Filter ( VCF )

Filter sind Module im Synthesizer, die uns das typische Gefühl von
Synthesizersound vermitteln. Die Filter liegen im Signalweg zwischen dem VCO
und dem spannungsgesteuerten Verstärker. Oft sind bei Synthesizer Filterverläufe
in der Einschwingphase eines Klanges oder in bestimmten oder ganzen Teilen
einer Melodie dafür verantwortlich. Filter sind passive Verstärker, die ab der
Grenzfrequenz nur noch einen begrenzten Frequenzbereich des Signals
durchlassen. Die Filter in einem Synthesizer sind in der Regel von einer Spannung
steuerbar. Deshalb nennt man den Filter auch „VCF“ (engl. Voltage Controlled
Filter). Ist es ein digitaler Filter, wird er auch „DCF“ genannt (engl. Digital
Controlled Filter), die Arbeitsweise ist bei beiden digital und analog im Prinzip
gleich.
Die wesentlichste Funktion eines Filters in einem Synthesizer ist, die Kurvenform
des Oszillators dynamisch zu verändern. Schaut man sich die Kurvenformung
einer Sägezahnspannung im Verlauf einer bestimmten Zeit an, in der sie mit einem
spannungsgesteuerten Tiefpassfilter bearbeitet wird, entsteht folgender
Kurvenverlauf:

Die Abbildung zeigt die Veränderung der Sägezahnschwingung beim Durchlaufen
des Filters, welches von einer Spannung gesteuert wird. Diese Spannung bewegt
sich vom Maximalwert bis zum Minimalwert. Es ist ganz deutlich zu erkennen wie
die Obertöne aus dem Sägezahn weggefiltert werden bis nur noch eine
Sinusschwingung übrig bleibt, der Grundton.

Grenzfrequenz
Beim Programmieren von Filterverläufen spielt die Grenzfrequenz eine tragende
Rolle. Jedes Filter hat eine Grenzfrequenz. Sie wird auch als „Kennfrequenz“ oder
„Eckfrequenz“ bezeichnet. Der englische Begriff „Cutoff Frequency“ entspricht auch
der Umgangsprache. Die Grenzfrequenz eines Filters wird bei -3dB angegeben. Ab
der Grenzfrequenz beginnt der passive Filter zu arbeiten. Das heißt, ab der
Grenzfrequenz werden die Frequenzen abgesenkt.
Zusätzlich ändert sich an der Grenzfrequenz auch die Phasenlage des Signals,
welches den Filter durchläuft. Für das menschliche Ohr ist diese Phasenänderung
ohne weiteres bei einem Synthesizer nicht hörbar.
Möchte man die Phasenänderung einmal hören, benötigt man zwei Synthesizer-
Instanzen. Mischt man zwei Signale (ein Signal durchläuft einen Allpass-Filter, das
andere Signal durchläuft keinen Filter) zusammen, entsteht nicht nur eine
Anhebung des Gesamtpegels. Es tritt ein Effekt ähnlich dem eines Phasers auf, da
Auslöschungen entstehen, welche ein Beweis für Phasenversatz sind.

Filtertypen

Ein Tiefpassfilter bzw. ein „HighCut“-Filter ist spätestens seit der Einführung des
Minimoogs ein klassischer Fall in einem subtraktiven Synthesizer. Mit der Zeit
wurden weitere Filterschaltungen in Synthesizer integriert.
Man unterscheidet zwischen fünf Filtertypen: Tiefpass, Hochpass, Bandpass,
Kerbfilter und dem Allpass-Filter, wobei der Allpass-Filter alle Frequenzen
durchlässt, er ändert lediglich die Phasenlage des Signals ab der Grenzfrequenz.
Der Tiefpass- und das Hochpassfilter senken ab der Grenzfrequenz das
Frequenzspektrum. Das Bandpass-Filter lässt Frequenzen in einem bestimmten
Bereich um die Grenzfrequenz herum passieren. Das Kerbfilter, – auch Notchfilter
genannt – senkt die Frequenzen um den Bereich der Grenzfrequenz herum. Die
Stärke der Senkung ist abhängig von der Flankensteilheit, der sogenannten
Filtergüte. Die Filtergüte eines Filters in einem Synthesizer ist unterschiedlich und
hängt stark vom Hersteller ab, gängig sind 6dB und 12dB pro Oktave. Gute Filter
mit 24dB pro Oktave sind meist in hochwertigeren Synthesizern wie z.B. dem
Minimoog verbaut. Der Klang des Tiefpassfilters des analogen Minimoogs ist bis
heute legendär. Er wurde von Dr. Robert Moog als Transistorkaskade entwickelt
und weltweit patentiert.
In Synthesizern sind oft auch State-Variable-Filter verbaut, diese können
unterschiedliche Filtertypen erzeugen, sodass der Musiker seinen Vorstellungen
entsprechend den passenden Filtertyp einsetzen kann. Filter mit einer höheren
Flankensteilheit arbeiten schmalbandiger und klingen eher „hart“ bzw. „scharf“. Je
flacher die Flankensteilheit eines Filters ist, desto „weicher“ klingt der
Filtervorgang. Filtertypen können unterschiedliche Charakteristiken besitzen, diese sind Bessel,
Butterworth und Tschebyscheff.

