Dystorsje filtrow cyfrowych, filtry AA

[jacek_zagaja]

W internecie mozna przeczytac mase artykulow o filtrach cyfrowych audio. Przewaznie uzywa sie ich w konwerterach D/A i przy linearyzacji przetwornikow tudziez przy usuwaniu korelacji skrosnej.

 

Transienty w muzyce sa bardzo wazne bo pozwalaja odroznic np. pianino od harmonijki. Analiza furierowska nie umozliwia analizy skladu spektralnego narastajacego transjentu - umozliwiaja ja spektrogramy lub analiza falkowa. Nasze uszy i mozg sa analizatorem falkowym czyli posrednim miedzy analizatorem FFT a czystym transjentowym. Byc moze w przyszlosci analiza falkowa umozliwi nam lepsze teoretyczne wyjasnienie roznic brzmieniowych instrumentow i przetwornikow elektroakustycznych.

 

Skoro transjenty sa istotne to oczywiscie powinnismy stosowac glosniki ktore ich nie niszcza a wiec na pewnio nie wielodrozne i periodyczne - glosnik musi byc aperiodyczny a takich jest nie wiele jesli spojrzec na odpowiedz impulsowa.

 

Transjenty sa tez naruszane gdy stosujemy filtry aliasingowe (zjawisko przed-dzwonienia). Pierwszym konwerterem D/A ktory zaadresowal ten problem byl piekny Luxman D-07 z roku 88 w ktorym zaimplementowano splajnowy filtr aliasingowy korzystajac z DSP.

 

A zatem moglibysmy przypuszczac ze konwertery RAW (bez filtra AA) rozroznimy bez problemu od typowych dzwoniacych. Wielu tak uwaza.

 

Wykonalem eksperyment. Wygenerowalem filtr pasmowoprzepustowy Butterwortha 40 rzedu w dwoch wersjach: liniowofazowej i minimalnofazowej.

 

Przygotowalem dwa sample muzyczne - chorek z plyty Mangera i gitare akustyczna z plyty Claptona (Reptile). Dokonalem splotu obydwu filtrow i znormalizowalem glosnosc RMS sampli.

 

Niestety nie jestem w stanie wskazac jakiejkolwiek roznicy pomiedzy wersja bez i z przed-dzwonieniem.

 

Czy musze zatem umyc uszy?

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[Edward]

A możesz wrzucić gdzieś na serwer te sample żebyśmy i my mogli sprawdzić czy mamy myć uszy? :-)

[jacek_zagaja]

Niestety nie mam takiej mozliwosci bo ucz.tme.szczecin.pl padl na dobre. Moge wyslac komus kto moze wystawic.

[PiotrSz]

Mam parę pytań:

 

- co to jest głośnik periodyczny ? Chodzi o odpowiedź impulsową, że mamy przebieg periodyczny tłumiony ? No ale tego przecież nie wyeliminujemy w głośniku dynamicznym i jakimkolwiek innym.

 

- co to są filtry aliasingowe ? Chyba chodzi o antyaliasingowe.

 

- cyt. "A zatem moglibysmy przypuszczac ze konwertery RAW (bez filtra AA) rozroznimy bez problemu od

typowych dzwoniacych. Wielu tak uwaza.".

 

Mam pytanie co to jest filtr RAW ? Czemu filtr antyaliasingowy miałby być problemem. Przecież jest ustawiany wysoko poza pasmem akustycznym. W C/A najczęściej 96kHz i wyżej. To przecież pierwszym ograniczeniem jest tutaj głośnik, który tłumi już tuż poza 20 KHz, góra 30 kHz i to co najmniej 40dB/dek.

 

- filtr pasmowoprzepustowy Butterwortha 40 rzedu minimalnofazowy rozumiem. Ale o liniowej fazie ? Przecież filtr Butterwortha to filtr IIR, a tam z definicji nie ma liniowej fazy (pomijam pewien szczególny przypadek filtru 1-rzędu w kolumnach, gdzie mam miejsce sumowanie w dziedzinie czasu i w efekcie liniowa faza). Dla FIR to chyba raczej z podaniem funkcji okna (Hamming, Blackman, Czybyszew, Kaiser, itp.) ?

 

- co jest na osiach (pionowej i poziomej) na tym rysunku ? Ja się rzecz jasna domyślam, ale wolę się upewnić.

- o co chodzi z tą funkcją splotu (co to jest sama funkcja splotu to wiem).

