Synthesizer Programmierung: Von LPF über BPF bis HPF Filter

22. November 2018

Filter konkrete Unterschiede hören

vintage theatre spot light on black curtain with smoke

Willkommen zur Folge 3 unserer Serie Synthesizer Programmierung. Teil 1 findet Ihr HIER.

Wieder geht es um ein spezielles Detail bei der Klangbetrachtung und wir sprechen diesmal in der Serie Synthesizer Programmierung über das geheimnisvolle und oft diskutierte Filter.

Wer sich bereits bestens auskennt mit der Synthesizer Programmierung, wird in diesem Workshop wohl nichts Neues finden, denn wir wenden uns hier an Einsteiger und Leute, die zwar schon lange Musik mit Synthesizern machen, aber bei deren Innenleben sich nie so recht für Details interessiert haben.

Das Filter ist zentrales Merkmal und Bauteil analoger sowie digitaler Synthesizer und ist in anderen elektronischen Geräten wie Sampler, Workstation, Drum Machines ebenfalls vorhanden. Es gibt sie sogar als Standalone-Unit in eigenem Gehäuse, man schließt es dann an Tonerzeuger an. Auch Plug-in Filter für Computer und DAWs sind zu haben.

Welche Filtertypen gibt es?

Ein Filter hat die Aufgabe, Frequenzanteile aus einem Signal zu entfernen oder zumindest abzuschwächen. Oder das Gegenteil, nämlich welche zu verstärken. Recht simple Erklärung für einen dennoch umfangreichen und zudem komplexen Anwendungsbereich. Begonnen hatte die Sache mit dem Filter speziell bei analogen Synthesizern, besonders das Tiefpassfilter (LP = Low Pass) spielt da die wesentliche Rolle. Dort trägt es meistens die Bezeichnung VCF, was die Abkürzung für Voltage Controlled Filter ist, also spannungsgesteuert. Später wurde daraus häufig ein DCF, was das digitale Pendant darstellt. Sobald wir es mit digitalen Tonerzeugern zu tun haben, sind die Filter reine Rechenoperationen, die sich in ihrer Funktionsweise an den zuvor genannten orientieren und weitere Varianten bieten. Schon hier ist es eine beliebte Spielwiese für Klangenthusiasten, auf Unterschiede bei den Resultaten hinzuweisen. Bereits bei den Vintage Synthesizern lassen sich hörbare Nuancen bemerken, die seit damals gerne mit dem Herstellernamen in Verbindung gebracht werden, also etwa Moog Filter, Oberheim Filter, Roland Filter usw. Man kann in diesem Fall tatsächlich von einem Filterklang sprechen. Mehr darüber finden Sie weiter unten anhand von Audio Tracks. Filter sind Teil der Signalkette und vereinfachend gesagt, findet man sie in der Mitte nach Oszillator und vor Hüllkurve, wovon oft eine speziell für die Formung der Filterung selbst bereit steht.

Signalpfad Elektron Analog Four

Filter in der Signalkette am Beispiel Elektron Analog Four

Kommen wir damit gleich zu den verschiedenen und gleichzeitig wichtigsten Filtertypen, denn es gibt eine längere Liste davon und alle haben ihre sachliche Berechtigung, wenn es um Klanggestaltung geht. Neben diesen Typen selbst haben wir es noch mit der Flankensteilheit zu tun, das ist die Auslenkung in dB ausgedrückt.

Hier eine Liste der Filtertypen

Low Pass Filter LPF

Bei analogen Synthesizern ist das eine Art Standardbauteil. Dieser Typ, auch Tiefpass genannt, lässt nur Klanganteile in den sich ihm anschließenden Signalweg, die unter der als Cutoff bezeichneten Frequenz liegen. Man schwächt also den Anteil der Obertöne eines Sounds ab. Hören Sie hier, welche Auswirkungen das hat:

Audio 1 LP Filter Wah

Audio 2 LP Filter Decay Sweep

 Audio 3 LP Filter Wah LFO

 Audio 4 LP Filter Decay Sweep w FX

Bei diesem Klangeingriff spielt die Flankensteilheit eine Rolle. Das ist der Winkel, mit der ein Filter bei dieser Cutoff Frequenz zupackt: steil oder abflachend. Das wird in dB gemessen und folglich beschreibt man Low Pass Filter zusätzlich mit 6 dB, 12 dB, 24 dB. Gibt auch noch weitere dB Typen und man bezeichnet sie gelegentlich als 4- oder 8-Pol Filter. Wird eine recht drastische Auswirkung der Filterung verlangt, dann ist der Griff zum steil auslenkenden 24 dB Filter das richtige Mittel. Soll es sanfter vonstatten gehen, ist ein 6 oder 12 dB angemessen. Die Größe dB ist die Maßeinheit pro Oktave, also eine Frequenzverdoppelung. Ist nun etwa bei einem 12 dB Filter die Cutoff Frequenz bei Position 1.000 Hz eingestellt, dann werden die betreffenden Frequenzanteile bei 2.000 Hz um 12 dB abgesenkt.

