Audio ADPCM

Raymond Kelvin Nando — Audio ADPCM merupakan teknik kompresi audio yang mengubah sinyal PCM linear menjadi representasi diferensial teradaptasi. Dengan memanfaatkan prediksi dan quantization adaptif, ADPCM mampu mengurangi bitrate tanpa menghilangkan seluruh informasi penting, sehingga banyak digunakan dalam telekomunikasi, perangkat embedded, sistem suara radio, dan berbagai format audio berukuran kecil.

Pengertian Audio ADPCM

Audio ADPCM (Adaptive Differential Pulse-Code Modulation) adalah metode encoding audio yang menggunakan pendekatan diferensial—bukan menyimpan nilai absolut setiap sampel, ADPCM menyimpan perbedaan antar sampel serta melakukan quantization adaptif. Teknik ini mempertahankan kualitas audio yang cukup baik sambil menurunkan bitrate secara signifikan dibanding PCM linear.

ADPCM biasanya digunakan pada bitrate 32 kbps, 24 kbps, hingga 16 kbps untuk suara manusia dan 4-bit encoding seperti Microsoft ADPCM atau IMA ADPCM yang menyimpan masing-masing sampel dalam 4 bit. Teknologi ini dijadikan standar dalam berbagai protokol telekomunikasi seperti ITU-T G.726, serta digunakan dalam recorder portable, radio digital, voice-over-IP generasi awal, telepon analog digitalisasi, konsol game klasik, dan perangkat elektronik dengan memori terbatas.

Sejarah Perkembangan Audio ADPCM

Konsep dasar DPCM sudah ada sejak 1950–1960-an, namun baru pada akhir 1970-an hingga 1980-an muncul ADPCM yang benar-benar adaptif. ITU-T mengembangkan ADPCM standar untuk telekomunikasi, terutama pada seri rekomendasi G.721 (32 kbps), G.723 (24 dan 40 kbps), serta G.726 sebagai penyatuan standar.

Sementara itu, industri komputer mengembangkan varian ADPCM seperti:

• IMA ADPCM oleh Interactive Multimedia Association
• Microsoft ADPCM (4-bit) untuk Windows WAVE
• Yamaha ADPCM-A dan ADPCM-B untuk chip suara sintetis
• ADPCM dalam sistem game seperti Sega Genesis, Neo Geo, dan PlayStation awal

Dengan kemampuan kompresi tinggi dan proses decoding yang ringan, ADPCM menjadi sangat populer sebelum munculnya codec modern seperti MP3, AAC, dan Opus.

Prinsip Dasar dan Metode Audio ADPCM

ADPCM bekerja dengan mengompresi selisih antar sampel menggunakan quantizer adaptif dan predictor dinamis.

1. Differential Encoding

Alih-alih menyimpan nilai sampel penuh, ADPCM menyimpan:

predicted_sample
error = actual_sample − predicted_sample
quantized_error = quantize(error)
output = encoded_step

Dengan hanya menyimpan error yang telah diquantize, ukuran data menjadi jauh lebih kecil.

2. Adaptive Quantization

Quantizer dalam ADPCM menyesuaikan step size secara dinamis sesuai kondisi sinyal. Jika sinyal tiba-tiba naik (misalnya transien suara), quantizer membesarkan step size untuk mengikuti perbedaan besar. Jika sinyal datar, step size diperkecil untuk akurasi.

3. Predictor

Predictor adalah estimasi nilai sampel berikutnya berdasarkan sampel sebelumnya. Contoh predictor linear sederhana:

predicted_sample = previous_sample + (previous_error × factor)

Predictor yang baik akan membuat error semakin kecil sehingga kompresi semakin efisien.

4. Bitrate Reduction

ADPCM umum menggunakan 4-bit per sampel, tetapi ada varian 2-bit, 3-bit, 5-bit, hingga 6-bit.
Misalnya:

• PCM 16-bit → ADPCM 4-bit memberikan kompresi 4:1
• PCM 8 kHz → ADPCM menghasilkan 32 kbps untuk telekomunikasi

5. Varian ADPCM

Jenis-jenis ADPCM meliputi:

• G.726 ADPCM (16, 24, 32, 40 kbps)
• IMA ADPCM (4-bit step adaptation)
• MS ADPCM (blok kompresi dengan predictor tabel)
• Yamaha ADPCM (dipakai pada chip FM synthesizer)

6. Frame Structure

Beberapa ADPCM mengemas sampel dalam blok yang mencakup header kecil, predictor index, dan sampel diferensial.

Contoh Input → Output Audio ADPCM

Contoh 1: Pengubahan PCM 16-bit menjadi ADPCM 4-bit

Input (PCM 16-bit sampel):
1200
1280
1400
1550
1700

Differential:
80
120
150
150

Quantized (ADPCM 4-bit misal):
5
6
7
6

Output ADPCM (4 nibble):
5 6 7 6

Contoh 2: IMA ADPCM block example

Blok ADPCM biasanya berisi:
Predictor: 1000
Index: 4
Encoded nibbles: 3 4 4 5 6 5 4 3 2 …

Output: blok 256 byte, menghasilkan ~1 KB PCM terkompresi 4:1.

Contoh 3: G.726 32 kbps telephony

Input: sinyal suara percakapan 8 kHz, 16-bit

Output:
Bitstream ADPCM 4-bit yang menghasilkan bitrate 32.000 bit/s.

Contoh 4: ADPCM dalam konsol game

Input: waveform instrumen sintetis.
Output ADPCM disimpan dalam langkah-langkah kecil sehingga memori cartridge yang terbatas dapat digunakan secara efisien.

Contoh 5: Decoding proses

Encoded nibble: 6
Step size: 20
Predicted: 1000

Error estimasi: 6 × 20 = 120
Output sampel baru: 1120

Kelebihan & Kekurangan Audio ADPCM

Kelebihan:

• Kompresi jauh lebih efisien dibanding PCM.
• Kualitas cukup baik untuk percakapan dan suara instrumen sederhana.
• Proses encoding–decoding ringan dan cepat.
• Ideal untuk embedded systems dan perangkat memori kecil.
• Digunakan secara luas dalam telekomunikasi.

Kekurangan:

• Kualitas tidak setinggi PCM penuh.
• Rentan artefak pada sinyal musik kompleks.
• Bergantung pada predictor dan quantizer; implementasi buruk menghasilkan distorsi.
• Tidak cocok untuk aplikasi audio fidelity tinggi.
• Codec modern telah menggantikannya dalam banyak penggunaan.

Referensi

• ITU-T. (2012). G.726: 40, 32, 24, 16 kbit/s ADPCM.
• Bosi, M., & Goldberg, R. (2003). Introduction to Digital Audio Coding and Standards.
• Jayant, N. S., & Noll, P. (1984). Digital Coding of Waveforms.
• Pohlmann, K. C. (2011). Principles of Digital Audio.
• Watkinson, J. (2013). The Art of Digital Audio.