Przycinanie (dźwięk) — Clipping (audio)

Zmienione szczyty i doliny przebiegu sinusoidalnego wyświetlane na tym oscyloskopie wskazują, że sygnał został „obcięty”.

Obcinanie to forma zniekształcenia kształtu fali, która występuje, gdy wzmacniacz jest przesterowany i próbuje dostarczyć napięcie lub prąd wyjściowy poza jego maksymalne możliwości. Włączenie wzmacniacza w stan przesterowania może spowodować, że będzie on generował moc wyjściową przekraczającą jego moc znamionową .

W dziedzinie częstotliwości obcinanie wytwarza silne harmoniczne w zakresie wysokich częstotliwości (ponieważ obcięty kształt fali zbliża się do fali prostokątnej ). Dodatkowe ważenie sygnału o wysokiej częstotliwości może spowodować, że uszkodzenie głośnika wysokotonowego będzie bardziej prawdopodobne, niż gdyby sygnał nie był przesterowany.

W niektórych przypadkach zniekształcenia związane z przycinaniem są niepożądane i są widoczne na oscyloskopie, nawet jeśli są niesłyszalne. Jednak przycinanie jest często używane w muzyce w celu uzyskania efektu artystycznego, zwłaszcza w cięższych gatunkach.

Przegląd

Kiedy wzmacniacz jest zmuszany do wytworzenia sygnału o większej mocy, niż może wytworzyć jego zasilacz, wzmocni on sygnał tylko do maksymalnej wydajności, w którym to momencie sygnał nie może być dalej wzmacniany. Ponieważ sygnał po prostu „przecina” lub „przecina” przy maksymalnej mocy wzmacniacza, mówi się, że sygnał „przecina”. Dodatkowy sygnał, który przekracza możliwości wzmacniacza, jest po prostu odcinany, co powoduje, że sinusoida staje się zniekształconą falą prostokątną .

Wzmacniacze mają ograniczenia napięciowe, prądowe i termiczne. Przesterowanie może wystąpić z powodu ograniczeń w zasilaczu lub stopniu wyjściowym. Niektóre wzmacniacze są w stanie dostarczyć szczytową moc bez obcinania przez krótki czas, zanim energia zmagazynowana w zasilaczu wyczerpie się lub wzmacniacz zacznie się przegrzewać.

Dźwięk

Wiele gitara elektryczna graczy celowo overdrive swoje wzmacniacze (lub wstawić „fuzz box”), aby spowodować przycinania w celu uzyskania pożądanego dźwięku (patrz zniekształcenia gitara ).

Niektórzy audiofile uważają, że zachowanie lamp próżniowych z niewielkim lub żadnym negatywnym sprzężeniem zwrotnym jest lepsze niż w przypadku tranzystorów , ponieważ lampy próżniowe przecinają się bardziej stopniowo niż tranzystory (tj. miękkie przycinanie , a głównie harmoniczne), co powoduje zniekształcenia harmoniczne, które są ogólnie mniej budzące zastrzeżenia.

Efekty

Różnica między obciętymi a maksymalnymi obciętymi przebiegami
Spektrograf pokazujący nieparzyste harmoniczne fali sinusoidalnej wciśniętej w twarde obcinanie

We wzmacniaczu tranzystorowym z twardym przesterowaniem wzmocnienie tranzystora będzie się zmniejszać (prowadząc do zniekształceń nieliniowych) w miarę wzrostu prądu wyjściowego i spadku napięcia na tranzystorze zbliżonym do napięcia nasycenia (dla tranzystorów bipolarnych ), a więc „pełnej mocy”. " do celów pomiaru zniekształceń we wzmacniaczach zwykle przyjmuje się kilka procent poniżej przesterowania.

Ponieważ obcięty przebieg ma większą powierzchnię niż mniejszy, nieobcięty przebieg, wzmacniacz wytwarza więcej mocy niż jego znamionowa ( sinusoida ) moc wyjściowa podczas obcinania. Ta dodatkowa moc może uszkodzić głośnik . Może to spowodować uszkodzenie zasilacza wzmacniacza lub po prostu przepalenie bezpiecznika .