Die Abbildung zeigt die unterschiedlichen Charakteristiken eines Tiefpassfilters.
Die Charakteristiken haben unterschiedliche Werte im Phasenverhalten, dem
relativen Frequenzgang und der Sprungantwort.
Die Sprungantwort ist die Reaktion des Filters auf eine abrupte
Spannungsänderung. Durchläuft eine Rechteckschwingung beispielsweise einen
Filter, so entstehen kurzfristig neue Obertöne.
Der relative Frequenzgang eines Tiefpassfilters sagt aus, wie gleichmäßig der
Frequenzbereich unter und über der Grenzfrequenz übertragen wird.
Dementsprechend wird auch die Flankensteilheit des Filters durch die
Filtercharakteristik verändert.
Die Namen der Filtercharakteristiken stammen von ihren Entwicklern. Je nach
eingestellter Filterresonanz ändert sich die Filtercharakteristik des Filters.

 

Resonanz

Im Original-Handbuch des Minimoogs wird das Filter von Moog als eigene
Klangquelle betitelt. Dies hängt mit einer entstehenden Rückkopplung in der
Filterschaltung zusammen, der Filterresonanz. Ist diese Resonanz extrem hoch
hoch eingestellt, neigt das Filter zur Selbstoszillation. Klanglich kommt dies einem
Sinuston nahe. Was passiert ist folgendes: Das Ausgangsignal des Filters wird in
der Phase um 180° gedreht und dem Eingangsignal wieder hinzugemischt. Der
Klang beginnt in dem Grenzfrequenzbereich des Filters zu resonieren.
Das Filter beginnt zu schwingen, wenn das rückgekoppelte Signal fast gleichlaut
oder lauter ist als das Eingangssignal.
Mit der Resonanz des Filters ändert sich auch Filtercharakteristik. Je höher die
Resonanz wird, desto mehr verändert sich die Filtercharakteristik in Richtung
Butterworth und schließlich hin zum Tschebyscheff. Ist die Filterresonanz gleich
null, entspricht die Senkung des Filters einer Besselkurve.
Je höher Resonanz ist, desto eher wird der Höreindruck vermittelt, dass das
Gesamtsignal leiser wird leiser. Was hier passiert ist, im Resonanzbereich werden
die Frequenzen addiert, aber in dem nicht schwingenden Bereich des Filters
werden die Frequenzen abgezogen.
Manche Hersteller haben dem Resonanzregler deshalb zusätzlich eine zweite
Regelfunktion zugewiesen. Diese verstärkt er bei zunehmender Resonanz auch
den Signalpegel.
Vereinzelt ist der Resonanzwert auch mit einer Spannung steuerbar. So lässt sich
dieser mittels einer Hüllkurve oder einem LFO modulieren.
Bei hohen Frequenzen neigt das Filter eher zum Schwingen als bei tiefen
Frequenzen. Daher bauen manche Hersteller einen Tiefpassfilter in den
Rückkopplungsweg ein, um die Schwingfähigkeit des Filters etwas
einzuschränken.

Filter Tracking

Der Begriff „Filter Tracking“ kommt aus dem englischen und bedeutet, dass die
Grenzfrequenz des Filters der Tastaturspannung folgt. Bewegt sich die
Grenzfrequenz des Filters im Verhältnis von eins zu eins mit der Tastaturspannung
mit, dann haben alle gespielten Noten die gleiche Obertonstruktur. Also ändert sich
die Grenzfrequenz um eine Oktave pro Volt der Tastaturspannung.
Das Obertonverhalten ändert sich in der Natur oft mit der Tonhöhe eines
Schallereignisses, es bleibt nicht gleich. Deshalb nimmt das Ohr solche Signale
auch als natürlich wahr. Um bewusst eine klangliche Künstlichkeit zu vermitteln,
kann das Filter Tracking aktiv geschaltet werden. Ob einem bei der Erschaffung
eines Klangs Filter Tracking zu Gute kommt oder nicht probiert man am besten
während dem gleichzeitigen Spielen der Tasten aus.
Haben die Klänge alle die gleiche Obertonstruktur bzw. ist Filter Tracking aktiv
geschaltet, dann wird eine gewisse klangliche Künstlichkeit vermittelt, was
durchaus vom Musiker gewünscht sein kann.