Więcej...
Wszystko o filtrach
Wszystko o filtrach

Wiedza na temat filtracji dźwięku to podstawa dla każdego, kto chce uzyskać wspaniale brzmiące efekty w dynamicznych i zrównoważonych miksach.

Technologia
2017-11-17

Filtry stanowią jedno z najważniejszych narzędzi w arsenale profesjonalnego dźwiękowca, pozwalając na wszelkiego typu obróbkę – od chirurgicznego kształtowania odpowiedzi częstotliwościowej po jej kreatywne formowanie. W najprostszym rozumieniu filtr to urządzenie służące do podbijania, tłumienia bądź całkowitego eliminowania wybranej zawartości częstotliwościowej w sygnale, stanowiący podstawowy element wielu istotnych technik produkcyjnych, takich jak korekcja, synteza czy kreacja brzmienia.

Na kilku kolejnych stronach przedstawimy Ci cudowny świat filtrów w postaci sprzętowej i programowej. Naszymi przewodnikami będą najbardziej uznani programiści świata, którzy zaprezentują teoretyczne i naukowe podstawy działania filtrów, a także sposób ich pracy. Zdobytą wiedzę wykorzystamy następnie w praktyce, badając kreatywne techniki filtrowania, pokazując sztuczki mikserskie i wiele innych rzeczy.

Teoria filtrów

Jeśli Andrew Simper nie wie czegoś o filtrach, to znaczy, że nie warto tego wiedzieć. Jako ekspert w dziedzinie kodowania w Cytomic spędził długie lata, analizując obwody i systemy analogowe, starając się odtworzyć ich nieliniowość w domenie cyfrowej. Opracowane przez niego, szeroko uznane algorytmy DSP zastosowano we wchodzących w skład pakietu Ableton Live 9 wtyczkach Sampler, EQ Eight oraz Auto Filter, jak również w Cytomic The Drop. Zaprosiliśmy Andrew na dłuższą rozmowę o naukowej teorii leżącej u podstaw działania filtrów. Na początek poprosiliśmy go, aby dokładnie opisał pracę filtrów.

"Wszystkie filtry pracują w oparciu o magazynowanie energii pobieranej z sygnału wejściowego. Typowymi magazynami energii w elektronice analogowej są kondensatory i cewki. W przypadku komputerów są to liczby przechowywane w pamięci operacyjnej. Szybkość zmian, jakim ulega zawartość magazynu/bufora, podlega działaniu czynnika wzmocnienia, który powszechnie nazywamy częstotliwością odcięcia (Rys. 1).

Brzmi to wszystko cokolwiek abstrakcyjnie, dlatego odwołajmy się do przykładu. Prosty filtr dolnoprzepustowy jest urządzeniem, które wygładza raptowne zmiany w sygnale. Dokonuje tego poprzez zmagazynowanie energii i odświeżanie magazynu w bardzo szczególny sposób. Aby określić, ile tej energii dodać, obliczamy różnicę pomiędzy energią sygnału wejściowego i jej zmagazynowaną ilością, po czym część tej różnicy dodajemy do magazynu. W przypadku filtru górnoprzepustowgo magazyn jest uaktualniany w taki sam sposób, ale zamiast wyprowadzania zawartości samego magazynu, jak w filtrze dolnoprzepustowym, wyprowadzana jest różnica pomiędzy sygnałem wejściowym i tym, co znajduje się w magazynie. Częstotliwość odcięcia filtru określana jest ilość tej różnicy dodanej do magazynu. Myślę, że znacznie łatwiej będzie to wytłumaczyć na podstawie prostego pseudokodu:

magazyn + = częstotliwość odcięcia x (wejście – magazyn)
niski = magazyn
wysoki = wejście – magazyn

Jak widać na diagramie, filtr dolnoprzepustowy eliminuje nagłe zmiany, ale zostawia resztę sygnału, natomiast filtr górnoprzepustowy zachowuje owe nagłe zmiany, usuwając wszystko poza nimi. Filtr taki nazywamy jednobiegunowym lub filtrem pierwszego rzędu, ponieważ występuje w nim tylko "jeden" magazyn energii, aktualizowany po osiągnięciu poziomu odcięcia. Ten prosty przykład dotyczy filtru liniowego. Można w tym momencie zadać zupełnie słuszne pytanie: dlaczego nazywamy go filtrem liniowym? Przecież wyraźnie widać krzywe, które zdecydowanie nie są liniami prostymi! Liniowość odnosi się tutaj do kwestii wprowadzania zawartości harmonicznej, której w oryginalnym sygnale nie ma – filtry liniowe nie dodają żadnych harmonicznych, a jedynie czynią dane pasmo głośniejszym lub cichszym. Dość trudno jest to stwierdzić, jedynie spoglądając na wykresy, ale jeden z prostszych sposobów zbadania liniowości filtru polega na przepuszczeniu przezeń sygnału sinusoidalnego. Jeśli na wyjściu pojawi się również sinusoida, można mieć pewność, że filtr nie wprowadził żadnych nieliniowości (Rys. 2).

Sygnał po filtrze dolnoprzepustowym jest nieco cichszy niż wejściowy i lekko w stosunku do niego opóźniony. Zjawiska te opisane są terminami "tłumienie" (attenuation) oraz "faza" (phase). Ten ostatni określa, o ile dane pasmo częstotliwości zostaje opóźnione względem wejścia. Ten prosty filtr powoduje lekkie opóźnienie częstotliwości wejściowej, w związku należy go określić jako filtr o nieliniowej odpowiedzi fazowej. Jeśli połączymy szeregowo dwa filtry jednobiegunowe, wówczas tłumienie danego pasma w sygnale wejściowym stanie się głębsze: w ten sposób uzyskujemy filtr "dwubiegunowy". Podobnie jeżeli kaskadowo ustawimy cztery filtry, powstanie filtr "czterobiegunowy". Przy kilku takich stopniach można też wprowadzić czynnik wzmocnienia generujący rezonans, czyli podbicie częstotliwości odcięcia. Jedyny sposób wygenerowania rezonansu polega na takim opóźnieniu częstotliwości odcięcia, że wyrównuje się ona sama ze sobą, powracając do zgodności fazowej, a następnie takim ustawieniu wzmocnienia, by nastąpiło wyrównanie amplitudy z pętlą sprzężenia zwrotnego".

