Recorte (audio) - Clipping (audio)

Los picos y valles alterados de la forma de onda sinusoidal mostrados en este osciloscopio indican que la señal ha sido "recortada".

El recorte es una forma de distorsión de la forma de onda que ocurre cuando un amplificador está sobrecargado e intenta entregar un voltaje o corriente de salida más allá de su capacidad máxima. Conducir un amplificador a saturación puede hacer que produzca una potencia de salida superior a su clasificación de potencia .

En el dominio de la frecuencia , el recorte produce fuertes armónicos en el rango de alta frecuencia (a medida que la forma de onda recortada se acerca a una onda cuadrada ). La ponderación de frecuencia extra alta de la señal podría hacer que el tweeter sea más probable que si la señal no estuviera cortada.

En algunos casos, la distorsión asociada con el recorte no es deseada y es visible en un osciloscopio incluso si es inaudible. Sin embargo, el recorte se usa a menudo en la música para obtener efectos artísticos, especialmente en géneros más pesados.

Visión general

Cuando se empuja un amplificador para crear una señal con más potencia de la que puede producir su fuente de alimentación, amplificará la señal solo hasta su capacidad máxima, momento en el que la señal no se puede amplificar más. Como la señal simplemente "corta" o "recorta" a la capacidad máxima del amplificador, se dice que la señal está "recortando". La señal adicional que está más allá de la capacidad del amplificador simplemente se corta, lo que resulta en una onda sinusoidal que se convierte en una forma de onda de tipo de onda cuadrada distorsionada .

Los amplificadores tienen límites de voltaje, corriente y térmicos. El recorte puede ocurrir debido a limitaciones en la fuente de alimentación o en la etapa de salida. Algunos amplificadores pueden entregar potencia máxima sin saturación durante períodos breves antes de que la energía almacenada en la fuente de alimentación se agote o el amplificador comience a sobrecalentarse.

Sonido

Muchos de guitarra eléctrica jugadores intencionalmente demasiada profundidad sus amplificadores (o insertar una "caja de la pelusa") a causa de recortes con el fin de conseguir un sonido deseado (ver la distorsión de la guitarra ).

Algunos audiófilos creen que el comportamiento de recorte de los tubos de vacío con poca o ninguna retroalimentación negativa es superior al de los transistores , ya que los tubos de vacío se recortan más gradualmente que los transistores (es decir , recorte suave y en su mayoría armónicos uniformes), lo que da como resultado una distorsión armónica que generalmente es menos objetable.

Efectos

Diferencia entre formas de onda recortadas y máximas no recortadas
Espectrógrafo que muestra los armónicos de orden impar de una onda sinusoidal empujada hacia un recorte duro

En un amplificador transistorizado con recorte duro, la ganancia del transistor se reducirá (lo que provocará una distorsión no lineal) a medida que aumenta la corriente de salida y el voltaje a través del transistor se reduce cerca del voltaje de saturación (para transistores bipolares ), por lo que "plena potencia "a los efectos de medir la distorsión en los amplificadores se suele tomar como un pequeño porcentaje por debajo del recorte.

Debido a que la forma de onda recortada tiene más área debajo que la forma de onda no recortada más pequeña, el amplificador produce más potencia que su salida nominal ( onda sinusoidal ) cuando está recortando. Esta potencia adicional puede dañar el altavoz . Puede dañar la fuente de alimentación del amplificador o simplemente fundir un fusible .

La energía adicional de alta frecuencia en los armónicos generada por un amplificador que opera en saturación puede dañar el tweeter en un altavoz conectado por sobrecalentamiento.

El recorte puede ocurrir dentro de un sistema ya que el procesamiento (por ejemplo, un filtro de paso total ) puede cambiar la relación de fase entre los componentes espectrales de una señal de tal manera que cree salidas de pico excesivas. Los picos excesivos pueden recortarse aunque el sistema pueda reproducir cualquier señal de onda sinusoidal simple del mismo nivel sin recorte.

Los guitarristas eléctricos saturan con frecuencia e intencionalmente sus amplificadores de guitarra para causar cortes y otras distorsiones con el fin de obtener el sonido deseado.

Recorte digital

Esta forma de onda PCM está recortada entre las líneas rojas

En el procesamiento de señales digitales , el recorte se produce cuando la señal está restringida por el rango de una representación elegida. Por ejemplo, en un sistema que utiliza números enteros de 16 bits con signo , 32767 es el valor positivo más grande que se puede representar. Si, durante el procesamiento, la amplitud de la señal se duplica, los valores de muestra de, por ejemplo, 32000 deberían convertirse en 64000, pero en su lugar causar un desbordamiento de enteros y saturar al máximo, 32767. El recorte es preferible a la alternativa en los sistemas digitales: envoltura - lo que ocurre si se permite que el procesador digital se desborde, ignorando los bits más significativos de la magnitud y, a veces, incluso el signo del valor de muestra, lo que da como resultado una gran distorsión de la señal.

Evitando el recorte

La forma más sencilla de evitar el recorte es reducir el nivel de la señal. Alternativamente, el sistema se puede mejorar para admitir un nivel de señal más alto sin recorte. Algunos audiófilos usarán amplificadores que están clasificados para salidas de potencia superiores al doble de las clasificaciones del orador. Se puede usar un limitador para reducir dinámicamente los niveles de las partes fuertes de una señal (por ejemplo, bajo y caja ).

