Was sind DSPs in Lautsprechern?

Der Einsatz digitaler Signalprozessoren (DSP) in Studiomonitoren ist mittlerweile weit verbreitet. Viele sind der Meinung, dass DSPs einen unvermeidlichen Fortschritt in der Lautsprechertechnologie darstellen, während andere weiterhin skeptisch sind, dass sie zu einer Verschlechterung des Signalpfads führen können.

Bei HEDD Audio haben wir uns mit beiden Seiten des Arguments auseinandergesetzt: Unsere ursprüngliche Monitorreihe MK1 verfügte über analoge Schaltkreise und schließlich haben wir mit unserer Reihe MK2 den digitalen Ansatz übernommen, der über DSP-fähige Innovationen wie den HEDD Lineariser und Closed or Ported verfügt.

In diesem Artikel greifen die HEDD-Gründer Klaus Heinz und Frederik Knop auf ihre jahrzehntelange Erfahrung in der Lautsprecherherstellung sowie in der Forschung und Entwicklung zurück, um ihre technische Perspektive auf den Beitrag von DSPs zum Hörerlebnis darzulegen und zu erklären, warum sie sich bei der MK2-Reihe für DSPs entschieden haben.

Eine Einführung in digitale Signalprozessoren

DSPs sind spezialisierte Mikroprozessorchips, deren Architektur für die Umwandlung analoger Signale optimiert ist, um diese zu messen, zu filtern oder zu komprimieren. Bei DSPs ist zu beachten, dass ihr Einsatz in einem Lautsprecher eine Änderung des Signalpfads erfordert. Signale können sowohl digital als auch analog an Lautsprecher gesendet werden. Bei Verwendung von DSPs ist eine zusätzliche Konvertierung im Signalpfad erforderlich: entweder einmal für digitale Signale (mit einem D/A-Wandler) oder zweimal für analoge Signale (mit A/D- und D/A-Wandlern). Unabhängig von der Designqualität des Monitors und/oder Wandlers ist daher immer damit zu rechnen, dass die Signalqualität und damit die Klangqualität eines Monitors durch den Einsatz von DSPs in gewissem Maße beeinträchtigt wird.

Allerdings können DSPs Dinge, die ein rein analoges Monitor-Setup nicht kann. Und das macht einen großen Teil ihrer Attraktivität aus.

Wir können die Hauptaufgaben eines DSP im Eingangsbereich eines Monitors wie folgt verallgemeinern:

• zur Bildung eines Frequenzweichenetzwerks
• Equalizer anzuwenden, um bestimmte Bereiche innerhalb des Frequenzspektrums anzuheben oder abzusenken
• zum Einfügen von Begrenzern
• um den einzelnen Bändern unterschiedliche Spannungsverstärkungen zu verleihen und die Gesamtverstärkung

Diese Funktionen werden durch den Einsatz von Filtern ermöglicht. Viele DSPs nutzen Infinite Impulse Response (IIR)-Filter. Diese ermöglichen all die oben genannten Funktionen und können in seltenen Fällen auch eine Verzögerung des Hochtöners anwenden, um den früheren Signalbeginn im Vergleich zum Tieftönerausgang zu kompensieren und so das Zeitverhalten anzugleichen. Wichtig zu beachten ist, dass die Eigenschaften von IIR-Filtern denen analoger Schaltungen entsprechen.

Einer der beliebtesten und praktischsten Vorteile von DSPs ist die einfache Eingabe von Filter- oder EQ-Werten und die Möglichkeit, sehr steile Filter auf das Signal anzuwenden, bis zu 96 dB/Oktave (16. Ordnung). Obwohl diese Filter beeindruckend erscheinen, zeigt sich in der Praxis, dass ein Filter mit 24 dB/Oktave (oder 4. Ordnung), das Maximum an analogen Filtern, ausreicht, um kompromisslose Ergebnisse zu erzielen. Unsere Forschungs- und Entwicklungserfahrungen zeigen keinen wirklichen Vorteil einer höheren Filtersteilheit.

Die TYPE07 MK2-Rückplatte in Produktion, mit einigen der DSP-fähigen Bedienelemente, die in der MK2-Reihe verfügbar sind.

Finite Impulsantwort und Phasenausrichtung

Einer der theoretisch interessantesten Ansätze für DSP-Filter ist die Verwendung von FIR-Filtern (Finite Impulse Response), auch als lineare Phasenfilter bekannt. Diese Filter ermöglichen ein lineares Phasenverhalten des gesamten Monitors unabhängig von seinem Frequenzgang, was IIR-Filtern nicht möglich ist. Der Phasengang beschreibt das zeitliche Verhältnis zwischen den verschiedenen Frequenzen, die das Gerät durchlaufen. Kurz gesagt: Verschiedene Frequenzen benötigen unterschiedlich lange, um sich in einem Monitor auszubreiten. Das einfachste Beispiel ist, dass niedrigere Frequenzen länger benötigen als höhere. Dies ist ein unvermeidlicher Aspekt des Lautsprecherdesigns, in der Praxis jedoch weitgehend unerwünscht. FIR-Filter ermöglichen die Korrektur des Phasengangs und die zeitliche Angleichung aller Frequenzen.

