FIR vs IIR für aktive Frequenzweichen, EQing - und Raumkorrektur?

[wus]

Ich lagere das mal in ein neues Thema aus, weil es mit dem ursprünglichen Thema nichts mehr zu tun hat:

Ich habe übrigens durch den Test dieses Gerätes erstmal überhaupt einen richtigen Einblick bekommen wie das mit FIR überhaupt funktioniert. Weil es hier von der Messung bis hin zum Preset alles in einem Gerät funktioniert.

Mit FIR Filtern habe ich bisher auch noch nichts gemacht. Habe zwar einiges darüber gelesen weil ich mal vor hatte damit was zu machen. Bin dann aber nicht dazu gekommen und inzwischen habe ich wohl das meiste darüber wieder vergessen.

Was sind nochmal die spezifischen Vorteile von FIR Filtern im Vergleich zu den "normalen"(?) IIR?

Ihr könnt gerne mit Links antworten. Meine schnelle Suche hat leider nichts gebracht was mir kurz und bündig (!), und ohne all zu viel Mathematik, die Vorteile oder auch einfach Unterschiede zwischen den beiden Methoden aufgezeigt hätte. Meine alte Schwäche ... Internetsuche ist nicht meine Stärke

[EMP]

Da Links auch erwünscht sind: https://www.advsolned.com/difference...-design-guide/

Hat zwar keinen Bezug zur Raumkorrektur, aber ich vermute mal, dass sie wegen diesem Vorteil genutzt werden:

Linear phase: FIRs can be easily designed to have linear phase. This means that no phase distortion is introduced into the signal to be filtered, as all frequencies are shifted in time by the same amount – thus maintaining their relative harmonic relationships (i.e. constant group and phase delay). This is certainly not case with IIR filters, that have a non-linear phase characteristic.

Bei Frequenzweichen muss man (vermutlich) die Latenz ausgleichen, damit die Treiber zeitlich synchron laufen.

Aber ein interessantes Thema, bei dem ich auch auf Antworten gespannt bin.

[wgh52]

Hallo Wolfgang,

ich versuch's mal kurz und bündig:

FIR Filter sind solche, die es ermöglichen Frequenzgang und Phasengang/Gruppenlaufzeit eines Systems (hier Lautsprecher) getrennt voneinander (mathematisch, also auf digitaler Ebene) zu behandeln. Durch die nötigen komplexen DSP Berechnungen kommt es zu Systemlatenzen, die, je nach gewähltem FIR Entzerrungsbereich bei Videowiedergabe stören können (macht man FIR ab ca. 400Hz ist das kein Problem)

IIR Filter sind solche, bei denen Frequenzgang und Phasengang immer eine feste mathematische und physikalische Abhängigkeit haben (Stidchwort Minimalphasigkeit), darum sind sie auf analoger und digitaler Ebene realisierbar. IIR Filter bedingen keine (auf der digitalen Ebene sehr wenig) Latenz.

Das ist jetzt wirklich sehr kurz und enthält noch wenig des komplexen Hintergrundes. FIR und IIR führen natürlich zu unterschiedlichen Kompromissen, können aber je nach zu behandelndem Problem auch gezielt und gemischt, sich gegenseitig ergänzend eingesetzt werden.

Im Falle meiner Implementierung wird das Chassisverhalten zunächst mit FIR Filtern in F- und Phasengang aus gefensterten Messungen linearisiert, dann werden FIR Weichenfilter zur Trennung definiert und letztlich nach Messung am Hörplatz IIR Parametrische EQ Filter für die Behandlung von Raummoden dimensioniert, weil die Moden selbst auch minimalphasiges Verhalten haben.

[fosti]

bei FIRs kann man Phase getrennt von Ampitude einstellen und umgekehrt....auf Kosten der Latenz....man bekommt in der Physik nix geschenkt....Naturgesetze sind hart.......Nachteil von IIRs ist. Sie können aufschwingen....aber nur wenn man es übertreibt!

EDIT: Winfried war schneller!

[Slaughthammer]

Nachteil von IIRs ist. Sie können aufschwingen....aber nur wenn man es übertreibt!

Dafür können FIR Filter hässliches Preringing erzeugen... wenn man es übertreibt oder nicht genau weiß was man tut.

[wgh52]

Dafür können FIR Filter hässliches Preringing erzeugen... wenn man es übertreibt oder nicht genau weiß was man tut.