Filtry analogowe

Wszyscy słyszeliśmy o filtrach zastosowanych w słynnych syntezatorach. Dlaczego jednak są one skonstruowane w różny sposób? Co decyduje o ich uroku i charakterze? Dlaczego filtr Mooga różni się od filtru z MS-20? Andrew Simper kontynuuje - "Istnieje wiele różnych struktur filtrów analogowych i cyfrowych, a każda z nich pracuje w inny sposób i daje inne brzmienie. Istnieją filtry brzmiące wybitnie dobrze i wybitnie źle, i to zarówno w domenie analogowej, jak i cyfrowej. Wykonany w topologii Sallen Key filtr z MS-20 oraz tranzystorowy filtr drabinkowy Mooga zdecydowanie warte są omówienia.

Wśród głównych różnic wskazać można liczbę stopni, głębokość rezonansu, sposób wykorzystania sprzężenia do uzyskania rezonansu, formowania odpowiedzi filtracji dolno- i górnoprzepustowej, typy elementów odpowiedzialnych za wzmocnienie i związaną z nimi nieliniowości, regulację wzmocnienia wejściowego (co pozwala określić głębokość wysterowania filtru), oraz głębokość rezonansu i sposób jego interakcji z sygnałem wejściowym, odpowiedzialny za powstanie charakterystycznego "warkotu".

Nieliniowości generowane są przez trzy główne elementy: filtr zasadniczy, bufory oraz rezonans. Na początek przyjrzyjmy się dolnoprzepustowemu filtrowi MS-20 mk1. Jest to filtr dwubiegunowy (12 dB/oktawę), do zmiany częstotliwości odcięcia wykorzystujące odpowiednio spolaryzowane tranzystory. Z natury są one asymetryczne, co po ich mocnym wysterowaniu skutkuje wprowadzaniem do sygnału dużej dawki harmonicznych parzystych i nieparzystych. Dwa stopnie dolnoprzepustowe są "niebuforowane" – innymi słowy, oba pozostają we wzajemnej interakcji. Sygnał jest następnie buforowany przez pracujący w zakresie największej liniowości tranzystor JFET, zatem kolejny stopień układu nie ma wpływu na poziom odcięcia stopnia poprzedniego. W następnej kolejności sygnał przechodzi przez stopień zniekształcania, stanowiący niemal wierną kopię tego z Boss OD-1 czy Ibanez Tube Screamer TS808 – to ogranicznik diodowy umieszczony w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Generuje on równoległe zniekształcenie, pomagając ograniczyć rezonans, szczególnie w przypadku pojawienia się samooscylacji. Jednak przesterowanie pojawia się w głównej ścieżce sygnałowej, dlatego słyszmy go bezpośrednio na wyjściu.

Filtr z Mooga Prodigy jest dolnoprzepustowy, czterobiegunowy (24 dB/oktawę), co oznacza, że powyżej częstotliwości odcięcia brzmi ciemniej. Bazuje na słynnej tranzystorowej strukturze drabinkowej o całkowicie różnicowej strukturze, dzięki czemu po obu stronach drabinki pojawiają się dwie wersje sygnału, dodatnia i ujemna, przy okazji eliminując w ten sposób pewną część szumów i zniekształceń nieliniowych. Te tranzystory różnicowe tworzą bufor pomiędzy jednobiegunowymi stopniami, wprowadzając symetryczne zniekształcenia, a tym samym silne harmoniczne nieparzyste. Mamy tu pięć stopni zniekształcania różnicowego, po czym sygnał zostaje zbuforowany na wyjściu.

Bufor ten jest bardzo różny, w zależności od modelu, ale w Moogu Prodigy wyposażono go w dwa dodatkowe stopnie złożone z różnicowych par tranzystorowych, które wprowadzają jeszcze więcej zniekształceń, ale z niższą amplitudą niż filtr zasadniczy. Sygnał wyjściowy przesyłany jest do sekcji wzmacniacza, ale także do wejścia układu odpowiedzialnego za wzmocnienie rezonansu, po czym trafia z powrotem na wejście filtru. Ponieważ stopień wejściowy mocniej obcina sygnał niż wyjściowy, zniekształcenia ograniczające rezonans w większości wprowadzane są na wejściu. Podsumowując, w MS-20 mamy filtr dolnoprzepustowy dwubiegunowy, w związku z czym daje on jaśniejsze brzmienie powyżej częstotliwości odcięcia. Ma on konstrukcję asymetryczną, a ograniczanie rezonansu następuje na wejściu. Następnie zostaje czterokrotnie filtrowany dolnoprzepustowo, dzięki czemu dźwięk staje się jeszcze głębszy. Oba te filtry są klasycznymi rozwiązaniami o znakomitym brzmieniu i są swoimi przeciwnościami w kontekście brzmienia i sposobu pracy.

Ich cechą wspólną jest to, że sygnał po filtrowaniu dolnoprzepustowym zostaje poddany saturacji z poziomem wynikającym z ustawienia rezonansu. To oznacza, że niskie częstotliwości w sygnale wejściowym będą ‘walczyć’ z rezonansem, zwłaszcza gdy ustawimy niską częstotliwość odcięcia. Nie wszystkie filtry działają w ten sposób, na przykład, gdy do ograniczania rezonansu wykorzystamy sygnał po filtrowaniu pasmowym, to częstotliwości wejściowe mniejsze od częstotliwości odcięcia nie będą tak mocno oddziaływały z rezonansem. To pozwala uzyskać zupełnie inne brzmienie filtru, ale tylko wtedy, gdy wykorzystujemy jego rezonans".

