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パルスフゴウヘンチョウ

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パルス符号変調パルスふごうへんちょう、PCM英語:pulse code modulation)とは音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。

概要

PCM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整数データとし、それを一組のパルス列として出する。このため他のパルス変調法にべ、計算機による処理を行いやすい利点がある。音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。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。

パルス符号変調の操作をアナログ-デジタル変換とも言い、それを行う回路をアナログ-デジタル変換回路と言う。また、より一般に、デジタル化の操作をデジタイズと言う。

用途

映像デジタル記録
レーザーディスクDAT・CD-DAリニアPCMレコーダー・MDDVD-VideoDVD-Audio・BDMV (BD-Video)・BDAV・Xbox 360Xbox OneゲームソフトPlayStation 3PlayStation 4Wii Uゲームソフトなど
映像デジタル伝送
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

PCMプロセッサー

アナログビデオテープレコーダーと組み合わせ、音デジタル信号で記録する装置。アナログ-デジタル変換回路とデジタル-アナログ変換回路を備える。業務用と庭用の製品が発売され、従来のテープレコーダーを上回る高音質の記録が可な機器として利用された。

PCM音源

PCMデータ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という。サンプラーサンプリングと呼ばれることもある。

ソフトウェア技術

ソフトウェアミキサー

アプリケーションソフト側から見ると、任意の個数・性の仮想PCMを鳴らす形となっていて、それらをPCM再生ハードウェアに向けてミキシングして送り出す機を持つソフトエアがあり、ソフトウェアミキサーと言う。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になった。DirectXで音データに音階を付与する機ソフトウェアMIDI音源などはいずれもこの技術により成り立っている。家庭用ゲーム機でこれ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、これをほとんど利用しないゲーム機にはPlayStation 2などがある。これはPSPS2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。

非PCM音源によるPCMデータの再生

PCMを持たないゲーム機では、CPUサンプリングデータを順次DACに送信してPCMを再生したものがある。ネオジオポケット光速船などが単独でDACを搭載していたほか、メガドライブPCエンジンは音の一部をDACとして使うことができ、それを使ってPCMを再生していた。

ハードウェア制御を細かに行うことによって、発が可ハードウェアDACに見立て、音を再生する手法も存在している。 ビープ音用のハードウェアパルス幅変調を行ったり、矩形波の出DACに見立てPSGによるPCM再生を行う試みや、同様にX68000ではOPMに音色として矩形波を定義し、8チャンネルの出ポートを利用することで、最大でモノラルでは50kHz前後、ステレオ25kHz前後のサンプリング周波数の再生を可にしたソフトウェアも存在する。 DACとしては非線形数的の特徴を持つなど、元々想定していないハードウェアであるため、再生の音質は想定した設計のものと較し、低くなりがちである。

ほかにも波形メモリ音源では、制御する側で1周期ごとに波形を更新してPCMを再生したソフトウェアも存在する。

リニアPCM

これを単にPCMとする場合もある。LPCMとも。リニア量子化を使用し、非可逆圧縮は一切しない。CD-DADVD-Audio、一部のDVD-VideoBD-VideoPlayStation 3ゲームソフトなどで用いられている。サンプリング周波数が高く量子化ビット数が多いほど高音質オリジナルに近い)となる。非可逆圧縮で見られる音質の劣化ダイナミックレンジ(特に高周波帯域)の低下がない。

CD-DA音楽CD
サンプリング周波数44.1kHz、量子化ビット数16bit2chステレオ
DVD-Video
非必須。量子化ビット数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2ch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-Audio
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2chステレオのものが一般的。
BD-Video (BDMV)
サンプリング周波数は48/96/192kHz、量子化ビット数24bitチャンネル数は7.1chサラウンドが上限だが2008年現在、ほとんどのソフトウェア5.1chサラウンドである。最高転送レートは27.4Mbpsで固定式(較対としてHD DVDでは5.1chサラウンド、13.5Mbpsが上限)。圧縮を行わない分、可逆圧縮であるドルビーTrueHDDTS-HDマスターオーディオべて計算(エンコードデコード)は簡単になるが、論使用帯域は増えることになる。再生には、リニアPCMでのサラウンド出に対応したBDプレーヤーと再生に対応したAVアンプHDMI端子ケーブルでの接続が必須となる。そのためDVDプレーヤーで一般的であったデジタル端子ケーブルでのリニアPCM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より搭載された音設定、『ビットストリームミックス)』機を使うことで、リニアPCMで収録されたサラウンド音DTS、またはドルビーデジタルサラウンド音ダウンコンバートし、この二つの規格の内いずれかが再生可な機器であれば、デジタル端子ケーブルで接続した機器でもサラウンドを再生させることが可になっている(一度DTSないしドルビーデジタルに変換しているため音質は劣化する)。
PlayStation 3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ソフトリニアPCM5.1chとドルビーデジタル5.1ch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Xbox 360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。
Xbox 360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ゲームサウンドを収録していないXbox 360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である可性は低い。

ノイズと歪み

以下のノイズないし歪みがある。

サンプリングノイズ

標本化雑音。周波数スペクトルで見るとサンプリング周波数の半分(ナイキスト周波数と言う)のところを折りにして折り返したように現れることから折り返し雑音とも言う。

標本化定理により、最低でも音に含まれる最も高い周波数成分の2倍以上のサンプリング周波数を持たない限り、高音の信号が「折り返され」て、偽信号として現れる。このため、サンプリング周波数はより高いほどより高音を再現できる。

また、再生時には同様にして、原信号を折り返したような偽信号があらわれ、ノイズとなる。オーバーサンプリング方式では、最初に元信号をデジタルフィルタで数倍のサンプリング周波数に変換することで折り返し雑音を高周波数帯域に移動させ、その後にアナログ変換とローパスフィルタ回路による折り返し雑音の除去を行っている。

また、細かい音や小さい音がより鮮明になるなどのメリットがある。そして、自然の周波数分布により近くなるため聴き心地が良くなると言われている。

量子化歪み

原理上、量子化によりアナログ量からデジタル値にする際の端数処理による誤差(量子化誤差という)のため歪み(量子化歪み)が発生する。また、これによる雑音を量子化雑音と言う。これを抑えるためには、量子化ビット数を増やす必要がある。

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