Ganz genau!

Meine Erfahrung (die von anderen FIR Nutzern oft geteilt wird) ist, dass FIR am besten "klingt" wenn es nicht zu schmalbandig und nicht zu agressiv eingesetzt wird. Eine gehörmäßige Korrekturoptimierung nach vorheriger Sprungantwortkontrolle (die Preringing ja zuverlässig zeigt) ist angeraten.

[JFA]

Meine Erfahrung (die von anderen FIR Nutzern oft geteilt wird) ist, dass FIR am besten "klingt" wenn es nicht zu schmalbandig und nicht zu agressiv eingesetzt wird.

Dann kann man auch IIR einsetzen.

[wgh52]

Dann kann man auch IIR einsetzen.

Das halte ich für zu kurz gedacht. Du hast mit Deinem Vorschlag dann recht wenn man auf Gruppenlaufzeitkorrektur der Chassis und die Phasenlinearität der Weichen verzichtet sowie flache(re) Weichenfilterverläufe akzeptieren kann/will und den akustischen Phasengang der Gesamtbox anderweitig linearisiert. Das geht z.B. mit Harsch-IIR-Filtern, die aber wiederum andere Kompromisse erfordern . Alles hat halt seinen Preis wie schon gesagt wurde

Die Möglichkeit steile(re) Weichen ohne IIR übliche Gruppenlaufzeitverzerrungen zu verwenden hatte ich im Beitrag oben vergessen , ich selbst verwende meist 48dB/Okt linear Phase-FIR Filter, steiler selten.

[JFA]

Es ging da doch um Entzerrung, oder? Man kann natürlich mit einem FIR tap-genau korrigieren, und dann auch noch die Phase unabhängig davon. Die Frage ist, ob man das überhaupt will. Ich würde niemals so genau filtern, sondern eher in Bandbreiten 1/6 bis 1/3 Oktaven. Das reicht aus, und ist auch stabiler über eine breite Hörzone. Die Phase entzerre ich gar nicht, lohnt sich nicht.

Und von wegen steile Filter: 48 dB/8ve geht noch als IIR bzw. analog ohne zu große GLZ-Verzerrungen zu erzeugen. Kommt ein bisschen auf die tatsächliche Bandbreite an, aber passt üblicherweise.

[wgh52]

@JFA

Es geht nach wie vor ums Threadthema:

FIR vs IIR für aktive Frequenzweichen, EQing - und Raumkorrektur?

Und ich habe dazu meine Erfahrung geteilt, aber ohne diese als einzig gute Lösung hinstellen zu wollen, sondern der beschriebene Ansatz funktioniert (bei mir und für mich) halt sehr gut und schlüssig.

Hinzu kommt vielleicht, dass die von mir genutzte FIR/IIR Methodik Teil eines Gesamtkonzeptes aus Software, Messtechnik und DSP-Gerät ist. Diese hat natürlich auch ihre klaren Grenzen, führt aber relativ leicht zu (für mich) guten Ergebnissen, ohne dass man sich mit reinen IIR Optimierungen abmühen zu müsste

Natürlich kann man das alles ganz anders, z.B. rein analog und mit IIR Filtern und EQs realisieren, aber für mich ist reine IIR Filterung und Entzerrung halt zu komplex und ich nehme dafür den Umweg/Kompromiss über die digitale Domäne zu gehen in Kauf

[JFA]

Es geht nach wie vor ums Threadthema: Und ich habe dazu meine Erfahrung geteilt, aber ohne diese als einzig gute Lösung hinstellen zu wollen, sondern der beschriebene Ansatz funktioniert (bei mir und für mich) halt sehr gut und schlüssig.

Ist ja auch Ok. Mir geht es darum, dass dein Ansatz mit IIR genauso gut ginge. Bei deutlich geringerem Rechenaufwand (gut, ist im Jahr 2021 vielleicht nicht mehr so das Thema*).

Hinzu kommt vielleicht, dass die von mir genutzte FIR/IIR Methodik Teil eines Gesamtkonzeptes aus Software, Messtechnik und DSP-Gerät ist. Diese hat natürlich auch ihre klaren Grenzen, führt aber relativ leicht zu (für mich) guten Ergebnissen, ohne dass man sich mit reinen IIR Optimierungen abmühen zu müsste

Das heißt, du hast das (teil-) automatisiert?

