www.radonmaster.de/robernd/    Stand: 07. Jan 2006

Audio Filter (diese Seite ist noch im Entstehen)

Die digitale Audiotechnik hat sich längst etabliert. Aber immer wieder kommt es vor, dass der Amateur seine Aufzeichnungen manipulieren möchte oder muss. Dafür braucht er Filter, die Frequenzgänge anpassen oder unerwünschte Töne entfernen. Speziell dann, wenn er alte Aufzeichnungen aufbereiten möchte. Einige nicht ganz alltägliche Filter werden hier vorgestellt.

De-Emphasis Filter

Insbesondere bei älteren analogen Audiosystemen stört das Rauschen der Geräte oder Übertragungswege erheblich. Überwiegend sind es die höherfrequenten Rauschanteile, die uns stören. Deshalb ist es weit verbreitet, vor dem Senden oder Aufzeichnen die hohen Frequenzen anzuheben (lauter zu machen). Diesen Vorgang nennen wir Pre-Emphasis. Die hohen Töne in Musik und Sprache sind in der Regel weit leiser als die tiefen oder mittleren Töne. Deshalb wird die maximal mögliche Übertragungslautstärke durch diese Anhebung nicht überschritten. Bei der Wiedergabe werden diese Frequenzen wieder abgesenkt (leiser gemacht). Das heißt entsprechend De-Emphasis. Beispiele dafür sind die Radioübertragung (UKW-Rundfunk), PCM-Aufzeichnungen auf Videobändern (mit PCM-Processor, siehe Alte PCM-Aufzeichnungen retten), Digital Audio Tapes (DAT) oder CDs.

Hier beschäftigen wir uns mit der (digitalen) PCM-Aufzeichnung. In allen Anwendungsfällen (PCM-Processor, DAT, CD) ist die Pre-Emphasis nicht vorgeschrieben sondern nur eine erlaubte Möglichkeit. Trotzdem muss jedes Abspielgerät eine entsprechende De-Emphasis-Schaltung haben, damit im Falle eines Falles die Wiedergabe einwandfrei ist.
Normalerweise hat der Benutzer dieser Geräte mit der De-Emphasis nichts zu schaffen. Es sei denn, er übernimmt einen digitalen Audio-Datenstrom als WAVE-Datei in seinen Computer. Dabei bleibt die Steuerinformation zum Einschalten des De-Emphasis-Filters auf der Strecke, und die Wiedergabe kling viel zu schrill, weil die hohen Töne zu laut sind (sofern eine Pre-Emphasis während der Aufnahme verwendet wurde).
Man muss dann entweder die ursprüngliche Steuerinformation wieder hinzu fügen, oder aber die nötige Filterung mit Software im PC vornehmen. Wir beschäftigen uns hier mit der Filterung durch Software.

Zunächst sucht man PC-Programme, die die De-Emphasis-Filterung an den Audiodaten (WAVE-Datei) ausführen. Mir ist es nicht so recht gelungen, geeignete Software zu finden. Zumindest ist die Auswahl nur klein. Die gängigen Audio-Editoren sollten eigentlich derartige Filter zur Verfügung stellen. Aber die Autoren halten sich damit sehr zurück.
Im konkreten Fall beherrschen es weder GoldWave noch WaveEdit (von Nero7). Auch bei anderen konnte ich zumindest in den Feature-Listen nichts finden. GoldWave bietet aber zumindest einen Parametrischen Equalizer, der sich dafür verwenden lässt. Es ist jedoch etwas mühsam, ihn dafür herzurichten. Hier meine Einstellungen:

De-Emphasis Filter für Audio-Aufzeichnungen, realisiert durch drei Bandpassfilter in GoldWafe

Diese Filterkonfiguration lässt sich sinngemäß auch von anderen Audioeditoren verwenden (z.B. WaveEditor von Nero). Gain, Mittenfrequenz und Bandbreite müssen dabei eventuell in deren spezielle Nomenklatur umgerechnet werden.
Meine Erfahrung zeigt, dass man auf jeden Fall ein angebotenes Filter auf seine richtige Funktion prüfen muss. Dafür ist eine Tonfolge mit Pre-Emphasis geeignet, wie sie sich mit dem Archiv demp_wav.rar downloaden lässt (entpacken mit WinRAR). Nach Anwendung eines De-Emphasis Filters müssen alle Töne die gleiche Amplitude haben. Die folgenden Grafiken zeigen, wie das in der Praxis aussieht.


Zeitlicher Verlauf der Testaufzeichnung mit Pre-Emphasis. Die farbigen Balken stellen Töne unterschiedlicher Frequenz dar. Die Dauer der Töne ist unterschiedlich, damit sie sich der Grafischen Darstellung besser zuordnen lassen. Zwischen den Test-Tönen gibt es Pausen von 2 sec Dauer. Die Amplituden wurden mit der oben angegebenen Formel berechnet.


