Analoge Regelung und digitale Steuerung (Johannes Siegler)

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Analoge Regelung und digitale Steuerung (Johannes Siegler)

Beitrag von Aktives Hören »

Diesen Beitrag steuert Johannes Siegler (Backes & Müller) zu unserer Diskussion über analoge Regelung und digitale Steuerung bei:
Johannes Siegler hat geschrieben:
Ohne jetzt einzelne Beiträge zu kommentieren, kann ich auch in diesem Forum eine „ideologisch“ gefärbte Argumentation wiedererkennen, die mir regelmäßig, seit ich mich mit digitaler Signalverarbeitung beschäftige, begegnet.

Vorab sei allen eine Analogie zum „Liebsten Kind der Deutschen“ ans Herz gelegt. Eines der Probleme, die es zu lösen gilt, seitdem es Autos gibt, ist die negative Beschleunigung, schlichtweg das Bremsen. Ursprünglich rein mechanisch gelöst, ist der Bremsvorgang heute eines der komplexesten Abläufe im Zusammenspiel von Hydraulik, Elektronik, Digitaltechnik und Mechanik. Begriffe wie ABS und Bremsassistent beleuchten dabei nur spotartig die komplexe Technik. Was zählt ist aber, wie immer, das Ergebnis.

Philosophien über das Bremserlebnis und Ideologien über die eingesetzte Technik würden jeden, der alltäglich mit seinem Auto zur Arbeit fährt, befremden. Und genauso sollte man das vernünftigerweise bei der Diskussion über analoge oder digitale Audiotechnik sehen. Es geht nämlich vielen nicht um analoge Regelung oder digitale Steuerung, sondern um analog versus digital.

Als Musikhörer wie als Musiker bin ich in dieser Hinsicht völlig emotionslos, mir geht es nur um das Resultat bzw. das Musik-Erlebnis.

Bei der Entwicklung von Lautsprechern gilt es extrem viele verschiedene Aspekte zu beachten, von denen ich hier lediglich einige wirklich extrem klangbeeinflussende aufzählen will, nämlich beispielsweise eine möglichst originalgetreue Wiedergabe der Tonalität, der zeitlichen Struktur des Signals und, mindestens genauso wesentlich, eines möglichst frequenz- neutralen Abstrahlverhaltens des Lautsprechers. (wenn wir hier von einem Lautsprecher reden, meinen wir das Gesamtsystem bestehend aus Einzelchassis, Gehäuse - auch Gehäusekanten - und ansteuernder Elektronik). Über Tonalität (Frequenzgang) und zeitlich korrekte Wiedergabe (Phasengang, Laufzeitgang ...) werde ich im Folgenden eingehen.

Mindestens genauso bedeutend für den Klang eines Lautsprechers ist sein Abstrahlverhalten. Da dies, völlig unabhängig von „analog“ und/oder „digital“, ein eigenes, umfangreiches Kapitel ist, müsste man es an anderer Stelle vertiefen.

Damit hätten wir also die Vorgaben für die Konstruktion eines guten Lautsprechers. Also zusammengefasst und vom Abstrahlverhalten abgesehen, versuchen wir ein physikalisches System zu bilden, welches das elektrische Eingangssignal möglichst ohne Veränderung genauso in Schall umwandelt. Dabei ist zu beachten, dass unser Ohr weder Frequenzgänge noch Phasengänge hören kann, dies sind nämlich alles nur bildliche Beschreibungen für den Klang eines Lautsprechers. Unser Ohr hört vielmehr eine zeitliche Abfolge von Schallintensitäten, also ein Zeitsignal. Wenn man dafür sorgen kann, das dieses Signal „unverbeult“, also möglichst originalgetreu am Ohr ankommt, hat man das Ziel einer neutralen Wiedergabe erreicht.

Und somit hat man dann schon den ersten Ansatz für unsere FIRTEC™-Signalverarbeitung. Diese Filter beeinflussen ausschließlich das Zeitverhalten des Signals, wie übrigens die analoge Regelung auch. Nochmals zur Verdeutlichung: Hier werden Schwächen der eingesetzten Chassis oder Ungereimtheiten im Frequenzgang des Lautsprechers (etwa durch Gehäusekanten etc.) nicht durch analoge Filter ausgeglichen, was automatisch zu einem schlechteren Phasengang des Gesamtsystems führen würde, nein, hier wird das Signal direkt in der zeitlichen Struktur so korrigiert, dass das Gesamtsystem Lautsprecher möglichst ideal wird (also das Zeitsignal ohne Verformungen wiedergibt).

