Clipping (audio)(위키)

클리핑에 대해 막연히만 알다가 제대로 알고 싶어서 검색하다 위키에 정리가 잘된듯 해서 위키를 읽고 한글로 옮긴다.
원문은 아래 링크
https://en.wikipedia.org/wiki/Clipping_(audio)

Clipping (audio) - Wikipedia

 

클리핑은 앰프가 오버드라이브되어 최대 용량을 초과하는 출력 전압이나 전류를 전달하려고 할 때 발생하는 웨이브폼 왜곡의 한 형태이다. 앰프를 클리핑 상태로 운용하면 그 앰프가 자신의 출력 파워 레이팅을 초과하는 전력을 출력할 수 있게 된다.

주파수 도메인에서 클리핑은 고주파 범위에서 강력한 고조파를 생성한다.(클리핑된 웨이브폼이 사각파에 가까워질 수록) 신호의 추가 고주파 가중치로 인해 스피커 손상이 발생할 가능성이 높아질 수 있다.

대부분의 경우 클리핑과 관련된 왜곡은 원치 않는 것으로 여겨지며, 가끔은 소리로는 들리지 않더라도 오실로스코프에서 확인할 수 있다. 그러나 클리핑은 특히 무거운 장르에서 음악의 예술적 효과를 위해 종종 사용된다.

 

이 오실로스코프에 표시된 사인파의 편형된 피크와 계곡은 신호가 '클립' 되었음을 나타낸다.

 

개요

앰프가 전원 공급이 생성할 수 있는 것보다 더 강력한 신호를 생성하도록 강제로 밀어넣을 때, 그 앰프는 신호를 최대 용량까지만 증폭하고 그 이상으로는 증폭할 수 없는 지점에서 신호가 단순히 '잘린다' 또는 '클리핑' 된다. 앰프의 최대 용량에서 신호가 클리핑되면 앰프가 처리 할 수 있는 능력을 초과하는 부분의 신호가 단순히 차단되어, 사인파가 왜곡된 사각파 형태로 변환된다.

앰프는 전압, 전류 및 열적 한계를 가지고 있다. 클리핑은 전원 공급이나 출력 단계의 제한으로 인해 발생할 수 있다. 어떤 앰프는 에너지 저장 공간이 고갈되기 전이나 앰프가 과열되기 전에 단기간 동안 클리핑 없이 최대 출력을 전달 할 수 있다.

 

사운드

많은 일렉트릭 기타 연주자들은 원하는 사운드를 얻기 위해 의도적으로 앰프를 오버드라이브 하거나 (또는 'fuzz box'를 삽입) 클리핑을 유발한다

일부 오디오 애호가는 무음 피드백이 거의 없는 진공관의 클리핑 작용이 트랜지스터보다 우수하다고 믿는다. 즉, 진공관은 트랜지스터보다 클리핑이 더 점진적으로 발생하며(소프트 클리핑 및 대부분 짝수 고조파), 일반적으로 덜 불쾌한 고조파 왜곡을 초래한다고 생각한다.

 

효과

트랜지스터 앰프에서 하드 클리핑이 발생하면 출력 전류가 증가하고 트랜지스터 전압이 포화 전압에 가까워지면 트랜지스터의 개인이 감소하게 되어(비선형 왜곡 초래) 일반적으로 왜곡 측정을 위해 "풀 파워"는 클리핑 바로 아래 몇 퍼센트로 간주된다.

클리핑된 웨이브폼은 클리핑되지 않은 작은 웨이브폼보다 더 큰 면적을 가지고 있기 때문에 앰프는 클리핑 될때 주어진 레이팅(사인 웨이브) 출력보다 더 많은 전력을 생성한다. 이 추가 전력은 스피커를 손상시킬 수 있다. 스피커에 손상을 초래하거나 앰프의 전원 공급을 손상시키거나 퓨즈를 터뜨릴 수 있다.

클리핑은 처리 시스템 내에서 발생할 수 있다.(예: 올패스 필터), 신호의 스펙트럼 구성 요소 간의 위상 관계를 변경하여 과도한 피크 출력을 생성할 수 있다. 시스템이 클리핑 없이 동일한 레벨의 단순한 사인 웨이브 신호를 재생할 수 있더라도 과도한 피크는 클리핑 될 수 있다.

