Aktive DSP-Weiche - Impedanzen ...?

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Eunegis
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Aktive DSP-Weiche - Impedanzen ...?

Beitrag von Eunegis »

Hi-ho!

Ich gehe mit dem Gedanken schwanger, aktive Entzerrung für 3-Wege-LS einzurichten - ohne analoge Weichenbauteile, versteht sich. Einen PowerDAC von HiFi Akademie (Class-D) mit Stereo-DSP habe ich bereits, eine weitere 4-Kanal Endstufe mit DSPs vom Nämlichen könnte hinzukommen. Grund ist der "reine Klang" (soweit machbar) und Spieltrieb.

Eigentlich erscheint die DSP-Programmierung ja ganz einfach: Hochpässe, Tiefpässe und Notchfilter für die Chassis kombinieren, bis der Frequenzgang akzeptabel ist. So wenig wie möglich, so viel wie nötig.

Aber: Was ist z. B. mit den Lautsprecherimpedanzen? Die werden dabei ja nicht kompensiert, sondern allenfalls ein wenig moduliert. Und die können sehr (Klang)wirksam sein, bei Röhren sowieso, aber im Hochton auch bei Class-D Verstärkern. Muß ich also fürs Glattbügeln der Impedanzspitzen doch wieder klassische=analoge Weichenbauteile einfügen?

Oder muß ich sagen (ACHTUNG: extremes Laiensprech!): Da die Impedanz der Chassis-Kombination schwankt führen diese Schwankungen nach Art einer Rückkopplung zu Frequenzgang-Nichtlinearitäten des Verstärkers. Und diese F.-Nichtlinearitäten werden korrigiert indem man dem Verstärker per DSP mitteilt, er möge in bestimmten Frequenzbereichen mehr oder weniger Energie "in die Boxen pumpen". So daß es im Endeffekt heißt: "Verstärker-Muskelkraft" gegen "LS(Impedanz)-Renitenz". Wahr, halbwahr oder Tinnef?

Und wie sieht es aus mit dem Phasenverlauf? Die HiFi-Akademiker haben IIRs in ihren DSPs. Die Phasen muß ich dann so nehmen, wie sie halt rauskommen, gelle?

Falls das alles halbwegs richtig war nur nochmal zum Verständnis: was würde eine analoge Phasenkorrektur mit den Impedanzen machen? Sie kompensieren nach der plastischen Vorstellung einer Art Gegenkopplung? Oder sie energieerhaltend wegfiltern durch Umwandlung in Wärme?

Seid gnädig mit mir. Ich bin kein Physiker, nur ein platter kleiner User.

Dank Euch.
Eunegis
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chro
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Beitrag von chro »

Servus,

ich entwickle zwar schon seit geraumer Zeit LS mit aktiv Filtern, aber die Frage holt mich auch immer wieder ein :mrgreen:


Bin also auch sehr auf eine Antwort gespannt :cheers:
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wgh52
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Beitrag von wgh52 »

Leutz,

aus meiner Sicht ist die Sache (vielleicht zu) einfach:

Bei einem Aktivsystem kann der Dämpfungsfaktor/die Quellimpedanz der Endstufe die Schwingspulimpedanz besser "erreichen" als im Passivsystem mit Induktivitäten, die schon allein den 0,2 ... bis 2 Ohm Bereich erreichen. Das ist die eine Seite der Medaille.

Die andere Seite der Medaille ist, dass die Endstufe natürlich weniger Leistung (sprich weniger Strom bei gleicher Ausgangsspannung) abgeben kann wo das angeschlossene Chassis hohe Impedanz hat - ist halt so. Eine Kompensation der Chassisimpedanz linearisiert die Last für die Endstufe, was sie eventuell mit besserem Klang quittiert, aber allein deshalb fließt durch die Chassisschwingspule noch nicht mehr Strom, denn deren Impedanzverlauf bleibt ja bestehen 8).

