パルス符号ふごう変調へんちょう

パルス符号ふごう変調へんちょう（パルスふごうへんちょう、PCM、英語えいご: pulse code modulation）とは音声おんせいなどのアナログ信号しんごうを、アナログ-デジタル変換へんかん回路かいろにより、デジタル信号しんごうに変換へんかん（デジタイズ）する変調へんちょう方式ほうしきの一ひとつである。

4ビットPCMによる信号しんごうの標本ひょうほん化か及および量子りょうし化かの例れい。赤あかい線せんがアナログ信号しんごうであり、青あおい点てんが標本ひょうほん化か及および量子りょうし化か後ごのデータである。

概要がいよう

アナログ信号しんごうに対たいして標本ひょうほん化かおよび量子りょうし化かを行おこない、数列すうれつとして出力しゅつりょくする。サンプリング周波数しゅうはすうが高たかく量子りょうし化かビット数かずが多おおいほど変換へんかん前まえに近ちかい高こう品質ひんしつなデータになるが、データサイズが非常ひじょうに大おおきくなるという問題もんだいがある。PCMの実用じつよう化かは古ふるく、1943年ねんから1946年ねんまで運用うんようされたSIGSALYで人類じんるい史上しじょう初はじめて実用じつよう化かされた。

種類しゅるい

量子りょうし化かの方式ほうしきの違ちがいにより、様々さまざまな種類しゅるいのPCMが存在そんざいする。ほとんどの場合ばあい、現代げんだいに用もちいられているPCMはサンプリング周波数しゅうはすうが一定いっていである。PCMには非ひ圧縮あっしゅくのものと圧縮あっしゅくされたものが存在そんざいするが、圧縮あっしゅくされたPCMは音質おんしつの劣化れっかを抑おさえつつデータ量りょうを削減さくげんしている。圧縮あっしゅくを掛かけていないリニアPCMが最もっともエンコード，デコードが簡単かんたんであり、回路かいろやソフトウェアに掛かかるコストの問題もんだいから、通信つうしん帯域たいいきが狭せまいあるいは記録きろく容量ようりょうが少すくないなどの場合ばあい以外いがいはリニアPCMが採用さいようされることがほとんどである。但ただし、21世紀せいきに入はいってからは、圧縮あっしゅくする場合ばあいでも単たんに量子りょうし化かの方法ほうほうを工夫くふうするよりは、MP3やAACやFLACなど、音声おんせいスペクトル分析ぶんせきやチャンネル間あいだ相関そうかん分析ぶんせきや予測よそくなどの様々さまざまな技法ぎほうを駆使くしするデータ圧縮あっしゅく方式ほうしきが多おおくなった。

リニアPCM（線形せんけいPCM）

線形せんけい量子りょうし化かを用もちいたもの。例れいとしては、CD-DA、DVD-Audio、一部いちぶのDVD-Video、BD-Video、PlayStation 3用ようゲームソフトなどで採用さいようされている。

ADPCM（適応てきおう差分さぶんPCM）

差分さぶん符号ふごう化かと量子りょうし化か幅はばの適応てきおう的てき制御せいぎょにより、品質ひんしつをあまり落おとさずにデータ量りょうを圧縮あっしゅくするPCM。例れいとしては、1990年代ねんだいのアーケードゲームなどで採用さいようされた。

DPCM（差分さぶんPCM）

差分さぶん符号ふごう化かのみを用もちいて、データ量りょうを圧縮あっしゅくするPCM。例れいとしては、ファミリーコンピュータの音源おんげんチップの1機能きのうとして採用さいようされた。

折線おれせん量子りょうし化かを用もちいたPCM

初期しょきのPCMプロセッサー（1977年ねん発売はつばいのソニーPCM-1など）やNTで採用さいようされているダイナミックレンジ圧縮あっしゅくのための量子りょうし化か方式ほうしき。3折線おれせん，5折線おれせんなど、製品せいひんごとに考慮こうりょする折線おれせんの本数ほんすうに差異さいがあり、ダイナミックレンジ伸長しんちょう後ごの相当そうとうbit数すうも異ことなる（考慮こうりょする折線おれせんの本数ほんすうが多おおいほどダイナミックレンジは改善かいぜんするが、折線おれせんが多おおい分ぶんだけコストも高たかく付つく）。