FIRTEC™ bedeutet also eine Bearbeitung/Korrektur des Gesamtsystems Lautsprecher mitsamt aller Komponenten wie Chassis, Frequenzweiche, Gehäuse (-Kanten), Bauteile und Chassistoleranz. Technisch umgesetzt wird dies mit einem FIR-Filter, dessen Koeffizienten aus der individuellen Messung jeder einzelnen Lautsprecherbox generiert werden. Dieses Korrekturglied sitzt vor allen anderen Signalbearbeitungen wie Frequenzweiche, Zeitgliedern und Verstärker.

Das Resultat dieser Methode ist ein im Amplitudenfrequenzgang (Tonalität) und Phasenfrequenzgang neutraler Schallwandler. Für Techniker: Dies ist gleichbedeutend mit einer optimalen Impulsantwort, da nur dann die Phase auch wirklich über den gesamten Übertragungsbereich bei 0°liegt, also keine zeitliche oder amplitudenmäßige Verzerrung des Signals erlaubt.

Wenn man dies prinzipiell auch mit einer analogen Regelung erreicht, warum dann der Aufwand der Digitalisierung? Um dies zu verdeutlichen, müssen wir die Signalverarbeitung unserer Lautsprecher genauer betrachten:

1. Das Alignment: Alle Chassis auf zeitlich gleicher Ebene

Zuerst werden alle Chassis per Zeitglied auf die gleiche akustische Ebene gesetzt. Dies ist eine unbedingte Voraussetzung für eine zeitrichtige Abstrahlung. Die eingesetzten Zeitglieder sind im Digitalen sehr simpel durch Circularbuffer zu realisieren. In der analogen Welt gibt es schlichtweg nichts Vergleichbares. Eine ähnliche Funktion haben Allpässe, die aber nur in begrenzten Frequenzbereichen funktionieren, außerhalb dieser jedoch eine Phasendrehung, also einen Zeitfehler, produzieren und außerdem zusätzlich rauschen. Die Nachteile von Allpässen sind so gravierend, dass die meisten Hersteller ganz auf sie verzichten.

2. Die Frequenzweichen

Sie sind als FIR-Filter-Subtraktionsweiche realisiert. FIR-Filter sind in der Lage, ohne Phasendrehung (Phase liegt konstant bei 0°) jeden vorgegebenen Amplituden-Frequenzgang abzubilden, was im Analogen noch nicht annähernd möglich ist. Auch für die Subtraktionsweiche selbst gilt wieder die Zeitgliedproblematik. Eine Subtraktion (z.B. Eingangssignal – Tiefpass = Hochpass) funktioniert nur, wenn die Laufzeit des Tiefpasses (egal ob analog oder digital) exakt ausgeglichen wird, das heißt das Eingangsignal muss um die Laufzeit des Tiefpasses verzögert werden. Dies gelingt nur digital wirklich fehlerfrei.

3. Der FIRTEC™-Filter

Dieser sitzt als erstes Element vor allen anderen Stationen der Signalverarbeitung und gleicht Zeitfehler des Gesamtsystems Lautsprecher aus. Dabei wird durch die Messung jedes einzelnen, individuellen Lautsprechers, dessen Abweichung vom Optimum erfasst und in Entzerrungskoeffizienten gespeichert.

Dies beinhaltet also die Korrektur von Fehlern durch Gehäusekanten (sofern man dies will), Toleranzen der Chassis, Laufzeitverzug zwischen den Chassis an der Hörposition, Frequenz- und Phasengangfehler der Chassis, Toleranzen in den sonstigen Bauteilen sowie die System-Abweichung vom idealen Zeitsignal und, wenn man dies möchte, auch noch Anteile der Akustik des Wiedergaberaumes.

