"Steile" Filtercharakterist.o.delay in Signalsumme

Hab das letztens im Nubert Forum entdeckt.
Was haltet Ihr davon?

http://www.nubert-forum.de/nuforum/ftopic21027.html

Gem. Günther Nubert am 04.12.2008

Anbei der Text, der die Wirkung des neuen Filters beschreibt und erste Messungen dazu.

Ein weiterer Text und weitere Messungen - insbesondere group delay und Phase bei Sub/Sat-Kombis folgen in wenigen Tagen.

(Das Hochladen von Word-Dokumenten habe ich heute nicht geschafft - Das ist wohl eine Folge einer Server-Umstellung für unseren "web space"? - Wird demnächst "repariert" und nachgearbeitet.)

Die Funktionsweise des Filters (wahrscheinlich besonders interessant!!) habe ich aus dem Text herausgenommen.
- Kann sein, dass wir sie erst in einigen Monaten nachreichen. - Wir bitten um Verständnis dafür.

Ähnlich wie bei der Verwendung (sogenannter) "6-dB-Weichen" benötigt man etwas höhere Verstärkerleistungen für den gleichen Schalldruck, weil die einzelnen Chassis im Übergangsbereich etwas phasenverschoben arbeiten. (Die Phase wird aber im Summensignal absolut perfekt kompensiert.)

Für der Einsatz in Sub/Sat-Systemen kann man group delay und Phasenverschiebung des Summensignals "fast gegen null" bringen, ohne sich größere Nachteile einzuhandeln. Man benötigt dafür aber "leistungsfähigere" Satelliten als bei "konventioneller" Filtertechnik, weil sich die Frequenzbereiche des Sub und der Satelliten stärker überlappen.

Mit der Kombi nuLine 32 / AW-1000 und dem neuen Filter kann man die durch die 80-Hz-Trennung erzeugte Gruppenlaufzeit praktisch komplett wegbekommen und trotzdem fast die kompletten Pegelreserven beider Modelle beibehalten. - Wenn man z.B. die DS-22 als Satellit nimmt, muss man entweder bei der Gruppenlaufzeit oder beim Maximalpegel einen Kompromiss eingehen.

Nun zum Filter-Text für die Anmeldung:

Analogfilter und IIR-Filter mit hoher Flankensteilheit und perfekter Summierung der einzelnen Frequenzbänder im Frequenz- und im Zeitbereich.

Stand der Technik:

Analogfilter (ab 2. Ordnung) werden üblicherweise in 3 Typen eingeteilt:
Besselfilter (Sprungantwort im Zeitbereich ohne Überschwingen; der Frequenzgang ist im Übergang vom Durchlass- in den Sperrbereich aber nicht so „scharf ausgeprägt“ wie bei Butterworth- und Tschebyscheff-Filtern)
Butterworth-Filter (Frequenzgang maximal linear bis zu dem Frequenzpunkt, bei dem der Frequenzgang-Abfall einsetzt; die Sprungantwort hat aber deutliches Überschwingen, das mit zunehmender Ordnung noch größer wird)
Tschebyscheff-Filter (höchste Filtersteilheit beim Übergang vom Durchlass- in den Sperrbereich bei definierter Welligkeit im Übertragungsbereich; noch stärkeres Überschwingen als Butterworth-Filter)
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Allen diesen Filtertypen ab 2. Ordnung (also mit Flankensteil-heiten von 12 dB / Oct. oder höher) ist gemeinsam, dass ein summiertes Signal aus Hoch- und Tiefpassfiltern (bzw. Hochpassfiltern, Bandpässen und Tiefpassfiltern) nur im Frequenzgang sauber summiert werden kann – aber nicht im Zeitbereich.
Der einzige bisher verfügbare analoge Filtertyp, der diese Forderung erfüllt, ist ein Filter erster Ordnung (also mit der Steilheit von 6 dB / oct.).
Bei Filtern höherer Ordnung haben die Nichtlinearitäten der Gruppenlaufzeit (group delay) zur Folge, dass eine Sprungfunktion (z.B. Rechteck-Wiedergabe) stark verformt wird.
Diese Nichtlinearitäten sind im Bassbereich deutlich als "langsamer" Bass hörbar und werden im unteren Mittenbereich (um 500 Hz) "als unpräzise" empfunden. Oberhalb etwa 1.5 kHz werden sie aber kaum mehr wahrgenommen.

