Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften

Der HQPlayer kann zwar als Audioplayer in Windows, Linux und macOS genutzt werden, kommt aber hinsichtlich des Bedienkomforts nicht an Roon heran. Wenn es jedoch um das Upsampling geht, ist der HQPlayer um Welten besser als Roon. Durch die Möglichkeit den HQPlayer in Roon einzubinden, können die intuitive Bedienerobfläche und hochwertigste Algorithmen kombiniert werden.

Der HQPlayer bietet Filter, welche

– apodisierend und nicht-apodisierend sind,
– andere Wirkungen auf Räumlichkeit (Space) Transienten und Klangfarben (Timbre) haben,
– verschiedene Samplingraten (CD oder HiRes) bevorzugen,
– geringe oder hohe Rechenleistungen erfordern und
– sogar unterschiedliche Musik-Genres unterstützen.

Ziemlich verwirrend das Ganze, was viele auch abschreckt. Wir versuchen ein wenig Licht ins Dunkle zu bringen.

Filterqualitäten

Bei einer CD (44,1 kHz) darf der hörbare Bereich nur bis maximal 22,05 kHz gehen. Grundlage ist das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem, welches nur die halbe Abtastrate (Nyquist-Frequenz) berücksichtigen soll. Wird das Abtasttheorem durch eine zu niedrige Abtastrate verletzt, so werden Frequenzanteile, die ursprünglich höher waren als die halbe Abtastrate, als niedrigere Frequenzen interpretiert, da für diese eine Unterabtastung stattfindet. Dieses unerwünschte Phänomen wird Alias-Effekt genannt. Diese sogenannten Spiegelfrequenzen sollen durch Filter ausgesperrt werden, weshalb dieses Filter oft auch Antialiasing-Filter genannt werden.

Es kommt daher auf die Filterqualität an, welche Frequenzen in der Praxis durchgelassen werden (Passband), ab wann die Sperrwirkung (Cutoff) einsetzt und wie lange es dauert (Transitionsbereich), bis der Tiefpassfilter seine volle Wirkung (Stopband) entfaltet. Unabhängige Messungen haben gezeigt, dass die Filter vom HQPlayer sehr gut konstruiert sind.

Wenn die Sperrwirkung sehr tief liegt, spricht man von einer extrem hohen Dämpfung. Das ist eine gute Sache, weil Spiegelfrequenzen effektiv unterdrückt werden. Eine hohe Dämpfung führt zu weniger Lärmartefakten und auch zu einer besseren Rekonstruktionsgenauigkeit.

Ebenso wichtig ist, ab wann der Cutoff beginnt. Manche Filter setzen schon im hörbaren Frequenzbereich ein, was natürlich nicht wünschenswert ist. Günstig ist auch ein steiler Filter, womit ein sehr schmales Übergangsband (Transitionsbereich) erreicht wird. Wenn wir am Beispiel die Eingangsrate von 44,1 kHz (CD) nehmen, geht beim Filter „poly-sinc- gauss-xl“ das Passband bis 20 kHz, der Transitionsbereich ist mit 250 Hz extrem schmal und erreicht die maximale Dämpfung bei der Nyquist-Frequenz fs/2 bei 22,05 kHz. Filter dieser hohen Qualität werden oft mit schnellem oder scharfen „Rolloff“ oder „Cutoff“ bezeichnet. Siehe auch:

• Die Filter im HQPlayer besser verstehen.

Pre-Ringing und Post-Ringing

Pre-Ringing (Vorecho) und Post-Ringing (Nachecho) sind zwei Arten von Artefakten, die bei der digitalen Signalverarbeitung auftreten können. Pre-Ringing bezeichnet das Phänomen, dass ein Signal vor einem abrupten Übergang bereits ansteigt oder abfällt, bevor es den eigentlichen Wert erreicht. Post-Ringing bezeichnet das Phänomen, dass ein Signal nach einem abrupten Übergang noch oszilliert, bevor es sich stabilisiert.

Beide Effekte können die Qualität und Genauigkeit eines Signals beeinträchtigen und können hörbare Effekte auslösen. Besonders das Pre-Ringing kann sehr störend wirken, da es in der Natur nicht vorkommt.

