サンプリング周波数
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サンプリング周波数は、音声等のアナログ波形を、デジタルデータにする際の標本化（サンプリング）で、1秒間における標本を採る頻度。単位はHz。
サンプリングレート、サンプルレートとも呼ばれる。
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[編集] 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のローパスフィルタで前処理が行なわれているが、人の可聴域の上限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、20kHz前後のカットオフ特性が選ばれることが多い。ただし、20kHz以上の高調波成分も、実際は聞く事が出来ていて、音色の違いとして感知できるという説もあり、カットしてしまうことは好ましくなく、アナログレコードの方が優れているという意見の根拠とされている。
- また数々の実験によって記録する周波数帯域が広い＝高いサンプリング周波数を採るほど、パルスなど瞬間的な音の反応が良い、ノイズが抑えられるなどのメリットが確認されている。
また、フィルム映画や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。
[編集] サンプリング周波数の選択
サンプリング周波数は、原理的には標本化すべき原信号帯域幅の2倍より高い任意の周波数でよいが、放送や録音などでは一度決めると互換性の点から変更することが難しい。T1回線の電話の8kHzように「キリのよい」周波数が選ばれるとともに、既存のシステムとの互換性（または非互換性）をもとに選ばれることも多い。
CDのサンプリング周波数44.1kHzは、一見するとキリの悪い意味のない周波数に見えるが、これは初期のCD製作のためのPCM録音に比較的安価なヘリカルスキャン型のUマチックビデオレコーダを用いたことに由来する。すなわちNTSCテレビジョン信号の水平走査周波数15.75kHzの 3×(14/15)倍である。1水平走査内に6標本（ステレオ各チャンネル3標本づつ）をビデオ信号の形に変調して記録する。ヘリカルスキャン型VTRの場合、回転ヘッドの切替えタイミングが垂直同期信号の付近にあるが、必ずしも安定していないので、垂直ブランキング付近の各フィールド毎17.5本（総水平走査線数の1/15）の水平走査線を避けている（使わない）。
実際、1970年代に世界で初めて商用高忠実度デジタル音楽録音を実現した日本コロムビアのPCM録音機の場合、ヘッドの切替えが水平同期信号に同期する高価な放送用バーティカルスキャン型VTRを採用したので、すべての水平走査線をPCM信号の変調用に使用でき、サンプリング周波数は47.25kHzと、水平走査周波数のちょうど3倍となっている。
衛星放送やDVDの音声は48kHzのサンプリング周波数を使っているが、これはCDへの無断録音を恐れたため、わざとCDと異なり、しかも単純な整数比の関係にない非互換の選択の例と言われている。
| 信号 | 帯域 | サンプリング周波数 | 備考 |
|---|---|---|---|
| 日本コロムビアPCM録音機 | 47.25kHz | 放送用バーティカルスキャン型VTRを使用 | |
| EIAJ PCM録音機 | 20Hz～20kHz | 44.1kHz | ベータマックスやUマチックなどのヘリカルスキャン型VTRを使用 |
| CD-DA | 20Hz～20kHz | 44.1kHz | ヘリカルスキャン型VTRを使用したPCM録音機との互換性 |
| MD | 44.1kHz | ||
| DCC | 48kHz,44.1kHz,32kHz | ||
| DVD-Video | 48kHz | ||
| DVD-Audio | 96kHz、192kHz | ||
| miniDVビデオ | 32kHz,48KHz | ||
| デジタルケーブルテレビ | 48kHz | ||
| デジタル衛星放送テレビジョン | 48kHz | ||
| FMステレオ放送中継 | 32kHz | ||
| 電話 | 300Hz～3.4kHz | 8kHz | いわゆるIP電話ではなく、旧来の公衆回線のデジタル交換システム |
[編集] サンプリングレートコンバーター
サンプリング周波数が異なる機器同士でも録音が出来るようにする装置を、サンプリングレートコンバーターと呼ぶ。
例えば、BSのBモード音声をMDに録音しようとすると、サンプリング周波数はそれぞれ48KHzと44.1KHzとなり、そのままでは録音ができない。そこでサンプリングレートコンバーターを用いると、MDデッキ側でサンプリング周波数が44.1KHzに変換され、録音が可能になる。
