パルス符号変調

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Sampling and quantization of a signal (red) for 4-bit PCM

パルス符号変調（パルスふごうへんちょう）、PCM (pulse code modulation) は、音声などのアナログ信号をパルス列に変換するパルス変調の一つである。

[編集] 概要

PCMはアナログ信号を標本化（サンプリング）・量子化し、得られた信号の大きさを二進の数値データとして表現する。このため、他のパルス変調法に比べ、計算機による処理を行いやすい利点がある。音声記録用には線形量子化以外にも、折線量子化（NT）、対数量子化（DATのLPモード）が利用されており、これらは人間の聴覚系の特性を利用して実用性を維持しながらデータ量を削減している（マスキング効果ともヴェーバー‐フェヒナーの法則とも解釈できる）。差分符号化と量子化幅の適応的制御により、品質を落とさずにPCM信号のデータ量を圧縮するものにADPCMがある。

[編集] 用途

• 音声・映像のデジタル記録 :CD-DAやDAT・リニアPCMレコーダー・MD・DVDビデオ・DVDオーディオ・BDMV・BDAV・PLAYSTATION3用ゲームソフト・XBOX360用ゲームソフトなど
• 音声・映像のデジタル伝送 :デジタル放送・ISDNなど
• 遠隔監視・計測・制御のデータ転送方式

[編集] PCMプロセッサ

音声信号をビデオ信号に、あるいは逆に変換する装置。音声信号のPCM符号化と、PCM信号のNTSC等への変換を行う。統一規格があり、かつては民生用機器も発売され、ビデオテープレコーダーと組み合わせて高忠実度音楽録音等に用いられた。例えばDATは、機能的にはPCMプロセッサとビデオテープレコーダーを小型化し一体化したものである。

[編集] PCM音源

PCMデータをDA変換装置によって変換することで音を再生する装置をPCM音源という。サンプラー、サンプリング音源と呼ばれることもある。

[編集] ソフトウェアPCM

音声データをソフトウェア的に加工・合成する技術。1チャンネルしかないハードウェアでの複数チャンネルの再生、再生周波数・音量が固定されているハードウェアでの任意周波数・音量の再生が可能である。ソフト側から見ると、任意の個数・性能の仮想PCM音源を鳴らす形となる。

CPUのクロックが数MHzしかないような時代から存在する技術(高度なプログラム技術による)であるが、近年CPUの大幅な処理速度向上により、よりリッチな表現が可能になった（2008年現在、環境にも因るがCPU占有率1％未満）。DirectXで音声データに音階を付与する機能、ソフトウェアMIDI音源などは、いずれもこの技術により成り立っている。家庭用ゲーム機でソフトPCMを利用しているものの代表として、ゲームボーイアドバンスが挙げられる。一方、ソフトPCMをほとんど利用しないゲーム機にはプレイステーション2などがある、これはPS～PS2において、ハードウェアPCMまたはストリーミング再生というスタイルがほぼ確立しているためである。

[編集] 非PCM音源によるソフトウェアPCM（シンセサイザー）

MSXなど、標準でPCM音源を持たないハードでも、BEEPやPSGなどでソフト的にPCM再生を実現することもあった。X68000のYM2151（FM音源）を利用したソフトPCMも存在し、45KHzというCD-DA以上の高サンプリング周波数を実現している。

[編集] リニアPCM

CD-DA、DVDオーディオ、一部のDVDビデオ、BDビデオ、プレイステーション3用ゲームソフトで用いられる音声方式の一種。Linearは「直線状の」「無圧縮の」意。LPCMやPCMとも表記される。サンプリング周波数や量子化ビット数が大きいほど高音質（原音に近い）となる。非圧縮音声であるため、音質の劣化や可逆圧縮や不可逆圧縮の音声に見られる「せせこましい感じ」や「圧縮した感じ」^[要出典] が無い。

CD-DA

サンプリング周波数（標本化の回数）は44.1kHz、量子化信号数16bit（2¹⁶）＝0～65535段。2.0chステレオ。

DVDビデオ

非必須。量子化信号数16/24bit、サンプリング周波数は48/96KHzまで対応している。転送レートは最大1.5Mbps、チャンネル数は2.0chステレオが上限である。その為DVDビデオでは多くのソフトが、ドルビーデジタルを用いて5.1chサラウンドに対応している。

DVDオーディオ

次世代CD規格の1つ。サンプリング周波数は最大192kHz、量子化24bit。チャンネル数は2.0chステレオのものが一般的。

BDビデオ

サンプリング周波数は48/96/192kHz、量子化信号数24bit、チャンネル数は7.1chサラウンド（192kHz時のみ5.1chサラウンド）が上限だが、2008年現在、殆どのソフトウェアは5.1chサラウンドである。最高転送レートは27.4Mbpsで固定式（比較対象としてHD DVDでは5.1chサラウンド、13.5Mbpsが上限）。圧縮を行わない分、可逆圧縮音声であるドルビーTrueHDやDTS-HDマスターオーディオと比べて計算（エンコード・デコード）は簡単になるが、無論使用帯域は増える事になる[1][2]。
再生には、リニアPCMでのサラウンド出力に対応したBDプレーヤーと、再生に対応したAVアンプのHDMI端子ケーブルでの接続が必須となる。その為DVDプレーヤーで一般的であった、光デジタル音声端子ケーブルでのリニアPCM音声出力は、2.0chステレオまでとなる。

PLAYSTATION3用ゲームソフト

最高で7.1ch（48kHz/16bit）にまで対応している。最近のPS3用ソフトはリニアPCM5.1chとドルビーデジタル5.1chのサウンドを収録したものが多く、規格上マルチチャンネルサラウンドにおいてはドルビーデジタル5.1chにしか対応していないXBOX360用ソフトに対するアドバンテージとなっている。7.1ch収録のものは特にサウンド面にこだわったソフトの場合が多く、その多くはSCE製品であることが多い。

XBOX360用ゲームソフト

最高で2chステレオにまで対応している。ドルビーデジタル5.1chでゲームサウンドを収録していないXBOX360用ソフトは、全てリニアPCM2chでのサウンド収録であると推察される。ドルビーデジタル2chである可能性は低い。

[編集] 雑音

量子化雑音

PCM音声では原理上、量子化する際に音の高低の差異によるひずみが発生してしまうことがある。これを抑えるためには、量子化ビット深度を増やす必要がある。

折り返し雑音

最低でも、音声周波数の2倍以上のサンプリング周波数を持たない限り、高音の標本化を上手く行えないことがある。このため、サンプリング周波数はより高周波であるほど、高音も忠実に再現することができる。また、ノイズが減ったり、細かい音や小さい音がよりクリアかつシャープになる等のメリットがある。そして、音がより滑らかになり温かみを持つようになり聴き心地が良くなる。

[編集] 関連項目

• 符号化方式
• 誤り検出訂正
• ADPCM
• 生録
• クリップレベル