Man kann natürlich mit Konstantstromendstufen arbeiten, aber die sind (noch übertrieben gesagt) selten. Lange Rede, kurzer Sinn: Ich würd' mir keine grauen Haare darüber wachsen lassen. Die Vorteile des Aktivbetriebes und von DSP Weichen sind andere und vielfältiger...

Gruß,
Winfried

3147
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Daihedz
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Beitrag von Daihedz »

Hallo ihr alle, united Impedanzbegradiger
wgh52 hat geschrieben:... Eine Kompensation der Chassisimpedanz linearisiert die Last für die Endstufe, was sie
eventuell mit besserem Klang quittiert, ...
... und eventuell ist das Gegenteil der Fall: Je kleiner der Lastwiderstand für eine Endstufe wird, desto höher sind die Verzerrungen aufgrund des stromabhängigen Beta (=Stomverstärkungsfaktor) der Ausgangstransistoren, welcher bei hohen Kollektorströmen (d.h. hohen Ausgangsströmen der Endstufe) abnimmt. Dies gilt ganz sicherlich für gegengekoppelte Endstufen der Klassen A, AB, B und deren Abkömmlinge. Die "Linearisierung" der Impedanz hin zu einem zwar hübsch anzusehenden und intuitiv ansprechenden, begradigt-tiefen Impedanzverlauf führt somit zu konstant erhöhten Verzerrungsprodukten über den gesamten Frequengzgang und ist bei aktiven, resp. digitalen Weichen nicht angezeigt. Nachzulesen bei Douglas Self.

Deshalb macht, falls überhaupt, ein zur Schwingspule parallelgeschaltetes CR-, resp. CRL-Glied nur Sinn, um etwas mehr Freiheiten bei der Entwicklung von PASSIVEN Frequenzweichen zu gewinnen. Alles andere ist Verschlimmbesserung.

Bevorzugt krummlinige Grüsse
Simon
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Eunegis
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Beitrag von Eunegis »

Vielen Dank bis hierhin. Laßt mich aber ruhig noch tiefer verstehen, was sich wie "abspielt". Sind ja noch ein paar Fragen offen...

Es ist ja schon so, daß Schaltverstärker (um die geht es hier primär) hohe Impedanzen im (Super)Hochton gelegentlich mit Muffigkeit quittieren, und zu niedrige Impedanzen mit Kreischerei (überpointiert). Die Impedanzpeaks der Lautsprecher liegen oft unter 7 oder 8 kHz - ein Bereich, der klanglich noch nicht ganz relevant ist für die Schaltverstärker. Da fängt das Problem i.d.R. gerade oberhalb davon an. Aber dennoch: es besteht zumindest die Gefahr der Relevanz. Kann ich das einfach durch Anhebung per DSP im Hochton korrigieren (vermutlich schon...)?

Sind meine Vorstellungen sonst einigermaßen realistisch? Oder muß ich noch dringend wichtige grundsätzliche Dinge lernen, bevor ich aktiv mit teuren DSP-Endstufen loslege?
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dietert
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Beitrag von dietert »

Vorauskorrekturen sind überflüssig, wenn die Chassis mit kurzen Kabeln mit den Endstufen verbunden sind. Dann regelt eine moderne, hochgradig gegengekoppelte Endstufe Impedanzschwankungen ohne weiteres weg. Anders gesagt, die Ausgangsimpedanz einer modernen Endstufe ist im gesamten Nutzfrequenzbereich 0,01 Ohm oder so.

Hier sollte man sich die Größenordnungen klar machen: Normalerweise sind wir froh, wenn wir den akustischen Frequenzgang +/- 1 dB glatt bekommen, d.h. die Amplitude auf etwa +/- 10 % stabil. Der Gegenkopplungsfaktor einer modernen Endstufe ist meist über 1000, d.h. diese Regelung wird die Antriebsspannung trotz Impedanzschwankungen auf 0,1% oder so stabilisieren. Sogar wenn die Anschlusskabel 0,2 Ohm oder 0,5 Ohm dazu addieren, macht das immer noch nicht 1 dB, außer vielleicht bei 2-Ohm-Lautsprechern. Der hohe Regelfaktor wird auch von Digitalendstufen erreicht, wobei ich für den Hochtöner in jedem Fall eine lineare Endstufe bevorzugen würde, die Leistung ist ja nicht das Problem.

