Ich möchte euch hier meinen Falt-PC vorstellen, der als 8-fach FIR-Weiche arbeitet.

Nach einigen Experimenten mit dem MiniSharc habe ich mich dazu entschlossen, eine FIR-Aktivweiche auf PC-Basis aufzubauen. Es gibt einige Dinge, die mich an dem MiniSharc stören. Z.B. ist die Filterlänge mit 1024 (bzw. 2048 ) Taps ziemlich gering. Im Bass reicht das für umfangreiche Korrekturen nicht aus. Es gibt stattdessen allerdings die IIR-Sektion, die das übernehmen kann, während man mit FIR nur die Trennfrequenzen realisiert.

Aufbau

Als Basis für meinen Falt-PC kommen ein passives MiniITX-Board mit fest verbautem 4-Kern-Celeron, eine 4 GB SSD und ein sehr leises Netzteil zum Einsatz. Das Audio Interface sollte unbedingt intern sein, da Stabilität und Robustheit für mich sehr weit oben steht. Ein USB-Interface hat immer den Nachteil, dass man es herausziehen kann (Kinder!) und es meist eine externe Stromversorgung benötigt. Das fällt bei einer PCIe-Karte weg.

Gehäuse.jpg

Ich habe viel abgewogen und habe mich schlussendlich für die Xonar Essence STX II 7.1 entschieden. Diese Soundkarte besitzt 8 analoge Ausgänge mit sehr hochwertigen Wandlern. Leider hat sie keinen digitalen Eingang, aber das Abspielen kann der PC auch selbst übernehmen, so dass gar keine A/D-Wandlung mehr stattfindet. Leider sind die Ausgänge nicht symmetrisch ausgeführt, was aber kein großes Manko ist.
Diese Karte ist voll auf Hifi getrimmt mit Jitter-Optimierung, Abschirmung und eigener Stromversorgung für die Wandler (die man theoretisch nach außen legen könnte). Beim Aktivieren der Karte klicken sogar Relais.
Und sie ist mit ca. 240 € deutlich günstiger als professionelle Audio Interfaces.

Asus.png

Als Betriebssystem habe ich Debian Linux ohne grafische Oberfläche installiert, auf dem MPD und Brutefir laufen. Die Xonar Essence STX II wird erst ab Kernel 3.18 unterstützt, also musste ich auf Stretch (Testing) aktualisieren. Ab da wurde die Karte problemlos erkannt und der ALSA-Mixer bietet alle Einstellungen, die man benötigt.

Achtung: das Erweiterungsboard Xonar H6 besitzt andere Wandler als die Hauptplatine. Dadurch entsteht eine Verzögerung zwischen den ersten beiden und den anderen sechs Kanälen. Die Wandler der Hauptplatine können aber problemlos auf die H6 gelötet werden. Siehe hier.

Die ganze Kiste ist im Grunde eine schöne Blackbox. Außer einem Netzwerkkabel brauche ich keine weiteren Anschlüsse. Das Ding ist in 15 s betriebsbereit und fährt in 1 s herunter, wenn man den Einschalter drückt. Sehr problemlos. Und hören tut man das Netzteil im Betrieb wirklich gar nicht. Das ist wirklich extrem leise.

Hier mal ein Vergleich zum MiniSharc.

MiniSharc:
- S/R-Abstand: 112 dB
- Filterlänge: 1024 / 2048
- Preis: ca. 600 € (inklusive Gehäuse)
- einfach zu bedienende grafische Oberfläche

Falt-PC:
- S/R-Abstand: 124 dB / 120 dB
- Filterlänge: 262.144
- Preis: ca. 400 €
- nur Konsole, Einrichtungsaufaufwand hoch

Der MiniSharc ist bis auf die einfache Bedienung also deutlich unterlegen.


Software

Debian Stretch (unstable) (Betriebssystem)
upmpdcli (UPnP-Renderer)
MPD (Player/Server)
BruteFIR (Falter)
SOX (Resampler/Konverter)
VOLRACE (Lautstärkeregelung)

RePhase (zum Generieren der FIR-Filter)


Ich habe viel rumprobiert, um die ideale Software zum Abspielen zu finden. Im Moment streame ich per UPnP an den Rechner. Dieser leitet den Stream an die Signalverarbeitung weiter und am Ende entstehen 8 Kanäle daraus. Als Controller kann z.B. foobar oder ein Smartphone benutzt werden. Die Lautstärkeregelung nehme ich digital vor.

