Clipping, was, wie warum, wofür?

von EDE-WOLF, 12.06.06.

  1. EDE-WOLF

    EDE-WOLF HCA Bass/PA/Boxenbau HCA

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    Erstellt: 12.06.06   #1
    Dieser Thread soll das CLipping mal näher erläutern, ich hab mich die letzten monate immer mal wieder drangesetzt und es dann doch aufgegeben, weil es irgendwie zu umfangreich wurde, und ich immer in irgendwelchen verstärkerschaltungen hängen geblieben bin etc..., ich bemüh mich daher das jetzt etwas kürzer zu fassen, daher wird das ein oder andere für den e-techniker sicher relativ schwammig rüberkommen, aber ich denke für uns basser wirds für das grundverständnis und den umgang mit diesem phänomen ausreichend sein!

    Clipping ist zunächst mal eine übersteuerung einer verstärkerschaltung. Ein verstärker kann nur bis zu einem gewissen Grad verstärken, das heißt, er hatt eine maxiamle ausgangsspannung, die er liefer kann, darüber ist halt einfach schluss. wird eine verstärkerschaltung übersteuert so erhält man ein ausgangssignal, welches eine andere "form" hat als das eingangssignal, dies bedeutet gleichzeitig, dass sich das signal spektral verändert, das heißt, dass gewisse frequenzen dem signal zugeführt werden die eigentlich nicht da sein sollten. dies äußert sich in einer mehr oder weniger starken, hörbaren verzerrung.

    ZUnächst mal kann man in unserem (bass-sektor) 3 arten des clippings unterscheiden
    1. digitales clipping (VORSICHT: UMFANGREICH UND SCHWIERIG ZU VERSTEHEN! evtl. einfach bild angucken und überlesen!!)
    2. transistorclipping
    3. röhrenclipping (bzw. sättigung oder übersteuerung)

    jetzt kann man noch unterscheiden ob besagtes clipping in der vor- oder der endstufe auftritt. alle clippings unterschieden sich mehr oder weniger stark:

    1. Digitales clipping
    das digitalclipping ist die "härteste" variante des clippings. diese variante kommte weniger bei verstärkern vor (außer glaube ich bei Digitalendstufen, wobei ich gar nicht weiß wie die funktionieren, daher würde ich mich freuen, wenn jemand eine solche mal erklären würde ;) ) als bei A/D wandlern in digitalen effektgeräten (bspw. Bodentreterchorus/flanger, Pod, V-amp etc.) hier wird das signal quantisiert, das bedeutet, die spannung des eingangssignals wird in einer bestimmten geschwindigkeit (samplingrate) mit einer gewissen genauigkeit, also anzahl an stellen (bitrate; wortbreite) gemessen, und daraus ein zahlencode aus 1 und 0 en gemacht, da ein audiosignal eine wechselspannung ist, deren spannung sich eben immer verändert muss dieser wandler nun auf einen gewissen spannungsbereich kalibriert werden, in dem er arbeiten soll. wählt man diesen bereich zu groß(-zügig), so erhält man, durch rundungsfehler, eine ungenaue abbildung des signal, was schlecht klingt, wählt man ihn zu klein, so kann es eben sein, dass der wandler bei einer zu hohen eingangsspannung "clippt", womit wir beim thema wären: sagen wir (ich vereinfache das im folgenden!!) wir haben einen wandler der der bspw. 5 zustände darstellen kann (in der realität haben wir wandler die ca. 16mio. zustände darstellen können ;) ) diese 5 zusände werden jetzt bestimmten eingangsspannungen zugewiesen:
    0V = 0
    1V = 1
    2V = 2
    3V = 3
    4V = 4

    also bis zu einer eingangsspannung von 4 V arbeitet der wandler wie er soll!
    liegen nun am eingang allerdings 5V an, kann der wandler dies nicht mehr darstellen und "nennt" diese eingangsspannung trotzdem "4"´.

    schaut man sich nun eine sinusschwingung an, so ergibt sich daraus, dass die spannungsmaxima und minima hart abgeschnitten werden:
    [​IMG]

    (dass natürlich am eingang auch negative spannungen anliegen, ignoriere ich zur einfacheit jetzt mal!!) nehmen wir also in unserem beispiel an:
    die 0 aus der grafik entsprechen 0V am eingang, also der "0" des wandlers,
    Vc entspricht den 4V am eingang also der maximalen spannung die der wandler verarbeiten kann!
    Vp sind unsere 5 V eingangsspannung.
    das resultierende signal sieht ungefähr so aus wie in der grafik, man sieht: spannungsmaxima werden einfach abgeschnitten, wodurch sich der klang des signals, bspw dess obertonstruktur wie gesagt stark ändert. und das klingt, gelinde gesagt: ganz beschissen!!


