DSP und OCS Software im Test

Zusammen mit RAM Audio wurden das integrierte DSP-System der DSP44K Endstufe von LD Systems (hier geht es zum PRODUCTION PARTNER Testbericht) und die zugehörige OCS (Online Control System) PC-Software entwickelt.

Bedienung der OCS-Software

Die Software dient zur Konfiguration von Setups und für die Einstellung bzw. Überwachung während des Betriebs der Endstufe. Der Betrieb der Software ist online und offline möglich. Wenn sich alle Verstärker im Netzwerk befinden, kann zunächst eine automatische Suche über einen bestimmten Adressbereich ausgeführt oder es können den Verstärkern IP-Adressen fest zugewiesen werden. Für die Bedienung des Verstärkers gibt es die Modi „User“ und „Custom“, wobei der Custom Mode durch ein Passwort geschützt werden kann.

Grundsätzlich startet die Software so wie in Abbildung 1 gezeigt. Ganz links befindet sich die Auflistung der im Netzwerk gefundenen Geräte, was hier nur ein DSP44K ist. Andere Geräte von LD Systems mit Zugang zur Software gibt es zurzeit nicht. Das Blockschaltbild zeigt dazu die Struktur des gerade ausgewählten Gerätes. Auf der linken Seite befinden sich die Eingänge, deren Routing und alle Funktionen in den Eingangskanälen mit Gain, Mute, Phase reverse, Delay bis 137 ms und einer Filterbank mit zwölf parametrischen Filtern (Abb. 2), mit je einem Low- und High-Shelf sowie zehn Bell Filtern. Das Eingangsrouting lässt zunächst die Auswahl zwischen Analog und Dante als Quelle zu. Die Auswahl geschieht immer paarig für die Eingänge 1 und 2 oder 3 und 4. Im anschließenden Source Select können für die vier Wege entweder ein beliebiger einzelner Eingang oder die Summe aus 1 und 2 oder 3 und 4 gewählt werden.

Filterfunktionen

Die eingestellte Filterfunktion wird in der Grafik unter den Filterparametern angezeigt. Die angezeigten Kurven beziehen sich immer auf einen kompletten Feed von einem Eingang zu einem Ausgang. Welche Funktionen aus dem Feed angezeigt werden, lässt sich für jeden Block in der Signalverarbeitung auswählen. Optional lassen sich auch noch die Phasenverläufe und die Summenfunktion der Kanäle anzeigen. Für Entwickler gibt es die interessante Möglichkeit, gemessene Lautsprecherfrequenzgänge diverser bekannter Messprogramme zu importieren und diese mit in die Berechnung der angezeigten Kurven einzubeziehen. Ganz nebenbei bekommt man so ein Entwicklungswerkzeug für aktive Lautsprecher mitgeliefert.

Bei der Betrachtung der Filter wollen wir uns auf einige kritische Punkte und Besonderheiten beschränken. Das wäre zunächst das immer noch sensible Thema der Filterkurvenkorrektur bei hohen Frequenzen nahe der halben Abtastrate. Da bei der mathematischen Transformation von der unendlichen analogen Frequenzachse auf die digitale Seite das „Unendliche“ auf die halbe Abtastrate abgebildet wird, wird der Verlauf der Filterkurve gestaucht, wenn er sich der halben Abtastrate, hier 24 kHz, nähert. Abb. 3 zeigt den Effekt anhand eines Bellfilters mit einer festen Güte von 2, das von tiefen zu hohen Frequenzen durchgestimmt wird. Oberhalb von 10 kHz verformt sich der Kurvenverlauf deutlich. Dieser Effekt könnte bis knapp vor der halben Abtastrate durch eine Umrechnung der Filtergüte kompensiert werden, worauf man hier jedoch verzichtet. Der Kurvenverlauf wird in der Grafik korrekt mit der Stauchung angezeigt, so dass man sieht, was passiert und entsprechend händisch die Güte anpassen kann.

Die Low- und High-Shelf-Filter verfügen etwas ungewöhnlich über den gleichen Einstellbereich wie auch die Bell-Filter, d. h. mit einer Güte von 0,2 bis 20,0. Abhängig vom eingestellten Gain werden diese Werte in der Umsetzung für das Filter limitiert, was aber trotzdem noch zu extremen Kurvenverläufen führen kann. Abb. 4 zeigt einige Beispiele. Bei einem Gain von +15 dB lassen sich Güten von bis zu 20 einstellen, die tatsächliche Umsetzung endet bei 3,4.

Nach den Eingangskanälen folgt zunächst das Output-Routing, wo sich im Custom Modus paarweise für die Kanäle 1 und 2 sowie 3 und 4 der Betrieb als unabhängige Kanäle (single), als 2-Wege-System oder als gebrückter Kanal auswählen lässt. Im User Modus wird die Einstellung durch die geladenen Lautsprecher-Presets automatisch definiert.