Das bedeutet nicht, dass man z.B. mechanisch schlechte Chassis „gut-messen“ kann. Man kann auch keine schlechte Gehäusekonstruktion wegmessen, was sowohl die Resonanzen betrifft, als auch das Abstrahlverhalten. Hier sei nur nebenbei erwähnt, dass dies, entgegen der verbreiteten Mär, die analoge Regelung auch nicht leisten kann.

Aber man kann erstmals im Lautsprecherbau ein Mehr-Chassis-System in der Phase, also im Laufzeitverhalten, optimieren. Ganze Generationen von Lautsprecherbauern konnten hier definitiv nichts tun. Nada!

Auch eine analoge Regelung ist nicht in der Lage über den gesamten Frequenzbereich, das heißt über mehrere Wege (= Chassis) hinweg phasenlinear, also zeitrichtig, abzustrahlen. Dieses Argument sollte man nicht unterbewerten, sitzt doch in der Zeitinformation die komplette Rauminformation. Nur über die zeitlich unverzerrte Wiedergabe ist eine „echte“ Raumtiefe, Räumlichkeit, Tiefenstaffelung etc. möglich. Innerhalb eines Weges schafft dies auch die analoge Regelung, was man auch in der Auflösung des Raumes geregelter Lautsprecher hören kann. Allerdings müssen die vielen eingesetzten Chassis, damit die Regelung überhaupt funktioniert, geweicht werden. Hierbei entstehen immer Laufzeitfehler.

Diese 3 genannten Argumente (im Detail sind es noch einige mehr) erzwingen eigentlich den Einsatz von digitaler Signalverarbeitung, weil sie analog nicht realisierbar sind.

Die Nachteile digitaler Signalverarbeitung sollen auch nicht unerwähnt bleiben:

1. Produktionskosten

Im Gegensatz zu der falschen, landläufigen Meinung ist diese Digitaltechnik teurer als eine analoge Regelung. Da wir bei praktisch allen unseren Bässen analoge Regeltechnik einsetzen, weiß ich wovon ich rede. Bei etwas genauerem Hinsehen ist dies auch völlig klar.

Wie im gesamten Wirtschaftskreislauf wird der Preis ausschließlich durch die Abgabemenge bestimmt. Verbaut man in Autoradios digitale Signalprozessoren, wird es natürlich durch die Masse viel billiger als bei einem BM-Line-Lautsprecher. Wir arbeiten hier mit speziellen Floating Point DSP’s, also Signalprozessoren, die um den Faktor 50 bis 100 mal so teuer sind wie Fixed-Point-DSP’s im Autoradio oder Surroundreceiver. Die Hardware-Plattform, also quasi das Mainboard des DSP’s, ist nicht nur eine Eigenentwicklung, sondern wird auch selbst produziert. Vergleichbares, mit den benötigten Funktionen, ist auf dem Markt nicht zu haben.

Also produzieren wir hier in kleinen Stückzahlen selbst. Jedes Chassis, jeder Weg benötigt einen eigenen Digital-Analog Wandler (DAC). Auch hier können wir nur das beste verfügbare Material verwenden, wir haben immerhin eine Dynamik von über 100 dB zu übertragen.

Gleiches gilt für den Analog-Digital-Wandler. Auch hier verwenden wir teure Top-Wandler. Zusätzlich haben wir hier noch eine spezielle Stacking-Technik entwickelt und eingesetzt, die aus zwei 24 Bit-Wandlersignalen einen 27 Bit-Wandler generiert. Mit dieser Technik gelingt es uns, den Wandler in der Signalkette komplett „unsichtbar“ zu machen. Er liegt mit seiner Performance deutlich oberhalb dessen, was die analogen Signalwege, wie z.B. Endstufen etc., letztlich das Chassis selbst, überhaupt in der Lage sind zu übertragen. Auch hier hat man erhebliche Kosten, logischerweise deutlich höhere als bei einer Regelung, die keine Wandler braucht.

Im Gegensatz dazu liegt der Aufwand auf Seiten der analogen Regelung weniger beim Materialeinsatz denn auf der Seite des handwerklichen Geschickes und dem Know-how beim Aufbau des Regelsensors.