So sieht die Signalverarbeitung aus (alles über Pipe):

Convolver.png

Die ganze Signalkette inklusive der Lautstärkeregelung arbeitet mit 64 Bit Gleitkommazahlen. Dadurch werden Rundungsfehler vermieden. Die Lautstärkeregelung liest eine Datei aus, die durch ein Script gefüllt wird, das auf eine HID-Funkfernbedienung reagiert. Das Script rechnet in dB-Schritte um, so dass sich die Regelung linear anfühlt.

Im Moment falte ich 8 Kanäle mit Filterlängen von jeweils 131.068 Samples. Die CPU-Auslastung ist ein Witz, da geht also noch deutlich mehr. Mit der Partitionierung von BruteFIR kann die Latenz gering gehalten werden. Für das reine Musikabspielen ist das eigentlich egal, nervt nur beim Springen ein bisschen.
Die Filter habe ich mit dem kostenlosen RePhase generiert. Zum Messen benutze ich die beiden Eingangskanäle der Xonar. Das klappt problemlos und die Latenz ist für ARTA kein Problem.

Man kann da wirklich einiges optimieren. Unter Linux muss man allerdings auch viel rumfummeln. Inzwischen gibt es auch spezielle Audio-Lösungen für den abgespeckten Windows Server. Ich vermisse aktuell aber nichts und der Rechner läuft absolut stabil und ohne Knacks- oder Störgeräusche.

Ich auch.

Wieso hattest du dich dem Thema digitale Raumkorrektur überhaupt noch mal gewidmet? Deine Hardware wird doch schon auf hohem Niveau optimiert, also die DIY Boxen und Raumakustik. Ist das DRC jetzt akademische Spielerrei oder erwartest du hörbare Vorteile?. Kann man damit vielleicht sogar das Geschrei von Frau und Tochter wegfalten ?

ich glaube, hier liegt ein Missverständnis vor. Ich will keine Raumkorrektur fürs Heimkino machen, sondern eine Aktivweiche für Stereo realisieren. Die Kiste befeuert dann zwei 4-Weger (noch in Entwicklung), die nur für Musik da sind. Die werden dann auch komplett getrennt vom Heimkino in dem Musikzimmer aufgebaut.

Wieso benutzt du eigentlich analoge Ausgänge? Gibt es da heute nicht schon Möglichkeiten das gefaltete Signal über HDMI auszugeben?

Weil die Endstufen direkt dahinter sitzen.

Wenn das nur so einfach wäre!

Ah ok, "falten" war nur in Bezug auf Raumkorrektur bekannt.

Man kann damit aber auch ganze Frequenzweichen realisieren. Das heißt, jeder Zweig bekommt eine speziell generierte Impulsantwort (->rePhase), die einen Hochpass oder Tiefpass (oder beides) enthält. Also das, was man sonst mit IIR-Filtern macht. Dieser FIR-Filter kann dann zusätzlich noch Korrekturen für den Raum enthalten. Der Falter (Convolver) muss also jeden der 8 Kanäle mit seiner Impulsantwort falten, damit Tief-, Mittel- und Hochtöner ihr spezielles Signal erhalten.

Daraus kann ein linearphasiges System entstehen. Ich brauche FIR-Filter aber für mein Konzept, weil man mit damit Subtraktionsweichen erzeugen kann, so wie es z.B. Horbach und Keele beschreiben. Das ist mit IIR-Filtern nicht möglich.

Die Familie muss halt minimalphasig zetern, dann kann man auch einen wirksamen Filter falten.

Ja, sogar mit IIR.

Aaaalso von Anfang an: jeder Mensch hat zwei Ohren. Die befinden sich links und rechts vom Kopf....


Nein im Ernst, ich versuche es mal einfacher zu erklären.
Jeder Mehrweglautsprecher benötigt eine Frequenzweiche, die den einzelnen Treibern ihren Frequenzbereich "zuweist". Das kann entweder passiv (Spulen, Kondensatoren) oder aktiv passieren. Bei den aktiven Filtern unterscheidet man zusätzlich zwischen IIR-Filtern und FIR-Filtern. Daniel hat dazu ja schon was geschrieben. So eine Aktivweiche mit FIR-Filtern setze ich mit meinem PC ein.

IIR-Filter bilden das Verhalten von analogen Bauteilen nach. Die Übertragungsfunktion verhält sich dann identisch. Das hat den Nachteil, dass Amplitude und Phase in einem starren Zusammenhang stehen. Man kann z.B. aus dem Amplitudengang den Phasengang ableiten und umgekehrt. In der Uni mussten wir das in Regelungstechnik sogar auf dem Papier machen.

