パルス符号変調(PCM )は、アナログ信号をデジタルで表現する方式です。コンピュータ、コンパクトディスク、デジタル電話、その他のデジタルオーディオアプリケーションにおけるデジタルオーディオの標準形式です。PCMストリームでは、アナログ信号の振幅が一定間隔でサンプリングされ、各サンプルはデジタルステップの範囲内で最も近い値に量子化されます。シャノン、オリバー、ピアースは、1952年に取得したPCM特許により、全米発明家の殿堂入りを果たしました。[6] [7] [8]
線形パルス符号変調(LPCM)は、量子化レベルが線形的に均一なPCMの一種です。[5]これは、量子化レベルが振幅の関数として変化するPCM符号化( A-lawアルゴリズムやμ-lawアルゴリズムなど)とは対照的です。PCMはより一般的な用語ですが、LPCMとして符号化されたデータを表すためによく使用されます。
PCM ストリームには、元のアナログ信号に対するストリームの忠実度を決定する 2 つの基本プロパティがあります。1 つは、1 秒あたりにサンプルが取得される回数であるサンプリング レート、もう1 つは、各サンプルを表すために使用できるデジタル値の数を決定する ビット深度です。
初期の電気通信では、複数の電信源からのサンプルを多重化し、単一の電信ケーブルで伝送するために、信号をサンプリングする手法が用いられ始めました。アメリカの発明家モーゼス・G・ファーマーは、1853年という早い時期に電信時分割多重化(TDM)を考案しました。電気技師のWMマイナーは1903年、電気機械式整流子を用いて複数の電信信号を時分割多重化し、この技術を電話通信にも応用しました。マイナーは3500~4300Hz以上のサンプリングレートでチャネルから明瞭な音声を取得しましたが、それより低いレートでは不十分であることが判明しました。
1920年、バートレーンケーブルの画像伝送システムは、紙テープに文字をパンチで打ち込む電信信号を用いて、5段階に量子化された画像のサンプルを送信した。 [9] 1926年、ウェスタン・エレクトリックのポール・M・レイニーは、光機械式アナログ・デジタル変換器によって符号化された5ビットPCM信号を送信するファクシミリ装置の特許を取得した。[10]この装置は生産されなかった。[11]
イギリス人技術者アレック・リーブスは、1937年、フランスの国際電話電信会社(ITEL)で勤務していた際に、先行研究を知らずに音声通信にPCMを利用することを考案しました。彼は理論とその利点を説明したものの、実用化には至りませんでした。リーブスは1938年にフランス特許を申請し、1943年に米国特許が付与されました。 [12]この頃、リーブスは電気通信研究施設(Telecommunications Research Establishment)で働き始めていました。[11]
デジタル技術による最初の音声伝送は、第二次世界大戦中の連合軍の高レベルの通信を伝送するSIGSALY暗号装置でした。1949年、フェランティ・カナダ社はカナダ海軍のDATARシステム向けに、デジタル化されたレーダーデータを長距離伝送できる実用的なPCM無線システムを構築しました。[13]
1940年代後半から1950年代初頭にかけてのPCMでは、符号化用の穴が開いたプレート電極を備えたブラウン管が使用されていました。 [ 14 ]オシロスコープと同様に、ビームはサンプルレートで水平方向に掃引され、垂直偏向は入力アナログ信号によって制御され、ビームは穴あきプレートの高い部分または低い部分を通過しました。プレートはビームを集めたり通過させたりすることで、1ビットずつ2進コードの電流変化を生成します。グッドオールの後期のチューブでは、自然2進法ではなく、グリッドに穴が開けられており、グリッチのないグレイコードが生成され、走査ビームではなくファンビームを用いてすべてのビットを同時に生成しました。[15]
アメリカ合衆国では、全米発明家殿堂がバーナード・M・オリバー[16] とクロード・シャノン[17]を PCMの発明者として表彰している。 [18]発明者は、1946年と1952年に出願され、1956年に認可された米国特許第2,801,281号 「パルス符号変調を用いた通信システム」に記載されている。同じ名称の別の特許は、 1945年にジョン・R・ピアースによって出願され、1948年に認可された米国特許第2,437,707号である。3人は1948年に「PCMの哲学」を出版した。[19]
1961年に導入されたTキャリアシステムは、2本のツイストペア伝送線路を用いて、8kHz、8ビットの分解能でサンプリングされた24のPCM電話通話を伝送します。この開発により、従来の周波数分割多重方式と比較して、容量と通話品質が向上しました。
1973年に、適応型差動パルス符号変調(ADPCM)がP.カミスキー、ニキル・ジャヤント、ジェームズ・L・フラナガンによって開発されました。[20]