Dodatkowa energia wysokich częstotliwości w harmonicznych generowanych przez wzmacniacz pracujący w trybie przesterowania może uszkodzić głośnik wysokotonowy w podłączonym głośniku poprzez przegrzanie.

Obcinanie może wystąpić w systemie, ponieważ przetwarzanie (np. filtr wszechprzepustowy ) może zmienić zależność fazową między składowymi widmowymi sygnału w taki sposób, że tworzą nadmierne wartości szczytowe. Nadmierne piki mogą zostać obcięte, nawet jeśli system może odtwarzać proste sygnały sinusoidalne o tym samym poziomie bez obcinania.

Gitarzyści elektryczni często i celowo przesterowują swoje wzmacniacze gitarowe, aby spowodować przesterowanie i inne zniekształcenia w celu uzyskania pożądanego dźwięku.

Przycinanie cyfrowe

Ten przebieg PCM jest przycięty między czerwonymi liniami

W cyfrowym przetwarzaniu sygnału obcinanie występuje, gdy sygnał jest ograniczony zakresem wybranej reprezentacji. Na przykład, w systemie wykorzystującym 16-bitowe podpisane liczb całkowitych, 32767 jest największą wartością dodatnią, które mogą być reprezentowane. Jeśli podczas przetwarzania amplituda sygnału zostanie podwojona, wartości próbek , na przykład 32000, powinny stać się 64000, ale zamiast tego spowodować przepełnienie liczby całkowitej i nasycenie do maksimum, 32767. Przycinanie jest lepsze niż alternatywa w systemach cyfrowych — zawijanie — co ma miejsce, gdy procesor cyfrowy może się przepełnić, ignorując najbardziej znaczące bity wielkości, a czasem nawet znak wartości próbki, co powoduje poważne zniekształcenie sygnału.

Unikanie obcinania

Najprostszym sposobem uniknięcia przesterowania jest zmniejszenie poziomu sygnału. Alternatywnie system można ulepszyć, aby obsługiwać wyższy poziom sygnału bez obcinania. Niektórzy audiofile używają wzmacniaczy, których moc wyjściowa przekracza dwukrotnie moc głośnika. Ogranicznik może być używany do dynamicznego przynieść poziomu głośnych częściami dół sygnału (na przykład, basie i werblach ).

Wielu projektantów wzmacniaczy włączyło obwody, aby zapobiec przesterowaniu. Najprostsze obwody działają jak szybki ogranicznik, który włącza się około jednego decybela przed punktem przesterowania. Bardziej złożony obwód, zwany „soft-clip”, był używany od lat 80. w celu ograniczenia sygnału na stopniu wejściowym. Funkcja soft-clip zaczyna działać przed przesterowaniem, na przykład zaczynając od 10 dB poniżej maksymalnej mocy wyjściowej. Kształt fali wyjściowej zachowuje zaokrągloną charakterystykę nawet w obecności przeciążonego sygnału wejściowego nawet o 10 dB wyższego niż określone maksimum.

Naprawianie przyciętego sygnału

Lepiej jest unikać przycinania, ale jeśli nagranie zostało przycięte i nie można go ponownie nagrać, naprawa jest opcją. Celem naprawy jest dokonanie wiarygodnej wymiany zaciętej części sygnału.

Złożone sygnały przycięte na twardo nie mogą zostać przywrócone do ich pierwotnego stanu, ponieważ informacje zawarte w przyciętych pikach są całkowicie tracone. Sygnały z miękkim przycięciem można przywrócić do ich pierwotnego stanu z tolerancją zależną od wielkości liter, ponieważ żadna część oryginalnego sygnału nie jest całkowicie utracona. W takim przypadku stopień utraty informacji jest proporcjonalny do stopnia kompresji spowodowanej obcinaniem. Lekko przycięte sygnały o ograniczonej przepustowości, które są wysoce nadpróbkowane, mają potencjał do doskonałej naprawy.

Kilka metod może częściowo przywrócić przycięty sygnał. Po poznaniu przyciętej części można spróbować częściowego odzyskania. Jedną z takich metod jest interpolacja lub ekstrapolacja znanych próbek. Zaawansowane implementacje mogą używać splajnów sześciennych do próby przywrócenia stale różnicującego się sygnału. Chociaż te rekonstrukcje są tylko przybliżeniem oryginału, subiektywna jakość może ulec poprawie. Inne metody obejmują kopiowanie sygnału bezpośrednio z jednego kanału stereo do drugiego, ponieważ może się zdarzyć, że tylko jeden kanał zostanie obcięty.

