Das Filter ist das Element der subtraktiven Synthese, das ihr den Namen und die Funktion gibt. Es wird verwendet, um aus einem eingehenden Audiosignal bestimmte Frequenzen herauszufiltern, aber auch, um per Resonanz Frequenzanteile hinzuzufügen.
Parameter eines Filters[]
Filtereckfrequenz (Cutoff)[]
Die Cutoff-Frequenz, auf deutsch Filtereckfrequenz, ist die Frequenz, ab der das Signal gefiltert wird. Sie ist regel- und modulierbar.
Wenn es eine Filterhüllkurve gibt, steuert sie die Cutoff-Frequenz; die Intensität dieser Beeinflussung ist regelbar per Envelope Amount.
Resonanz[]
Die Resonanz ist ein Parameter, der außerhalb der elektronischen Musik auch als Q-Wert oder als Filtergüte bezeichnet wird. Sie hebt an der Cutoff-Frequenz das Signal an. Einige Analogfilter senken dabei den Rest des Signals ab, einige virtuell-analoge Synthesizer können dieses Verhalten simulieren; geschieht dies nicht, wird der Klang durch die Resonanz lauter.
Auch die Resonanz ist regelbar und bei einigen Synthesizermodellen modulierbar.
Frühe Digitalfilter waren nicht immer resonanzfähig. Die KORG M1 beispielsweise wurde als Synthesizer dafür kritisiert, daß ihre Filter keine Resonanz erzeugen können, auch weil sie in einer Zeit erschien, als klassische Analogsynthesizer wieder in Mode kamen.
Selbstoszillation[]
Je nach Filterbauart können hohe Resonanzwerte dazu führen, daß das Filter auch ohne eingehendes Signal eine mit der Cutoff-Frequenz schwingende Sinuswelle erzeugt. Wenn gleichzeitig das übrige Signal abgesenkt wird, bleibt bei extremen Resonanzwerten nur noch das Sinussignal übrig. Bei Analogsynthesizern können teilweise die Oszillatoren selbst keine Sinuswelle erzeugen, statt dessen wird dafür das selbstoszillierende Filter eingesetzt.
Flankensteilheit[]
Ein Filter schneidet Frequenzbereiche nicht schlagartig ab, sondern sie werden schwächer, je weiter sie sich von der Cutoff-Frequenz entfernen. Diese Schwächung hat eine logarithmische Kurve und wird gemessen in Dezibel pro Oktave (dB/Oktave). Ein Audiosignal, das beispielsweise durch ein Tiefpaßfilter mit 12 dB/Oktave läuft, ist eine Oktave oberhalb der Cutoff-Frequenz, also bei der doppelten Cutoff-Frequenz, um 12 dB schwächer als am Eingang, absolut also nur ⅟₁₆ so stark, zwei Oktaven oberhalb der Cutoff-Frequenz, also bei der vierfachen Cutoff-Frequenz, um 24 dB schwächer, also nur ⅟₂₅₆ so stark usw.
Bei Analogfiltern ist die Flankensteilheit konstruktionsbedingt vorgegeben. Virtuell-analoge Synthesizer wiederum haben umschaltbare Flankensteilheiten, um verschiedene Analogsynthesizer klanglich emulieren zu können. Wirklich regelbar ist die Flankensteilheit nur in sehr seltenen Fällen.
Je steilflankiger ein Filter ist, desto eher läuft es bei hohen Frequenzen in die Selbstoszillation.
Keyboard Tracking (Keytracking, Keyfollow)[]
Sofern dieser Parameter vorhanden ist, regelt er, wie stark die Cutoff-Frequenz abhängig ist von der gespielten Note. Auf null bleibt das Filter über den ganzen Spielbereich gleich, auf 100% wird die Cutoff-Frequenz genauso skaliert wie die der Oszillatoren. Dies macht das tonale Spiel gerade eines selbstoszillierenden Filters erst möglich.
Bei Analogsynthesizern liegt hierfür meist kein stufenloser Regler vor. Wenn überhaupt, dann gibt es einen Schalter mit drei oder vier Positionen, der verschiedene vorgegebene Trackings anwählbar macht. Bei vier Positionen sind dies 0, ⅓, ⅔, ⅟₁. Auf diese Weise kann relativ einfach gewährleistet werden, daß auch wirklich (im Rahmen analoger Ungenauigkeiten) exakt 100% einstellbar sind.
Bei einigen Analogsynthesizern ist das Keyboard Tracking auf 100% festgelegt, etwa bei den klassischen Modellen von Yamaha. Bei diesen kann somit die Cutoff-Frequenz statt auf einer absoluten auf einer harmonischen Skala eingestellt werden.
