Жақындықтаудың толқын пішіні бұрмалануы және дауыс белсенділігін анықтаудағы қателер
Clipping (audio)
Жұмыс істемей қалған дауыс белсенділігін анықтау салдарынан дауыс үзінділерінің қысқаруы және сигналдың бұрмалануы – клиппинг. Аудио жүйесіне зиян келтіруі мүмкін.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Дыбыс белсенділігін анықтаудағы қателіктерге байланысты дауыс үзінділерінің толқын пішінінің бұрмалануы.
Form of waveform distortion
shortening of voice snippets due to failures in voice activity detection
Клиппинг – күшейткіш артық жүктелгенде және оның максималды мүмкіндігінен асып, шығыс кернеуін немесе токты беруге тырысқанда туындайтын толқын пішінінің бұрмалануының бір түрі. Күшейткішті клиппингке түсіру оның қуатын белгіленген қуатынан асыруы мүмкін. Жиілік саласында клиппинг жоғары жиілік диапазонында күшті гармоникалар тудырады (клиппингке түскен толқын пішіні шаршы толқынға жақындаған сайын). Сигналдың жоғары жиіліктік салмағы, сигнал клиппингке түспеген жағдайдағыға қарағанда, твитердің зақымдану қаупін арттырады. Көп жағдайларда клиппингпен байланысты бұрмалаулар қажетсіз және тікелей естілмесе де осциллографта көрінеді. Дегенмен, клиппинг музыкада көркемдік эффект үшін, әсіресе блюз, рок және метал сияқты гитараға басымдық беретін жанрларда жиі қолданылады.
Clipping is a form of waveform distortion that occurs when an amplifier is overdriven and attempts to deliver an output voltage or current beyond its maximum capability. Driving an amplifier into clipping may cause it to output power in excess of its power rating. In the frequency domain, clipping produces strong harmonics in the high frequency range (as the clipped waveform comes closer to a squarewave). The extra high frequency weighting of the signal could make tweeter damage more likely than if the signal was not clipped. In most cases, the distortion associated with clipping is unwanted, and is visible on an oscilloscope even if it is inaudible. However, clipping is often used in music for artistic effect, particularly guitar dominant genres like blues, rock, and metal.
Шолу
Күшейткіш қуат көзінің бере алатын қуаттан артық қуатты сигналды жасауға мәжбүрленген кезде, ол сигналды тек қана өзінің максималды қуатына дейін күшейтеді, одан әрі күшейте алмайды. Сигнал күшейткіштің максималды қуатына жеткенде "қырқылады" немесе "кесіледі", сондықтан мұндай жағдайды "қырқылу" деп атайды. Күшейткіштің мүмкіндігінен асып кеткен сигнал жай ғана тоқтатылады, нәтижесінде синусоидалық толқын бұрмаланған, шаршы толқынға ұқсас формаға айналады. Күшейткіштердің кернеу, ток және температуралық шектері болады. Қырқылу қуат көзінің немесе шығыс каскадының шектеулерінен туындауы мүмкін. Кейбір күшейткіштер қуат көзіндегі энергия сарқылғанға дейін немесе күшейткіш қызып кеткенге дейін қысқа мерзімге қырқылусыз максималды қуатты бере алады.
When an amplifier is pushed to create a signal with more power than its power supply can produce, it will amplify the signal only up to its maximum capacity, at which point the signal can be amplified no further. As the signal simply "cuts" or "clips" at the maximum capacity of the amplifier, the signal is said to be "clipping". The extra signal which is beyond the capability of the amplifier is simply cut off, resulting in a sine wave becoming a distorted square wave type waveform. Amplifiers have voltage, current and thermal limits. Clipping may occur due to limitations in the power supply or the output stage. Some amplifiers are able to deliver peak power without clipping for short durations before energy stored in the power supply is depleted or the amplifier begins to overheat.