Verallgemeinernd gesagt, ist das Low Pass Filter gut geeignet, um Sounds weich und schmeichelnd klingen zu lassen. Eine pure Sägezahnschwingung, die ungefiltert obertonreich und rau klingt, wird durch eine Filterdämpfung ab gewünschter Grenzfrequenz (= Cutoff) dumpfer klingen. Da die Auswirkung auch auf einen bestimmten Bereich eingegrenzt werden kann, und zwar etwa per Hüllkurvenparameter oder LFO, erlaubt das auch verschiedene Effekte für den Tonansatz und sowie den weiteren Verlauf eines Klanges. Typisch ist der Gebrauch etwa für das Aufblähen von Brass-ähnlichen Sounds und Wah-Waber-Effekte mittels LFO. Je höher der Anteil tiefer Frequenzen, desto wärmer und voller wird ein Sound empfunden.

Das Filter Parameter Resonance ist hier von besonderer Bedeutung, wurde auch für die Audio Tracks sehr plakativ eingesetzt, um die Filter-Funktionen leicht heraushören zu können. Resonance steht mit Cutoff in Verbindung. Hersteller schreiben das manchmal auch als Q oder in Deutsch Resonanz auf das Synthesizer Panel.

Resonanzfilter

Mit diesem Parameter bestimmt man, wie stark das Filter den Frequenzbereich um Cutoff herum anhebt. Mit der Folge, dass der Sound mehr Kontur und Schärfe bekommt. Dabei sind extreme Effekte möglich, bis hin zum sogenannten Filter Zap. Oder auch ganz eigen klingende Filterfahrten, wenn man den Regelbereich automatisiert oder manuell durchläuft.

Audio 1 LP Filter LFO und Env Cut Reso

Audio 2 Filter Zaps

Resonance ist auch gut geeignet, um die Flankensteilheit herauszuhören. Hier zwei Beispiele:

Audio 1 LP 2 Pol

Audio 2 LP 8 Pol

Bevor es nun mit den verschiedenen Filtertypen weitergeht, folgt nun ein Blick auf einen weiteren nicht gerade unwesentlichen Aspekt.

Filterklang

Tatsächlich gibt es trotz identischer Filterbezeichnung teils recht deutlich wahrnehmbare Klangunterschiede bei den Instrumenten. Man spricht nicht zufällig über Moog Filter, Oberheim Filter, Roland Filter usw. In der Folge klingen bereits ganz simple Waveforms wie Sägezahn gesendet durch ein Moog Filter anders als durch ein Oberheim Filter. Bei der Beschreibung mit Worten wird hilfsweise gerne von fett oder weich gesprochen oder auch kräftig gegenüber sanft.

Zurück zu den Filtertypen. Vor der weiteren Einzelbetrachtung zunächst ein Schnelldurchlauf zum Anhören und zwar in dieser Reihenfolge:

Audio LP, HP, Band Pass, Band Stop, Band Boost, RP Low Pass, Voc Formant 1, 2 und 3. Cutoff Frequenz 460 Hz, Resonanz 30%

High Pass Filter HPF

Hier geschieht genau das Gegenteil zum Low Pass: Nur die Frequenzen oberhalb einer gewählten Position werden durchgelassen, wodurch ein Sound dünn und spitz klingt.

Audio 1 HP 2 Pol

Manche Instrumente bieten Low und High Pass Filter an, die dann gemeinsam eingesetzt werden können. So wie hier:

Audio 1 Yamaha CS80 Filter HP LP

Audio 2 miniKORG 700S AE Voice

Band Pass Filter BPF

Das ist eine Kombination aus Low und High Pass Filter, mit dem beide Effekte gleichzeitig erzielt werden können. Wählt man etwa innerhalb des gesamten Frequenzbandes etwa die Mitte, dann lassen sich die tiefsten und höchsten Frequenzen simultan abschwächen. Dieser Mittenbereich lässt sich bei Bedarf auch stark eingrenzen, so dass damit z.B. nasale Töne oder spezielle Resonanzeffekte akustischer Instrumente nachgeahmt werden.

korg-kronos-band-pass-filter

Band Reject (Stop)

Ähnlich dem Band Pass werden hier die zwei Filtertypen kombiniert, diesmal jedoch haben sie die Aufgabe, einen bestimmten Frequenzbereich aus den Signal zu entfernen. Ist diese sogenannte Bandsperre sehr schmal, spricht man von Notch Filter. Ein sehr feines Werkzeug, um ganz spezifische und nicht gewünschte Frequenzen aus einem Sound zu eliminieren. Gehört haben Sie das auch schon im Schnelldurchlauf oben an Position 4.

