efu さん作成のソフトウェア、WaveSpectra（2024年現在リンク先不明） は、PCの音声信号を再生（または録音入力）して、FFT解析を行うことができるツールとしてよく知られています。再生音のスペクトル表示の時間変化、つまりグラフィックイコライザなどにあるオブジェ的なものとしてこれまでも楽しんでいましたが、もしかして測定器並みの使い方もできるのでは？と考えました。
ネット情報を当たってみるとそのように使われており、十分な検証もないまま、非常に高価なスペアナの代用としてまかり通っている感がありました。しかし実際そんな信頼度があるのかという疑問もあります。アナログ音声信号を入力としている場合、PCのサウンドボード（サウンドシステム）の性能に依るところは非常に大きく、とてもではないが測定器の代替にはならないだろうとこれまで思っていました。
それ以前の問題として、測定に耐えうる高品位な音声信号源装置すら持っていません。しかしPCですからWaveデータはプログラム的に作ることはできます。それを完璧にアナログ信号にできているならSGの代用はできるはずです。ありがたいことにefuさんのソフトウェアにはWaveGeneという音声波形生成（再生）ソフトもあり、簡単に信号源を作ることができます。ひょっとしてこれのアナログ出力音をアナログ入力に入れてWave Spectraで表示すれば、オーディオ回路系の性能評価も十分な精度で可能となるのではないか？と考えました。ひずみやノイズがサウンドデバイスのアナログ入力系にあるのかアナログ出力系にあるのかの区別はできませんが、それぞれを同時使用したときに十分な性能が認められれば、少なくとも出力には十分な性能があると言えるはずです。
というわけで、いくつかのマザーボードのオンボードサウンドシステム、USBサウンドシステムについて、サウンド入力と出力を物理的にRCAピンコードで繋いで（Windowsのミキサ経由でなく）、まず可聴帯域の50～15000Hzのサイン波をWave Geneで生成、出力してみました。入力も同じで、Wave Spectraで信号を見ます。 このとき注意する必要があるのは、
Intel Core i第２世代以前のマザーボードのサウンドチップについてはそもそもハイレゾ規格相当に対応していないのでボツとなりました。
以下の調査は、RealtekのサウンドデバイスALC892が載った第3世代 Core i用 Asrock製マザーボードについてです。このチップはとくに高級なものというわけでもありませんし、搭載しているマザーボードは多いです。
図１ 1kHzのサイン波の出力をループバックさせて入力
図１は1kHzのサイン波をWave Geneで生成しながらWave Spectraで受けたものです。横軸の周波数は対数目盛、縦軸のパワーも対数(dB)であることにはご注意ください。1kHzのところに棒が立ち、それ以外の周波数のところは微少なランダムな値となっています。もしサウンドデバイス内で高調波ひずみが発生していると、1kHzの整数倍のところに棒が立つはずですが、ほとんど見られません。ノイズレベルは-120dBのところにあるように見えますが、デジタルの最大値を0dBとはせず、単一周波数サイン波の最大パワーが-20dBとなるようにボリウムを設定しています。1kHzを0dBとするとノイズレベルは概ね -100dB以下です(S/N比100dB以上)。これは非常に優秀であり、高級なオーディオアンプの増幅回路なみの実力です。所詮PCのオンボードサウンドと馬鹿にしていましたが、一般的な（とくにレトロな）オーディオ装置のひずみ計測には十分使えるレベルだということがわかり、驚きました。
図２ 10kHzサイン波の場合
図２は10kHzのサイン波の場合で、ひずみ率は0.005%程度と表示されていますが、値の変動はやや大きいです。WaveSpectraの説明文では、最大パワーとなる周波数の整数倍のスペクトルのパワーをかき集めてひずみ率を算出しており、オーディオでよく言われる全高調波ひずみ率に相当するものとなっています。バックグラウンドのノイズや50/60Hzの商用電源ハムノイズの影響はカウントされません。
図３ 50Hzサイン波の場合
周波数の低い方も念のため調べてみます（図３）。50Hzは十分に聞こえる低音ですが、さすがに少しひずみ率が悪化し0.05%程度となりました。100Hzの第2高調波もみえます。