* Sollte es aber immer noch sein: stellt euch mal vor, man würde wieder anfangen, effiziente Programme zu schreiben: wie dann der Energieverbrauch weltweit sinken würde!

[fosti]

Ist ja auch Ok. Mir geht es darum, dass dein Ansatz mit IIR genauso gut ginge. Bei deutlich geringerem Rechenaufwand (gut, ist im Jahr 2021 vielleicht nicht mehr so das Thema*)......

Das sehe ich genauso.....bei mit läuft zu 90% der TV......werde schon wahnsinnig wenn die Lippen nicht zum Ton passen....mit FIR müsste ich da noch mehr mit Latenzen "arbeiten".....

[wus]

Vielen Dank euch allen. Ganz besonders Winfried, auch wenn Deine Antwort neue Fragen aufwirft: was bedeutet Minimalphasigkeit?

Dein

Im Falle meiner Implementierung

macht mich neugierig: kannst Du die mal noch etwas genauer beschreiben? Oder hast Du das schon mal beschrieben? (Link?) Was für Chassis, Gehäuse, DSP, Amps und Messtechnik verwendest Du?

[JFA]

was bedeutet Minimalphasigkeit?

Nichts, was bei Lautsprechern irgendeine praktische Bedeutung hätte.

In lang: ein minimalphasiges System und seine Inverse sind stabil und kausal. Inverse heißt, wenn ich ein System mit der Übertragungsfunktion G habe, dann gilt für die Inverse I: I*G=1 => I = 1/G (komplexe Rechnung beachten!). Stabil heißt, dass das System auf einen begrenzten Eingangswert mit einem begrenzten Ausgangswert reagiert (in Fachsprech: keine Polstellen mit positivem Realteil). Kausal heißt, dass keine Wirkung vor der Ursache auftritt, die Impulsantwort eines solchen Systems für t<0 verschwindet. Beispiele:
ein einfacher Tiefpass 2. Ordnung hat folgende Übertragungsfunktion in der s-Ebene (unnützes formales Detail):
G=1/((sT)^2+2DsT+1)
Dieses System hat eine Nullstelle bei s -> unendlich und 2 Polstellen (komplex konjugiert zueinander) bei s=T. Der Dämpfungsterm 2D sorgt dafür, dass der Realteil dieser Polstellen kleiner Null ist. Damit ist der Tiefpass stabil.
Die Inverse ist dann:
1/G=(sT)^2+2DsT+1
Die Inverse hat also gar keine Polstellen mehr, sondern nur noch Nullstellen, und ist deshalb stabil.
Ein Hochpass 2. Ordnung ist komplizierter:
G=(sT)^2/((sT)^2+2DsT+1)
Eigentlich nur ein über die Zeit zweifach abgeleiteter Tiefpass, hat der jetzt eine doppelte Nullstelle bei s=0. Invertiert:
G=((sT)^2+2DsT+1)/(sT)^2
ist aus der Nullstelle nun eine Polstelle geworden. Mit s=0 ergibt sich dann G(0)=1/0, Division durch 0 ist blöd, das System ist nicht stabil, ein Hochpass ist demnach nicht minimalphasig.
Eine zeitliche Verzögerung T hat die Impulsantwort
g(t)=d(t-T) und die Übertragungsfunktion ist G=e^(-sT). Das invertiert ist 1/G=e^sT, zurück in den Zeitbereich transformiert ist das g(t)=d(t+T), und damit tritt die Wirkung vor der Ursache auf, das System ist nicht minimalphasig.

Was bringt mir das bei Lautsprechern? Die Erkenntnis, dass man Nullstellen (da wo nicht mehr viel rauskommt) nicht vollständig entzerren kann und schon gar nicht es versuchen wollte hatte man auch so schon (hoffentlich). Das einzige, was man erkennen kann, ist die Tatsache, dass sich Allpässe nicht entzerren lassen (sprich: ihre Gruppenlaufzeit auf 0 bringen), weil der resultierende Filter nicht kausal wäre. Deswegen werden da FIRs eingesetzt, die eine fast beliebige, frequenzabhängige Verzögerung ermöglichen. Das Resultat ist dann halt eine furchtbar hohe Latenz.

[wgh52]

Gut. Man kann das alles natürlich unterschiedlich sehen, da sind wir uns einig, ich hatte auch wiederholt betont, dass meine Methodik sich bei mir halt seit vielen Jahren bewährt.