Niestabilność częstotliwości odcięcia

"Inną ważną kwestią, na jaką należy zwrócić uwagę w odniesieniu do filtrów nieliniowych, jest to, że zasadniczo częstotliwość odcięcia zmienia się w zależności od siły sygnału wejściowego. Jest to forma samomodulacji FM, a staje się wyraźnie słyszalna, gdy wysterujemy filtr nieliniowy z samooscylującym rezonansem. Liniowe filtry EQ tak się nie zachowują: częstotliwość odcięcia pozostaje tam, gdzie ją wyznaczyliśmy, co w niektórych przypadkach jest wskazane, ale brzmi nudno. Normalnie częstotliwość odcięcia ulega modulacji w dół, gdy sygnał wejściowy jest silny. Rysunek 3 ułatwia zrozumienie tego zjawiska – na diagramie widać, że odstępy pomiędzy wahnięciami samooscylacji są większe, gdy sygnał ma większy poziom.

Gdy przemiatamy częstotliwością odcięcia filtru nieliniowego, rezonans wykazuje tendencję do przyciągania do harmonicznych wejściowych, przez które się przesuwa. To działa jak mechanizm przyciągający i stanowi podstawę dla świetnych, pomrukujących brzmień, jakie uzyskać można przy użyciu filtrów nieliniowych. Istnieje szereg różnych sposobów kształtowania odpowiedzi filtru. Niektóre, takie jak State Variable Filter, wyprowadzają sygnały dolno-, pasmowo- i górnoprzepustowy jednocześnie, co pozwala je zmiksować i dowolnie ukształtować charakterystykę filtracji. Niektóre filtry dają możliwość wprowadzenia sygnału w kilku punktach i formowania odpowiedzi, a zatem można ich działaniu poddać kilka różnych sygnałów jednocześnie, jeden przepuszczając przez sekcję dolnoprzepustową, drugi przez górnoprzepsutową, a trzeci przez pasmowoprzepustową, łącząc je na wyjściu.

Inna metoda kształtowania charakterystyki filtracji polega na szeregowym połączeniu czterech jednobiegunowych filtrów dolnoprzepustowych, a następnie zmiksowaniu przefiltrowanych sygnałów z sygnałem wejściowym o różnych ustawieniach poziomu. W ten sposób można wygenerować charakterystykę pasmowoprzepustową, wycinającą i górnoprzepustową. Metodę tę zastosowano w słynnym X-panderze Oberheima”.

Modulacja filtru przy użyciu elementów miksu

Korzystając z zewnętrznego wejścia w Cytomic The Drop możemy użyć dowolnego sygnału audio z DAW do sterowania modulacją – oto opis efektywnego wykorzystania tej możliwości.

Poprosiliśmy Andrew Simpera z Cytomic o kilka wskazówek na temat modulowania filtru. „Ponieważ The Drop ma drugie wejście, do zmodulowania filtru można wykorzystać dowolny sygnał audio. To otwiera wiele kreatywnych możliwości, ponieważ nagle pojawia się nieskończona liczba możliwych źródeł modulacji. Sygnały w DAW, które wykorzystasz do modulacji, możesz poddać standardowemu sumowaniu, a następnie skierować je do wtyczki. Tworząc dźwięki źródłowe możesz użyć delaya, pogłosu, EQ, kompresji itp.”. Zastosujemy modulację filtru w kontekście całego nagrania. Kierując kopię ścieżki stopy do wejścia sterującego The Drop stworzymy silny sygnał uruchamiający modulację, pulsujący wraz z tempem utworu.

1.

Po podaniu kopii ścieżki stopy na wejście sidechain w The Drop przechodzimy do Envelope 1, wybierając IN SC jako źródło (Source), dzięki czemu obwiednia będzie resetowana za każdym razem, gdy na wejściu pojawi się sygnał z zewnątrz. Zmniejszamy częstotliwość odcięcia filtru, by przytłumić akordy.

2.

Korzystając z centralnej matrycy The Drop skonfigurujemy modulację. Aby rozchybotać częstotliwość LP przy użyciu pierwszej obwiedni, uaktywniamy LP Freq w górnym wierszu celów, po czym wybieramy ENV 1 w dolnym wierszu, odpowiadającym źródłom modulacji. Zwiększenie ENV 1 Amount spowoduje wprowadzenie modulacji dodatniej.

3.

Nasz zewnętrzny sygnał wyzwalający resetuje pierwszą obwiednię przy każdym uderzeniu. Sposób przemiatania filtru możemy dostosować, regulując parametry ENV 1 – Attack, Hold, Release oraz Sensitivity, i powodując, że akordy będą dosłownie tańczyły w rytm wybijany przez stopę.








Pulsujące riffy z filtracją sterowaną sekwencerem

Zagłębimy się teraz w otchłanie muzyki elektronicznej, przekształcając statyczny akord w rytmicznie bulgoczący groove.

1.

Mamy tutaj UAD Moog Multimode Filter XL załadowany na ścieżkę z wydłużonym akordem syntezatorowym, który trafia wysyłką do delaya celem uprzestrzennienia brzmienia. Modulacja filtru może powodować nagłe skoki głośności, szczególnie przy wyższych wartościach rezonansu, dlatego należy temu zapobiec, włączając kompresor po filtrze.

2.

16-krokowy sekwencer we wtyczce oferuje cztery ścieżki, a każda z nich może posłużyć do modulowania jednego z 23 celów. Domyślnie pierwsza ścieżka oddziałuje na częstotliwość odcięcia, zatem narysujmy kilka kroków, tworząc prosty, ósemkowy rytm.

3.

Korzystając z drugiej ścieżki zaprogramujemy zmiany rezonansu filtru w każdej parzystej ósemce. Podobnie jak w klasycznych filtrach Mooga, wysokie ustawienia rezonansu powodują, że wtyczka generuje na wyjściu przestrajalny ton sinusoidalny. Pokrętło Glide pozwala wygładzić kanciastość modulacji.

