In den meisten Fällen werden Filter verwendet, um Übertragungsbandbreiten zu begrenzen, zB um niederfrequente Schwingungsanteile zu unterdrücken. Am anderen Ende des Übertragungsbereichs eines Audiosignalpfades dienen sie der Unterdrückung hochfrequenter Signalanteile, die in anderen Baugruppen Störungen verursachen können. Auch der Filter verwendet eine Lautsprecherweiche, wie die meisten Verstärker in der Schaltungstechnik. Sie werden sogar in Netzteilen verwendet. Auch als vorgeschaltete Komponenten vor Analog-Digital-Wandlern (A/D) oder bei der Digital-Analog-Wandlung (D/A) spielen diese Baugruppen eine sehr wichtige Rolle. Hier wird deutlich, dass alle Geräte mit Filtern arbeiten und sich mit deren Auswirkungen auseinandersetzen müssen.
Experten wissen, dass es unterschiedliche Herangehensweisen an die Filterauslegung und somit auch Mischformen gibt, die den einen oder anderen negativen Nebeneffekt kompensieren. Auf rein digitaler Ebene existieren Filter in Form von mathematischen Algorithmen, die besondere Eigenschaften ermöglichen, die mit herkömmlichen analogen Komponenten kaum zu erreichen sind. Der für die Kalibrierung eines AV-Receivers erforderliche schaltungstechnische Aufwand lässt sich daher heute nur noch mit einem digitalen Signalprozessor (DSP*) realisieren. Auch dieser Vorgang macht einen Teil des Gesamtklangs aus, denn das gewünschte "linear-phasige" Verhalten ist ein dem Menschen im Hörerlebnis unbekannter Zustand.
Ein Aspekt, der in letzter Zeit immer wichtiger wird, ist die Modellierung von Rekonstruktionsfiltern nach der D/A-Wandlung. Diese Filtermodelle haben einen mehr oder weniger starken Einfluss auf das Hörerlebnis. Die klanglichen Effekte werden mit warmem, weichem oder kaltem, weichem oder klarem Klang beschrieben. Je nach musikalischem Ausgangsmaterial variieren die Ergebnisse jedoch stark. Effekte in der Abbildung der räumlichen Abstufung der Musik treten stärker hervor. Aber auch hier hängt die Erkennung von der Pegelstruktur der Musik ab, denn Musik mit stark eingeschränkter Dynamik ist kaum geeignet, die Auswirkungen optimierter Filterverläufe zu erkennen.
Theoretisch entspricht ein Filter vereinfacht einem Resonanzkreis. Dieser besteht aus den elektrischen Komponenten Spule, Kondensator und Widerstand und bildet je nach Verschaltung einen Schwingkreis. Etwas kann nur vibrieren, wenn es periodisch erregt wird. In der Elektrotechnik eignet sich hierfür nur eine Wechselspannung, da sie im Gegensatz zu einer Gleichspannung, wie sie eine Batterie liefert, mehrmals pro Sekunde ihre Polarität wechselt (Frequenz in Hertz). Audiosignale bestehen aus einer Vielzahl überlagerter Wechselspannungen mit unterschiedlichen Frequenzen. Die oben genannten elektrischen Bauteile haben einen anderen elektrischen Widerstand für Gleichspannungen / -ströme als für Wechselspannungen / -ströme. Die Spule und der Kondensator wirken daher beim Anlegen einer bestimmten Wechselspannung als Hindernis für den Wechselstromfluss; man spricht hier von deren Impedanz oder von einer Impedanz.
Ein Kondensator braucht eine gewisse Ladezeit, bevor er wieder Ladung abgeben kann. Je nach Konstruktion kann eine Spule ein bestimmtes Frequenzspektrum passieren lassen, bevor sie „hochohmig“ wird und den Signalfluss blockiert. So viel zur grundlegenden Erklärung. Um die einfachste Art der frequenzabhängigen Audiosignalfilterung zu nutzen, wird nun ein RC- oder LC-Glied benötigt.
Bild 1: Eine Höhenbarriere (Tiefpass, Hochpass). Abb. 2: 1. Ordnung unterdrückt die weitere Übertragung im Frequenzbereich oberhalb der Grenzfrequenz fg. Abb. 3: Es gibt eine deutliche Änderung des Phasenverlaufs / Phasenverlaufs in Bezug auf die Startfrequenz, die hier angezeigt wird
Werden mehrere dieser Komponenten miteinander verbunden, entstehen Schwingkreise. Aufgrund der Wechselwirkungen der frequenzabhängigen Impedanzen von Spulen und Kondensatoren können diese bei einer bestimmten Frequenz stark verstärkend (resonierend) oder stark schwächend (absorbierend) wirken. Durch die Verschaltung solcher Schwingkreise lassen sich die unterschiedlichsten Anwendungsfälle realisieren. Darüber hinaus gibt es Schaltungen, die sich kompensierend auf das Schwingungsverhalten auswirken können. Techniker wissen, wie aufwendig die Arbeit mit Filtern ist, schließlich müssen sie nicht nur mit der Transmission, sondern auch mit den Dämpfungsfunktionen rechnen.
