Clipping

오디오의 신호가 아날로그 장비의 최대 입출력 레벨을 초과하여 왜곡이 발생하거나, 디지털 장비의 0dBFS를 초과하여 정보가 유실되는 현상.

하드 클리핑은 정보의 유실이 크게 일어나서 가위로 자른 듯이 신호가 잘려나가는 것을 말한다. 아날로그 클리핑 중 트랜지스터(BJT, FET) 나 Op-Amp 와 같은 솔리드 스테이트 회로에서는 하드 클리핑이 발생한다.

소프트 클리핑은 신호의 최대치에서 새츄레이션이 일어나 가위로 자른 듯한 신호가 아닌 다소 완만하게 신호가 유실되는 것을 말한다. 테이프 새츄레이션이나, 진공관에 의한 클리핑은 주로 소프트 클리핑이다.

디지털 클리핑(디지털에 의한 정보 유실)은 소리가 없어지기 때문에 상당한 배음(THD)를 생성하는 하드 클리핑이나 소프트 클리핑과는 근본적으로 차이가 있다.

아날로그 기기에서 최대 입출력 레벨이 넘어가면 소리가 클리핑되는데 이때 기기의 특성에 따라 각기 다른 반응이 나오게 된다 . 오버드라이브, 테이프 새츄레이션, 디스토션 등의 현상이 나타나게 된다. 클리핑에 의해 새츄레이션이나 THD 등의 부가적인 효과가 따라오게 된다.

솔리드 스테이트(BJT, FET, Op-Amp) 에서는 DC 바이어스로 설정한 전압을 초과하는 신호가 들어오면 클리핑이 발생하며, 진공관에서는 크기, 온도 및 금속에 따라 제한된 시간동안 제한된 수의 전자만 이동할 수 있기 때문에 클리핑이 발생하고, 트랜스포머에서는 강자성 코어가 전자기적으로 포화될 때 클리핑이 발생한다.

Tube Overdrive, Tube Saturation

진공관을 사용한 증폭 회로에서는 매우 높은 플레이트 전압을 사용하기 때문에, 회로상의 실질적인 최대 입출력 레벨은 매우 높다. 하지만 어느 정도 일정 수준의 레벨 이상에서는 THD 가 발생하는 정도가 커져서 소리의 찌그러짐이 심해지기 때문에 스펙에는 보통 THD 를 기준으로, 찌그러짐이 거의 발생하지 않는 정도까지의 레벨을 최대 입출력 레벨로 표기 한다. 따라서 진공관 장비의 경우 스펙 표기된 최대 입출력 레벨보다 더 높은 레벨로 사용도 가능하긴 하지만, 소리는 오버드라이브 또는 새츄레이션 된다.

따라서, 기기를 사용함에 있어서, 표기된 최대 입출력 레벨을 넘겨도, 하드 클리핑이 발생하지 않으며¹⁾ 대신, THD가 증가하는 소프트 클리핑²⁾이 발생한다. 기타 이펙터에서는 이런 효과를 오버드라이브라고 부른다.

진공관 기기들의 이러한 소프트 클리핑 특성으로 인하여 종종 아날로그 마스터링 체인에서 사용되기도 한다.

Distortion

BJT 에서는 최대 입출력 레벨 이하의 소리는 매우 깨끗하게 처리 되다가 최대 입출력 레벨을 넘어서는 순간 소리가 전부 칼같이 잘려 나가게 된다. 이러한 현상은 소리를 매우 과격하게 왜곡하기 때문에 이러한 효과를 내는 기타 이펙터를 디스토션이라고 부른다.

Waves Scheps 73 은 유명한 디스크리트 BJT 방식의 프리앰프를 재현한 플러그인으로, 이 플러그인으로 재현한 BJT의 하드 클리핑 특성은 아래 사진과 같다.

FET 의 경우는 진공관과 유사한 작동 방식³⁾을 가지고 있지만 클리핑 특성은 BJT에 가깝다. 즉, 진공관과는 회로 구성은 유사하지만 소리는 진공관과 전혀 다르다.

Tape Saturation

테이프에서는 마그네틱 장치의 자기장이 포화되면서 테이프 새츄레이션이 일어나게된다.

Magneto II로 시뮬레이션한 테이프 클리핑(테이프 새츄레이션)

트랜스포머도 당연히 설계에 따른 최대 입력 레벨이 있기 때문에 설계보다 높은 입력이 들어오면 새츄레이션 및 클리핑 현상이 발생한다. 트랜스포머에서 발생하는 자기장에 의한 포화현상으로 인해 클리핑이 발생한다. 트랜스포머에서의 클리핑은 하드 클리핑에 가깝다.

디지털 오디오 시스템에서의 클리핑은 0dBFS 를 넘는 신호의 입출력이 발생할 때 생긴다. 예를 들어, 16비트 부호 있는 정수를 사용하는 시스템에서는 32767이 표현할 수 있는 가장 큰 양수 값이다. 처리 중에 신호의 진폭이 두 배가 되면, 예를 들어 32000의 샘플 값은 64000이 되어야 하지만, 대신 정수 오버플로우가 발생하여 최대값인 32767로 표현된다.

컨버터 제조사의 경우, 이러한 현상을 방지하기 위해 높은 신호에 대해서 소프트 클리핑이 발생하여 신호가 하드 클리핑 되지 않도록 방지하는 기술을 컨버터에 내장하는 경우가 많다.

https://etd.auburn.edu/bitstream/handle/10415/7112/Digital%20Simulation%20and%20Recreation%20of%20a%20Vacuum%20Tube%20Guitar%20Amp.pdf