 

- w głośnikach można uzyskać (od biedy) liniową fazę. Po prostu przy robieniu np. filtru FIR dolnoprzepustowego, biegun transmitancji głośnika kasujemy zerem sekcji HP w DSP. Musimu jednak pamiętać, aby właściwy filtr DP FIR w DSP miał w pasmie zaporowym opadanie szybsze niż 20dB/dek (aby zredukować podbijające działanie HP 1 rzędu).

 

- ja zniekształceń fazowych też nie słyszę dla IIR (chociaż sprawdzałem tylko do 4-tego rzędu). Robiłem w DSP coś takiego: Sygnał rozdzielany na dw tory: LP i HP nastepnie ponownie sumowany. Graniczna była ustawiona na 2kHz. Z tym, że głośniki lipne (komputerowe podłączałem).

 

Jak dla mnie to mit marketingowy producentów kolumn z filtrami 1 rzędu. Oszczędzają na elementach a i tak nie mają liniowej fazy. Raz, że liniowej fazy nie ma sam głośnik, a dwa są jeszcze fale odbite w pomieszczeniu i idealnego transientu i tak nie ma. Za to są problemy z odsłuchem takich kolumn w płaszczyźnie pionowej.

[jacek_zagaja]

Wstegi (np. RAAL) i Manger sa przykladami przetwornikow prawie aperiodycznych.

 

Filtr aliasingowy jest problemem o ile rozpatrzymy format DSD lub popularne konwertery NOS-DAC ktore daja surowe dane (RAW). Sporo materialu w internecie gdzie jest poprawa lokalizacji.

 

Filtry wygenerowalem w Acourate.com wiec nie wiem jakie sa okna. Potem obliczylem komponent minimalnofazowy.

 

Na osiach sa sample/dB (Cooledit).

 

Funkcja splotu - uzylem Convolvera Angelo Fariny (Cooledit).

 

Faza jest istotna ponizej 1ms gdzie pokoj nie ma nic do rzeczy. Dlaczego Manger jest nie do zlokalizowania ma stabilna stereofonie? Sprawdzilem u samego wynalazcy. Jordan JXR6 nie jest tak stabilny a impulsy maja ludzaco podobne w pierwszych 200us.

[Lenny]

Pozwolę sobie wtrącić 0,03pln:

 

>Filtr aliasingowy jest problemem o ile rozpatrzymy format DSD lub popularne konwertery NOS-DAC ktore

>daja surowe dane (RAW). Sporo materialu w internecie gdzie jest poprawa lokalizacji.

 

Moim zdaniem sygnał muzyczny jest po to aby go słuchać a nie oglądać (i z obrzydzeniem wpatrywać się "dzwonienia").

Nie ma żadnych dowodów na to że poprawa brzmienia NOS DACów jest spowodowana tylko i wyłącznie wyrzuceniem antyaliasingu. Pamiętać należy też o tym że:

- gros NOSów jest na bazie Philipsów/Marantzów z filtrem cyfrowym SAA7220. Jego wady można długo wymieniać (słabe tłumienie śmieci poza 20kHz, ogromny jitter - za dużo "funkcji" pod jednym dachem...). Samo pozbycie się tego cuda techniki ze ścieżki sygnału to dobry pomysł, bez względu czy pozostawimy filtr antyalias. czy nie.

- NOSy mają stłumione wysokie tony o 3dB - subiektywnie podbija to średnice i daje ten "magic"

- niższa częstotliwość "nośnej" (z kilkukrotności Fs do Fs) poprawia warunki pracy dla konwerterów I/V na op-ampach

Widać więc, że nie samym antyaliasingiem NOSowy audiofil żyje.

 

 

>Faza jest istotna ponizej 1ms gdzie pokoj nie ma nic do rzeczy. Dlaczego Manger jest nie do

>zlokalizowania ma stabilna stereofonie? Sprawdzilem u samego wynalazcy. Jordan JXR6 nie jest tak

>stabilny a impulsy maja ludzaco podobne w pierwszych 200us.

 

Najwyraźniej sama faza nie jest panaceum na wszystkie bolączki. Istnieją głośniki wielodrożne o skomplikowanych zwrotnicach które mają wspaniałą stereofonię. Są tacy co nie potrafią żyć bez Mangera, są tacy, co zupełnie go nie lubią. Ceniąc Twój (Jacek) wkład w rozwój tego forum pod tym względem, przyłączam się jednak do zdania, że całe zamieszanie z "fazą" ma więcej z marketingu niż czego innego.

