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量子化誤差

索引 量子化誤差

量子化誤差(りょうしかごさ、Quantization Error)または量子化歪み(りょうしかひずみ、Quantization Distortion)とは、信号をアナログからデジタルに変換する際に生じる誤差。 アナログ信号からデジタル信号への変換を行う際、誤差は避けられない。アナログ信号は連続的で無限の正確さを伴うが、デジタル信号の正確さは量子化の解像度やアナログ-デジタル変換回路のビット数に依存する。実際のアナログ値と変換時に「丸め」られた近似的デジタル値の差を量子化誤差と呼ぶ。また、誤差信号は確率過程のランダム信号を加えて量子化雑音(Quantization Noise)と呼ばれる。.

31 関係: のこぎり波三角波 (波形)二乗平均平方根信号 (電気工学)化学ノイズボルト (単位)ディザデジタルデジタル信号デジタル信号処理分子アナログアナログ-デジタル変換回路オーム入力インピーダンス光子光学確率過程端数処理誤差量子化離散化誤差電子電子工学電気通信SN比正弦波歪み (電子機器)最下位ビット

のこぎり波

のこぎり波(鋸歯状波(きょしじょうは)、sawtooth wave)は、非正弦波的な基本的波形の一種で、波形の見た目が鋸の歯のように見えることからそのように呼ばれる。 簡単に説明すれば、のこぎり波の波形は時間と共に上がっていき、急降下するということを繰り返す。もちろん、逆に徐々に下がっていって急上昇することを繰り返すのこぎり波もある。後者を「逆のこぎり波(reverse sawtooth wave、inverse sawtooth wave)」と呼ぶ。どちらの波形であってもパラメータを調整すると同じ音に聞こえる。 次の時間 t についての床関数に基づいた区分線形関数は、周期が 1 ののこぎり波の例である。 より汎用的な形式として、次の式は振幅が -1 から 1 で、周期が a ののこぎり波を表している。 こののこぎり波関数は正弦関数と同じ位相である。 のこぎり波を音として聞いてみると、猛々しくハッキリしていて、周波数成分としては基本周波数の偶数倍音と奇数倍音の両方が含まれている。全ての整数倍音を含んでいるため、減算方式のシンセサイザーで、他の音を合成するベースとして使うのに便利である。 のこぎり波は正弦波を合成することで近似することができる。のこぎり波に収束するフーリエ級数を以下に示す。 デジタルシンセサイザーの場合、この級数の k について、ナイキスト周波数(サンプリング周波数の半分)未満の倍音までを考慮すればよい。この合成は高速フーリエ変換を使って計算するのが効率的である。波形をデジタル的にではなく帯域制限のない形で y.

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三角波 (波形)

帯域制限のある三角波を時間領域(上)と周波数領域(下)で表したもの。基本周波数は220Hz(A2) 倍音を徐々に追加して三角波を形成するアニメーション 三角波(さんかくは、英語:triangle wave)とは、非正弦波的で、基本的な波形の一種で、波形の見た目が三角形になっているそれ(波形)のことである。 矩形波と同様、三角波は奇数倍音のみを含む。しかし、矩形波に比べて高い倍音成分は急速に小さくなる(倍音の次数の逆数の自乗に比例する)。そのため、矩形波よりも聴きやすく正弦波により近い。回路で生成した三角波をローパスフィルタに通すことで正弦波を得るシンセサイザーもあった。 基本周波数に奇数倍音を合成していくことで三角波の近似を得ることができる。4n−1番目の倍音に−1をかけるか (2m±1) または (2n±1) によって位相をずらし、基本周波数からの相対周波数の自乗の逆数で振幅を小さくすればよい。 三角波に収束する無限フーリエ級数を以下に示す。.

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二乗平均平方根

二乗平均平方根(にじょうへいきんへいほうこん、root mean square, RMS)はある統計値や確率変数を二乗した値の平均値の平方根である。結果として単位が元の統計値・確率変数と同じという点が特徴である。また、計算が積和演算であるため高速化が容易である。絶対値の平均より、用いられることがある。 ある量 に対して 個のデータが得られたとして、各データの の値を と名付けると、 の二乗平均平方根 は次のように定義される。 つまり、 の算術平均の平方根が の二乗平均平方根 となる。 例として、 個のデータがあり、それぞれ だったとすると、その二乗平均平方根は次のように計算できる。 \operatorname &.

