Die Filter im HQPlayer besser verstehen

In audiophilen Kreisen hat sich herumgesprochen, dass die bitidendische Übertragung der digitalen Musikkonserven nur die Pflicht darstellt, die Kür aber ganz woanders liegt. Die Rede ist zum Beispiel von Filtern, welche unerwünschte Spiegelfrequenzen aussperren. In den Grundlagen zum Audio PC kannst du etwas zu den Abtastraten und Anti-Aliasing-Filter nachlesen. Nachfolgend habe ich einige weitere Erkenntnisse von Jussi Laako (HQPlayer Entwickler) aus den Foren entnommen.

Dämpfung (Attenuation)

In unseren Grundlagen steht schon einiges zu den Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften. Die Filterbeschreibungen wurden dem HQPlayer Handbuch entnommen und sind leider sehr technisch gehalten. So ist zum Beispiel beim Filter „poly-sinc- gauss-xl“ von einer extrem hohen Dämpfung die Rede. Was das bedeutet wollen wir uns nachfolgend anschauen. Im Bild wird gezeigt, dass der hörbare Frequenzgang begrenzt werden muss. Zum Beispiel bei einer CD (44,1 kHz) soll 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.

Nun kommt es 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 (Stop Frequency) entfaltet. 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 250 Hz breit und erreicht die maximale Dämpfung bei der Nyquist-Frequenz fs/2 bei 22,05 kHz. Filter dieser hohen Qualität werden von Jussi Laako mit schnellem oder scharfen „Rolloff“ oder „Cutoff“ bezeichnet.

Quellen: https://community.roonlabs.com/t/which-hqp-filter-are-you-using/6061/3242

Filterlänge

Der Allgemeinheit wurden Filterlängen mit dem Chord HUGO M SCALER bekannt, welcher Filter mit 1 Mio. Taps anwendet. Eine Zahl übrigens, die der HQPlayer zum Beispiel mit dem Filter „closed-form- 16M“ mit 16. Mio. Taps locker übertrifft. Weil Chord soviel Werbung für lange Filter gemacht hat denken viele, dass die Filterlänge ein Qualitätskriterium ist. Jussi Laako weist darauf hin, dass Filter immer ein Kompromiss im Zeit- und Frequenzbereich sind.

Wenn der Filter im Zeitbereich länger (mehr Taps) wird, ist die Wirkung im Frequenzbereich steiler und umgekehrt. Das liegt daran, dass Frequenz und Zeit eine 1/x-Beziehung haben. Je länger der Filter ist, desto größer ist die Gefahr des Ringings oder „verschmieren“ im Zeitbereich. Lange Filter sind zum Beispiel nicht gut in der Transientenwiedergabe. Andererseits wenn der Filter zu kurz wird, kann dieser die Hochfrequenzkomponenten so weit reduzieren, dass es die Transienten „verlangsamt“. Ein zu kurzer Filter kann auch Lücken erzeugen, so dass die Rekonstruktionsgenauigkeit verloren geht und dadurch hörbare Verzerrungen erzeugt werden.

Einen Filter zu erstellen, der in beiden Bereichen gleichzeitig perfekt ist, ist mathematisch unmöglich. Nur hohe Bandbreiten, wie bei DSD-Aufnahmen (mindestens DSD128, aber optimal DSD256+), kann beides gleichzeitig bieten. Bandbreitenbeschränktes PCM hat jedoch das Problem.

Die Herausforderung besteht darin einen Filter herzustellen, der im Zeitbereich so kurz wie möglich ist und gleichzeitig keine Lücken im Frequenzbereich hinterlässt. Also so nah wie möglich an das mathematisch Unmögliche heranzukommen.

In gewisser Weise sind sowohl Chord als auch MQA richtig und falsch. Chord steht für super lange Filter, während MQA für super kurze Filter steht. Sie sind komplett Gegensätzlich. Beide haben nur eine durchschnittliche Dämpfung.

HQPlayer bietet Filter sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich, aber meistens etwas dazwischen, mit unterschiedlichen Gewichtungen. Und laufende Arbeit, um dem Unmöglichen noch näher zu kommen. Klassische Musik hat keine häufigen Hochgeschwindigkeitstransienten, daher sind längere Filter in Ordnung. Sowohl „poly-sinc-gauss-long“ als auch „poly-sinc-gauss-xla“ eignen sich besonders für Klassik und Stimmen. Ebenso „poly-sinc-ext2“ und „poly-sinc-ext3“. Der Filter „poly-sinc-long“ ist übrigens der anspruchsvollste Filter in Bezug auf die Initialisierungszeiten. Umgekehrt sind kürzere Filter wie „poly-sinc- gauss-short“ für Electronic, Jazz, Blues, Pop und Rock aufgrund der Transientenwiedergabe besser.

