Clipper oder Limiter vor dem Export: Aliasing, True Peak und Kodierung bei −12 bis −8 LUFS gemessen

Um einen Master lauter zu machen, begrenzen Limiter und Clipper seine Spitzen auf unterschiedliche Weise. Ein Limiter senkt die Verstärkung kurz vor einer Spitze ab und gibt sie danach wieder frei. Ein Clipper schneidet die Spitze ab (harte Kennlinie) oder rundet sie ab (weiche Kennlinie). In FL Studio beschreibt das Handbuch den Fruity Soft Clipper als ressourcenschonenden weichen Limiter, der Übersteuerungen mit sanfter Kompression und weichem Knie vermeidet.

Die Messung vergleicht sechs Verfahren mit derselben Grenze von −1 dBFS: an einem Sinuston, an dem sich Aliasing ablesen lässt, und am synthetischen Testmix aus dem Artikel True Peak nach dem Encoding, gemastert auf −12, −10 und −8 LUFS und danach mit AAC, MP3 und Opus kodiert.

So wurde gemessen

• Verfahren: alle mit ffmpeg 7.1.5 und einer Grenze von −1,0 dBFS auf den Abtastwerten. Der Limiter ist alimiter mit 5 ms Attack und 50 ms Release, die Clipper sind die Kennlinien hard und tanh des Filters asoftclip. Jedes Verfahren lief einmal direkt bei 44,1 kHz und einmal auf dem vierfach überabgetasteten Signal, hoch- und zurückgerechnet mit soxr.
• Eine Falle: Das eingebaute Oversampling von asoftclip blieb außen vor. In ffmpeg 7.1.5 lieferte es bei harter Kennlinie einen unverzerrten Sinus mit geringerem Pegel statt einer Kappung, und bei weicher Kennlinie wurde die Oberwelle mit jeder Stufe schwächer.
• Sinus: 6,2 kHz, 6 dB über der Grenze. Ausgewertet wurde das Spektrum einer Sekunde; alles außer dem Grundton und den Oberwellen bei 12,4 und 18,6 kHz zählt als nicht harmonischer Anteil.
• Testmix: 32 Sekunden, vor dem Mastern −18,5 LUFS. Die Verstärkung vor dem Verfahren wurde so gesucht, dass −12, −10 und −8 LUFS herauskamen. True Peak nach ITU-R BS.1770-5, dazu eine Gegenprobe mit 16-facher Überabtastung.
• Abweichung der Wellenform: Nach Laufzeit- und Pegelausgleich wurde der Abstand zwischen dem bearbeiteten und dem unbearbeiteten Signal berechnet. Ein hoher Wert heißt, dass sich die Wellenform wenig ändert; über die Hörbarkeit sagt er nichts.
• Kodierung: AAC mit 256 kbit/s (Encoder von ffmpeg), MP3 mit 320 kbit/s (LAME) und Opus mit 128 kbit/s, danach dekodiert und erneut gemessen.

Sinus: Clipping erzeugt Aliasing, Überabtastung hält es fern

Ein Clipper erzeugt Oberwellen weit über der halben Abtastrate. Bei 44,1 kHz falten sie sich in den Hörbereich zurück: Aus dem Ton bei 6,2 kHz entstanden Linien bei 13,1, 11,7 und 0,7 kHz, die in keinem harmonischen Verhältnis zum Ton stehen und zusammen nur 25 dB unter dem Grundton lagen. Die weiche Kennlinie verringerte das ohne Überabtastung kaum. Julius O. Smith beschreibt beides: Nichtlinearitäten erzeugen im Digitalen Aliasing, und abgerundete Knicke in der Kennlinie verringern es. Mit vierfacher Überabtastung sank das Aliasing beim weichen Clipper auf −136 dB, beim harten nur auf −51 dB, denn dessen Oberwellen reichen auch über die vierfache Abtastrate hinaus.

Zwei weitere Befunde betreffen die Spitzen. Der harte Clipper ohne Überabtastung hielt die Abtastwerte bei −1,00 dBFS, der True Peak lag aber bei +0,50 dBTP. Mit Überabtastung stiegen schon die Abtastwerte über die Grenze, auf −0,39 dBFS: Beim Zurückrechnen auf 44,1 kHz fallen die Oberwellen über 22 kHz weg, und die zuvor abgeschnittene Spitze schwingt wieder über die Grenze. Der Limiter hielt −1,00 dBFS in beiden Fällen; die Linien 100 Hz neben dem Ton, wie sie eine schwankende Verstärkung erzeugt, lagen bei −86 dB.

