Обрезка (аудио) - Clipping (audio)

Измененные пики и впадины синусоидальная волна форма отображается на этом осциллограф указывают, что сигнал был «обрезан».

Вырезка это форма форма волны искажение это происходит, когда усилитель мощности перегружен и пытается выдать выходное напряжение или ток, превышающие его максимальные возможности. Переключение усилителя в режим ограничения может привести к тому, что он будет выдавать мощность, превышающую допустимую. Номинальная мощность.

в частотная область, ограничение создает сильные гармоники в высокочастотном диапазоне (так как ограниченный сигнал приближается к квадратная волна ). Сверхвысокочастотное взвешивание сигнала могло сделать твитер повреждение более вероятно, чем если бы сигнал не был обрезан.

В целом искажение, связанное с обрезкой, нежелательно и видно на осциллограф даже если его не слышно.^[1]

Обзор

Когда усилитель подталкивается к созданию сигнала с большей мощностью, чем может произвести его источник питания, он будет усиливать сигнал только до его максимальной мощности, после чего сигнал больше не может быть усилен. Поскольку сигнал просто «отсекает» или «отсекает» при максимальной мощности усилителя, сигнал называется «отсечением». Дополнительный сигнал, который выходит за рамки возможностей усилителя, просто отсекается, в результате чего синусоидальная волна становясь искаженным прямоугольная волна форма волны.

Усилители имеют ограничения по напряжению, току и температуре. Ограничение может произойти из-за ограничений в блоке питания или выходном каскаде. Некоторые усилители могут поставлять Пиковая мощность без ограничения на короткие промежутки времени до того, как энергия, запасенная в источнике питания, истощится или усилитель не начнет перегреваться.

Звук

Много Электрогитара игроки намеренно овердрайв их усилители (или вставьте «блок фаззинга»), чтобы вызвать клиппирование для получения желаемого звука (см. искажение гитары ).

Немного аудиофилы считают, что поведение отсечения вакуумные трубки мало или нет негативный отзыв превосходит транзисторы, в которых вакуумные лампы зажимаются более постепенно, чем транзисторы (т.е. мягкий вырезка, и в основном даже гармоники), что приводит к гармоническим искажениям, которые обычно менее нежелательны.

Последствия

Разница между ограниченным и максимально несрезанным сигналами

Спектрограф, показывающий гармоники нечетного порядка синусоидальной волны, жестко ограниченные

В транзисторном усилителе с жестким ограничением коэффициент усиления транзистора будет уменьшаться (приводя к нелинейным искажениям) по мере увеличения выходного тока и уменьшения напряжения на транзисторе, близкого к напряжению насыщения (для биполярные транзисторы ), поэтому «полная мощность» для целей измерения искажений в усилителях обычно принимается как несколько процентов. ниже вырезка.

Поскольку под обрезанным сигналом больше площади, чем под менее обрезанным сигналом, усилитель выдает больше мощность чем его номинальный (синусоидальная волна ) выводится при отсечении. Эта дополнительная мощность может повредить громкоговоритель. Это может вызвать повреждение усилителя. источник питания или просто взорвать предохранитель.

Дополнительная высокочастотная энергия в гармониках, генерируемых усилителем, работающим в режиме ограничения, может повредить твитер в связанном громкоговоритель через перегрев.^[2]^[3]

Отсечение может происходить в системе как обработка (например, всепроходный фильтр ) может изменить фазовое соотношение между спектральными компонентами сигнала таким образом, чтобы создать чрезмерные пиковые выходы. Чрезмерные пики могут быть ограничены, даже если система может воспроизводить любые простые синусоидальные сигналы того же уровня без ограничения.

Электрогитаристы часто и намеренно перегружают гитарные усилители вызвать обрезку и другие искажение чтобы получить желаемый звук.

Цифровая вырезка

Этот PCM сигнал обрезается между красными линиями

В цифровая обработка сигналов ограничение происходит, когда сигнал ограничивается диапазоном выбранного представления. Например, в системе, использующей 16-битную подписанный целые числа, 32767 - наибольшее положительное значение, которое может быть представлено. Если при обработке амплитуда сигнала удвоится, образец значения, например, 32000 должны стать 64000, но вместо этого целочисленное переполнение и насыщать до максимума, 32767. Отсечение предпочтительнее альтернативы в цифровых системах - переноса, которая происходит, если цифровому процессору разрешено переполнение, игнорируя старшие биты величины, а иногда даже знака значения выборки, что приводит к грубым искажениям сигнала.

Как избежать обрезки

Самый простой способ избежать клиппинга - снизить уровень сигнала. В качестве альтернативы система может быть улучшена для поддержки более высокого уровня сигнала без ограничения. Некоторые аудиофилы будут использовать усилители, рассчитанные на выходную мощность, в два раза превышающую номинальную мощность динамика. А ограничитель может использоваться для динамического понижения уровней громких частей сигнала (например, бас и малые барабаны ).

Многие разработчики усилителей встроили схемы для предотвращения перегрузки. Простейшие схемы действуют как быстрый ограничитель, который срабатывает примерно на один децибел до точки отсечения. Более сложная схема, называемая «soft-clip», использовалась с 1980-х годов для ограничения сигнала на входном каскаде. Функция мягкого клипа начинает действовать до клиппирования, например, начиная с 10 дБ ниже максимальной выходной мощности. Форма выходного сигнала сохраняет округлую характеристику даже при наличии входного сигнала перегрузки на 10 дБ выше указанного максимального значения.^[4]^[5]

Восстановление обрезанного сигнала

Желательно избегать обрезки, но если запись была обрезана и ее нельзя перезаписать, можно исправить. Цель ремонта - подобрать подходящую замену обрезанной части сигнала.

