Aktiv-Passiv-Hybridfilter

Lautsprecherbau und -tuning

Aktiv-Passiv-Hybridfilter

Beitragvon Daihedz » 02.08.2015, 11:41

Hallo Forenten

Ich möchte eine Diskussion über eine Kombination von verschiedenen Filterstrukturen innerhalb von Frequenzweichen anregen: Ist es sinnvoll, in einem Lautsprecher für die Frequenzweiche gleichzeitig sowohl digitale Filter, als auch aktive OP-Amp-beschaltete Filter und/oder passive Filter im Verbund einzusetzen?

Alle Methoden der Filterung haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Mit passiven Filtern z.B. ist das einzelne Chassis vor Unbill aus dem Verstärker geschützt. Kein Gleichstrom vom Verstärker (ausser für den TT), gefilterte Ein-Aus-Transienten des Verstärkers, gefilterter Rauschteppich des Verstärkers. Passive Filter fügen jedoch eigene Artefakte bei und koppeln das Chassis von eigentlich erwünschten Einflüssen des Verstärkers ab. Feedbacksysteme sind hinter Passivfiltern nicht möglich. Aktive Filter fügen dem Nutzsignal etwas Rauschen bei und verschlingen je nachdem eine ganze Reihe von Op-Amps. DSP leidet bei der DA-Wandlung unter mehr oder weniger Jitter, das kann deshalb sehr teuer werden bei 4-10 Kanälen mit dem Anspruch auf möglichst hochwertige DA-Wandlung. Des weiteren tritt bei linearphasigen Filtern PreRinging auf (besonders bei steilen Filtern)... Es wären sicherlich noch andere, spezifische Vor-und Nachteile für die einzelnen Filtertypen zu erwähnen.

Angeregt durch Berichte aus dem Forum (z.B. Cay-Uwe mit seinen wohltönenden Passivfiltern) und aufgrund eigener Erfahrungen (mit einmen Stapel verbrannter Tweetermembranen, resp. teilweise stark rauschender DA-Elektronik (RME HDSP 9632)) frage ich nun in die Runde, was von der Idee von Hybridfiltern zu halten ist.

Denkbar wären z.B. Einfachst-Passivweichen mit bloss einem dem Chassis seriell vorgeschalteten, adäquat dimensionierten und hochwertigen Folienkondensator und einer ditto Luftspule, welche gemeinsam mit dem Chassis ein zunächst relativ breitbandiges Durchlassverhalten hätten (z.B. mit ca. -1dB ... -4dB bei den vorgesehenen Übergangsfrequenzen). Diese serielle Passivkombination würde das Eingangssignal des LS-Chassis für den TT- und den HT-Bereich mit -6dB/Okt abschwächen und DC gänzlich blockieren. Und der Rest erledigt DSP, möglicherweise mit dem Vorteil eines minimierten PreRingings im Falle eines Linearphasigen Filters.

Selbstverständlich könnten auch etwas komplexere passive Filter als das zuvor beschriebene zur Antwendung kommen. Es sind beliebige Kombinationen denkbar, welche die Nachteile der unterschiedlichen Filtermethoden gegenseitig minimieren könnten. Es müsste bloss darauf geachtet werden, dass in den einzelnen aktiven oder DSP-Filterstufen ausschliesslich Dämpfung stattfinden soll. Ein passives Filter wird ohnehin in den meisten Fällen ausschliesslich dämpfen.

Aktiv-Passive Grüsse
Simon
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Beitragvon KSTR » 02.08.2015, 11:46

Ich verwende gern diesen Mischmasch, wenn es darum geht das optimale rauszuholen, v.a. bzgl S/N
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Beitragvon meroVinger-audio » 02.08.2015, 11:49

Hallo Simon,

nur um sicherzugehen das richtig verstanden zu haben:

Der Zustand ist nun wie folgt:
Ein Hochtöner und ein Tieftöner (Bsp. 2-Wege). Zwei Monoendstufen, jeweils 6dB-Filter pro Weg. Soweit korrekt?

Sollen nun die DSP/aktiven Analogfilter nur eine Über-Alles-Korrektur vornehmen oder die vorhandenen Wege ergänzen, also auch quasi die Funktion der Frequenzweiche übernehmen um so z.B. dann 12 dB oder mehr zu erreichen?

Herzliche Grüße

Peter
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Beitragvon NNEU » 02.08.2015, 11:50

Hallo Simon,

Sehr interessantes Thema. Ich denke auch darüber nach seitdem Cay-Uwe wieder auf passiv gewechselt ist.

