サンプリング周波数

サンプリング周波数(サンプリングしゅうはすう)は、 音声等の アナログ波形を、 デジタルデータにするために必要な処理である 標本化(サンプリング)で、単位 時間あたりに標本を採る頻度。単位は Hzが一般に使われるが、sps (sample per second) を使うこともある。

サンプリングレート、サンプルレートとも呼ばれる。

概要

ある波形を正しく標本化するには、波形の持つ周波数成分の帯域幅の2倍より高い周波数で標本化する必要がある(これを サンプリング定理と呼ぶ)。

逆に、サンプリング周波数の1/2の帯域幅の外側の周波数成分は、復元時に 折り返し雑音となるため、標本化の前に帯域制限 フィルタにより遮断しておかなければならない。

音楽 CDで使用されるサンプリング周波数は44.1kHzであるため、直流から22.05kHzまでの音声波形を損なわずに標本化できる。あらかじめ、 カットオフ周波数20kHzないし22kHz程度の ローパスフィルタで前処理が行なわれているが、 可聴域の上限20kHzにほぼ一致しているため、実用上問題なく音声を再現できることになる。理論的には22.05kHzまで伝送可能だが、いかに急峻な減衰特性を持つフィルタといえども無限の減衰勾配を持つことはできない。22.05kHz以上で所定の減衰特性を持ち、かつできるだけ広い 通過帯域と許容できる位相特性を持つフィルタとして、古いCDでは20kHz前後のカットオフ特性が選ばれることが多く、最低18kHzあたりから急激に減衰し21kHz付近でほぼ音は出なくなっていた。ただし現在ほとんどのCDでは22kHzぎりぎりまで音が出るようになっており、スペクトラムアナライザーソフトで容易に確認できる。

50kHzから60kHz以上のサンプリング周波数は人間にとって有用な情報をもたらさない。初期のプロオーディオメーカーが50kHz周辺のサンプリング周波数を選んだのはその理由による。 オーディオ機器で96kHzや192kHzなどのより高いサンプリング周波数が販売面で好まれる場合もある [1]が、研究の結果、人間にとって超音波が聴覚できないことがわかっている [2]。しかしながら、超音波が 相互変調歪みの形で聴こえる場合もある。これは元の音源にはなかった音である [3] [4]

高サンプリング周波数の利点は、 ADCDACのローパスフィルタの設計の要求を緩和できることにある。ただし、最近の ΔΣ変調によるオーバーサンプリングコンバータにとって、この利点は重要ではない。

プロのエンジニアの国際団体である Audio Engineering Society英語版は音源の制作、編集過程において PCM 48kHzを多くの場面で適用することを推奨している。コンシューマ用途では CDなど44.1kHz、通信用途では32kHz、 アンチエイリアシング・フィルタを緩和するためには96kHzを使用することも可能としている。 [5]


また、フィルム 映画テレビジョン信号も、本来時間的に連続した画像を離散的な時刻で撮影した「コマ」を記録・再生するので、 フレームレートも広い意味でのサンプリング周波数ととらえ、三次元ビデオ信号処理として扱われる。これは特にフレームレート変換を伴う方式変換技術や、インターレース/プログレッシブ 走査変換、フレーム間圧縮を伴う高効率符号化技術などでは重要な概念である。

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