Muchos diseñadores de amplificadores han incorporado circuitos para evitar cortes. Los circuitos más simples actúan como un limitador rápido, que se activa aproximadamente un decibel antes del punto de corte. Un circuito más complejo, llamado "soft-clip", se ha utilizado desde la década de 1980 en adelante para limitar la señal en la etapa de entrada. La función de clip suave comienza a activarse antes del recorte, por ejemplo, a partir de 10 dB por debajo de la potencia de salida máxima. La forma de onda de salida conserva una característica redondeada incluso en presencia de una señal de entrada de sobrecarga de hasta 10 dB por encima del máximo especificado.

Reparación de una señal recortada

Es preferible evitar el recorte, pero si una grabación se ha recortado y no se puede volver a grabar, la reparación es una opción. El objetivo de la reparación es crear un reemplazo plausible para la parte recortada de la señal.

Las señales complejas recortadas no se pueden restaurar a su estado original porque la información contenida en los picos recortados se pierde por completo. Las señales recortadas por software se pueden restaurar a su estado original dentro de una tolerancia dependiente del caso porque ninguna parte de la señal original se pierde por completo. En este caso, el grado de pérdida de información es proporcional al grado de compresión causado por el recorte. Las señales de ancho de banda limitado ligeramente recortadas que están muy sobremuestreadas tienen el potencial de una reparación perfecta.

Varios métodos pueden restaurar parcialmente una señal recortada. Una vez que se conoce la parte recortada, se puede intentar una recuperación parcial. Uno de estos métodos es la interpolación o extrapolación de muestras conocidas. Las implementaciones avanzadas pueden usar splines cúbicos para intentar restaurar una señal continuamente diferenciable . Si bien estas reconstrucciones son solo una aproximación del original, la calidad subjetiva puede mejorarse. Otros métodos incluyen copiar la señal directamente de un canal estéreo a otro, ya que puede darse el caso de que solo se recorte un canal.

Existen varias soluciones de software de diferentes resultados y métodos para reparar el recorte: CuteStudio Declip, Sony Sound Forge , iZotope Rx3 y Rx7, Adobe Audition , Nero AG Wave Editor, Stereo Tool, soluciones de declinación de CEDAR Audio y complementos Audacity como Clip Fix.

Causas

En los equipos de audio analógico , existen varias causas de saturación:

  1. La salida pico a pico de un amplificador de estado sólido sin transformador está limitada por el voltaje de la fuente de alimentación.
  2. Un amplificador puede tener una oscilación de salida asimétrica y el recorte puede comenzar antes en la mitad de la forma de onda de salida.
  3. En los amplificadores de audio que utilizan fuentes de alimentación lineales no reguladas, si el condensador del filtro no es lo suficientemente grande, es posible que la tensión de rizado provoque un recorte que también contenga algunos armónicos de frecuencia de línea de CA. En una fuente de alimentación de modo conmutado, la frecuencia de conmutación es más dominante en el voltaje de ondulación y fuera de la banda de audio, mientras que en una fuente de alimentación regulada se rechaza la tensión de ondulación.
  4. Un tubo de vacío solo puede mover un número limitado de electrones en un período de tiempo determinado, dependiendo de su tamaño, temperatura y metales. La caída resultante en la amplificación con el aumento de la corriente de salida da como resultado un recorte suave .
  5. Los dispositivos amplificadores también pueden tener límites en sus entradas, por ejemplo, corriente de base excesiva a un transistor bipolar o corriente de rejilla excesiva a un tubo de vacío . Operar fuera de estos límites puede distorsionar la señal de entrada, si proviene de una fuente de impedancia suficientemente alta , o dañar el dispositivo amplificador requiriendo un circuito limitador para protección; vea abajo.
  6. Un amplificador puede limitar su salida de corriente, o el voltaje de entrada, por una variedad de razones, intencionales o no. No se esperaría que los circuitos limitadores intencionales entren en vigencia en el funcionamiento normal, sino solo cuando la resistencia de carga de salida es demasiado baja o el nivel de la señal de entrada es excepcionalmente alto, por ejemplo. El resultado de esta forma de recorte podría no crear una parte superior plana para la forma de onda de voltaje, sino más bien una parte superior plana para la forma de onda actual.
  7. Un transformador (más comúnmente utilizado entre etapas y en la salida en equipos de tubos) se enganchará cuando su núcleo ferromagnético se sature electromagnéticamente .

Detección

El recorte en un circuito se puede detectar comparando la señal de entrada original con una señal de salida con ajuste para la ganancia aplicada. Por ejemplo, si un circuito tiene 10 dB de ganancia aplicada, se puede probar el recorte atenuando la señal de salida en 10 dB y comparándola con la señal de entrada. La diferencia entre las dos señales se puede utilizar para iluminar los indicadores de detección de recorte y se puede utilizar para disminuir la ganancia de un circuito anterior para gestionar el recorte.

Las señales recortadas a menudo se cuadrarán, donde los terceros armónicos son valores atípicos contextuales en una transformada de Fourier. En el caso de una onda sinusoidal esperada, la presencia de armónicos extraños a menudo sugerirá que la señal se ha recortado con fuerza. Un "clip suave" tendrá una rodilla a ambos lados de la meseta, que mostrará la presencia de varios matices pares en el espectro de frecuencias más bajas.

Ver también

Notas

Referencias