Mich würde am meistens interessieren welche passiven Bauteile man in Verbindung mit einem Hochtöner verwenden kann, welche die schärfe nehmen, jedoch eine Weichenfunktion haben.


Viele Grüsse,

Noel
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Beitragvon Hans-Martin » 02.08.2015, 12:31

Hallo Simon
Du erwähnst nur HT und TT, also 2-Wege.
Mein Quick&Dirty-Minimalismus-Vorschlag dafür lautet:
Der Verstärker +Ausgang treibt den Hochtöner direkt, der übliche bestmögliche (PP, induktionsarm) Kondensator liegt aber in der Leitung nach Masse, (die Spule für 12dB wäre wie üblich parallel zum HT) und diese Passivweiche bestimmt die Übergangsfrequenz und den Transitverlauf.
Ein 2. Verstärker (Spannungsverstärkung = 1) greift vom Kondensator-HT-Übergabepunkt sein Signal ab und treibt den TT. Der Kondensator ist zugleich der Tiefpass für das ergänzende Chassis, da der Verstärkereingang mit 10-50kOhm hochohmig, und ein Koppelkondensator im Eingang üblich ist, kann man Rückwirkungen auf die Weiche vernachlässigen.
Für eine 3-Wege Box kann man dasselbe Spielchen mit dem MT machen, dessen passiver Hochpass wie beim HT in der Masseleitung liegt, wieder Abgriff, usw.
Da jeweils ein hochwertiger Kondensator parallel zum nachfolgenden Verstärkereingang liegt, sollte Rauschen kein Thema sein, und bei Spannungsverstärkung = 1
Keine OPs, kein DSP, subtraktive Weiche, quick&dirty... geht natürlich nicht mit Brückenverstärkern (Class-D), auch nicht mit Röhrenendstufen mangels Last im Bass.
Bei Class D Endstufen könnte man über hochohmige Übertrager nachdenken, das habe ich aber nicht ausprobiert.
Mein Vorschlag ist vermutlich nicht ganz die Art Hybrid, die du erwartet hast... :wink:
Grüße Hans-Martin
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Beitragvon Daihedz » 02.08.2015, 15:00

Hallo Peter

meroVinger-audio hat geschrieben:... Ein Hochtöner und ein Tieftöner (Bsp. 2-Wege). Zwei Monoendstufen, jeweils 6dB-Filter pro Weg. ...

Ja, in der einfachsten Variante. Kann auch Mehrweg sein, zunächst mit approximativen passiven 6dB-Filtern pro Weg.

meroVinger-audio hat geschrieben:Sollen nun die DSP/aktiven Analogfilter nur eine Über-Alles-Korrektur vornehmen ...

Nein

meroVinger-audio hat geschrieben:... oder die vorhandenen Wege ergänzen, also auch quasi die Funktion der Frequenzweiche übernehmen um so z.B. dann 12 dB oder mehr zu erreichen?

Ja. Genau so. Die vorgeschlateten Filter agiert dann komplementär zu den einzelnen Zielfunktionen. Aber wie gesagt, ich möchte nach Möglichkeit keine Verstärkung in den vorgeschalteten Filtern vorsehen (das wäre auch zu diskutieren...). Dann wird es mit einer Zielfunktion von 12dB/Okt sehr knapp. Denn das Chassis hat einen HP-Charakter, das passive Weichenfilter ebenso, das sind dann schonmal bald 12dB/dB ganz ohne weitere Korrekturfilterung.

@Hans-Martin: Mir geht es hier gar nicht um Quick&Dirty-Designs, sondern ums Gegenteil. Im Übrigen zu Deiner Idee: Aufgrund der nicht-linearen Impedanzverläufe der einzelnen Chassis und der Addition aller Verstärkerfehler dürfte das Signal für das Chassis am Ende der Kette tatsächlich ziemlich "dyrty" sein. Vergessen wir's also, das hier weiter zu diskutieren ...

Grüsse
Simon
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Beitragvon dietert » 02.08.2015, 16:26

Hallo miteinander,

dazu habe ich ein praktisches Beispiel.

Habe mich damit beschäftigt, Technics SB RX-50 Boxen zu aktivieren, die ich vor einigen Wochen an Land ziehen konnte. Es ist ein flaches Koax-System, dessen Mitteltöner bei 2,5 und 4 KHz Resonanzen zeigt. Diese sieht man bei 800 Hz und 1,3 KHz als resonanten Klirr (D3). Aus meinen Experimenten weiß ich, dass dieser Klirr weggeht, wenn ich den Mitteltöner mit einem Vorwiderstand von 22 Ohm betreibe (was ich natürlich nicht möchte). Das zeigt mir, dass eine Korrektur des Frequenzgangs per DSP die Klirrpeaks nicht beseitigen wird, sondern was ich brauche, sind passive Sperrkreise für die beiden Resonanzen. Leider habe ich es noch nicht fertig, weil diese Resonanzen recht schmal sind, und für Sperrkreise hoher Güte fehlen mir noch die richtigen Bauteile.