    2. Transistorclipping:
    das wird den meisten hier wohl am ehesten begegnen, nämlich dann, wenn ein transistorverstärker anfängt zu clippen, oder auch eine transistorvorstufe!
    das signal wird ebenfalls beschnitten, die auch beim digitalen clipping. eine transistorvertärkerschaltung allerdings noch ein wenig "puffer" also einen kleinen bereich, in dem sie nicht so hart abeschneidet wie ein A/D wandler, das heißt: transistorclipping ist nicht ganz so schnell und ganz so heftig wie ein digitalclipping, allerdings auch relativ weit davon entfernt schön zu klingen. Transistorclipping entsteht ebenfalls durch zu hohe eingangsspannungen, entweder der end- oder der vorstufen schaltung. oder durch das übersteuern der operationsverstärker in eben einer solchen schaltung. beides sollte man (wenn man nicht weiß was man tut) nach möglichkeit verhindern.

    3. Röhrenclipping:
    Hier wirds nun etwas interessanter. EIne Röhre ist sehr "tolerant" was das übersteuern angeht, auch sie beschneidet das signal, allerdings DEUTLICH weniger störend als es ein transistor oder ein wandler tut, im gegenteil: es klingt meist sogar ganz angenehm. man kann sich vorstellen, dass die röhre die spannungsmaxima eben nicht hart wegschneidet sondern diese einfach nur abflacht, was das signal auch spektral verändert, aber eben nicht so störend. den klang einer übersteuerten röhren kennen wir alle aus dem gitarrenbereich. röhrenclipping ist im grunde das einzige clipping, welches man durchaus gewollt einsetzt und auch gezielt und häufig verwendet! Eine Röhrenschaltung drückt die spannungsmaxima wie gesagt etwas zusammen, das heißt, sie komrpmiert den sound, auf diese bzw. ähnliche art und weise arbeiten auch röhrenkompressoren. spielt man also einen vollröhrenamp, braucht man sich nicht soo viele gedanken um clipping zu machen.


    Warum clipping so wichtig/riskant/unangenehm ist:
    wie bereits mehrfach erwähnt werden bei clippenden amps dem signal obertöne hinzubefügt, das heißt: das signal hat plötzlich energieanteile in bereichen, die sonst sehr energiearm sind, nämlich ind en höhen. Ein Hochtöner einer Box ist immer DEUTLICH weniger belastbar als der tieftöner, das ist normal und in ordnung. meist hat der hochtöner gerade mal ein 30tel der belastbarkeit, meist etwas im bereich von 15 watt. verarbeitet die box nun ein normales bassignal, so gehen auf den hochtöner auch nur entsprechend geringe leistungen, ist das signla aber geclippt, so kann es passieren, dass zu viel leistung vom hochtöner verarbeitet wird, und dieser dadurch kaputt geht! für tieftöner ist clipping relativ "unschädlich" so lange man es nicht übertreibt.
    Ob man nun die endstufe eines verstärkers ins clipping treibt, oder die vorstufe ist im grunde egal (so lange beides transistorschaltungen sind), denn:
    transistoren verzerren immer ähnlich und ob ich nun eine "kaputte" schwingung "sauber" verstärke oder eine saubere schwingung "kaputtverstärke" macht im resultat kaum einen unterschied, allerdings:
    natürlich macht es einen unterschied ob ich die vorstufe übersteuere und dann recht leise spiele! es kommt letztendlich nur drauf an wieviel leistung der amp abgibt, bzw. wieviel leistung eben der hochtöner abbekommt! Für den verstärker an sich ist clipping relativ ungefährlich.

    einen unterschied macht es natürlich, wenn man eine röhrenvorstufe besitzt und diese übersteuert und dann die transistorendstufe sauber verstärken lässt, in diesem fall ist das natürlich was anderes!!

    zu guter letzt: JA es gibt auch verzerrer die nicht per röhre arbeiten, sondern mit dioden, auf diese gehe ich hier aber nicht ein, halte ich in diesem kontext für nicht relevant.

    Ich hoffe das bringt ein wenig klarheit in das thema! fragen werden wie immer gern beantwortet :)

    EDIT:
    Also bevor ihr euren transistoramp ins clipping schickt weil ihr nicht laut genug seid, nehmt lieber n kompressor zur hilfe :)
     
  2. Superunknown

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    Erstellt: 12.06.06   #2
    Außer der erklärung für das dig. clipping ist dir das ganze gut gelungen!
     
  3. EDE-WOLF

    EDE-WOLF Threadersteller HCA Bass/PA/Boxenbau HCA

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    Erstellt: 12.06.06   #3
    verbesserungsvorschlag für das digitale?
     
