Изменение уровня. Переполнение, обрезание и ограничение

Изменение уровня - это просто умножение амплитуды сигнала на определенное значение, в результате чего изменяется громкость всего сигнала (увеличивается или уменьшается).

Рисунок 8.Увеличение, уменьшение громкости сигнала.

В логарифмическом виде умножение на число - это просто прибавление константы. Поэтому если ко всем уровням прибавить одно и то же число, то гистограмма уровней просто сдвинется:

Рисунок 9. Сдвижение гистограммы уровней.

Если мы умножим сигнал на слишком большое число, то возможно переполнение. Если переполнение не отслеживать, то значение амплитуды принимает практически случайные значения (см. рисунок) и это приводит к очень заметным на слух частым щелчкам. Самых простой способ борьбы с этим дефектом - (клиппинг, clipping), т.е. там, где амплитуда сигнала выходит за пределы мы ’обрезаем’ его (см. рисунок). При небольшом переполнении клиппинг практически незаметен на слух, однако при повышении уровня он проявляется как ’песок’ в звуке.

Рисунок 10. Клиппинг

Более сложный, но и более эффективный способ - это ограничение сигнала (лимитинг, limiting). Суть его состоит в том, чтобы автоматически понижать уровень сигнала так, чтобы переполнения просто не происходило. Для этого необходима система автоматической регулировки усиления (АРУ, Automatic gain control, AGC), которая будет вносить поправку в текущий уровень сигнала. Пока переполнения нет, АРУ не изменяет сигнал. Как только сигнал превышает максимальный уровень, вносится поправка, которая изменяет сигнал так, чтобы его уровень не превышал максимальный. Как видно на рисунке, сигнал полностью сохраняет свою форму! Однако громкость при этом остается максимальной:

Рисунок 11. Пример лимитизации сигнала.

Необходимо обратить внимание на то, что на предыдущем рисунке приведена амплитуда, а на этом - громкость (определенная по большой группе амплитуд). Поэтому, несмотря на то, что график громкости ’обрезан’ форма самого сигнала искажается минимально. Этот способ также не лишен недостатков. Изначально звук имел разную громкость, а после ограничения все звуки, выходящие за пределы, имеют одну и ту же громкость и звук может получиться ’плоский’ и невыразительный. Посмотрим на гистограммы (Fight Club):

Рисунок 12. Гистограммы Fight Club. Пример неудачного усиления.

Здесь приведен пример неудачного усиления. При усилении +10дБ искажения еще мало заметны (мест в фильме, где возникает переполнение еще относительно мало), однако с ростом усиления ограничение уровня появляется все чаще и чаще и при уровне +30дБ начинает ограничиваться голос, что крайне заметно. Особенно заметны недостатки ограничения при значительных изменениях громкости за малое время - субъективно громкость начинает прыгать вверх и вниз. Если на фоне разговора (который при усилении +30дБ уже воспроизводится с максимальной громкостью) происходит громкий звук (который громче голоса в оригинале, например, звонок телефона), то уровень усиления уменьшается так, чтобы громкий звук не искажался, но при этом громкость разговора также резко падает. Когда громкий звук заканчивается, разговор так же резко возвращается к предыдущей громкости:

Рисунок 13. Пример уменьшения уровня громкости без искажения сигнала.

Таким образом, относительная громкость разных звуков воспроизводимых одновременно сохраняется, однако уровень усиления постоянно изменяется, что хорошо заметно и очень неприятно. Таким образом, при больших уровнях усиления (20-30дБ и больше) ограничение тоже дает плохой результат.

При малых уровнях усиления дефекты ограничения сигнала практически незаметны, тогда как обрезание сигнала хорошо слышно практически всегда. Т.е. при прочих равных условиях ограничение дает более качественный результат. Фильтр всегда производит либо ограничение (опция “AGC” включена) либо обрезание (опция “AGC” отключена). В дальнейшем если не оговорено явно будет подразумеваться, что включено ограничение. Поэтому рекомендуется всегда держать опцию “AGC” включенной.