양자화(量子化, quantization)
물리학에서 양자화(quantization)는 연속적으로 보이는 양을 자연수로 셀 수 있는 양으로 재해석하는 것을 이야기한다.
즉, 어떤 물리적 양이 연속적으로 변하지 않고 어떤 고정된 값의 정수배만을 가지는 것을 가리켜 그 양이 ‘양자화되었다’고 한다.예를 들면 전하는 연속적으로 변하는 양이 아니고 어떤 기본량, 곧 전자의 전하 e=4.8x10-10 (esu)의 정수배로 되어 있다.따라서 전하는 양자화된 양이라고 할 수 있다.정보 이론에서 양자화는 아날로그 데이터, 즉 연속적인 값을 디지털 데이터, 즉 띄엄띄엄한 값으로 바꾸어 근사하는 과정을 뜻한다.
물리학에서, 양자화(量子化, 영어: quantization)란 좁은 의미에서 거시적으로 연속적인 양을 어떤 기본 단위(양자)의 정수배로 측정하는 양으로 재해석하는 것을 뜻한다. 예를 들어, 고전적으로 연속적으로 나타내어지는 전하는 미지적으로는 기본전하의 정수배(혹은 쿼크의 경우 ⅓배)로 나타내어진다. 보다 넓은 의미에서, 양자화는 주어진 고전 이론의 측정가능량(observable)을 단순한 수가 아닌 연산자로 치환하는 것을 뜻한다. 이렇게 하면 실험적으로 측정되는 값은 그 연산자의 고유값으로 나타내어진다. 많은 경우에 이 고유값은 어떤 주어진 양자의 정수배의 꼴이나, 꼭 그렇지는 않다. 예를 들어, 고전역학에서 실수로 나타내는 위치와 운동량은 양자역학에서 각각 연산자로 나타낸다.
1. 양자화 이란?
ㅇ 양자화
- 연속적이지 않고 이산적인 물리량으로 만드는 것
ㅇ 통신에서의 양자화
- 아날로그 신호의 표본화된 진폭치로부터 양자화 계단이라는 특정 이산치(대표치)
만으로 바꾸는 과정
2. 양자화 의미
ㅇ 양자화 변환 조작의 의미
- PCM 등에서 음성 신호 등 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서,
- 어떤 아날로그 신호의 진폭들을 하나의 대표값(이산값)으로 나타내는 조작
ㅇ 표본화 및 양자화 차이
- 표본화를, 시간축을 따라 이산값으로 변환하는 과정이라고 하면,
- 양자화는, 진폭축을 따라 이산값으로 변환하는 과정이라고 할 수 있다.
ㅇ 대표값으로 치환
- 아날로그 신호의 진폭이 ±V의 범위인 경우 이 신호의 표본치는 ±V의 범위에서
연속적인 값을 취하는데, 이 범위를 ΔV 마다 구분지어서,
- 하나의 양자화 스텝 범위내의 표본치를 1개의 대표값으로 나타내는 조작
3. 양자화 목표/의의
ㅇ 근사화 → 입력신호를 유한개수의 값으로 근사화하는 과정
- 근사화가 아니고 완벽하게 표현하려면 무한개의 비트 수가 필요하나,
- 근사화의 정확도를 떨어뜨리게되면 표현되는 비트 수의 경감을 얻을 수 있음
ㅇ 데이터 압축 → 가급적 적은 량으로 정확하게 데이터를 부호화할 수 있도록 함
- 입력 아날로그 신호의 개별 값들의 수를 양자화를 통해 훨씬 적은 수의 대표값
들로 줄일 수 있음
- 연속 진폭 값을 한정된 비트 수의 코드(부호)로 변환할 수 있게함
4. 양자화 종류
ㅇ 진폭 양자화 방법에 따라
- 선형 양자화(Linear Quantizing), 균등 양자화(Uniform Quantizing)
. 양자화 계단폭이 입력 신호 레벨과 관계없이 일정.
. 스튜디오급(전문가용) 디지털 비디오 장비 등에 사용됨.
- 비선형 양자화(Non-linear Quantizing, Logarithmic Quantizing), 비균일 양자화
. 입력 신호 레벨이 작을때는 양자화 계단 간격을 작게, 클때는 양자화 계단 간격을 크게하는 방식
ㅇ 시간에 따라 변화하는가에 따라
- 적응형 양자화 (Adaptive Quantizing)
. 입력 신호 레벨에 따라 양자화 계단의 최대, 최소 값이 시간적으로 변화하는 방식
으로 ADPCM 등에 사용됨
- 고정형 양자화 (Fixed Quantizing)
. 양자화 계단이 시간적으로 변화없이 고정적인 방식
ㅇ 대표값을 나타내는 방법에 따라
- 스칼라 양자화
. 표본을 하나의 대표값으로 양자화
- 벡터 양자화
. 일련의 표본들을 특성화시킨 여러 대표값(n-tuple)으로 양자화