클리핑(오디오)

Clipping (audio)
오실로스코프에 표시된 사인파 형태의 피크와 트로프가 변경된 것은 신호가 "잘려나간" 상태임을 나타냅니다.

클리핑증폭기가 오버 구동되어 최대 용량을 초과하는 출력 전압 또는 전류를 전달하려고 할 때 발생하는 파형 왜곡의 한 형태입니다.증폭기를 클리핑에 넣으면 정격 전력을 초과하는 출력이 발생할 수 있습니다.

주파수 영역에서 클리핑은 고주파 범위에서 강한 고조파를 생성합니다(클리핑된 파형이 사각파에 가까워짐에 따라).신호의 고주파 가중치는 신호가 잘리지 않는 경우보다 트위터에 손상을 줄 수 있습니다.

경우에 따라 클리핑과 관련된 왜곡이 바람직하지 않고 [1]들리지 않더라도 오실로스코프에 표시됩니다.하지만, 클리핑은 예술적 효과를 위해 음악, 특히 더 무거운 장르에서 종종 사용된다.

개요

증폭기를 눌러 전원 공급 장치보다 더 많은 전력을 가진 신호를 생성하면 신호가 최대 용량까지만 증폭되며, 이때 신호는 더 이상 증폭될 수 없습니다.신호가 증폭기의 최대 용량에서 단순히 "절단" 또는 "클립"되면 신호가 "클립"이라고 합니다.증폭기의 용량을 초과하는 추가 신호는 단순히 차단되어 사인파왜곡된 사각파형 파형이 됩니다.

앰프에는 전압, 전류 및 열 제한이 있습니다.클리핑은 전원장치 또는 출력단계의 제한으로 인해 발생할 수 있습니다.일부 앰프는 전원 장치에 저장된 에너지가 고갈되거나 앰프가 과열되기 전에 짧은 시간 동안 클리핑 없이 최대 전력을 공급할 수 있습니다.

소리

많은 일렉트릭 기타 연주자들은 원하는 소리를 얻기 위해 의도적으로 증폭기를 오버드라이브(또는 "퍼즈 박스" 삽입)하여 클리핑을 유발합니다(기타 왜곡 참조).

일부 오디오 애호가들은 진공관이 트랜지스터보다 더 천천히(, 부드러운 클리핑, 심지어 고조파) 클리핑이 이루어지기 때문에 의 피드백이 거의 없거나 전혀 없는 진공관의 클리핑 동작이 트랜지스터보다 우수하다고 믿고 있으며, 결과적으로 일반적으로 덜 불쾌한 고조파 왜곡이 발생합니다.

영향들

클리핑된 파형과 최대 클리핑되지 않은 파형 간의 차이
하드 클리핑에 푸시된 사인파의 홀수차 고조파를 보여주는 분광기

하드 클리핑이 있는 트랜지스터 앰프에서는 출력 전류가 증가하고 트랜지스터 전체의 전압이 포화전압(바이폴라 트랜지스터의 경우)에 가까워짐에 따라 트랜지스터의 이득이 감소(비선형 왜곡으로 이어짐)하기 때문에 일반적으로 앰프의 왜곡을 측정하기 위한 "풀 파워"는 감소합니다.클리핑보다 몇 퍼센트 낮습니다.

클리핑된 파형은 클리핑되지 않은 작은 파형보다 아래에 더 많은 면적이 있기 때문에 클리핑할 때 앰프가 정격(사인파) 출력보다 더 많은 전력을 생성합니다.추가 전력으로 인해 라우드스피커가 손상될 수 있습니다.앰프의 전원 공급 장치가 손상되거나 퓨즈가 끊어질 수 있습니다.

클립 작동 중인 앰프에서 발생하는 고조파 내 추가적인 고주파 에너지로 인해 연결된 라우드스피커트위터[2][3]과열로 손상될 수 있습니다.

클리핑은 처리(를 들어 올패스 필터)가 과도한 피크 출력을 생성하도록 신호의 스펙트럼 성분 간의 위상 관계를 변경할 수 있기 때문에 시스템 내에서 발생할 수 있습니다.시스템이 클리핑 없이 동일한 수준의 간단한 사인파 신호를 재생할 수 있더라도 과도한 피크가 클리핑될 수 있습니다.

일렉트릭 기타 연주자들은 원하는 소리를 얻기 위해 의도적으로 기타 앰프를 오버드라이브하여 클리핑이나 기타 왜곡을 일으킵니다.

디지털 클리핑

잘린 디지털(PCM) 파형

디지털 신호 처리에서는 신호가 선택된 표현의 범위에 의해 제한될 때 클리핑이 발생합니다.예를 들어 16비트 부호 있는 정수를 사용하는 시스템에서는 32767이 나타낼 수 있는 최대 양의 값입니다.처리 중에 신호의 진폭이 2배가 되면 를 들어 32000의 샘플 값은 64000이 되지만 대신 정수 오버플로가 발생하여 최대 32767로 포화됩니다.클리핑은 디지털시스템의 대체 수단인 랩핑보다 바람직합니다.랩핑은 디지털프로세서가 오버플로우 할 때 발생합니다.크기의 가장 중요한 비트가 무시되고 경우에 따라서는 샘플 값의 부호도 무시되어 신호의 큰 왜곡이 발생합니다.