  4. Böhmorgler

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    Erstellt: 12.06.06   #4
  5. Exciter

    Exciter Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 12.06.06   #5
    Vielleicht noch näher auf die Quantisierung eingehen, weil das Grundverständnis darauf aufbaut. Kann man gut anhand eines Koordinatensystems darstellen: Y-Achse die Binärwerte, X-Achse die verschiedenen Spannungsstufen... ich glaub ich hab da noch ein Bild aus Messtechnik

    Ist halt eine ganz einfache Quantisierung: ein Signal zwischen 0-255mV wird mit 8 bit (=256 Stufen) Wortbreite digitalisiert. Alles, was beispielsweise zwischen 0mV und 1mV liegt, kriegt den Wert 0000 0000 zugewiesen usw. Gut ersichtlich, dass die Digitalisierung immer einen Kompromiss darstellt. Je höher die Wortbreite ist, desto genauer wird das digitalisierte Abbild des Signals (beispielsweise 16 bit = 2^16 = 65536 Zustände. Bisschen genauer, als 256 ;) )

    PS
    Mal wieder super, was der EDE hier erarbeitet hat :great:
     

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  6. EDE-WOLF

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    Erstellt: 12.06.06   #6
    hab auch lang überlegt obich noch A/D wandlung näher behandle... habs sein gelassen kanns aber ausführlicher machen :) leider fehlen mir immer die bildchen :)
     
  7. Böhmorgler

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    Erstellt: 12.06.06   #7
    Vielleicht könnte man die digitale Geschichte so darstellen:

    Koordinatensystem:
    X = Zeitachse (Samplingrate)
    Y = Amplitude (Bitrate)
     
  8. EDE-WOLF

    EDE-WOLF Threadersteller HCA Bass/PA/Boxenbau HCA

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    Erstellt: 12.06.06   #8
    also praktisch als PCM? klar kann ich machen (werd ich wohl morgen machen, sitz gerade nicht am eigenen rechner)
     
  9. Zakkrifice

    Zakkrifice Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 12.06.06   #9
    [​IMG]


    So, habe ein Bild gefunden, das die Quantisierung besser darstellen könnte!

    Was sieht man hier:
    Es is in grau ein analoges Signal dargestellt.
    Quer eingezogen sind gepunktete Linien. Diese Linien stellen "Schritthöhen" dar, die der A/D-Wandler umsetzen kann. Wenn das Signal im Moment der Abtastung zB zwischen Linie 5 und 6 steht, dann wird der Wert 6 zugewiesen.
    Die Rote Kurve stellt das Signal dar, das nach der Quantisierung übrigbleibt.

    Hier wird auch klar: Je geringer die Linienabstände sind, also je mehr Einzelniveaus es gibt, desto genauer lassen sich Kurvenverläufe nachbilden.

    Hier sind übrigens 8 Niveaus erreichbar, das macht eine Wortbreite von 7 bit.
     
  10. Exciter

    Exciter Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 12.06.06   #10
    Nur nicht zu ausführlich, ich glaub mit Wandlerschaltungen vergrault man die Leute dann eher ;) aber so ein paar Bildchen zum besseren Verständnis sind immer gut, auch das vorgeschlagene PCM-Bild

    Edit:
    @Zakkrifice
    Huch, das ist ja das von Böhmorgler vorgeschlagene Bild. Sehr schön!
    Aber 8 Niveaus wären doch 4 bit. Mit 7 bit ließen sich 2^7 = 128 Niveaus darstellen, wenn ich jetzt nicht verwirrt bin :D
     
  11. elkulk

    elkulk Bass-Mod & HCA Bass/Elektronik Moderator HCA

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    Erstellt: 13.06.06   #11
    Bist verwirrt. Das :D ist ganz auf unserer Seite ;) . (3bit: 2x2x2=8)

    Edit:

    EDE, tolles Wurst :great: , nur die Rechtschreibung :( (lass doch mal ´ne Textverarbeitung drüberlaufen).

    Und: Du könntest die Begriffe "Verstärker", "Operationsverstärker", "Vorstufe" und "Endstufe" mal vorab klarstellen und dann in der Folge konsequent verwenden, damit keine Verwirrung aufkommt.
     
  12. EDE-WOLF

    EDE-WOLF Threadersteller HCA Bass/PA/Boxenbau HCA

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    Erstellt: 13.06.06   #12
    ich kanns leider nicht mehr editen....

    wenn es sich um verdrehte buchstaben und fehlende buchstaben handelt bitte ich dieses zu entschuldigen, gerade letzteres phänomen liegt mit ziemlicher sicherheit an meiner tastatur ich habe schon häufig beobachtet, dass sie öfters mal n buchstaben nicht sendet oder der nicht korrekt ankommt. Es handelt sich um ne funktastatur ;)
     
  13. elkulk

    elkulk Bass-Mod & HCA Bass/Elektronik Moderator HCA

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    Erstellt: 13.06.06   #13
    Ich find eh, dass der Artikel in die FAQs gehört - Bassterix, was meinst Du??

