サウンドボードの出力電圧とソフトボリュームの関係

質問

PCオーディオをしていて疑問に思ったことがあります。

PCソフト上で音量を変えると、どういう仕組みで出力される音量が変わるのか？

サウンドボード（Onkyo SE-300PCIE）の仕様を見ると、ライン出力電圧は2Vrmsと
記載されています。PCの音楽再生ソフト（iTunes）や、Creativeコンソールランチャ等の
ソフトの音量ボリュームを変えると、ライン出力電圧も変わるのでしょうか。
→書いてて違う気がします。サウンドボードじゃなくて外付けDACとかだと説明がつかない。

それとも、常にMAX2Vrmsが出力されていて、ソフトのボリュームを変えると、
デジタルデータ自体の音量が変わるのでしょうか。

よろしくお願いします。

回答No.4

Yorkminster · ベストアンサー

>> PCと光ケーブルで外付けDACを繋いだ場合、ソフトの音量変更で外付けDACのライン出力電圧が変わるとすると、光ケーブルは音声データに加え、外付けDACへの制御信号も送っていることになる //

ああ、なるほど。分かりました。

これは、こう考えて下さい。不正確な説明になりますが、「正確だけど分かりにくい」よりは「不正確だけど感覚的に分かりやすい」方が良いと思うので、そういう前提で読んで下さい（それでも分かりにくい？かも？）。

まず、俗に「デジタル音声データ」と呼ばれているものは、リニアPCMという方式でデジタル化された音声データです。リニアPCMというのは、「お絵描きパズル（ロジックパズル）」のようなものです。滑らかな曲線を描くアナログ音声信号の波形を、縦横に細かく区切った格子に当てはめて、連続したギザギザの線に置き換えます。このギザギザの1点1点の座標情報が、デジタル化された音声データです。

他にも、たとえばパソコンの画面上の曲線も、拡大すれば複数の点の集まりで、ギザギザしています。近くで見ればギザギザな線でも、遠くから見れば元の滑らかな曲線に見える、という訳です。

このようなギザギザの線を計算し直して、より小さな（理想的には相似形の）ギザギザの線に描き直せば、アナログ的に見ても（相似形の）より小さな曲線になります。つまり、波形が小さくなったので、音量も小さくなります。

このような計算を行っているのが、iTunes等の再生ソフトであったり、Windowsなどの基本システム（OS）であったりします。この計算の質が良いほど、アナログ変換後の波形が元の波形の相似形に近くなり、細かな部分まで再現性を維持したまま音量を調整できる、ということになります。

ソフトウェアボリュームは「アナログ変換前のギザギザの波形」自体を小さくするものなので、それを受け取るDACが何であっても、出力されるアナログ音声信号は小さくなります。光デジタルケーブルは、DACに対するコントロール信号を送っている訳ではなく、もともと「小さな音量で変換されるデジタルデータ」を送っているだけです。

PCIカードのサウンドカードであっても、基本的に違いはありません。ただ、製品によっては、サウンドカード上の音量コントローラチップを制御できる場合があります。この場合は、ソフトウェアボリュームではなく、そのチップ上で音量調整が行われることになるので、違いがあります。SE-300PCIEがそうかどうかは分かりませんが、そういうデバイスもあるのは確かです。

お礼

解決しました。
分かりやすいご説明に感謝致します。
回答有難うございました。

回答No.3

HAL2（@HALTWO）

2Vrms という電圧は故障でもしない限り、まず出ないものです(汗)。

16bit 44.1kHz/48kHz の iTunes Audio の場合、最大音圧の 16bit 目で 2Vrms に達しますが、その時点で Clip していますので、音楽信号は 15bit 目以下に 0 または 1 が並び、16bit 目は 0 の値になっています。

ちなみに 15bit 目が 1 で、15bit 以下が全て 0 である時の出力は 1Vrms、14bit 目のみが 1 の時は 0.5Vrms、13bit 目のみが 0 であれば 0.25Vrms・・・以下、1bit 目のみが 1 である 1/32768 Vrms まで 1/32768 Vrms Step で音量が変化します。