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信号 (電気工学)

信号(signal)は、電気通信や信号処理、さらには電気工学全般において、時間や空間に伴って変化する任意の量を意味する。 実世界では、時間と共に測定可能な量や、空間において測定可能な量を信号という。また人間社会では、人間の発する情報や機械のデータも信号とされる。そのような情報やデータ(例えば画面上のドット、紙上にインクで書かれたテキスト、あるいはこれを読んでいる人が見ている単語の列)は全て、何らかの物理的システムや生体的システムの一部として存在している。 システムの形態は様々だが、その入力と出力は時間または空間に伴って変化する値として表すことが可能である。20世紀後半、電気工学はいくつかの分野に分かれ、その一部は物理的信号とそのシステムを設計および解析する方向に特化してきた。また、一方では人間や機械の複雑なシステムの機能動作や概念構造を扱う分野も登場した。これらの工学分野は、単純な測定量としての信号を利用したシステムの設計/研究/実装の方法を提供し、それによって情報の転送/格納/操作の新たな手段が生み出されてきた。.

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化学

化学(かがく、英語:chemistry、羅語:chemia ケーミア)とは、さまざまな物質の構造・性質および物質相互の反応を研究する、自然科学の一部門である。言い換えると、物質が、何から、どのような構造で出来ているか、どんな特徴や性質を持っているか、そして相互作用や反応によってどのように別なものに変化するか、を研究する岩波理化学辞典 (1994) 、p207、【化学】。 すべての--> 日本語では同音異義の「科学」(science)との混同を避けるため、化学を湯桶読みして「ばけがく」と呼ぶこともある。.

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ノイズ

ノイズ (noise) とは、処理対象となる情報以外の不要な情報のことである。歴史的理由から雑音(ざつおん)に代表されるため、しばしば工学分野の文章などでは(あるいは日常的な慣用表現としても)音以外に関しても「雑音」と訳したり表現したりして、音以外の信号等におけるノイズの意味で扱っていることがある。西洋音楽では噪音(そうおん)と訳し、「騒音」や「雑音」と区別している。.

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ボルト (単位)

ボルト(volt、記号:V)は、電圧・電位差・起電力の単位である。名称は、ボルタ電池を発明した物理学者アレッサンドロ・ボルタに由来する。 1ボルトは、以下のように定義することができる。表現の仕方が違うだけで、いずれも値は同じである。.

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ディザ

ディザ(Dither)とは、量子化誤差(端数)を、単純に丸めるのではなく、全体の量子化誤差が最小化するよう確率を調整して切り捨てまたは切り上げのどちらかをランダムにおこなうためによるゆらぎのことである。そのような一種のノイズ的データを追加する作業および技法はディザリング(Dithering)またはディザ法と呼ばれる。誤差を周囲のデータに拡散する手法をも含めて言うこともある。ディザリングは、デジタル音響やデジタル動画のデータを処理する際に普通に行われ、CDの制作でも最終段階でよく行われている。.

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デジタル

デジタル(digital, 。ディジタル)量とは、離散量(とびとびの値しかない量)のこと。連続量を表すアナログと反対の概念である。工業的には、状態を示す量を量子化・離散化して処理(取得、蓄積、加工、伝送など)を行う方式のことである。 計数(けいすう)という訳語もある。古い学術文献や通商産業省の文書などで使われている。digitalの語源はラテン語の「指 (digitus)」であり、数を指で数えるところから離散的な数を意味するようになった。.

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デジタル信号

デジタル信号(Digital signal)は、離散信号の量子化されたもの、あるいはデジタルシステムでの信号の波形を指す。.

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デジタル信号処理

デジタル信号処理(デジタルしんごうしょり、Digital Signal Processing、DSPと略されることもある)とは、デジタル化された信号すなわちデジタル信号の信号処理のことである。分野としては、これとアナログ信号処理は信号処理の一部である。この分野の大きな研究・応用領域に音響信号処理、デジタル画像処理、音声処理の三つがある。 目的は実世界の連続的なアナログ信号を計測し、選別することである。その第一段階は一般にアナログ-デジタル変換回路を使って信号をアナログからデジタルに変換することである。また、最終的な出力は別のアナログ信号であることが多く、そこではデジタル-アナログ変換回路が使用される。 処理可能な信号のサンプリングレートを稼ぐ目的に特化したプロセッサを使うことが多い。デジタルシグナルプロセッサという特化型のマイクロプロセッサが使われ、よくDSPと略される。このプロセッサは、典型的な汎用プロセッサに見られる多種多様な機能の内の幾つかを除外し、新たに高速乗算器、積和演算器を搭載している。従って、同程度のトランジスタ個数の汎用プロセッサと比較した場合、条件分岐等の処理では効率が悪化するが、信号を構成するサンプルデータは高効率で処理する事が可能になる。.