    Dann könnteste noch was verändern, EDE.
     
  14. EDE-WOLF

    EDE-WOLF Threadersteller HCA Bass/PA/Boxenbau HCA

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    Erstellt: 13.06.06   #14
    ich wollte mit dem verschieben warten, damit man evtl noch was ändern und verbessern kann falls unklarheiten aufkommen!
     
  15. Zakkrifice

    Zakkrifice Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 13.06.06   #15
    Ja, verdammt ihr habt ja recht............so quatsch, 8-bit.

    Natürlich sind es 3 bit.........
     
  16. palmann

    palmann Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 13.06.06   #16
    Ist es echt völlig wurscht ob die Vor- oder die Endstufe klippt? Ich dachte immer die Lautsprecher verabschieden sich, wenn die Endstufe Gleichstrom liefert? Ist das falsch?

    Gruesse, Pablo
     
  17. EDE-WOLF

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    Erstellt: 13.06.06   #17
    jain,

    wenn die endstufe gleichstrom liefert verabschiedet sich der speaker, das tut sie aber nur im fehlerfall! sie liefert, wenn überhaupt bei starkem clipping gleichstromanteile, die allerdings so kurz sind, dass sie die spulen der lautsprecher nicht als "gleichstrom" wahrnehmen, warum also lautsprecher kaputt gehen hat einen anderen grund:

    zum einen der obertonreichtum der eben hochtöner kaputt macht, zum anderen einfach thermische überlastung:

    ein signal hat einen gewissen "crest-faktor" welcher den zusammenhang zwischen pegelmaxima (peaks) und durchschnittspegel (Effektivwert) angibt.
    (Errechnet sich im übrigen als Upeak/Ueffektiv, aber nur am rande)
    effektivwert, ist der jenige wert mit der relevant ist für die thermische belastbarkeit des lautsprechers, ein lautsprecher kann peaks sehr gut wegstecken, thermisch (also vojn der schwingspulentemperatur her) sind ihm die peaks relativ egal.

    kommen wir nun zum entscheidenden:
    durch clipping wird der crestfaktor des signals deutlich geringer, ist ja verständlich: man macht lauter, wobei die peaks aber nahezu gleichlaut bleiben, sich der effektivwert aber immernoch nahezu "linear" (also so wie er soll ;) ) erhöht, im ergebniss bedeutet das, dass der lautsprecher deutlich wärmer wird, und das bei ähnlicher maximaler eingangsspannung
    --> spulen werden zu heiß und verkokeln, speaker fängt an zu kratzen und sagt irgendwann überhaupt nichts mehr!

    all dies KANN passieren, muss aber nicht!

    ob man nun ein signal mit geringem crestfaktor verstärkt,
    oder das signal erst durch die endstufe abgeschnitten wird ist dabei relativ egal
    (sofern natürlich die ausssteuerung beider signale nahezu gleich ist)

    dreht man die endstufe jetzt allerdings fast ganz zu und der preamp schickt ein verzerrtes signal, ist zwar immernoch der crestfaktor gering, aber der effektivwert der spannung ja ebenfalls, weil sie ja kaum verstärkt wird, was im ergebnis nicht wirklich schädlich für die bxoen ist


    war das zu verstehen?
     
  18. Böhmorgler

    Böhmorgler Gesperrter Benutzer

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    Erstellt: 14.06.06   #18
    Vorstufe / Vorverstärker: http://de.wikipedia.org/wiki/Vorverstärker
    Verstärker / Endstufe: http://de.wikipedia.org/wiki/Verstärker_(Technik)


    Operationsverstärker (OP; OPV; OpAmp) ist ein einzelnes elektronisches Bauteil. Meist sind mehrere OP in einem Chip untergebracht. Im Prinzip kann man das Teil auch diskret, also aus Transistoren, Widerständen etc. aufbauen, aber die Arbeit macht sich natürlich keiner, da die Chips Pfennigsartikel bzw. Centartikel sind.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverstärker
     
  19. elkulk

    elkulk Bass-Mod & HCA Bass/Elektronik Moderator HCA

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    Erstellt: 14.06.06   #19
    Das weiß ich ja alles ;). Meine Idee war nur, dass EDE es in der Endversion evtl. noch etwas klarer darstellt.
     
  20. Böhmorgler

    Böhmorgler Gesperrter Benutzer

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    Erstellt: 14.06.06   #20
    Aber ich wußte nicht, was Du alles weißt, aber jetzt weiß ich's ja :rolleyes: :)
     
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