Wie linearphasige Equalizer funktionieren


Momentan wird viel und intensiv über linearphasige Equalizer gesprochen. Vor allem auf Gearslutz und in Facebook Gruppen wird das Thema heiss diskutiert. Das hat wahrscheinlich auch damit zu tun, dass mehrere Plugin-Schmieden diese Art von Filtern verbessert und in spezialisierte Tools eingebaut haben. Vorreiter dieser Welle sind die Jungs von Leapwing Audio, die diese Filter als Frequenzweichen für ihre Pluginserie benutzen. Auch Hersteller wie Fabfilter, DMG AudioMAAT und viele mehr haben Phasenlinearität in ihre Equalizer implementiert.

Weshalb brauchst du einen linearphasigen Equalizer?

Ist dir auch schon aufgefallen, dass durch starke Eingriffe mit dem Equalizer in deinem Audio seltsame Artefakte entstehen? Vielleicht möchtest du eine starke Resonanz entfernen, doch nach dem Entzerren klingt das File dünn und setzt sich im Mix nicht mehr durch.

Das liegt daran, dass jede Anwendung eines Filters Phasenverschiebungen (Rotationen) erzeugt.

Was bedeutet das?

Sind zwei Signale in Phase besitzen sie genau dasselbe Schwingverhalten. Das heisst die Frequenz ist dieselbe und die Berge und Täler des Signals liegen genau aufeinander. Beim Zusammenmischen dieser beiden Signale addieren sich die Amplituden, der Ton wird lauter und bleibt vom Klangbild her gleich. Es entsteht keine Färbung des Audiomaterials. Sobald jedoch eines der Signale zeitlich verschoben wird, löschen sich Teile des Signals aus. Bei einer starken Phasenverschiebung kann es sogar vorkommen, dass gewisse Audioinformationen gänzlich verloren gehen.

Im folgernden Video siehst du zwei Sinuswellen die phasengleich sind. Das eine Signal wird langsam verschoben und du hörst wie die Lautstärke zuerst ab- und danach wieder zunimmt.

Achtung! Stell deine Kopfhörer oder Lautsprecher ein bisschen leiser, der 1kHz Ton kann sehr unangenehm sein.

Diese Phasenverschiebung beeinflusst die zeitliche Position deines Signals. Durch den Einsatz eines Filters verlieren gewisse Signalanteile ihre Tighness und beginnen unnatürlich schwammig zu klingen. Wenn du beispielsweise eine Snare in einem gewissen Frequenzbereich bearbeitest, verschiebt sich dieser in der Zeit und es kann vorkommen, dass die Transienten des Signals verschoben werden. Dadurch wird der Attack der Snare verwischt und der Druck geht verloren.

Phasenrotationen

Je nach Stärke und Güte des Filters variiert die Grösse der Phasenverschiebung. Beim Bearbeiten eines Frequenzabschnittes mit einem Glocken oder Kuhschwanzfilter wird die Phasenlage des Signals neben der Scheitelfrequenz, respektive an der Grenzfrequenz verändert.

Bei einem Hoch- oder Tiefpassfilter fällt die Phasenrotation noch stärker aus. Je steiler die Flankensteilheit ist, desto mehr Phasenprobleme entstehen.

Als zusätzlicher Nebeneffekt zur Zeitlichen Verschiebung, kann es beim zusammenmischen verschiedener Signale zu Auslöschungen kommen. Daran musst du denken, wenn du phasenkohärente Signale bearbeitest. Alle Stereoaufnahmen, die dasselbe Ereignis aufzeichnen sind davon betroffen.

    • Multimikrofonierte Western-Gitarre
    • Snare, bei der das untere und das obere Fell gleichzeitig aufgezeichnet wird
    • Overheads eines Schlagzeugs
    • Chor oder Orchester

 

Diese Signale sollten in der Phase sauber aufeinander liegen und statisch bleiben. Sobald du eine der Audiospuren mit einem Equalizer bearbeitest, beginnen die Probleme.

Das Ringing

Nebst der Phasenverschiebungen entstehen beim Filtern eines Signals noch weitere Artefakte, das sogenannte Ringing. Du hörst das sehr gut, wenn du mit einem steilen Glockenfilter durch das Frequenzspektrum fährst.

In diesem Video benutze ich ein weisses Rauschen und bewege das Filter durchs gesamte Frequenzspektrum. Du hörst deutlich ein Pfeifen. Das ist das Ausschwingen des Filters, das sogenannte Ringing. Vergleiche es mit einer Trommel, welche du anschlägst und die weiter schwingt, bis das Resonanzfell zum Stillstand kommt.

Jedes Filter verlagert die Energie eines Signals. Wenn du in einem Frequenzband etwas entfernst, muss das irgendwo hin. Diese Energie läuft teilweise in die Phase, anderseits ins Ringing.

Bei zero Latency und natural Phase Equalizern, dazu gehören auch die analogen EQs, entsteht das Ringing immer nach dem Signal. Das ist auch in der Natur so, da die Zeit bekanntlich nur in eine Richtung läuft und du nicht in die Zukunft schauen kannst. Die Trommel fängt auch nicht an zu schwingen bevor du sie anschlägst.