Audio Alesis Andromeda A6 Mix Choir

Band Boost Filter

Hier wieder das passende Gegenmodell, denn, wie der Name andeutet, wird damit ein bestimmter Frequenzbereich angehoben. Auch dieser Typ ist im Schnelldurchlauf zu hören, und zwar an Position 5.

alesis-fusion-band-boost

Vocal Formant

Eine gewisse Sonderform, mit dem speziell menschliche Stimmen nachgeahmt werden sollen. Das klappt auch ganz gut, dabei kommt es auf die Frequenzwahl an, ob es eher einer weiblichen oder männlicher Stimme ähnelt. Natürlich kann man den synthetischen Faktor auch überbetonen. Ein Beispiel dafür hier.

Audio Voc Formant

Die verschiedenen Typen gibt es gelegentlich in multipler Kombination, am ehesten bei größeren Modulsystemen, einigen Softwaresynthesizern sowie VA-Synthesizern. Der Trick dabei ist, dass sich hintereinander geschaltete Filter addieren lassen. Nehmen Sie ein 6 dB und ein 12 dB Filter und schon erhalten Sie den Effekt eines 18 dB Filters. Oder ein 12 dB und 24 dB Filter für 36 dB. Mit Low Pass und High Pass in Reihe bekommen Sie ein Band Pass Filter. Wer also an Klangexperimenten interessiert ist, sollte mal zu dieser Methode greifen.

moog-filter-bank

Moog Filter Bank

Analog <> Digital Filter

polivoks

From Russia with Love: Das Polivoks Filter samt Resonanz ist absolut „heiß“ und ein gefürchteter Hochtöner Killer

Chronologisch gesehen gab es zunächst analoge Filter, die ab Einzug der Digitaltechnik entsprechende Geschwister bekamen. Heute gibt es also beide Welten, wobei digitale Filterungen in entsprechenden Hard- und Softwareinstrumenten zu finden sind. Neben völlig neuen Eigenschöpfungen sind manche den früheren analogen Filtern nachgeahmt oder orientieren sich zumindest an deren Verhalten. Auf der Haben-Seite lassen sich so auch Filtermodelle erzeugen, die ursprünglich mal von ganz verschiedenen Herstellern entwickelt wurden und nun in fröhlicher Eintracht gemeinsam unter der Haube werkeln. Und ebenso sind völlig neuartige Modelle möglich geworden.

cableguys-filtershaper

Filter Plug-in für die Computer DAW

Klangliche Unterschiede gibt es durchaus und nicht selten werden analoge Filter als gewisses Ideal angesehen. Dennoch, die digitalen Verwandten bringen teils völlig neuartige Möglichkeiten mit und sind auch dadurch nicht unbedingt weniger beliebt.

Die weitere Klangbearbeitung nach der Filter Section ist regelmäßig die Abteilung Hüllkurve und Modulation. Davon soll in einer weiteren Workshop-Folge Sound Spotlight die Rede sein.

Klangbeispiele
Forum
  1. Profilbild
    AMAZONA Archiv

    Yo, das Filter — Geheimnisvolle Zutat bei jedem Synth-Sound. Aber was genau passiert bei den unterschiedlich klingenden Filtern denn jetzt genau?
    .
    In der Theorie werden ja alle Frequenzen bis zum Abschneidepunkt durchgelassen. Ab dem Abschneidepunkt werden die Frequenzen mit einem schrägen Schnitt abgetrennt. Wie schräg der Schnitt ist bestimmt die Filtersteilheit.
    .
    Kann es sein das Filter tatsächlich nicht gerade durch die Frequenzen schneiden, sondern das es Wellen oder Zacken in der Schneidelinie gibt?
    .
    Das ist das Einzige was ich mir da vorstellen kann …

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      swissdoc  RED

      Die Beschreibung mit Eckfrequenz und Filtersteilheit ist eine Vereinfachung, im Detail tut sich da so einiges. Es gibt Ripple im Frequenzgang, der Phasengang hängt vom Design ab und Nichtlinearitäten (Verzerrungen) spielen eine Rolle. Hier ein paar Tipps zum Einlesen:

      http://www.....der_tf.pdf
      http://www.....per_88.pdf
      https://quod.lib.umich.edu/cgi/p/pod/dod-idx/making-digital-filters-sound-analog.pdf?c=icmc;idno=bbp2372.1992.009;format=pdf

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        Coin  AHU

        Moin swissdoc, Du kennst die Papiere ja schon.
        Kannst Du uns kurz und knapp sagen,
        ob ein Filter konsequent schneidet, oder nicht ?
        Gibt ja unterschiedliche Filter.

