デジタルとアナログの違い、サンプリングとは？【今さら聞けない用語シリーズ】

こんにちはサカウエです。私達の周りは「デジタル」という言葉で溢れていますね・・光デジタル、デジカメ、デジイチ（デジタル一眼レフカメラ）、地デジ、・・・「デジタルパーマ」ってのもありますがこれはデジタルとはあまり関係なさそうです。本記事では多くの死語が含まれています

そして「デジタル」の正反対という意味合いで使われるのが「アナログ」という言葉ですね・・・アナログシンセ、アナログレコード「自分は機械音痴のアナログ人間ですから・・・（※）」と自らを例える方もおられます。
※アナクロ（時代錯誤）とアナログの混同による誤用という説あり
※本記事では主にCDDA（音楽CD）やDVDに代表されるPCM信号について説明します。

アナログとデジタル

デジタルとアナログについては一般的に

のようなイメージを持たれている方が多いのではないかと思いますが、実際に両者の意味、違い、特徴を説明するのは簡単ではありませんね？

というわけで今回は主に、音の分野における「デジタルとアナログ」について、おさらいすることにいたしましょう～

アナロ熊（著作権フリー）古！

音の正体については下記記事をお読みください。
【関連記事】【今さら聞けない用語シリーズ】音の基本知識　音とはなんでしょう？

アナログとデジタルの違い

そもそも「アナログ」と「デジタル」とは、何かの「量」を表す「情報」の違いになります。「量」というのは例えば果物のように1個、2個と数えられるものもあれば、距離のように1、2メートル・・と測定できるものがあります。
たとえばリンゴの個数は指で「1，2、3」のように数えることができます（1.7のような半端がないですね）一方、距離や速度といったものは「1.358523・・m」のようにいくらでも細かく測定できてしまい、キリがありません。

ということで両者を少々難しい言葉で表顕すると

というように呼びます。暗記の必要はありません。

デジタル時計では現在の時刻は「11時35分02秒」と表示されますが、アナログ時計（秒針がないとして）では「だいたい11時35分あたり・・」といった曖昧な表現になります。

パソコンとの相性が良いデジタル

デジタルの場合は「0，1」のように数字で表すことができるので「パソコンとは相性が良い感じ」とイメージできると思います。アナログの場合は連続するあいまい量なので、パソコンで扱う場合はいったん厳密に「デジタル情報に変換」しないといけません。そして

と呼びます。パソコンに取り込んだデジタル化された音はパソコン内で処理され、音として出力するには再度アナログデータに戻してやることが必要となるわけです。

イメージ

読み方：えーでぃーへんかん、でぃーえーへんかん

ではアナログ情報をデジタル情報に変える・・とはどういうことか詳しく見て行きましょう。

アナログ情報

音を連続的な変化である「アナログ情報」として記録する場合について考えてみましょう。アナログ・レコード（バイナル）やカセットテープは音の波をそのまま記録する方式です。レコード盤では音の波がそのままの形で溝に刻まれ記録されています。

アナログ盤

カセットテープ（見たことない方もいるでしょうが・・）では音を磁気の変化として波の形が磁気テープに記憶される仕組みです（磁気記憶といいます。磁気記憶にはデジタル方式もありますが、ここではパス）

カセットテープ（Lカセットを知っている人は・・古い人ですよ・・）
Wikipedia

さてここで

という疑問を持つ方もいらっしゃると思います。確かに元音を100％そのまま記録し、再生できるのならばアナログ方式の方がデジタルより優れているように思えますね・・

しかし実はアナログ方式にはとても大きな弱点があるのです。それは・・・

アナログの最大の敵「劣化」

アナログ方式には、デジタル変換する際に誤差などが生じないという利点もある一方、「劣化」という避けては通れない難関が存在します。

ある音を記録媒体（レコード盤、磁気テープ、等）に記録するとします。しかしこの記録媒体は必ず時間が経つと変質します・・人間も同じです（泣）

たとえばレコード盤であれば、レコード針の摩耗による「プチプチノイズ」、材質である塩ビ（ポリ塩化ビニル）の経年劣化によってアナログ情報の変質が生じます。磁気テープも同様で、再生ヘッドによる摩耗やテープの伸びや切断といった現象は避けることはできません。