클리핑 회피

클리핑을 회피하는 가장 간단한 방법은 신호 레벨을 낮추는 것입니다.또는 클리핑 없이 높은 신호 레벨을 지원하도록 시스템을 개선할 수 있습니다.일부 오디오 애호가들은 스피커 정격의 두 배가 넘는 출력 정격의 앰프를 사용합니다.리미터를 사용하면 신호의 큰 부분의 레벨(베이스 드럼이나 스네어 드럼 )을 동적으로 다운시킬 수 있습니다.

많은 앰프 설계자는 클리핑을 방지하기 위해 회로를 통합했습니다.가장 심플한 회선은 고속 리미터와 같이 동작하며, 클리핑 포인트 전에 약 1데시벨을 체결합니다.소프트 클립이라고 불리는 보다 복잡한 회로는 1980년대부터 입력 단계에서 신호를 제한하기 위해 사용되어 왔습니다.예를 들어 최대 출력 전력보다 10dB 낮은 상태에서 시작하는 등 클리핑 전에 소프트 클립 기능이 작동합니다.출력 파형은 지정된 [4][5]최대값보다 10dB나 높은 과부하 입력 신호가 존재하는 경우에도 반올림 특성을 유지합니다.

잘린 신호 복구

클리핑은 피하는 것이 좋습니다만, 기록이 클리핑 되어 있어 재기록할 수 없는 경우는, 수복을 선택할 수 있습니다.수리의 목적은 신호의 잘린 부분을 대체하기 위한 것입니다.

복잡한 하드 클리핑된 신호는 클리핑된 피크에 포함된 정보가 완전히 손실되므로 원래 상태로 복원할 수 없습니다.소프트 클리핑된 신호는 원래 신호의 일부가 완전히 손실되지 않기 때문에 케이스 의존적인 허용 범위 내에서 원래 상태로 되돌릴 수 있습니다.이 경우 정보 손실 정도는 클리핑으로 인한 압축 정도에 비례합니다.오버샘플링된 대역폭 제한 신호가 약할 경우 완벽한 [6]복구가 가능합니다.

클리핑된 신호를 부분적으로 복원할 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다.잘린 부분이 확인되면 부분 복구를 시도할 수 있습니다.그러한 방법 중 하나는 알려진 샘플의 보간 또는 외삽이다.고도의 실장에서는 연속적으로 미분 가능한 신호를 복원하기 위해 큐빅스플라인을 사용할 수 있습니다.이러한 재구성은 원본의 근사치일 뿐이지만 주관적인 품질은 개선될 수 있습니다.다른 방법으로는 스테레오 채널 간에 신호를 직접 복사하는 방법이 있습니다.이는 한 채널만 클리핑될 수 있기 때문입니다.

클리핑을 복구하기 위한 결과 및 방법이 다양한 여러 소프트웨어 솔루션이 있습니다.Cute Studio Declip, Sony Sound Forge, iZotope Rx3 및 Rx7, Adobe Audition, Nero AG Wave Editor, 스테레오 툴, CEDAR [7]Audio의 클리핑 솔루션, Clip Fix 등의 Audacity 플러그인.

원인들

아날로그 오디오 기기에서는 클리핑의 원인이 몇 가지 있습니다.

  1. 솔리드 스테이트 트랜스리스 앰프의 피크 대 피크 출력은 전원 [a]전압에 의해 제한됩니다.
  2. 앰프는 비대칭 출력[b] 스윙을 가질 수 있으며 출력 파형의 절반에서 클리핑이 더 일찍 시작될 수 있습니다.
  3. 조절되지 않은 선형 전원장치를 사용하는 오디오 앰프에서는 필터 캐패시터가 충분히 크지 않은 경우 리플 전압으로 인해 일부 AC 라인 주파수 고조파가 포함된 클리핑이 발생할 수 있습니다.스위치 모드 전원장치에서는 스위치 효율이 리플 전압 및 오디오 대역 외부에서 더 우세하지만 조정된 전원장치에서는 리플 전압이 거부됩니다.
  4. 진공관은 크기, 온도 및 금속에 따라 주어진 시간 내에 제한된 수의 전자만 움직일 수 있습니다.출력 전류가 증가하면 증폭이 감소하여 소프트 클리핑이 발생합니다.
  5. 증폭 장치는 입력에 한계가 있을 수도 있습니다. 예를 들어 바이폴라 트랜지스터에 대한 과도한 베이스 전류 또는 진공 튜브에 대한 과도한 그리드 전류입니다.이러한 제한을 벗어나 동작하면 입력 신호가 충분히 높은 임피던스 소스에서 온 경우 왜곡되거나 보호를 위해 제한 회로가 필요한 증폭 장치가 손상될 수 있습니다. 아래를 참조하십시오.
  6. 앰프는 의도적이든 아니든 다양한 이유로 전류 출력 또는 입력 전압을 제한할 수 있습니다.를 들어 출력 부하 저항이 너무 낮거나 입력 신호 레벨이 매우 높은 경우에만 의도적인 제한 회로가 정상 동작에서는 활성화될 것으로 예상되지 않습니다.이러한 형태의 클리핑 결과 전압 파형에 대한 플랫 탑이 아니라 현재 파형에 대한 플랫 탑이 생성될 수 있습니다.
  7. 변압기(튜브 장비에서 스테이지 간 및 출력에 가장 일반적으로 사용됨)는 강자성 코어가 전자적으로 포화되면 고정됩니다.

