログラミング環境です。図1のデジタル・クロスオーバのトポロジは、以下のような特徴を備えています。

• 欠陥の補正:個々のスピーカ・システムが抱える狭帯域に関する問題を修正できます。
• ステレオ・クロスオーバ・ブロック:設計者は、多くの選択肢の中から使用するクロスオーバの種類を選択することが可能です。
• ステレオ・イコライザ:クロスオーバの高域出力チャンネルと低域出力チャンネルを対象としてEQの制御を実行できます。
• ゲインの制御:クロスオーバの各出力のレベル・マッチングを個別に実行することが可能です。
• タイム・アライメント・ブロック:位相応答をマッチさせるために、遅延のパラメータを非常に細かく設定することができます。
• ルックアヘッド・リミッタ:安全装置として機能し、ドライバを保護します。ただ、それにより遅延が長くなります。そのため、レコーディング・スタジオなどのアプリケーションではこの機能の使用を避けることがあります。

評価環境

図2に示したのは、本稿で使用した評価環境です。この環境では、ウーファーとしてAcoustic Eleganceの「TD15H-4」を採用しています。中高域用には、線形の応答、低いクロスオーバ・ポイント、広い分散パターンで知られる「ESS Heil Air Motion Transformer」を使用しました。これらを高性能のアナログ・パッシブ・クロスオーバ・ネットワーク(図3)と組み合わせ、Behringerのアンプ「NX1000」で駆動しました。このアンプの主な仕様は、4Ωにおける出力が300W/チャンネル、THD(全高調波歪み)が0.05％となっています。

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  図2. 評価環境A@評価環境

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  図3. アナログ・パッシブ・クロスオーバ・ネットワークの構成要素

DSPを利用したスピーカ・システム(以下、DSPシステム)の性能の評価には、SigmaDSP製品「ADAU1467」の評価用ボード「EVAL-ADAU1467Z」とSigmaStudioを使用しました。SigmaStudioはGUI(Graphical User Interface)で操作が可能なブロック・ベースの統合開発環境(IDE)です。EQ、クロスオーバ、ルーティング、遅延、測定、リミッタなどに関連する機能を備えています。

このDSPシステムからは、個別のハイパス・フィルタ、ローパス・フィルタが適用されたライン・レベルのアナログ・オーディオ信号が出力されます。ハイパス・フィルタの出力はICEpowerのD級アンプ「1200AS」に供給され、NX1000を介してウーファーを駆動します。

評価に使用した実験室には、ある程度の音響処理が施されていました。その広さは約5.7m×6.4mです。評価を行っている際、スピーカの位置と実験室の状態は変更しませんでした。

評価結果(その1):室内での応答