対数たいすう量子りょうし化かを用もちいたPCM

電話でんわ網もう（μみゅー-lawやA-law）やDATのLPモードなどで採用さいようされている。デジタル版はんのコンパンディングである。

浮動ふどう小数しょうすうを使用しようして量子りょうし化かされたPCM

浮動ふどう小数点しょうすうてん数すうを用もちいたPCM。可聴かちょう領域りょういきを-1.0～1.0と定さだめているが、その外部がいぶ領域りょういき（-∞～-1.0、1.0～∞）の波形はけいも潰つぶさずに保持ほじすることが可能かのうとなっている。そのため、適切てきせつな場所ばしょで使用しようすることで、クリッピングノイズ（音おと割われの一種いっしゅ）を防ふせぐことができる場合ばあいがある。また、非ひ正規せいき化か数すうという例外れいがいを除のぞき有効ゆうこう桁数けたすうが常つねに一定いっていであることから、音量おんりょうの大小だいしょうで量子りょうし化か歪ゆがみによる潰つぶれ易やすさが変かわらないという利点りてんもある。例たとえば、メディアプレーヤーの内部ないぶ処理しょりや、DAWの内部ないぶ処理しょりと作業さぎょう途中とちゅうのプロジェクトファイルではこの形式けいしきが採用さいようされることが多おおい。

ノイズと歪ゆがみ

変調へんちょう時じ、以下いかのノイズおよび歪ゆがみが発生はっせいする。

サンプリングノイズ

標本ひょうほん化か雑音ざつおん。周波数しゅうはすうスペクトルで見みるとサンプリング周波数しゅうはすうの半分はんぶん（ナイキスト周波数しゅうはすうという）の周波数しゅうはすうを折おり目めにして折おり返かえしたように現あらわれることから折おり返かえし雑音ざつおんともいう。

標本ひょうほん化か定理ていりにより、最低さいていでも音声おんせいに含ふくまれる最もっとも高たかい周波数しゅうはすう成分せいぶんの2倍ばい以上いじょうのサンプリング周波数しゅうはすうを持もたない限かぎり、高音こうおんの信号しんごうが折おり返かえされ、偽にせ信号しんごうとして現あらわれる。このため、サンプリング周波数しゅうはすうはより高たかいほどより高音こうおんを再現さいげんできる。

また、再生さいせい時じには同様どうようにして原げん信号しんごうを折おり返かえしたような偽にせ信号しんごうが発生はっせいし、ノイズとなる。オーバーサンプリング方式ほうしきでは、最初さいしょに元もと信号しんごうをデジタルフィルタで数すう倍ばいのサンプリング周波数しゅうはすうに変換へんかんすることで折おり返かえし雑音ざつおんを高周波こうしゅうは数すう帯域たいいきに移動いどうさせ、その後ごにアナログ変換へんかんとローパスフィルタ回路かいろによる折おり返かえし雑音ざつおんの除去じょきょを行おこなっている。

量子りょうし化か歪ゆがみ

上うえのグラフは元もとの信号しんごう（青あお）とそれを量子りょうし化かした信号しんごう（赤あか）を示しめしている。下したのグラフは量子りょうし化か誤差ごさ（2つの信号しんごうの差分さぶん）を示しめしている。

原理げんり上じょう、量子りょうし化かによってアナログ量りょうからデジタル値ねにする際さいの端はし数すう処理しょりによる誤差ごさ（量子りょうし化か誤差ごさという）のため、歪ゆがみ（量子りょうし化か歪ゆがみ）が発生はっせいする。また、これによる雑音ざつおんを量子りょうし化か雑音ざつおんという。これを抑おさえるためには、量子りょうし化かビット数すうを増ふやす必要ひつようがある。

クリッピングノイズ

録音ろくおん時じなどに、音量おんりょうが可聴かちょう領域りょういき（量子りょうし化かできる最大さいだい音量おんりょう）を超こえてしまった部分ぶぶんの波形はけいが切きり落おとされる処理しょり（クリッピング）により発生はっせいするノイズ。これを防ふせぐには、音声おんせい記録きろく時じに音量おんりょうを下さげる必要ひつようがある。ただし、可聴かちょう領域りょういきの幅はばに対たいして音量おんりょうが極端きょくたんに小ちいさい場合ばあいは量子りょうし化か歪ゆがみで波形はけいが潰つぶれてしまうため、適切てきせつな音量おんりょうで記録きろくを行おこなうことが大切たいせつである。

音おと割われを修復しゅうふくする作業さぎょうをデクリッピングなどと呼よぶ場合ばあいがあるが、この作業さぎょうで得えられる波形はけいはあくまで予測よそくによるものであり、本来ほんらいのものと大おおきくずれている可能かのう性せいがある。

用途ようと

CD-DA（音楽おんがくCD）

コンパクトディスクで採用さいようされた。サンプリング周波数しゅうはすう44.1kHzきろへるつ、量子りょうし化かビット数すう16bit、2chステレオ。

DVD-Video

非ひ必須ひっす。量子りょうし化かビット数すう16/20/24bit、サンプリング周波数しゅうはすうは48/96kHzきろへるつまで対応たいおうしている。転送てんそうレートは最大さいだい1.5Mbps、チャンネル数すうは2chステレオが上限じょうげんである。そのため、DVDビデオでは多おおくのソフトが、ドルビーデジタルを用もちいて5.1chサラウンドに対応たいおうしている。

