Клиппинг ( англ. clipping — отсечение, срезание) в звукотехнике — нелинейные искажения звука вследствие жёсткого цифрового или аналогового сигнала . 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 (К _НИ ) . Клиппинг с К _НИ =1 % более заметен на слух, чем перегрузка аналоговой магнитной ленты с К _НИ =3 % .

Цифровой клиппинг

Цифровой клиппинг возникает как при преобразовании аналогового сигнала в цифровой, так и при арифметических манипуляциях с цифровым сигналом (масштабирование, фильтрация , микширование и т. п. ). Выход сигнала за пределы шкалы допустимых значения (например, от −32768 to +32767 для 16-разрядных АЦП ) , как правило, приводит к жёсткому ограничению на уровне нижней или верхней границы шкалы . Реже, при некорректной арифметической обработке целых чисел, происходит целочисленное переполнение c непредсказуемым результатом . 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 ; более вероятен цифровой клиппинг при перекодировке чисел с плавающей запятой в целочисленный код .

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 . 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 .

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 . По мнению Итана Уайнера, это бесспорно верно лишь для значительных перегрузок; если уровень кратковременной перегрузки ограничен несколькими дБ , то качество звука остаётся допустимым .

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 . 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 . Запас в 9 дБ, по замыслу разработчика стандарта, предотвращает перегрузки АЦП короткими пиками, которые не детектируются и не отображаются традиционными индикаторами .

Аналоговый клиппинг

Амплитудное ограничение сигнала — непременное свойство любой аналоговой схемы. Напряжения на её элементах не могут выходить за пределы, заданные напряжениями на шинах питания (с учётом , 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 .

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) . В схемах с общей обратной связью коэффициент передачи остаётся неизменным, а искажениям — низкими в широком диапазоне выходных напряжений . 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 . Уровень генерируемых высших гармоник значительно ниже, отсутствует генерация ангармонических призвуков .

Переход в клиппинг и выход из него могут сопровождаться короткими выбросами сигнала и резонансным дребезгом . Выход из клиппинга может затягиваться: обратная связь на время ослабляется или вовсе размыкается , что приводит к временному залипанию сигнала на полке клиппинга . 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 .

В студийных условиях клиппинг происходит на всех этапах звукозаписи — например, в микрофонах, во встроенных и внешних и микрофонных усилителях . В бытовой практике наиболее распространён клиппинг в усилителях мощности звуковых частот ; он происходит часто и в большинстве случаев остаётся незамеченным , так как искажения при кратковременном клиппинге, как правило, остаются в пределах субъективно допустимых . 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 . Полностью исключить клиппинг при наличии обоих этих факторов практически невозможно: это требует запредельно высокого запаса выходной мощности . Пик-фактор высококачественных записей музыки составляет не менее 14 дБ, то есть максимальная мощность должна в 25 раз превышать среднюю . 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 . 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 .

См. также

• Дисторшн

Примечания

Литература

• Шкритек П. Справочное пособие по звуковой схемотехнике. — Мир, 1991. — ISBN 5030016031 .
• Copeland, P. . — The British Library, 2008.
• Cordell, B. Designing Audio Power Amplifiers. — McGraw-Hill, 2011. — ISBN 9780071640244 .
• Holman, T. . — Taylor & Francis, 2012. — ISBN 9781136046094 .
• Duncan B. High Performance Audio Power Amplifiers. — Newnes, 1996. — ISBN 9780750626293 .
• Izhaki, R. . — Taylor & Francis, 2012. — ISBN 9780240522227 .
• Self, D. Small Signal Audio Design (5th edition). — Focal Press / Elsevier, 2010. — ISBN 9780240521770 .
• Self D. (англ.) . — 3rd ed.. — Newnes, 2002. — ISBN 0750656360 .