검출

회로 내에서의 클리핑은 원래의 입력신호와 출력신호를 비교하여 인가 게인을 조정함으로써 검출할 수 있다.예를 들어 회로에 10dB의 인가 게인이 있는 경우 출력 신호를 10dB 감쇠시켜 입력 신호와 비교하여 클리핑 여부를 테스트할 수 있습니다.2개의 신호의 차이를 사용하여 클리핑 검출 인디케이터를 점등할 수 있습니다.또,[8] 클리핑을 관리하는 선행 회선의 게인을 저감 할 수도 있습니다.

잘린 신호는 종종 사분화되며, 여기서 세 번째 고조파는 푸리에 변환의 컨텍스트 특이치입니다.예상되는 사인파의 경우 홀수 고조파가 있으면 신호가 하드 클리핑되었음을 나타내는 경우가 많습니다."소프트 클립"은 고원의 양쪽에 무릎이 있으며, 이는 낮은 주파수 스펙트럼에 여러 가지 고른 음색이 있음을 보여준다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 여기에는 대부분의 집적회로이산 솔리드 스테이트 회로가 포함됩니다.전원 공급 전압에 대한 제한은 회로 설계(특히 드라이버 구성)와 포화 전압(쌍극ce(sat) 트랜지스터의 경우 V, 전계ds(on) 효과 트랜지스터의 경우 R)에 따라 다르며, 출력 스테이지에 공급 전압의 절반으로 설정된 대기 DC 출력 전압이 없는 경우 더욱 감소합니다.예를 들어, 일반적인 OP 앰프의 경우 공급 전압의 절대 최대 정격은 36V이고 안전한 작동 설계 공급 전압은 30V입니다. 이 전압이 완벽하게 균형 잡힌 +15V 및 -15V로 공급될 경우 이상적인 레일 간 운영 램프의 이론적 피크 출력은 15V 피크(10.6V RMS, 30V 피크 대 b-피크)가 됩니다.741과 같은 실제 opamp는 2kohms(즉, 약 7.1V RMS) 이상의 부하에서만 약 10V 피크를 구동할 수 있습니다.
  2. ^ 트랜지스터가 바이어스 되어 있기 때문에 컬렉터 전압이 공급 전압의 절반도 되지 않을 수 있습니다(또는 "균형" 전원 레일이 완전히 균형을 이루지 못할 수도 있습니다).이미터 팔로어 출력 스테이지 구동의 어려움으로 인해 발생하는 경우 부트스트랩 또는 회선 재설계에 의해 이 문제가 완화될 수 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ Zottola, Tino (1996). Vacuum Tube and Guitar and Bass Amplifier Servicing. Bold Strummer. p. 6. ISBN 0-933224-97-4.
  2. ^ Jim Lesurf. "Clipping tweeter damage". Retrieved 2018-03-05.
  3. ^ Chuck McGregor (2017-08-24). "Why Should We Care About Power Amplifier Clipping?". Retrieved 2018-03-05.
  4. ^ Duncan, Ben (1996). High Performance Audio Power Amplifiers. Newnes. pp. 79–80. ISBN 9780080508047.
  5. ^ Duncan, Ben (2009). "Interfacing and Processing". In Douglas Self; Ben Duncan; Ian Sinclair; Richard Brice; John Linsley Hood; Andrew Singmin; Don Davis; Eugene Patronis; John Watkinson (eds.). Audio Engineering: Know It All. Know It All. Vol. 1. Newnes. p. 278. ISBN 9780080949642.
  6. ^ Donoho, David L.; Philip B. Stark (June 1989). "Uncertainty principles and signal recovery". SIAM Journal on Applied Mathematics. Society for Industrial and Applied Mathematics. 49 (3): 906–931. doi:10.1137/0149053. ISSN 0036-1399.
  7. ^ "Declip". CEDAR Audio. Retrieved 2018-09-13.
  8. ^ US 5430409, "전원 의존도가 조정 가능한 앰프 클리핑 왜곡 표시기"