他にも複製や転送をする際も生じるこの「劣化」は、アナログ情報にとってはどうしても避けることのできない最大の弱点ということができるでしょう。そこでデジタルの登場というわけです。

デジタル情報に変換するとは？

音のアナログ・データをデジタル・データに変換するということは、いったいどういうことなのでしょう？
デジタル量は1，2，3といった数で表すことのできるものと言いましたが、デジタル情報というのは「0か1」すなわち「なし」と「あり」という二種類の記号だけで何かを表す方法です。

Wikipedia

たとえば0と1だけでは2つの情報しか表せないとしても「10110011」といったように、桁数を増やしていけば表現できる数もどんどん多くなっていきます。

このデジタル技術を使い音楽や映像を記録している代表格が「CD、DVD、ブルーレイ」、「iPod」等のデジタルオーディオプレイヤーなどで聞くことのできる音楽というわけですが、この「ある・なし」で記録されるデジタル情報は、データを受け渡しする際のノイズや、劣化というものに対しては非常に強い性質を持っています。また複製も容易です。

CD（コンパクトディスク）wikipedia

このようにアナログレコードは「形」で音を記録するのに対し、音楽CDでは「数値」で音を記録する仕組というわけです。

では次にいよいよ「音」におけるアナログ情報のデジタル化について説明したいと思います。誰しも一度は聞いたことのある用語「サンプリング」も登場します。

デジタル音楽メディアのできるまで

アナログ情報をデジタル情報に変換する過程を説明します。現在では音楽CD、MD、DVD、ブルーレイ、ハードディスク、フラッシュメモリ・・等々さまざまな記録メディアが存在し、技術の進歩によって主流の移り変わりも激しいですが、原理的にはこれから紹介する技術によってデジタルデータ化されているのです。

アナログ信号を数値として記録する

例えばこんなアナログ波形があるとします。

デジタル化ではまず音の一定時間ごとの「振幅」の大きさを数値で記録します（横軸が時間）

どの程度かいうと、例えば音楽CDの場合は、1秒間に44100回という細かさで記録しているのですね。この過程を標本化（サンプリング）といいます。そして測定間隔の細かさを「サンプリング周波数」（サンプルレート、サンプリング・レートとも）といい「Hz（ヘルツ」という単位で表わします。

音楽CDは1秒間に44100回測定されているので「サンプリング・レートは44100Hz（44.1kHz）」と表現します。

「よんよんいち」という言葉を聞いたことのある方もいると思いますが、本当は「サンプリング・レートは44.1kHz（よんじゅうよんてんいちきろへるつ）ですよ！」といえばよいのですが面倒なのでそう言っているだけなのです。

ここで一句

続いて今度は振幅の大きさを数値化します（図はイメージ）

上図では「1、2、3、4、3、1、-3、-5、-7、-3、4、3、2、1」と数値化されています。

この数値化する際で重要な事ですが、たとえば「12.3456」といった数値は「12.3」として・・つまり「半端なものは切り捨て」で記録されます、容赦ありません。このように限られた範囲で数字として表す事を「量子化」といいます。

量子化の細かさを「量子化ビット数」（「ビット深度」「サンプルフォーマット」とも）といい単位はbit（ビット）で表します。音楽CDの場合は「16bit」という量子化ビット数になります。

ここで一句

【補足：以下面倒な人はスルーOK】

ビットというのは2進数の桁の数ですが、16ビットというのは16桁、つまり「2の16乗=65536」までの数値を表現することができるということを意味しています。(0～65535)