4.

Aby odnaleźć idealne i inspirujące kombinacje ustawień parametrów, zaprogramujemy sekwencyjne zmiany wartości Cutoff, Resonance oraz Amount. Wykorzystując samooscylację możemy uzyskać rozmaite efekty brzmieniowe, od strojonych przebiegów typu arpeggio po subniskotonowe tąpnięcia w stylu techno.

5.

Obracamy pokrętłem globalnej regulacji Swing, powodując przesunięcie nieparzystych 16-tek, co rozluźnia sztywną modulację. Aby uzyskać jeszcze bardziej interesujący efekt, możemy użyć globalnego przełącznika Direction (poprzez rozwijane menu), aktywując odtwarzanie sekwencji od tyłu, w obu kierunkach lub w porządku losowym.

6.

Na dwóch pozostałych ścieżkach zaprogramujemy modulację parametru Drive, a także skokowe przełączanie typu filtru pomiędzy pasmowym, górnoprzepustowym a wycinającym. Korzystając z funkcji Spacing wprowadzimy inwersję ustawień filtru w prawym i lewym kanale, co pozwoli uzyskać interesujące poszerzenie brzmienia.
















Filtracja, rezonans i opóźnienie

Andrew Simper z Cytomic opowie nam o różnych typach filtrów oraz o tym, w jaki sposób wykorzystać je w praktyce. „Standardową praktyką mikserską jest takie izolowanie poszczególnych elementów miksu, aby pasma, w których operują, nie nakładały się na siebie. To pozwala zachować przejrzystość brzmienia. Szczególnie użyteczne są tutaj czyste filtry korekcyjne, górno- i dolnoprzepustowe, a wynika to stąd, że zostały stworzone do tego właśnie celu. Zupełnie nową jakość można jednak uzyskać za pomocą filtrów nieliniowych, pełniących rolę exciterów. Nieliniowe filtry typu syntezatorowego wprowadzają najwięcej zniekształceń w okolicach częstotliwości odcięcia, dlatego możemy je wykorzystać nie tylko do trzymania pasma w ryzach, ale też i do ożywienia brzmienia.

Andrew Simper z firmy Cytomic jest odpowiedzialny za stworzenie kilku najbardziej uznanych filtrów cyfrowych, które znalazły zastosowanie w wielu różnych aplikacjach DAW i wtyczkach.

Jeśli chodzi o miksowanie, to w mojej opinii najbardziej użytecznym typem jest nieliniowy, rezonujący filtr górnoprzepustowy. W okolicy częstotliwości odcięcia uzyskuje się drive, ale można też nieco podbić bas z rezonansem, co sprawi, że dół będzie brzmiał soczyście. Jest to niejako dodatek do podstawowej funkcji filtru górnoprzepustowego, czyli usuwania częstotliwości leżących poniżej progu odcięcia. Subtelność natury nieliniowych filtrów polega na tym, że jeśli sygnał ma słabą amplitudę, wówczas mocniejsze podbicie można uzyskać z wykorzystaniem rezonansu, ponieważ do dyspozycji mamy większy zapas dynamiki. Kiedy sygnał jest mocniejszy, zaczyna konkurować z rezonansem, co ma dwojaki skutek: po pierwsze następuje ograniczenie podbicia basu w okolicy częstotliwości odcięcia, po drugie wnoszonych jest więcej zniekształceń, a to sprawia, że brzmienie staje się jaśniejsze. W obu przypadkach uzyskujemy wyraźną poprawę brzmienia poszczególnych elementów miksu, utrzymując dynamikę w ryzach. Bardzo przydatne są także nieliniowe filtry dolnoprzepustowe, które można użyć do pogrubienia brzmienia materiału dźwiękowego i uczynienia go cieplejszym i bliższym. Częstotliwość odcięcia ustawiamy dość wysoko – zwykle w okolicach 14-16 kHz, ponieważ można w ten sposób pozbyć się syku i szumu, jednak w nie nazbyt nachalny sposób. Należy wyregulować wysterowanie filtru w taki sposób, aby delikatnie wprowadzał częstotliwości harmoniczne, wypełniające wysokie partie spektrum. Ponieważ w okolicach częstotliwości odcięcia pojawiają się najsilniejsze zniekształcenia, zabieg ten pozwala w cudowny sposób skleić elementy miksu i wzbogacić ich brzmienie.

Filtry pasmowoprzepustowe w większości sytuacji mogą zaszkodzić, ale doskonale sprawdzają się w tworzeniu efektów specjalnych, na przykład przy przekształcaniu szumu w świszczące dźwięki, czy też wprowadzaniu ruchu w brzmienie hi-hatu i barw typu lead. Innym ich zastosowaniem jest zmiana potężnie brzmiącego elementu miksu w element brzmiący rachitycznie, co wprowadza pewien kontrast – nie wszystko musi ów miks przytłaczać! Istotą korekcji pasmowej jest tak naprawdę filtr pasmowoprzepustowy, nałożony z określonym wzmocnieniem na sygnał wejściowy, zaś Q to jego rezonans. Filtry wycinające tłumią sygnał w okolicy częstotliwości odcięcia i są stosowane przez realizatorów do eliminowania rezonansów, ale można je wykorzystać także do nadawania brzmieniu ruchliwości, jednak w bardziej subtelny sposób, niż w przypadku filtrów pasmowoprzepustowych. Kilka filtrów wycinających, rozrzuconych po częstotliwościach odcięcia, działa na dźwięk podobnie, jak phasery, tworząc w rzeczywistości swoistą formę filtru, zwanego wszechprzepustowym.

