Вырезка (аудио)

Ограничение — это форма формы сигнала искажения , которая возникает, когда усилитель перегружен и пытается обеспечить выходное напряжение или ток, превышающий его максимальные возможности. Включение усилителя в режим ограничения может привести к тому, что его выходная мощность превысит его номинальную мощность .

В частотной области ограничение создает сильные гармоники в высокочастотном диапазоне (поскольку форма ограниченного сигнала приближается к прямоугольной ). Дополнительная высокочастотная обработка сигнала может сделать повреждение твитера более вероятным, чем если бы сигнал не был ограничен.

В большинстве случаев искажения, связанные с ограничением, нежелательны и видны на осциллографе, даже если их не слышно. ^[1] Однако обрезка часто используется в музыке для художественного эффекта, особенно в жанрах с преобладанием гитары, таких как блюз, рок и металл.

Обзор

Когда усилитель вынужден создавать сигнал с большей мощностью, чем может произвести его источник питания, он будет усиливать сигнал только до максимальной мощности, после чего сигнал больше не может усиливаться. Поскольку сигнал просто «обрезается» или «обрезается» при максимальной мощности усилителя, говорят, что сигнал «обрезается». Дополнительный сигнал, который выходит за рамки возможностей усилителя, просто отсекается, в результате чего синусоидальная волна становится искаженной прямоугольной формой волны.

Усилители имеют ограничения по напряжению, току и температуре. Ограничение может возникнуть из-за ограничений источника питания или выходного каскада. Некоторые усилители способны выдавать пиковую мощность без ограничения в течение коротких промежутков времени, прежде чем энергия, накопленная в источнике питания, исчерпается или усилитель начнет перегреваться.

Звук

Многие электрогитаристы свои усилители (или вставляют «фузз-бокс»), чтобы намеренно перегружают вызвать ограничение и получить желаемый звук (см. Искажение гитары ).

Некоторые аудиофилы полагают, что качество ограничения электронных ламп с небольшой отрицательной обратной связью или вообще без нее превосходит таковое у транзисторов , поскольку электронные лампы ограничивают более постепенно, чем транзисторы (т.е. мягкое ограничение и, в основном, даже гармоники), что приводит к гармоническим искажениям, которые обычно менее нежелательно.

Эффекты

В транзисторном усилителе с жестким ограничением коэффициент усиления транзистора будет уменьшаться (что приводит к нелинейным искажениям) по мере увеличения выходного тока и уменьшения напряжения на транзисторе, близкого к напряжению насыщения (для биполярных транзисторов ), и, таким образом, «полная мощность» Для целей измерения искажений в усилителях обычно принимают значение на несколько процентов ниже ограничения.

Поскольку обрезанный сигнал имеет большую площадь под ним, чем меньший необрезанный сигнал, усилитель выдает больше мощности , чем его номинальная ( синусоидальная при ограничении ) выходная мощность. Эта дополнительная мощность может повредить громкоговоритель . усилителя Это может привести к повреждению источника питания или просто перегоранию предохранителя .

Дополнительная высокочастотная энергия в гармониках, генерируемых усилителем, работающим в режиме ограничения, может повредить твитер подключенного громкоговорителя из-за перегрева. ^[2]^[3]

Ограничение может происходить внутри системы, поскольку обработка (например, полнопроходной фильтр ) может изменить фазовое соотношение между спектральными компонентами сигнала таким образом, что создадут чрезмерные пиковые выходные сигналы. Чрезмерные пики могут быть обрезаны, хотя система может воспроизводить любые простые синусоидальные сигналы того же уровня без ограничения.

Электрогитаристы часто и намеренно перегружают свои гитарные усилители, чтобы вызвать клиппирование и другие искажения для получения желаемого звука.