Дыбыс
Көптеген электр гитарашылар қалаған дыбыс алу үшін өз күшейткіштерін әдейі шамадан тыс жүктемелейді (немесе "фуз-бокс" қосады), бұл сигналдың кесілуіне (клиппингке) әкеледі (гитара бұрмалануына қараңыз). Кейбір аудиофилдер вакуумдық лампалардың аз немесе мүлдем теріс кері байланысы бар кесілу сипаттамасы транзисторларға қарағанда жақсырақ деп санайды, себебі вакуумдық лампалар транзисторларға қарағанда бірте-бірте кесіледі (яғни, жұмсақ кесілу және көбінесе тік гармоникалар), нәтижесінде гармониялық бұрмалану көбінесе аз жағымсыз болады.
Many electric guitar players intentionally overdrive their amplifiers (or insert a "fuzz box") to cause clipping in order to get a desired sound (see guitar distortion). Some audiophiles believe that the clipping behavior of vacuum tubes with little or no negative feedback is superior to that of transistors, in that vacuum tubes clip more gradually than transistors (i. e. soft clipping, and mostly even harmonics), resulting in harmonic distortion that is generally less objectionable.
Әсерлер
Қатты кесілген транзисторлы күшейткіште транзистордың күшейту коэффициенті төмендейді (бұл сызықтық емес бұрмалауға әкеледі), өйткені шығыс тогы артады және транзистордағы кернеу қанығу кернеуіне жақын азаяды (биполярлы транзисторлар үшін). Сондықтан күшейткіштерде бұрмалауды өлшеу үшін "толық қуат" әдетте кесілуден бірнеше пайыз төмен деп есептеледі. Кесілген толқынның астындағы ауданы кесілмеген толқынға қарағанда үлкен болғандықтан, күшейткіш кесілген кезде номиналды (синусоидалық) қуатынан артық қуат береді. Бұл артық қуат динамикке зиян келтіруі мүмкін, күшейткіштің қуат көзіне зақымдауы немесе сақтандырғышты күйдіруі мүмкін. Клиптеу режимінде жұмыс істейтін күшейткіштің гармоникаларындағы жоғары жиілікті энергия қосылған динамиктің жоғары жиілікті динамигіне (твиттерге) артық қыздырудан зақым келтіруі мүмкін. Клиптеу жүйеде процессинг (мысалы, барлық өткізу сүзгісі) сигналдың спектрлік компоненттері арасындағы фазалық қатынасты өзгерткенде, артық шыңдар пайда болуы мүмкін. Жүйе бірдей деңгейдегі қарапайым синусоидалық сигналдарды клиптеусіз ойната алса да, бұл артық шыңдар кесілуі мүмкін. Электр гитарашылары жиі және қасақана гитара күшейткіштерін артық жүктеу арқылы клиптеу мен басқа да бұрмалауларды тудырып, қалаған дыбысқа қол жеткізеді.
In a transistorized amplifier with hard clipping, the gain of the transistor will be reducing (leading to nonlinear distortion) as the output current increases and the voltage across the transistor reduces close to the saturation voltage (for bipolar transistors), and so "full power" for the purposes of measuring distortion in amplifiers is usually taken as a few percent below clipping. Because the clipped waveform has more area underneath it than the smaller unclipped waveform, the amplifier produces more power than its rated (sine wave) output when it is clipping. This extra power can damage the loudspeaker. It may cause damage to the amplifier's power supply or simply blow a fuse. The additional high frequency energy in the harmonics generated by an amplifier operating in clipping can damage the tweeter in a connected loudspeaker via overheating. Clipping can occur within a system as processing (e. g. an all pass filter) can change the phase relationship between spectral components of a signal in such a way as to create excessive peak outputs. The excessive peaks may become clipped even though the system can play any simple sine wave signals of the same level without clipping. Electric guitarists frequently and intentionally overdrive their guitar amplifiers to cause clipping and other distortion in order to get a desired sound.
Цифрлық кесу
Цифрлық сигналдарды өңдеуде клиппинг, сигнал таңдалған өрнектің диапазонымен шектелген кезде пайда болады. Мысалы, 16 биттік бүтін сандарды пайдаланатын жүйеде 32767 – ең үлкен оң мән. Егер өңдеу барысында сигналдың амплитудасы екі есеге артса, мысалы, 32000-ның үлгілік мәндері 64000-ға айналуы тиіс, бірақ оның орнына бүтін санның асығуын тудырып, 32767-ге дейін қанағаттандырады. Клиппинг, цифрлық жүйелердегі "ораудан" артық, себебі "орау" цифрлық процессордың асығуын қабылдап, шаманың ең маңызды биттерін, кейде тіпті үлгілік мәннің таңбасын да елемейді, нәтижесінде сигналдың күрт бұрмалануына әкеледі.