일렉트릭 기타 연주자들은 원하는 사운드를 얻기 위해 자주 의도적으로 기타 앰프를 오버드라이브하여 클리핑 및 다른 왜곡을 유발한다.

 

클립된 웨이브폼과 최대화된 클립되지 안은 웨이브폼

 

하드 클리핑에 밀어넣은 사인 웨이브의 홀수 차 고조파를 보여주는 스펙트로그래프

 

디지털 클리핑

디지털 신호 처리에서 클리핑은 신호가 선택한 표현 범위에 제한될 때 발생한다. 예를 들어 16-bit signed integers를 사용하는 시스템에서 32767은 표현 가능한 가장 큰 양의 값이다. 처리 중에 신호의 진폭이 두배로 증가하면, 예를 들어 32000의 샘플 값은 64000이 되어야 하지만 정수 오버플로우가 발생하여 최대값인 32767로 표시 된다. 클리핑은 디지털 시스템에서 발생할 수 있는 대안인 랩핑(wrapping)보다 선호된다. 랩핑은 디지털 프로세서가 오버플로우를 허용하고 크기의 가장 중요한 비트를 무지하며 때로는 샘플 값의 부호까지 무시하여 신호를 심각하게 왜곡시키는 경우가 있다.

 

클리핑 방지

클리핑을 피하는 가장 간단한 방법은 신호 레벨을 낮추는 것이다. 또는 시스템을 개선하여 클리핑 없이 더 높은 신호 레벨을 지원할 수 있다. 일부 오디오 애호가는 파워 출력이 스피커 레이팅의 두배 이상인 앰프를 사용한다. 리미터는 신호의 큰 부분(예:베이스 및 스네어 드럼)의 레벨을 동적으로 낮추는 데 사용될 수 있다.

많은 앰프 디자이너들은 클리핑을 방지하기 위한 회로를 도입했다. 가장 간단한 회로는 클리핑 지점에서 약 1 데시벨 전에 트리거 되는 빠른 리미터처럼 작동한다. "소프트 클립"이라고 불리는 더 복잡한 회로는 1980년대부터 입력 단계에서 신호를 제한하는데 사용되었다. 소프트 클립 기능은 클리핑 이전에 작동을 시작하며, 최대 출력 전력에서 10 dB 아래에서 시작할 수 있다. 출력 웨이브폼은 최대 지정값보다 10 dB 더 높은 오버로드 입력 신호에도 불구하고 둥근 특성을 유지한다.

 

클리핑된 신호의 수리

클리핑을 피하는 것이 가장 좋지만, 만약 녹음이 클리핑 되었고 재녹음 할 수 없는 경우 수리는 한가지 선택지이다. 수리의 목표는 신호의 클리핑된 부분에 대한 합리적인 대체를 만들어 내는 것이다.

복잡한 하드 클리핑 신호는 클리핑된 피크에 포함된 정보가 완전시 손실되었기 때문에 원래 상태로 복원될 수 없다. 소프트 클리핑된 신호는 경우에 따라 허용 범위 내에서 원래 상태로 복원될 수 있다. 왜냐하면 원래 신호의 모든 부분이 손실되지 않았기 때문이다. 이 경우 정보 손실의 정도는 클리핑에 의해 발생하는 압축 정도에 비례한다. 가볍게 클리핑된 대역폭 제한 신호는 고도로 오버샘플링된 경우 완벽하게 복원될 수 있다.

클리핑된 신호를 부분적으로 복원할 수 있는 여러가지 방법이 있다. 한번 클리핑된 부분을 알면 부분적인 회복을 시도할 수 있다. 그 중 하나는 알려진 샘플의 보간 또는 외삽이다. 고급 구현에서는 신호를 연속적으로 미분 가능한 상태로 복원하기 위해 큐빅 스플라인을 사용할 수 있다. 이러한 재구성은 원본의 근사치에 불과하지만 주관적인 품질은 향상될 수 있다. 다른 방법으로는 신호를 한 스테레오 채널에서 다른 채널로 직접 복사하는 것이 있다. 이 경우에는 한 채널만 클리핑 되었을 수 있다.

