デジタル音響センシングの90年来の技術的制約を克服する新方式を実証（Imperial Engineers Challenge 90-Year Limitation in Digital Audio Sensing）

デジタルオーディオ技術は、シャノン・ナイキストのサンプリング定理に基づき、等間隔サンプリングと一様量子化を基本としている。しかし、この従来方式では、入力信号が変換器の許容範囲を超えるとクリッピングが発生し、信号情報が不可逆的に失われるほか、量子化ノイズによってデジタル信号の分解能にも限界が生じる。本研究では、こうしたアナログ・デジタル変換の根本的な制約を克服するため、無制限センシングフレームワークに基づく新しい音響信号取得方式「USF-Audio」を提案している。この方式は、アナログ入力回路と信号復元アルゴリズムを一体的に再設計し、従来の固定的な入力範囲や量子化精度への依存を低減することを目指す。理論的解析、アルゴリズム開発、ハードウェア実証を組み合わせることで、新方式の実現可能性を検証した。本研究は、従来のサンプリング・量子化方式を前提としたデジタル音響技術を再構築し、広いダイナミックレンジと高精度な音響信号取得を実現するための新たな方向性を示している。
Digital audio technology traditionally relies on the Shannon–Nyquist sampling principle, employing equidistant sampling and uniform quantization. However, this conventional architecture imposes fundamental limitations: signals exceeding the input range of an analog-to-digital converter suffer irreversible clipping, while quantization noise restricts effective digital precision and limits downstream signal-processing and machine-listening algorithms. To address these challenges, this study introduces USF-Audio, a new audio acquisition framework based on the Unlimited Sensing Framework. The proposed approach jointly redesigns the analog front-end and signal-recovery algorithms, aiming to overcome the limitations associated with fixed input ranges and conventional quantization. The research combines theoretical analysis, algorithm development, and hardware validation to demonstrate the feasibility of this acquisition-centric approach. By reconsidering the conventional assumptions underlying digital sampling and quantization, USF-Audio offers a new direction toward capturing audio signals with extended dynamic range and improved precision, potentially benefiting advanced audio processing and machine listening applications.