Ausnahme, in der Praxis nicht tauglich:
Im Jahr 1977 wurde in der Zeitschrift "AES – Journal Of The Audio Engineering Society" ein "Filler-Driver-Konzept" vorgestellt. Zusätzlich zu einer typischen Zweiwegweiche mit der Flankensteilheit von 12 dB/Oct. wurde ein Mittelton-Kanal vorgeschlagen, der die Aufgabe hat, das summierte Signal aller drei Kanäle im Amplituden-Verlauf und in den Laufzeiten des Hoch- und Tieftonkanals zu kompensieren.
Weil dieser Vorschlag für den zusätzlichen "Mittelton-Kanal" die Flankensteilheit von 6db / Oct. verlangt (einschließlich Mittelton-Lautsprechersystem) und der Verlauf über den gesamten Audio-Bereich von 20 Hz bis 20 kHz sehr genau eingehalten werden muss, ist dieses Konzept nur theoretisch für eine saubere Kompensation tauglich, aber in der Praxis aus folgenden Gründen nicht sauber realisierbar:
• Ein Mittelton-Lautsprecher, der (in Verbindung mit einer Frequenzweiche) der vorgegebenen „Filler-Driver-Filter-Kurve“ von z.B. 100 Hz bis 10 kHz sehr genau folgen kann, wäre technisch schwierig realisierbar – aber bei weitem noch nicht ausreichend. Ein (praktisch unvermeidlicher) Frequenzgangabfall bei 100 Hz und bei 10 kHz, der dem Verlauf von Bessel- bis Butterworth-Filtern zweiter Ordnung entspricht, führt im Gesamtsystem schon zu zwei Frequenzgang-Einbrüchen von über 3 dB und zu einer Welligkeit im group delay, die schon höher ist als bei Weichen-Konzepten ohne Filler-Driver.
• Bei solch flachen Frequenzgangflanken beim Mitteltöner hat man über einen weiten Frequenzbereich (zusammen mit dem Hochton-Lautsprecher) zwei Schallquellen, die, wenn sie übereinander angeordnet sind, in Abhängigkeit von der Ohrhöhe starke Interferenzen bilden (sogenannte Kammfilter-Effekte).

Digital-Signalprozessoren mit FIR-Filtern:
Problem: Latenz-Zeit…
Mit digitalen Signalprozessoren und FIR-Filter-Technologie sind die Probleme bei der Impulsverarbeitung von Lautsprecher-Mehrweg-Systemen (oder „Subwoofern mit Satellit“) prinzipiell lösbar. Mit dieser Filtertechnik kann eine konstante Signal-Durchlaufzeit (group delay) erzielt werden - und damit eine perfekte Impulsverarbeitung - unabhängig vom Frequenzgang.
Diese Prozessoren haben jedoch einen wesentlich höheren Preis und (je nach der gewünschten unteren Grenzfrequenz) eine Signalverzögerung bis in den Bereich von über 50 ms, was den Einsatz in „real time“ (z.B. Live-Übertragungen) unmöglich macht und für Videoanwendungen deutlich erschwert.
Für konventionelle Bildschirme muss das Bildsignal digital verzögert werden, um Dialoge „lippensynchron“ wiedergeben zu können.
Aufgrund der Grenzen durch Speichergröße und Verarbeitungsgeschwindigkeit sind herkömmliche DSP-Systeme mit FIR-Filtern jedoch nur bis etwa 250 Hz hinunter einsetzbar. Um bis in die tiefsten Bassbereiche zu kommen, war bei dieser Filter-Technik früher noch ein immenser Aufwand notwendig. Mit neueren Lösungsansätzen (mittels „downsampling“ vor den FIR-Filtern und anschließendem erneuten „upsampling“) sind solche Lösungen wesentlich ökonomischer zu bewerkstelligen. Trotzdem liegen die Preise dieser Signalprozessoren noch recht hoch.