클리핑을 수리하기 위해 다양한 결과와 방법을 가진 소프트웨어 솔루션이 여럿 있다. CrumplePop ClipRemover, MAGIX Sound Forge, iZotope RX De-Clip, Acon Digital Restoration Suite, Adobe Audition, Thimeo Stereo Tool, CEDAR Audio의 디클리핑 솔루션, Audacity 플러그인인 Clip Fix 등이 있다.

 

원인

아날로그 오디오 장비에서 클리핑이 발생하는 여러원인은 다음과 같다.

 

1. 고체 상태 트랜스포머리스 앰프의 출력 제한 : 고체 상태 트랜스포머리스 앰프의 피크 투 피크 출력은 전원 공급 전압에 의해 제한된다.
2. 비대칭 출력 스윙 : 앰프가 비대칭 출력 스윙을 가질 경우 클리핑은 출력 파형의 한 부분에서 이르게 시작될 수 있다.
3. 선형 전원 공급을 사용하는 오디오 엠프에서의 클리핑 : 미조정된 선형 전원 공급을 사용하는 경우, 필터 캐패시터가 충분히 크지 않으면 리플 전압이 클리핑을 유발 할 수 있다. 이 클리핑은 AC라인 주파수 고조파를 포함할 수 있다. 스위치 모드 전원 공급에서는 리플 전압이 주로 스위칭 주파수에서 나오며 오디오 밴드 밖에 있다. 정전원 공금에서는 리플 전압이 없다.
4. 진공관의 제한된 전자 이동 : 진공관은 주어진 시간 동안 한정된 전자의 이동만 가능하며, 이는 크기, 온도 및 금속에 의존한다. 출력 전류가 증가함에 따라 증폭이 감소하면서 소프트 클리핑이 발생한다.
5. 입력 제한 : 증폭 장치(앰프)는 입력에 대한 제한을 가질 수 있다. 예를 들어, 양극 트랜지스터에 대한 과도한 베이스 전류 또는 진공관에 대한 과도한 그리드 전류가 있을 수 있다. 이러한 제한을 벗어나면 입력 신호가 왜곡될 수 있거나, 충분히 높은 임피던스 소스에서 오는 경우 증폭 장치를 손상시킬 수 있다.
6. 전류 출력 또는 입력 전압 제한 : 앰프는 다양한 이유로 현재 출력이나 입력 전압을 제한할 수 있다. 의도적인 리미팅 회로는 일반 작동 시에는 작동하지 않을 것이지만, 출력 부하 저항이 너무 낮거나 입력 신호 레벨이 예외적으로 높은 경우에만 발생할 것이다. 이 형태의 클리핑 결과는 전압 파형의 평평한 상단이 아니라 전류 파형의 평평한 상단을 만들어 낼 수 있다.
7. 트랜스포머의 클리핑 : 튜브 장비에서 스테이지 간 및 출력에 가장 일반적으로 사용되는 트랜스포머는 그의 ferromagnetic 코어가 전자기로 포화될 때 클리핑 될 수 있다.

 

검출

회로에서의 크리핑은 원래 입력 신호와 적용된 개인에 대한 출력 신호를 비교하여 감지 할 수 있다. 예를 들어, 회로에 10 dB의 개인이 적용된 경우 출력 신호를 10 dB로 감쇄 하고 입력 신호와 비교함으로써 클리핑을 테스트할 수 있다. 두 신호 간의 차이는 클리핑 감지 표시등을 비추거나 클리핑을 관리하기 위해 앞선 회로의 개인을 줄이는 데 사용될 수 있다.

클리핑된 신호는 종종 제곱 된다. 여기서 세번째 고조파는 푸리에 변환에서 맥락상 이상치이다. 기대된 사인 웨이브의 경우 홀수 고조파의 존재는 종종 신호가 하드 클리핑되었음을 나타낸다. "소프트 클립"의 경우, 인정 신호의 양쪽에 구부러짐이 있으며, 낮은 주파수 스펙트럼에서 여러 개의 짝수 고조파의 존재를 보여줄 것이다.