Clipping (digital y analógico, hard y soft)

Definición

El clipping es la limitación de la amplitud de una señal a un valor máximo c: la parte de la forma de onda que supera el umbral se corta o se redondea.

• Hard clipping: y = sgn(x) · min(|x|, c). La forma de onda se aplana por encima del umbral y la función de transferencia tiene una arista.
• Soft clipping: función continua con derivada continua, que se acerca gradualmente al límite. Ejemplos: y = tanh(k·x) / tanh(k); el polinomio cúbico y = 1,5·x − 0,5·x³ para |x| ≤ 1 e y = ±1 más allá.

Clipping digital: en coma fija todo valor que supera el fondo de escala se sustituye por el máximo representable; es un hard clipping. Los armónicos generados por encima de la frecuencia de Nyquist (fs/2) no desaparecen: se pliegan en la banda audible en las frecuencias |k·fs − n·f0| (aliasing) y no guardan relación armónica con la nota. Clipping analógico: las etapas de transistores y operacionales cortan de forma neta cerca de la tensión de alimentación; válvulas, transformadores y cinta cortan de forma gradual. El clipping analógico no produce aliasing, pero la señal debe después convertirse sin superar el fondo de escala.

Una función de transferencia simétrica (impar) genera solo armónicos impares (3.º, 5.º, 7.º…); una asimétrica genera también armónicos pares y una componente continua. En el límite, un corte muy profundo transforma la sinusoide en una onda cuadrada, con armónicos impares de amplitud 1/n.

Parámetros y unidades

• Umbral o ceiling: dBFS o, en los procesadores, dB relativos al nivel de entrada.
• Drive / input gain: cuánta señal se empuja por encima del umbral (dB).
• Softness / knee: amplitud de la zona de transición entre comportamiento lineal y limitación.
• Oversampling: ×2–×16; reduce el aliasing al procesar a una frecuencia de muestreo más alta.
• Simetría / bias: introduce armónicos pares.
• Medidas: THD (%), número de muestras consecutivas a fondo de escala, reducción del crest factor.

Distorsión armónica de una sinusoide sometida a hard clipping:

Función musical

El clipping involuntario es un defecto: produce distorsión áspera, crepitaciones y, en digital, componentes inarmónicos por aliasing. El clipping deseado es una herramienta: un clipper en el bus de la batería o antes del limiter de masterización corta los picos brevísimos de 1–3 dB sin tiempos de ataque y liberación, es decir, sin bombeo, y sube la sonoridad a igualdad de pico. En transitorios de pocos milisegundos la distorsión introducida queda enmascarada por el propio transitorio. El soft clipping es también una forma de saturación, usada para dar densidad a bajos, 808 y baterías.

Ejemplo práctico

• Aliasing: sinusoide a 3 kHz con hard clipping a 44,1 kHz. Los armónicos impares a 9, 15 y 21 kHz permanecen en banda; los de 27, 33 y 39 kHz se pliegan a 17,1, 11,1 y 5,1 kHz, frecuencias ajenas a la nota. Con oversampling ×8 los armónicos por encima de 22 kHz se filtran antes de volver a 44,1 kHz.
• Clipper en el bus de la batería: la caja tiene picos 4 dB por encima del cuerpo del sonido. Un clipper con 2 dB de corte y oversampling ×4 lleva el crest factor del bus de 14 a 12 dB; a igualdad de pico la sonoridad del bus sube 1,5 LU y el transitorio sigue siendo perceptible.
• Master: un soft clipper con 1–1,5 dB de reducción antes de un limiter que a su vez trabaja 1–2 dB reparte el trabajo y reduce los artefactos de ambos.

Errores comunes

• Usar clippers y saturadores sin oversampling con material brillante: el aliasing vuelve metálicos los platos y la voz.
• Dejar en el master tramos de 3 o más muestras a fondo de escala.
• Creer que una señal por encima de 0 dBFS en la DAW en coma flotante ya está en clipping y, al contrario, no darse cuenta de que lo estará en la exportación a 24 bits o en el conversor.
• Mandar a clipping la entrada de la interfaz: el corte analógico no se recupera.
• Evaluar el clipping a bajo volumen de escucha, donde la distorsión se percibe menos.
• Sumar varias etapas de clipping a lo largo de la cadena sin controlar el total.

Cómo comprobarlo

• Análisis de la app: la fila Tramos con clipping (≥3 muestras a fondo de escala) cuenta los puntos en los que al menos 3 muestras consecutivas alcanzan ±0,999 del fondo de escala; la fila Picos entre muestras por encima de 0 dBFS detecta los excesos en la forma de onda reconstruida. El Crest factor (pico − RMS) baja cuando un clipper trabaja.
• Prueba de aliasing: envía al clipper una sinusoide de 3–5 kHz y observa el espectro: componentes por debajo de la frecuencia de la nota o entre los armónicos indican aliasing.
• Control de oído: escucha la señal diferencia (entrada − salida, con la polaridad invertida en uno de los dos): debe contener solo breves rastros en los transitorios.