Während der User Modus für die Ausgangskanäle generell nur die Auswahl fertiger Presets zulässt, können im Custom-Modus auch eigene Presets erstellt werden. Die dafür vorgesehenen Funktionen zeigt Abb. 5 auf der rechten Seite des Blockschaltbildes. Dort stehen in dieser Reihenfolge IIR X-Over Filter, FIR X-Over Filter, eine Gain- und Delay-Einstellung sowie eine Filterbank mit 16 Filtern und ein zweifacher Kompressor/Limiter für Peak- und RMS-Werte bereit. Die IIR-X-Over-Filter bieten mit Linkwitz-Riley, Butterworth und Bessel die bekannten Charakteristika mit Steilheiten bis maximal 48 dB /Oct. Auch wenn extrem steile Filter zunächst verlockend erscheinen, sollte man diese nur dann einsetzen, wenn es gar nicht anders geht. Hoch- und Tiefpassfilter mit mehr als 24 dB/Oct. Steilheit haben sich in Hörversuchen aufgrund ihrer starken Phasendrehungen als kritisch herausgestellt.

FIR-Filter

Als Ausweg gelten FIR-X-Over Filter, die generell Hoch- und Tiefpassfilter mit linearphasigem Verhalten ermöglichen. Der Filterentwurf stellt jedoch einige Ansprüche an die Berechnung und Optimierung. Steilflankige Filter mit tiefen Eckfrequenzen bedingen zudem größere Latenzen. In der DSP44K arbeiten die FIR-Filter mit einer festen Latenz von 7,27 ms entsprechend 699 Koeffizienten. Die FIR-Filter können als Hoch- oder Tiefpässe und als Bandpässe definiert oder als Custom Designed mit einem ASCII-Koeffizientensatz eingestellt werden. Der Anwender hat zudem noch die Wahl zwischen verschiedenen Fensterfunktionen, mit denen die 699 Koeffizienten aus der vorher berechneten längeren Impulsantwort ausgeschnitten werden. Die tiefste einstellbare Eckfrequenz liegt hier bei 400 Hz. Die Abbildungen 6 und 7 dazu zeigen einige Beispiel für korrespondierende FIR-Hoch- und Tiefpassfilter bei 1 kHz und 400 Hz. Mit einer Rechteck-Fensterfunktion entsteht ein mehr oder weniger starkes Überschwingen. Die anderen Fenstervarianten können das auf Kosten der Steilheit vermeiden.

Gut sichtbar für die 400-Hz-Einstellung verhalten sich die Hoch- und Tiefpässe jedoch nicht spiegelsymmetrisch zur Trennfrequenz und treffen sich dort auch nicht, wie üblich und notwendig, bei −6 dB, sondern bei 0 dB. In der Folge addieren sich die korrespondierenden Hoch- und Tiefpässe nicht zu einem konstanten Verlauf, sondern bilden eine deutliche Überhöhung aus. Möchte man hier ernsthaft mit FIR-Filtern arbeiten, dann empfiehlt sich eine separate Filter Software, die die FIR-Filterkoeffizienten als File im ASCII-Format speichert. Diese können dann bei passender Länge von 699 Koeffizienten im Custom-Modus der FIR-Filter von der OCS-Software gelesen werden.

Limiter und Kompressor

Als letztes Glied in den Ausgangskanälen findet sich der Limiter und Kompressor. Hier gibt es zwei einstellbare Grenzwerte: Einen für den Peak-Limiter und einen für den RMS-Limiter. Diese Aufteilung ist wichtig und sinnvoll. Hat man nur einen Wert, dann beschneidet man entweder die Spitzen zu früh oder man läuft Gefahr den Lautsprecher thermisch zu überlasten. Nur der zweistufige Limiter kann einen Lautsprecher in den Spitzenwerten und auch bei thermischer Überlast sicher schützen. Abb. 8 zeigt eine typische Einstellung für einen kleinen Lautsprecher oder Hochtontreiber mit 40 W thermischer Dauerbelastbarkeit und 160 W maximaler Peakleistung. Die Werte werden direkt in W eingestellt. Die damit einhergehende maximale Ausgangsspannung als Effektivwert (RMS) und Spitzenwert (Peak) werden im Amplifier-Information-Fenster rechts angezeigt. Neben den Schwellwerten lassen sich auch Attack, Hold (nur bei RMS), Release und Knee der Kennlinie einstellen.

Die Abbildungen 9 und 10 zeigen das Verhalten der beiden Limiterstufen. Die eingestellten Schwellwerte von 36,7 V Peak und 18,4 V RMS werden exakt eingehalten. D. h., man kann sich auf die Limiter verlassen. Nicht ganz nachvollziehbar sind jedoch die eingestellten Zeitkonstanten. In beiden Fällen war eine Release-Zeitkonstante von 2 s eingestellt, die aber nirgends zu erkennen ist. Gleiches gilt für die Zeitkonstanten 0,5 bzw. 2 s Attack.