適応的差分パルス符号変調

適応的差分パルス符号変調（ADPCM）の概要

適応的差分パルス符号変調（Adaptive Differential Pulse Code Modulation、ADPCM）は、音声信号などの自然信号を圧縮するための手法です。特にリアルタイムでの圧縮と展開が求められる用途において広く利用されています。ADPCMは、差分パルス符号変調（Differential Pulse Code Modulation、DPCM）を改良した方式で、過去に復号された信号と現在の信号の差分を符号化することでデータ量を削減します。さらに、ADPCMでは、信号の特性に合わせて量子化の幅を動的に調整する「適応量子化」を行うことで、より効率的な圧縮を実現しています。

ADPCMの特徴

ADPCMの主要な特徴は以下の通りです。

適応予測と適応量子化: 信号の特性に応じて予測値と量子化ステップ幅を動的に調整することで、高い圧縮効率を実現します。予測には過去の信号データが使用され、量子化ステップ幅は信号の振幅に依存します。
リアルタイム処理: PCMと同様に、リアルタイムでの圧縮と展開が可能です。
シンプルな処理: 整数演算のみで処理できるため、ハードウェア実装が容易で、低コストな音声機器にも採用しやすい点が利点です。
低遅延: 処理遅延が非常に小さいため、双方向通信など、遅延の影響を受けやすい用途にも適しています。

ADPCMの規格と音声品質

標本化周波数8kHzの音声信号に対しては、ITU-T G.726規格が広く利用されています。この規格では、1サンプルあたり2～5ビットで量子化を行い、過去に復号された2サンプルと量子化された6サンプルの差分信号から予測信号を生成します。また、2ビットのみで適応動作を行うエンベデッド符号化方式を採用することで、処理の簡素化と効率化を図っています。

ADPCMの音声品質は、32kb/sで56kb/sのμ-law PCMと同等とされています。圧縮率はMP3やAACなどの他の音声圧縮方式に劣りますが、高速な処理と低遅延という点で大きな優位性があります。

ADPCMの用途

ADPCMは、リアルタイム性と低遅延が求められる様々な機器やシステムで使用されてきました。具体的な例としては、以下のようなものが挙げられます。

テレビ電話: リアルタイムでの音声伝送が不可欠なテレビ電話システムにおいて、ADPCMは音声データの圧縮に広く利用されてきました。
PHS（パーソナルハンディフォン）: 携帯電話システムにおいて、ADPCMは限られた帯域幅の中で音声通話を実現するために重要な役割を果たしました。
ゲーム機: スーパーファミコン、PlayStation、PlayStation 2、Wiiなど、多くの家庭用ゲーム機でADPCMが音声データの圧縮に使用されました。
パソコン: MP3が普及する以前は、RealAudioと並んで主要な音声圧縮形式として利用されていました。
BluetoothオーディオコーデックaptX: BluetoothオーディオコーデックのaptXは、ADPCM技術を応用して高音質で低遅延な無線音声伝送を実現しています。ビットレートは40、32、24、16kb/sなど、複数の選択肢が提供されています。
その他: HV-300、X68000、YM2608など、様々な機器においてADPCMが音声処理に使用されています。

まとめ

ADPCMは、圧縮率という点では最新のコーデックに劣りますが、リアルタイム処理の高速性と低遅延という大きなメリットを持つ音声圧縮方式です。このため、リアルタイム性が要求される音声アプリケーションにおいては、現在でも重要な技術として利用されています。特に、データ量の削減と高速なデータ処理という相反する要求を同時に満たす必要のある機器やシステムにおいては、その有用性が依然として高く評価されています。

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