DVD-Audio

DVD-Audioは、次世代じせだいCD規格きかくの1つであったが、音楽おんがく配信はいしんが普及ふきゅうした事ことで既すでに生産せいさんが行おこなわれなくなっている。サンプリング周波数しゅうはすうは最大さいだい192kHzきろへるつ、量子りょうし化か24bit。チャンネル数すうは2chステレオのものが一般いっぱん的てきである。

BD-Video (BDMV)

サンプリング周波数しゅうはすうは48/96/192kHzきろへるつ、量子りょうし化かビット数すう24bit、チャンネル数すうは7.1chサラウンドが上限じょうげんだが、2008年ねん現在げんざいではほとんどのソフトウェアが5.1chサラウンドである。最高さいこう転送てんそうレートは27.4Mbpsで固定こてい式しき（比較ひかく対象たいしょうとしてHD DVDでは5.1chサラウンド、13.5Mbpsが上限じょうげん）。圧縮あっしゅくを行おこなわない分ぶん、可逆かぎゃく圧縮あっしゅく音声おんせいであるドルビーTrueHDやDTS-HDマスターオーディオと比くらべて計算けいさん（エンコード・デコード）は簡単かんたんになるが、使用しよう帯域たいいきは増ふえることになる。再生さいせいには、リニアPCMでのサラウンド出力しゅつりょくに対応たいおうしたBDプレーヤーと再生さいせいに対応たいおうしたAVアンプのHDMI端子たんしケーブルでの接続せつぞくが必須ひっすとなる。そのため、DVDプレーヤーで一般いっぱん的てきであった光ひかりデジタル音声おんせい端子たんしケーブルでのリニアPCM音声おんせい出力しゅつりょくは、2chステレオまでとなる。なお、PlayStation 3ではシステムソフトウェアバージョン3.30以降いこうに搭載とうさいされた音声おんせい出力しゅつりょく設定せっていのビットストリーム（ミックス）機能きのうを使つかうことにより、リニアPCMで収録しゅうろくされたサラウンド音声おんせいをDTS、またはドルビーデジタルのサラウンド音声おんせいにダウンコンバートし、これら2規格きかくのうちいずれかが再生さいせい可能かのうな機器ききであれば、光ひかりデジタル音声おんせい端子たんしケーブルで接続せつぞくした機器ききでもサラウンドを再生さいせいさせることが可能かのうになっている（一いち度どはDTSないしドルビーデジタルに変換へんかんしているため、音質おんしつは劣化れっかする）。

ゲームソフト

PlayStation 3用ようゲームソフト

最高さいこうで7.1ch (48kHzきろへるつ/16bit) にまで対応たいおうしている。最近さいきんのPS3用ようソフトはリニアPCM5.1chとドルビーデジタル5.1chのサウンドを収録しゅうろくしたものが多おおく、規格きかく上じょう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にしか対応たいおうしていないXbox 360用ようソフトに対たいするアドバンテージとなっている。7.1ch収録しゅうろくのものは特とくにサウンド面めんにこだわったソフトの場合ばあいが多おおく、その多おおくはSCE製品せいひんであることが多おおい。

Xbox 360用ようゲームソフト

最高さいこうで2chステレオにまで対応たいおうしている。ドルビーデジタル5.1chでゲームサウンドを収録しゅうろくしていないXbox 360用ようソフトは、全すべてリニアPCM2chでのサウンド収録しゅうろくであると推察すいさつされる。ドルビーデジタル2chである可能かのう性せいは低ひくい。

IP電話でんわ

1チャネル当あたりの基本きほん速度そくどが64kbpsの場合ばあい、24チャネルで1.544Mbpsになる。

PCMプロセッサー

詳細しょうさいは「PCMプロセッサー」を参照さんしょう

アナログビデオテープレコーダーと組くみ合あわせ、音声おんせいをデジタル信号しんごうで記録きろくする装置そうち。アナログ-デジタル変換へんかん回路かいろとデジタル-アナログ変換へんかん回路かいろを備そなえる。業務ぎょうむ用ようと家庭かてい用ようの製品せいひんが発売はつばいされ、従来じゅうらいのテープレコーダーを上回うわまわる高音こうおん質しつの記録きろくが可能かのうな機器ききとして利用りようされた。コンパクトカセットが普及ふきゅうしていたことから、家庭かていへの導入どうにゅうはオーディオマニアなどの極きょく僅わずかな事例じれいのみに留とまり、業務ぎょうむ用ようレコーディングのデジタル化かを中心ちゅうしんに導入どうにゅうされた。