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分子

分子(ぶんし)とは、2つ以上の原子から構成される電荷的に中性な物質を指すIUPAC.

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アナログ

アナログ(analog、 アナローグ)は、連続した量(例えば時間)を他の連続した量(例えば角度)で表示すること。デジタルが連続量をとびとびな値(離散的な数値)として表現(標本化・量子化)することと対比される。時計や温度計などがその例である。エレクトロニクスの場合、情報を電圧・電流などの物理量で表すのがアナログ、数字で表すのがデジタルである。元の英語 analogy は、類似・相似を意味し、その元のギリシア語 αναλογία は「比例」を意味する。.

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アナログ-デジタル変換回路

アナログ-デジタル変換回路(アナログ-デジタルへんかんかいろ、A/D変換回路)は、アナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する電子回路である。A/Dコンバーター(ADC(エーディーシー)、)とも言う。 また、アナログ-デジタル変換(アナログ-デジタルへんかん、A/D変換)は、アナログ信号をデジタル信号に変換することをいう。 逆はデジタル-アナログ変換回路である。 変調方式の一種として見た場合は、A/D変換はパルス符号変調である。A/D変換のような操作をデジタイズということがある。 基本的なA/D変換の操作は、まずサンプリング周波数で入力を標本化し、それを量子化することでおこなう。標本化にともなう折り返し雑音は、重要な問題である。また、量子化にともなう量子化誤差による量子化雑音もある。.

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オーム

ーム()は、インピーダンスや電気抵抗(レジスタンス)、リアクタンスの単位である。国際単位系 における組立単位のひとつである。 名称は、電気抵抗に関するオームの法則を発見したドイツの物理学者、ゲオルク・ジーモン・オームにちなむ。記号はギリシャ文字のオメガ ('''Ω''') を用いる。これは、オームの頭文字であるアルファベットのO(オー)では、数字の0(ゼロ)と混同されやすいからである(なお、オームの名前をギリシャ文字で表記するとΓκέοργκ Ωμとなる)。 電気抵抗を表すための単位は、初期の電信業務に関連して経験的にいくつか作られてきた。1861年にが、質量・長さ・時間の単位から組み立てた実用上便利な大きさの単位としてオームを提唱した。オームの定義はその後何度か修正された。.

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入力インピーダンス

単純な電源と負荷の回路図 入力インピーダンス(にゅうりょくインピーダンス、Input Impedance)とは、ある電気回路や電子機器の、入力側から見たインピーダンスである。負荷インピーダンス(ふかインピーダンス、Load Impedance)、外部インピーダンス(がいぶインピーダンス、External Impedance)とも。.

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光子

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光学

光学(こうがく、)は、光の振舞いと性質および光と物質の相互作用について研究する、物理学のひとつの部門。光学現象を説明し、またそれによって裏付けられる。 光学で通常扱うのは、電磁波のうち光と呼ばれる波長域(可視光、あるいはより広く赤外線から紫外線まで)である。光は電磁波の一種であるため、光学は電磁気学の一部門でもあり、電波やX線・マイクロ波などと類似の現象がみられる。光の量子的性質による光学現象もあり、量子力学に関連するそのような分野は量子光学と呼ばれる。.

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確率過程

率論において、確率過程(かくりつかてい、stochastic process)は、時間とともに変化する確率変数のことである。 株価や為替の変動、ブラウン運動などの粒子のランダムな運動を数学的に記述する模型(モデル)として利用している。不規則過程(random process)とも言う。.

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(びょう、記号 s)は、国際単位系 (SI) 及びMKS単位系、CGS単位系における時間の物理単位である。他の量とは関係せず完全に独立して与えられる7つのSI基本単位の一つである。秒の単位記号は、「s」であり、「sec」などとしてはならない(後述)。 「秒」は、歴史的には地球の自転の周期の長さ、すなわち「一日の長さ」(LOD)を基に定義されていた。すなわち、LODを24分割した太陽時を60分割して「分」、さらにこれを60分割して「秒」が決められ、結果としてLODの86 400分の1が「秒」と定義されてきた。しかしながら、19世紀から20世紀にかけての天文学的観測から、LODには10−8程度の変動があることが判明し和田 (2002)、第2章 長さ、時間、質量の単位の歴史、pp. 34–35、3.時間の単位:地球から原子へ、時間の定義にはそぐわないと判断された。そのため、地球の公転周期に基づく定義を経て、1967年に、原子核が持つ普遍的な現象を利用したセシウム原子時計が秒の定義として採用された。 なお、1秒が人間の標準的な心臓拍動の間隔に近いことから誤解されることがあるが偶然に過ぎず、この両者には関係はない。.

