Oříznutí (zvuk) - Clipping (audio)

Změněné vrcholy a žlaby sinusové vlny zobrazené na tomto osciloskopu naznačují, že signál byl „oříznut“.

Clipping je forma zkreslení průběhu, ke které dochází, když je zesilovač přetížen a pokouší se dodat výstupní napětí nebo proud přesahující jeho maximální kapacitu. Zapojení zesilovače do výstřižku může způsobit, že výstupní výkon překročí jeho jmenovitý výkon .

Ve frekvenční oblasti , výstřižek vytváří silné harmonických v vysokofrekvenčního rozsahu (jako ostříhá průběh je blíže k obdélníkovým ). Extra vysokofrekvenční vážení signálu by mohlo způsobit vyšší poškození tweeteru, než kdyby nebyl signál oříznut.

V některých případech je zkreslení spojené s ořezem nežádoucí a je na osciloskopu viditelné, i když je neslyšitelné. Oříznutí se však často používá v hudbě pro umělecký efekt, zejména v těžších žánrech.

Přehled

Když je zesilovač tlačen, aby vytvořil signál s větším výkonem, než jaký dokáže jeho napájecí zdroj produkovat, zesílí signál pouze do maximální kapacity, v tomto okamžiku již nelze signál dále zesilovat. Protože signál při maximální kapacitě zesilovače jednoduše „stříhá“ nebo „klipe“, signál je prý „ořezový“. Extra signál, který přesahuje možnosti zesilovače, je jednoduše odříznut, což má za následek, že se sinusová vlna stane zkreslenou vlnovou křivkou typu čtvercová vlna .

Zesilovače mají mezní hodnoty napětí, proudu a teploty. K oříznutí může dojít kvůli omezením napájení nebo koncového stupně. Některé zesilovače jsou schopné dodávat špičkový výkon bez oříznutí po krátkou dobu, než se energie uložená v napájecím zdroji vyčerpá nebo se zesilovač začne přehřívat.

Zvuk

Mnoho hráčů na elektrickou kytaru záměrně přeplňuje své zesilovače (nebo vloží „fuzz box“), aby způsobili ořez, aby získali požadovaný zvuk (viz zkreslení kytary ).

Někteří audiofilové se domnívají, že ořezové chování elektronek s malou nebo žádnou negativní zpětnou vazbou je lepší než chování tranzistorů v tom, že elektronky klipují pomaleji než tranzistory (tj. Měkké ořezávání a většinou dokonce harmonické), což má za následek harmonické zkreslení, které je obecně méně závadné.

Efekty

Rozdíl mezi oříznutými a maximálními nesepnutými průběhy
Spektrograf zobrazující harmonické lichého řádu sinusové vlny zatlačené do tvrdého výstřižku

V tranzistorovém zesilovači s tvrdým výstřižkem se zisk tranzistoru bude snižovat (což vede k nelineárnímu zkreslení), jak se výstupní proud zvyšuje a napětí na tranzistoru se snižuje blízko k saturačnímu napětí (u bipolárních tranzistorů ), a tak „plný výkon“ „pro účely měření zkreslení v zesilovačích se obvykle bere jako několik procent pod oříznutím.

Protože ořezaný tvar vlny má pod sebou větší plochu než menší neklipovaný průběh, zesilovač při ořezávání produkuje více energie, než je jeho jmenovitý ( sinusový ) výstup. Tato extra síla může poškodit reproduktor . Mohlo by dojít k poškození napájecího zdroje zesilovače nebo jednoduše k vypálení pojistky .

Dodatečná vysokofrekvenční energie v harmonických generovaná zesilovačem pracujícím v klipu může poškodit tweeter v připojeném reproduktoru přehřátím.

K oříznutí může dojít v systému, protože zpracování (např. Filtr s plným průchodem ) může změnit fázový vztah mezi spektrálními složkami signálu takovým způsobem, aby se vytvořily nadměrné špičkové výstupy. Nadměrné špičky se mohou oříznout, i když systém dokáže přehrávat jakékoli jednoduché signály sinusových vln stejné úrovně bez ořezávání.

Elektrickí kytaristé často a záměrně přeplňují své kytarové zesilovače, aby způsobili oříznutí a jiné zkreslení , aby získali požadovaný zvuk.

Digitální výstřižek

Tato křivka PCM je oříznuta mezi červenými čarami

Při digitálním zpracování signálu dochází k oříznutí, když je signál omezen rozsahem zvolené reprezentace. Například v systému používajícím 16bitová celá čísla se znaménkem je 32767 největší kladnou hodnotou, kterou lze reprezentovat. Pokud se během zpracování zdvojnásobí amplituda signálu, vzorové hodnoty například 32 000 by měly být 64 000, ale místo toho způsobí přetečení celého čísla a nasycení na maximum, 32767. Ořez je výhodnější než alternativa v digitálních systémech - obal —Který nastane, pokud je digitálnímu procesoru umožněno přetečení, ignorování nejvýznamnějších bitů velikosti a někdy dokonce i znaménka hodnoty vzorku, což má za následek hrubé zkreslení signálu.

Vyhýbání se ořezávání

Nejjednodušší způsob, jak se vyhnout ořezávání, je snížit úroveň signálu. Alternativně lze systém vylepšit tak, aby podporoval vyšší úroveň signálu bez ořezávání. Někteří audiofilové budou používat zesilovače, které mají výkon přesahující dvojnásobek hodnocení reproduktoru. Omezovač může být použit pro dynamicky, aby úrovně hlasitých částí signálu dolů (například basy a basových bubnů ).