 

 

pozdrawiam,

Lenny

[jacek_zagaja]

Czy nie zauwazyles w ukladach wielodroznych nadnaturalnie duzych zrodel pozornych albo efektow a'la Dolby Prologic? To moze dawac wrazenie pieknej stereofonii. Ekstremum sa tu uklady tubowe bez kompresora cisnienia - jak np. BD design. Przy uzyciu DSP mozna szybko zrobic uklad z liniowa faza i zoptymalizowany czasowo. Gdyby nie dawalo to poprawy to dr Brueggmann nie zalozyl by firmy dedykowanej na tak niepewny biznes.

 

Kwestia frontu falowego. Manger w pierwszych us ma zupelnie plaski - przyspieszenie czastek jest stale i spowodowane uzyciem plaskiego dysku. Nie wiem czy jak dostane MSW do testow to bedzie to potwierdzone ale w glosnikach stozkowych jest to niemozliwe do uzyskania i DSP tu nie pomoze - to musi byc wykonane mechanicznie. Takze aperiodycznosc i krzywa wznoszaca transjentu wydaja sie byc sekretem niemoznosci lokalizacji i braku wlasnego charakteru. Jeszcze raz przypominam ze Deutsche Grammophon miala problemy z ustawieniem mikrofonow przy monitoringu na B&W ktore faze zawsze mialy daleko w powazaniu i prosila Mangera o konsultacje.

[dogon]

Mój znajomy od pewnego czasu aplikuje systemy nagłośnieniowe z aktywną zwrotnicą.

Są dosyć rozbudowane i niestety kosztowne ale efekt jest wymierny, dlatego osobiście już przestałem się zachwycać zestawami ze zwrotnicami pasywnymi.

Okazuje się wtedy że nawet przeciętny cedek gra w sposób zadowalający.

[jacek_zagaja]

Tak dla porzadku jeszcze dwa zdjecia. Jedno przedstawia prostokat z konwertera Legato Link Pioneera a drugi znieksztalcenia wprowadzane przez powyzsze filtry na sygnale piloksztaltnym o czest. 1khz. Jak mozna sie bylo spodziewac minimalnofazowy (kolor czerwony) kreci faza i Japonczycy jak zwykle staraja sie unikac dzwonienia.

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[Edward]

jacek_zagaja:

>Czy nie zauwazyles w ukladach wielodroznych nadnaturalnie duzych zrodel pozornych

 

Wtrącę tylko, że potwierdzam tę obserwację Jacka. W kolumnach więcej niż dwudrożnych zawsze coś się dzieje, chociaż z drugiej strony ta przestrzeń może się wielu ludziom podobać.

[senicz]

Jak nie ma odczucia przestrzeni w dzwielu to znaczy ze zestaw jest kiepski i juz. Jest to podstawowy wyroznik dobrego zestawu a szczegolnie kolumn.

[Edward]

jacek_zagaja:

>Niestety nie jestem w stanie wskazac jakiejkolwiek roznicy pomiedzy wersja bez i z

>przed-dzwonieniem.

 

Dzięki za podesłanie tych próbek. Posłuchaj końca fragmentu plików "Track12linear.wav" i "Track12minmum.wav". Muzyka urywa się i jest tam sekunda ciszy. I to właśnie tej ciszy dokładnie posłuchaj :-) A gdy już usłyszysz, tam "coś", to potem posłuchaj ostatnich 2-3 sekund, gdy śpiewają "piece of gla..." bo tu się urywa muzyka i tam też słychać to "coś". Później gdy wiadomo na co zwracać uwagę, to już słychać w całym utworze, ale to może być już sugestia.

 

Wieczorem będę przy przyrządach, spróbuję złapać "cosia" na obrazie, jak się uda to wkleję fotki.

[jacek_zagaja]

Rzeczywiscie slychac ten ogonek dzwoniacy - troszke wyrazniej na sluchawkach. Jest tylko jeden problem - w oryginale slychac lekka granulacje mikrofonu pojemnosciowego i to potem utozsamiasz z tym ogonkiem a gdy wyslekcjonujesz moment gdy chorek nabiera wdechu (5-6sek) to nie ma roznic miedzy dwiema wersjami.