いずれにしても 0.01%未満の値があればオーディオ帯域の測定系としては十分で、さほど高級でない測定器／信号発生器に匹敵する能力はあることがわかりました。
サンプリング周波数を192kHzにすることは仕様上できるだけで、上限96kHzに達するような高周波の信号が実際にまともに扱えるわけないだろうと思っていましたが、試しに19kHz,38kHz,53kHzのサイン波（これらの周波数である理由は後述）をループ再生したときに、レベルがほとんど低下しないことがわかりました（図４）。40kHz以上ではバックグラウンドのノイズが少し増える兆候は図１にも見られますが、53kHzのときの信号レベルの低下は1dBにも満たないのです。ただし高調波は多少見えますし、ひずみ率も可聴域より悪化しています。それでも0.01%程度ですから優秀で、オーディオ機器を超えて測定器／信号発生器スペックといえます。非常にお高いスペアナもオーディオアナライザも信号発生器（SG)も、素人の趣味範囲では買う必要がなくなったのです。
図４ 上から19kHz,38kHz,53kHzのスペクトラム
このような可聴域を大きく超える高周波の特性は、音声の再生においてどうでも良く、個人的にはオーディオメーカが喧伝するハイレゾ音源なんていうものには興味はありません。にもかかわらず高周波の特性を調べたかったのは、次に述べるようにFMチューナー/ラジオの調整、評価に使えるかもしれないというもくろみがあったからです。
FMの音声信号は50Hz～15kHzと決まっていますがそれはモノラルの変調音声信号の場合であって、ステレオ放送では、左チャネルと右チャネルの差信号を非可聴域の38kHzの「サブキャリア」にAM(正確にはDSB)変調を掛けて送っています。AM変調では側波帯(DSB)が発生し、23kHzから53kHzまでの間に信号成分が分布することになります。なおサブキャリアの38kHz自体は出力されないことになっています（図５）。
図５ FMステレオ放送の周波数帯域について
これらの高い周波数帯の信号が減衰したりひずんだりすると、正常なステレオ再生になりません。しかしサウンドシステムのループ再生でこの帯域が高品位に再生できているということは、少なくとも出力は正しくされており、信号発生器(SG)として十分だということです。この出力をFMチューナのステレオ復調部に入れて、復調回路の性能を測ることができそうだという期待ができます。
FMステレオ放送では、左右の和信号と差信号のほかに、サブキャリア38kHzの基準を作るパイロット信号19kHzのサイン波をFM変調度で10%ほど加えるほか、左右の音声信号自体を高域側で持ち上げる「エンファシス」という高域強調処理が付け加わっています。それらによって作られるのが「FMステレオコンポジット（複合）信号」というものです。
図６ ステレオコンポジット波形作成時のWaveGeneの設定画面
コンポジット信号をPC上で生成・混合するのも結構大変なわけですが、Weve Geneには応用例としてコンポジット信号の生成例が掲載されています。２チャネル以上の信号源を持たせることができる設計である上に、２つの信号源どうしの変調もできるので、FMステレオコンポジット信号の生成のような応用が可能となっているわけです。WaveGeneの設定の概要は図６のとおりです。左右の音声信号を「ユーザ波形」として先に作成しておく必要があります。通常の測定では、左右とも1kHzのサイン波を用意しますが、周波数は可聴範囲でいろいろ試すとよいでしょう。
図７ 左400Hz,右1kHzの「FMステレオコンポジット信号」のスペクトラム
WaveGeneで左チャンネル400Hz、右1000Hzで45％ずつでサブキャリアに変調をかけて生成したFMステレオコンポジット信号を、ループバック再生したときのWaveSpectraの表示が図７です。測定系のボリウム設定はこれまでと同じです。主信号のレベルは-27dBです。もとが-20dBですからほぼ45%です。19kHzパイロット信号のレベルは-38dBで、-20dBを基準とすればほぼ10%です。38kHzのサブキャリアは存在しませんがDSB変調なので38kHz±1kHzや38kHz±400Hzの４本のスペクトルが34dBで立っているのがわかります。スペクトル分布をみると、上記以外のよけいな高調波はほとんどみられません。非常によい品位のコンポジット信号だと言えます。