Цифровая обрезка

При цифровой обработке сигналов ограничение происходит, когда сигнал ограничен диапазоном выбранного представления. Например, в системе, использующей 16-битные целые числа со знаком , 32767 — это наибольшее положительное значение, которое можно представить. Если во время обработки амплитуда сигнала удваивается, значения выборки , например, 32 000, должны стать 64 000, но вместо этого вызвать целочисленное переполнение и насыщение до максимума, 32 767. Отсечение предпочтительнее альтернативы в цифровых системах - переноса. - что происходит, если цифровой процессор допускает переполнение, игнорируя наиболее значимые биты величины, а иногда даже знак значения выборки, что приводит к грубым искажениям сигнала.

Как избежать обрезки

Самый простой способ избежать клиппирования — снизить уровень сигнала. В качестве альтернативы система может быть улучшена для поддержки более высокого уровня сигнала без ограничения. Некоторые аудиофилы будут использовать усилители, рассчитанные на выходную мощность, в два раза превышающую мощность динамика. Лимитер и можно использовать для динамического понижения уровней громких частей сигнала (например, бас-гитары малого барабана ).

Многие разработчики усилителей включили схемы для предотвращения ограничения сигнала. Простейшие схемы действуют как быстрый ограничитель, который срабатывает примерно за один децибел до точки ограничения. Более сложная схема, называемая «мягкое ограничение», использовалась с 1980-х годов для ограничения сигнала на входном каскаде. Функция мягкого ограничения начинает активироваться до ограничения, например, начиная с уровня на 10 дБ ниже максимальной выходной мощности. Форма выходного сигнала сохраняет округленную характеристику даже при наличии перегрузки входного сигнала на 10 дБ выше заданного максимума. ^[4]^[5]

Восстановление обрезанного сигнала

Предпочтительно избегать обрезки, но если запись обрезана и не может быть перезаписана, возможен вариант восстановления. Цель ремонта — составить правдоподобную замену обрезанной части сигнала.

Сложные сигналы с жестким ограничением не могут быть восстановлены в исходное состояние, поскольку информация, содержащаяся в обрезанных пиках, полностью теряется. Сигналы с мягким ограничением могут быть восстановлены в исходное состояние с точностью до допуска, зависящего от регистра, поскольку ни одна часть исходного сигнала не теряется полностью. В этом случае степень потери информации пропорциональна степени сжатия, вызванного отсечением. Слегка обрезанные сигналы с ограниченной полосой пропускания, которые сильно передискретизированы, имеют потенциал для идеального восстановления. ^[6]

Несколько методов позволяют частично восстановить обрезанный сигнал. Как только обрезанная часть станет известна, можно попытаться частично восстановить. Одним из таких методов является интерполяция или экстраполяция известных образцов. В продвинутых реализациях могут использоваться кубические сплайны , чтобы попытаться восстановить непрерывно дифференцируемый сигнал. Хотя эти реконструкции являются лишь приближением к оригиналу, субъективное качество может быть улучшено. Другие методы включают копирование сигнала непосредственно из одного стереоканала в другой, поскольку может случиться так, что обрезается только один канал.

Для восстановления обрезки существует несколько программных решений с разными результатами и методами: CrumplePop ClipRemover, MAGIX Sound Forge , iZotope RX De-Clip, Acon Digital Restoration Suite, ^[7] Adobe Audition , Thimeo Stereo Tool, решения для удаления клипов от CEDAR Audio, ^[8] и плагины Audacity, такие как Clip Fix.

Причины

В аналоговом аудиооборудовании существует несколько причин клиппирования:

Размах выходной мощности полупроводникового бестрансформаторного усилителя ограничен напряжением источника питания . ^[а]
Усилитель может иметь асимметричный размах выходного сигнала. ^[б] и ограничение может начаться раньше на половине выходного сигнала.
В аудиоусилителях, использующих нестабилизированные линейные источники питания, если конденсатор фильтра недостаточно велик, пульсации напряжения могут вызвать ограничение, которое также содержит некоторые гармоники частоты сети переменного тока. В импульсном источнике питания частота переключения является более доминирующей в пульсации напряжения и за пределами звукового диапазона , тогда как в регулируемом источнике питания пульсации напряжения подавляются.
может Вакуумная трубка перемещать только ограниченное количество электронов за определенный промежуток времени, в зависимости от ее размера, температуры и металлов. В результате спад усиления с увеличением выходного тока приводит к мягкому ограничению .
Усилительные устройства также могут иметь ограничения на свои входы, например, чрезмерный ток базы для биполярного транзистора или чрезмерный ток сетки для электронной лампы . Выход за эти пределы может исказить входной сигнал, если он исходит от источника с достаточно высоким импедансом , или повредить усилительное устройство, требующее ограничительной схемы для защиты; см. ниже.
Усилитель может ограничивать свой выходной ток или входное напряжение по множеству причин, как преднамеренных, так и нет. Ожидается, что преднамеренные ограничивающие схемы не будут срабатывать при нормальной работе, но только тогда, когда сопротивление выходной нагрузки слишком мало или, например, уровень входного сигнала исключительно высок. В результате такой формы ограничения может возникнуть не плоская вершина формы волны напряжения, а скорее плоская вершина формы волны тока.
Трансформатор (чаще всего используемый между каскадами и на выходе лампового оборудования) замыкается, когда его ферромагнитный сердечник становится электромагнитно насыщенным .

Обнаружение

Ограничение в схеме можно обнаружить путем сравнения исходного входного сигнала с выходным сигналом с регулировкой применяемого усиления. Например, если схема имеет приложенное усиление 10 дБ, ее можно проверить на ограничение, ослабив выходной сигнал на 10 дБ и сравнив его с входным сигналом. Разницу между двумя сигналами можно использовать для подсветки индикаторов обнаружения ограничения, а также для уменьшения усиления предыдущей схемы для управления ограничением. ^[9]

Обрезанные сигналы часто квадратизируются, где третьи гармоники являются контекстными выбросами в преобразовании Фурье. В случае ожидаемой синусоидальной волны наличие нечетных гармоник часто указывает на то, что сигнал жестко ограничен. «Мягкий клип» будет иметь излом по обе стороны плато, что будет свидетельствовать о наличии нескольких ровных обертонов в нижнем частотном спектре.

См. также

Примечания

^ Сюда входят большинство интегральных схем и дискретных полупроводниковых схем. Ограничение относительно напряжения питания зависит от конструкции схемы (особенно конфигурации драйвера) и напряжения насыщения (V _ce(sat) для биполярных транзисторов или R _ds(on) для полевых транзисторов ) и дополнительно снижается. если выходной каскад не имеет выходного напряжения постоянного тока, установленного на половину напряжения питания. Например, для типичного операционного усилителя абсолютное максимальное номинальное напряжение питания составляет 36 В, а расчетное напряжение питания для безопасной работы составляет 30 В; если бы он подавался как идеально сбалансированный +15 В и -15 В, то теоретический пиковый выход для идеального операционного усилителя с размахом сигнала был бы пиковым 15 Вольт (10,6 В среднеквадратичного значения , 30 В размаха), но в реальной жизни Операционные усилители, такие как 741, скорее всего, смогут выдавать пиковое напряжение около 10 В при нагрузке выше 2 кОм, т. е. около 7,1 В (среднеквадратичное значение).
^ Возможно, потому, что транзистор смещен, поэтому напряжение его коллектора не составляет половины напряжения питания (или «сбалансированные» шины питания не идеально сбалансированы). Начальная загрузка или перепроектирование схемы могут облегчить эту проблему, если она вызвана трудностями в управлении эмиттерного повторителя выходными каскадами .