 

Zobaczymy jak pojdzie nam z gitara :)

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[michelangelo]

Po pierwsze: filtr o liniowej fazie to filtr Bessela, a nie Butterwortha. Jako antyaliasingowy to raczej nie bardzo, ze względu na rozlegle wygiętą charakterystykę amplitudową. Poza tym - antyaliasing i filtry antyaliasingowe to jest problem na poziomie realizacji i konwersji do formatu cyfrowego, a nie przy odtwarzaniu próbek z powrotem do analogu. Do zwykłego 16-bitowego przetwornika bez nadpróbkowania jest potrzebny dobry konwerter I/V o charakterze całkującym i następnie w miarę prosty filtr dolnoprzepustowy. To nawet bardziej chodzi o niewpuszczanie śmieci na wzmacniacz, co by na nie energii nie tracił, a nie dźwięk jako dźwięk, bo powyżej 20kHz to i tak nie słyszymy. Dlatego superwydajne i skomplikowane filtry cyfrowe na wyjściach DACów w audio to przerost formy nad treścią. Innym zagadnieniem jest filtracja, najczęściej FIR w przetwornikach 1-bitowych, lub ponad 16-bitowych, wykorzystujących oversampling. Tutaj można za pomocą odpowiedniego filtru FIR, współpracującego z ewentualną funkcją okienkową dopasowaną do krotności oversamplingu, wstępnie sobie "wygładzić" wypluwane próbki, bo trzeba mieć na uwadze, że tym razem mają one albo większą niż 16 bitów rozdzielczość (z przetwornika wielobitowego + "uśrednianie" oversamplingu filtrem FIR) i zegar 44,1kHz, albo ciągłym sygnałem przełączanym metodą delta-sigma o dowolnej rozdzielczości i zegarze będącym wielokrotnością 44,1kHz. Tak ja to widzę.

[preatorius]

Witam

 

Chciałbym zwrócić uwagę ,że w komputerowych systemach dźwiękowych (karty dźwiękowe) jest na stałe (myśle ,że 99,99% przypadków) zaimplementowany filtr cyfrowy (antyaliasingowy, FIR) "ustawiony" nieco powyżej 0,5Fs (noty kat. przetworników). Prawie zawsze towarzyszy rozwiązaniom sprzętowym i odsłuch przygotowanych sampli będzie "zainfekowany" jego działaniem.

Dodatkowo często w komercyjnych kartach dźwiękowych próbki "ulegają" resamplingowi. Przykładowo w karcie dźwiękowej Sound Blaster 5.1 (procesor EMU10K1) próbki 44,1khz są upsamplowane do 48khz. Po obróbce (efekty, reg. głośności, korekcja ...) znów downsamplowane do 44,1khz...

 

Jeśli ktoś nie czytał to polecam:

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

 

Pozdrawiam

preatorius

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[jacek_zagaja]

Zastosowalem filtr Butterwortha z *komponentem* liniowym i minimalnofazowym. Tak to rozumiem z opisu Acourate. Obrazek amplitudowy zalaczam.

 

Reasumujac - zastosowanie wzmacniacza DC-700Khz, przetwornika aperiodycznego o szybkim czasie opadania czesci "watt-less" charakterystyki impulsowej i czestotliwosci probkowania >44kS umozliwia otrzymania naturalnej wielkosci zrodel pozornych. Dzwonienie nie jest problemem - przynajmniej przy srednich poziomach glosnosci.

 

To teraz ciekawi mnie ile szkody bedzie wprowadzal aliasing majac do dyspozycji konwerter AD/DA 24/192. Prosilem Altmana zeby nagral mi sample na swoim Creation ADC ale oczywiscie nie ma czasu.

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

Ukryta Zawartość

Zaloguj się, aby zobaczyć treść.

Zaloguj się, aby zobaczyć treść (możliwe logowanie za pomocą )

[Molibden]

Bessel - filtr minimalnomazowy o stałym opóźnieniu grupowym, który ma najmniejsze dzwonienie i przerzuty (overshoot) na zboczach w porównaniu z Butterworthem i Czebyszewem.

 

Idealne transjenty to mit, bo każdy prostokąt na wejściu ADC zostanie odfiltrowany ze wszytkich składowych >20kHz, czy to anlogowo, czy też filtrem antyaliasingowym ZA prztwornikiem, co automatycznie ogranicza szybkość narastania sygnału przy jakiejkolwiek konwersji C/A.

Tak więc brak składników >20kHz przy stosowaniu oversamplingu wynikający z charakterystyki przenoszenia takiego filtra cyfrowego LPF nie będzie problemem. Również jeżeli zastosujemy Non-OS DAC to w tym rejonie pojawi się tylko widmo aliasingowe.

Jeżeli odworzymy sztucznie wygenerowany sygnał prostokątny to jego widmo po przejściu przez cyfrowy filtr O-S zostanie "wygładzone", zubożone o składniki >20kHz a więc szybkość narastania będzie mniejsza.