Większość wtyczek filtrów pracuje z dwiema częstotliwościami przetwarzania

Tutaj znaczenia nabiera faza, którą filtry wszechprzepustowe zmieniają, nie tłumiąc ani nie podbijając żadnych częstotliwości. Przesunięcie fazy polega na wprowadzeniu opóźnienia dla poszczególnych częstotliwości wejściowych, ale każda z nich zostaje opóźniona w różnym stopniu. Standardowe linie opóźniające wprowadzają taki sam czas opóźnienia dla wszystkich częstotliwości, co nazywamy ‘liniową fazą’. Filtr wszechprzepustowy opóźnia poszczególne częstotliwości o inną wartość, przez co nazywamy go filtrem z ‘fazą nieliniową’, a w niektórych przypadkach filtrem ‘minimalnofazowym’. Phaser powstaje w wyniku kaskadowego połączenia wielu filtrów wszechprzepustowych i podaniu opóźnionego sygnału z powrotem na wejście. Niektóre częstotliwości ulegają wzmocnieniu, inne wytłumieniu. Jeśli do tego użyjemy sprzężenia zwrotnego celem wytworzenia rezonansu, owe podbicia i podcięcia staną się jeszcze bardziej wyraziste.

Linia opóźniająca to szczególny rodzaj filtru. Przechowuje energię, a jeżeli skierujemy sygnał z wyjścia na wejście, możemy wywołać rezonans. Główna różnica w stosunku do filtrów IIR polega na tym, że wprowadzają różne przesunięcia fazy (opóźnienia), w rezultacie czego, gdy te wzajemnie się znoszą, powstają filtry dolno- i górnoprzepustowe. Ponieważ jednak linia opóźniająca opóźnia wszystkie częstotliwości w tym samym stopniu, otrzymujemy serię równomiernie rozłożonych podbić i wytłumień. Filtr o takiej charakterystyce nazywamy grzebieniowym. Linie opóźniające, w połączeniu z filtrami wszechprzepustowymi, to dwa zasadnicze elementy procesorów pogłosowych, zarówno analogowych, jak i cyfrowych”.

Sygnałowa modulacja filtru

Wyobraź sobie LFO z przebiegiem sinusoidalnym, gładko przemiatający częstotliwością odcięcia filtru, w górę i w dół. Gdy LFO pracuje z częstotliwością poniżej 20 Hz, tę niskoczęstotliwościową oscylację odbieramy jako wyraźne chybotanie częstotliwości filtru. Jeśli jednak zwiększymy szybkość LFO do wartości z zakresu audio, chybotanie filtru ulegnie zamazaniu, a zamiast tego w filtrowanym sygnale pojawią się złożone przebiegi harmoniczne i szumowy dysonans. Jest to więc zjawisko pokrewne syntezie FM, w której jeden oscylator moduluje częstotliwość drugiego oscylatora, w rezultacie czego tworzy się podobnie złożona struktura harmoniczna. Ponieważ uzyskany efekt ma wyraźnie dysonansowy charakter, to zabieg ten doskonale nadaje się do ekstremalnego zniekształcania bębnów, w projektowaniu efektów sci-fi i degradowaniu brzmienia w stylistyce lo-fi.

Główny programista Cytomic, Andrew Simper, w bardziej zaawansowany sposób przedstawia tematykę złożoności programowania tego typu filtrów. „Większość wtyczek pracuje z dwiema częstotliwościami przetwarzania: jedną dla audio, i wolniejszą na potrzeby modulacji. Tę drugą zwykle określa się zwykle jako ‘częstotliwość sterującą’ i jest ona około 64 razy niższa od częstotliwości próbkowania. Oznacza to, że na każde 64 przetwarzane próbki audio przypada tylko jedna nowa wartość sterująca – na przykład wyznaczająca częstotliwość odcięcia filtru. Jeśli sygnał audio jest próbkowany z częstotliwością 44,1 kHz, a modulacja przetwarzana z rozdzielczością 64 próbek, wówczas maksymalna częstotliwość, która może zostać odwzorowana, to około 700 Hz. Jest to wartość w zupełności wystarczająca dla powolnej modulacji, ale w przypadku szybkiej brzmienie wynikowe staje się bardzo nieprzyjemne. Modulacja z częstotliwością audio staje się przydatna dopiero wtedy, gdy wszystkie źródła modulacji również generują sygnał audio z anti-aliasingiem. Ponieważ pomiędzy sygnałem audio i sterującym nie ma żadnej różnicy, operujemy bardzo blisko świata analogowego. Niestety taka szybkość odświeżania może być groźna dla algorytmów filtrów cyfrowych – mogą się one zawieszać i dawać fatalne brzmienie. We wtyczce The Drop wszystkie źródła i cele modulacji są wyliczane z częstotliwościami audio, modulatory poddawane anti-aliasingowi, a filtry zachowują strukturę układową, rozmieszczenie i kształt wszelkich znaczących nieliniowości. W konsekwencji wszystko brzmi bardzo gładko i na tyle ‘analogowo’, na ile to możliwe. To dość mocno obciąża CPU, ale pozwala uzyskać bardzo dobre rezultaty”.

?

Wyciśnij wszystkie soki z filtrów


* Można uwieczniać swoje pomysły muzyczne przy użyciu klawiatury MIDI czy mikrofonu, ale co dalej z tym zrobić? Najlepiej przepuścić nagranie przez filtr sterowany LFO. Zautomatyzuj ustawienia tak, aby uzyskać pompowanie zgodne z rytmem. Możesz też zgrać zmiany parametrów do pliku audio, tworząc materiał źródłowy.

* Mając władzę nad filtrami nie musisz się obawiać pętli pozyskanych z gotowych pakietów. Dlatego też warto poświęcić czas na dogłębne poznanie obsługi jednego lub dwóch wielozadaniowych filtrów, które pozwolą Ci całkowicie przetworzyć dowolną pętlę.

* Uwielbiany przez wszystkich korektor FabFilter Pro-Q 2 można kreatywnie wykorzystać w charakterze dziko brzmiącego filtru grzebieniowego. Ustaw kilka wąskich filtrów podbijających i tłumiących, zaznacz ich węzły, a następnie, modyfikując wartość Frequency, poruszaj nimi jednocześnie.