1967年、 NHKの研究所で最初のPCMレコーダーが開発されました。 [21] 30kHz 12ビットのこの装置は、ダイナミックレンジを拡張するためにコンパンダー( DBXノイズリダクションに類似)を使用し、信号をビデオテープレコーダーに保存しました。1969年、NHKはシステムの機能を2チャンネルステレオと32kHz 13ビット解像度に拡張しました。1971年1月、デノンのエンジニアはNHKのPCM録音システムを使用して、最初の商用デジタル録音を行いました。[注 1] [21]
1972年、デノンは初の8チャンネルデジタルレコーダー「DN-023R」を発表しました。これは4ヘッドのオープンリール放送用ビデオテープレコーダーを使用し、47.25kHz、13ビットのPCMオーディオで録音するものでした。[注 2] 1977年、デノンはポータブルPCM録音システム「DN-034R」を開発しました。DN-023Rと同様に、8チャンネルを47.25kHzで録音しますが、「エンファシス付きで14ビット、つまり15.5ビットに相当する」ものを採用しました。[21]
1979年、初のデジタルポップアルバム『Bop till You Drop』が録音された。このアルバムは3Mデジタルテープレコーダーを用いて、50kHz、16ビットのリニアPCMで録音された。[22]
コンパクトディスク(CD) は 1982 年に導入され、PCM を一般消費者向けオーディオ アプリケーションに導入しました。CD は44,100 Hz のサンプリング周波数と 16 ビットの解像度を使用し、ディスク 1 枚あたり最大 80 分のステレオ オーディオを保存します。
PCMデジタル電話の急速な発展と幅広い採用は、1970年代初頭に開発された金属酸化膜半導体(MOS)スイッチトキャパシタ(SC)回路技術によって可能になりました。 [23]これは、1970年代後半のPCMコーデックフィルタチップの開発につながりました。[23] [24] 1980年にDavid A. HodgesとWC Blackによって開発されたシリコンゲートCMOS(相補型MOS)PCMコーデックフィルタチップ[23]は、それ以来 デジタル電話の業界標準となっています。[23] [24] 1990年代までに、公衆交換電話網(PSTN)などの電気通信ネットワークは、大規模集積回路(VLSI)CMOS PCMコーデックフィルタを使用して大部分がデジタル化され、電話交換機の電子交換システム、ユーザーエンドモデム、総合デジタル通信網(ISDN)、コードレス電話、携帯電話などの幅広いデジタル伝送アプリケーションで広く使用されました。[24]
PCMは非圧縮デジタルオーディオによく使われるエンコード方式です。[注 3]

図では、正弦波(赤い曲線)がPCM用にサンプリングされ、量子化されています。正弦波は一定の間隔でサンプリングされ、垂直線で示されています。各サンプルについて、利用可能な値(y軸上)の1つが選択されます。PCMプロセスは通常、アナログ-デジタルコンバータ(ADC)と呼ばれる単一の集積回路上に実装されています。これにより、入力信号(青い点)の完全に離散的な表現が生成され、デジタルデータとして簡単にエンコードして保存または操作できます。複数のPCMストリームを1つの大きな集約データストリームに多重化することもできます。これは通常、単一の物理リンクを介して複数のストリームを送信するために行われます。1つの技術は時分割多重化(TDM)と呼ばれ、特に現代の公衆電話システムで広く使用されています。
離散データから正確なアナログ信号を生成するための電子機器は、デジタル信号を生成するためのものと似ています。これらのデバイスはデジタル-アナログコンバータ(DAC)です。DACは、デジタル入力に与えられた値を表す電圧または電流(種類によって異なります)を生成します。この出力は通常、フィルタリングと増幅を経て使用されます。
復調器は、サンプリングされたデータから元の信号を復元するために、変調の手順を逆順に適用することができます。各サンプリング周期の後、復調器は次の値を読み取り、出力信号を新しい値に遷移させます。これらの遷移の結果、信号はイメージング効果によりかなりの量の高周波エネルギーを保持します。これらの不要な周波数を除去するために、復調器は信号を再構成フィルタに通します。このフィルタは、予想される周波数範囲(ナイキスト周波数 よりも高い周波数)外のエネルギーを抑制します。[注 4]
LPCMの一般的なサンプル深度は、1サンプルあたり8、16、20、または24ビットです。[1] [2] [3] [32]
LPCMは単一の音声チャンネルをエンコードします。マルチチャンネルオーディオのサポートはファイル形式に依存し、複数のLPCMストリームの同期に依存します。[5] [33]最も一般的な形式は2チャンネル(ステレオ)ですが、システムは最大8チャンネル(7.1サラウンド)[2] [3]以上のオーディオチャンネルをサポートできます。
一般的なサンプリング周波数は、DVDフォーマットのビデオで使用される48kHz、またはCDで使用される44.1kHzです。一部の機器では96kHzまたは192kHzのサンプリング周波数も使用できますが、その利点については議論があります。[34]