Przy odtworzeniu na NOS-DAC uzyskamy ten sam prostokąt i zawarte w jego widmie składowe ponadakustyczne, ale też nie możemy dalej filtrować wyjścia analogowo, wżeby nie usunąć tych ponadakustycznych składowych prostokąta które będą nałożone na nie odfiltrowane pasmo aliasa. Dodatkowo, NOS DAC wykazuje -6dB spadek przy fs/2, a z O-S pasmo jest przenoszone liniowo do 20kHz, bez spadku.

Wychodzi na to, że w praktyce lepszy jest jednak jest układ z filtrem cyfrowym.

 

Pozostaje więc do rozstrzygnięcia kwestia: czy jeżeli w dziedzinie analogowej ograniczymy stromo pasmo sygnału do 20kHz, to różnica w transjentach w stosunku do dźwięku nie fitrowanego (oryginału) będzie istotna / zauważalna / słyszalna?

 

Wg mnie nie bo transjenty które mają szybkość narastania / opadania powtyżej częstotliwośći jaką odbiera nasze ucho nie mogą być postrzegane, tylko ta ich część która leży w paśmie słyszalnym.

 

Prawdziwe ograniczenie szybkości narastania wystąpi dopiero w układzie przetwornika elektromechaniczego, w związku z jego masą i bezwładnością. Czyli trzeba porównać odpowiedź na impuls takiego filtra i głośnika i wiadomo gdzie jest problem. Nie sądzę zęby filtry cyfrowe wprowadzały jakieś zniekształcenia - powinny być całkowicie przezroczyste w zakresie 0-20kHz i o zerowej fazie w tym zakresie.

 

Resampling i upsampling oraz filtracja cyfrowa są ze sobą trwale powiązane, inaczej nie udałoby się usunąć śmieci powyżej fs/2 i uzyskać "czystego" oversamplingu czy zmainy czstotliwości próbkowania.

 

I teraz pytanie: jaka jest MOC widma leżącego powyżej fs/2 przy konwersji bez oversamplingu dla odtwarzania sygnałów dźwiękowych, jeżeli za poziom odniesienia przyjmiemy 0dBfs?

 

Szybkość narastania sygnału o częstotliwości 20kHz i pełnej amplitudzie na wyjściu CD wynosi 0.25V/us. Czyli dość mało.

[jacek_zagaja]

Chcialbym tylko dodac ze szybkosc narastania Mangera wynosi 13us dla magnesu neodymowego i tyle tez wynosci prog ITD dla niewytrenowanego ucha. Ale jak sie ma ITD do pasma akustycznego tego nie wiem. Producent DAC1 firma Benchmark zrobila test ABX probki raz digitalizowanej i probki 20x przepuszczopnej przez ich AD/DA - prawdopodobienstwo rozroznienia obydwu bylo bliskie 50%.

 

Ja bym jednak wolal zeby energia impulsu filtra nie byla znaczaca wieksza od energi impulsu samego przetwornika. Wole takze mikrofony wstegowe ktore maja krotszy watt-less region i delikatne dzwonienie w pasmie ponad akustycznym.

[bigos]

Ja tam widzę prostsze wytłumaczenie dla czego źródła dźwięku są większe w przypadku konstrukcji wielodrożnych, po prostu występują większe odległości między przetwornikami, no i źródła rosną. W bardzo dużym pomieszczeniu duże konstrukcje mają prawo zagrać tak samo spójnie jak małe w małych pomieszczeniach. Nie zaobserwowałem nadzwyczajnych zdolności przestrzennych w przypadku przetworników szerokopasmowych. Bardziej naturalnie często własnie grają konstrukcje wielodrożne, a tzw. przestrzenność w największym znaczeniu ma przebieg ch-ki amplitudowej, przy podbicu wysokich tonów często słychać ponadnaturalną przestrzenność.

Ciekawy efekt jest natomiast przy korekcji pomieszczenia, występuje efekt "lepszej przestrzenności", bardziej wyraźne są zdarzenia na scenie, pogłos itd. Myślałem, że to może korekcja dodaje, no ale okazało się, że ten sam dźwięk pojawia się w orginale, tylko jest mniej doszczegalny.

Często pomaga inna rzecz, wystarczy zamknąć oczy by nie sugerować się gdzie stoją głośniki, a wtedy efekty przestrzenne naprawdę mogą być zadowalające i głośniki znikają :-)

Generalnie ważne są:

- stosunek odległości miedzy głośnikami do odległości słuchacz - głośniki

- wyrównana ch-ka przenoszenia