Es ist nun an der Zeit, die Fourier-Transformation zu besprechen. Sie liefert die grundlegende Beziehung zwischen dem Zeit- und Frequenzbereich von Wellen oder Schwingungen im Allgemeinen. Die Fourier-Transformation ermöglicht es, die Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Bereichen zu berechnen und darzustellen. In praktischen Messungen spielt die Fast Fourier Transformation (FFT) in vielen technischen Bereichen eine herausragende Rolle, beispielsweise bei Frequenz-/Zeitgängen von Lautsprechern und der Modalanalyse von Membranen oder Gehäusen. Der Frequenzgang von Lautsprechern oder anderen elektroakustischen Geräten lässt sich nicht beeinflussen, ohne deren Phasengang zu verändern und umgekehrt. Die gleichzeitige Darstellung eines linearen Frequenz- und Phasengangs ist in der analogen Welt nicht möglich, mit FIR-Filtern jedoch schon.

Diese Art der Filtersteuerung war im ersten Jahrhundert des Lautsprecherbaus nicht möglich, und ihre Entwicklung im späten 20. Jahrhundert kam völlig überraschend, wenn auch willkommen. Deshalb ist FIR heute neben IIR einer der beiden wichtigsten Filtertypen in DSPs.

Um den linearen Frequenz- und Phasengang zu steuern, ermöglichen FIR-Filter das Zwischenspeichern von Signalteilen, bis alles in der benötigten zeitlichen Reihenfolge vorliegt, bevor es an den Ausgang gesendet wird. Der Preis für diesen linearen Phasengang ist eine Verzögerung des Gesamtsignals, die je nach Parametern in der Praxis zwischen zwei und 500 Millisekunden liegen kann. In einer reinen Wiedergabekette ist dies unproblematisch, kann aber bei Aufnahmen zu Problemen führen, weshalb FIR-Filter am besten in bestimmten Studiosituationen eingesetzt werden.

Wir sind überzeugt, dass der Hauptvorteil von FIR-Filtern das korrekte Zeitverhalten ist, das sich in nahezu perfekten Impuls- und Phasenantworten des getesteten Lautsprechers bemerkbar macht. Wir sind überzeugt, dass sich diese technischen Verbesserungen positiv auf das Hörerlebnis auswirken, insbesondere bei der Wahrnehmung des Stereofelds und der darin enthaltenen Details.

SHARC DSP-Karten für HEDD MK2-Monitore werden in unserem Berliner Lager zusammengebaut und getestet.

Der HEDD-Linearisierer – Ein präziseres Klangerlebnis

Für uns bei HEDD war es die Innovation durch FIR-Filter, die uns davon überzeugt hat, DSPs in unsere MK2-Reihe zu integrieren . Unsere DSPs basieren auf einem SHARC-Prozessor, einem Industriestandard, und bieten verschiedene wichtige Funktionen für die Produktreihe, darunter drei Desktop- und zwei Shelving-Filter zur Anpassung der Monitore an den Raum, Basserweiterung und ein komplettes linearphasiges Satelliten-Subwoofer-Setup mit den BASS-Subwoofern, digitale AES- und analoge XLR-Anschlüsse, Closed- oder Ported-Modus sowie den HEDD Lineariser, einen optionalen FIR-Filter, mit dem Benutzer die lineare Phasenantwort ihres MK2-Monitors steuern können, um ein faszinierendes Stereobild und Klangtiefe zu erzeugen.

Der Linearisierer ermöglicht es, die Lautsprecherphase zu glätten, sodass die exakten zeitlichen Beziehungen des Eingangssignals reproduziert werden. Dazu zeichnen wir Impulsantworten jedes Modells auf, die uns die im Lautsprecher auftretenden Frequenzverzögerungen zeigen. Diese Impulse werden dann in den Linearisierer des DSP kodiert, damit der FIR-Filter die Verzögerungen korrigieren kann.

Wir denken oft, dass der Linearisierer einen Vorhang über dem Audiosignal lüftet. Er hilft, das Audiosignal zu straffen und verbessert die Lokalisierung von Objekten und Panning-Informationen. Bei transientenreichem Audiomaterial sorgt der Linearisierer für ein atemberaubendes, präziseres Klangerlebnis.

Vor- und Nachteile von DSPs in Monitoren

Letztendlich sollte die Integration von DSPs in ein Monitordesign nicht der einzige Grund für die Wahl sein. Klangqualität ist zwar bis zu einem gewissen Grad messbar, bleibt aber primär subjektiv. Es gibt sowohl analoge als auch digitale Monitore mit hervorragendem Klang, aber auch solche mit schlechtem Klang. Wir empfehlen Ihnen, sich Zeit zu nehmen, verschiedene Monitordesigns und -ansätze anzuhören und zu vergleichen, um das passende Modell für Sie zu finden.

DSP-Vorteile:

• Schnelles und einfaches Festlegen und Anwenden von Filter- und Equalizer-Einstellungen
• Einheitliche Werte für die elektrischen Filter
• Benutzeroberfläche (nicht alle DSPs bieten eine)
• FIR-Filter ermöglichen ein lineares Phasenverhalten des gesamten Monitors auf Kosten der Signalverzögerung
• Raumkorrektur als mögliche Erweiterung
• Steilere Filtercharakteristik bis 96 dB/Okt. Allerdings ist die Wirkung von Filtern über 24 dB/Okt (das Maximum für analoge Filter) nicht relevant

DSP-Nachteile:

• Erfordert eine oder zwei A/D- oder D/A-Konvertierungen, die die Klangqualität beeinträchtigen
• Potenzial für kleine Verzerrungen und Rauschprobleme im Vergleich zu High-End-Analogdesigns
• FIR-Filter führen zu Zeitverzögerungen zwischen zwei und 500 ms, die bei Live-Aufnahmen nicht akzeptabel sind