PCM音源おんげん

PCMデータをDA変換へんかん装置そうちによって変換へんかんすることで音おとを再生さいせいする装置そうちをPCM音源おんげんという。サンプラー、サンプリング音源おんげんと呼よばれることもある。

ソフトウェア技術ぎじゅつ

ソフトウェアミキサー

アプリケーションソフト側がわから見みると、任意にんいの個数こすう・性能せいのうの仮想かそうPCM音源おんげんを鳴ならす形かたちとなっていて、それらをPCM再生さいせいハードウェアに向むけてミキシングして送おくり出だす機能きのうを持もつソフトウエアがあり、ソフトウェアミキサーという。近年きんねんCPUの大幅おおはばな処理しょり速度そくど向上こうじょうにより、よりリッチな表現ひょうげんが可能かのうになった。DirectXで音声おんせいデータに音階おんかいを付与ふよする機能きのう、ソフトウェアMIDI音源おんげんなどはいずれもこの技術ぎじゅつによって成なり立たっている。家庭かてい用ようゲーム機きでこれを利用りようしているものの代表だいひょうとして、ゲームボーイアドバンスが挙あげられる。一方いっぽう、これをほとんど利用りようしないゲーム機きにはPlayStation 2などがある。これはPSやPS2において、ハードウェアPCMまたはストリーミング再生さいせいというスタイルがほぼ確立かくりつしているためである。

非ひPCM音源おんげんによるPCMデータの再生さいせい

PCM音源おんげんを持もたないゲーム機きでは、CPUでサンプリングデータを順次じゅんじDACに送信そうしんしてPCMを再生さいせいしたものがある。ネオジオポケットや光速こうそく船せんなどが単独たんどくでDACを搭載とうさいしていたほか、メガドライブやPCエンジンは音源おんげんの一部いちぶをDACとして使つかうことができ、それを使つかってPCMを再生さいせいしていた。

ハードウェア制御せいぎょを細こまかに行おこなうことにより、発声はっせいが可能かのうなハードウェアをDACに見立みたてて、音声おんせいを再生さいせいする手法しゅほうも存在そんざいしている。ビープ音おん用ようのハードウェアでパルス幅はば変調へんちょうを行おこなったり、矩形くけい波はの出力しゅつりょくをDACに見立みたててPSGによるPCM再生さいせいを行おこなう試こころみや、同様どうようにX68000ではOPMに音色ねいろとして矩形くけい波はを定義ていぎし、8チャンネルの出力しゅつりょくポートを利用りようすることで、最大さいだいでモノラルでは50kHz前後ぜんご、ステレオで25kHzきろへるつ前後ぜんこうのサンプリング周波数しゅうはすうの再生さいせいを可能かのうにしたソフトウェアも存在そんざいする。DACとしては非線形ひせんけい指数しすう的てきの特徴とくちょうを持もつなど、元々もともと想定そうていしていないハードウェアであるため、再生さいせいの音質おんしつは想定そうていした設計せっけいのものと比較ひかくし、低ひくくなりがちである。

また、波形なみかたメモリ音源おんげんでは、制御せいぎょする側がわで1周期しゅうきごとに波形はけいを更新こうしんしてPCMを再生さいせいしたソフトウェアも存在そんざいする。

インターネット

マイクロフォンからの入力にゅうりょくをADCによりデジタイズしてCPUレジスターやメモリーへ書かき込こみ、時限じげん的てきなソフトウェア割込わりこみなどで、ネットワークに流ながす手法しゅほうが一般いっぱん化かしている。プログラミング言語げんごで比較的ひかくてき容易よういにコーディングが行おこなえ、ビデオ会議かいぎアプリケーションやサイマルラジオ、サイマル・テレビなどの完成かんせいされたアプリケーションを利用りようすることで遅延ちえんはあるものの技術ぎじゅつ的てきな内容ないようを意識いしきすることがなく使つかわれている。

脚注きゃくちゅう

参考さんこう文献ぶんけん

• 沖おき村むら, 浩史こうじ、高橋たかはし, 清きよし『エレクトロニクス概論がいろん』裳も華はな房ぼう〈機械きかい工学こうがく選書せんしょ〉、1991年ねん。ISBN 4785365072。 NCID BN07023779。 

関連かんれん項目こうもく

• 量子りょうし化か (情報じょうほう科学かがく)
• 標本ひょうほん化か定理ていり - シャノン＝ハートレーの定理ていり
• 符号ふごう化か方式ほうしき
• 誤あやまり検出けんしゅつ訂正ていせい
• パルス変調へんちょう
• 差分さぶんパルス符号ふごう変調へんちょう (DPCM)
• 適応てきおう的てき差分さぶんパルス符号ふごう変調へんちょう (ADPCM)
• PCMプロセッサー
• DAT
• 音声おんせい符号ふごう化か