Введение

Форма искажения волновой формы
укорочение речевых фрагментов из-за сбоев в определении речевой активности

Клиппинг – это форма искажения волновой формы, возникающая при перегрузке усилителя, когда он пытается выдать выходное напряжение или ток, превышающие его максимальные возможности. Доведение усилителя до клиппинга может привести к превышению его номинальной мощности. В частотной области клиппинг генерирует сильные гармоники в высокочастотном диапазоне (поскольку форма сигнала при клиппинге приближается к прямоугольной волне). Повышенное содержание высоких частот в сигнале может увеличить вероятность повреждения высокочастотного динамика, чем если бы сигнал не был подвергнут клиппингу. В большинстве случаев искажения, связанные с клиппингом, нежелательны и видны на осциллографе, даже если они неслышимы. Однако клиппинг часто используется в музыке в художественных целях, особенно в жанрах, где доминирует гитара, таких как блюз, рок и металл.

Обзор

Когда усилитель пытается создать сигнал, требующий большей мощности, чем может обеспечить его источник питания, он усиливает сигнал только до своего максимального уровня, после которого дальнейшее усиление невозможно. Поскольку сигнал при достижении максимальной мощности усилителя обрезается или искажается, такое явление называется "клиппинг". Часть сигнала, превышающая возможности усилителя, просто отсекается, в результате чего синусоидальная волна превращается в искаженную форму, близкую к прямоугольной. Усилители имеют ограничения по напряжению, току и тепловыделению. Клиппинг может возникать из-за ограничений источника питания или выходной каскада. Некоторые усилители способны выдавать пиковую мощность без клиппинга в течение короткого времени, пока не исчерпается запас энергии в источнике питания или усилитель не начнет перегреваться.

Звук

Многие гитаристы намеренно перегружают свои усилители (или используют "фузбокс"), чтобы добиться клиппирования и получить желаемый звук (см. гитарное искажение). Некоторые аудиофилы полагают, что клиппирование вакуумных ламп с небольшим количеством или полным отсутствием отрицательной обратной связи превосходит клиппирование транзисторов, поскольку вакуумные лампы клиппируют более плавно, чем транзисторы (то есть, мягкое клиппирование, преимущественно с чётными гармониками), что приводит к гармоническим искажениям, которые обычно воспринимаются менее неприятно.

Эффекты

В транзисторном усилителе с жестким клиппингом, усиление транзистора уменьшается (что приводит к нелинейным искажениям) по мере увеличения выходного тока и снижения напряжения на транзисторе до значения, близкого к напряжению насыщения (для биполярных транзисторов). Поэтому, при измерении искажений в усилителях, "полная мощность" обычно определяется как несколько процентов ниже уровня клиппинга. Поскольку форма сигнала после клиппинга имеет большую площадь под кривой, чем исходная, неискаженная форма, усилитель выдает большую мощность, чем его номинальная (синусоидальная) выходная мощность, когда он работает в режиме клиппинга. Эта избыточная мощность может повредить динамик. Она может привести к повреждению блока питания усилителя или к перегоранию предохранителя. Дополнительная высокочастотная энергия в гармониках, генерируемых усилителем в режиме клиппинга, может повредить высокочастотный динамик подключенного громкоговорителя из-за перегрева. Клиппинг может возникать и в системе в целом, поскольку обработка сигнала (например, всефазный фильтр) может изменять фазовые соотношения между спектральными компонентами таким образом, что создаются чрезмерные пиковые значения. Эти избыточные пики могут быть отсечены, даже если система способна воспроизводить любые простые синусоидальные сигналы того же уровня без клиппинга. Электрогитаристы часто намеренно перегружают свои гитарные усилители, вызывая клиппинг и другие искажения, чтобы получить желаемый звук.