Fazit: Bei einer guten Aktivbox befinden sich die Endstufen in der Box, dann wird die Kontrolle der Chassis durch die Endstufen optimal sein.
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Hans-Martin
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Beitrag von Hans-Martin »

Eunegis hat geschrieben:Aber: was ist z. B. mit den Lautsprecherimpedanzen? Die werden dabei ja nicht kompensiert, sondern allenfalls ein wenig moduliert. Und die können sehr (Klang)wirksam sein, bei Röhren sowieso, aber im Hochton auch bei Class-D Verstärkern. Muß ich also fürs Glattbügeln der Impedanzspitzen doch wieder klassische=analoge Weichenbauteile einfügen?
Hallo Eunegis

Es ist üblich, dass Hersteller ihre Lautsprecher so entwickeln, dass sie bei einem Verstärker mit linearem Frequenzgang und großer Gegenkopplung auch einen möglichst linearen FG produzieren. Alle anderen Abweichungen sind individueller Natur und keine Massenereignisse, wie sollte man sie sinnvoll berücksichtigen? Es wäre für die Lautsprecherhersteller ein Leichtes, Kompensationsnetzwerke gleich in das Anschlussfeld zu integrieren oder diese Schaltung als Beiblatt oder Etikett gedruckt mitzuliefern. Ich habe weder das eine, noch das andere bisher gesehen.
Da die Impedanz der Chassis-Kombination schwankt führen diese Schwankungen nach Art einer Rückkopplung zu Frequenzgang-Nichtlinearitäten des Verstärkers.
Das trifft auf Single-Ended-Röhrenverstärker (SE) ohne Gegenkopplung zu, wo eine Endröhre (mit nicht linearer Spannungs/Stromkennlinie) mittels Spannung am Gitter den Strom über Katode/Anode durch den Ausgangsübertrager zieht, der anhand seines Wicklungsverhältnis eine Transformation auf die Sekundärseite macht. Eine schwankende Lastimpedanz wirkt hier tatsächlich auf die Ausgangsspannung zurück, mehr als bei anderen Verstärkerkonzepten. Gegenmaßnahmen sind Gegenkopplung erhöhen und den Ausgangswiderstand zu reduzieren. Beides geht Hand-in-Hand.
Und diese F.-Nichtlinearitäten werden korrigiert indem man dem Verstärker per DSP mitteilt, er möge in bestimmten Frequenzbereichen mehr oder weniger Energie "in die Boxen pumpen". So daß es im Endeffekt heißt: "Verstärker-Muskelkraft" gegen "LS(Impedanz)-Renitenz". Wahr, halbwahr oder Tinnef?
Wenn DSP-Korrektur auf einer FG-Messung basiert, kompensiert sie doch mit einem Generalstreich alle Einflussgrößen, oder?
Und wie sieht es aus mit dem Phasenverlauf? Die HiFi-Akademiker haben IIRs in ihren DSPs. Die Phasen muß ich dann so nehmen, wie sie halt rauskommen, gelle?
Es macht wohl wenig Sinn, ein Filter für einen unbekannten Anwendungsfall einzubauen. Ziel wird doch immer sein, die Übertragungsfunktion der vorhandenen nachfolgenden Komponenten mittels zwischengeschalteter Komponente zu kompensieren. Linearisiert man den FG, verbessert sich auch das Phasenverhalten. Vielleicht gibt Uli einen weiterführenden Kommentar zu diesem Bereich (IIR).
Falls das alles halbwegs richtig war nur nochmal zum Verständnis: was würde eine analoge Phasenkorrektur mit den Impedanzen machen? Sie kompensieren nach der plastischen Vorstellung einer Art Gegenkopplung? Oder sie energieerhaltend wegfiltern durch Umwandlung in Wärme?
Nach meinem Verständnis: Nichts.
Weder die Last ändert sich, noch die Eigenschaften des Verstärkers. Lediglich das durchlaufende Signal wird so eingerichtet, dass eine Linearisierung nach Vorgabe erreicht wird. Eher trifft die Eigenschaft einer Gegenkopplung zu, nur nicht in Echtzeit, sondern als eine pauschalisierte darübergestülpte Kompensation, die eine einmal gemessene Übertragungsfunktion voraussetzt und für die Zukunft ausgleicht.