* Zastosuj filtr górnoprzepustowy 20-200 Hz i dolnoprzepustowy 8-10 kHz, odwzorowując ograniczenie pasma częstotliwości w telefonii. Dla uzyskania twardszego efektu, użyj filtrów o stromych zboczach, zaś przed filtrami włącz moduł saturacji.

Modulacja filtracji zdarzeniami MIDI

Wiążąc nuty MIDI z wejściem filtru uzyskamy możliwość dowolnego sterowania jego modulacją, co otwiera przed nami szerokie możliwości. Kontynuując to, o czym pisaliśmy w poprzednim, trzypunktowym samouczku, wykorzystując zewnętrzny sygnał audio do sterowania modulacją filtru, rozszerzymy tę konfigurację na wykorzystanie nut MIDI.

Jeśli wtyczka filtru przyjmuje komunikaty MIDI, to można skonfigurować odpowiednią komutację w DAW. Utwórz pustą nową ścieżkę MIDI, a następnie skieruj jej wyjście do wejścia filtru. Pozostaje jedynie powiązanie MIDI z jednym lub kilkoma parametrami filtru i zagranie lub narysowanie nut MIDI na owej ścieżce. W tym przykładzie znów użyjemy Cytomic The Drop i prostej sekwencji nut na ścieżce sterującej, co pozwoli nam wyraźnie usłyszeć efekt.

1.

W tym przypadku LFO 2 moduluje oba filtry. W Ableton Live skierowaliśmy wyjście pustego kanału MIDI do zewnętrznego wejścia The Drop. Jako źródło w sekcji LFO 2 wybraliśmy MIDI, zaś wejście MIDI zostało uaktywnione w sekcji u dołu, z prawej strony.

2.

W sekcji MIDI włączyliśmy też LFO 2 TRK. Nuty MIDI grane na naszym kanale sterującym zmieniają teraz częstotliwość drugiego LFO – im wyższa nuta, tym szybsze staje się rozchwianie filtru. Aby uzyskać inspirujące zmiany częstotliwości LFO, zagraj dowolną melodię.

3.

Oto nasz finalny patern MIDI, który moduluje częstotliwość obu filtrów, zarówno w synchronizacji z riffem, jak i rytmem. Podwyższyliśmy nieco ustawienie Spread LFO 2, dzięki czemu modulator przesuwa się pomiędzy lewym i prawym kanałem, kreując bardziej interesujący obraz stereo.










Poszerzanie poprzez filtrację

Filtry są narzędziem, którego nie kojarzymy z procesem poszerzania obrazu stereo w tak oczywisty sposób, jak pogłos, delay, modulacja i procesory przestrzenne; jednak nowoczesne urządzenia do obróbki częstotliwościowej oferują szereg tego typu funkcji. Niektóre – jak UAD Moog czy też sprzętowy procesor Elektron Analog Heat – dają nam do dyspozycji parametr przesunięcia stereo, którego działanie polega odwróceniu wartości filtrów w lewym i prawym kanale. Jeśli korzystasz z podwójnego filtru, użyj regulatorów panoramy.

UAD Moog Multimode Filter XL umożliwia uzyskanie różnej korekcji na kanałach stereo, co stanowi doskonałą metodę uatrakcyjnienia brzmienia. Oczywiście podobny rezultat możesz uzyskać ręcznie, za pomocą dwóch korektorów.

Andrew Simper z Cytomic omawia filtrowanie w stereo. „Najprostszym efektem stereo jest ‘wirujące’ brzmienie chaser. Osiąga się je przy użyciu filtru stereofonicznego, sterując częstotliwością odcięcia przy użyciu LFO, co pozwala na rozrzucenie lewego i prawego sygnału LFO w panoramie stereo. Ustawienie tego rozrzucenia na 90 stopni tworzy brzmienie ‘chasing’, podczas gdy przy 180 stopniach uzyskuje się efekt bardziej przypominający ‘ping-pong’. Jeśli częstotliwość LFO zostanie zwiększona do zakresu audio, wówczas wirowanie przestaje być słyszalne, a zamiast tego następuje zamazanie obrazu stereo. Używając filtrów stereo należy uważać na kompatybilność z trybem mono, dlatego zawsze trzeba się upewnić, że rezultat będzie z nim zgodny!”.

Jak stosować filtry w praktyce?

Choć automatyczne zmiany częstotliwości odcięcia, rezonansu i innych parametrów można łatwo uzyskać za pomocą syntezatora lub modulatorów filtrów, to jednak należy powiedzieć kilka słów o metodzie ręcznej. Andrew Simper z Cytomic przyznaje: „LFO i obwiednie to bez wątpienia fundamenty modulacji w syntezatorach, ale nie należy tracić z oczu możliwości, jakie dają regulacje ręczne czy nożne. Obracając pokrętła palcami albo wykorzystując naciskany stopą pedał ekspresji można tchnąć życie w dowolny filtr. Te regulacje można zarejestrować lub odrysować, a następnie zapętlić, w rezultacie tworząc coś na kształt sekwencera krokowego”.

Jak wykorzystać zewnętrzne sterowanie?

Andrew Simper zgłębia temat modulacji poprzez kluczowanie. „W roli źródła modulacji można wykorzystać także dowolny sygnał audio. Jego amplitudę należy poddać przetwarzaniu, kształtując żądany sygnał sterujący i wykorzystując go do resetowania obwiedni, LFO, sekwencerów krokowych i tak dalej, dzięki czemu modulacja dopasowuje się do rytmu dźwięku źródłowego. Aby uzyskać jeszcze bardziej interesujące efekty modulacji, można zastosować odstrajanie sygnału źródłowego w dół aż do momentu, kiedy zaczną być słyszalne poszczególne fragmenty przebiegu. Działanie przeciwne polega zaś na przyspieszeniu LFO lub sekwencera krokowego do takiego stopnia, że stanie się on oscylatorem”.

Jak jednocześnie użyć zniekształcenia i filtracji?