なお1kHzの左信号＝－右信号とした場合、和信号は相殺されてゼロとなり、主信号の領域にスペクトルは現れません。38kHz±1kHzのところに２本の差信号のスペクトルが立つほかは19kHzのパイロット信号があるだけです。他に余計なスペクトル成分が現れないことも確かめられました。このPCサウンドシステムの優秀さを示しています。
単一周波数のサイン波によるコンポジット信号を作ることができ、PC内蔵サウンドデバイスでそのアナログ出力がかなり高品位にできることがわかったわけですが、FMチューナに受信させるためには、モノラルの音声信号またはステレオコンポジット信号を放送波帯の電波に乗せる必要があります。ここはPCシステムで完結できるレベルではないため、電波帯域用の信号発生器（SG）を使う必要があります。簡易なFMワイヤレスマイクのシステムでは、信号レベル対FMの周波数変位の直線性が怪しいので、一定レベル以上の信頼性のある信号発生器は必要です。パナソニック製の昭和の時代のSG（当然校正などしていない）を使用しています。周波数精度は他の100MHz対応の周波数カウンタ２台と５桁一致していたのでまあ大丈夫でしょう。アッテネータのレベルの信頼度がわかりませんが、電界強度表示可能なチューナに入力してみて大きな差は認められませんから、まあ使えるものと思います。
測定器として売られているものは少なくともカタログスペックでのひずみ率0.05％は保証されています（実際には0.01%くらいはある）。FMチューナの再生系では0.1%のひずみ率がその通りに測定できれば十分です。0.01%未満の違いは耳でわかる物ではないと思いますし、PCサウンドデバイス測定系の精度からいっても0.01%オーダーが限界です。
図８ あるFMステレオチューナの単一サイン波音声出力のスペクトラム
ステレオ時にはパイロット信号の19kHzが漏れる可能性があります。まともなFMチューナではフィルタが掛けられているかキャンセル回路があって、漏れは65dB以下に抑えられています。このチューナでは19kHzの読み値が90dBですからちょうど65dBの抑圧になっています。なお15-22kHz付近にスペクトルが立っていますが、これは19kHzと1kHzの相互変調によって発生したひずみ（雑音）成分です。ほぼ聞こえない周波数帯であるうえに信号に対し60dB以上の開きがあるので十分でしょう。モノラルにくらべステレオで雑音が気になるのは、こうした信号の影響です。
そのほか38kHzの周りにもスペクトルが立っていますが、これは差信号の漏れで、なるべく少ない方がよいチューナです。出力フィルタで取り切れていないようです。57kHzにもありますが、これは19kHzの３倍高調波です。これらは19kHz以上をガッツリ切るフィルタを設ければ除去できますが、位相回転など可聴域の音質に小なりとも影響を与えます。どうせ聞こえない周波数の信号なのであまり神経質に除去しないほうがよいという考え方もあります。
図９ 高級なFMステレオチューナの場合
かなり高級なチューナになると、図９くらいの性能が得られます（主信号を約0dBとしている点に注意）。パイロットおよびキャリア信号の漏れが十分小さくないのは気になりますが、ひずみ成分はステレオにもかかわらず非常に小さいです。0.1～0.01％のオーダーは十分にあります。ちなみにカタログスペックでは0.008%(1kHz)となっているのですが、本PCサウンドシステムでは測定限界に近いです。いっぽうで60Hzのハムノイズが目立っており、果たしてこれで高級機といえるのかどうか･･･。
FMチューナの音声出力端子では、音声信号の帯域は15kHzまでで切られます。既に述べたような19kHzやそれ以上の成分はあくまでも「漏れ」であり雑音です。しかし検波回路の段階で出される信号には、ステレオの差信号、パイロット信号のほかに、FMの帯域を利用した文字・データ放送の信号までもが存在する可能性があります。
図10 上：民放局放送中、下：NHK放送中の検波出力のスペクトラム
