Raumkorrektur & digitale Frequenzweiche

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Inhaltsverzeichnis

Einleitung

17.02.2021

Ab Ende 2019 und das ganze Jahr 2020 über machte ich mir Gedanken über die Umsetzung einer digitale Frequenzweiche. Zuerst beschäftigte ich mich sehr intensiv mit einer selbst zu entwickelnden DSP basierten Hardware. Je mehr ich mich mit dem Thema auseinandersetzte, desto bewusster wurde mir, dass die von mir favorisierten DSP’s alle nicht leistungsfähig genug sind. Die Anzahl der möglichen TAP’s bei der Verwendung von FIR Filtern sind einfach zu gering.

Ausschlaggebend für die Entscheidung für FIR Filter war der Artikel „Thoughts About Crossovers“ von Dr. Ulrich Brüggemann (AudioVero) aus dem Jahr 2006. Anhand einer Sprungfunktion wird das Übertragungsverhalten von analogen Filtern (z.B. Butterworth 2. Ordnung) beleuchtet. Bei den Untersuchungen wird nur die Frequenzweiche selbst betrachtet, die Lautsprecher werden als ideal angenommen (was sie natürlich nicht sind). Das Ergebnis ist erschreckend, von einer Sprungfunktion kann hinter den Filtern nicht mehr die Rede sein! Der zweite Teil dieses Artikels beschreibt dann aber auch die Lösung des Problems in Form von FIR Filtern.

Mein Freund Heiner setzt schon sehr lange auf eine Lösung mit einem 8 Kanal A/D und D/A Wandler aus dem Studiobereich. Die digitale Frequenzweiche und die raumakustischen Maßnahmen laufen dabei auf einem PC. Mit entsprechender Performance der Hardware sind der „Weiche“ kaum noch Grenzen gesetzt.

Von mir angedacht war erst einmal ein Wandler mit digitalen I/O’s und einer entsprechenden Soundkarte im PC. Nachdem ich mich eine Zeit lang mit dem Thema beschäftigte, entschloß ich mich für eine Übertragung per Dante Schnittstelle. Hierfür werden nur günstige Standard Netzwerkkomponenten benötigt. Mit diesen Komponenten sind zudem größere Leitungslängen möglich, so dass der PC vom Hörraum in den angrenzenden Raum verlegt werden konnte. Da maximal 8 Eingangs- und 8 Ausgangskanäle für den Wandler vorgesehen sind, ist eine Übertragung bis 192kHz/24Bit mit dieser Lösung ohne Probleme möglich.

Ich möchte aber hier noch einmal ausdrücklich betonen, dass ich den ganzen Aufwand „nur“ für eine reine Frequenzweiche nicht vorgenommen hätte, auch wenn der Artikel oben sehr eindrucksvoll die Nachteile von analogen Filtern schildert. Trotz allem läuft der Aufbau aus AFW1 und SubDSP bei mir extrem gut. Rund wird die ganze Sache erst wenn man den Aufbau nutzt um auch raumakustische Korrekturfilter mit aufzunehmen. Was solche Filter bewirken können habe ich schon eindrucksvoll an der Anlage von meinem Freund Heiner erfahren.

am 15.02.2021 wurden die AFW1 und der SubDSP durch den digitalen Aufbau ersetzt

Hardware der Frequenzweiche

17.02.2021

Wie ich schon in der Einleitung geschrieben habe, ist die Hardware der Weiche mehrteilig. Neben den Komponenten der Weiche ist es auch sinnvoll einen zusätzlichen Rechner einzusetzen, mit Hilfe dessen man die Verwaltung des Dante Netzwerkes vornimmt und per Remote Desktop auf den Convolver-PC zugreift. Mein Aufbau besteht aus den folgenden Komponenten:

  • dem Convolver-PC für die Faltungs-Software
  • dem 8 kanaligen A/D und D/A Wandler
  • dem Verwaltungs-PC
  • einem Switch

Convolver-PC

Den Convolver-PC musste ich mir neu kaufen. Ich habe mich für eine B460 Mini ITX Board mit einem Intel i5 Sockel 1200 Prozessor und 16G RAM entschieden. Mehr als genügend Leistung um auch aufwendige Filter mit sehr vielen TAP’s zu berechnen. Da der Rechner nicht im Hörraum steht kann er „normal“ gekühlt werden.

