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基礎理論サンプリング定理

ナイキストのサンプリング定理に関する説明として正しいものはどれか。

ア.音声データを圧縮するには、サンプリング周波数を元の半分にすればよい。
イ.音声を正確に再現するには、録音時の時間を2倍にしてデータを取得する必要がある。
ウ.アナログ信号を正確に再現するには、信号に含まれる最高周波数の2倍以上のサンプリング周波数が必要である。正解
エ.デジタルデータを正確にアナログ変換するには、量子化ビット数を2倍にする必要がある。

解説

ナイキスト定理は「サンプリングは2倍速で撮れ」ルール。20kHzまでの音を録音するなら40kHz以上でサンプリングしないと音が崩れます。CDが44.1kHzの理由がここにあります。

なぜ ウ が正解か

ナイキスト-シャノンのサンプリング定理: 「帯域幅 B の信号を完全に再現するためには、サンプリング周波数 fs ≥ 2B が必要」 例: 人間の可聴域 20Hz〜20kHz → 最高周波数 20kHz の2倍 = 40kHz 以上でサンプリング → CDは 44.1kHz(余裕を持った設定) 2倍未満でサンプリングすると「エイリアシング(折り返し雑音)」が発生し、元の信号を正確に再現できません。

なぜ ア は間違いか

サンプリング周波数を半分にすると、再現できる最高周波数も半分になり音質が大幅に劣化します。サンプリング定理は「最低限必要なサンプリング周波数の下限」を示すものであり、半分にしてよいという内容ではありません。

なぜ イ は間違いか

録音時間を2倍にするとデータ量が2倍になりますが、サンプリング定理とは無関係です。サンプリング定理は「時間」ではなく「サンプリング周波数(1秒間に何回測定するか)」について規定しています。

なぜ エ は間違いか

量子化ビット数はデジタル音声の「音の細かさ(ダイナミックレンジ)」を決定します。ビット数を2倍にするとダイナミックレンジが広がりますが、これはサンプリング定理(周波数の話)とは別次元の設定です。

出典: AI生成問題(学習用)