FIR-Filter dagegen können Amplitude und Phase unterschiedlich behandeln. Ein FIR-Filter ist erstmal nichts anderes als eine Impulsantwort. In dieser Impulsantwort steckt die Übertragungsfunktion, also z.B. ein Tiefpass oder weitere Amplituden- und Phasenentzerrungen für den Raum usw.
Um diese Impulsantwort auf das Signal anzuwenden, muss eine Faltung stattfinden. Eine Faltung ist eine spezielle mathematische Operation. Man muss nicht wissen, wie die funktioniert. Wichtig ist, dass dem Ausgangssignal am Ende die Eigenschaften der Übertragungsfunktion des FIR-Filters "aufgeprägt" sind.

Mein PC ist also erstmal eine Aktivweiche mit FIR-Filtern. Sowas gibt es z.B. als MiniSharc auch zu kaufen, die sind aber in ihrer Rechenleistung beschränkt und erlauben nur eine geringe Anzahl an Taps (Samples). Die Samplelänge des FIR-Filters bestimmt, wie genau es bei tiefen Frequenzen wirkt. Je länger, desto genauer und desto höher ist die Gesamtlatenz. Ein moderner PC hat grundsätzlich mehr als genügend Rechenleistung für sehr lange Filter bei mehreren Kanälen.

Nun kann mein PC allerdings noch mehr, nämlich Abspielen. Er spielt direkt einen Stream ab, schickt ihn durch die Signalverarbeitung und gibt die 8 Signale an die Ausgänge der Soundkarte. Dahinter hängen dann direkt die Endstufen und dahinter die beiden 4-Wege-Lautsprecher. Es gibt also keine unnötige A/D-Wandlung und auch kein jitterbehaftete S/PDIF-Übertragung.

Der Lautsprecher ist noch in der Entstehung. Die Dokumentation über die Prototypen gibt es hier. Der letzte Prototyp wird es wohl werden. Allerdings mit einem zusätzlichen Weg für den Bass und einer CNC-gefrästen Front.

Das hier ist ein guter Einstieg. Ich würde aber direkt Debian oder eine andere große Distribution installieren, da die aktueller sind. VoyageMPD hat z.B. noch keine Treiber für die Xonar Essence STX II.

Ansonsten muss man sich leider viel durchfummeln. JACK braucht man nicht, die Verbindung geht auch über die Pipe problemlos. Sogar problemloser als mit JACK.


Theoretisch schon. Bei FIR-Filtern kommt aber immer eine gewisse Latenz hinzu, so dass anschließend das Bild verzögert werden muss. Normalerweise reicht aber auch eine manuelle IIR-Korrektur bis in den Grundton hinein. Darüber würde ich sowieso nichts ändern.

Ich bin auch kein Linux-Nutzer und weiß nicht, wie sich die großen Distributionen unterschieden. Ich denke, man macht mit den oben genannten nichts falsch. Mir war wichtig, dass ich ein System ohne grafische Oberfläche habe. Bei Debian kann man das einfach auswählen. Bei den anderen wahrscheinlich auch, bestätigen kann ich das aber nicht.

Naja, ich kam schon mal an die Grenze, als ich etwas testweise installiert habe.
Im Betrieb reicht die mir, aber ich würde jetzt auch eher auf 8 GB oder höher gehen, da man einfach mal Reserven zum Testen hat.

Ja, definitiv. Wichtig ist, nur, dass die Laufzeiten zwischen den Wegen korrekt angepasst sind. Aber man kann ja den Hochtöner z.B. auch durch einen DSP-Kanal leiten und ggf. verzögern.

Exakt.

Mein Ziel ist ja eine Black Box. Der Einschalter und die Fernbediengung reichen als Bedienelemente. Der Falt-PC wird von einem anderen Client aus "bestreamt". Ich muss also im Betrieb nichts einstellen und brauche somit auch keine Oberfläche. Der PC braucht nicht einmal Tastatur und Monitor. Strom- und Netzwerkkabel reichen.

Ist Netzwerkstreamer mit integrierter digitaler 8-fach-FIR-Filter-Aktivweiche auf PC-Basis weniger verwirrend?

Die Gefahr besteht sicherlich. Ich benutze meinen Linux-PC ja inzwischen fast drei Monate und bisher ist es kein einziges Mal vorgekommen, dass undefinierter Krach herausgekommen wäre. Zumindest nicht, seitdem ich mit der Konfiguration fertig bin. Beim Rumfummeln mit BruteFIR kann das natürlich immer passieren.

UPnP scheint auch sehr stabil zu laufen. Das Wechseln des Stückes, während ein anderes abgespielt wird, verläuft völlig knacksfrei. Genauso problemlos ist das Drücken des Ausschalters während der Wiedergabe.

Eine Idee habe ich leider auch nicht. Stören tun solche Fragen nicht. Dafür ist der Thread ja da.