Ich wollte Produktwerbung eigentlich vermeiden und blieb darum wage , aber nachdem Ihr explizit fragt teile ich Details:

Ich besitze zwei (bereits 10 Jahre alte) DEQX PDC-2.6p DSP Vorverstärker nebst kalibriertem Mikrofon, Mik-Anschluss, IR Fernbedienung und Mess-/Steuersoftware. Der PDC wird als Vorverstärker (oder über die Tapeschleife) in die Kette eingeschleift. Das Ganze ist ein Komplettsystem, was für mich den Vorteil bietet, daß alles einfach funktioniert. Mit den Limitierungen kann ich aber leben.

Einige Details:
Der DSP arbeitet mit max, 24Bit/96kHz (neue Geräte bis 24Bit/192kHz).
Digitale Eingangssignale werden mit der Auflösung des Eingangssignales verarbeitet
An digitalen AES Ausgängen werden verabeitete Daten mit der Auflösung des Eingangssignales ausgegeben
Analoge Eingangssignale werden mit 24/26 digitalisiert, DSP verarbeitet und digital oder analog ausgegeben
Gesteuert wird das Ganze mit einer PC Software, die mit verschiedenen Wizzards durch (Bedienungssteuerungen mit Auswahlmenüs) die Messungen und Einstellungen führt
Hinzu kommt eine recht übersichtliche Projektsteuerung, so daß man weis was gemessen und eingestellt wurde, man kann an wählbaren Stellen wieder einsteigen um bei Änderungen nicht von vorne beginnen zu müssen oder durcheinander zu kommen
Die Einmessung erfolgt in zwei (wizzardgesteuerten) Schritten: 1.Amplituden und GLZ Linearisierung nebst Weichenwahl und Kontrolle (alles iterativ machbar) 2. Raumeinmessung
Schritt 1:
Der LS wird möglichst reflektionsarm aufgestellt (z.b. max. weit weg von reflektierenden Flächen oder im Freien), Mikrofon auf Achse in ~1m.
Es folgen Sweep Messungen der einzelnen Wege (wer will kann auch mit Drehteller Winkelmessungen machen und im Projekt abspeichern). Dieser sind als Amplitudengang, GLZ-gang, Sprungantwort, Impulsantwort und Phasengang in Ansichtsfenstern umschaltbar gezeigt und automatisch im Projekt gespeichert
Die Messung auf Achse wird nun vor der ersten im Impulsdiagramm sichtbaren Reflektion gefenstert und damit die untere Grenze für die Amplituden/GLZ Linearisierung definiert
In einem Amplitudengangdiagramm, das die Kurven der Chassis enthält, werden nun die Übergänge (grafisch oder als Zahl) gewählt. In separaten Fenstern kann man dazu z.B. die Winkelmessungren zu Rate ziehen.
Weichenmäßig sind ein bis drei Wege möglich, wobei es einen dedizierten Subwoofermodus gibt
Weichen können als phasenlineare FIR Weichen (48...300dB/Okt) oder IIR Weichen gewählt werden
Jetzt kommt der Linearisierungsschritt in dem man die Stärke der Messungsdatenglättung wählt und grafisch Fenster über die Frequenzgänge der Chassis führt um Freuqenz und Pegelbereiche der Linearisierung einzustellen. Das alles geht iterativ, man kann also auch zurückgehen um Änderungen zu machen.
Durch die optional wählbare Sprungantwortoptimierung werden z.B. unterschiedliche Lagen der akustischen Zentren der Chassis automatisch engeglichen (geht auch manuell je Weg)
Dann werden die Filtersätze berechnet und (automatisch wie vorher gewählt gefensterte) Kontrollmessungen gemacht.
Jetzt werden die Filtersätze im DSP VV gespeichert und man kann z.B. Kontrollmessungen unter Winkel machen, wieder in die Weichendefinition einsteiben und neue Filtersätze berechnen lassen, die wieder automatisch und gut unterscheidbar im Projekt gespeichert werden.
Ist da alles zur Zufriedenheit gemacht, hat man einen linearisierten Lautsprecher mit optimierten FIR Weichen. Aber der ist halt komplett linear, was sich oft tonal (im Raum) nicht gut oder nicht schön anhört, darum
Schritt 2:
Die Lautsprecher wandern an den vorgesehenen Standplatz, das Mikro an den Hörplatz.
Jetzt erfolgen Sweepmessungen, die automatisch im Projekt gespeichert werden.
Es ist angeraten, an einigen/mehreren Punkten an und um den Hörplatz solche Sweeps aufzunehmen, diese werden in einem Fenster farblich unterscheidbar dargestellt.
Man kann sich nun einen Vorschlag zur Behandlung der sichtbaren Unlinearitäten machen lassen, diese nach Gusto verändern oder komplett von Hand die 16 verfügbaren parametrischen IIR Equalizer (grafisch oder mit Zahleneingaben) einstellen.
Das bietet die Möglichkeit Raummoden mit weniger Energie zu versorgen und gleichzeitig die Tonalität nach eigenem Geschmack einzustellen. Während der IIR PEQ Einstellungen kann Musik laufen, man hört die Veränderungen direkt, ohne Verzögerung.
Das alles wird im Projekt dokumentiert, so dass man leicht wieder einsteigen kann um z.B. auf Grundlage der Messungen neue Parametersätze zu erzeugen.
Es sind vier vollständige Parametersätze im Gerät abspeicherbar und per Fernbedienung wählbar.