2. Entwicklungskosten

Das BIOS des DSP’s ist eine Eigenentwicklung, die Filterfunktionen und alle Algorithmen sind in Maschinensprache selbst entwickelt und programmiert. Die Wandlertopologie mit hochkomplexen Platinendesigns und Masseführungen, kurzum alles, was zum Einsatz der phasenlinearen Filter benötigt wird, ist selbst entwickelt und Schritt für Schritt, Zeile für Zeile selbst geschrieben, programmiert, getestet, verworfen, verbessert...

Insgesamt sprechen wir von mehreren Mannjahren Entwicklungszeit. Hier liegt auch ein wesentlicher Grund, warum nicht mehr Lautsprecherbauer digitale Entzerrungen einsetzen. Der Aufwand ist erheblich, die Eigenentwicklungen sind komplex und das Ergebnis ist oft ungewiss.

3. Die Wandlungen

Dieser Teil der Signalkette war lange Zeit kritisch und ein limitierender Faktor beim Einsatz von Digitaltechnik. Dies ist überwunden. Die Performance der heute eingesetzten Wandler überragt die der analogen Signalverarbeitung deutlich.

Im Gegenteil: Da heute viel Musik von CD, DVD etc. oder von Festplattenspielern kommt, spart man sich bei digitaler Signalbearbeitung sogar eine Wandlung. Im Falle von Vinyl-Wiedergabe ist in der Signalkette immer ein Phono-Entzerrer nötig, der dann die Grenzen an Dynamik, Impulstreue und Auflösung, zusammen mit der Quelle, selbst steckt.

4. Latenzzeiten (Verzögerungszeit zwischen Signaleingang und Schallabstrahlung)

Würde man ausschließlich mit FIR-Filtern arbeiten, käme man auf Verzögerungen von ca. 100 msec, also deutlich zu viel für z.B. lippensynchrone Wiedergabe. Diese langen Zeiten resultieren aus der Bearbeitung tiefster Frequenzen. Ein Grund für den Einsatz einer analogen Regelung im Bass ist die Vermeidung dieser Latenzzeit. Filtert die digitale Entzerrung lediglich Frequenzen oberhalb 100 Hz, reduziert sich die Verarbeitungszeit erheblich. In unseren Lautsprechern ist die Latenzzeit vorgegeben, durch die in der analogen Bassregelung benötigten unteren Bandbegrenzung, nicht durch die digitale Filterung. Der komplette
Übertragungsbereich ist zeitlich mit den genannten Filtern abgeglichen, so dass die Musik zeitgleich im Bass wie im Mittel- beziehungsweise Hochtöner abgestrahlt wird.

Im letzten Punkt sind auch schon die Grenzen der digitalen Signalverarbeitung angesprochen worden. Latenzzeiten, die entstehen, wenn man tiefste Frequenzen mit FIR-Filtern entzerren möchte. Dort ist der Einsatz der analogen Regelung das Mittel der Wahl. Diese arbeitet fast latenzfrei mit demselben Ergebnis wie FIR-Filter im Mittel-Hochton. Also setzen wir selbstverständlich im Bass in allen Produkten geregelte Töner ein.

Grenzen analoger Regelung

Will man analoge Regelung mit digitaler Signalverarbeitung vergleichen, muss man natürlich auch noch auf die Regelung genauer eingehen.

Voll analog geregelte Lautsprecher, also Lautsprecher, bei denen jedes Chassis geregelt ist, müssen zwangsläufig Viel-Wege-Lautsprecher sein. Die Regelung arbeitet nämlich nur in einem begrenzten Frequenzband zuverlässig. Dieses ist relativ schmal, was sich von selbst erklärt, wenn man überlegt, wie die Regelgröße, z.B. die Bewegung, erfasst wird.

Ein Basschassis macht einen viel größeren Hub als ein Mitteltöner, also muss der Sensor dies entsprechend „mitmachen“ können. Ein solcher Sensor ist jedoch für die Erfassung kleinster Bewegungen des Mitteltöners zu unempfindlich. Man benötigt also viele Chassis, mit entsprechendem Sensor, zur Übertragung des kompletten Frequenzbandes. Ein weiterer Faktor ist das Chassis selbst. Voraussetzung für eine Regelung ist, dass die abgestrahlte Schallenergie direkt proportional zum Sensorsignal ist. Die Chassismembran muss also idealerweise exakt wie ein Kolben schwingen und darf nicht in Partialschwingungen aufbrechen, da nur so der abgestrahlte Schall proportional zum Sensorsignal ist. Schwingt die Membran nur zum Teil in Partialschwingungen, werden diese vom Sensor nicht erfasst und der abgestrahlte Schall ist alles andere als geregelt.