Digital arbeitende Synthesizer erlauben eine zuverlässige Anwahl auch fein skalierter Werte, somit haben viele ein fast stufenlos regelbares Filter-Keytracking. Mitunter kann dies sogar auf über 100% geregelt werden.
Polzahl[]
Die Zahl der Filterpole bestimmt bei Analogsynthesizern die Flankensteilheit: Im allgemeinen hat ein Filterpol 6 dB/Oktave, was einer Pegelreduzierung auf ¼ mit jeder Oktave entspricht. Bei Hoch- und Tiefpaßfiltern hat entsprechend ein Zweipolfilter 12 dB/Oktave, ein Vierpolfilter hat 24 dB/Oktave. Ein Bandpaßfilter filtert zwei Frequenzbereiche aus; ein Zweipol-Bandpaßfilter hat nur 6 dB/Oktave, weil jeweils ein Pol für die Frequenzen oberhalb und unterhalb der Cutoff-Frequenz gebraucht wird.
Filterarten[]
Voltage-Controlled Filter (VCF)[]
Voltage-Controlled Filter oder VCF ist die Bezeichnung für Analogfilter, die komplett über Steuerspannungen geregelt werden. Sie arbeiten relativ ungenau, was aber geringfügig zu ihrem Klangcharakter beiträgt. Da die Analogsteuerung stufenlos ist, erzeugen händische Filterfahrten keine unerwünschten Artefakte.
Digitally Controlled Filter (DCF)[]
Das Digitally Controlled Filter oder DCF arbeitet immer noch analog, allerdings mit digitaler Steuerung, was es präziser und kompakter macht. Bis darauf, daß es sauberer stimmbar ist als ein VCF und die Rasterung der Digitalregelung Treppeneffekte bei Filterfahrten erzeugen kann, sofern die Regelung nicht geglättet wird, gibt es kaum prinzipbedingt klangliche Unterschiede; dafür läßt sich das DCF besser in einen digital gesteuerten und speicherbaren Synthesizer integrieren, wie er in den 80er Jahren üblich war.
Das DCF ist bei neuen Analog- und Hybridsynthesizern aus der Mode gekommen. Selbst wenn diese DCOs haben, wird trotzdem wieder meistens auf VCFs zurückgegriffen.
Digitalfilter[]
Ein Digitalfilter ist Teil eines digitalen Signalweges. Es rechnet Frequenzanteile einfach aus dem Audiosignal heraus und tut dies grundsätzlich klangneutral. Digitalfilter könnten Frequenzbänder auch abrupt entfernen; allmählich abfallende Filterflanken sind im Grunde historisch bedingt.
Während Digitaloszillatoren schon in den 70er Jahren in Synthesizern zu finden waren, kamen Digitalfilter erst in der zweiten Hälfte der 80er Jahre zusammen mit Samplern und letztlich Romplern auf. Vorher hatten Synthesizer mit digitalen Tongeneratoren und Sampler entweder Analogfilter oder überhaupt keine Filter. Einige frühe Digitalfilter, etwa bei KORG, können noch keine Resonanz erzeugen.
Das steigende Interesse an Analogsynthesizern in den 90er Jahren führte zur Entwicklung virtuell-analoger Synthesizer. Diese machten Digitalfilter notwendig, die sich so weit wie möglich wie Analogfilter verhielten und wie Analogfilter klangen. Zuerst fielen diese noch relativ generisch aus, es wurde aber von Anfang an auf eine variable Filtercharakteristik inklusive unterschiedlicher Flankensteilheiten sowie auf die weitestmögliche Beseitigung digitaler Artefakte geachtet. Später kamen sogar Synthesizer auf, die konkrete klassische Analogfilter imitierten, beispielsweise das Vierpol-Kaskadenfilter von Moog oder die Oberheim-Zweipolfilter.
Time-Variable Filter (TVF)[]
Time-Variable Filter oder TVF ist Rolands Bezeichnung für ein Digitalfilter mit zugeordneter Multistage-Hüllkurve.
Tiefpaßfilter[]
Ein Tiefpaßfilter (Low-Pass Filter, LP) läßt die Frequenzanteile von der Cutoff-Frequenz abwärts unverändert passieren und filtert diejenigen oberhalb aus. Klanglich gibt es eine Veränderung zum Dumpfen.