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          TobyB  RED

          Hallo Coin,

          ein Filter dämpft aber es schneidet nicht. Musiker schneiden gerne. Aber dennoch, ein Filter dämpft.

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            Coin  AHU

            Moin Toby,
            von mir aus „dämpft“.
            Dämpft ein normales Filter „konsquent“ ?
            Wenn da Schwankungen auftreten, dann sind sie jedenfalls nicht hör- oder sichtbar.
            Wenn ich in meiner DAW ein Filter anwende, kann man keine Schwankungen hören, oder mit nem Frequenzanalyser sehen.
            Je nach Flankensteilheit dämpft ein nromales Filter konsequent, meiner Erfahrung nach.
            Oder ist das anders ?

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              TobyB  RED

              Hallo Coin,

              das Filter ist ein wochenfüllendes Thema und nimmt im Studium der Elektrotechnik einen großen Teil ein. Filtermathematik ist geneigt Normalsterbliche einen Schlag zu verpassen ;-) Auf deine Antwort gibt es keine allgemeingültige Antwort. Es gibt analoge und digitale Filter. Wie es aktive und passive Filter gibt. Darauf wo du hinaus willst die Übertragungsfunktion. Die Schwankungen die du beschreibst rühren aus einem niedrigen Gütefaktor Q des Filters her. Filter kann man auch als Schwingkreise bezeichen. Das Filter sollte dies aber nicht machen, Sound klingt unser Sound ganz schnell nach AM Dampfradio. In Synthesizern sind die Moogkaskade, Parker-Steiner oder Multimode zu finden und natürlich viele mehr.

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                Coin  AHU

                Hey Toby, na wenn das nicht so einfach zu beantworten ist, lassen wir das.
                Wollte jetzt kein Studium beginnen.

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                  TobyB  RED

                  Hallo Coin,

                  zieh dir einfach mal die Links vom Swissdoc rein. Das gibt schon mal gut unterfüttertes Hintergrundwissen. Für die Praxis am Gerät, hier Synth, ist ein Oszi auch nicht verkehrt, so kannst du einem Filter bei der Arbeit zu schauen. Der Tietze Schenk ist sowas wie „Das Standardwerk“ für Elektronik/Elektrotechnik. Ich guck auch noch mal nach Literatur.

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                      TobyB  RED

                      Hallo Coin,

                      guckst du hier

                      http://bit.ly/2BhNJid Ab Blatt 4 und hier
                      http://bit.ly/2hPMdeH auch ab Blatt 4.

                      Im ersten Heft wird der Aufbau eines Modularen Synths erläutert mit einem Diodenleiterfilter.

                      Und im zweiten Heft ein Kompaktsynthesizer. In Blatt 4-13 wird ein Transistorkasakdenfilter erläutert, vulgo Moogfilter in diskreter Bauweise, darin wurde ein RFT B340D für die erste „Treppenstufe“ verwendet und zwei A109D als OPVs, wenn du das mal gehört hast, weisst Du warum einige auf Tiracon 6V und Polyvoks so abfahren. In Verbindung mit dem VCF 104 auf der folgenden Seite kannst du abgefahren Krach machen.

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        AMAZONA Archiv

        Vielen Dank für die Links. Bin gespannt was ich daraus für mich ziehen kann …

  2. Profilbild
    Coin  AHU

    „Kann es sein das Filter tatsächlich nicht gerade durch die Frequenzen schneiden, sondern das es Wellen oder Zacken in der Schneidelinie gibt?“

    Die Flanke ist in der Regel „glatt“.
    Was Du beschreibst, also das anrauen der Flanke,
    verstehe ich als „Filter Drive“.

    Ich finde den Artikel gut so wie er ist.
    Und er lässt eigendlich keine Fragen offen.
    Danke dafür.

  3. Profilbild
    Green Dino  AHU

    „From Russia with Love: Das Polivoks Filter samt Resonanz ist absolut „heiß“ und ein gefürchteter Hochtöner Killer“
    Klingt wie ne Bildunterschrift in ner Autozeitschrift.
    Versüsst mir gerade den Morgen :)

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