Zniekształcenia mogą wpływać na nawet najczystszy sygnał, generując nowe harmoniczne; podstawowym zadaniem filtrów jest natomiast ich eliminacja i kształtowanie struktury. Równoległe zastosowanie tych dwóch procesów może dawać ciekawe rezultaty. Skieruj czysty sygnał basu na ścieżkę powrotną, po czym poddaj powstały w ten sposób równoległy sygnał silnemu zniekształceniu (warto aktywować filtr górnoprzepustowy, by zawartość niskotonowa nie wchodziła w konflikt z oryginalnym basem). Teraz użyj filtru, przemiatając nim zniekształcony sygnał – dobry punkt wyjścia to filtr dolnoprzepustowy sterowany LFO. Na koniec dodaj modulację, a także efekty poszerzania stereo i autopanoramowania.

Jak użyć filtru jako elementu aranżacji?

Filtr jest jednym najbardziej użytecznych narzędzi kształtowania brzmienia ścieżek w czasie. Oczywistym zabiegiem jest tu filtracja dolnoprzepustowa, zastosowana np. wobec bębnów, akordów czy innych elementów nagrania, w efekcie czego powstają różnego typu podwodne bulgoty w stylu Daft Punk, ale filtry można spożytkować w znacznie subtelniejszy sposób. Delikatnie działający w zakresie 10-15 kHz filtr dolnoprzepustowy na grupie bębnów, włączony na odcinku intro, pozwala wprowadzić podświadomy kontrast względem głównej partii, gdzie zostaje wyłączony. Inny zabieg polega na subtelnym odfiltrowaniu najniższych tonów (40-60 Hz) w fazie przejścia, a następnie otwarciu filtru, gdy wszystko na powrót nabiera rozpędu.

Cała prawda o filtracji górnoprzepustowej

Zawsze i wszędzie mówi się o tym, by nakładać filtry na nie-basowe elementy miksu, co ma na celu wyeliminowanie konfliktu w dole pasma i odzyskanie zapasu dynamiki. Jednak gdy stosujemy filtr górnoprzepustowy, szczytowy poziom sygnału może wzrosnąć! Dlaczego tak się dzieje i czy znaczy to, że stosowanie pojedynczych filtrów w miksie jest szkodliwe? Andrew Simper wyjaśnia ten problem. „Jedną z wad filtrów górnoprzepustowych jest to, że jakkolwiek dokonują oczyszczenia sygnału ze zbędnych częstotliwości, to jednak mogą powodować, że staje się on bardziej ‘najeżony’, co w konsekwencji jest przyczyną zmniejszenia zapasu dynamiki – pomóc tu mogą filtry nieliniowe, które potrafią utemperować wystające szczyty. Najłatwiej to prześledzić to na przykładzie fali kwadratowej. Jeśli wrócisz do pierwszego diagramu (na str. XX), wyraźnie dostrzeżesz, że poziom szczytowy po filtrze górnoprzepustowym jest około dwukrotnie wyższy niż poziom wejściowy. W większości przypadków filtry górnoprzepustowe wykorzystywane są do eliminowania zakłóceń niskotonowych już na etapie nagrywania – takich jak ocieranie się o korpus gitary, podmuchy wiatru, a także inne odgłosy o częstotliwościach niższych niż nagrane nuty. W takiej sytuacji nie trzeba już nic robić, bo ‘szpilki’ nie pojawiają się.

Jeśli jednak podcinamy filtrem podstawową częstotliwość instrumentu, gdyż jest to dla danego miksu niezbędne, powoduje to podbicie szczytowego poziomu w miejscach nagłych zmian. Wracamy zatem do najgorszej możliwej sytuacji, czyli przebiegu kwadratowego: zwykle nie powoduje on strat w dynamice, ponieważ odczuwalna głośność fali kwadratowej sprawia, iż głośność całej ścieżki jest na tyle niska, że nie wywołuje żadnych problemów. Ponadto rozmieszczenie poszczególnych szpilek nie pokrywa się z transjentami, dlatego nie następuje ich sumowanie, które mogłoby powodować przekroczenie poziomu 0 dBFS.

Jeśli sygnał nie jest zbyt jasny brzmieniowo, to problem ten nie będzie się pojawiał

Jeśli zachodzi potrzeba utemperowania szpilek w sygnale, jedynym rozwiązaniem jest poddanie ścieżki przetwarzaniu nieliniowemu – za pomocą szybko działającego kompresora/limitera, bądź nieliniowego filtru dolnoprzepustowego. Spowoduje to wprowadzenie pewnego rodzaju zniekształceń. W naszym przykładzie z falą kwadratową nie stanowi to problemu, albowiem cała fala kwadratowa jest w jakimś stopniu jednym wielkim zniekształceniem, a zatem wprowadzenie dodatkowego nie spowodowałoby znaczącej zmiany istniejącej struktury harmonicznych; nastąpiłaby jedynie subtelna zmiana amplitudy niektórych spośród nich. Jeżeli jednak dokonujemy przetwarzania w domenie cyfrowej, wciąż musimy pamiętać o sprawie aliasingu. Jeśli brzmienie nie jest zbyt jaskrawe, wówczas szpilki nie pojawią się, ale wciąż mogą istnieć silne transjenty w fazie ataku instrumentu. Dobra wiadomość jest taka, że te mocne transjenty wprowadzają do miksu pokaźną mieszankę rozmaitych częstotliwości, a zatem lekkie ich zniekształcenie nie sprawi większej różnicy, o ile wraz z transjentami nie przedostaje się zbyt wiele harmonicznych – co nie jest zbyt korzystne w przypadku większości źródeł monofonicznych”.