Hochpaßfilter[]
Ein Hochpaßfilter (High-Pass Filter, HP) läßt die Frequenzanteile von der Cutoff-Frequenz aufwärts unverändert passieren und filtert diejenigen unterhalb aus. Klanglich nimmt das Baßfundament ab, der Klang wird dünner.
Bandpaßfilter[]
Ein Bandpaßfilter (Band-Pass Filter, BP) läßt nur die Frequenzanteile an der Cutoff-Frequenz unverändert passieren und filtert sowohl diejenigen oberhalb als auch diejenigen unterhalb aus. Es besteht in der Praxis aus je einem in Reihe geschalteten Tiefpaß- und Hochpaßfilter. Meistens haben beide dieselbe Cutoff-Frequenz, bei einigen Modellen kann aber auch die Spreizung geregelt werden. Analoge Bandpaßfilter haben somit Pole für den Tiefpaß- und den Hochpaßanteil und benötigen daher für dieselbe Flankensteilheit doppelt so viele Pole wie Tief- oder Hochpaßfilter.
Kerbfilter[]
Ein Kerbfilter (Bandsperrfilter, Notch Filter, Band Rejection Filter, BR) filtert die Frequenzanteile an der Cutoff-Frequenz aus und läßt diejenigen oberhalb und unterhalb unverändert passieren. Ähnlich wie das Bandpaßfilter besteht das Kerbfilter aus je einem Tiefpaß und einem Hochpaß; diese sind hier aber parallel geschaltet und in der Cutoff-Frequenz weit genug voneinander entfernt, um einen Frequenzbereich weit genug herunterregeln zu können. Bezüglich der Polzahl und Flankensteilheit gilt also auch dasselbe wie für das Bandpaßfilter.
Filterbank[]
Eine Filterbank besteht aus mehreren parallel geschalteten Filtern unterschiedlicher Eckfrequenz, die ähnlich wie bei der additiven Synthese die gezielte Manipulation bestimmter Frequenzbereiche erlauben. Je nach Einsatzzweck kann das tiefste Filter ein Tiefpaß und das höchste ein Hochpaß sein, generell sind aber alle Filter Bandpaßfilter. In Synthesizern kommen Filterbanken meist nur als Bestandteil von Formantfiltern, Equalizern oder Vocodern zum Einsatz.
Formantfilter[]
Das Formantfilter gab es schon im Trautonium. Es ist eine spezielle Art der Filterbank, die aus resonanzfähigen Filtern besteht und in erster Linie dazu verwendet wird, Resonanzen zu erzeugen, also das Eingangssignal auf mehreren Frequenzen zu verstärken. Formantfilter werden gern als Vokalfilter eingesetzt, um Vokale der menschlichen Sprache synthetisch zu erzeugen.
Multimode-Filter, State Variable Filter[]
Hierbei handelt es sich um Filter mit variabler Charakteristik.
Als Multimode-Filter werden sie in digitalen Synthesizern bezeichnet. Die grundlegendste Form ist umschaltbar zwischen Tiefpaß, Bandpaß und Hochpaß. Bei einigen Romplern kommt dazu ein Kerbfilter. Allerdings haben diese Filter keinen definierten Charakter und eine einheitliche Flankensteilheit von 12 dB/Oktave.
In virtuell-analogen Synthesizern übernehmen sie dieselbe Aufgabe wie bei Analogsynthesizern. Also werden höhere Ansprüche an sie gestellt. Eine gern verwendete Kombination bei Synthesizern aus den 90ern sind Tiefpaß, Bandpaß und Hochpaß mit 12 dB/Oktave wie bei Oberheim sowie Tiefpaß mit 12 dB/Oktave wie bei Moog. Der Einfachheit halber haben einige Synthesizer allerdings separate Wählmöglichkeiten für Tiefpaß, Bandpaß und Hochpaß und für die Flankensteilheit mit zwei bis vier Positionen.
Speziellere Formen findet man zum einen beim Access Virus, der zwei Filter pro Stimme hat; eine Bandpaßeinstellung gibt es nicht, statt dessen wird der Bandpaß aus zwei Filtern mit gemeinsam regelbarer Cutoff-Frequenz und Resonanz erzeugt und kann, da ein Filter auf 24 dB/Oktave umschaltbar ist, asymmetrisch ausfallen. Zum anderen gibt es Synthesizer wie den Alesis Ion, Alesis Micron sowie Akai Miniak oder den KORG KingKORG, die unter anderem konkrete Filterklassiker mitsamt ihrer Charakteristik imitieren, die somit trotz gleicher Flankensteilheit unterschiedlich klingen. Diese Synthesizer kommen dabei auf mehr als ein Dutzend Filtertypen.
