Linearphasiger und minimalphasiger EQ: Verzögerung, Vorschwingen und Absenkung im Vergleich

Fruity Parametric EQ 2 bietet einen Modus für lineare Phase. Dabei werden die Frequenzanteile um dieselbe Zeit verzögert. Der mögliche Nachteil: Rund um einen kurzen Anschlag können Schwingungen auch vor dem verzögerten Hauptimpuls liegen. Dieses Vorschwingen heißt Pre-Ringing. Ob das hörbar stört, hängt vom Filter und vom Audiomaterial ab.

Verglichen werden ein Biquad, also ein einfacher rekursiver Digitalfilter, sowie zwei FIR-Filter mit linearer beziehungsweise minimaler Phase. FIR steht für eine zeitlich begrenzte Impulsantwort. Alle Varianten erhalten dieselbe Zielkurve; die tatsächlich erreichte Absenkung unterscheidet sich jedoch. Der Versuch isoliert deshalb nicht ausschließlich den Einfluss der Phase.

Ein Impuls ist hier ein Testsignal mit genau einem Abtastwert ungleich null. Die Impulsantwort ist das Ergebnis, das der Filter daraus erzeugt. Daran lässt sich ablesen, wie lange die Wirkung dieses kurzen Eingangs anhält und wo die größte Spitze liegt.

So wurde gemessen

• Die Zielkurve senkt 200 Hz um 12 dB ab. Der dimensionslose Gütefaktor Q = 4 beschreibt hier ein relativ schmales Band. Ausgangspunkt ist der FFmpeg-Filter equalizer=f=200:t=q:w=4:g=-12. Dessen Frequenzgang wird an 60 logarithmisch verteilten Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz abgelesen und als Vorgabe an firequalizer übergeben.
• Getestet werden der Biquad, linearphasige FIR-Varianten mit delay von 5 bis 200 ms und eine minimalphasige FIR-Variante. Der Parameter bezeichnet die Filterverzögerung, nicht die gesamte Länge der Impulsantwort. Verwendet werden FFmpeg 7.1.5, 44,1 kHz Abtastrate und Fließkomma-WAV-Dateien auf einem Raspberry Pi 4; accuracy=5 bleibt konstant.
• Ein einzelner Eingangsimpuls liegt bei 0,5 s. Die Verschiebung der größten Ausgangsspitze liefert den Zeitversatz in der Tabelle. Das ist eine Messung am gespeicherten Signal, keine vollständige Messung der Echtzeitlatenz einer DAW mit Audiopuffer.
• Für das Schwingen wird der passend verzögerte Eingangsimpuls vom Ausgang abgezogen. Dieses Differenzsignal zeigt die Veränderung der Wellenform. Ein Wert wird quadriert, indem die Zahl mit sich selbst multipliziert wird; dadurch zählen positive und negative Ausschläge ohne gegenseitige Aufhebung. Gemessen werden erster und letzter Wert oberhalb von −60 dB relativ zum größten Betrag dieser Differenz. Der Energieanteil davor ist die Summe der quadrierten Differenzwerte vor dem Hauptimpuls, geteilt durch die Summe aller quadrierten Differenzwerte. Das ist weder zusätzliche physikalische Energie noch ein Anteil an der gesamten Ausgangsenergie.
• Zusätzlich läuft eine synthetische Kick durch dieselben Varianten. Der Vorpegel ist der größte Betrag eines Abtastwerts in den 20 ms vor dem zeitlich ausgerichteten Einsatz, relativ zur jeweiligen Ausgangsspitze. Der Vorlauf beginnt beim ersten tatsächlichen Abtastwert oberhalb von −60 dB relativ zu dieser Spitze. Eine ursprüngliche Auswertung mit einem beidseitigen 1-ms-Maximumfenster wurde dafür korrigiert: Das Fenster ließ den Beginn um rund 0,98 ms zu früh erscheinen.

Impulsantwort: Schwingungen vor und nach dem Hauptimpuls

Beim Biquad reicht das Differenzsignal 21,09 ms nach dem Impuls, beim minimalphasigen FIR 11,97 ms. In beiden Fällen liegt vor dem Impuls kein Anteil oberhalb der Messschwelle. Die linearphasigen Varianten schwingen symmetrisch um den verzögerten Hauptimpuls. Etwa 49,3 % der Differenzenergie liegen davor; ein kleiner Anteil liegt direkt am Mittelpunkt. Die Varianten haben zugleich unterschiedliche Absenkungen und sind daher kein Vergleich bei identischem Frequenzgang.

Mehr Verzögerung: tiefere Absenkung und längeres Vorschwingen

In dieser Messreihe nähert sich die Absenkung mit größerem delay der Zielkurve an. Bei 5 ms werden nur 3,27 dB statt der gewünschten 12 dB erreicht, bei 50 ms sind es 9,70 dB. Gleichzeitig reicht das Vorschwingen weiter. Die rund 49 % beziehen sich weiterhin ausschließlich auf das Differenzsignal dieser Versuche; daraus folgt keine allgemeine Energiequote für Musik.