Die selbe Testaufzeichnung nach der Anwendung der oben beschriebenen Filterkonfiguration.

Vorsicht! Es gibt auch Programme, die fehlerhafte De-Empasis Filter anbieten. So sieht das Ergebnis nach Anwendung des Programms Sound eXchange SoX 12.17.9 aus:
http://sourceforge.net/projects/sox


Es wäre noch akzeptabel, wenn der Frequenzgang nicht ganz passt. Es ist aber sehr schlecht, wenn beide Kanäle unterschiedlich behandelt werden.

Die weiteren Ausführungen enthalten Informationen, die prinzipiell die eigene Herstellung von Filtern und Testtönen erlauben. Recht nützlich ist dafür der kostenlose Wave File Generator von NT-Instruments. Damit lassen sich Audio-Files mit Sinustönen, Frequenz-Sweeps oder Rosa Rauschen erzeugen. www.nt-instruments.com/support

PCM-Aufzeichnungen auf Videokassetten, DAT-Bändern oder CDs erfolgen im wesentlichen nach dem gleiche Standard. Dementsprechend ist auch eine eventuelle Pre-Emphasis in allen Fällen gleich. Ursprünglich wurden derartige Filter aus einfachen analogen Schaltungen aufgebaut. Es wird deshalb nicht direkt der nötige Frequenzgang eines Filters angegeben sondern die Zeitkonstanten der verwendeten RC-Glieder (Widerstand-Kondensator Kombination). Die Zeitkonstante (in Sekunden) ist das Produkt aus Widerstand (R, in Ohm) und Kapazität (C, in Farad). Je nach Anordnung von Widerstand und Kondensator ist es ein Hochpass (hohe Frequenzen passieren, tiefe werden abgeschwächt) oder Tiefpass (tiefe Töne passieren, hohe werden abgeschwächt).

Die Pre-Emphasis bei PCM-Ton (also bei der Aufnahme) verwendet ein Hochpass mit R x C = 50 uSec (Mikrosekunden). Damit die Anhebung bei ganz hohen Tönen begrenzt ist (auf ungefähr 10 dB), kommt zusätzlich ein Tiefpass mit 15 uSec hinzu.
Bei der Wiedergabe ist es genau umgekehrt: 50 uSec Tiefpass und 15 uSec Hochpass.
Der Frequenzgang dieser Anordnung lässt sich berechnen, an einer realen Anordnung experimentell Messen oder mit einem Simulationsprogramm für elektronische Schaltungen virtuell ermitteln. Alle Wege sollten natürlich zum gleichen Ergebnis führen. ;-)

Formeln zur Berechnung der De-Emphasis und Pre-Emphasis

Die erste Formel findet man im Internet an verschiedenen Stellen. Sie soll aus "Sound Recording Handbook" von John M. Woram stammen. Ich habe die Formeln in einer Excel-Tabelle angewendet, in der auch die Rechenergebnisse enthalten sind: demp_tab.xls

Die Funktion einer einfachen De-Emphasis Schaltung

   

Die hier abgebildete De-Emphasis Schaltung ist in meinem PCM-Processor von Sony eingebaut. AC symbolisiert einen (idealen) Wechselspannungsgenerator mit variabler Frequenz. Das Ausgangssignal V(out) wird am Punkt "out" abgegriffen.
Es ist etwas mühsam, die Schaltung aufzubauen und auszumessen. Einfacher ist es, sie rechnerisch zu simulieren. Das bekannteste Programm dafür ist SPICE. Ursprünglich ist es Freeware, jedoch haben verschiedene Firmen um die Kommandozeilenversion eine grafische Benutzeroberfläche gestrickt und lassen sich die auch bezahlen. Bei Linear Technology gibt es die kostenlose Variante SwitcherCAD www.linear.com/designtools. In diese lässt sich meine Schaltungsbeschreibung demp_sim.asc ohne viele Vorkenntnisse einlesen.
Mit einem Klick auf das laufende Männchen in der Symbolleiste oben links (und V(out) wählen) liefert das Programm den Frequenzgang der Schaltung, wie er in der Grafik dargestellt ist. Dieser stimmt mit den Zahlen aus der Formel darüber bestens überein. Beim Vergleich muss man beachten, dass die rein passive Schaltung das gesamte Signal abschwächt. Dadurch ist die Nulllinie um ungefähr 2,5 dB nach unten verschoben.

Es kann sinnvoll sein, die De-Emphasis Filter den verwendeten Geräten individuell anzupassen. Bei meinem PCM-Processor kommen bei der Aufnahme die ganz hohen Frequenzen etwas zu kurz. Das merkt man, wenn man einen variablen Sinuston (Frequency Sweep) aufzeichnet und anschließend die Daten digital ausliest. In diesem Fall habe ich die oben beschriebenen Filtereinstellungen etwas verändert:

Angepasste De-Emphasis Filter für Audio-Aufzeichnungen von Sony PCM-601