Dieses aus o.g. Gründen bei analoger Regelung notwendige Splitting in viele Wege hat folgenden Nachteil:

Viele Einzelschallquellen addieren sich nicht ideal zu einer Einzigen, was eigentlich die Grundlage der Stereotheorie ist (Punktschallquelle). Praktisch bedeutet das, dass eine in der Realität kleine Schallquelle, wie zum Beispiel die Stimme mit der Punktschallquelle Mund sehr überzeichnet groß abgebildet wird. Eine Schwäche, die wir alle kennen, und z.B. bei der Wiedergabe von großen Orchestern sogar schätzen. Nur richtig ist das nicht!

Eine weitere Grenze der analogen Regelung liegt in der Regelung selbst, das heißt in der Umsetzung, nicht in der Idee. In der Praxis sind immer Filter, Integrier- oder Differenzierglieder, Aufholverstärker usw. nötig, um das ziemlich schwache Sensorsignal im Prozess verwenden zu können. Diese führen zu einer Begrenzung der Dynamik sowohl im Gesamtumfang als auch im Grundrauschen. Eine Beschallungsbox mit 130 dB Grenzlautstärke zu bauen, ist mit analoger Regelung aus besagtem Grund nicht möglich. Entweder kann sie nicht laut oder sie rauscht wie ein Wasserfall. Die Grenzen sind in dieser Hinsicht ziemlich eng gesteckt.

Auch kann, entgegen aller sonstigen Äußerungen, die Regelung kein defektes Chassis ausgleichen. Was hier im Forum mit Stichworten wie Alterung, Chassisveränderungen etc. benannt wird, beruht zum Teil auf falschen Vorstellungen der Funktionsweise eines Chassis. Alterungsprozesse oder Beschädigungen im Laufe des Lautsprecherlebens wie z.B. Sickenfraß, Fehler wie verbeulte Staubschutzkalotten oder Fehler im Membranmaterial uvm. sind durch eine analoge Regelung ebenso wenig auszugleichen, wie durch eine digitale Vorentzerrung.

Die Regelung braucht, um überhaupt sinnvoll zu funktionieren, z.B. absolut steife Membranen. Gealterte, weich gewordene Membranen erzeugen Partialschwingungen, die der Sensor nicht erfasst. Ebenso die
Sicke: Ist ein Loch darin, funktioniert der gesamte Lautsprecher nicht mehr, da es einen Austausch von Innenvolumen mit Außenluft gibt. Also wird, je nach Frequenzbereich, ein akustischer Kurzschluss erzeugt, der vom Sensor natürlich nicht erkannt wird.

Nebenbei erwähnt, dient die Sicke nicht der Rückstellung der Membran in die Null-Lage, sondern zur sauberen Führung des Membran-Spulenträger-Gespanns im Luftspalt. Eine defekte Sicke führt oft zur Dezentrierung, was sich dann im Kratzen der Spule im Luftspalt äußert und natürlich nicht weggeregelt werden kann, weder analog noch digital.

Natürlich ist die analoge Regelung ein Riesenschritt im Lautsprecherbau gewesen und hat nach wie vor ihre Einsatzberechtigung. Aus meiner Sicht der Dinge hat sich in den letzten 10 bis 15 Jahren durch die Materialwissenschaften so viel getan, dass wir heute über Membranmaterialien, Magnettypen, Sickenmaterialien etc. verfügen, die Chassis mit Eigenschaften erlauben, die vorher undenkbar waren.

Bei der Neukonstruktion von Lautsprechern wäge ich daher ideologiefrei ab, was die geringsten Fehler produziert und womit die geringsten Klangverfälschungen entstehen. Analoge Regelung, digitale Vorentzerrung und bestes Material, in sinnvoller Kombination, führen nach meiner Ansicht zu einem optimalen Ergebnis.

Johannes Siegler, im August 2008
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