Der längste Filter ist „sinc-L“. Die Filter „sinc-LI“ und „sinc-Mx“ sind gleich lang. Das bedeutet natürlich nicht, dass sie die Besten sind, sondern nur die längsten. Die tatsächliche Länge hängt auch vom Umrechnungsverhältnis ab. Zum Vergleich werden diese so abgestimmt, dass „sinc-Ll“ in etwa äquivalent zu Chord M Scaler, „sinc-Lm,“ ungefähr äquivalent zu Chord Dave und „sinc-Ls“ in etwa äquivalent zu Chord Hugo/Mojo sind.

Quellen: https://audiophilestyle.com/forums/topic/19715-hq-player/?do=findComment&comment=1232215,
https://audiophilestyle.com/forums/topic/19715-hq-player/?do=findComment&comment=1232738

Linearphasige und minimalphasige Filter

Die Gruppe der poly-sync-lp (linear phase – lp) Filter verbessern die Räumlichkeit. 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 meisten Filter sind linearphasig, sofern nicht anders angegeben. 

Die Gruppe der poly-sync-mp (minimum phase – mp) 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.

Quelle: https://audiophilestyle.com/forums/topic/19715-hq-player/?do=findComment&comment=1232581

Apodisierungsfilter

Normalerweise verlassen wir uns bei den Aufnahmen auf das Können der Tonstudios. Trotz guter analoger Aufnahmen können schlechte Digitalisierungen am fehlerhaften ADC (Analog-Digital-Conversion) liegen. Siehe auch Audio PC zwischen ADC und DAC.

1. Jeder ADC-Anti-Alias / Dezimationsfilter hinterlässt seinen „Fingerabdruck“ auf den Daten. Apodisierungsfilter können diesen Fingerabdruck ändern.
2. Typische ADC-Anti-Alias / Dezimationsfilter sind ziemlich unvollkommen und lassen Fehler in den Daten. Diese Fehler können mit einem Apodisierungsfilter bereinigt werden. Fehlerhafte Digitalisierungen können auch aus den Mastering-Software-Tools stammen.
3. Aufgrund der Nyquist-Frequenz sind Apodisierungsfilter bei Red Book Quellraten (44.1 kHz) am Wichtigsten.

Convolution (Faltungsfilter für die Raum- und Lautsprecherkorrektur)

Der HQPlayer stellt nicht nur viele Filter zur Verfügung, sondern kann auch deine eigenen Filter verwenden. Zum Beispiel für die Raum- und Lautsprecherkorrektur. Siehe auch:

• Welche Möglichkeiten bietet ein Audio PC zur Verbesserung der Raumakustik?
• Warum kann ein Audio PC den Lautsprecher optimieren?

Während im Roon DSP eine ZIP-Datei mit den unterschiedlichen Abtastquellraten hinterlegt werden muss, wird beim HQPlayer nur ein Filter pro Kanal mit einer Abtastrate hinterlegt. Mit der Option „HF Expand“ rechnet der HQPlayer die benötigte Abtastrate selbst hoch. Es ist jedoch besser die höchste Abtastrate als Faltungsfilter im HQPlayer zu hinterlegen. Zum Beispiel können mit Acourate die Faltungsfilter in sehr hoher Qualität bis 384 kHz erstellt werden.

Zusammenfassung

Hochwertige Filter wie im HQPlayer dämpfen die Spiegelfrequenzen sehr effizient. Weitere wichtige Filterkriterien sind, welche Frequenzen noch durchgelassen werden (Passband), ab wann die Sperrwirkung (Cutoff) einsetzt und wie lange es dauert (Transitionsbereich), bis der Tiefpassfilter seine volle Wirkung (Stop Frequency) entfaltet. Gute Filter haben einen schnellen Cutoff und eine extrem hohe Dämpfung (extremely high attenuation).

Lange Filter sind keineswegs ein alleiniges Qualtitätsmerkmal, sondern können sich je nach Musikgenre und grundsätzlich im Zeitbereich sogar negativ auswirken. Lange Filter eignen sich für Klassik und Stimmen, kurze Filter für transientenbasierter Musik wie Rock und Pop. Filter sind immer ein Kompromiss im Zeit- und Frequenzbereich. Soweit die Theorie. Ich höre sehr gern mit dem apodisierenden extra langen Filter mit extrem hoher Dämpfung „poly-sinc- gauss-xla“, obwohl Klassik fast nie dabei ist. Dafür mit Folk und Indie viel Stimmen.

Die Gruppe der poly-sync-lp (linear phase – lp) Filter verbessern die Räumlichkeit während die Gruppe der poly-sync-mp (minimum phase – mp) Filter und implizit IIR-Filter die Transienten verbessern.

Apodisierungsfilter können schlechte Analog-Digital-Conversions (ADC) korrigieren.

Wenn du Faltungsfilter verwendest, hinterlege die höchstmögliche Abtastrate im HQPlayer.