パルス符号変調
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| 変調方式 |
|---|
アナログ変調 |
AM | SSB | FM | PM |
デジタル変調 |
OOK | ASK | PSK | FSK | QAM | APSK DM | MSK | CCK | CPM | OFDM |
パルス変調 |
PWM | PAM | PDM | PPM | PCM |
スペクトラム拡散 |
FHSS | DSSS |
関連項目 |
復調 |
4ビットPCMにおける信号の標本化と量子化（赤）
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。
目次
1 概要
2 用途
3 PCMプロセッサー
4 PCM音源
5 ソフトウェア技術
5.1 ソフトウェアミキサー
5.2 非PCM音源によるPCMデータの再生
6 リニアPCM
6.1 主な採用作品
7 ノイズと歪み
7.1 サンプリングノイズ
7.2 量子化歪み
8 関連項目
9 脚注
9.1 注釈
9.2 出典
10 参考文献
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整数データとし、それを一組のパルス列として出力する[1]。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[注 1]。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
- 音声・映像のデジタル記録
レーザーディスクやDAT・CD-DA・リニアPCMレコーダー・MD・DVD-Video・DVD-Audio・BDMV (BD-Video)・BDAV・Xbox 360・Xbox One用ゲームソフト・PlayStation 3・PlayStation 4・Wii U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
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、音声を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。業務用と家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能な機器として利用された。
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。
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・性能の仮想PCM音源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能を持つソフトウエアがあり、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能になった[注 2]。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音源を持たないゲーム機では、CPUで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。ネオジオポケットや光速船などが単独でDACを搭載していたほか、メガドライブやPCエンジンは音源の一部を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。[2]
ハードウェア制御を細かに行うことによって、発声が可能なハードウェアをDACに見立て、音声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でパルス幅変調を行ったり、矩形波の出力をDACに見立てPSGによるPCM再生を行う試み[3][4]や、同様にX68000ではOPMに音色として矩形波を定義し、8チャンネルの出力ポートを利用することで、最大でモノラルでは50kHz前後、ステレオで25kHz前後のサンプリング周波数の再生を可能にしたソフトウェア[5][6][7]も存在する。
DACとしては非線形指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比較し、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-DA、DVD-Audio、一部のDVD-Video、BD-Video、PlayStation 3用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や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16bit、2ch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[注 3]が上限だが2008年現在、ほとん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ことになる[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。そのため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、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より搭載された音声出力設定、『ビットストリーム（ミックス）』機能を使うことで、リニアPCMで収録されたサラウンド音声をDTS、またはドルビーデジタルのサラウンド音声に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能な機器であれば、光デジタル音声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能になっている（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Xbox 360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。
Xbox 360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Xbox 360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。
主な採用作品
- 洋画
- 邦画
魔女の宅急便(日テレ×MOVIE 2014年 清水崇監督)※上映時はDOLBY SURROUND 7.1
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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）のところを折り目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、最低でも音声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。
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。
関連項目
- 符号化方式
- 誤り検出訂正
差分パルス符号変調 (DPCM)
適応的差分パルス符号変調 (ADPCM)- PCMプロセッサー
- 生録
- クリップレベル
脚注
注釈
^ 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
^ 2008年現在、環境にも因るがCPU占有率1%未満
^ 192kHz時のみ5.1chサラウンド
出典
^ 沖村 & 高橋 1991, p. 110.
^ http://rukaani.webcrow.jp/pcm_specifications/
^ Oh!FM 1990年4月号「しゃべるんどすえ」
^ Oh!X 1995年12月号 BREEZE
^ Oh!X 1999年夏号「内蔵音源を駆使した高品位ステレオ PCM 再生」
^ X680x0の内蔵音源を駆使した高品位ステレオPCM再生
^ S44PLAY.DOC
参考文献
- 沖村, 浩史、高橋, 清 『エレクトロニクス概論』 裳華房〈機械工学選書〉、1991年。.mw-parser-output cite.citation{font-style:inherit}.mw-parser-output .citation q{quotes:"""""""'""'"}.mw-parser-output .citation .cs1-lock-free a{background:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/65/Lock-green.svg/9px-Lock-green.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center}.mw-parser-output .citation .cs1-lock-limited a,.mw-parser-output .citation .cs1-lock-registration a{background:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d6/Lock-gray-alt-2.svg/9px-Lock-gray-alt-2.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center}.mw-parser-output .citation .cs1-lock-subscription a{background:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/aa/Lock-red-alt-2.svg/9px-Lock-red-alt-2.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center}.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registration{color:#555}.mw-parser-output .cs1-subscription span,.mw-parser-output .cs1-registration span{border-bottom:1px dotted;cursor:help}.mw-parser-output .cs1-ws-icon a{background:url("//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4c/Wikisource-logo.svg/12px-Wikisource-logo.svg.png")no-repeat;background-position:right .1em center}.mw-parser-output code.cs1-code{color:inherit;background:inherit;border:inherit;padding:inherit}.mw-parser-output .cs1-hidden-error{display:none;font-size:100%}.mw-parser-output .cs1-visible-error{font-size:100%}.mw-parser-output .cs1-maint{display:none;color:#33aa33;margin-left:0.3em}.mw-parser-output .cs1-subscription,.mw-parser-output .cs1-registration,.mw-parser-output .cs1-format{font-size:95%}.mw-parser-output .cs1-kern-left,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-left{padding-left:0.2em}.mw-parser-output .cs1-kern-right,.mw-parser-output .cs1-kern-wl-right{padding-right:0.2em}
ISBN 4785365072。
NCID BN07023779。