Das war jetzt viel, ich weis... Hört sich komplex an, ist's aber nicht wirklich. Ja, hat Grenzen, aber jede Methodik hat ihre. Ich kann DEQX empfehlen, der größte Nachteil ist halt der Preis von Neugeräten, darum bleib ich bei meinen alten

Noch ein Hinweis zur FIR Latenz:
In meinem Fall ist Latenz kein Problem, weil die FIR Entzerrung nicht bei 20Hz einsetzt, sondern die Modenbehandlung mit IIR PEQs erfolgt und die FIR Entzerrung erst bei 300-400Hz beginnt (ja, dás ist eine Limitierung!). Dadurch bleibt die Latenz bei MusikVideo, TV oder Film im nach meiner Erfahrung nicht störenden bzw. nicht wahrnehmbaren Zeitbereich.

[wus]

Ui, jetzt wirst Du aber vaghalsig

Ja, war viel... aber sehr interessant. Danke dass Du Dir die Mühe gemacht hast uns das so detailliert darzustellen!

[BiGKahuunaBob]

Dafür können FIR Filter hässliches Preringing erzeugen... wenn man es übertreibt oder nicht genau weiß was man tut.

Ganz genau!

Meine Erfahrung (die von anderen FIR Nutzern oft geteilt wird) ist, dass FIR am besten "klingt" wenn es nicht zu schmalbandig und nicht zu agressiv eingesetzt wird. Eine gehörmäßige Korrekturoptimierung nach vorheriger Sprungantwortkontrolle (die Preringing ja zuverlässig zeigt) ist angeraten.

Die Theorie ist klar, aber wie relevant ist das in der Praxis? Was heisst hier übertreiben? Dürfen Filter nicht zu steil sein? Ich habe bei 96db/oct keine Artefakte hören können...

[Slaughthammer]

Wenn du nur die Hoch/Tiefpässe mit FIR machst und die Laufzeitkorrektur zwischen den Chassis sauber sitzt, löscht sich das Preringing am Ende ziemlich gut aus. 96 db/8ve ist da aber noch harmlos. Kannst dir das Preringing auch in der Impulsantwort im Messystem angucken und mal gucken, wie laut das im Verhältnis zum Nutzsignal ist. Bei klassisch angeordneten Treibern wird das mit der Auslöschung auch unter vertikalen Winkeln nicht so gut klappen.

Ich habs bisher nur gemessen, nicht gehört. Es ist halt ein leichtes das messtechnisch in den Griff zu bekommen, warum soll ich mich da mit der Hörbarkeit belasten?

Gruß, Onno

[wgh52]

Wir (Wolfgang und ich) wohnen nur ca. 50km voneinander, kennen uns von früher und hatten uns etwas aus den Augen verloren... Wir werden uns bald für weiteren Austausch und praktische "Übungen" persönlich treffen.

Ein auf das Forum!

[BiGKahuunaBob]

Ich habs bisher nur gemessen, nicht gehört.

Mir ging es darum ob diese Artefakte in der Praxis überhaupt gehört werden (können). Und was man anstellen muss um das zu provozieren. Aber wenn man jetzt keinen Bock schisst, dann tauch das ja eigentlich gar nicht auf.