Bild 4: Eine tiefe Barriere (High Pass, Low Cut). Abbildung 5: 1. Ordnung unterdrückt die weitere Übertragung im Frequenzbereich unterhalb der Grenzfrequenz fg. Abb. 6: Es gibt eine deutliche Änderung des Phasenverlaufs / Phasenverlaufs in Bezug auf die Startfrequenz, die hier angezeigt wird
Abb. 7: Zur Übersicht: Ein Bandpass kann aus einer Tiefenbarriere und einer Höhenbarriere bestehen. Idealerweise wird nur der Frequenzbereich zwischen den beiden Filtern durchgelassen. Es muss darauf geachtet werden, die Amplitudenaddition zu kompensieren. Im Gegensatz zum Bandpassfilter wird bei einer Bandsperre der Frequenzbereich zwischen den Filtern gedämpft und die Signale mit höheren und niedrigeren Frequenzen werden durchgelassen
Der messtechnisch ermittelte Phasenverlauf eines Filters zeigt, dass die Phasenverschiebung (ein physikalisch-elektrotechnischer Begriff für eine Änderung im Zeitbereich) im Durchlassbereich eines Filters 0 beträgt und im Sperrbereich für einen Tiefpass -90 . betragen kann Grad oder +90 Grad für einen Hochpass. Die Auswirkungen können hörbar sein, je nachdem wie weit die Änderung des Phasenverlaufs in den Übertragungsbereich hineinreicht.
Bilder 8, 9 und 10 stammen von einem D/A-Wandler mit einem Standard-Digitalfilter.
Der Filterfrequenzgang ist die Übertragungsfunktion, die ein Filter "durchlässt".
Die Steilheit oder Ordnung eines Filters gibt an, wie stark ein Signal über einen bestimmten Frequenzbereich oder eine musikalische Oktave gedämpft wird.
Resonanzen: Bei manchen Filtertypen treten Resonanzen auf, insbesondere wenn die Filter stark in den Übertragungsbereich eingreifen. Sie werden dann oft als "steile Flanken" bezeichnet. Dem Audiosignal können hörbare Artefakte hinzugefügt werden. Dem kann nur mit einem hohen schaltungstechnischen Aufwand entgegengewirkt werden. Eine andere Lösung lässt sich auf digitaler Ebene mit Hilfe mathematischer Funktionen realisieren. Mit Prozessoren wie DSPs oder FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) lassen sich nahezu perfekte Signalverläufe erzeugen. Der Preis dafür ist eine Zeitverzögerung im Ausgangssignal.
Wenn ein Audiosignal eine Schaltung wie ein komplexes Filter durchläuft, können für einzelne Frequenzen aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Komponenten individuelle Verzögerungen im Vergleich zu anderen Frequenzen desselben Signals auftreten. Dies kann z. B. bedeuten, dass für die Frequenzen 101 Hertz (Hz), 102 Hz und 103 Hz, die hier eine Gruppe bilden, eine unterschiedliche Laufzeit (Verzögerung) beim Durchlaufen der Schaltung auftritt. Dies erzeugt einen hörbaren Einfluss auf das Audiosignal. Auch Filter können solche Gruppenlaufzeiten verändern, dies wird in der nebenstehenden Messgrafik deutlich.
Links: Am oberen Ende des Frequenzgangs erzeugt der „Stoppfilter“ starke Laufzeitabweichungen. Rechts: Am unteren Ende des Frequenzgangs erzeugt ein Low Cut starke Laufzeitänderungen des Basses
Filter können digital modelliert werden. Es gibt Aktivlautsprecher mit digitaler DSP*-Frequenzweiche oder auch modernste D/A-Wandler, deren Ausgangssignale mit Hilfe digitaler Rekonstruktionsfilter von hochfrequenten Wandlungsartefakten befreit werden; oft in Reihe mit analogen Filtern. Hier ist interessant zu wissen, dass es bis vor wenigen Jahren üblich war, sich aufgrund der vorhandenen Wandlerchips mit einem digitalen Filter zufrieden zu geben.