A/D – D/A Wandler

Nach der sehr hilfreichen Unterstützung meines Freundes Heiner und einigen Recherchen meinerseits entschied ich mich für einen Lynx Aurora(n) mit einer LM-AIO8E Wandler- und einer LT-DANTE Schnittstellenkarte. Keine kleine Investition, aber als zentrales Gerät in meinem Audio Equipment jeden Cent wert. Die Wandler von Lynx sind äußerst Klang neutral und somit geeignet in einer High-End Audio Umgebung Dienst zu tun.

Lynx Aurora(n) – Bildquelle: www.lynxstudio.de

Verwaltungs-PC

In meinem Hörraum steht ein Embedded-PC ohne rotierende Teile den ich unter anderem für Messungen der Raumakustik verwende. Dieser PC ist dankenswerter Weise gleich mit 2 Netzwerkschnittstellen ausgerüstet. Eine dieser Schnittstellen geht in mein internes PC Netz, die zweite bisher ungenutzte ist an den „Audio Switch“ angeschlossen. Mit Hilfe dieses PC’s nimmt man die Konfiguration des Dante Netzwerkes vor. Man könnte die Dante Verwaltungssoftware auch auf den Convolver-PC aufspielen und über Remote Desktop zugreifen, aber so finde ich es wesentlich eleganter und es kostet mich nur ein Netzwerkkabel.

Switch

Im Prinzip sind die Anforderungen an den Switch relativ gering. Beschäftigt man sich allerdings ein wenig näher mit den Anforderungen die Dante an diese Hardware stellt, so wird es dann doch ein wenig aufwendiger als es einem erst einmal suggeriert wird. Insbesondere die Forderung nach einem Switch der NICHT im EEE Modus arbeitet (Energy Efficient Ethernet oder „Green Ethernet“) macht die Suche nach einem passenden Gerät heutzutage schwierig. Alle günstigen unmanaged Geräte die man bekommt haben diesen Modus implementiert und kann bei diesen Geräten natürlich nicht abgeschaltet werden. Damit bleibt einem nur noch der Griff zu einen managed Switch. Auch hier ist EEE implementiert, aber im Gegensatz zu den einfacheren Geräten kann man diesen Modus in der Regel abschalten. Leider gibt es nicht wirklich brauchbare Unterstützung seitens Audinate und so muss man sich selbst auf die Suche nach einem passenden Switch begeben. Die Ethernet Verdrahtung sollte übrigens durchgehend mit CAT5e oder CAT6 Kabel erfolgen, ich habe mich für CAT6 entschieden.

Entgegen den Empfehlungen von Audinate setzte ich – erst einmal (?) – einen simplen unmanaged Switch ein. Da ich nur wenige Audio Kanäle (2+5) mit 96kHz/24Bit übertrage, hat es bisher keinerlei Probleme mit diesem Switch gegeben.

Software der Frequenzweiche

17.02.2021

Auf dem Convolver-PC läuft als Betriebssystem Windows Server 2019, aber leider nicht im Core Mode. Ursächlich dafür ist der AcourateConvolver der im Core Mode nicht komplett ordnungsgemäß läuft. Der PC hat weder eine Tastatur noch einen Monitor. Zugriffe auf das System erhält man über den Remote Desktop z.B. vom Verwaltungs-PC aus.