In digital signal processing, clipping occurs when the signal is restricted by the range of a chosen representation. For example, in a system using 16 bit signed integers, 32767 is the largest positive value that can be represented. If, during processing, the amplitude of the signal is doubled, sample values of, for instance, 32000 should become 64000, but instead cause an integer overflow and saturate to the maximum, 32767. Clipping is preferable to the alternative in digital systems—wrapping—which occurs if the digital processor is allowed to overflow, ignoring the most significant bits of the magnitude, and sometimes even the sign of the sample value, resulting in gross distortion of the signal.
Кесуден аулақ болу
Кесуден қашудың ең оңай жолы – сигнал деңгейін төмендету. Балама ретінде, жүйе кесусіз жоғары сигнал деңгейін қолдау үшін жақсартылуы мүмкін. Кейбір аудиофилдер динамиктердің қуатына қарағанда екі есе қуатты күшейткіштерді пайдаланады. Сигналдың күшті бөліктерінің деңгейін динамикалық түрде төмендету үшін лимитерді қолдануға болады (мысалы, бас және барабан соққылары). Көптеген күшейткіш жасаушылар кесуді болдырмау үшін тізбектерді енгізді. Ең қарапайым тізбектер кесу нүктесіне дейін шамамен бір децибелде қосылатын жылдам лимитер сияқты жұмыс істейді. "Жұмсақ кесу" деп аталатын күрделірек тізбек 1980 жылдардан бері сигналдың кіріс кезеңінде шектеу үшін қолданылып келеді. Жұмсақ кесу мүмкіндігі кесуге дейін іске қосылады, мысалы, максималды шығыс қуатынан 10 дБ төмен. Шығыс толқын пішіні максималды белгіленгеннен 10 дБ жоғары жүктемелік кіріс сигналы болған жағдайда да дөңгелек сипаттамасын сақтайды.
The simplest way to avoid clipping is to reduce the signal level. Alternatively the system can be improved to support higher signal level without clipping. Some audiophiles will use amplifiers that are rated for power outputs over twice the speaker's ratings. A limiter can be used to dynamically bring the levels of the loud parts of a signal down (for example, bass and snare drums). Many amplifier designers have incorporated circuits to prevent clipping. The simplest circuits act like a fast limiter, which engages about one decibel before the clipping point. A more complex circuit, called "soft clip", has been used from the 1980s onward to limit the signal at the input stage. The soft clip feature begins to engage prior to clipping, for instance starting at 10 dB below maximum output power. The output waveform retains a rounded characteristic even in the presence of an overload input signal as much as 10 dB higher than maximum specified.
Кесілген сигналды жөндеу
Кесуді болдырмау қажет, бірақ жазба кесілген жағдайда және оны қайта жазу мүмкін болмаса, жөндеуге болады. Жөндеудің мақсаты – сигналдың кесілген бөлігіне сенімді жаңа мазмұн қою. Қатты кесілген күрделі сигналдарды бастапқы күйіне толыққанды қалпына келтіру мүмкін емес, себебі кесілген төбелердегі ақпарат толығымен жойылады. Жұмсақ кесілген сигналдарды жағдайға байланысты белгілі бір дәлдікпен бастапқы күйіне қайтаруға болады, өйткені бастапқы сигналдың ешбір бөлігі толығымен жоғалмайды. Бұл жағдайда ақпараттың жоғалу деңгейі кесуден туындаған қысылу деңгейіне пропорционалды. Аз кесілген, жолақты шектеулі және жоғары үлгіленген сигналдарды мінсіз жөндеуге болады. Бірнеше әдіс кесілген сигналды ішінара қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Кесілген бөлік белгілі болғаннан кейін, оның бір бөлігін қалпына келтіруге талпынуға болады. Мұндай әдістердің бірі – белгілі үлгілерді интерполяциялау немесе экстраполяциялау. Күрделі жағдайларда, үздіксіз дифференциалданатын сигналды қалпына келтіру үшін кубикалық сплайндар қолданылуы мүмкін. Бұл жаңадан құрылған сигналдар түпнұсқаның шамамен ғана болғанымен, субъективті сапасын жақсартуға болады. Басқа әдістерге бір стерео каналдан екіншісіне сигналды тікелей көшіру кіреді, себебі тек бір канал ғана кесілген болуы мүмкін. Клиптерді жөндеуге арналған әртүрлі нәтижелер мен әдістерді ұсынатын бірнеше бағдарламалық шешімдер бар: CrumplePop ClipRemover, MAGIX Sound Forge, iZotope RX De Clip, Acon Digital Restoration Suite, Adobe Audition, Thimeo Stereo Tool, CEDAR Audio-дан кесуді жою шешімдері және Audacity плагиндері, мысалы, Clip Fix.