Dieser Standardfilter wird in der Fachliteratur oft als „Brickwall“ bezeichnet. Es ermöglicht die lineare Übertragung des gewünschten Frequenzbereichs und hat einen linearen Phasenverlauf (linear phase). Laut Theorie ist es lautlos, was auch so lange zutrifft, wie es keine besonders impulsive Musik gibt. Denn hier passiert folgendes: Der digitale Filter "Brickwall" kann seine Eigenschaften nur zeigen, indem er den Impulsen etwas hinzufügt. Es erzeugt für jeden Impuls sogenannte Vor- und Nachschwingungen. Ein Impuls ist z. B. der Klang eines Schlagfells, bevor eine Note gehört wird. Bildlich gesprochen haben wir vor und nach dem Beat einen kurzen, kaum hörbaren Trommelwirbel. So etwas kommt in der Natur und im Konzert nicht vor. Da Musik aus vielen Impulsen besteht, kommt es in den räumlichen Dimensionen der akustischen Bühne eines Musikstücks zu einer unendlichen Überlagerung unhörbarer Trommelwirbel und damit zu einer Hörverschlechterung. Aus fachlicher Sicht führt dies zu Unreinheiten in der zeitlichen Trennung der einzelnen Übergangsvorgänge und damit zu Irritationen im Gehirn des Empfängers, der einen leicht verschwommenen Raumeindruck erfährt.
Wie gehen Sie mit den unerwünschten Eigenschaften der Vor- und Nachschwingung um? Hierfür gibt es verschiedene Lösungsmöglichkeiten. Eine Möglichkeit: die Impulse mit möglichst wenig Vor- und Nachschwingung zu filtern. Ein „langsamer Roll-off“ beginnt am oberen Ende des Durchlassbandes mit leichter Dämpfung, die meist unhörbar ist. Die Verbesserungen bei der räumlichen Darstellung und der Lokalisierungsschärfe sind deutlich besser als bei einem Standardfilter. Das "schwingungskorrekte" Verhalten des Filters begünstigt die menschliche Wahrnehmung bei der Trennung vieler impulsiver Ereignisse. Ein kleiner Nachteil kann jedoch die leichte Rückreflexion sehr hochfrequenter Signalanteile aus der D/A-Wandlung (Aliasing-Produkte) sein. Dieser Signalanteil ist jedoch unhörbar klein.
Ein anderer Ansatz: Die Grenzfrequenz des Sperrbandes des Digitalfilters beginnt unterhalb der halben Abtastfrequenz. Auf diese Weise sollen alle Vor- und Nachschwingungen, die bei der digitalen Aufnahme entstanden sind und somit in die Aufnahme eingehen, entfernt werden. Um dieses Ziel mit einem steilflankigen Filter zu erreichen, werden minimale Abweichungen im Phasenverlauf (minimale Phase) gegenüber einem sonst üblichen linearen Phasenverlauf in Kauf genommen. Dadurch sind alle Voroszillatoren verschwunden, auch die, die bereits in der Aufnahme enthalten waren. Andererseits nimmt der Betrag der Nachschwingung zu, was in der Natur ein völlig natürlicher Vorgang ist. Unser Gehirn ist daher bei der Lokalisierung von Ereignissen auf der akustischen Bühne weniger irritiert. Frühe Versionen von "Apodizing"-Filtern erzeugten aufgrund der stärkeren Resonanz manchmal einen etwas helleren Gesamtklang. Diese Filter werden auf mathematischer Ebene mit DSPs oder FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) modelliert und sind daher offen für weitere Modifikationen.
Mit Hilfe der mathematischen Filtermodellierung ist heute eine Vielzahl von herstellerspezifischen Filtern möglich. Viele bauen auf den bisher genannten auf und erstellen daraus neue Varianten, mit dem Ansatz, die Impulse mit möglichst wenig zusätzlichen Artefakten zu versehen. Ein Ansatz besteht darin, ein digitales Filter zu modellieren, das minimale Abweichungen im Phasenverlauf (minimale Phase) aufweist und eine niedrigere Grenzfrequenz für das Sperrband vorsieht, wobei die Dämpfung des Filters eher allmählich ansteigt ("slow roll-off") als abrupt. Dadurch können Vor- und Nachschwingungen stark reduziert werden. Hersteller wie Ayre, Marantz, Rega oder T+A aus Herford nutzen diese zuschaltbaren digitalen Filtermodelle, um dem Musikhörer das Erlebnis einer optimierten Wiedergabe ihrer digital gespeicherten Musik zu vermitteln.
Dr. SoundFilterFilter und was sie bedeutenHintergrundWissen
Als Musiker und Dirigent verschiedener Orchester und Ensembles weiß ich genau, wie die verschiedenen Instrumente und die menschliche Stimme live klingen. Daher habe ich hohe Erwartungen an eine HiFi-Anlage. Diesem schwierigen Urteil muss sich jeder Lautsprecher und Zubehör mit mir stellen.