Unser Gehirn ist darauf trainiert dieses Post-Ringing psychoakustisch zu ignorieren. Zudem wird dieses Nachschwingen von den eigentlichen Schallquellen grösstenteils überlagert und maskiert, so dass das Post-Ringing kaum ins Gewicht fällt.

Sind linearphasige Equalizer die Lösung?

Wie du schon gesehen hast, löschen sich zwei gegenläufige Phasen aus. Dies kann geschehen, wenn zwei identische Filter mit gleicher Güte und Amplitude auf derselben Frequenz gegensätzliche Gain-Werte aufweisen. Das heisst, wenn das eine Band 10dB anhebt, senkt das andere 10dB ab. Die Phasenrotationen verlaufen gegensätzlich und hebeln sich somit gegenseitig aus. Das ergibt jedoch keinen Sinn, da sich auch die Frequenzbearbeitungen gegenseitig zu Nichte machen.

Die andere Möglichkeit besteht darin, das Audiofile zuerst vorwärts und danach rückwärts zu prozessieren. Wenn du nun das rückwärts bearbeitete Signal spiegelst und dem vorwärts bearbeiteten Signal hinzu mischst, löschen sich die genläufigen Phasen aus.

Das braucht natürlich doppelt so viel Zeit, wie eine einmalige Bearbeitung. Deshalb besitzen linearphasige Equalizer eine relativ grosse Latenz, die jedoch von deiner DAW kompensiert wird, in dem sie alle restlichen Spuren um die benötigte Zeit nach hinten verschiebt.

Natürlich bearbeitet der linearphasige Equalizer nicht das gesamte Audiofile mal vorwärts und mal rückwärts, sondern zerlegt das Audiosignal in kleine Segmente und berechnet diese nacheinander häppchenweise.

Problem gelöst, oder?

Leider nicht, schön wär’s. Wie du vorher schon gesehen und gehört hast, erzeugen Filter ein Ringing. Dieses ist nun beim umgedrehten Signal nach der Spiegelung vorne anzutreffen. Das Post-Ringing wird nach der Drehung zum Pre-Ringing. Das heisst, du hörst den Klang des Signals schon im Vornherein. Das klingt wie ein rückwärts gespielter Hall, der vor das eigentliche Audio geklebt ist. Für uns klingt das sehr seltsam, da so etwas in der Natur nicht vorkommt.

Um das zu veranschaulichen, benutze ich einen Dirac. Das ist ein File mit einem einzigen vollausgesteuerten Sample. Ich setzte ein Hochpassfilter bei 1kHz und schaue mir die Wellenform an.

linearphasige Equalizer - Dirac

Setze ich nun ein nichtlineares Hochpassfilter entsteht ein Post-Ringing.

linearphasige Equalizer - Post Ringing

Beim linearphasigen Equalizer siehst du schön, wie ein Pre-Ringing erzeugt wird.

linearphasige Equalizer - pre- post ringing

Wie klingt das nun?

Lass uns das an einem Audiobeispiel veranschaulichen. Dazu verwende ich eine Bassdrum, die ich sehr heftig mit einem Equalizer bearbeitet habe.

Mit einem zero Latency Equalizer bleiben die Transienten intakt und der Beginn des Audiofiles ist klar definiert.

linearphasige Equalizer - Kick natural phase

 

Diese Kick drehe ich nun um und bearbeite sie ebenfalls mit denselben zero Latency Equalizer Einstellungen.

linearphasige Equalizer - Kick natural phase rev

 

Beim Spiegeln des bearbeiteten Audiofiles, siehst und hörst du deutlich das Pre-Ringing zu Beginn des Kicks.

linearphasige Equalizer - Kick natural phase rev gedreht

 

Mische ich nun die beiden Files zusammen, löschen sich die Phasenrotationen zwar aus, doch das Pre-Ringing bleibt, wenn auch abgeschwächt, vorhanden.

linearphasige Equalizer - Kick natural phase mixed

 

Als Vergleich die Bearbeitung mit einem linearphasigen Equalizer

linearphasige Equalizer - Kick linear phase

 

Fazit

Der Einsatz eines linearphasigen Equalizers ist nicht die Lösung für alle Probleme. Es gilt abzuwägen, welche Artefakte, Pre-Ringing oder Phasenrotation, weniger Schaden anrichten. Bei hohen Frequenzen nimmt das Pre-Ringing merklich ab, da die Höhen eine viel schnellere Perioden-Schwingung aufweisen und somit auch das Pre-Ringing kürzer wird.

Oft benutze ich einen linearphasigen Equalizer, wenn ich Hihats oder Becken mischen muss, falls Groove durch den Einsatz eines zero Latency oder natural Phase Equalizers in Mitleidenschaft gezogen würde.

Im Bassbereich verzichte ich weitgehend auf linearphasige Equalizer, da dort das Pre-Ringing viel stärker ausfällt als die Phasenrotation.

Die verschiedenen Hersteller verwenden unterschiedliche Techniken um das Pre-Ringing zu unterdrücken. Die einen versuchen es in den unhörbaren Sub-Bass Bereich zu verschieben, andere zerlegen das Audiomaterial in spezielle Segmente, dritte wiederum suchen einen Kompromiss zwischen linearer und natürlicher Phase. Doch du hast immer nur die Wahl zwischen Pest und Cholera. Der beste Equalizer ist immer noch kein Equalizer.

 

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