Worst Case wäre eine gegenkopplungsfreie SE-Endstufe (dennoch in bestimmten Kreisen sehr geschätzt! - kann mich auch manchmal begeistern) mit hohem Ausgangswiderstand an einer Mehrwegebox, bei der große Impedanzschwankungen von Bassresonanz über die ansteigenden Impedanzen bei den Übergangsfrequenzen und schließlich die Schwingspuleninduktivität beim Hochton einen chaotischen FG erzeugen. Da muss man entweder die Impedanzen kompensieren (bevorzugt, um Fehlanpasung beim Verstärker zu vermeiden) oder den FG korrigieren. Eine FG-Korrektur bei Übergangsfrequenz gleicht ja nur die FG-Auswirkungen der Verstärkerreaktion auf die Impedanzfehlanpassung aus, nicht die Impedanz selbst, sondern den Sekundäreffekt (auf Deutsch: dessen Folgen).

Bei Digitalverstärkern mit ordentlichen Ausgangsfiltern unter 0,5 Ohm reduziert sich die Problematik auf 1dB Variation um 20kHz bei üblichen Lautsprechern. Breitbandlautsprecher (Vollbereichs chassis) sind hingegen auf extreme Impedanzabhängigkeit der Endstufe angewiesen, um die schwächelnden Bereiche zu pushen, bei der Bassresonanz (gleichbedeutend mit dem unteren Ende des Übertragungsbereichs) gibt es mehr Pegel, ebenso beim Impedanzanstieg am oberen Ende.

DSP-basierte Aktivweichen steuern Verstärker bandbreitenbegrenzt an, die Lasten treiben, deren Impedanzverhalten außer den Bassresonnz- und Hochtoninduktivitäts-bedingten Impedanzvariation weitgehend "normal" bleiben. Das gibt einen krassen Gegensatz zu passiven Weichen und ihre wilden Impedanzschwankungen, die mit der elektrischen Phase durch die erste Ableitung mathematisch verknüpft sind.

Aktiv angesteuert vermeidet Probleme, reduziert lastabhängige Schwankungen. Die Korrektur des resultierenden FGs richtet vielmehr das Augenmerk auf das Rundstrahlverhalten des Lautsprechers, denn das, was die Seitenwände des umgebenden Raums reflektieren, mischt sich am Hörplatz mit dem Direktschall zu einem neuen Ergebnis. Wenn der Nachhal und der Direktschall zu sehr abweichen, ist die Glaubwürdigkeit der Musikwiedergabe dahin. Wen kümmert es dann noch, ob die Phase nicht ganz linear ist, zumal man Phasenunterschiede zwischen den Kanälen wahrnimmt (im Grundtonbereich sind Laufzeitunterschiede wesentliche Ortungsstrategie), hingegen Phasenfehler, die auf beiden gleichartig auftreten, (zumindest für mich) extrem schwer herauszuhören sind.

Grüße Hans-Martin
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Hans-Martin hat geschrieben:Linearisiert man den FG, verbessert sich auch das Phasenverhalten. Vielleicht gibt Uli einen weiterführenden Kommentar zu diesem Bereich (IIR).
Das Antwortverhalten ist gekennzeichnet durch eine Pulsantwort. Die lässt sich zerlegen in Minimalphase und Exzessphase. Das, was wir unter Frequenzgang verstehen ist durch die Minimalphase beschrieben. Sie hat einen ihr eigenen Phasengang. Due Exzessphase ist ein Allpass, also perfekter Frequenzgang. Und sie überlagert den Phasengang der Minimalphase mit zusätzlichen Phasendrehungen.

