Template:Unreferenced
The difference between the actual analog value and quantized digital value due is called quantization error. This error is due either to rounding or truncation.
Many physical quantities are actually quantized by physical entities. Examples of fields where this limitation applies include electronics (due to electrons), optics (due to photons), biology (due to DNA), and chemistry (due to molecules). This is sometimes known as the «quantum noise limit» of systems in those fields. This is a different manifestation of «quantization error,» in which theoretical models may be analog but physics occurs digitally. Around the quantum limit, the distinction between analog and digital quantities vanishes.
Quantization noise model of quantization error[]
File:Quanterr.png Quantization noise. The difference between the blue and red signals in the upper graph is the quantization error, which is «added» to the original signal and is the source of noise.
Quantization noise is a model of quantization error introduced by quantization in the analog-to-digital conversion (ADC) process in telecommunication systems and signal processing. It is a rounding error between the analogue input voltage to the ADC and the output digitized value. The noise is non-linear and signal-dependent. It can be modelled in several different ways.
In an ideal analog-to-digital converter, where the quantization error is uniformly distributed between −1/2 LSB and +1/2 LSB, and the signal has a uniform distribution covering all quantization levels, the signal-to-noise ratio (SNR) can be calculated from
The most common test signals that fulfil this are full amplitude triangle waves and sawtooth waves.
In this case a 16-bit ADC has a maximum signal-to-noise ratio of 6.0206 · 16=96.33 dB.
When the input signal is a full-amplitude sine wave the distribution of the signal is no longer uniform, and the corresponding equation is instead
Here, the quantization noise is once again assumed to be uniformly distributed. When the input signal has a high amplitude and a wide frequency spectrum this is the case.[1]
In this case a 16-bit ADC has a maximum signal-to-noise ratio of 98.09 dB.
For complex signals in high-resolution ADCs this is an accurate model. For low-resolution ADCs, low-level signals in high-resolution ADCs, and for simple waveforms the quantization noise is not uniformly distributed, making this model inaccurate.[2] In these cases the quantization noise distribution is strongly affected by the exact amplitude of the signal.
Template:Listen
References[]
- ↑ Template:Cite book
- ↑ Template:Cite book
See also[]
- Round-off error
- Dither
- Analog to digital converter
- Quantization
- Quantization noise
- Discretization error
- Signal-to-noise ratio
- Bit resolution
- SQNR
External links[]
- Quantization noise in Digital Computation, Signal Processing, and Control, Bernard Widrow and István Kollár, 2007.
- The Relationship of Dynamic Range to Data Word Size in Digital Audio Processing
- Round-Off Error Variance — derivation of noise power of q²/12 for round-off error
- Dynamic Evaluation of High-Speed, High Resolution D/A Converters Outlines HD, IMD and NPR measurements, also includes a derivation of quantization noise
- Signal to quantization noise in quantized sinusoidal
de:Quantisierungsrauschen
es:Ruido de cuantificación
ja:量子化雑音
ja:量子化誤差
pl:Szum kwantyzacji
ru:Шум квантования
Template:Unreferenced
The difference between the actual analog value and quantized digital value due is called quantization error. This error is due either to rounding or truncation.
Many physical quantities are actually quantized by physical entities. Examples of fields where this limitation applies include electronics (due to electrons), optics (due to photons), biology (due to DNA), and chemistry (due to molecules). This is sometimes known as the «quantum noise limit» of systems in those fields. This is a different manifestation of «quantization error,» in which theoretical models may be analog but physics occurs digitally. Around the quantum limit, the distinction between analog and digital quantities vanishes.
Quantization noise model of quantization error[]
File:Quanterr.png Quantization noise. The difference between the blue and red signals in the upper graph is the quantization error, which is «added» to the original signal and is the source of noise.
Quantization noise is a model of quantization error introduced by quantization in the analog-to-digital conversion (ADC) process in telecommunication systems and signal processing. It is a rounding error between the analogue input voltage to the ADC and the output digitized value. The noise is non-linear and signal-dependent. It can be modelled in several different ways.
In an ideal analog-to-digital converter, where the quantization error is uniformly distributed between −1/2 LSB and +1/2 LSB, and the signal has a uniform distribution covering all quantization levels, the signal-to-noise ratio (SNR) can be calculated from
The most common test signals that fulfil this are full amplitude triangle waves and sawtooth waves.
In this case a 16-bit ADC has a maximum signal-to-noise ratio of 6.0206 · 16=96.33 dB.
When the input signal is a full-amplitude sine wave the distribution of the signal is no longer uniform, and the corresponding equation is instead
Here, the quantization noise is once again assumed to be uniformly distributed. When the input signal has a high amplitude and a wide frequency spectrum this is the case.[1]
In this case a 16-bit ADC has a maximum signal-to-noise ratio of 98.09 dB.
For complex signals in high-resolution ADCs this is an accurate model. For low-resolution ADCs, low-level signals in high-resolution ADCs, and for simple waveforms the quantization noise is not uniformly distributed, making this model inaccurate.[2] In these cases the quantization noise distribution is strongly affected by the exact amplitude of the signal.
Template:Listen
References[]
- ↑ Template:Cite book
- ↑ Template:Cite book
See also[]
- Round-off error
- Dither
- Analog to digital converter
- Quantization
- Quantization noise
- Discretization error
- Signal-to-noise ratio
- Bit resolution
- SQNR
External links[]
- Quantization noise in Digital Computation, Signal Processing, and Control, Bernard Widrow and István Kollár, 2007.
- The Relationship of Dynamic Range to Data Word Size in Digital Audio Processing
- Round-Off Error Variance — derivation of noise power of q²/12 for round-off error
- Dynamic Evaluation of High-Speed, High Resolution D/A Converters Outlines HD, IMD and NPR measurements, also includes a derivation of quantization noise
- Signal to quantization noise in quantized sinusoidal
de:Quantisierungsrauschen
es:Ruido de cuantificación
ja:量子化雑音
ja:量子化誤差
pl:Szum kwantyzacji
ru:Шум квантования
Квантование сигналов по уровню
Постановка задачи.
•Процесс преобразования сигнала с непрерывным множеством значений в сигнал с дискретными значениями называют квантованием по уровню. По существу, операция квантования заключается в округлении значения непрерывной величины до разрешенных значений шкалы квантования в соответствии с принятым правилом.
•Обычно диапазон измеряемой величины, ограниченный значениями umin и umax , разбивают на n равных интервалов (шагов) квантования :
umax umin / n
Постановка задачи квантования
• Из множества мгновенных значений, принадлежащих
|
i |
му шагу квантования |
, только одно значение |
||||||||||
|
ui |
ui 1 u ui |
i |
||||||||||
|
является разрешенным ( |
й уровень квантования). |
|||||||||||
|
Совокупность величин |
образует дискретную шкалу уровней |
|||||||||||
|
квантования. |
ui |
|||||||||||
|
• |
При выборе |
uiв качестве его значения принимают либо |
||||||||||
|
верхнюю границу интервала квантования, либо нижнюю, либо |
||||||||||||
|
середину интервала. |
||||||||||||
|
• |
В результате возникает методическая погрешность квантования, |
|||||||||||
|
характеризуемая либо ее максимальным значением |
||||||||||||
|
, либо среднеквадратичным отклонением |
для всего |
|||||||||||
|
max |
max |
u u |
значений сигнала. |
|||||||||
|
диапазона измененияm |
i |
мгновенныхi |
||||||||||
Погрешность квантования
•С позиций минимизации наибольшей возможной ошибки
квантования непрерывную шкалу мгновенных значений сигнала целесообразно разбить на n шагов квантования и уровни квантования разместить в середине каждого шага.
•Из анализа статической передаточной характеристики
такого преобразования, следует, что максимальная погрешность квантования m равна
2.
• Если уровень квантования выбрать равным верхней или нижней границе интервала квантования, то максимальная
ошибка квантования возрастет до величины, равной .