Czy możemy zatem zminimalizować skutki indywidualnego filtrowania poszczególnych sygnałów, grupując je i poddając filtracji wszystkie razem? Nie do końca, jak wyjaśnia Andrew. „Łącząc kilka różnych sygnałów, dodajemy też zawarte w nich zbiory harmonicznych, a także zawartość harmoniczną niesioną przez mocne transjenty. Jeśli zsumowany sygnał poddamy filtracji górnoprzepustowej, po czym spróbujemy poskromić szczyty przy użyciu przetwarzania nieliniowego, w efekcie otrzymamy całą masę zniekształceń nieharmonicznych. W ten sposób do miksu przedostanie się szum, i to nawet w przypadku przetwarzania analogowego, dlatego należy stosować tę metodę w minimalnym stopniu. Wszelkiej filtracji górnoprzepustowej należy więc dokonywać na jak najwcześniejszym etapie, a następnie szczyty sygnałów, które muszą pozostać głośne, ograniczać za pomocą szybkiego kompresora lub limitera. Przy takim systemie pracy uzyskamy czysty sygnał, dobrze układający się w miksie i wymagający jedynie minimalnej ingerencji na późniejszych etapach – może delikatnej kompresji lub korekcji w kontekście całościowym. Jeśli mamy dwa nakładające się sygnały, a nie chcemy usuwać ich zawartości niskotonowej, wówczas najlepiej będzie użyć kompresji kluczowanej, tak aby w każdym momencie słyszalny był tylko jeden sygnał. Tym sposobem zachowamy zakres dynamiki i unikniemy zamulenia brzmienia całości. Jest to coś, o czym należy pamiętać, gdy filtracja górnoprzepustowa nie zdaje egzaminu”.

Poprawa brzmienia poprzez filtr rezonansowy

Dodanie rezonansu w filtrze górnoprzepustowym jest sprawdzoną techniką, którą z zapamiętaniem stosuje wielu producentów. Zobaczmy, jak ją zrealizować w programie DAW. Little Labs Voice of God to klasyczny procesor sprzętowy (dostępny także pod postacią wtyczki UAD) do wzmacniania basu, który zagościł w niezliczonych studiach świata. Swoją renomę zawdzięcza temu, że potrafi wykrzesać miażdżący klatkę piersiową dół z choćby najbardziej słabowitego sygnału. Choć może to zalatywać wręcz szarlatanerią, Voice of God to po prostu rezonansowy filtr górnoprzepustowy, którego działanie można odtworzyć przy użyciu dowolnego filtru tego samego rodzaju.

1.

Jako urządzenia podbijającego bas użyć można dowolnego filtru czy korektora. Najpierw włączamy filtr górnoprzepustowy np. na ścieżkę stopy, po czym skrupulatnie ustawiamy częstotliwość odcięcia w okolicy fundamentalnej częstotliwości bębna – np. najniższej, najmocniejszej harmonicznej.

2.

Po dostrojeniu częstotliwości odcięcia powoli podnosimy głębokość rezonansu filtru, podbijając i poszerzając szczyt filtracji wokół częstotliwości fundamentalnej. Zabieg ten odcina częstotliwości subniskotonowe, jednocześnie podkreślając najważniejszą częstotliwość podstawową.

3.

Tego rodzaju filtracja może podbijać poziom szczytowy sygnału, powodując obcinanie wierzchołków, dlatego należy użyć wbudowanego w filtr stopnia ograniczania poziomu (lub odrębnej wtyczki limitera), by zniwelować wzrost poziomu. A jeszcze zastosować filtr typu nieliniowego z overdrivem, co pozwoli nadać brzmieniu masy i charakteru.


 










Oczyszczanie sampli za pomocą filtru

Filtry to nieodzowne narzędzie w arsenale producentów kochających sample. Przyjrzyjmy się, jak za ich pomocą usunąć niechciane elementy samplowanej pętli.

1.

Zaczniemy od chropowatej pętli breakbeatowej. Jak w większości breaków, nasza pętla o długości jednego taktu zawiera dźwięki stopy werbla i „wypełniające” hi-haty oraz „duszki”. Choć same uderzenia są wyraziste, to jednak w obszarze pomiędzy basem i niską średnicą występuje cała masa częstotliwości zamulających brzmienie.

2.

Zanim użyjemy filtru, zastosujemy 3-pasmową bramkę, by zapanować nad basem i niską średnicą we fragmentach następujących bezpośrednio po najgłośniejszych uderzeniach. W przeciwieństwie do statycznej korekcji czy filtracji, zabieg ten zachowuje lekkość brzmienia w zakresie wyższej średnicy i góry.

3.

Wielopasmowe bramkowanie wyraźnie uporządkowało brzmienie, ale wciąż pomiędzy duszkami werbla i hi-hatu słychać nieco zbędnej treści niskotonowej. Aby oszczędzić sobie rysowania krzywej automatyki, użyjemy sprytnej wtyczki Xfer Records LFOTool, w której będziemy mogli sami narysować charakterystykę filtracji.

4.

Aby zastosować określone wartości filtracji górnoprzepustowej dla różnych uderzeń w breaku, narysowaliśmy taki oto wzorzec. Przytrzymanie klawisza Shift w chwili kliknięcia na wyświetlaczu powoduje przyciągnięcie linii i punktów do siatki LFOTool.

5.

Gdy ustawienia częstotliwości odcięcia zostały mniej więcej dopasowane do zawartości breakbeatu, należy precyzyjnie dopasować rozmieszczenie punktów i krzywych do struktury pętli. Zapętlamy więc break i przekształcamy proste linie we wklęsłe i wypukłe krzywe, kształtując charakterystykę filtru w miejscach poszczególnych uderzeń.

6.

Przetworzony breakbeat brzmi teraz mocno i klarownie, a każdy bęben odzywa się we właściwym zakresie częstotliwości – stopa pozostała całkowicie niefiltrowana, werbel podlega jedynie lekkiej filtracji, zaś uderzenia pośrednie nieco głębszej. Możesz zapisać ten preset wtyczki, bo zapewne przyda Ci się do obróbki kolejnego breakbeatu!













Artykuł pochodzi z
Nowe wydanie Estrada i Studio
Estrada
i Studio
listopad 2017
Kup teraz