It is preferable to avoid clipping, but if a recording has clipped, and cannot be re recorded, repair is an option. The goal of repair is to make up a plausible replacement for the clipped part of the signal. Complex hard clipped signals cannot be restored to their original state because the information contained in the peaks that are clipped is completely lost. Soft clipped signals can be restored to their original state to within a case dependent tolerance because no part of the original signal is completely lost. In this case, the degree of information loss is proportional to the degree of compression caused by the clipping. Lightly clipped bandwidth limited signals that are highly oversampled have the potential for perfect repair. Several methods can partially restore a clipped signal. Once the clipped portion is known, one can attempt partial recovery. One such method is interpolation or extrapolation of known samples. Advanced implementations may use cubic splines to attempt to restore a continuously differentiable signal. While these reconstructions are only an approximation of the original, the subjective quality may be improved. Other methods include copying the signal directly from one stereo channel to another, as it may be the case that only one channel is clipped. Several software solutions of varying results and methods exist to repair clipping: CrumplePop ClipRemover, MAGIX Sound Forge, iZotope RX De Clip, Acon Digital Restoration Suite, Adobe Audition, Thimeo Stereo Tool, declipping solutions from CEDAR Audio, and Audacity plugins such as Clip Fix.
Анықтау
Сұлбадағы кесілуді бастапқы кіріс сигналын қолданылған күшейтуге сәйкес түзетілген шығыс сигналымен салыстыру арқылы анықтауға болады. Мысалы, егер тізбектің 10 дБ күшейтуі болса, оны шығыс сигналын 10 дБ-ға әлсірету арқылы кесілуге тексеруге болады және оны кіріс сигналымен салыстыруға болады. Екі сигнал арасындағы айырмашылық кесілуді анықтау индикаторларын қосу үшін және кесілуді басқару үшін алдыңғы тізбектің күшейтуін азайту үшін пайдаланылуы мүмкін. Кесілген сигналдар көбінесе шаршыланған болады, онда үшінші гармоникалар Фурье түрлендіріліміндегі контексттік аномалиялар болып табылады. Күтілетін синусоидалық толқын жағдайында, тақ гармоникалардың болуы сигналдың қатты кесілгенін көрсетеді. "Жұмсақ кесілу" платоның екі жағында иіліспен сипатталады, бұл төменгі жиілік спектрінде бірнеше жұп гармоникалардың бар екенін көрсетеді.
Clipping in a circuit can be detected by comparing the original input signal with an output signal with adjustment for applied gain. For instance, if a circuit has 10 dB of applied gain, it can be tested for clipping by attenuating the output signal by 10 dB and comparing it to the input signal. The difference between the two signals can be used to illuminate clipping detection indicators and can be used to decrease the gain of a preceding circuit to manage clipping. Clipped signals will often be squarized, where third harmonics are contextual outliers in a Fourier Transform. In the case of an expected sine wave, the presence of odd harmonics will often suggest the signal has been hard clipped. A “soft clip” will have a knee on both sides of the plateau, which will show the presence of several even overtones in the lower frequency spectrum.