Погрешность квантования
|
• Оценим величину среднеквадратической погрешности |
||||||
|
квантования при следующих условиях: во-первых, |
||||||
|
возможные значения измеряемого сигнала распределены |
||||||
|
равномерно, во-вторых, измеряемая величина и случайная |
||||||
|
погрешность независимы. |
umax umin ? , закон |
|||||
|
Доказано, что при условии |
u |
|||||
|
распределения погрешности квантования не зависит от |
||||||
|
и близок к равномерному, т.е. плотность вероятности |
||||||
|
погрешности характеризуется постоянной величиной |
||||||
|
p( ) 1 . |
i м интервале может |
|||||
|
Погрешность квантования на |
||||||
|
быть оценена дисперсией и соответствующим |
||||||
|
среднеквадратическим отклонением: |
||||||
|
2 |
2 |
|||||
|
Di i2 |
2 p( )d |
|||||
|
12 |
||||||
|
2 |
Погрешность квантования
•Дисперсия полной ошибки квантования для всей непрерывной шкалы мгновенных значений сигнала может быть определена как математическое ожидание дисперсий
Di i
12 на отдельных шагах квантования:
|
n |
2 |
n |
|
D i2 |
12 |
p(ui ) , |
|
i 1 |
i 1 |
где величина p(ui ) характеризует вероятность попадания
мгновенного значения сигнала в пределы данного шага.
n
• Так как p(ui ) 1, то величина дисперсии погрешности
i 1
будет равна:
D 2 2
12
Погрешность квантования
•Таким образом, при квантовании с постоянным шагом и размещении уровней квантования в середине шага (равномерное
квантование) среднеквадратическая погрешность квантования связана с интервалом квантования соотношением:
Шум квантования
•При квантовании сигнала по уровню реализация, представляющая собой случайный процесс u(t) , заменяется ступенчатой зависимостью u (t).
Изменяющуюся во времени погрешность квантования, также представляющую собой случайный процесс, называют шумом квантования:
(t) u(t) u (t)
•Сохраняя ранее введенные предположения (о малости шага квантования и равномерности распределения в
нем мгновенных значений сигнала) и считая случайные процессы u(t) и (t) эргодическими,
среднеквадратическую ошибку равномерного квантования можно определить по реализации 1 (t) .
1 (t)
Шум квантования
• В пределах каждого шага квантования зависимость
можно заменить прямой t tg , где переменный угол наклона прямой. При размещении уровней квантования в середине каждого шага математическое ожидание погрешности квантования равно нулю, а ее среднеквадратическое значение определяется из
|
дисперсии погрешности: |
||||||||
|
1 |
T 2 |
1 |
T 2 |
2 |
||||
|
D |
(t tg )2 dt |
(t )2 dt |
||||||
|
T |
T 2 |
T |
T 2 |
T |
12 |
исоответствует ранее полученному значению:
2 3
Квантование сигналов при наличии помех
•В реальных условиях на квантуемый сигнал всегда воздействует помеха. Выберем интервал квантования с учетом вероятностных характеристик этой помехи и условия ее аддитивности с u ,сигналом. Очевидно, что мгновенное значение сигнала
|
попадавшее ранее в |
i й шаг квантования и |
||||
|
сопоставлявшееся с уровнем квантования |
ui , в результате |
||||
|
действия помехи примет значение ( |
u |
) и может быть |
uk . |
||
|
поставлено в соответствие другому уровню квантования |
|||||
|
Такой исход приводит к искажению информации и вероятность |
|||||
|
его не должна превышать допустимого значения. |
|||||
|
• Обозначим через pi (k) |
условную вероятность сопоставления |
||||
|
значения сигнала уровню квантования |
uk |
вместо уровня uiпри |
|||
|
условии, что сигнал принадлежит |
i |
му шагу квантования. |
|||
|
Очевидно, что при наличии помехи условная вероятность |
|||||
|
ошибочного решения |
pi (k) |
>0, а |
p (i) |
<0. |
|
|
i |
Квантование сигналов при наличии помех
• Полная вероятность того, что величина ( u ) останется в
пределах i го шага квантования, равна:
ui
Pi pi (i) p(u)du
ui 1
• Эту вероятность можно также найти, используя совместную плотность вероятности p(u, ) двух случайных величин u и :
Pi p(u, )dud ,
S
|
где S |
некоторая область интегрирования, границы |
|
которой |
найдем, исходя из рисунка на след. слайде |
Соседние файлы в папке Prezentaciya
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Ошибка квантования
- Ошибка квантования
-
Шум квантования — ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала. В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования могут возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала.
Содержание
- 1 Математическое описание
- 1.1 Модель
- 1.2 Детерминированные оценки
- 1.3 Вероятностные оценки
- 2 См. также
- 3 Ссылки
Математическое описание
Модель
Шум квантования можно представить как аддитивный дискретный сигнал
, учитывающий ошибки квантования. Если
— входной сигнал квантователя, а
— его передаточная функция, то имеем следующую линейную модель шума квантования:Линейная модель используется для аналитического исследования свойств шума квантования.
