[음향]Quantization(양자화)/Coding(부호화)

저번에 Sampling Rate(표본화)에대해 이야기했습니다.

이번에는 ADC 과정중

표본화 -> 양자화 -> 부호화

Quantization(양자화)/Coding(부호화)에 대해 이야기 해보겠습니다.

먼저 표본화 다음 단계인 Quantization(양자화)에 대해 이야기 해보겠습니다.!

Quantization(양자화)는 음의 진폭 혹은 프러그램의 레벨 변화(다이나믹레인지)를

얼마나 섬세하게 나타내는가를 결정하는 신호 레벨(진폭)의 분할 과정으로 통상적으로

Bit(비트)로 나타냅니다.

예를 들어 2비트 양자화는 프로그램의 레벨 변화를 단지 네 가지 등급

(22, 00, 01, 10 그리고 11)로 나타내고

3비트는 8가지 등급(23, 000, 001, 010, 011, 100, 101, 111)으로 나타낼 수 있습니다

비트가 높아질수록 아날로그 프로그램의 레벨 변화를 더욱 섬세하게 재현할수 있습니다.

(1 Bit = 6 dB, 16비트 216승)

현재 CD에서 사용하는 16bit 양자화는 레벨 변화를 65536가지 등급으로 나타낼 수 있으며

이것을 다이나믹 레인지로 환산하면 16 x 6= 98dB 정도이므로

기존 아날로그 방식에 비해 더욱 정밀하게 레벨 변화를 나타낼 수 있습니다.

아날로그 값을 표본화한 수치를 반올림하여 정수로 만드는 과정이며

양자화의 상용 비트 수는 1word(워드)dlqslek.

Sampling 된 데이터를 이산 신호가 아닌 연속된 신호로 만들어주는 것입니다.

즉 샘플 된 데이터를 다시 출력해 줄 때 주어진 샘플 시간 동안 측정 Sampling Rate 데이터의

값으로 전압 값을 동일하게 출력하게 됩니다.

양자화된 값은 실제 값이 아니라 근사값이므로 원래의 값과 양자화된 값 사이에는

오차가 존재합니다. 이것을 양자화 에러라고 합니다.

Bit를 높이면 정확도가 향상되므로 에러의 발생은 줄어들고 낮은 비트의

양자화 또는 높은 비트라도 레벨이 작은 경우 양자화 에러가 발생할수 있습니다.

또한 Sampling 시간이 길수록 에러 기간이 길어지게 되며 사람이 원신호와 다르다는 것을 인지하게 됩니다.

에러양은 Sample 양에 따라 차이가 없을 수 있지만 에러의 시간이 기냐 쨟냐의 기준이 양자화 에러에

좀더 중요한 포인트 입니다.

 

양자화를 에러는 디더링이라는 기술로 해결가능합니다.

디더링은 잡음을 잡음으로 해결하는 기법으로

여기서 Dither(디더)란 화이트 노이즈처럼 모든 주파수를 포함하고 있는 무작위(Rando Noise)을 말합니다.

16비트 디지털 시스템의 다이나믹 레인지는 98dB(16Bit) 정도로 높은 편이지만

사실상 이 수치는 신호 레벨이 충분히 큰 경우에만 적용될 뿐 낮은 레벨신호의

다이나믹 레인지은 이보다 훨씬 떨어지고 이로 인해 입상 혹은 입자성 잡음(Granulation Noise)가 발생합니다.

가장 손쉬운 개선 방법은 Bit 수를 늘리는 방법이 있습니다.

한 가지 대안으로 입력 신호에 약간의 무작위 잡음을 중첩시키면 낮은 신호 레벨의 입자성 잡음을 줄일수 있습니다.

디지털 오디오에서 부호화는 양자화 된

펄스 파형에 이미 정해 놓은 수치를 대입하여 부호 펄스로 변환하는 과정입니다.

이처럼 아날로그 신호의 디지털 변환은 복잡한 이론과 과정을 통해 처리되지만 실제로는 이 모든 것이 하나의 

AD 칩 안에서 동시에 실행됩니다.