Русская Википедия:Клиппинг (аудио)
Клиппинг (Шаблон:Lang-en — отсечение, срезание) в звукотехнике — нелинейные искажения звука вследствие жёсткого амплитудного ограничения цифрового или аналогового сигналаШаблон:Sfn. Цифровой клиппинг возникает при выходе цифрового сигнала за пределы шкалы допустимых значений, аналоговый клиппинг — при достижении предельных значений напряжения или тока сигнала, определяемых размахом напряжений питания и схемотехникой усилителя.
Клиппинг сопровождается генерацией широкого спектра высших гармоник исходного сигнала, поэтому он более заметен на слух, чем искажения иной природы с тем же значением коэффициента нелинейных искажений (КНИ)Шаблон:Sfn. Клиппинг с КНИ=1 % более заметен на слух, чем перегрузка аналоговой магнитной ленты с КНИ=3 %Шаблон:Sfn.
Цифровой клиппинг
Цифровой клиппинг возникает как при преобразовании аналогового сигнала в цифровой, так и при арифметических манипуляциях с цифровым сигналом (масштабирование, фильтрация, микширование и т. п.Шаблон:Sfn). Выход сигнала за пределы шкалы допустимых значения (например, от −32768 to +32767 для 16-разрядных АЦП)Шаблон:Sfn, как правило, приводит к жёсткому ограничению на уровне нижней или верхней границы шкалыШаблон:SfnШаблон:Sfn. Реже, при некорректной арифметической обработке целых чисел, происходит целочисленное переполнение c непредсказуемым результатомШаблон:Sfn. На практике программная обработка оцифрованного звука, как правило, производится в числах с плавающей запятой с разрядностью не менее 32 бит, поэтому переполнение при обработке происходит редкоШаблон:Sfn; более вероятен цифровой клиппинг при перекодировке чисел с плавающей запятой в целочисленный кодШаблон:Sfn.
Шаблон:Несколько изображений Цифровой клиппинг порождает наибольшее (по сравнению с аналоговым клиппингом) количество гармоник исходного сигнала, и вследствие алиасинга может также порождать субгармонические и ангармонические призвуки. Например, симметричный клиппинг простейшего гармонического сигнала — синусоиды частотой 1 кГц — породит и её высшие гармоники, и призвуки с частотами ниже 1 кГц[1]. При дальнейшей обработке клиппированного цифрового сигнала адаптивным кодеком, оптимизированным под естественные звуковые сигналы и особенности человеческого слуха, эти искусственные компоненты могут «обманывать» кодек, что приводит к утрате ещё сохранявшихся в клиппированном сигнале полезных составляющих[2].
По мнению абсолютного большинства авторов, цифровой клиппинг — наихудший, наиболее неблагозвучный из всех видов амплитудных ограничений; он плохо поддаётся последующему исправлению программными средствами и абсолютно недопустим в профессиональной звукотехникеШаблон:Sfn[2][3][4][5]Шаблон:Sfn. По мнению Итана Уайнера, это бесспорно верно лишь для значительных перегрузок; если уровень кратковременной перегрузки ограничен несколькими дБ, то качество звука остаётся допустимым[1].
Основной способ предотвратить клиппинг при оцифровке аналогового звука — консервативная установка уровня аналогового сигнала, гарантирующая достаточный запас для корректного преобразования самых мощных, краткосрочных выбросов исходного сигнала[4]. Например, стандарт Европейского вещательного союза предписывает, чтобы максимально допустимый уровень сигнала, отображаемый индикатором входного уровня, был на 9 дБ (или в 2,8 раз) ниже предельного размаха шкалы преобразования[4]. Запас в 9 дБ, по замыслу разработчика стандарта, предотвращает перегрузки АЦП короткими пиками, которые не детектируются и не отображаются традиционными индикаторами[4].
Аналоговый клиппинг
Амплитудное ограничение сигнала — непременное свойство любой аналоговой схемы. Напряжения на её элементах не могут выходить за пределы, заданные напряжениями на шинах питания (с учётом вольтодобавки, если таковая применяется, и временных выбросов напряжения на индуктивных компонентах). В схемах с жёстким ограничением выходного тока (например, с непрерывно действующей защитой по току) одновременно действуют два ограничения — и по току, и по напряжениюШаблон:Sfn.
В схемах без общей обратной связи искажения сигнала нарастают плавно, и ограничение происходит мягко. Эти процессы намеренно подчёркиваются в ламповых гитарных усилителях: выходной сигнал постепенно обогащается благозвучными гармониками (эффект дисторшн), и лишь на предельных уровнях «рассыпается» (уходит в клиппинг)Шаблон:Sfn. В схемах с общей обратной связью коэффициент передачи остаётся неизменным, а искажениям — низкими в широком диапазоне выходных напряженийШаблон:Sfn. Вблизи предельных уровней искажения резко нарастают с последующим переходом в клиппинг, но даже в этом случае клиппинг происходит не так жёстко, как в цифровых устройствахШаблон:Sfn[4]. Уровень генерируемых высших гармоник значительно ниже, отсутствует генерация ангармонических призвуков[1].
Переход в клиппинг и выход из него могут сопровождаться короткими выбросами сигнала и резонансным дребезгомШаблон:Sfn. Выход из клиппинга может затягиваться: обратная связь на время ослабляется или вовсе размыкаетсяШаблон:Sfn, что приводит к временному залипанию сигнала на полке клиппингаШаблон:Sfn. В особых случаях (например, в устройствах на операционных усилителях семейства TL07x) клиппинг может сопровождаться крайне неблагозвучной инверсией фазы: выходной сигнал отрицательной полярности, достигнув нижней полки, скачкообразно меняет полярность и залипает на верхней полкеШаблон:Sfn.
В студийных условиях клиппинг происходит на всех этапах звукозаписи — например, в микрофонах, во встроенных и внешних и микрофонных усилителяхШаблон:Sfn. В бытовой практике наиболее распространён клиппинг в усилителях мощности звуковых частот; он происходит часто и в большинстве случаев остаётся незамеченнымШаблон:Sfn, так как искажения при кратковременном клиппинге, как правило, остаются в пределах субъективно допустимых[4]Шаблон:Sfn. Основные факторы, способствующие кратковременным, но регулярным заходам в область клиппинга — низкая чувствительность громкоговорителей и высокий пик-фактор (соотношение среднего и максимального уровней записи) воспроизводимого сигналаШаблон:Sfn. Полностью исключить клиппинг при наличии обоих этих факторов практически невозможно: это требует запредельно высокого запаса выходной мощностиШаблон:Sfn. Пик-фактор высококачественных записей музыки составляет не менее 14 дБ, то есть максимальная мощность должна в 25 раз превышать среднююШаблон:Sfn. Для того, чтобы раскачать низкочувствительный (83 дБ на 1 м) громкоговоритель до оптимального, реалистичного уровня 96 дБ на 1 м, средняя мощность должна составлять «всего» 20 Вт, а максимальная выходная мощность с учётом 25-кратного запаса — 500 ВтШаблон:Sfn. Расчёт подтверждается практическими экспериментами: например, при озвучивании помещения площадью 40 м² громкоговорителем с чувствительностью 84 дб на 1 м усилитель мощностью 250 Вт на канал регулярно заходил в клиппинг — при этом средняя мощность воспроизведения перкуссивных треков не превышала 2 ВтШаблон:Sfn.
См. также
Примечания
Литература
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Книга