Ссылки

^ Зоттола, Тино (1996). Обслуживание ламповых, гитарных и басовых усилителей . Смелый Страммер. п. 6. ISBN 0-933224-97-4 .
^ Джим Лесурф. «Повреждение твитера при обрезке» . Проверено 5 марта 2018 г.
^ Чак МакГрегор (24 августа 2017 г.). «Почему нас должно волновать ограничение мощности усилителя мощности?» . Проверено 5 марта 2018 г.
^ Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука . Ньюнес. стр. 79–80 . ISBN 9780080508047 .
^ Дункан, Бен (2009). «Взаимодействие и обработка» . В Дугласе Селфе; Бен Дункан; Ян Синклер; Ричард Брайс; Джон Линсли Худ; Эндрю Сингмин; Дон Дэвис; Юджин Патронис; Джон Уоткинсон (ред.). Аудиотехника: знай все . Том. 1. Ньюнес. п. 278. ИСБН 9780080949642 .
^ Донохо, Дэвид Л.; Филип Б. Старк (июнь 1989 г.). «Принципы неопределенности и восстановление сигнала» . SIAM Journal по прикладной математике . 49 (3). Общество промышленной и прикладной математики: 906–931. дои : 10.1137/0149053 . ISSN 0036-1399 .
^ «Экон Диджитал ДеКлип» . Эйкон Диджитал . Проверено 13 декабря 2022 г.
^ «Деклип» . КЕДР Аудио . Проверено 13 сентября 2018 г.
^ US 5430409 , «Индикатор искажений ограничения усилителя с регулируемой зависимостью от источника питания»

[9] Сюда входят большинство интегральных схем и дискретных полупроводниковых схем. Ограничение относительно напряжения питания зависит от конструкции схемы (особенно конфигурации драйвера) и напряжения насыщения (V _ce(sat) для биполярных транзисторов или R _ds(on) для полевых транзисторов ) и дополнительно снижается. если выходной каскад не имеет выходного напряжения постоянного тока, установленного на половину напряжения питания. Например, для типичного операционного усилителя абсолютное максимальное номинальное напряжение питания составляет 36 В, а расчетное напряжение питания для безопасной работы составляет 30 В; если бы он подавался как идеально сбалансированный +15 В и -15 В, то теоретический пиковый выход для идеального операционного усилителя с размахом сигнала был бы пиковым 15 Вольт (10,6 В среднеквадратичного значения , 30 В размаха), но в реальной жизни Операционные усилители, такие как 741, скорее всего, смогут выдавать пиковое напряжение около 10 В при нагрузке выше 2 кОм, т. е. около 7,1 В (среднеквадратичное значение).

[10] Возможно, потому, что транзистор смещен, поэтому напряжение его коллектора не составляет половины напряжения питания (или «сбалансированные» шины питания не идеально сбалансированы). Начальная загрузка или перепроектирование схемы могут облегчить эту проблему, если она вызвана трудностями в управлении эмиттерного повторителя выходными каскадами .

[1] Зоттола, Тино (1996). Обслуживание ламповых, гитарных и басовых усилителей . Смелый Страммер. п. 6. ISBN 0-933224-97-4 .

[2] Джим Лесурф. «Повреждение твитера при обрезке» . Проверено 5 марта 2018 г.

[3] Чак МакГрегор (24 августа 2017 г.). «Почему нас должно волновать ограничение мощности усилителя мощности?» . Проверено 5 марта 2018 г.

[4] Дункан, Бен (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука . Ньюнес. стр. 79–80 . ISBN 9780080508047 .

[5] Дункан, Бен (2009). «Взаимодействие и обработка» . В Дугласе Селфе; Бен Дункан; Ян Синклер; Ричард Брайс; Джон Линсли Худ; Эндрю Сингмин; Дон Дэвис; Юджин Патронис; Джон Уоткинсон (ред.). Аудиотехника: знай все . Том. 1. Ньюнес. п. 278. ИСБН 9780080949642 .

[6] Донохо, Дэвид Л.; Филип Б. Старк (июнь 1989 г.). «Принципы неопределенности и восстановление сигнала» . SIAM Journal по прикладной математике . 49 (3). Общество промышленной и прикладной математики: 906–931. дои : 10.1137/0149053 . ISSN 0036-1399 .

[7] «Экон Диджитал ДеКлип» . Эйкон Диджитал . Проверено 13 декабря 2022 г.

[8] «Деклип» . КЕДР Аудио . Проверено 13 сентября 2018 г.

[11] US 5430409 , «Индикатор искажений ограничения усилителя с регулируемой зависимостью от источника питания»

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[а]

[б]

[9]