Сложные жестко ограниченные сигналы не могут быть восстановлены в исходное состояние, потому что информация, содержащаяся в ограниченных пиках, полностью потеряна. Сигналы с мягким ограничением могут быть восстановлены в исходное состояние в пределах допуска, зависящего от регистра, поскольку никакая часть исходного сигнала не теряется полностью. В этом случае степень потери информации пропорциональна степени сжатия, вызванного ограничением. Слегка обрезанные сигналы с ограниченной полосой пропускания, которые сильно передискретизированы, могут быть исправлены.^[6]

Некоторые методы могут частично восстановить ограниченный сигнал. Как только обрезанная часть известна, можно попытаться частичное восстановление. Один из таких методов - интерполяция или же экстраполяция известных образцов. Расширенные реализации могут использовать кубические шлицы попытаться восстановить непрерывно дифференцируемый сигнал. Хотя эти реконструкции являются лишь приближением к оригиналу, субъективное качество может быть улучшено. Другие методы включают в себя копирование сигнала непосредственно из одного стереоканала в другой, так как может случиться так, что ограничивается только один канал.

Существует несколько программных решений с различными результатами и методами для восстановления обрезки: CuteStudio Declip, Sony Sound Forge, iZotope Rx3 и Rx7, Adobe Audition, Nero AG Wave Editor, Stereo Tool, решения для декапирования от CEDAR Audio,^[7] и Мужество плагины, такие как Clip Fix.

Причины

В аналог аудиоаппаратура, есть несколько причин клиппирования:

Размах выходного сигнала твердотельного бестрансформаторного усилителя ограничен источник питания Напряжение.^[а]
Усилитель может иметь асимметричный размах выходного сигнала.^[b] и ограничение может начаться раньше на одной половине выходного сигнала.
Если блок питания конденсатор фильтра не может поддерживать напряжение из-за большого тока, потребляемого усилителем, напряжение, подаваемое на усилитель, будет колебаться, что может привести к как бы ограниченному сигналу, содержащему некоторые гармоники частоты сети переменного тока.
А вакуумная труба может перемещать только ограниченное количество электроны через определенный промежуток времени, зависящий от его размера, температуры и металлов. Результирующее падение усиления с увеличением выходного тока приводит к мягкая обрезка.
Усиливающие устройства также могут иметь ограничения на свои входы, например, чрезмерный базовый ток для биполярного транзистора или чрезмерный сетевой ток для вакуумная труба. Работа вне этих пределов может исказить входной сигнал, если он исходит от достаточно высокого сопротивление источник или повреждение усилительного устройства, требующего схемы ограничения для защиты; Смотри ниже.
Усилитель может ограничивать свой выходной ток или входное напряжение по целому ряду причин, как намеренно, так и нет. Предполагается, что схемы преднамеренного ограничения не сработают при нормальной работе, а только тогда, когда выходная нагрузка сопротивление слишком низкий или, например, слишком высокий уровень входного сигнала. В результате такой формы ограничения может образоваться не плоская вершина формы волны напряжения, а скорее плоская вершина формы волны тока.
Трансформатор (чаще всего используемый между ступенями и на выходе в ламповом оборудовании) будет зажиматься, когда его ферромагнитный ядро становится электромагнитно насыщенный.

Обнаружение

Ограничение в цепи может быть обнаружено путем сравнения исходного входного сигнала с выходным сигналом с регулировкой применяемого усиления. Например, если схема имеет приложенное усиление 10 дБ, ее можно проверить на ограничение, ослабив выходной сигнал на 10 дБ и сравнив его с входным сигналом. Разница между двумя сигналами может использоваться для включения индикаторов обнаружения ограничения и может использоваться для уменьшения усиления предыдущей схемы для управления ограничением.^[8]

Смотрите также

Примечания

^ Сюда входит большинство Интегральная схема и дискретный твердое состояние схемы. Ограничение относительно напряжения источника питания зависит от конструкции схемы (особенно конфигурации драйвера) и напряжения насыщения (V_{ce (сб)} за биполярные транзисторы, или R_{ds (вкл.)} за Полевые транзисторы ), и далее уменьшается, если выходной каскад не имеет постоянного выходного напряжения покоя, равного половине напряжения питания. Например, с типичным операционный усилитель то Абсолютный максимальный рейтинг для напряжения питания 36 вольт, а для безопасной эксплуатации расчетное напряжение питания 30 вольт; если бы он подавался как идеально сбалансированные + 15 В и -15 В, то теоретический пиковый выход для идеального железнодорожный выпуск Операционный усилитель будет иметь пик 15 В (10,6 В RMS, 30 В от пика к пику), но реальный операционный усилитель, такой как 741, вероятно, сможет выдавать пик около 10 В при нагрузках выше 2 кОм, то есть около 7,1 В RMS).
^ Возможно, потому, что транзистор смещен, поэтому его напряжение коллектора не составляет половину напряжения питания (или «сбалансированные» шины питания не сбалансированы идеально). Начальная загрузка или изменение схемы может облегчить это, когда это вызвано трудностями вождения эмиттер-повторитель выходные каскады.