Quantization

Quantization

Quantization是在中文中是量化簡稱,所謂量化,就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散,即用一組規定的電平,把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。

分類


均勻量化和非均勻量化

按照量化級的劃分方式分,有均勻量化和非均勻量化。
均勻量化:ADC輸入動態範圍被均勻地劃分為2^n份。
非均勻量化:ADC輸入動態範圍的劃分不均勻,一般用類似指數的曲線進行量化。
非均勻量化是針對均勻量化提出的,因為一般的語音信號中,絕大部分是小幅度的信號,且人耳聽覺遵循指數規律。為了保證關心的信號能夠被更精確的還原,我們應該將更多的bit用於表示小信號。
常見的非均勻量化有A律和μ率等,它們的區別在於量化曲線不同。

標量量化和矢量量化

按照量化的維數分,量化分為標量量化和矢量量化。標量量化是一維的量化,一個幅度對應一個量化結果。而矢量量化是二維甚至多維的量化,兩個或兩個以上的幅度決定一個量化結果。
以二維情況為例,兩個幅度決定了平面上的一點。而這個平面事先按照概率已經劃分為N個小區域,每個區域對應著一個輸出結果(碼書,codebook)。由輸入確定的那一點落在了哪個區域內,矢量量化器就會輸出那個區域對應的碼字(codeword)。矢量量化的好處是引入了多個決定輸出的因素,並且使用了概率的方法,一般會比標量量化效率更高。

模數轉換器(ADC)與數字電路中的量化


數字電路中,採樣和量化過程由A/D轉換器完成。A/D轉換器(ADC)一般為標量均勻量化。量化的過程就是把採集到的數值(稱為採樣值或樣值,英語sample)送到量化器編碼成數字形式(一般為二進位)。每個樣值代表一次採樣所獲得的信號的瞬時幅度。

量化級

量化器設計時將標稱幅度劃分為若干份,稱為量化級,一般為2的整數次冪。把落入同一級的樣本值歸為一類,並給定一個量化值。量化級數越多,量化誤差就越小,質量就越好。例如8位的ADC可以將標稱輸入電壓範圍內的模擬電壓信號轉換為8位的數字信號。

量化誤差

量化過程存在量化誤差,在還原信號的D/A轉換后,這種誤差作為雜訊再生,稱為量化雜訊。增加量化位數能夠把雜訊降低到無法察覺的程度,但隨著信號幅度的降低,量化雜訊與信號之間的相關性變得更加明顯。