Ограничение — это форма искажения формы сигнала , которая возникает, когда усилитель перегружен и пытается выдать выходное напряжение или ток за пределами своих максимальных возможностей. Введение усилителя в ограничение может привести к тому, что он будет выдавать мощность, превышающую его номинальную мощность .
В частотной области ограничение создает сильные гармоники в диапазоне высоких частот (поскольку ограниченная форма волны приближается к прямоугольной ). Дополнительное высокочастотное взвешивание 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 ограничение часто используется в музыке для создания художественного эффекта, особенно в жанрах с преобладанием гитары, таких как блюз, рок и металл.
Когда усилитель нажимают, чтобы создать сигнал с большей мощностью, чем может выдать его источник питания, он усилит сигнал только до его максимальной мощности, после чего сигнал больше не может быть усилен. Поскольку сигнал просто "обрезается" или "обрезается" на максимальной мощности усилителя, говорят, что сигнал "обрезается". Дополнительный сигнал, который выходит за рамки возможностей усилителя, просто отсекается, в результате чего синусоида становится искаженной формой волны прямоугольного типа.
Усилители имеют ограничения по напряжению, току и температуре. Ограничение может возникнуть из-за ограничений в источнике питания или выходном каскаде. Некоторые усилители способны выдавать пиковую мощность без ограничения в течение коротких промежутков времени, прежде чем энергия, запасенная в источнике питания, истощится или усилитель начнет перегреваться.
Многие исполнители на электрогитаре намеренно перегружают свои усилители (или вставляют «fuzz box»), чтобы вызвать ограничение сигнала и получить желаемый звук (см. искажение гитары ).
Некоторые аудиофилы полагают, что ограничение сигнала электронными лампами с небольшой или отсутствующей отрицательной обратной связью превосходит ограничение сигнала транзисторов , поскольку электронные лампы ограничивают сигнал более плавно, чем транзисторы (т. е. ограничение мягкое и в основном равномерные гармоники), что приводит к гармоническим искажениям, которые, как правило, менее нежелательны.
В транзисторном усилителе с жестким ограничением коэффициент усиления транзистора будет уменьшаться (что приведет к нелинейным искажениям) по мере увеличения выходного тока и снижения напряжения на транзисторе до уровня, близкого к напряжению насыщения (для биполярных транзисторов ), поэтому «полная мощность» для целей измерения искажений в усилителях обычно принимается на несколько процентов ниже ограничения.
Поскольку ограниченная форма волны имеет большую площадь под собой, чем меньшая не ограниченная форма волны, усилитель вырабатывает больше мощности , чем его номинальная ( синусоидальная ) выходная мощность, когда он ограничен. Эта дополнительная мощность может повредить громкоговоритель . Это может привести к повреждению источника питания усилителя или просто перегоранию предохранителя .
Дополнительная высокочастотная энергия в гармониках, генерируемая усилителем, работающим в режиме ограничения, может повредить твитер в подключенном громкоговорителе из-за перегрева. [2] [3]
Отсечение может произойти в системе, поскольку обработка (например, фильтр all-pass ) может изменить фазовое соотношение между спектральными компонентами сигнала таким образом, чтобы создать чрезмерные пиковые выходы. Чрезмерные пики могут быть отсечены, даже если система может воспроизводить любые простые синусоидальные сигналы того же уровня без отсечения.
Электрогитаристы часто и намеренно перегружают свои гитарные усилители, чтобы вызвать ограничение сигнала и другие искажения для получения желаемого звука.
В цифровой обработке сигналов отсечение происходит, когда сигнал ограничивается диапазоном выбранного представления. Например, в системе, использующей 16-битные целые числа со знаком , 32767 является наибольшим положительным значением, которое может быть представлено. Если во время обработки амплитуда сигнала удваивается, значения выборки , например, 32000, должны стать 64000, но вместо этого вызвать целочисленное переполнение и насыщение до максимума, 32767. Отсечение предпочтительнее альтернативы в цифровых системах — переноса — который происходит, если цифровому процессору разрешено переполняться, игнорируя самые значимые биты величины, а иногда даже знак значения выборки, что приводит к грубому искажению сигнала.
Самый простой способ избежать клиппинга — снизить уровень сигнала. В качестве альтернативы систему можно улучшить для поддержки более высокого уровня сигнала без клиппинга. Некоторые аудиофилы используют усилители, рассчитанные на выходную мощность, в два раза превышающую номинальные характеристики динамика. Ограничитель можно использовать для динамического снижения уровней громких частей сигнала (например, баса и малого барабана ).
Многие разработчики усилителей встраивали схемы для предотвращения ограничения. Простейшие схемы действуют как быстрый ограничитель, который включается примерно за один децибел до точки ограничения. Более сложная схема, называемая «мягким ограничением», использовалась с 1980-х годов для ограничения сигнала на входном этапе. Функция мягкого ограничения начинает включаться до ограничения, например, начиная с 10 дБ ниже максимальной выходной мощности. Выходная форма волны сохраняет округлую характеристику даже при наличии перегрузки входного сигнала на 10 дБ выше максимально указанного. [4] [5]
Предпочтительно избегать обрезания, но если запись обрезана и не может быть перезаписана, ремонт является вариантом. Цель ремонта — составить правдоподобную замену обрезанной части сигнала.
Сложные жестко ограниченные сигналы не могут быть восстановлены до своего исходного состояния, поскольку информация, содержащаяся в пиках, которые были ограничены, полностью потеряна. Мягко ограниченные сигналы могут быть восстановлены до своего исходного состояния в пределах допуска, зависящего от случая, поскольку никакая часть исходного сигнала не теряется полностью. В этом случае степень потери информации пропорциональна степени сжатия, вызванного ограничением. Слабо ограниченные сигналы с ограниченной полосой пропускания, которые сильно передискретизированы, имеют потенциал для идеального восстановления. [6]
Несколько методов могут частично восстановить обрезанный сигнал. Как только обрезанная часть известна, можно попытаться выполнить частичное восстановление. Одним из таких методов является интерполяция или экстраполяция известных образцов. Продвинутые реализации могут использовать кубические сплайны для попытки восстановить непрерывно дифференцируемый сигнал. Хотя эти реконструкции являются лишь приближением к оригиналу, субъективное качество может быть улучшено. Другие методы включают копирование сигнала напрямую из одного стереоканала в другой, поскольку может быть так, что обрезан только один канал.
Существует несколько программных решений для устранения клиппирования 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 устранения клиппирования от CEDAR Audio, [8] и плагины Audacity , такие как Clip Fix.
В аналоговом аудиооборудовании существует несколько причин клиппирования:
Ограничение в схеме можно обнаружить, сравнив исходный входной сигнал с выходным сигналом с регулировкой для примененного усиления. Например, если схема имеет 10 дБ примененного усиления, 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 и для уменьшения усиления предыдущей схемы для управления ограничением. [9]
Обрезанные сигналы часто будут квадратизированы, где третьи гармоники являются контекстными выбросами в преобразовании Фурье. В случае ожидаемой синусоиды наличие нечетных гармоник часто будет указывать на то, что сигнал был жестко обрезан. «Мягкий обрез» будет иметь колено с обеих сторон плато, что покажет наличие нескольких четных обертонов в спектре нижних частот.