Die Korrektur einer Minimalphase ist wiederum minimalphasig. Wenn man also z.B. inverse IIR-Filter verwendet, um den FG zu korrigieren, wird damit automatisch ein verbesserter minimalphasiger Phasengang erzeugt. Eine Exzessphase bleibt davon unbeeindruckt.

Ein einzelnes Chassis reagiert im Normalfall kausal, also nicht mit Vorschwingern. also minimalphasig. Insofern trägt jede Frequenzgangverbesserung auch zum besseren Phasenverhalten bei.

Selbstverständlich gilt dies nur für das lineare Verhalten, nichtlineare Anteile machen wiederum ihre eigenen, i.a. unerwünschten Einflüsse.

Grüsse
Uli
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phase_accurate
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Beitrag von phase_accurate »

Bei Schaltverstärkern (Digitalverstärker ist m.E. ein Unwort, welches verboten gehört) kommt es darauf an, ob es sich um einen Typen mit pre-oder post- Filter Feedback handelt. Post Filter Feedback erlaubt niedrige Ausgansimpedanzen auch bei hohen Frequenzen. Bei pre-filter Feedback ist der Frequenzgang in der Tat lastabhängig und neigt bei hoher Abschlussimpedanz zu Ueberhöhungen und bei zu tiefer Lastimpedanz zu frühem Abfall im Hochtonbereich.

Rein Frequenzgangmässig betrachtet macht es aber keinen Unterschied, ob man den Frequenzgang mit der Lastimpedanz geradebügelt oder vorher mittels Frequenzgangkorrektur in der Aktivweiche.

Gruss

Charles
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Eunegis
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Beitrag von Eunegis »

Also, zusammengenommen schlußfolgere ich jetzt mal, daß meine Konstellation zwar meßtechnisch nicht ganz geradlinig ist, sich aber in einem Bereich bewegt, der sich per DSP klangtechnisch sehr ordentlich gestalten läßt.

Tieferer Sinn all dieser Fragen ist natürlich die Überlegung, daß ich per DSP zwar einen schönen Frequenzgang basteln kann, dabei aber möglicherweise unbemerkt andere Probleme einschleusen könnte: Verstärkerbelastung, Impedanzprobleme, Phasensauereien, wasweißich ... - ich bin halt nur User und weiß es (derzeit) nicht so detailliert. Man wundert sich ja immer, wieviele Phänomene einem alle gar nicht bekannt sind - siehe nur den Kommentar von Uli Brüggemann: wer kann sonst noch detailliert über Minimalphase und Exzessphase berichten :oops: :mrgreen: ? Schließlich gibt's im Leben selten etwas umsonst. Impedanz, Phase und Klirr sind dabei nur die drei Probleme, die auch ich kenne, weil man sie in jedem Boxenmeßprotokoll nachlesen kann.

Ich kann die Quellen nicht mehr nachvollziehen, aber in der Vergangenheit habe ich z. T. zu lesen bekommen, daß die digitale Entzerrung analoge Probleme z. T. auch nur "nachbildet". Vielleicht war es als ich versuchte, über IIR und FIR zu lesen. Ein lupenreines Allheilmittel ist Digital aber nicht notwendigerweise (schließlich gibts im Leben selten was umsonst). Daraus resultiert jedenfalls eine gewisse kritische Grundhaltung bei mir. Ich möchte vermeiden, vor lauter Spieltrieb ein teures Nullsummenspiel aufzuziehen.

:cheers:
E.
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wgh52
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Beitrag von wgh52 »

Hallo Jens,

Deine latente Skepsis kann ich verstehen, allerdings sollte/könnte sich diese gegen alle Veränderungen an einem "OK" klingenden System richten. :wink: Skepsis auf "digital" zu beschränken wäre bedenklich ...