この数字は「ダイナミックレンジ」というものを表し、一番小さい音と大きい音の比率を「dB（デシベル）」という単位で表現します。細かいことはさておいて、このダイナミックレンジが大きければより量子化の精度が高くなると思ってください。

16bitより24bitは256倍（2の8乗）レンジが広いということになります（※）

※ビットがひとつ増えると表現できる数字は倍になるので、4bitは2bitの2倍ではなくて4倍になります
ちなみに24bitは2の24乗だから＝16777216

CDは96dB。人間の聞き分け可能なダイナミックレンジは120dBと言われていますが、90dBより上の方は「工事のドリル」「飛行機のジェットエンジン」などの耐え難い爆音クラス。音楽の場合であれば96dBあれば足りるよね・・というのが音楽CDの言い分というわけですね。なおLPレコードだと65dB程度と言われています。

dBについて詳しく知りたい方は⇒【関連記事】【知っておくと便利な用語】音の強さ、大きさ、音圧、dB（デシベル）

「にーよんきゅーろく」「よんよんいちじゅーろくびっと」

という言葉を聞いたことがあると思いますが、これは標本化に加え、量子化ビット数も表現しているのです。量子化＞標本化の順番で言われる場合もあるかもしれません。

誰かに「にーよんきゅーろくでヨロシク！」と言われたら、「量子化ビット数24bit、サンプリング・レート96kHzですね！」ということなのです。

というわけで標本化と量子化は、どちらも数値が大きくなればなるほど「高精度で情報を記憶することができる＝原音に近い」ということになります。逆に言えば「数値が小さくなるほど原音からは遠ざかってしまう」というわけですね。

サンプリング・レートの半分の周波数までが再現できる

突然で恐縮ですが、サンプリングでは「ある周波数までを含む音を再現するには、その倍以上のサンプリング・レートでサンプリングすることが必要」という定理（標本化定理）があります、、ということは逆に、ある音をサンプリングする場合「サンプリング・レートの半分の周波数までが再現できる」

ということになります。

参考：サンプリング・レートの半分の周波数を「ナイキスト周波数」と呼びます。

ちなみに一般的な人間が聞くことのできる周波数というのは「20Hz～20kHz」の範囲と言われています。音楽CDの「44.1kHz」というサンプリング・レートであれば、理屈ではその半分の「22.05kHz」までが再現できるということになります。これはたしかに人間が聞くことのできる上限「20kHz」をクリアしていますね。

補足：原音の倍以上のサンプリングレイトでないと、再生の際、除去が困難な場所にエリアシングノイズと呼ばれる原音にはない成分が現れます。そのため実際の過程では、ナイキスト周波数より上の周波数はフィルター（アンチエリアシングフィルタ）でカットされサンプリングされます。

オーバーサンプリング

アナログからデジタルに変換（A/D）する際やデジタルからアナログに変換（D/A）の際に、実際の周波数の数倍のサンプリングレイトで処理を行うことをオーバーサンプリングといいます。仮に44.1kHzのサンプリング周波数の信号を8倍の352.8kHzに変換して処理することで、（データ量は増えるが）発生するエイリアスノイズをデジタルフィルター等でカットしやすくすることができ、結果音質の向上が望める事になります。

サンプリングレートによる再現度の違い

では実際にサンプリング・レートが異なる音の波形を見てみましょう。すべて同じ波形の1周期（一回分の繰り返し）を表示しています。

5.5kHz・・ぎこちないですね

11.025kHz・・・サンプリング・レートが倍になりました

22.05kHz・・だいぶ曲線的になってきました

44kHz・・CDと同じサンプリング・レートです

サンプリング・レートで考えてみると数値が多くなればなるほど滑らかに見えるのがわかると思います。

実際は点と点の間は「データが無い」ので実際はこんなイメージでサンプリングされていると思ってください。

サンプリング・レートを低い順から再生してみましたので、その違いを確認してみてください。

この順番に再生されます

Soundcloudで再生している時点で本来のファイルフォーマットでは無いのですが、サンプリング・レートが低いと高い周波数帯域が再生できなくなるので「サンプリング・レートが低くなるにつれ音がこもって聞こえる」ということだけお分かりいただければ幸いです。

