Direct Stream Digital

ダイレクトストリームデジタル（DSD）とは

ダイレクトストリームデジタル（Direct Stream Digital, DSD）は、ソニーとフィリップスが共同開発した、スーパーオーディオCD（SACD）で使用される高音質なデジタル音声フォーマットです。従来のCDやDVDで使用されているパルス符号変調（PCM）方式とは異なり、パルス密度変調（PDM）方式、具体的にはΔΣ変調を採用している点が大きな特徴です。DSDは、その高い音質から、新譜制作における高音質追求の手段としてだけでなく、アナログマスターテープやアナログレコードなどの過去の音源をデジタル化する際に、アナログの特性を可能な限り保存したい場合にも選択されるフォーマットです。

DSDの記録方式

DSDは、パルスで構成される粗密波に着目した記録方式です。PCM方式がビット深度で音の情報を表現するのに対し、DSDは1ビットという非常に低いビット深度で、サンプリング周波数を大幅に高くすることで情報を記録します。例えば、DSD64フォーマットでは、サンプリング周波数が2.8224MHzと、CDの規格である44.1kHzの64倍にもなります。ただし、CDのビット深度が16bitなのに対し、DSDは1bitであるため、非圧縮の場合のビットレートは4倍となります。DSD128では5.6MHz（または6.144MHz）、DSD256では11.2896MHz（または12.288MHz）、DSD512では22.5792MHz（または24.576MHz）と、サンプリング周波数はさらに高くなります。この高いサンプリング周波数により、時間領域における音の記録タイミングの正確性がPCMよりも遥かに優れています。時間領域の正確さは、高品質なアナログ音源に近い空気感の再現に大きく貢献しています。日本音響学会は、DSDのスペクトルについて「ディジタル信号でありながらアナログ信号のスペクトルを保存している」と評価しています。

ただし、DSDには高周波数帯域に量子化ノイズが非常に大きいという課題があります。このため、ナイキスト周波数近辺までの音をそのまま取り出すことは難しく、再生装置ではツイーターの損傷を防ぐために70kHz程度を高音域の上限とするのが一般的です。黎明期には、DSD信号を直接増幅してスピーカーに送り込む製品もありましたが、量子化ノイズによるスピーカーの破損事故が多発したため、現在ではローパスフィルターによる帯域制限が必須となっています。また、DSD256以上のフォーマットは、音楽ソフトとしてはオーバースペックであるため、既存データのアップサンプリング用途以外での活用は進んでいません。

日本音響学会の研究によれば、適切なディザ処理を行えば、非常に高いサンプリング周波数を用いることで、1ビット量子化でも信号帯域内のダイナミックレンジを確保できる可能性があるとされています。この実現に向けたシステムの研究も進められています。

PCMからDSDへの変換

既存のPCMデータから、その本質的な情報を引き出し、アナログの滑らかな音に近づけるために、PCMデータをDSDデータに変換して再生する試みも行われています。この手法は、ハイレゾPCMデータに対しても有効ですが、特に、CD-DAやCD時代のマスターデータなど、ハイレゾデータが存在しない時代のコンテンツで大きな効果を発揮します。例えば、44.1kHz/16bitのデータをそのままDAC出力のフィルターに通すと、可聴帯域に近い周波数での遮断により、音のこもりやステレオ感の消失など、音の情報劣化が大きくなる可能性があります。これに対し、既存のデータから、存在しないサンプルデータを数学的に推測・補間し、DSD512などの上位フォーマットに変換することで、発音タイミングを復元し、可聴帯域近傍での高音域の減衰や位相の狂いを抑え、格段に高い精度での再生が期待できます。これにより、高音の抜けや音の空間表現が大幅に改善されます。

このような変換処理は、サンプル間の依存性を形成するフィードバックループがあるため、並列化が難しく、非常に高い負荷がかかります。しかし、FPGAなどで変換アルゴリズムをハードウェア実装したDACではリアルタイム実行が可能であり、2010年代以降の高性能PCであればソフトウェアのみでもリアルタイム実行が可能な状況になりつつあります。この技術は、DAC内部で行われるオーバーサンプリングと同様の原理ですが、より大きな計算リソースを用いて、非常に高い精度で実行する点が異なります。

DSDの特徴

長所

DSDには、以下の長所があります。

広い可聴周波数帯域: 理論上は100kHzまでの可聴周波数帯域をカバーします（ただし、周波数特性や位相特性がフラットであるとは限りません）。
低ノイズ: ノイズが少ないという特徴があります。
正確な記録タイミング: PCMを遥かに超えるMHz帯の高周波数に由来する記録タイミングの正確性を持っています。
データ容量の効率性: 音の情報量が多いにもかかわらず、PCM192kHzサンプリングと比較した場合、データ容量が比較的少ないです。
アナログに近い音質: 時間領域の音の記録タイミングの正確さはPCMを凌駕し、微小なタイミングの違いも記録可能です。44.1kHzのPCMでは22.68μs、384kHzのPCMでも2.60μsの時間分解能に対し、2.8224MHzのDSDでは0.35μsの時間分解能を実現します。そのため、DSDの再生音は生演奏のノリや、高品質なアナログ音源のような瑞々しい空気感を再現できます。
シンプルなDA変換: DSDからのDA変換は、アナログローパスフィルタを通すだけで済むため、非常にシンプルなハード設計が可能です。また、アナログ→DSD変換LSIのコストが低く、消費電力も抑えられるため、DSD録音再生機器だけでなく、スマートフォンや携帯型CDプレーヤーなどの普及型DACチップやデジタルパワーアンプにも採用されています。結果として、日常的にDSD変換を経由した音を聴いていることになります（ただし、DSD変換機能に特化した製品に比べると変換品質は低い場合があります）。

