В чатах регулярно всплывает: «поставь процессор с FIR, и фаза станет идеальной». Потом человек ставит, грузит фильтр из интернета, и звук сдвигается относительно картинки на мониторе в видео, а бас становится каким-то «размазанным». FIR-фильтры реально сильный инструмент, но у них своя цена, и её нужно понимать до покупки.
Чем FIR отличается от обычных IIR-фильтров?
Привычные фильтры в процессоре, Баттерворт, Линквиц-Райли, параметрические эквалайзеры, это IIR-фильтры. Они повторяют поведение аналоговых цепей: у каждого наклона АЧХ есть свой фазовый сдвиг, связанный с ним жёстко. FIR этой связи не имеет.
| IIR | FIR | |
|---|---|---|
| Фаза | Определяется АЧХ (минимально-фазовый) | Любая, в том числе линейная |
| Задержка | Почти нет, единицы отсчётов | У линейно-фазового половина длины фильтра |
| Вычисления | Несколько умножений на фильтр | N умножений на каждый отсчёт |
| Работа на низах | Без ограничений | Ограничена длиной фильтра |
| Предзвон | Нет | Бывает у линейно-фазовых с крутыми срезами |
Главная цена: задержка и длина
У линейно-фазового FIR импульсная характеристика симметрична, и центр её приходится на середину. Отсюда задержка τ = (N − 1) / 2 / fs. На частоте дискретизации 48 кГц фильтр в 1024 тапа задерживает сигнал на 10,7 мс, в 4096 тапов на 42,7 мс.
Вторая сторона той же медали: чем короче фильтр, тем грубее он «видит» низкие частоты. Шаг по частоте примерно fs / N: у 1024 тапов это 47 Гц. Фильтр такой длины физически не может аккуратно сделать срез на 60 Гц, ему не хватает разрешения.
Для машины это значит простое правило: FIR хорош на СЧ и ВЧ, где длина нужна небольшая, и дорог на мидбасе и сабвуфере. Поэтому многие гибридные процессоры предлагают FIR только на части каналов или ограниченной длины, а низы оставляют IIR.
Где FIR реально помогает в машине?
Обычный кроссовер LR4 на 2,5 кГц между СЧ и твитером даёт фазовый поворот на 360° через полосу раздела. Линейно-фазовый FIR с той же крутизной суммирует полосы без поворота, и импульсный отклик системы получается ближе к исходному. На ровной оси это выглядит красиво. Слышно ли это в салоне, вопрос открытый: работа Липшица, Покока и Вандеркоя 1982 года показала, что фазовые искажения на СЧ слышны, но на специальных сигналах и в контролируемых условиях, а в музыке и в комнате заметно слабее.
У каждого динамика есть своя ФЧХ: резонансы, спад на краях полосы. FIR может её частично выпрямить, не трогая АЧХ. Это та же задача, что решает фазовыравниватель на all-pass фильтрах, только гибче. Но корректировать можно только то, что одинаково в разных точках прослушивания. Фаза в салоне от точки к точке меняется, и «идеальная» коррекция в одной точке микрофона разваливается в соседней.
FIR может реализовать любую форму АЧХ, которую трудно собрать из десятка PEQ. На практике в машине это редко нужно: основные проблемы салона это моды и отражения, и их поправляют обычным эквалайзером в меру.
На чём горят с FIR-фильтрами
- Ставить линейно-фазовый FIR на всю систему и не учитывать общую задержку: при просмотре видео звук заметно отстаёт от картинки.
- Не выравнивать задержки каналов с FIR и без FIR. Линейно-фазовый фильтр задерживает свой канал, и эту задержку нужно учесть в настройке задержек.
- Загружать чужой файл коэффициентов под другую частоту дискретизации.
- Делать крутые линейно-фазовые срезы на низах и получать предзвон перед ударом.
Что это значит для SQ?
На соревнованиях никто не спрашивает, какие фильтры стоят. Слушают тональность, сцену, атаку. У меня в Mark X СЧ и твитер разделены около 2,5 кГц обычными фильтрами крутизной 4–6 порядка, и сцена собирается задержками и полярностью. FIR я рассматриваю как инструмент тонкой доводки, когда всё остальное уже сделано: грамотный монтаж, выбор точки раздела, фазовая когерентность на стыках. Без этого фундамента FIR только добавит задержку.
Если дочитал до сюда и всё ещё думаешь про FIR, вот что спрашивают следующим.
Тапы в FIR-фильтре это его коэффициенты, а их число задаёт длину фильтра. На частоте дискретизации 48 кГц фильтр в 1024 тапа охватывает около 21 мс сигнала, в 4096 тапов около 85 мс. Чем больше тапов, тем точнее FIR работает на низких частотах, но тем больше задержка у линейно-фазового варианта и нагрузка на процессор.
Ставить FIR на сабвуфер можно, но в машине это редко оправдано. Частотный шаг фильтра примерно fs / N, и для разрешения около 6 Гц на 48 кГц нужно порядка 8192 тапов. Линейно-фазовый фильтр такой длины задерживает сигнал примерно на 85 мс, а крутые срезы на низах дают предзвон перед ударом. Поэтому сабвуфер и мидбас обычно оставляют на IIR.
Для большинства систем в машине хватает IIR-фильтров вместе с правильно выставленными задержками и полярностью. IIR почти не вносят задержки и спокойно работают на низах. FIR-фильтр имеет смысл как тонкая доводка на СЧ и ВЧ, когда монтаж, точки раздела и фазовая когерентность на стыках уже в порядке. Без этого FIR только добавит задержку.
В самой музыке задержка FIR-фильтра не слышна, если её учли и выровняли задержки всех каналов. Заметна она при просмотре видео: линейно-фазовый фильтр в 4096 тапов на 48 кГц задерживает звук примерно на 43 мс, и голос начинает отставать от губ на экране. Если задержку на одном канале не учли, разваливается сцена и стык полос.
Свой FIR-фильтр обычно рассчитывают в программе вроде rePhase по замерам, а потом загружают файл коэффициентов в софт процессора. Главное условие: файл должен быть посчитан под ту же частоту дискретизации и длину, которые поддерживает процессор, иначе АЧХ съедет. Перед покупкой проверь, на скольких каналах и с какой длиной звуковой процессор даёт FIR.
Если думаешь о процессоре с FIR, сначала посмотри, сколько тапов и на каких каналах он даёт и какую задержку это внесёт на твоих частотах раздела. Как выбирать процессор под систему, разобрано в шаге «Подбор компонентов», а что делать с ним потом, в шаге «Настройка системы».
Собрал FIR-фильтр в rePhase или другой программе и сомневаешься в результате? Скинь замеры в Telegram-чат, посмотрим вместе.
Источники
- S. Linkwitz, «Active Crossover Networks for Noncoincident Drivers», JAES, 1976
- S. P. Lipshitz, M. Pocock, J. Vanderkooy, «On the Audibility of Midrange Phase Distortion in Audio Systems», JAES, 1982
- Linkwitz Lab, Active filters: linkwitzlab.com/filters.htm
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
См. также: ГВЗ, минимально-фазовые системы, латентность, фаза, частота дискретизации.