はじめに：パルス符号変調（PCM）って何？
パルス符号変調（Pulse Code Modulation、略してPCM）は、マイクで録音した声や楽器の音といった「アナログ信号」を、コンピューターで扱える「デジタル信号」に変換するための最も基本的な技術です。 私たちが普段聴いている音楽CDや、パソコンで再生するWAVファイルなどは、このPCMという技術が使われています。
簡単に言うと、PCMは「連続した波である音を、点で記録して数値に置き換える技術」です。この処理のおかげで、音声をデータとして保存したり、インターネットで送受信したり、ノイズの影響を受けずに高音質を保ったりすることが可能になります。
この記事では、音声処理におけるPCMの仕組みから種類、そしてPCMという言葉が持つもう一つの意味まで、初心者の方にも分かりやすく解説していきます。
PCMの仕組み：アナログ音声をデジタルに変える3つのステップ
アナログの音声信号（なめらかな波）をデジタルの信号（0と1の集まり）に変換するには、大きく分けて3つのステップがあります。 これら一連の変換処理を行う装置や回路を「パルス符号変調器」と呼びます。
- 標本化（サンプリング）
- 量子化（クオンタイゼーション）
- 符号化（コーディング）
1. 標本化（サンプリング）：波を点で捉える
最初のステップは「標本化（サンプリング）」です。 これは、連続的に変化するアナログの音の波を、一定の時間間隔で区切って、その瞬間の音の高さ（振幅）を点で抜き出す作業です。
この「1秒間に何回点を取るか」という頻度をサンプリング周波数（またはサンプリングレート）と呼び、Hz（ヘルツ）という単位で表します。 例えば、音楽CDのサンプリング周波数は44,100Hz（=44.1kHz）で、これは1秒間に44,100回も音の情報を記録していることを意味します。 この数値が大きいほど、元のなめらかな波形をより忠実に再現でき、高音質になります。
2. 量子化：点の高さを数値化する
次に、標本化で抜き出した点の高さを、あらかじめ決められた「ものさし」の目盛りに当てはめて、近似的な整数値に変換します。この作業が「量子化」です。
この「ものさし」の目盛りの細かさを量子化ビット数と呼びます。 例えば、音楽CDは16ビットで、これは音の大きさを2の16乗、つまり65,536段階で表現できることを意味します。 量子化ビット数が大きいほど、より繊細な音の強弱を表現でき、原音に近い音になります。
3. 符号化：数値を0と1のデータに変換
最後のステップが「符号化」です。 量子化によって得られた整数値を、コンピューターが理解できる2進数（「0」と「1」の組み合わせ）のデジタルデータに変換します。 この「0」と「1」で構成されたパルスの列に変換することから、「パルス符号変調」と呼ばれています。
こうして3つのステップを経て、アナログの音声はデジタルの音声データとなり、ファイルとして保存したり、通信したりできるようになります。
PCMの種類
PCMには、主に「リニアPCM」と「非線形PCM」の2つの種類があります。 これらは量子化の方法が異なります。
| 種類 | 特徴 | メリット | デメリット | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| リニアPCM (LPCM) | 量子化の目盛り（段階）が均一。音の大小にかかわらず、同じ精度で数値化する。 | 圧縮しないため、原音に忠実で非常に高音質。 | データ量が非常に大きくなる。 | 音楽CD、WAV/AIFFファイル、Blu-ray Discなど |
| 非線形PCM | 人間の聴覚特性を利用し、小さい音は細かく、大きい音は大雑把に量子化する。 | 音質の劣化を抑えながらデータ量を圧縮できる。 | リニアPCMに比べると音質は劣る。 | デジタル電話（μ-law, A-lawという規格が有名） |
現在では、単に「PCM」という場合、非圧縮で高音質なリニアPCMを指すことが一般的です。
【もう一つの意味】PCM：相変化材料
IT分野、特に音声処理以外で「PCM」という言葉が出てきた場合、それは「相変化材料（Phase Change Material）」を指している可能性があります。 こちらは音声技術とは全く異なるものです。
相変化材料（PCM）は、物質が固体から液体、液体から固体へと状態を変える（相変化する）際に、大量の熱を吸収したり放出したりする特性を持つ材料です。
- 熱を吸収（融解）：周りが熱くなると、PCMは固体から液体に変わりながら熱を吸収し、急激な温度上昇を抑えます。
- 熱を放出（凝固）：周りが冷えると、PCMは液体から固体に変わりながら蓄えた熱を放出し、急激な温度低下を和らげます。
この性質を利用して、建物の断熱材や空調システムの効率化、精密機器の温度管理、医療品の定温輸送など、さまざまな分野で応用されています。
まとめ
今回は、音声処理における「パルス符号変調（PCM）」について解説しました。
- PCMはアナログ音声をデジタルデータに変換する基本技術。
- 「標本化」「量子化」「符号化」の3ステップで変換される。
- 音楽CDなどに使われる高音質な「リニアPCM」が一般的。
- 全く別の意味で、熱を制御する「相変化材料」もPCMと呼ばれる。
PCMは、1943年から1946年にかけて運用されたデジタル秘話通信装置「SIGSALY」で初めて実用化されて以来、今日のデジタル社会を支える非常に重要な基盤技術となっています。 この記事を通して、デジタル音声の仕組みについての理解が少しでも深まれば幸いです。