短所

DSDには、以下の短所があります。

電磁波の放出: DSDで伝送・処理される信号は、数MHz帯～数十MHz帯の電波を放出します。この帯域の電波は遮蔽が難しく、他の回路や筐体外に影響を与えないためには高度なシールド技術が必要です。特に大電力の信号を扱う場合には、電波障害を引き起こす可能性もあります。
高周波数帯域の量子化ノイズ: 高周波数になるほど量子化ノイズが増大します。SACD黎明期には、スーパーツイーターの焼損やアンプの破損が頻発したため、現在では35kHz～45kHz程度を遮断周波数とするローパスフィルタが搭載され、100kHz以上の高周波成分は出力されないように対策されています。サンプリング周波数が高いため、可聴帯域における影響は少ないものの、変換誤差や高調波ひずみの発生は回路設計上の大きな課題となっています。
高速伝送の必要性: DSDの特性上、伝送には波形の崩れや歪みが少ないケーブルを使用する必要があります。DSDは1ビットパルスの高周波信号を伝送するため、パルス幅の変化が最終的なアナログ信号の波形に影響を与えます。パラレル伝送でもシリアル伝送でも正確に伝送できるPCM方式とは大きく異なります。SACDとAVアンプ間では、iLINKなどのシリアル伝送方式が採用されていました。また、ジッターの影響もPCMより受けやすいため、高精度クロックの使用などの対策が必要です。
後処理の制限: DSDは1ビット・ΔΣ変調の原理上、ミキシングやイコライジングなどの処理が困難です。そのため、Danteなどのパラレル伝送機器は使用できません。通常、MADI規格やThunderbolt対応機器を用いて、ミキシングやイコライジングなどのプロセスはアナログ機器で行うか、DSD-WideやDigital eXtreme Definitionなどのマルチビット信号にデジタル変換して行われます。

DSDの記録方式の種類

DSDの記録方式には、以下の種類があります。SACDのソフトでは、これらのいずれかの方法が用いられており、録音・記録方法が異なる場合があります。

DSDレコーディング: オリジナルレコーディングから全てDSD方式で録音されたマスターを使用します。DSDの音質を最大限に活かした録音が可能です。
DSDミキシング: アナログまたはデジタルのマルチチャンネルレコーダーから、直接DSDにミックスダウンされたマスターを使用します。ミキシングによるダイナミックレンジの増大や、リミッター処理による高調波も収録できます。
DSDマスタリング: アナログまたはデジタルのオリジナルマスターから、直接DSD方式でマスタリングしたマスターを使用します。高ビット・ハイサンプリングのマスターも品質を損なわずに収録できます。
DSDディスク: 後述するDSFファイルをDVD±R、DVD±RWに記録するフォーマットです。VAIOやKORGのPC用アプリケーションソフト「AudioGate」で作成できる他、音楽配信サイトからDSD音源を購入して作成することも可能です。SACDとは異なるため、通常のSACDプレーヤーでは再生できませんが、一部のSACDプレーヤーやCDプレーヤー、PlayStation3などで再生可能です。

DSDのファイルフォーマット

DSDには、いくつかのファイルフォーマットが存在します。これらのフォーマットには互換性がありません。

DSDIFF (Direct Stream Digital Interchange File Format): 主に業務用に使用されており、DSDファイルフォーマットの中で最も利用されています。PyramixやSonomaなどの業務用機器に対応した製品が多く、民生用では、コルグの「AudioGate」や同社のレコーダー、TASCAMのレコーダーなどで再生できます。
DSF (DSD Stream File): ソニーがVAIO向けに開発した民生用途向けのファイルフォーマットです。「Sound Reality」搭載のVAIOに付属する「DSD Direct」でWAVから変換でき、DSDディスク作成にも使用されます。再生には、「Sound Reality」搭載のVAIOやコルグの「AudioGate」、同社のMRシリーズなどが必要です。
* WSD (Wideband Single-bit Data): 「1ビットオーディオコンソーシアム」が策定したファイルフォーマットです。チャンネル数やサンプリング周波数に制限がなく、仕様が公開されているのが特徴です。コルグの「AudioGate」や同社のMRシリーズで再生可能です。

まとめ

DSDは、高音質を追求する上で重要なデジタルオーディオフォーマットであり、その特性を理解することで、より良いオーディオ体験が得られます。

もう一度検索