ナイキスト・シャノンのサンプリング定理によれば、PCMデバイスは、入力信号に含まれる最高周波数の少なくとも2倍のサンプリング周波数を提供する場合、設計された周波数帯域内で歪みを生じさせることなく動作することができます。例えば、電話通信では、使用可能な音声周波数帯域は約300Hzから3400Hzの範囲です 。 [ 35]そのため、音声信号を効果的に再構成するために、電話通信アプリケーションでは通常、使用可能な最高音声周波数の2倍以上である8000Hzのサンプリング周波数が使用されます。
いずれにせよ、どの PCM システムにも潜在的な障害の原因が存在します。
PCMの一部の形式は、信号処理と符号化を組み合わせています。これらのシステムの古いバージョンでは、アナログからデジタルへの変換プロセスの一部としてアナログ領域で処理を適用していましたが、新しい実装ではデジタル領域で処理を適用しています。これらの単純な手法は、修正離散コサイン変換(MDCT)符号化などの現代の変換ベースの音声圧縮技術によって、ほぼ時代遅れになっています。
電話通信において、1回の通話の標準的な音声信号は、8ビットずつの8,000サンプル/秒に符号化され、 DS0と呼ばれる64 kbit/sのデジタル信号となります。DS0のデフォルトの信号圧縮符号化方式は、 μ-law(ミューロー) PCM(北米および日本)またはA-law PCM(ヨーロッパおよび世界のその他のほとんどの国)です。これらは、12ビットまたは13ビットの線形PCMサンプル番号を8ビット値にマッピングする対数圧縮方式です。この方式は、国際標準規格G.711で規定されています。
回線コストが高く、音声品質の低下が許容される場合、音声信号をさらに圧縮することが合理的となる場合があります。ADPCMアルゴリズムは、8ビットのμ-lawまたはA-law PCMサンプル列を4ビットのADPCMサンプル列にマッピングするために使用されます。これにより、回線容量が2倍になります。この技術はG.726規格で詳細に規定されています。
さらなる圧縮を実現するために、音声符号化フォーマットと音声コーデックが開発されてきました。これらの技術の一部は標準化され、特許も取得されています。修正離散コサイン変換(MDCT)や線形予測符号化(LPC)といった高度な圧縮技術は、携帯電話、VoIP(Voice over IP )、ストリーミングメディアなどで広く利用されています。
PCMは、リターン・トゥ・ゼロ(RZ)方式とノン・リターン・トゥ・ゼロ(NRZ)方式のいずれかです。NRZ方式で帯域内情報を用いて同期をとるには、1や0などの同一シンボルが長く連続して存在してはなりません。2進PCMシステムでは、1シンボルの密度は1密度と呼ばれます。[36]
1の密度は、ランレングス制限符号化などのプリコーディング技術を用いて制御されることが多い。ランレングス制限符号化では、PCMコードを、チャネルに変調する前に、1の密度の上限が保証されたわずかに長いコードに拡張する。また、ストリームに追加のフレーミングビットを追加することで、少なくとも時折シンボル遷移が発生することを保証する場合もある。
一の密度を制御するために用いられるもう一つの手法は、データにスクランブラーを適用することです。これにより、データストリームは疑似ランダムに見えるストリームに変換されますが、相補的なデスクランブラーによってデータは正確に復元できます。この場合、出力に0または1が長く続く可能性は依然としてありますが、信頼性の高い同期を可能にするほどには発生しにくいと考えられます。
他のケースでは、変調信号の長期的なDC値が重要になります。DCバイアスが蓄積されると、通信回路が動作範囲外になる傾向があるためです。この場合、累積DCバイアスをカウントし、必要に応じてコードを修正してDCバイアスが常にゼロに戻るようにするための特別な措置が講じられます。
これらのコードの多くは双極性コードであり、パルスは正、負、またはパルスなしのいずれかになります。典型的な交互マーク反転コードでは、非ゼロパルスが正と負を交互に繰り返します。これらの規則は、フレーミングやその他の特殊な目的で使用される特殊シンボルを生成するために違反される場合があります。
パルス符号変調という用語における「パルス」という言葉は、伝送線路に現れるパルスを指します。これは、この技術が、符号化される情報がそれぞれ幅または位置が変化する離散的な信号パルスで表される、パルス幅変調とパルス位置変調という2つのアナログ方式と並行して発展してきたことの当然の結果と言えるでしょう。 [要出典]この点において、PCMはこれらの他の信号符号化方式とほとんど類似点がありません。ただし、いずれも時分割多重化に使用可能であり、PCMコードの数値が電気パルスで表されるという点が異なります。
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ライ・クーダーのアルバム『バップ・ティル・ユー・ドロップ』は、デジタル録音された最初のポップ・アルバムだった。
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