Детерминированные оценки
Детерминированные оценки позволяют определить абсолютные границы шума квантования:
,
где
— число разрядов квантования (сигнала
),
— шаг квантования
— при округлении
— при усечении.Вероятностные оценки
Вероятностные оценки основаны на представлении ошибок квантования (сигнала e(nT)) как случайного шумоподобного процесса. Допущения, вводимые относительно шума квантования:
В таком случае математическое ожидание
и дисперсия
шума квантования определяется следующим образом (при квантовании используется дополнительный код):См. также
- Отношение сигнал-шум
- Дизеринг
Ссылки
- Round-Off Error Variance(англ.)
- «Цифровая обработка сигналов». Л. М. Гольденберг, Б. Д. Матюшкин — М.: Радио и связь, 1985
- 1 Математическое описание
Wikimedia Foundation.
2010.
Полезное
Смотреть что такое «Ошибка квантования» в других словарях:
-
ошибка квантования — Ошибка, вызванная несоответствием формы выходного (квантованного) и входного (аналогового) сигналов. Зависит от величины шага квантования и частоты дискретизации. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика
-
ошибка квантования — kvantavimo paklaida statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. quantization error vok. Quantisierungsfehler, m rus. ошибка квантования, f pranc. erreur de quantification, f … Automatikos terminų žodynas
-
ошибка округления — погрешность, возникающая при квантовании в результате округления амплитуды сигнала до ближайшего уровня квантования. Причина возникновения шума квантования … Русский индекс к Англо-русскому словарь по музыкальной терминологии
-
Аналого-цифровой преобразователь — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь[1][2] … Википедия
-
АЦП — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь (АЦП, ADC) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC)… … Википедия
-
Цифро-аналоговое преобразование — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь (АЦП, ADC) устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (DAC)… … Википедия
-
шум дробления — Разновидность шума квантования, возникающего при аналого цифровом преобразовании сигнала малого уровня, когда ошибка квантования для разных отсчетов становится не равновероятной. Эффективной мерой снижения шума дробления является использование… … Справочник технического переводчика
-
Quantisierungsfehler — kvantavimo paklaida statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. quantization error vok. Quantisierungsfehler, m rus. ошибка квантования, f pranc. erreur de quantification, f … Automatikos terminų žodynas
-
erreur de quantification — kvantavimo paklaida statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. quantization error vok. Quantisierungsfehler, m rus. ошибка квантования, f pranc. erreur de quantification, f … Automatikos terminų žodynas
-
kvantavimo paklaida — statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. quantization error vok. Quantisierungsfehler, m rus. ошибка квантования, f pranc. erreur de quantification, f … Automatikos terminų žodynas

В опубликованной недавно статье говорилось о частоте дискретизации и разрядности. Аналоговый сигнал, попадая в цифровую среду, записывается с помощью «ступенек», которые мы можем видеть на графике волны.
Однако логично предположить, что промежуточные участки волны, которые оцифровщику не удалось достоверно отобразить, не могут просто так исчезнуть.
Шумы квантования
Между аналоговым сигналом и его цифровой копией в вашей системе записи существует разница, которая называется ошибками квантования, или шумами квантования.
С помощью несложных математических формул можно вычислить частоту и уровень громкости шумов квантования. Также их характер можно проследить наглядно, если проанализировать отклонения графика оцифрованной волны от оригинальной синусоиды. На рисунке справа показана разница между исходным и оцифрованным сигналом.
Шумы квантования — это неотъемлемая составляющая цифрового звука, они возникают в момент оцифровки. Для минимизации влияния этих шумов на звук в конструкциях конверторов используются специальные фильтры. Покупая оцифровщик с более дорогими характеристиками (например, 24/192), многие не обращают внимания качество этих фильтров, ориентируясь лишь на красивые численные характеристики разрядности и частоты дискретизации.
Чем выше показатели конвертора, тем дороже должны быть фильтры, однако именно на них производители обычно экономят, чтобы сохранить себестоимость на низком уровне и обеспечить себе конкурентоспособность.
