Dave Rossum: Wie digitale Filter analog klingen

13. Juli 2017

Das Geheimnis digitaler Filter

Immer wieder wird der Versuch unternommen, das Klangverhalten analoger Filter digital zu emulieren. „Wie erzeugt man digitale Filter die analog klingen“ war auch die Frage die sich Dave Rossum einst stellte und darüber einen Aufsatz schrieb, der Geschichte machte. Die deutschsprachige Übersetzung lieferte nun für AMAZONA.de TobyFB:

Es gibt Artikel-Anfragen im Leben eines AMAZONA.de-Autors, da überlegt man nicht lange und sagt einfach: „Ja“.

Während Peter Grandl über Wochen Dave Rossum, einst Gründer und Chef-Entwickler von E-Mu, interviewte, widmete ich mich der Übersetzung seines Aufsatzes „Making Digital Filters Sound Analog“, den Dave bereits 1992 verfasste, kurz nachdem er mit dem H-Chip das erste digitale Filter in einem Sampler verbaute (E-Mu EMAX II), der einen überzeugend analogen Klangcharakter hatte.

Parallel empfehlen wir daher auch die Lektüre des vierteiligen Interviews mit Dave Rossum:

Dave Rossum 2005, beim 25jährigen E-Mu Jubiläum mit dem Audity.

Dave Rossum 2005, beim 25jährigen E-Mu Jubiläum mit dem Audity.

Auch wenn der Artikel schon einige Jahre auf dem Buckel hat, Staub angesetzt hat er noch nicht. Im Gegenteil, Dave Rossums  Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind nach wie vor hoch aktuell. Vor allem als Ergänzung zum mehrteiligen Interview mit Dave Rossum, ist dieser Aufsatz ein wertvolles Dokument über einen Visonär, der ohne Übertreibung mit Steve Jobs oder Bob Moog in einem Atemzug genannt werden sollte.

Für die AMAZONA.de Gemeinde habe ich nun mein leicht verstaubtes Englisch aus der Kiste gekramt. Bitte seht mir also ein paar Übersetzungsschwächen nach, auch ist es nicht immer einfach, Rossums teils sehr „nerdigen“ Humor mit ins Deutsche zu übertragen. Das englische Original findet ihr als PDF zum Donwload in der Linkliste.

Vor einigen Wochen haben wir übrigens das selbe Thema bereits einmal ähnlich, aber allgemein leichter verständlich beleuchtet: BITTE HIER KLICKEN.

Der E-Mu Audity in restaurierter Version

Legen wir los:

Wie bekommen Digitale Filter einen „analogen“ Klang?

von Dave Rossum / E-Mu-Systems 1992

  • Einführung, abstrakt

Frühere elektronische Synthesizer besitzen einen charakteristisch-„analogen” Klang, weitgehend erzeugt durch typische Verzerrungen ihrer spannungskontrollierten Filter. Rechnerbasierende Musiksynthese-Techniken arbeiten häufig mit der Speicher- Sättigungsmethode des zyklischen Überlaufschutzes zur Laufzeit. Die Veränderung von Filterparametern führt hier zu einem harten, unnatürlichen Klang während der Filterüberlastung (Übersteuerung, Überlauf). Während einzelne Simulationen oder physikalische Modelierungstechniken das nichtlineare Verhalten von einzelnen analogen Filtern mit willkürlicher Genauigkeit und Beschränkungen der Rechentiefe umsetzen, verhindern eben diese Beschränkungen eigentlich den musikalischen Einsatz außerhalb des wissenschaftlichen Interesses.

Wie dem auch sei, einige sehr einfache Veränderungen zu bekannten digitalen Filtern bieten bemerkenswertes „analoges“ Verhalten mit einem gering erhöhten Rechenaufwand. Dieses Dokument stellt einige der Modifikationen dar und erläutert die Gründe hinter den Einflüssen auf die Überlastungs- und die Verzerrungscharakteristik der Audio-Signalausgabe. Einige hier dargebotene Hörbeispiele illustrieren verschiedene Verhalten, „Soft Limiting“ und die zeitliche Veränderung der Filterresonanz sowie die Rückkehr zum Anfangswert der Resonanz. (Anmerkung des Verfassers: Da uns die Originalbeispiele nicht zur Verfügung standen, wurden diese von Peter Grandl beigesteuert.) Ihr findet sie hier:

  1. Einführung

Der Prozess dynamischer Klangfilterung zur Ausdrucksherstellung bei Noten war die Basis der modernen Musiksynthesizer. Der berühmte „Moog-Klang“ und der vieler anderer elektronischer Instrumente basierten auf der subtraktiven Synthese wie beispielsweise in einem spannungskontrollierten analogen Tiefpass-Filter. Musiker beklagen heute oft den Verlust dieses warmen und ausdrucksstarken Timbres in der Gegenwartsmusik. Es ist sicher wahr, dass das Design eines vergleichbaren, digitalen Filter für Tonsignale viele Studenten der digitalen Signalverarbeitung vor ein Problem stellt, für das sie nicht mit Wissen ausgestattet wurden.

Somit ist die Lösung des Problems, (wie bekommen digitale Filter einen „analogen“ Klang), die Simulation eines analogen Filters. Die Herstellung dieses Filters ist auf musikalischer Ebene sowohl eine erstklassige Ingenieursleistung als auch musikalisch ein exzellentes Ziel.

  1. „Small Signal Behavior“ – Kleinsignalverhalten

Das Hauptproblem beim Kleinsignalverhalten digitaler Filter wird als Quantisierungsrauschen betrachtet. Wie auch immer, vom Blickpunkt des Vergleichs mit analogen Filtern, führt uns das Wort Rauschen gegenüber seiner Bedeutung auf eine falsche Spur. Analoge spannungskontrollierte Filter sind häufig sehr rauschbehaftet, dies wird aber nicht als furchtbar störend angesehen. Im Gegensatz dazu werden die Artefakte der Quantisierung digitaler Tonsignale als sehr störend wahrgenommen. Daher bevorzuge ich den Ausdruck „Quantisierungsverzerrung“, welcher exakt aufzeigt, dass Quantisierung signalabhängige Tonartefakte produziert.

Quantisierungsverzerrungen entstehen, wenn die Mantisse der Signaldarstellung nicht ausreichend ist. Die allgemeine Form eines digitalen Filters führt zu einer sequentiellen Zustandsverzögerung bei der Ausgabe aus dem Filter (siehe Abbildung 1). Um den Filterzustand weiterzureichen, müssen die unterschiedlichen Verzögerungen mitgenommen werden. Diese haben ihre Ursachen in der Differenz zwischen ähnlicher, kleinerer oder gleicher Amplitude als die Mantisse dieser Werte. Wichtig an dieser Stelle ist, dass eine Fließkomma-Implementierung die Quantisierungsverzerrung, gegenüber einem „Fest-Komma-Schema“ mit derselben Mantissen Anzahl nicht verbessert. Man kann die benötigte Mantissen Anzahl unter Betrachtung eines hoch resonanten (steilflankigen) Tiefpass Filters abschätzen, wenn das Filter ohne Signal am Eingang in angeregter Resonanz schwingt. In diesem Fall ist das Ausgangssignal eine exponentiell abklingende Sinusschwingung, welche komplett aus den Filterzustandsvariablen der beiden Verzögerungen entsteht.

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    Br 1

    Nett. Ich würde den Artikel doch lieber ganz im Original lesen. Bitte fügt noch den link hinzu.

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