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端数処理

端数処理(はすうしょり)または丸め(まるめ)とは、与えられた数値を、ある一定の丸め幅の整数倍の数値に置き換えることである。常用的には、10の累乗(…、100、10、1、0.1、0.01、…)が丸め幅とされることが多い。.

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誤差

誤差(ごさ、error)は、測定や計算などで得られた値 M と、指定値あるいは理論的に正しい値あるいは真値 T の差 ε であり、 で表される。.

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量子化

量子化(りょうしか、quantization)とは、ある物理量が量子の整数倍になること、あるいは整数倍にする処理のこと。.

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離散化誤差

数値解析、計算物理学およびシミュレーションで、離散化誤差(英:)あるいは切り捨て誤差(英:)は、連続変数の関数をコンピューターで有限個数(たとえば上)の計算で表現することに起因する誤差。一般的に、格子の間隔を狭くすることなどによって離散化誤差を減らすことができるが、計算量は増加する。.

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電子

電子(でんし、)とは、宇宙を構成するレプトンに分類される素粒子である。素粒子標準模型では、第一世代の荷電レプトンに位置付けられる。電子は電荷−1、スピンのフェルミ粒子である。記号は e で表される。また、ワインバーグ=サラム理論において弱アイソスピンは−、弱超電荷は−である。.

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電子工学

電子工学(でんしこうがく、Electronics、エレクトロニクス)は、電気工学の一部ないし隣接分野で、電気をマクロ的に扱うのではなく、またそのエネルギー的な側面よりも信号などの応用に関して、電子の(特に量子的な)働きを活用する工学である。なお、電気工学の意の英語 electrical engineering に対し、エレクトロニクス(electronics)という語には、明確に「工学」という表現が表面には無い。.

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電気通信

電気通信(でんきつうしん)とは、電気信号・電磁波・光波等の電磁的手段により映像・音声・データなどの情報を伝える通信である。.

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SN比

SN比(エスエヌひ)は、通信理論ないし情報理論あるいは電子工学などで扱われる値で、信号 (signal) と雑音 (noise) の比である。 信号雑音比 (signal-noise ratio) または 信号対雑音比 (signal-to-noise ratio) の略。S/N比、SNR、S/Nとも略す。 desired signal to undesired signal ratio、D/U ratio ともいう。 SN比が高ければ伝送における雑音の影響が小さく、SN比が小さければ影響が大きい。SN比が大きいことをSN比がよい、小さいことを悪いとも言う。.

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正弦波

正弦波(赤色)と余弦波(青色)の関数グラフ 正弦波(せいげんは、sine wave、sinusoidal wave)は、正弦関数として観測可能な周期的変化を示す波動のことである。その波形は正弦曲線(せいげんきょくせん、sine curve)もしくはシヌソイド (Sinusoid) と呼ばれ、数学、信号処理、電気工学およびその他の分野において重要な働きをする。.

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歪み (電子機器)

歪み(ひずみ、distortion)とは電気回路、伝送路における、系の非線形な応答により入出力の波形が相似形にならない現象。主に、増幅回路を含む系での性能指標として使用され、電気音響工学、通信工学、無線工学など、アナログ信号を扱う分野で広く性能指標に使用される。.

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最下位ビット

最下位ビット(さいかいビット、least significant bit、LSBと略記)は、コンピュータにおいて二進数で最も小さな値を意味するビット位置のことである。LSBは右端ビットとも言われる。十進数に当てはめれば、「一の位」に相当する。 二進数の特定のビットを示すために、各ビットにはゼロからn(その数値のビット数に依存)までのビット番号が割り当てられる。 従来、エンディアンによってゼロ番のビットがMSBに対応していたり、LSBに対応していたりしていたが、最近ではゼロ番はLSBとされていることが多い。(訳注:これが関係してくるのはビット番号を指定する形式のビット操作命令が存在する命令セットだけである。) これを拡張すると、LSBs(複数)はLSB側のいくつかのビットを意味する。 LSBs は変化が激しい。例えば、1 (二進数では 00000001) に 3 (二進数では 00000011) を足すと、結果は 4 (二進数では 00000100)であり、3桁のLSBsが変化している(011→100)。 対照的に3桁のMSBsは全く変化していない(000)。 この性質を利用して LSBsはしばしば擬似乱数、ハッシュ関数、チェックサムなどで使用される。 LSBが最下位バイトを意味する場合もある。この曖昧さを回避するため、LSBit、LSByteと表記されることもある。.

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