民放FM局のある瞬間（トークの合間の比較的静かなとき）の放送波のダイレクトな検波出力ポイントの信号をWaveSpectraで解析したのが図10上です。高い周波数領域が識別しやすいように、周波数軸を対数ではなくリニアとしています。赤線のグラフは測定期間中の最大値です。音声出力端子には出て来ない高い周波数の信号が見えます。15kHz以下の帯域の主信号（左右の和）のほか、19kHzのパイロット信号、23～53kHzの間の差信号があります。いっぽう同じ条件でNHK FMの放送を解析したのが図10下です。NHKの放送波には76kHz±12kHz程度のところに、差信号よりも強いくらいの成分が広く分布しています。丸みを帯びた山型スペクトラムであり、デジタル変調かつスペクトラム拡散の変調が行われていることがわかります。これがVICSデータ信号の正体でしょう。
調べてみると、VICSの前身としてDARCというデータ放送が1994年10月からなされていたようです。放送にさかのぼって規格制定のための情報がFMチューナのメーカにもあったはずで、1980年代中頃には、53kHzを超える周波数域を使用した放送への対応が考慮されていたはずです。それ以降のFMステレオチューナでは、検波段とステレオ復調段の間の段階で53kHz以上をカットするようなフィルタを入れるようになったと考えられます。少なくとも100kHzを超える信号は隣接局の妨害でしかないので必ずカットされているはずですが、もっと低い周波数で切る必要があります。
実際手持ちのFMステレオチューナ（1982年以前製造）のなかには、NHK FMステレオ受信時のみ、「チリチリ」という音とともに高い音のノイズがかなり入るものがいくつもあります。部品交換修理をしてもノイズが改善しなかったため、原因になりそうな情報を収集したり実験していましたが、FMチューナの劣化不良ではなく、VICSの信号によるノイズだということがわかってきました。これはレトロFMチューナを今時常用しようという人には重大な問題ですが、あまり知られていないかもしれません。
検波段とステレオ復調段の間にあるフィルタを改造なり交換なり調整なりしないとなりませんが、一般の人には無理です。半田付けができたとしても調整は大変難しいです。基本的には当該箇所をカットして、新設計のフィルタ回路を挟むことになるでしょう。しかしそのためのパーツにはインダクタ（コイル）を使う必要があり、入手も自作もままなりません。レトロオーディオ趣味の人にとっては頭の痛い（やりがいのある？）話です。
ということで、もし昭和レトロブームで旧いFMチューナをこれから手に入れようという場合、NHKを聴きたいのであれば、1980年代中期以降のもの(基本的にバリコンチューナはあり得ない)を選ぶべきです。かといって今時売られている新品チューナは非常に低スペックです。設計も2000年ころから変わっていません。2010年頃にはDigigal Signal Processor採用のものとなっているかもしれませんが、高周波回路の特性は往年のチューナには及ばず、受信機という点で見劣りします。
ところでNHKのサイトにはネットで聴ける「らじる★らじる」があって、放送後一週間はそこからダウンロードして聴くことができます。ノイズもチューニングのズレも全くありません。動作が怪しいレトロFMチューナを買い求めたり、庭に大きなアンテナを立ててまで聴く、ということにさほど意味はないような気がします。ただのノスタルジーです。
検証のために「らじる★らじる」の音声データをこれまたWaveSpectraで表示してみました。オンボードのサウンドシステムの出力にアナログで再生信号を出し、それをループバックして入力とし、WaveSpectraでレコーディング状態にしました。毎正時開始の番組を選んで再生を開始し、880Hzの時報が鳴った瞬間を捕らえたのが図11です。もともと時報がどの程度高純度のサイン波とされているのか不明ですが、時報を完全なサイン波として２次高調波の成分を見ると 主信号とは75dB近い差があります。WaveSpectraが示す全高調波ひずみ率は0.0167%となっていますし、0.1%より大きく下回っていそうです。スペクトルのピーク時（赤線）を見るとスペクトル分布はきっちり15kHzで急峻に切られたものとなっていました。10kHz付近のノイズレベルも非常に低いです。ネットラジオの音声では何かしらの情報落ちはあると思いますが、よく整備・調整されたＦＭチューナで放送波を聴くのと同程度の品質はありそうです。高域の雑音がないぶん耳には快適でしょう。
図11 NHK「らじる」の音声中の時報のスペクトラム（左チャンネル）
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