Beim Filterdesign kommt es darauf an, Vor- und Nachechos möglichst gering zu halten. Ganz vermeiden lassen sie sich nicht.

Filter für endliche Impulsantwort (FIR – lineare Phase) und unendliche Impulsantwort (IIR – minimale Phase )

FIR- und IIR-Filter sind zwei Arten von digitalen Filtern, die zur Signalverarbeitung verwendet werden. Sie unterscheiden sich vor allem in ihrer Impulsantwort und ihren Phaseneigenschaften.

FIR-Filter (Finite Impulse Response) haben eine endliche Impulsantwort, die nach einer bestimmten Zeit auf Null abfällt. Sie haben eine lineare Phase, die bedeutet, dass alle Frequenzen die gleiche Verzögerung durch das Filter haben. Sie sind immer stabil, da sie keine Rückkopplungsschleifen haben. Sie erfordern jedoch mehr Koeffizienten und Speicherplatz als IIR-Filter, um einen ähnlichen Frequenzgang zu erzielen. Sie können auch ein Pre-Ringing erzeugen, das dem eigentlichen Impuls vorausgeht.

IIR-Filter (Infinite Impulse Response) haben eine unendliche Impulsantwort, die unendlich lange ausschwingt. Sie haben eine minimale Phase, die bedeutet, dass verschiedene Frequenzen unterschiedliche Verzögerungen durch das Filter haben. Sie können instabil sein, wenn die Rückkopplungsschleifen zu groß sind. Sie erfordern jedoch weniger Koeffizienten und Speicherplatz als FIR-Filter, um einen ähnlichen Frequenzgang zu erzielen. Sie haben kein Pre-Ringing, aber sie können Gruppenlaufzeitverzerrungen verursachen.

Obwohl das fehlende Pre-Ringing und die geringere Rechenlast für IIR-Filter sprechen, sind die nicht gewollten Phasenverschiebungen bei der Musikwiedergabe natürlich ein ernstes Problem. Die lineare Phase ist bei den FIR-Filtern ein gewichtiges Argument für deren Verwendung. Deshalb sind die meisten Filter im HQPlayer linearphasig, sofern nicht anders angegeben. Zur weiteren Vertiefung des Filterdesigns und mit Hörbeispielen zum Pre-Ringing eignen sich folgende Artikel:

• What EQ Filter is Best For Mixing Bass and Low-End?
• Linear and minimum phase – Troll Audio (troll-audio.com)

Wirkungen auf Räumlichkeit (Space) und Transienten und Musik-Genres

Die Gruppe der poly-sync-lp (linear phase) Filter verbessern die Räumlichkeit (Space). Sie gehören zu den FIR-Filtern und wirken in der Time-Domain. Empfohlen für Klassik und für „in der realen Welt“ aufgenommenen Musik (Konzerthalle). Eine Unterart davon sind die AsymFIR-Filter, welche sich besonders für Jazz/Blues eignen.

Die Gruppe der poly-sync-mp (minimum phase) Filter verbessern die Transienten. Sie gehören zu den MinPhaseFIR-Filtern und eignen sich besonders für Rock/Pop/Elektronik, sowie im Musikstudio aufgenommenes. Implizit gilt das auch für IIR-Filter.

Manche Filter haben auch einen Fokus auf das Timbre, also die Klangfarben.

Apodisierend und Nicht-Apodisierend

Einsatzzweck des Apodisationsfilters ist es, die Impulsantwort des ursprünglichen Dezimationsfilters durch eine andere zu ersetzen. Dies ermöglicht das Ändern des Zeit- und Frequenzbereichsverhaltens des ursprünglichen Filters. Ein möglicherweise wichtigerer Punkt ist das Bereinigen des Aliasing-Bands bei den höchsten Frequenzen. Abhängig von den ADC / Mastering-Werkzeugen kann es zu einem gewissen Aliasing-Band am oberen Rand des Frequenzbands kommen. Siehe auch:

• Audio PC zwischen ADC und DAC

Nicht apodisierende Filter lassen die (möglicherweise fehlerhaften) produktionsseitigen digitalen Filtereigenschaften durch. Nicht apodisierende Filter sind für HiRes-Aufnahmen (ab 88.2/96kHz) gut einsetzbar, da die Nyquist-Rate sehr hoch liegt. Apodisierende Filter sind für Reedbook-/CD-Formate (44.1/48kHz) wegen der niedrig liegenden Nyquist-Rate am wichtigsten. Hier ist eine ausführliche Erläuterung von Jussi Laako:

Wenn Sie übersampeltes PCM verwenden, spielt es keine Rolle, ob es sich um einen R2R- oder Delta-Sigma-Wandler handelt, Sie erhalten bei beiden genau das gleiche Klingelverhalten, da es von den digitalen Filtern und nicht von der Wandlertechnologie stammt.