State Variable Filter ist die Bezeichnung bei Analogsynthesizern. Auch hier kann es unterschiedlich ausfallen: Bei Modularsynthesizern gibt es beispielsweise eigene Ausgangsbuchsen für Tiefpaß, Bandpaß und Hochpaß, die gleichzeitig mit demselben Eingangssignal genutzt werden können. Ungewöhnlich ist die Implementation beim Oberheim SEM: Hier kann zwischen den drei Filterarten stufenlos übergeblendet werden – vom Tiefpaß zum Bandpaß und weiter zum Hochpaß.
Filter und Polyphonie[]
Bei polyphonen Synthesizern muß jedes Filter im Signalweg einmal pro Stimme vorhanden sein. Idealerweise hat auch jede Stimme eine eigene Filterhüllkurve. Die Einstellungen sind dabei für jede Stimme gleich, von wenigen Ausnahmen abgesehen.
Das Reduzieren auf Paraphonie kann diesen Aufbau vereinfachen, was gerade bei Analogsynthesizern, bei denen die Filter als Bauteile im Synthesizer physikalisch vorhanden sein müssen, den baulichen Aufwand reduzieren kann. Damit werden allerdings auch die klanglichen Möglichkeiten beschnitten. Hat der Synthesizer für alle Stimmen nur ein Filter, gibt es kaum mehr Möglichkeiten, es je nach gespielter Taste zu modulieren. Keyboard Tracking wird sinnlos, wenn das Filter nur einer von mehreren gespielten Tasten folgen kann. Auch die Filterhüllkurve wird nur von der ersten gedrückten Taste gestartet und von der letzten losgelassenen wieder gestoppt.
In rein digitalen Synthesizern sind Filter kaum mehr als Rechenmodelle. Der Rechenaufwand zur Erzeugung eines Filters geht somit von vornherein in die für eine Stimme benötigte Rechenleistung mit ein. Bei Romplern ist meistens ohnehin jedem Wave Generator ein eigenes Filter zugeordnet, und diese Einheit bildet mit allen dazugehörigen Hüllkurven eine Stimme.
Gängige Filtermodulationen[]
Filter haben für gewöhnlich nur zwei Parameter, deren Änderung sich deutlich merkbar auf den Klang auswirkt: Cutoff und Resonanz. Allerdings läßt sich schon durch Modulation der Cutoff-Frequenz einiges anstellen.
Hüllkurve[]
Wenn ein subtraktiv arbeitender Synthesizer mehrere Hüllkurven hat, die festen Zielen zugewiesen sind, ist eine davon für gewöhnlich die Filterhüllkurve.
Bei einfacheren Synthesizern gibt es häufig nur eine Hüllkurve, die fest oder schaltbar den Verstärker regelt. Diese kann dann auch zur Modulation des Filters herangezogen werden.
Auch frei verwendbare Hüllkurven, beispielsweise bei Modularsynthesizern, können zur Filtermodulation verwendet werden. Gerade in diesem Fall ist häufig auch die Modulation der Resonanz möglich.
Wah-Wah[]
Wah-Wah entsteht, wenn bei einem resonierenden Tiefpaßfilter wiederholt die Cutoff-Frequenz erhöht und wieder reduziert wird, so daß die durch die Resonanz entstehende Frequenzspitze im Frequenzspektrum auf- und abwandert. Die Modulation kann per Hand (oder Fuß) geschehen, aber auch per LFO. Bei Synthesizern selbst wird dieser Effekt nicht häufig angewandt und noch weniger häufig so genannt.
Filter-FM[]
Filter-FM ist eine Art Steigerung des Wah-Wah bzw. eine Kombination aus diesem mit einem essentiellen Element der FM-Synthese. Der modulierende LFO schwingt hier im Audiobereich, also über 20 Hz; sofern der Synthesizer das unterstützt, kann auch ein normaler Oszillator als Modulator verwendet werden. Durch die hohe Geschwindigkeit wird das Öffnen und Schließen des Filters nicht mehr als solches wahrgenommen, sondern als völlig anderer, diffuser Klanganteil. Resonanz ist hierbei noch nicht einmal notwendig, erzeugt aber wieder neue Klangänderungen.
Sofern keine atonalen Geräusche angestrebt werden, funktioniert Filter-FM wie die FM-Synthese nur, wenn das Keyboard Tracking für die Frequenz des Modulators auf genau 100% eingestellt ist. Um einen weitgehend gleichbleibenden Klang zu erhalten, sollte auch beim Filter das Keyboard Tracking auf 100% stehen.