サンプラーとPCM音源

サンプリングを行う事のできる機器を「サンプラー」といいます。サンプリングは出来ないけれども、サンプル波形のライブラリーを読み込んで楽器として使用できるハード音源やプラグインも多いですね（Native InstrumentのKONTAKTなど）

またデジタルシンセの多くは「PCM音源」という方式ですが、これはこれまで紹介してきた、サンプリングと量子化によってデジタル変換（PCMといいます）した波形を音源とする方式です。これでさまざまな楽器のリアルな音色を演奏することができるというわけです。

※PCM：パルス符号変調（パルスふごうへんちょう、 pulse code modulation）

DAWにおけるサンプリング・レートと量子化ビット数の設定

オーディオを扱う音楽制作でDAWを使用する方はご存じだと思いますが、曲を作成する際に「サンプリング・レートと量子化ビット数」を設定する画面が現れますよね？見覚えがないなあという方もいらっしゃると思いますが、その場合は自動的に44.1kHz16bitなどに設定されていると思います。

Cubaseの場合は量子化ビット数は「ビット解像度」という名称になっています。

では普段はどんな設定が良いのか？という話になりますが、それはどちらも大きい数値に越したことはありません（理由はあとで）

しかし、その前にまず自分の使っているオーディオ・インターフェースがその数値に対応しているかどうか確認する必要があります。

【関連記事】音楽制作のすゝめ 003 オーディオ・インターフェース

例えばSteinbergの「UR44」というオーディオ・インターフェースの製品ページでは下記のような表記がされています：

ここで表記されている「24bit / 192kHz対応」の意味は、
「量子化ビット数は24bitまで、サンプリング・レートは192kHzまで対応しています」

ということなので、DAW側がそれに対応しているのであれば、最高で「24bit / 192kHz」のプロジェクト（曲）が制作可能ということですね。

さて、そもそもサンプリング・レートと量子化ビット数の精度を高くする意味ですが、DAWでエフェクトプラグイン等を使用する際はパソコン内では演算処理が行われます。そしてその処理には必ず「誤差」が生じます。しかし精度が高ければそれだけ誤差は少なくなり、結果それが音質の差として現れることになるのです。

●よって最終的に16bit /44.1kHzでCDにするという場合であっても、製作過程はできるだけ高いレイトとビット数で行うのが良いのではないかと思います。

が、しかし、サンプリング・レートと量子化ビット数を大きくすればするほど、

などのケースが生じる場合もあります。また

なんてことも起きてきます。

したがってサンプリング・レートと量子化ビット数の設定は、お使いのパソコンの性能、作業環境と「ホントにそんな高品質のプロジェクトが必要なのか？」を両天秤にかけ、「作業に支障が出ない程度に可能な限りハイレゾ（高解像）」でマスター制作を進めるのが良いのではないかと思います。

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というわけでアナログとデジタルでしたが、アナログ・シンセサイザーのようにアナログにはアナログの良があるのもまた事実。両者をバランスよく使いこなしていきたいものですね。でわ

この記事を書いた人

デジランド・デジタル・アドバイザー　坂上 暢（サカウエ ミツル）

学生時代よりTV、ラジオ等のCM音楽制作に携り、音楽専門学校講師、キーボードマガジンやDTMマガジン等、音楽雑誌の連載記事の執筆、著作等を行う。

その後も企業Web音楽コンテンツ制作、音楽プロデュース、楽器メーカーのシンセ内蔵デモ曲（Roland JUNO-Di,JUNO-Gi,Sonic Cell,JUNO-STAGE 等々その他多数）、音色作成、デモンストレーション、セミナー等を手がける。