Das Klingeln ist das Ergebnis der Bandbegrenzung, und bei RedBook-Inhalten oder anderen Inhalten, die mit einer sehr niedrigen 44,1k- oder 48k-Rate abgetastet wurden, benötigen Sie eine strenge Bandbegrenzung, da Sie alle Frequenzen oberhalb der Hälfte der Abtastrate entfernen müssen, da diese sonst auf das Audioband heruntergeführt würden. Infolgedessen werden alle A/D-Wandler, die solche Inhalte erzeugen, mit digitalen Dezimierungsfiltern überabgetastet, um die Abtastrate auf so niedrige Raten zu reduzieren. Übrigens: Alle aktuellen A/D-Wandler für Musikaufnahmen sind Delta-Sigma-Wandler. Dies führt dazu, dass das Klingeln bereits von vornherein in Ihre Musikinhalte integriert ist.

Die Verwendung von R2R ohne Oversampling bei diesen niedrigen Quellinhaltsraten hat eine Reihe von Problemen:

1) Sie haben überhaupt keine richtige Rekonstruktion des ursprünglichen analogen Signals, so dass Sie ein stark verzerrtes Signal hören, das dem Original nur geringfügig ähnelt.

2) Ihr Transientenpegel und Ihr Timing sind falsch, da der Musik-Transient nie genau mit dem Sampling-Moment zusammenfällt, sondern irgendwo zwischen den Samples stattfindet. Im schlimmsten Fall geht es komplett verloren.

3) Als Folge eines falschen transienten Timings leiden Sie unter Jitter in Ihren Wellenformen.

4) Ihre Ausgabe wird aufgrund mangelnder Rekonstruktion eine große Streuung der Spiegelfrequenzen in den MHz-Bereich aufweisen, diese werden Intermodulationsprodukte haben, die sich gegenseitig auf das Audioband zurückwerfen.

5) Sie werden einen starken Hochfrequenz-Rolloff haben, der bei 1 kHz beginnt und zwischen 10 kHz und 20 kHz am stärksten ist.

Auf einer solchen NOS R2R-Sinuswelle sieht die 19-kHz-Sinuswelle wie folgt aus:

Sie können auch sehen, dass das Signal sehr instabil ist, da die Wellenform mit blauen Bereichen gefüllt ist, in denen sich das Signal gelegentlich berührt hat.

Die Stärke des Klingelns hängt nun von der Filterlänge (Anzahl der Taps) ab. Je länger der Filter (mehr Rekonstruktionspunkte) ist, desto länger klingelt er. So bedeutet zum Beispiel der 1 Million Tap-Linearphasenfilter von Chord bei einer Rate von 705,6 k, dass er fast eine Sekunde Vor-Ringing und die gleiche Menge an Nach-Ringing hat (etwa 500.000 Samples auf beiden Seiten; 705,6 / 500 = 0,7086 Sekunden).

Da ich mich sowohl für das Verhalten im Zeit- als auch für das Frequenzbereich interessiere, habe ich viel Mühe darauf verwendet, Filter zu entwickeln, die in beiden Bereichen gleichzeitig so gut wie möglich sind. Die Ihnen eine korrekte Rekonstruktion aus allen Aspekten gibt, die umgekehrt proportional zueinander sind, durch eine 1/x-Beziehung. Das bedeutet, dass ein Filter hergestellt wird, der im Zeitbereich so kurz wie möglich ist (so kurzes Klingeln wie möglich) und gleichzeitig eine möglichst gute Frequenzbereichsrekonstruktion bietet. Ich gebe für die meisten Filter mehrere Filterlängenoptionen an, so dass Sie die optimale Balance für Ihr Gerät wählen können. Von kurzen bis hin zu sehr langen Filtern, je nach Anforderungen des Quellinhalts. Wenn Sie ein minimales Klingeln und eine optimale Reaktion im Zeitbereich wünschen, verwenden Sie die „-short“-Filter.