Mnoho návrhářů zesilovačů začlenilo obvody, aby se zabránilo ořezávání. Nejjednodušší obvody fungují jako rychlý omezovač, který zabírá asi jeden decibel před ořezovým bodem. Složitější obvod, nazývaný „soft-clip“, byl od 80. let minulého století používán k omezení signálu ve vstupní fázi. Funkce soft-clip se začne aktivovat před oříznutím, například od 10 dB pod maximální výstupní výkon. Výstupní průběh si zachovává zaoblenou charakteristiku i za přítomnosti vstupního signálu přetížení až o 10 dB vyšší, než je uvedeno maximum.

Oprava oříznutého signálu

Je vhodnější vyhnout se ořezávání, ale pokud je záznam oříznut a nelze jej znovu zaznamenat, je možná oprava. Cílem opravy je vytvořit věrohodnou náhradu oříznuté části signálu.

Složité napevno oříznuté signály nelze obnovit do původního stavu, protože informace obsažené v ořezaných špičkách jsou zcela ztraceny. Měkce ořezané signály lze obnovit do původního stavu s tolerancí závislou na případu, protože žádná část původního signálu není zcela ztracena. V tomto případě je stupeň ztráty informací úměrný stupni komprese způsobené oříznutím. Lehce oříznuté signály omezené šířkou pásma, které jsou vysoce převzorkované, mají potenciál pro dokonalou opravu.

Oříznutý signál lze částečně obnovit několika způsoby. Jakmile je oříznutá část známa, je možné se pokusit o částečnou obnovu. Jednou z takových metod je interpolace nebo extrapolace známých vzorků. Pokročilé implementace mohou pomocí krychlových splajnů zkusit obnovit spojitě diferencovatelný signál. Zatímco tyto rekonstrukce jsou pouze přibližné k originálu, subjektivní kvalita může být zlepšena. Jiné metody zahrnují kopírování signálu přímo z jednoho stereofonního kanálu do druhého, protože může dojít k oříznutí pouze jednoho kanálu.

K opravě ořezů existuje několik softwarových řešení s různými výsledky a metodami: CuteStudio Declip, Sony Sound Forge , iZotope Rx3 a Rx7, Adobe Audition , Nero AG Wave Editor, Stereo Tool, řešení pro odstraňování obsahu od CEDAR Audio a doplňky Audacity , jako je Clip Fix.

Příčiny

V analogovém audio zařízení existuje několik příčin ořezávání:

  1. Špičkový výkon polovodičového zesilovače bez transformátoru je omezen napájecím napětím.
  2. Zesilovač může mít asymetrický výstupní švih a ořez může začít dříve na jedné polovině výstupního průběhu.
  3. V audio zesilovačích využívajících neregulované lineární napájecí zdroje, pokud není filtrační kondenzátor dostatečně velký, je možné, že zvlnění napětí způsobí oříznutí, které také obsahuje některé harmonické frekvence střídavého vedení. V spínaném napájecím zdroji je spínací frekvence dominantní ve zvlněném napětí a mimo zvukové pásmo, zatímco v regulovaném napájecím zdroji je zvlněné napětí odmítnuto.
  4. Vakuové trubice může pohybovat pouze omezený počet elektronů v daném čase, v závislosti na své velikosti, teplota, a kovy. Výsledný pokles zesílení se zvyšujícím se výstupním proudem má za následek měkké oříznutí .
  5. Zesilovací zařízení mohou mít také omezení na svých vstupech, například nadměrný základní proud do bipolárního tranzistoru nebo nadměrný síťový proud do vakuové trubice . Provoz mimo tyto limity může zkreslit vstupní signál, pokud pochází z dostatečně vysokého zdroje impedance , nebo poškodit zesilovací zařízení vyžadující pro ochranu omezovací obvod; viz. níže.
  6. Zesilovač může omezit svůj proudový výstup nebo vstupní napětí z různých důvodů, ať už úmyslně nebo ne. Neočekává se, že úmyslné omezující obvody začnou platit za normálního provozu, ale pouze tehdy, když je například výstupní výstupní odpor příliš nízký nebo je úroveň vstupního signálu výjimečně vysoká. Výsledkem této formy oříznutí nemusí být plochý vrchol průběhu napětí, ale spíše plochý vrchol aktuálního průběhu.
  7. Transformátor (nejčastěji používaný mezi stupni a na výstupu v trubicovém zařízení) se zasekne, když se jeho feromagnetické jádro stane elektromagneticky nasyceným .

Detekce

Oříznutí v obvodu lze detekovat porovnáním původního vstupního signálu s výstupním signálem s úpravou pro aplikovaný zisk. Pokud má například obvod aplikovaný zisk 10 dB, může být testován na oříznutí útlumem výstupního signálu o 10 dB a porovnáním se vstupním signálem. Rozdíl mezi těmito dvěma signály lze použít k osvětlení indikátorů detekce oříznutí a lze jej použít ke snížení zisku předchozího obvodu pro správu oříznutí.

Ořezané signály budou často kvadratické, kde třetí harmonické jsou kontextové odlehlé hodnoty ve Fourierově transformaci. V případě očekávané sinusové vlny přítomnost lichých harmonických často naznačuje, že signál byl tvrdě oříznut. „Měkký klip“ bude mít koleno na obou stranách plošiny, což ukáže přítomnost několika rovnoměrných podtónů v nižším frekvenčním spektru.

Viz také

Poznámky

Reference