Als eigentliche Software für die Faltung kommt der AcourateConvolver von AudioVero auf dem Convolver-PC zum Einsatz. Hierbei spielt Acourate – ebenfalls von AudioVero – eine wesentliche Rolle. Diese Software läuft auf meinem Verwaltungs-PC und wird zur Berechnung von FIR Frequenzweichen und zur Vermessung des Hörraums genutzt. Hat man diese Daten ermittelt kann man anschließend Korrekturfilter für die Raumakustik damit erzeugen. Diese Daten transferiert man dann auf den Convolver-PC. Die Audio Daten können nun mit Hilfe des Convolvers in „Echtzeit“ mit diesen Daten gefaltet und auf die entsprechenden D/A-Kanäle des Wandlers verteilt werden. Natürlich stellt sich eine gewisse Latenz ein, die umso länger dauert je aufwendiger die einzelnen Filter sind. Wir reden hier aber über ein Audio Wiedergabe System und da spielt es keine Rolle wenn die Musik mal einige Millisekunden mehr benötigt bevor sie erklingt.

Zur Übertragung der Audio Daten von der Ethernet Schnittstelle zur Convolver Software fehlt allerdings noch ein Treiber. Der wird von Audinate – der Firma hinter dem Dante Netzwerk – zur Verfügung gestellt. Die Dante Virtual Soundcard (DVS) verbindet die Netzwerkschnittstelle über einen ASIO Treiber mit der Audio Software.

Auf dem Verwaltungs-PC läuft der Dante Controller. Dies ist die Verwaltungssoftware für das Dante Netzwerk und wird ebenfalls von Audinate zur Verfügung gestellt. Im Gegensatz zur DVS ist diese Software jedoch kostenlos. Auch die Lynx Software NControl läuft auf diesem PC. Mit Hilfe der installierten Treiber der Dante Controller Software kann NControl über das Dante Netzwerk auf den Wandler zugreifen.

Konfiguration der Software

21.02.2021

Die Mathematik hinter der oben beschriebenen Signalverarbeitung nennt man Faltung (engl.: convolution). Hierbei wird der jeweilige Audio Stream mit einer Zielfunktion, die man hinterlegt hat, umgerechnet. Das bedeutet das man die Amplitude und Phase der Ausgangssignale beeinflusst. Bei meinem System ist das Eingangssignal – der Eingangs-Stream – das Audio Stereo Signal. Aus den 2 Eingangs- werden 5 Ausgangskanäle erzeugt. Jeweils eines für jede einzelne Quad – also vier – und das Signal für den RiPol. Das Ganze wird bei einer festen Abtastfrequenz von 96kHz/24Bit durchgeführt. Dabei werden insgesamt 4 unterschiedliche Beeinflussungen des Signals vorgenommen:

  • eine Frequenzweiche
  • ein raumakustischer Korrekturfilter
  • eine Laufzeitkorrektur von den Quads zu dem RiPol
  • eine Korrektur des Pegels jeder einzelnen Quad

Die Frequenzweiche und die raumakustischen Korrekturen werden von Acourate in einer gemeinsamen Datei pro Filterausgang hinterlegt – bei mir sind es vier (2 Weg Weiche bei 2 Kanälen). Im AcourateConvolver bildet man damit eine Matrix die einen Eingang mit einem Ausgang und mit der entsprechende Faltungsvorschrift verbindet. Die Laufzeitkorrektur gibt man direkt in Millisekunden für jeden Ausgang einzeln an. Genau so macht man es auch mit dem Pegel, er wird an der entsprechenden Stelle für jeden Ausgang direkt in dB eingetragen.

Bei einem Mono-Subwoofer hat man 2 Einträge in der Matrix – linker und rechter Kanal – die mit einem um -6dB verminderten Pegel auf den gleichen Ausgang geroutet werden. Im AcourateConvolver werden Signale, die auf den gleichen Ausgang geroutet sind, addiert.

Frequenzweiche

22.02.2021

Die Frequenzweiche ist, wie schon mehrfach erwähnt, mit Hilfe von Acourate erstellt worden. Ich habe mich für eine seit vielen Jahren bei mir bewährte Trennfrequenz von 125Hz entschieden. Durch die sehr steilflankigen Filterverläufe wird die Resonanzüberhöhung der Quads bei ca. 80Hz, die ich mit der analogen Frequenzweiche hatte, vollständig unterdrückt. Sie liefern bei der Frequenz einfach keinen nennenswerten Pegel mehr. Genau so verhält es sich mit der Resonanz des RiPol’s bei ca. 250Hz.