Es gibt auch völlig beringungsfreie Interpolatoren (Polynome), die Sie sowohl für PCM- als auch für SDM-Ausgaben verwenden können, aber diese haben aufgrund der unvollständigen Rekonstruktion immer noch viele der oben aufgeführten nachteiligen Auswirkungen von NOS.

Um auf das Klingeln zurückzukommen, das in den Quellinhalt eingebrannt ist, ist dies ein Aspekt, der mit apodisierenden Filtern geändert werden kann.

Quelle: Holo Cyan 2 – Seite 6 – DAC – Digital-Analog-Wandlung – Audiophiler Stil (audiophilestyle.com)

Upsamplingverhältnis (Ratio)

„Integer“ bedeutet, dass es nur ganzzahlige Verhältniskonvertierungen nach oben oder unten durchführen kann. Eine Quelle mit 44.1 kHz kann bei Filtern mit der Eigenschaft „Integer“ zum Beispiel nicht auf 196 kHz hochgerechnet werden. Richtig wäre ein Upsampling auf 176,4 kHz. „Integer up“ bedeutet, dass der Filter nur Conversions in höhere Raten durchführen kann, aber nicht in einen niedrigeren Satz (z. B. von 384k auf 192k). „Any“ unterliegt keinen Einschränkungen.

Die ganzzahlige Verhältniskonvertierung ist zu empfehlen, da in der Regel die Rechenlast gemindert wird.

Komprimierte Musik

Das Problem der heutigen Zeit sind totkomprimierte Musikstücke (Loudness War). Diese Komprimierung des Audiosignals führt zwar zu einer konstanteren „Hörbarkeit“ der Musik, hat aber auch einen hohen Verlust an Dynamik zur Folge. Es kommt vor, dass die oberen Bänder dadurch beschnitten werden. Bei solchen Aufnahmen ist es besser, diese auf eine DSD-Ausgabe mit höherer Rate zu konvertieren. Mindestens DSD256 oder noch besser DSD512, unter Verwendung der EC-Modulatoren. Selbst PCM-Upsampling auf 1,5MHz kommt da nicht heran, denn es mangelt gelegentlich an „Tiefe und Luftigkeit“.

Wenn es sich um eine 44.1/48kHz-Quelle handelt, ist die Verwendung eines Apodisierungsfilters grundsätzlich zu empfehlen, siehe oben. Es ist auch gut, sich an einen kürzeren Filter zu halten, wie z. B. poly-sinc-short. Und möglicherweise Minimalphase.

Ein anderer Ansatz besteht darin, längere Filter zu verwenden, die jedoch besonders transientenoptimiert ist, wie z. B. die Poly-sinc-Gauß-Familie:

1x (44.1/48kHz) = poly-sinc-gauss-long
Nx (88.2/96kHz und höher) = poly-sinc-gauss-hires-lp

Der Entwickler Jussi Laako ist von dieser Lösung so begeistert, dass diese Filter künftig in den Einstellungen vorbelegt sind.

Tabelle mit den Filtereigenschaften

Die Tabelle listet ohne Gewähr die wichtigsten Filter auf. Ab HQPlayer Version 5.20 (30. September 2023) werden die neuen Filter mit NEU gekennzeichnet. Die Beschreibungen wurden dem HQPlayer Handbuch und anderen Quellen entnommen. Links führen zu weiteren Erläuterungen und Messergebnissen.

Filter mit *-2s haben ein zweistufiges Oversampling. Die Ratenumwandlung der ersten Stufe wird mindestens um den Faktor 8 unter Verwendung des ausgewählten Algorithmus durchgeführt. Und weiter in die endgültige Rate konvertiert, indem ein Algorithmus verwendet wird, der für die Konvertierung von Inhalten optimiert wurde, die bereits auf eine mindestens 8-fache Rate verarbeitet wurden. Dadurch wird die CPU-Gesamtlast gesenkt, während die Konvertierungsqualität beibehalten wird. Besonders nützlich für höchste Ausgaberaten.