Testmix: gleiche Lautheit, unterschiedliche Spitzen

Die Wellenform veränderte der harte Clipper am wenigsten: Bei −12 LUFS lag die Abweichung 57 dB unter dem Signal, beim Limiter 37 dB, bei −8 LUFS waren es 31 gegen 17 dB. Der harte Clipper greift nur in die Abtastwerte über der Grenze ein, während der Limiter die Verstärkung um jede Spitze herum absenkt. Die tanh-Kennlinie biegt das Signal schon unterhalb der Grenze; ihre Spitzen blieben deshalb bei −12 LUFS 1,4 dB unter der Grenze, dafür hatte sie bei −8 LUFS mit 6,8 und 7,0 dB den geringsten Abstand zwischen Spitze und Lautheit.

Beim True Peak zeigt sich der Preis des harten Clippers: Bei −8 LUFS erreichte er +0,10 dBTP nach BS.1770 und +0,41 dBTP in der 16-fachen Gegenprobe, obwohl kein Abtastwert über −1 dBFS lag. Der Limiter mit Überabtastung blieb bei jedem Ziel bei höchstens −0,86 dBTP, auch in der Gegenprobe.

Nach dem Kodieren: Geclippte Master steigen am stärksten

Mit dem AAC-Encoder von ffmpeg stiegen die geclippten Master bei −8 LUFS um 2,1 bis 4,0 dB, die begrenzten um 0,9 und 1,2 dB. Eine Gegenprobe mit 16-facher Überabtastung bestätigte die Werte, und die dekodierten Dateien enthielten echte Übersteuerungen: beim harten Clipper 98 und 101 Abtastwerte über 0 dBFS in 32 Sekunden Stereo, beim Limiter 2 und 3. MP3 mit 320 kbit/s hob die Spitzen um höchstens 0,38 dB, Opus mit 128 kbit/s um bis zu 1,37 dB. Bei −10 LUFS lag nach AAC jedes Verfahren über 0 dBTP, die harten Clipper bei +1,65 dBTP; bei −12 LUFS blieben alle sechs nach allen drei Codecs darunter.

Was daraus für den Master folgt

• Ein Clipper ohne Überabtastung erzeugt schon an einem einzelnen Ton Aliasing rund 25 dB unter dem Grundton, auch mit weicher Kennlinie. Wo ein Clipper im Einsatz ist, gehört Oversampling eingeschaltet; die weiche Kennlinie profitiert davon deutlich stärker als die harte.
• Überabgetastete Clipper halten ihre Grenze auf den Abtastwerten nicht mehr genau ein, im Testmix lagen sie bei −8 LUFS bis zu 0,9 dB darüber. Eine Grenze mit Reserve oder ein Limiter dahinter fängt das ab.
• Bei −8 LUFS hatte der Limiter mit Überabtastung den niedrigsten True Peak vor und nach AAC. Bei −12 und −10 LUFS lagen die weichen Clipper vor dem Kodieren tiefer, weil ihre Kennlinie die Spitzen stärker abrundet, dafür hatten sie den geringsten Abstand zwischen Spitze und Lautheit. Das Ergebnis passt zum Mastering-Tutorial für FL Studio, in dem ein Limiter mit Überabtastung mit einer Grenze von −1,15 dBFS auskam.
• Je lauter der Master, desto stärker steigen die Spitzen beim Kodieren: Bei −8 LUFS lagen geclippte Master nach AAC über 2 dB höher als vorher. Den True Peak des eigenen Exports misst das LUFS- und True-Peak-Messgerät im Browser, auch für kodierte Dateien.

Einordnung und Grenzen

Gemessen wurde mit einem synthetischen Testmix und mit den Filtern von ffmpeg als Stellvertretern. Plugins wie Fruity Soft Clipper, Fruity Limiter oder Maximus arbeiten mit eigenen Kennlinien, Zeitkonstanten und Oversampling-Verfahren und können andere Werte liefern. Die Grundmuster, also Aliasing ohne Überabtastung und Überschwinger mit Überabtastung, sind aber allgemeine Eigenschaften digitaler Nichtlinearitäten. Der AAC-Encoder von ffmpeg ist nicht der Encoder der Streamingdienste. Ein Hörtest war nicht Teil der Messung: Wie hörbar Aliasing bei −25 dB oder eine Abweichung der Wellenform von 17 dB in einem Mix sind, hängt vom Material ab.