Habe allerdings irgendwann die Beschreibung eines Aktivmoduls gelesen, bei dem man nicht nur den Frequenzgang, sondern auch den Impedanzverlauf frequenzabhängig konfigurieren kann. Mal sehen, ob ich es wiederfinde. Mit so einer Technologie sehe ich dann eigentlich keinen zwingenden Grund mehr für passive Bauteile.

Grüße,
Dieter T.
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Beitragvon FoLLgoTT » 02.08.2015, 21:04

Daihedz hat geschrieben:Des weiteren tritt bei linearphasigen Filtern PreRinging auf (besonders bei steilen Filtern)...

Das aber bei Tief-und Hochpass entgegengesetzt schwingt und sich somit vollständig auslöscht. Als Frequenzweiche mit symmetrischen Filtern existiert dieses Problem bei FIR-Filtern also nicht. :)

Gruß
Nils
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Beitragvon uli.brueggemann » 02.08.2015, 21:31

FoLLgoTT hat geschrieben:
Daihedz hat geschrieben:Des weiteren tritt bei linearphasigen Filtern PreRinging auf (besonders bei steilen Filtern)...

Das aber bei Tief-und Hochpass entgegengesetzt schwingt und sich somit vollständig auslöscht. Als Frequenzweiche mit symmetrischen Filtern existiert dieses Problem bei FIR-Filtern also nicht. :)

Theoretisch ja, praktisch aber mit Einschränkung. Weil das Vorschwingen jedes Zweiges noch durch die Eigenschaften der Chassis mit beeinflusst wird. Und dann müssen sich die entgegengesetzten Schwingungen nicht mehr unbedingt auslöschen.
Und je länger das Vorschwingen ist (also je steiler das Filter) umso größer die Wahrscheinlichkeit, dass das Auslöschen nicht 100pro passt. Man denke dabei auch z.B. an die unterschiedlichen Abstrahlrichtungen der Chassis im Übergangsbereich.

Grüsse
Uli
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Beitragvon FoLLgoTT » 03.08.2015, 06:18

uli.brueggemann hat geschrieben:Theoretisch ja, praktisch aber mit Einschränkung. Weil das Vorschwingen jedes Zweiges noch durch die Eigenschaften der Chassis mit beeinflusst wird. Und dann müssen sich die entgegengesetzten Schwingungen nicht mehr unbedingt auslöschen.

Das kann man ja minimieren, indem man die Zweige vor der Trennung minimalphasig entzerrt, damit sie im Übernahmebereich möglichst keine Phasendrehung erzeugen. Und die eingestellten Verzögerungen helfen ja auch beim Übereinanderlegen der Impulse.

Und je länger das Vorschwingen ist (also je steiler das Filter) umso größer die Wahrscheinlichkeit, dass das Auslöschen nicht 100pro passt. Man denke dabei auch z.B. an die unterschiedlichen Abstrahlrichtungen der Chassis im Übergangsbereich.

Ja, unter Winkeln wird das nicht mehr korrekt funktionieren. Kann ja auch gar nicht, wenn beide Impulse zeitverzögert zueinander eintreffen. Das heißt, bei Reflexionen bleibt das Preringing erhalten.

Gruß
Nils
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Beitragvon uli.brueggemann » 03.08.2015, 07:13

FoLLgoTT hat geschrieben:Ja, unter Winkeln wird das nicht mehr korrekt funktionieren. Kann ja auch gar nicht, wenn beide Impulse zeitverzögert zueinander eintreffen. Das heißt, bei Reflexionen bleibt das Preringing erhalten.

So isses. Meine Absicht war, deutlich zu machen, dass die absolute Aussage
FoLLgoTT hat geschrieben:Das aber bei Tief-und Hochpass entgegengesetzt schwingt und sich somit vollständig auslöscht. Als Frequenzweiche mit symmetrischen Filtern existiert dieses Problem bei FIR-Filtern also nicht. :)

etwas relativiert betrachtet werden muss. Selbst bei zusätzlicher Chassisentzerrung.