1/32768 Vrms から 1/32768 Vrms Step で 2Vrms までは 65536 段階 (16bit) の音量変化幅があり、Software Volume Controller もこの 65536 段階のうち、数十段階或いは数百段階単位で音量をずらす演算を行なっています。

iTunes Software は 16bit の Digital Audio 信号を Software 演算する際に 32bit 以上の精度を得られる浮動小数点演算で処理していますが、Volume Controller を含めた Digital 演算処理が終了すると再び 16bit の Digital Audio 信号に戻して Digital 出力しており、Onboard Sound Card であろうと外部 DAC Unit であろうとこの 16bit Digital Audio 信号を受けて Analog に変換します。

しかし、例えば iTunes の Volume Controller で 30dB 音量を絞ったとすると、15bit 目のみが 1 である信号は 30dB＝6dB/bit × 5bit により、10bit 目のみが 1 である信号に Software 演算で変換されることになります。

iTunes に限らず、他の Software も、Software Vo;ume である限り、動作原理は同じです。

＞それとも、常にMAX2Vrmsが出力されていて、ソフトのボリュームを変えると、デジタルデータ自体の音量が変わるのでしょうか。

半分間違い、半分正解・・・Digital Data 自体の音量 (0101 の配列) が変わるので、DAC を経た音量も変わります。

ちなみに現在の DAC Chip は定電圧の電流出力型であり、I/V (電流/電圧) 変換回路を介して電圧変位を作り出しています。

DAC Chip の直後は確かに 2Vrms が常に出力されているとも言えますが、そのままでは音にならないので、I/V 変換回路を介して音量変化のある音楽信号となって出力されるようになっています。

お礼

回答有難うございました。

回答No.2

seble

きちんとした事は書けませんが、単純な考え方として、ソフトウェアの制御によってICを動作させ、それによってパワーFETなどへの制御を行い、結果として出力電圧や電流が変化するのだろうと思います。
CPUのコア電圧だってプログラム、ソフトウェアで制御されています。
スピーカーへ出る電流はアナログなので、デジタル制御が途中からアナログの電気信号に変わります。
というか、デジタルであっても0vと1vというようなアナログの電気変化です。

お礼

回答有難うございました。

回答No.1

Yorkminster

>> ソフトの音量ボリュームを変えると、ライン出力電圧も変わるのでしょうか //

アナログ出力では、そうです。アナログの音声回路はふつう定電圧回路なので、信号の強さは電圧の高さと比例します。単純に言えば電圧の高さと音量が比例するので、音量を変えるとは、すなわち電圧を変える（調整する）ことを意味します。

たとえば、ライン出力が2Vrmsのときでも、そこからパワーアンプに繋ぎ、スピーカーを鳴らす場合、スピーカー出力端子からは10Vrmsで出力されている、といった形になります。スピーカー出力端子から出力される波形と、もとのライン出力の波形は相似形になります（厳密には、ノイズや歪みで完璧な相似形にはなりません。可能な限り相似形のまま伝送・増幅できる回路が優秀だ、ということになります）。

これに対して、デジタルの音声回路では、電圧は常に一定です。デジタル回路では、信号は電圧の高低ではなく電流の有無（スイッチのON・OFF）で表現されるため、「電流がないときの電圧」と「電流があるときの電圧」が区別できる程度の電圧の差が確保されていれば良いからです。逆に言えば、「電流があるときの電圧」以上の電圧をかけても区別されません。

>> 外付けDACとかだと説明がつかない //

どう説明がつかないのか分かりませんが、この場合はDACのアナログ出力の電圧が変わるので、違いはありません。

お礼

回答ありがとうございます。
「外付けDACとかだと説明がつかない」←分かりづらくてすみません。
例えば、PCと光ケーブルで外付けDACを繋いだ場合、ソフトの音量変更で外付けDACのライン出力電圧が変わるとすると、光ケーブルは音声データに加え、外付けDACへの制御信号も送っていることになるので、ありえないのでは？と思ったしだいです。