音をデジタルに変える技術：パルス符号変調

音をデジタルに変える技術：パルス符号変調

音をデジタルに変える仕組み

私たちが日々耳にしている音は、空気の振動によって生まれます。楽器の弦や声帯の振動など、音源となるものが振動すると、その振動が周りの空気を伝わっていくことで、音は私たちの耳に届きます。この空気の振動は、時間とともに強弱が変化する波の形で表すことができ、これをアナログ信号と呼びます。
一方、コンピュータなどのデジタル機器は、情報を0と1の組み合わせで表現するデジタル信号を扱います。つまり、音をコンピュータで処理したり、保存したりするためには、アナログ信号である音をデジタル信号に変換する必要があります。
この変換を可能にする技術の一つが、パルス符号変調と呼ばれる方法です。パルス符号変調では、まず連続的に変化する音のアナログ信号を一定の時間間隔で測定します。そして、測定されたそれぞれの時点での音の強さを、0と1の組み合わせで表されるデジタル信号に変換していくのです。このようにして、連続的なアナログ信号を離散的なデジタル信号に変換することで、コンピュータでも音を扱うことができるようになります。
このパルス符号変調は、音楽CDやデジタル録音、インターネット電話など、現代の様々な音声技術において欠かせない技術となっています。

パルス符号変調の３つの手順

音をデジタルデータに変換する際などに用いられるパルス符号変調は、大きく分けて３つの手順で行われます。

まず始めに、時間とともに変化する滑らかなアナログ信号を、一定の時間間隔で区切り、その時点での信号の強さを数値として読み取ります。例えば、マイクが受け取った音の強さを、１秒間に数万回という非常に短い間隔で測定し、数値化していくイメージです。この作業を標本化といい、読み取った数値を標本値と呼びます。

次に、得られた標本値を、コンピュータが処理しやすいように、最も近い整数値に置き換えます。この手順を量子化といい、これによりデータの量が大幅に削減され、処理が効率化されます。

最後に、量子化された値を、０と１の組み合わせで表現される二進数に変換します。この手順を符号化といい、これによりデジタル信号として処理することが可能になります。こうして、元々は時間とともに変化する滑らかな信号であったアナログ信号が、コンピュータで処理可能なデジタル信号へと変換されるのです。

標本化：音を断片的に捉える

– 標本化音を断片的に捉える私たちの耳に届く音は、空気の振動によって生じる連続的な波として伝わります。しかし、コンピュータで音を扱うためには、この連続的な音を断片的に捉える必要があります。この作業を標本化と言います。標本化は、例えるなら、映画フィルムのように、連続した音を非常に短い間隔で切り取り、その瞬間の強さを記録していく作業に似ています。この切り取る間隔をサンプリング周波数と呼び、単位はヘルツ（Hz）で表します。1秒間に何回音を切り取るかを表す尺度と言えるでしょう。サンプリング周波数は、音の再現性に大きく影響します。高いサンプリング周波数ほど、より多くの瞬間を記録することになるため、元の連続的な音に近い形で再現できます。例えば、音楽CDでは44.1kHzのサンプリング周波数が使われていますが、これは1秒間に44,100回も音の強さを記録していることになります。この細かさによって、CDは高音質を実現しているのです。一方、サンプリング周波数が低い場合、記録される情報量が少なくなるため、元の音からかけ離れてしまい、音が歪んで聞こえることがあります。これは、まるでパラパラ漫画をめくる速度が遅いと、動きがぎこちなく見えるのと同じです。標本化は、音をデジタル化する上で欠かせないプロセスであり、サンプリング周波数を適切に設定することで、より忠実に音を記録し、再生することができます。

量子化：数値を丸める

音楽や音声など、私たちの身の回りにあるアナログ信号をコンピュータで扱うためには、信号をデジタルに変換する必要があります。この過程において、量子化は重要な役割を果たします。

まず、アナログ信号は一定の時間間隔でその値が計測され、デジタルデータに変換されます。この計測された値を「標本値」と呼びますが、標本値は非常に細かい数値で表されるため、コンピュータで扱うにはデータ量が膨大になってしまいます。

そこで、量子化の出番です。量子化は、この細かい標本値を最も近い整数値に置き換えることで、データの量を減らす処理のことを指します。整数値はコンピュータで扱いやすい形式であるため、処理の効率化に繋がります。

ただし、量子化はあくまでも近似値への置き換えであるため、元のアナログ信号の情報の一部が失われてしまうことになります。量子化の精度を高く設定すれば、より元の信号に近い音質を再現できますが、その分データ量は増加してしまいます。逆に、量子化の精度を低くするとデータ量は減りますが、音質は劣化してしまいます。

このように、量子化はデジタル化の過程において、データ量と音質のバランスを取るために重要な役割を担っています。

符号化：2進数への変換

音楽をデジタルデータとして扱うためには、空気の振動をコンピュータが理解できる形に変換する必要があります。この過程において、符号化は重要な役割を担っています。

まず、空気の振動はマイクによって電気信号に変えられ、連続的に変化するアナログデータとして扱われます。次に、このアナログデータを一定の時間間隔で区切り、それぞれの瞬間における信号の大きさを数値で記録していきます。これが量子化と呼ばれる処理です。

しかし、量子化されたデータは、まだコンピュータが直接理解できる形ではありません。コンピュータは、すべての情報を0と1の組み合わせで処理するため、量子化された数値を2進数に変換する必要があります。この変換処理こそが、符号化と呼ばれるものです。

符号化によって、音の高さや強弱などの情報は、0と1のデジタル信号に変換され、コンピュータで処理できるようになります。こうしてデジタル化された音楽データは、ハードディスクやフラッシュメモリなどに保存したり、インターネットを通じて伝送したりすることが可能になります。さらに、デジタル化された音楽データは、コンピュータを使った様々な音響処理や編集が容易に行えるというメリットも持ち合わせています。