Istnieje kilka rozwiązań programowych o różnych wynikach i metodach naprawy wycinania: CuteStudio Declip, Sony Sound Forge , iZotope Rx3 i Rx7, Adobe Audition , Nero AG Wave Editor, Stereo Tool, rozwiązania odcinania od CEDAR Audio i wtyczki Audacity, takie jak Clip Fix.

Powoduje

W analogowym sprzęcie audio istnieje kilka przyczyn przesterowania:

  1. Moc szczytowa beztransformatorowego wzmacniacza półprzewodnikowego jest ograniczona napięciem zasilania .
  2. Wzmacniacz może mieć asymetryczne kołysanie sygnału wyjściowego i obcinanie może rozpocząć się wcześniej na jednej połowie przebiegu wyjściowego.
  3. We wzmacniaczach audio korzystających z nieregulowanych liniowych zasilaczy, jeśli kondensator filtra nie jest wystarczająco duży, napięcie tętnienia może powodować obcinanie, które zawiera również pewne harmoniczne częstotliwości linii AC. W zasilaczu o przełączanych trybach częstotliwość przełączania jest bardziej dominująca w napięciu tętnienia i poza pasmem audio, podczas gdy w zasilaczu regulowanym napięcie tętnienia jest odrzucane.
  4. Lampowy może przenosić tylko ograniczoną liczbę elektronów w danym okresie czasu, w zależności od jego wielkości, temperatury i metali. Wynikający z tego spadek wzmocnienia wraz ze wzrostem prądu wyjściowego powoduje miękkie przesterowanie .
  5. Urządzenia wzmacniające mogą również mieć ograniczenia na swoich wejściach, na przykład nadmierny prąd bazy do tranzystora bipolarnego lub nadmierny prąd siatki do lampy próżniowej . Praca poza tymi limitami może zniekształcić sygnał wejściowy, jeśli pochodzi on ze źródła o wystarczająco wysokiej impedancji , lub uszkodzić urządzenie wzmacniające wymagające obwodu ograniczającego do ochrony; patrz poniżej.
  6. Wzmacniacz może ograniczać swój prąd wyjściowy lub napięcie wejściowe z różnych powodów, zarówno zamierzonych, jak i nie. Zamierzone obwody ograniczające nie powinny działać podczas normalnej pracy, ale tylko wtedy, gdy na przykład rezystancja obciążenia wyjściowego jest zbyt niska lub poziom sygnału wejściowego jest wyjątkowo wysoki. Rezultatem tej formy obcinania może nie być płaski wierzchołek przebiegu napięcia, ale raczej płaski wierzchołek przebiegu prądu.
  7. Transformator (najczęściej używany między stopniami i na wyjściu w sprzęcie lampowym) zatrzaśnie się, gdy jego rdzeń ferromagnetyczny zostanie nasycony elektromagnetycznie .

Wykrycie

Przesterowanie obwodu można wykryć porównując oryginalny sygnał wejściowy z sygnałem wyjściowym z regulacją zastosowanego wzmocnienia. Na przykład, jeśli obwód ma 10 dB zastosowanego wzmocnienia, można go przetestować pod kątem przesterowania, tłumiąc sygnał wyjściowy o 10 dB i porównując go z sygnałem wejściowym. Różnica między tymi dwoma sygnałami może być wykorzystana do podświetlenia wskaźników wykrywania przesterowania i może być wykorzystana do zmniejszenia wzmocnienia poprzedniego obwodu w celu zarządzania przesterowaniem.

Sygnały obcięte są często poddawane pod kwadrat, gdzie trzecie harmoniczne są kontekstowymi wartościami odstającymi w transformacji Fouriera. W przypadku oczekiwanej fali sinusoidalnej obecność nieparzystych harmonicznych często sugeruje, że sygnał został mocno przycięty. „Miękki klips” będzie miał kolano po obu stronach płaskowyżu, co pokaże obecność kilku równych podtekstów w dolnym spektrum częstotliwości.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia