Ограничение — это форма искажения формы сигнала , 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.
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.
Многие электрогитаристы намеренно перегружают свои усилители (или вставляют «фузз-бокс»), чтобы 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.
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 принимается на несколько процентов ниже ограничения.
Поскольку обрезанный сигнал имеет большую площадь под ним, чем меньший необрезанный сигнал, усилитель при ограничении выдает больше мощности , чем его номинальная ( синусоидальная ) выходная мощность. Эта дополнительная мощность может повредить громкоговоритель . Это может привести к повреждению источника питания усилителя или просто перегоранию предохранителя .
Дополнительная высокочастотная энергия в гармониках, генерируемых усилителем, работающим в режиме ограничения, может привести к повреждению высокочастотного динамика 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 создаст 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.
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 увеличивается вдвое, 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.
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 можно использовать для динамического понижения уровней громких частей сигнала (например, бас -гитары и 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]
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 программным 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 клиппирования 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 деклиппинга от CEDAR Audio, [8] и плагины Audacity , такие как Clip Fix.
В аналоговом аудиооборудовании существует несколько причин клиппирования:
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.