Mit der nötigen Portion Aufmerksamkeit, Lernwillen und (selbst)kritischer Haltung ranzugehen ist immer anzuraten, damit man sich nicht für (zu) viel Geld "in die eigene Tasche lügt".

Nun ermöglichen die verfügbaren Geräte und Technologien ja ein schrittweises Vorangehen. Ich nehme mal mein Aktivierungsprojekt als Beispiel, denn ich fing mit IIR Halbaktivierung an und bin letztlich bei FIR/IIR kombinierter Vollaktivierung angekommen, weil jeder weitere Schritt nachvollziehbar zu Verbesserungen führte.

Also ich möchte Dich ermutigen, den Weg weiterzugehen - nicht zuletzt weil wir auch noch da sind. :cheers:

Gruß,
Winfried

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O.Mertineit
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Beitrag von O.Mertineit »

Eunegis hat geschrieben: Muß ich also fürs Glattbügeln der Impedanzspitzen doch wieder klassische=analoge Weichenbauteile einfügen?
Hallo Eunegis,

ich halte Deine Eingangsfrage für vollkommen berechtigt. Ich arbeite derzeit an speziellen Mittel-Hochtonarrays, welche potentiell auch in aktiven Konfigurationen von Anwendern mit unterschiedlichen(!) Verstärkern, Aktivmoduln etc. verwendbar sein sollen.

Ich werde dort weiterhin hochwertige passive Bauteile zur Impedanzkompensation - mindestens der Schwingspuleninduktivität - einsetzen, um mögliche klangliche Abweichungen u.a. durch unterschiedliche Auslegungen der Tiefpassfilter in Class-D Verstärkern im obersten Hochton - die impedanzabhängig sind - zu minimieren.

Und warum sollte ich Interessenten auch den Einsatz etwa von Röhrenverstärkern "verbieten" wollen?

Aktive Filtertechnik und passive Impedanzkompensation direkt an den Wandlerklemmen schließen sich m.E. keinesfalls aus und können in diesem Fall die "Interoperabilität" verschiedener Komponenten verbessern helfen. Das ist zumindest meine Sichtweise darauf ...

Auch wenn bei üblicher Spannungssteuerung der Endstufen der große Vorteil aktiver FIlter - aber auch von passiven Line Level FIltern ("PLLXO") - ist, daß die wirksamen Frequenzgänge auch an den Wandlerklemmen (eigentlich) nicht mehr vom Impedanzverlauf der Schallwander abhängen. Es geht jetzt nur noch um die "Interaktion" der jeweiligen Endstufe mit dem Schallwandler.

Baut man jedoch nur für sich selbst und hat auch nicht vor, z.B. die Endstufen mal zu tauschen, dann kann man auf Impedanzkompensation auch verzichten. Ich halte sie aber in jedem Fall für vorteilhaft.

Grüße aus Reinheim

Oliver
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Eunegis
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Beitrag von Eunegis »

@Winfried:
Du hast Recht. Punkt. :cheers:

@alle Anderen:
Eure Einlassungen und die, die ich an anderer Stelle sammeln konnte, deuten, wie gesagt, sehr stark in die Richtung "digital aktiviert = einfach die bessere Lösung" (selbst, wenn nicht 100%ig sauber - aber dann wär's ja auch fast schon langweilig schön :mrgreen: ).

So ist es denn an der Zeit, praktisch zu denken und die Umsetzung zu planen/realisieren. Ich eröffne hierfür mal einen neuen Thread, damit der Inhalt dann auch zur Überschrift passt. Der Thread soll heißen:

Aktivierung 2x3-DSP - mit Eurer Hilfe

Alle weiteren Überlegungen zu den Phänomenen, die in diesem Thread Thema sind, können dann hier bleiben. Offensichtlich bin ich ja nicht der Einzige, der darüber (Impedanzen, etc.) nachdenkt!

Gruß,
E.
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