Данная статья является частью цикла статей "Waves"
Цифровые слова, представляющие звуковой сигнал в каждый момент времени имеют максимально возможное положительное и минимально возможное отрицательное значения, определяемые битовой глубиной формата файла. Любая попытка заставить звуковой сигнал выйти за пределы этих максимально допустимых значений, например, при чрезмерном их усилении, приведёт к клиппированию звукового сигнала. Искажения клиппирований обычно звучат довольно неприятно и их нужно избегать.
Тем не менее, существуют и другие способы, при которых сигнал может клиппировать, и некоторые из них далеко не очевидны.
Пиковая-нормализация сигналов[править]
"Нормализация" это процесс позволяющий обрабатывать файл таким образом, что максимальный пиковый уровень в файле достигнет только (но не более) цифрового ноля или точки клиппирования. Очевидно, что это хорошо, потому как это означает, что файл максимально "громкий" как есть без клиппирования, в свою очередь, это обеспечивает лучшее отношение сигнал-шум, особенно при низкой битности.
В ситуациях, когда требуется более высокий средний уровень звука, пиковый лимитер L2 позволяет ещё больше увеличить уровень типичных сигналов, осторожно подавив пиковые сигналы, без слышимых нелинейных искажений. L2 одновременно может масштабировать аудиоданные таким образом, чтобы пиковое ограничение сигналов подходило или просто достигало цифрового нуля.
Тем не менее, при хранении звуковых файлов с максимально возможным уровнем, существует риск того, что любая последующая обработка может поднимать эти пиковые уровни слишком высоко, в результате вызывая искажения клиппирования. Ограничение пиков до 0 дБ, любыми средствами, не оставляет никакого места для любого последующего увеличения пикового уровня.
Интуитивно, можно подумать, что может быть применено простое снижение уровня не неся риска клиппирования, и в равной степени можно подумать, что любое увеличение уровня будет обязательно приводить к клиппированию. Это верно. Вы также можете думать, что применение повышающей эквализации на любой частоте может привести к клиппированию в зависимости от пикового уровня в пределах полосы эквализации. Опять же, это верно.
Гораздо менее очевидным является то, что применение понижающей эквализации также несёт риск клиппирования. Чтобы доказать это надо много математики, но следующее описание должно помочь получить представление.
В любой момент времени, пиковый уровень сигнала может быть результатом нескольких компонентов на разных частотах и их фаз относительно друг друга. Некоторые компоненты добавляют в то время как другие вычитают, но что произойдет, если вы "вырежете частоты эквалайзером", частоты которые вычитаются из пикового уровня в силу своей фазы? Теперь пик выше, чем был.
Для большинства звукового материал, этот эффект будет относительно небольшим, обычно увеличение пиковых уровней достигает порядка 0,3 дБ, но при неблагоприятных условиях или с нетипичными сигналами, пиковый уровень может увеличиться значительно больше.
Если используется эффект пикового лимитирования такой как L2, потому как он заставляет сигнал подходить к пиковому уровню чаще, таким образом вероятность клиппирования возрастает ещё больше.
На практике, ослабляющая фильтрация середине или низкочастотных компонентов, как правило, вызывают такое описанное увеличение максимального уровня, но фильтрация низких частот, которая уменьшает бас иногда может привести к гораздо более значительному увеличению пиков порядка нескольких дБ в сильно лимитированных сигналах. Фазовая характеристика некоторых высоко или низкочастотного фильтров может также увеличить пиковые уровни до 4 дБ или около того.
Принимая во внимание то, что только что было сказано, может показаться логичным держать пики сигнала на несколько дБ ниже цифрового нуля, пока не произвелась вся обработка. После этого, вы можете безопасно нормализовать сигнал, или не так?
Проблемы, связанные с клиппированием пиков могут возникнуть, когда звуковой файл или нормализированный сигнал преобразуется в новую частоту дискретизации. Причина связана с самим процессом преобразования частоты дискретизации, при понижении частоты дискретизации сигнал не фильтруется; при более низких частотах дискретизации доступный диапазон звуковых частот уменьшается. Такая фильтрация может увеличить пиковые уровни звука точно также, как и ослабляющая эквализация.
Но увеличение максимального уровня может произойти даже при увеличении частоты дискретизации. Потому как непрерывный звуковой сигнала представлен в цифровом виде только своими моментальными значениями сэмплов. Вполне возможно, что пиковое значение в непрерывном звуковом сигнале, происходит в моменты, лежащие между двумя сэмплами, и таким образом, будет выше, чем максимальное значение в любом из сэмплов.
При изменении частоты дискретизации, для непрерывного звукового сигнала создаются новые сэмплы, и эти новые сэмплы могут не совпадать с исходными пиковыми сэмплами. Это особенно вероятно для сигналов с большим количеством высоких частот, потому как формы таких сигналов изменяются между сэмплами быстрее.
Хотя могут быть созданы искусственно надуманные сигналы, чтобы действительно показать эту проблему, в реальной жизни ослабление максимальных пиков не менее 0,3 дБ или около того, до преобразования частоты дискретизации должны обеспечить адекватную защиту от клиппирования. Некоторые разработанные преобразователи частоты дискретизации учитывают эту возможности, создавая небольшое количество подавления уровня, а дешёвые этого не делют.
Но вы можете безопасно нормализовать файл, если вы знаете, что он находится на финальной частоте дискретизации? К сожалению, нет, потому как многие проигрыватели компакт-дисков (и некоторое другое бытовое цифровое оборудование) используют передискретизирующие цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), для получения аналогового сигнала, подаваемого на усилитель. Такие передискретизирующие преобразователи включают процесс преобразования частоты дискретизации, который может вызывать клиппирование (и делает это!) пиков звука. Ещё раз, некоторые разработчики, кажется, упускается из виду эту проблему, хотя и не так часто, как это было в более в ранних конструкциях ЦАП.