Об этих нюансах продавцы умалчивают, рекламируя только нужные параметры. В итоге музыкант получает прибор, звучащий хуже более старых моделей с меньшими показателями разрядности и частоты дискретизации, но с оптимальным качеством фильтров.
Алиасинг
Еще одна неприятная вещь, которая может произойти в процессе семплирования (оцифровки) звука, называется алиасингом. Алиасинг — наложение двух непрерывных сигналов разной частоты друг на друга при семплировании, в результате которого в звуке возникают искажения.
Мы можем представить алиасинг даже визуально. Вспомните вращение колес автомобилей или поездов в старых фильмах. В определенные моменты можно отчетливо заметить, что колеса как бы крутятся в обратную сторону. И это не обман зрения, этот эффект появляется в моменты, когда частота вращения колес приближается к кадровой частоте кинокамеры (обычно это 24 кадра в секунду, но когда-то это значение было на уровне 16-20). Каждая точка колеса, двигаясь по часовой стрелке, успевает пройти почти полный оборот за один кадр, оказываясь с обратной стороны исходной точки, как будто эта точка сдвинулась против часовой стрелки. И мы видим обратное вращение.
В результате алиасинга записанный сигнал отличается от ожидаемого.
В соответствии с теоремой Котельникова, для восстановления сигнала без потерь семплирование должно производиться с частотой, в два раза превышающей самую высокую частоту в записываемом спектре.
То есть, скажем, если максимальная скорость вращения колес составляет 10 оборотов в секунду, то для устранения эффекта алиасинга фиксировать этот движение нужно с частотой не менее 20 кадров в секунду. А кинокамера – этот тот же семплер, только записывающий не звук, а изображение. При указанных значениях, как бы ни крутилось колесо, камера за один его оборот успеет сделать два семпла, а значит обратного вращения мы уже не увидим.
Так что если нам надо записать звук в пределах 20 кГц (верхний порог идентифицируемых человеческим ухом частот), то семплирование должно происходить с частотой дискретизации не менее 40 кГц.
При этом половина частоты дискретизации называется числом Найквиста (Найквист и Котельников – ученые, которые независимо друг от друга занимались исследованиями данной проблемы).
Однако мы знаем, что даже если наше ухо не распознает какие-то частоты, это еще не значит, что их нет. А раз они есть, то семплер (оцифровщик) попытается их зафиксировать, работая при этом на недостаточной для записи этого спектра частоте дискретизации. И возникнет алиасинг.
Чтобы устранить негативный эффект от алиасинга, при семплировании требуется частота дискретизации с запасом более чем в два раза. Кроме того, необходимо на входе оцифровщика применять фильтры, отсекающие нежелательные частоты выше определенного значения.
Именно поэтому используемые в звукозаписи «стандартные» частоты дискретизации выше 40 кГц – 44.1 и 48 кГц: такое семплирование обеспечивает запас для устранения искажений.
В примере из Википедии можно поочередно услышать «хорошую» и «плохую» запись пилообразной волны на частотах 440, 880 и 1760 Гц. В первом варианте были применены фильтры, а во втором отчетливо слышен алиасинг.
Сегодня уже никого не удивишь даже значениями 32 бита или 96–192 кГц. С каждым годом производители «улучшают» характеристики приборов. Но поскольку, как я уже говорил, для фильтрации более высоких частот требуются более качественные и дорогие фильтры, нередко получается, что конвертор, работающий в режиме 16/44.1, дает более качественный звук, чем конвертор 24/192. Шумы квантования, алиасинг и отсутствие хороших фильтров делают свое дело. И это мы еще опускаем возможные погрешности, связанные с повышенной нагрузкой на систему при работе с более высокими параметрами звука.
Если статья оказалась полезной, вы можете подписаться на обновления этого блога, чтобы бесплатно получать новые материалы на электронную почту. Или вступайте в группу ВКонтакте, оставляйте комментарии в обсуждениях или под статьями здесь.
Также хочу сообщить, что книга «Академия Мюзикмейкера» временно недоступна для покупки напрямую через сайт MusicMaker.Pro, так что по всем вопросам обращайтесь через личные сообщения с соцсетях.
© Алексей Данилов
Иллюстрации: А. Рублевский
При перепечатывании ссылка на источник обязательна
![e(nT) = F[d(nT)] - d(nT) !](https://dic.academic.ru/pictures/wiki/files/48/0bf1032d4991203805b67afcb4832b06.png)