【コラム】水晶で音が変わる？オーディオのクロックジッタと水晶品質の関係｜お知らせ｜ニュース｜日本電波工業株式会社

近年、各種ストリーミングサービスやスマートフォンがハイレゾ音源や空間オーディオ機能、DSPに対応するなど、新たな音源フォーマットが普及しています。それらの音源が本来の音質を保ち表現力を発揮するには、DAコンバータ、DDコンバータといった、再生時の信号処理を行う機器のクロックジッタ低減が重要です。さらに、クロックジッタの低減は音楽再生時だけでなく、録音・マスタリング工程や、多数の機器を同期させるマルチメディアシステムでも重要視されています。今回のコラムでは、低ジッタを実現する水晶振動子の品質について、「ジッタとは？」という基礎知識から説明します。

デジタルオーディオの大敵「ジッタ」

デジタルオーディオシステムにおけるクロックは、「信号変換のタイミングを決める信号」と表現することができます。アナログ信号である音とデジタル信号の音源データとの変換はサンプリング周波数に基づいて行われますが、このサンプリング周波数を供給しているのがオーディオマスタークロックです。
クロックが完璧に一定のタイミングを供給し、その通りに変換が行われる状態が理想ですが、現実には微妙なタイミングのずれが存在します。これをジッタと呼びます。

ジッタが大きくなると、サンプリングのタイミングがずれることにより変換後の波形に歪みができます。その結果、オーディオ性能としては全高調波歪み率やS/N比（信号対雑音比）の悪化、聴感的には空間表現やダイナミックレンジの制限として認識されます。

回路設計だけではない、ジッタ低減のカギ

ジッタを発生源で分類すると、回路や電源ノイズに由来するものと、最初の出発点となるクロック源自体に由来するものとに分けることができます。低ジッタのクロック源として一般的に使われているのが、水晶発振器です。水晶には圧電効果と呼ばれる性質があり、電圧を加えると一定の周波数で安定して振動します。この振動を利用して、非常に精度の高いクロックを生成できることから、オーディオ機器のほか、通信機器や計測機器向けに広く用いられています。

なお、水晶発振器は水晶振動子に発振回路を組み合わせたモジュールで、発振回路を設計するコストや基板面積を削減できるといったメリットがあります。それらに内蔵された水晶振動子は純粋な振動素子であり、発振回路と組み合わせて使用されますが、「一定の周波数を生み出す」という機能面では中核部品であるといえます。低ジッタを実現するためには、発振回路の性能向上に加えて、高品質な水晶振動子の選定もキーになります。

水晶振動子の性能差を決める「Q値」

「Q値（Quality Factor）」は、水晶振動子の位相ノイズ・ジッタの性能を測る指標として知られています。Q値とは、特定の周波数に対する共振の鋭さを示す指標であり、高いほど必要な周波数以外の振動成分が少なくなります。理想的なクロック信号では、図1のようにスペクトラムが鋭い一本の線になりますが、実際には図2のように、近傍に余分な周波数成分を持ちます。この余分な周波数成分を「位相ノイズ（位相雑音）」といいます。

水晶振動子のQ値は加工・封止・パッケージといった後工程の設計によっても左右されますが、素材となる水晶原石そのものの品質がとても重要です。水晶振動子のQ値とは別に、水晶原石そのものにもQ値があります。原石のQ値と相関を持つ結晶品質のパラメータが、「α値」です。α値は人工水晶原石の赤外線吸収係数を表しており、低いほど透明（赤外線を吸収しない）です。このα値が低いほど、Q値が高くなることが知られています。質の高い原石の使用が、高精度なクロックの実現につながるといえます。

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まとめ：クロックジッタと水晶振動子の品質について

デジタルオーディオ再生において、クロック信号のジッタとはサンプリングタイミングの微細なずれであり、音質劣化（波形歪み、空間表現の制限）の要因となります。
ジッタの発生は回路ノイズだけでなく、クロック源である水晶発振器／水晶振動子そのものにも起因します。
水晶振動子の性能指標である「Q値」は、位相ノイズ・ジッタ特性に直接関係し、高いQ値ほどノイズ成分が少なくなります。
水晶振動子の高いQ値を実現するには、水晶原石の結晶品質が重要であり、高純度な結晶ほど高性能な水晶振動子が製造できます。

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通信インフラ向けOCXOの搭載品で、ハイエンドオーディオ機器やプロフェッショナル音響機器、測定機器などに最適です。

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