Zum Einsatz kommt ein UB jPol11 FIR Filter. Es ist eine von Dr. Ulrich Brüggemann weiter entwickelte Version der Neville-Thiele Filter. Die Filterordnung ist 2 mit einer linearen Phase. Die Anzahl der TAP’s habe ich mit 131072 gewählt. Im folgenden Diagramm wird der Frequenzverlauf dargestellt.

Frequenzgang der 125Hz 2-Wege Weiche mit UB jPol11 FIR Filter

Raumakustischer Korrekturfilter

25.02.2021

Mit Hilfe des „Room Macro 2: Target Curve Design“ in Acourate lässt sich der Korrekturfilter erstellen. Man gibt graphisch eine Frequenzgang (Zielfunktion) ein die die Lautsprecher übertragen sollen. Wenn man so unerfahren in dieser Materie ist wie ich, denkt man erst einmal an eine lineare Übertragung – also ein Strich – im gesamten Frequenzbereich. Leider ist es aber nicht so einfach. Schaut man sich mal im Netz unter dem Begriff „Zielfunktion“ um bekommt man jede Menge Meinungen zu lesen. Aber man stößt auch immer wieder auf Hinweise zu Untersuchungen von Harman und Brüel & Kjær.

Meine ersten beiden Zielfunktionen hat mein Freund Heiner definiert. Die erste Kurve ist eine, seiner Meinung nach, optimierte Kurve für meine Hörgewohnheiten und Geschmack. Die zweite ist eine darauf aufbauende Zielkurve die er aber „entschärft“ hat. Sie ist näher an der ursprünglichen Übertragung mit der analogen Frequenzweiche. Der Sinn dabei ist es mich erst einmal behutsam in die Materie einzuführen und nicht direkt alles aus vergangenen Tagen über den Haufen zu werfen. Meiner Meinung nach eine sehr gute Vorgehensweise.

Laufzeitkorrektur

23.02.2021

Es gibt einen Artikel von Dr. Ulrich Brüggemann mit dem Namen Time Alignment of Drivers by Sinewave Convolution in dem er eine Methode beschreibt wie die Laufzeitunterschiede zwischen Lautsprechern gemessen werden kann. Diese Methode haben wir genutzt um die Laufzeitdifferenz meines RiPol’s zu den Stacked Quads zu ermitteln. Gemessen haben wir damit eine Differenz von 2,46ms. Diese Zeit wird, wie oben schon beschrieben, in die Matrix des AcourateConvolvers eingetragen.

Audiophile Bewertung

25.02.2021

Durch die Stacked Quads und die Pass’sche Schaltungstechnik ist meine Anlage sehr hochauflösend. Meine Sorge war es, dass dies unter der zusätzlichen A/D- und D/A-Wandlung leidet. Nach einer Woche intensiven hörens haben sich meine Befürchtungen als unbegründet erwiesen. Die Anlage behält auch mit der digitalen Weiche den ursprünglichen Charakter. Das spricht für die Qualität des Lynx. Es wird aber auch bei diesem Wandler so sein wie bei jeder anderen Audio Elektronik, es braucht Einspielzeit. Mein erster Eindruck mit der gewählten Zielkurve kann ich mit einem Wort beschreiben: Ausgewogenheit.

Das hört sich jetzt nach sehr wenig an, ist aber mitnichten so gemeint. Der Unterschied ist schon sehr deutlich. Was ich mit dem Wort sagen möchte ist, dass ich nun eine sehr gleichmäßige Übertragung aller Frequenzanteile habe. Die tonale Ausgewogenheit zwischen den Mitten und den Höhen ist deutlich besser als vorher. Auch der Bass hat merklich zugelegt und fügt sich sehr schön ins Gesamtbild ein. Die Nachhallzeit ist auch ohne aktiven Absorber schon ganz ordentlich, könnte aber noch besser sein – dies ist der nächste anstehende Schritt der Optimierung. Ich kann also heute schon mit Gewissheit sagen das sich die radikale Änderung hin zur digitalen Bearbeitung der Signale gelohnt hat.