Grüsse
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Beitragvon KSTR » 03.08.2015, 10:08

Das Ringing off-axis tritt auch bei nicht-linearphasigen Trennungen auf -- je steiler desto schlimmer, bloß dass es technisch keine Preringing ist, aber fast so wirkt. Das wird bei der 'FIR==böse'-Fraktion gern unterschlagen.
Diese Einsicht kommt aber schnell, wenn man bei einer guten minimalphasigen Trennung die Phase 'über alles', also beide Wege 100% gleich entzerrt -- wo sollte da zusätzliches Ringing herkommen können? Richtig, garnicht.
Steile Filter sind off-axis immer problematisch, egal ob linearphasig oder nicht. Und je schlimmer je weiter die Schallentstehungsorte auseinander liegen und je unterschiedlicher die Bündelung im Trennbereich ausfällt, die beiden Kriterien die vollständige Auslöschung des Klingelns verhindern.
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Beitragvon KSTR » 03.08.2015, 10:24

dietert hat geschrieben:Habe allerdings irgendwann die Beschreibung eines Aktivmoduls gelesen, bei dem man nicht nur den Frequenzgang, sondern auch den Impedanzverlauf frequenzabhängig konfigurieren kann. Mal sehen, ob ich es wiederfinde. Mit so einer Technologie sehe ich dann eigentlich keinen zwingenden Grund mehr für passive Bauteile.
(Unterstreichung durch mich).
Höchst interessant, denn diese Strategie der optimalen frequenzabhängigen Speiseimpedanz propagiere ich seit Jahren. Bisher habe ich noch keine vollständige aber wahlfreie Implementation dieses Prinzips für Endanwender irgendwo gesehen, mal von einfachen Eingriffen in die Gegenkopplung linearer Endstufen abgesehen, das gibt es seit Röhrenzeiten : Stan White mit seinem POWRTRON, ein Verstärker mit mixed-feedback, damals eine radikale Idee (genauso wie er als einer der ersten aktive Mehrweg-Konzepte propagiert hat). Frequenzabhängiges mixed-feedback wird nicht viel komplizierter (habe ich schon oft implementiert), aber die Freiheitsgrade in Analogtechnik sind begrenzt.
Für Entwickler gibt es aber seit neuestem einen Chip (kleiner DSP mit PWM-Controller und einem Haufen schneller ADCs, d.h. das Feedback-'Shaping' passiert in der digital domain), mit dem tatsächlich arbiträres mixed-feedback möglich wird. EV-Boards sind schon verfügbar.
Aber wir schweifen vom Thema ab....
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Beitragvon phase_accurate » 03.08.2015, 11:15

KSTR hat geschrieben:

aber die Freiheitsgrade in Analogtechnik sind begrenzt.


Ich habe extrem viel Mühe das zu glauben. Oder genauer ausgedrückt das, was der Satz für mich impliziert: Dass man digital mehr Freiheitsgrade hätte. Dass jedes System nur begrenzte Freiheitsgrade kennt ist ja gegeben.

Und falls es doch digital mehr Möglichkeiten geben sollte, wüsste ich nicht wozu. Alle Fehler, welche mit Hilfe einer frequenzabhängigen Ausgangsimpedanz überhaupt korrigierbar sind, sollten auch mit Analogtechnik zu "erschlagen" sein.

Oder hast Du mir ein praktisches Beispiel, oder einen Wunsch für einen bestimmte Lösung ?

Gruss

Charles
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Beitragvon dietert » 03.08.2015, 11:35

Hallo miteinander,

die Luftspulen, die ich hier habe, waren für Sperrkreise hoher Güte eben nicht gut genug.
Und der DSP mit Korrekturen im Frequenzgang beseitigt nicht den resonanten Klirr.
Eine einfache Manipulation an einer handelsüblichen Endstufe liefert ja Spannungssteuerung bei niedrigen Frequenzen und Stromsteuerung bei höheren Frequenzen. Damit beseitige ich zwar den resonanten Klirr, aber nicht die Peaks im Frequenzgang.
Also kann ich es mit einer Kombination versuchen: Die Stromsteuerung gegen den Klirr und den DSP für die Korrektur des Frequenzgangs (und die Weiche). Damit spare ich mir wahrscheinlich den Einbau besonderer Spulen und Kondensatoren für Sperrkreise.

Die DSP-Endstufe mit konfigurierbarer Ausgangsimpedanz habe ich erstmal nicht wiedergefunden, nur einen Aufsatz bei Rod Elliott. Er verweist übrigens auf ein Patent, was Tymphany in diesem Bereich hält.
http://sound.westhost.com/project56.htm

Grüße,
Dieter T.
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