Das neue Konzept:
Mit dem hier neu vorgestellten Konzept „Nubert-Filter“ sind Analogfilter realisierbar, bei denen alle Frequenz-Kanäle mit hoher Steilheit realisierbar sind. Das aufsummierte Signal weist dabei keine - oder vernachlässigbar geringe - Zeitverzögerung auf.
Vorbemerkung:
Die Frequenzgänge von Lautsprecher-Chassis entsprechen üblicherweise einer Reihenschaltung von Hoch- und Tiefpassfiltern (mit mehr oder weniger großen Welligkeiten im Übertragungsbereich).
Die Steilheit des "Internen Hochpassfilters" des Lautsprecher-Systems (also am frequenzmäßig „unteren“ Übertragungsbereich) ist von der Konstruktion des Chassis und des Gehäuses abhängig.
Bei Tieftönern in geschlossenen Gehäusen und bei Mitteltönern beträgt diese Steilheit häufig 12 dB/Oct.
Bei Hochton-Lautsprechern liegt diese Steilheit oft noch etwas höher. (Hochton-Lautsprecher werden durch Filter in einer Frequenzweiche meist deutlich „oberhalb“ ihres „Grund-Frequenzgangs“ betrieben, vor allem um Verzerrungen zu vermeiden – aber auch wegen der relativ geringen thermischen Belastbarkeit.)
Aufgrund dieser recht steilen Filtercharakteristik „innerhalb“ der Lautsprecher-Systeme ist es nicht möglich, über mehrere Oktaven hinweg einen Frequenzgang zu erzielen, der einem Filter erster Ordnung (also 6 db/Oct) entspricht.
Deshalb ist es also notwendig, Filtercharakteristiken von mindestens 12 dB/Oct. zu erreichen (also entsprechend Filtern 2. Ordnung). Dann können die Filter in der Frequenzweiche (passiv oder aktiv) zusammen mit der Charakteristik der Lautsprecher-Chassis so dimensioniert werden, dass eine annähernd perfekte Annäherung an die geforderten Verläufe des jeweiligen „Weichen-Pfades“ erreicht wird. Die Summierung der Schalldrücke der einzelnen Lautsprecher-Chassis erfolgt akustisch auf dem Luftweg.

Realisierung des Filters:
Die perfekte Summierung der Filterausgänge sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich ist gleichbedeutend mit der Forderung nach einem Signal, das sich weder im Frequenzgang noch im Phasenverlauf noch in der Gruppenlaufzeit vom Eingangssignal unterscheidet.
Wie schon erwähnt, scheiden Filter erster Ordnung, die diese Forderung erfüllen, aus - weil damit ein akustisches Signal mit „so flacher“ Filtersteilheit weder sauber realisierbar noch sinnvoll ist.
Eine Reihenschaltung mehrerer Hochpassfilterstufen für den Hochtonkanal und mehrerer Tiefpassfilterstufen für den Tieftonkanal erfüllt die Forderung nach der „richtigen“ Summierung im Zeitbereich nicht mehr!

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, mit….
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(Im Originaltext „30 Zeilen Beschreibung“ des Verfahrens.)
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In unserem Labor wurden schon mehrere Prototypen nach diesem Verfahren verwirklicht. Sie sind messtechnisch und klanglich nicht von den wesentlich aufwändigeren und teureren DSP-FIR-Filter-Prozessor-Lösungen unterscheidbar, die darüber hinaus den Nachteil einer so hohen Signaldurchlaufzeit haben, dass damit Live-Übertragungen von Musik nicht möglich und Tonübertragung für Fernsehen und DVD nur erschwert möglich ist.



Oberes Diagramm: "perfekt dimensionierte" konventielle 3-Wege-Weiche. (Mit idealisierten Lautspr.-Chassis)
Unteres Diagramm: Zeitverhalten der neuen 3-Wege-Weiche. (Mit idealisierten Lautspr.-Chassis)