Цифровая обрезка

В цифровой обработке сигналов, клипинг возникает, когда сигнал ограничивается диапазоном выбранного представления. Например, в системе, использующей 16-битные знаковые целые числа, 32767 является наибольшим положительным значением, которое может быть представлено. Если в процессе обработки амплитуда сигнала удваивается, значения отсчетов, например 32000, должны стать 64000, но вместо этого происходит переполнение целого числа и сигнал насыщается до максимального значения, 32767. Клипинг предпочтительнее альтернативы в цифровых системах – переполнения с зацикливанием – которое происходит, если цифровой процессор допускает переполнение, отбрасывая наиболее значимые биты величины, а иногда даже знак отсчета, что приводит к сильному искажению сигнала.

Избегайте обрезки

Самый простой способ избежать искажений из-за перегрузки – снизить уровень сигнала. В качестве альтернативы, систему можно улучшить, чтобы она поддерживала более высокий уровень сигнала без искажений. Некоторые аудиофилы используют усилители, номинальная мощность которых более чем в два раза превышает мощность акустических систем. Лимитер может динамически уменьшать уровни самых громких частей сигнала (например, баса и малого барабана). Многие разработчики усилителей включают схемы для предотвращения искажений из-за перегрузки. Самые простые схемы работают как быстрый ограничитель, который включается примерно за один децибел до точки перегрузки. Более сложная схема, называемая "мягким клиппированием", используется с 1980-х годов для ограничения сигнала на входной ступени. Функция мягкого клиппирования начинает работать до возникновения перегрузки, например, начиная с 10 дБ ниже максимальной выходной мощности. Выходная форма сигнала сохраняет сглаженную форму даже при наличии входного сигнала, превышающего максимально допустимый на 10 дБ.

Ремонт отключенного сигнала

Предпочтительно избегать искажений, но если запись содержит искажения и её нельзя перезаписать, восстановление является возможным вариантом. Цель восстановления – создать правдоподобную замену для искажённой части сигнала. Сложные, сильно искажённые сигналы невозможно восстановить в исходное состояние, поскольку информация, содержащаяся в срезанных пиках, полностью утрачена. Мягко искажённые сигналы можно восстановить до исходного состояния с допустимой погрешностью, зависящей от конкретного случая, поскольку ни одна часть исходного сигнала не теряется полностью. В этом случае степень потери информации пропорциональна степени сжатия, вызванного искажением. Слабо искажённые сигналы с ограниченной полосой пропускания и высокой степенью передискретизации имеют потенциал для идеального восстановления. Существует несколько методов частичного восстановления искажённого сигнала. Как только искажённый участок определён, можно попытаться частично восстановить его. Один из таких методов – интерполяция или экстраполяция известных отсчётов. В продвинутых реализациях могут использоваться кубические сплайны для попытки восстановления непрерывно дифференцируемого сигнала. Хотя эти реконструкции являются лишь приближением к оригиналу, субъективное качество может быть улучшено. Другие методы включают копирование сигнала с одного стереоканала на другой, если искажён только один канал. Существует несколько программных решений с различными результатами и методами для устранения искажений: CrumplePop ClipRemover, MAGIX Sound Forge, iZotope RX De Clip, Acon Digital Restoration Suite, Adobe Audition, Thimeo Stereo Tool, решения для устранения искажений от CEDAR Audio и плагины Audacity, такие как Clip Fix.

Обнаружение

Срез сигнала в цепи может быть обнаружен путем сравнения исходного входного сигнала с выходным сигналом с учетом приложенного усиления. Например, если схема имеет усиление в 10 дБ, ее можно проверить на наличие среза, ослабив выходной сигнал на 10 дБ и сравнив его с входным сигналом. Разница между этими сигналами может использоваться для индикации обнаружения среза и для уменьшения усиления предыдущей цепи с целью предотвращения среза. Сигналы после среза часто приобретают форму прямоугольника, при этом третьи гармоники становятся выраженными аномалиями в спектре Фурье. В случае ожидаемой синусоидальной волны, наличие нечетных гармоник часто свидетельствует о жестком срезе сигнала. "Мягкий срез" характеризуется скруглением по обе стороны от плато, что проявляется в наличии нескольких четных обертонов в нижнем частотном спектре.