Warum die ursprüngliche Vorgabe die Zielabsenkung verfehlt

Mit 60 Stützpunkten bleiben selbst bei 200 ms nur −9,86 dB statt −12 dB. Bei einem breiteren Band mit Q = 1 werden schon bei 50 ms −11,78 dB erreicht. Beim schmalen Band beträgt die Abweichung bei 50 ms 2,30 dB, bei 100 und 200 ms rund 2,14 dB. Die Abweichung bleibt also nicht für jede Verzögerung gleich.

Eine zusätzliche Kontrolle zeigt den Einfluss der Stützpunkte: Zwischen 185 und 208 Hz fehlt ursprünglich ein Punkt genau bei 200 Hz. Schon dessen Ergänzung verbessert das Ergebnis bei 200 ms von rund −9,86 auf −11,69 dB. Mit 84 Punkten, dichter um das schmale Band verteilt, werden −11,82 dB erreicht. Diese Kontrolle verwendet sechs statt zwei Nachkommastellen für die Punktpegel. Die ursprünglichen Versuche mit 150 und 377 Punkten brechen zwar ab; daraus lässt sich weder eine allgemeine Grenze von 100 Punkten noch ein RAM-Mangel ableiten. Verzögerung, Punktverteilung und Filterentwurf beeinflussen gemeinsam die Genauigkeit.

Synthetische Kick: Vorpegel etwa 19 dB unter der Spitze

Bei den linearphasigen Varianten liegt der größte Wert vor dem ausgerichteten Einsatz rund 19 dB unter der jeweiligen Ausgangsspitze. Die korrigierte Auswertung ergibt einen Vorlauf von 6,96 beziehungsweise 13,90 ms. Das belegt ein Vorschwingen im Messsignal, aber noch kein hörbares Vorecho. Dafür wäre ein Hörvergleich nötig. Die sehr kleinen Werte der minimalphasigen Variante liegen weit unter der −60-dB-Schwelle.

Was das für die Auswahl eines EQ bedeutet

Lineare Phase kann hilfreich sein, wenn bearbeitete und unbearbeitete Signalwege wieder zusammenkommen und zusätzliche frequenzabhängige Phasenverschiebungen unerwünscht sind. Voraussetzung ist ein passender Zeitausgleich. Bei kurzen Anschlägen oder beim Live-Monitoring kann ein Modus mit geringer Verzögerung geeigneter sein. Eine allgemeine Rangfolge für Mastering, Bass oder Mehrmikrofonaufnahmen folgt aus dieser einzelnen Messung nicht. Entscheidend sind ein Vergleich bei möglichst gleichem Frequenzgang und eine anschließende Hörprobe.

Eine zusätzliche Filterverzögerung von 50 ms fällt unabhängig vom Audiopuffer an. Der verlinkte Latenz- und Pufferrechner ordnet solche Zeitspannen ein; der Beitrag zur Vocal Chain in FL Studio erläutert die Position von EQs im Signalweg.

Geltungsbereich und Grenzen

• Gemessen werden FFmpeg-Filter, nicht Fruity Parametric EQ 2. Dessen LIN-Modus bietet über das Kontextmenü mehrere Precision-Stufen; höhere Präzision erhöht laut Handbuch die Latenz. Die FFmpeg-Werte sind keine Messwerte dieser Stufen.
• Die erreichte Absenkung hängt in diesem Aufbau sowohl von der zeitlichen Ausdehnung des Filters als auch von der beschriebenen Zielkurve ab. Die ursprüngliche Abweichung ist keine grundsätzliche Grenze linearphasiger EQs. Die zusätzliche Kontrolle verbessert nur die Zielbeschreibung; die übrigen Tabellen behalten bewusst den ursprünglichen Aufbau mit 60 Punkten bei.
• Die Kick ist ein künstlich erzeugter kurzer Anschlag. Andere Aufnahmen können anderes Vorschwingen und andere Hörbarkeit ergeben. Ein weicherer Einsatz garantiert keine bestimmte Verringerung in Dezibel.
• Die Symmetrie gilt für die hier untersuchten linearphasigen Impulsantworten. Die rund 49 % sind keine feste Quote für beliebige Absenkungen oder Anhebungen. Ein Boost wurde nicht gemessen; dessen Differenzsignal ergibt sich nicht allgemein durch bloßes Umkehren des Vorzeichens.

Quellen

• Image-Line: Fruity Parametric EQ 2: Herstellerangaben zu Standard- und LIN-Modus, Precision-Stufen, Latenz und HQ-Optionen.
• FFmpeg 7.1.5: Filterdokumentation: Definitionen von delay, accuracy, gain_entry und min_phase. Die Zahlen im Beitrag stammen aus den reproduzierten Messskripten und der beschriebenen zusätzlichen Kontrolle.
• Die Tabellen enthalten Abtastwertspitzen und Differenzsignal-Auswertungen, keine LUFS- oder True-Peak-Messungen. dBFS bezieht sich auf digitale Vollaussteuerung bei 0 dBFS; negative Werte liegen darunter.