Клиппинг (аудио)
Клиппинг (англ. clipping — отсечение, срезание) в звукотехнике — нелинейные искажения звука вследствие жёсткого амплитудного ограничения цифрового или аналогового сигнала[1]. 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)[2]. Клиппинг с КНИ=1 % более заметен на слух, чем перегрузка аналоговой магнитной ленты с КНИ=3 %[1].
Цифровой клиппинг
правитьЦифровой клиппинг возникает как при преобразовании аналогового сигнала в цифровой, так и при арифметических манипуляциях с цифровым сигналом (масштабирование, фильтрация, микширование и т. п.[3]). Выход сигнала за пределы шкалы допустимых значения (например, от −32768 to +32767 для 16-разрядных АЦП)[4], как правило, приводит к жёсткому ограничению на уровне нижней или верхней границы шкалы[4][5]. Реже, при некорректной арифметической обработке целых чисел, происходит целочисленное переполнение c непредсказуемым результатом[5]. 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 редко[6]; более вероятен цифровой клиппинг при перекодировке чисел с плавающей запятой в целочисленный код[4].
Примеры цифрового клиппинга[7]
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[8]. 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[9].
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 звукотехнике[5][9][10][11][12][13]. По мнению Итана Уайнера, это бесспорно верно лишь для значительных перегрузок; если уровень кратковременной перегрузки ограничен несколькими дБ, то качество звука остаётся допустимым[8].
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[11]. 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[11]. Запас в 9 дБ, по замыслу разработчика стандарта, предотвращает перегрузки АЦП короткими пиками, которые не детектируются и не отображаются традиционными индикаторами[11].
Аналоговый клиппинг
правитьАмплитудное 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 напряжению[14].
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)[5]. В схемах с общей обратной связью коэффициент передачи остаётся неизменным, а искажениям — низкими в широком диапазоне выходных напряжений[15]. Вблизи предельных уровней искажения резко нарастают с последующим переходом в клиппинг, но даже в этом случае клиппинг происходит не так жёстко, как в цифровых устройствах[15][11]. Уровень генерируемых высших гармоник значительно ниже, отсутствует генерация ангармонических призвуков[8].
Переход в клиппинг и выход из него могут сопровождаться короткими выбросами сигнала и резонансным дребезгом[16]. Выход из клиппинга может затягиваться: обратная связь на время ослабляется или вовсе размыкается[17], что приводит к временному залипанию сигнала на полке клиппинга[16]. 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 полке[18].
В студийных условиях клиппинг происходит на всех этапах звукозаписи — например, в микрофонах, во встроенных и внешних и микрофонных усилителях[19]. В бытовой практике наиболее распространён клиппинг в усилителях мощности звуковых частот; он происходит часто и в большинстве случаев остаётся незамеченным[20], так как искажения при кратковременном клиппинге, как правило, остаются в пределах субъективно допустимых[11][14]. Основные факторы, способствующие кратковременным, но регулярным заходам в область клиппинга — низкая чувствительность громкоговорителей и высокий пик-фактор (соотношение среднего и максимального уровней записи) воспроизводимого сигнала[20]. Полностью исключить клиппинг при наличии обоих этих факторов практически невозможно: это требует запредельно высокого запаса выходной мощности[20]. Пик-фактор высококачественных записей музыки составляет не менее 14 дБ, то есть максимальная мощность должна в 25 раз превышать среднюю[21]. 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 Вт[21]. 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 Вт[16].
См. также
правитьПримечания
править- ↑ 1 2 Holman, 2012, p. 49.
- ↑ Holman, 2012, pp. 49—50.
- ↑ Izhaki, 2012, pp. 148—150.
- ↑ 1 2 3 Izhaki, 2012, p. 148.
- ↑ 1 2 3 4 Izhaki, 2012, p. 450.
- ↑ Izhaki, 2012, p. 149.
- ↑ Цифровое масштабирование выполнено в Audacity в 32-разрядном формате c плавающей запятой. Файлы примеров сохранены в 16-разрядном формате Vorbis/Ogg с максимальным качеством компрессии.
- ↑ 1 2 3 Winer, E. The Audio Expert: Everything You Need to Know About Audio. — Routledge, 2017. — P. 262. — ISBN 9781351840071. Архивировано 6 ноября 2022 года.
- ↑ 1 2 Ray, T. R. HD Radio Implementation: The Field Guide for Facility Conversion. — CRC Press, 2012. — P. 53—54. — ISBN 9781136031786. Архивировано 6 ноября 2022 года.
- ↑ Craig, R. W. and Block, D. Scene Design and Stage Lighting. — Cengage Learning, 2013. — P. 603. — ISBN 9781285687506. Архивировано 6 ноября 2022 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Hoeg, W. and Lauterbauch, T. Digital Audio Broadcasting: Principles and Applications of DAB, DAB + and DMB. — Wiley, 2009. — P. 161—164. — ISBN 9780470746196. Архивировано 6 ноября 2022 года.
- ↑ Fries, B. Digital Audio Essentials. — O'Reilly Media, 2005. — P. 146. — ISBN 9780596008567. Архивировано 7 ноября 2022 года.
- ↑ Holman, 2012, pp. 49, 95.
- ↑ 1 2 Self, 2002, p. 222.
- ↑ 1 2 Self, 2010, p. 84.
- ↑ 1 2 3 Cordell, 2011, p. 364.
- ↑ Cordell, 2011, p. 365.
- ↑ Self, 2010, pp. 98, 128.
- ↑ Holman, 2012, p. 48.
- ↑ 1 2 3 Cordell, 2011, p. 363.
- ↑ 1 2 Cordell, 2011, pp. 363—364.
Литература
править- Шкритек П. Справочное пособие по звуковой схемотехнике. — Мир, 1991. — ISBN 5030016031.
- Copeland, P. Manual of Analogue Sound Restoration Techniques. — The British Library, 2008.
- Cordell, B. Designing Audio Power Amplifiers. — McGraw-Hill, 2011. — ISBN 9780071640244.
- Holman, T. Sound for Film and Television. — Taylor & Francis, 2012. — ISBN 9781136046094.
- Duncan B. High Performance Audio Power Amplifiers. — Newnes, 1996. — ISBN 9780750626293.
- Izhaki, R. Mixing Audio: Concepts, Practices and Tools. — Taylor & Francis, 2012. — ISBN 9780240522227.
- Self, D. Small Signal Audio Design (5th edition). — Focal Press / Elsevier, 2010. — ISBN 9780240521770.
- Self D. Audio Power Amplifier Design Handbook (англ.). — 3rd ed.. — Newnes, 2002. — ISBN 0750656360.