FFT Rauschfilter

Funktionsweise des Wavepurity FFT Rauschfilters

Das hier vorgestellte Verfahren ist durch das Trademark WavePurityT geschützt
und wurde von Ulf Schönherr speziell für die Software WavePurity entwickelt.

Das im folgenden beschriebene Verfahren ist ab Version WavePurity 3.00 realisiert.

Das WavePurity FFT Rauschfilter benutzt ein mehrstufiges Verfahren, um Rauschen aus dem Musikstück zu eliminieren. Grundprinzip dabei ist, dass Rauschen (wir nehmen hier idealerweise "weißes Rauschen" an) einen konstanten Offset - sprich eine gleichmäßig verteilte Energie auf alle Wellenlängen des Spektralbereichs 0..22kHz aufprägt. Man kann dies in der Anzeige FFT-Spektrum deutlich erkennen.

Das Entrauschen erfolgt im Frequenzbereich, sprich, das Signal wird blockweise vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert (FFT) und dort eine Reduktion des Rauschens durch Bearbeiten der Amplitudenwerte ausgeführt und anschließend in den Zeitbereich zurück transformiert.

Schritt 1:
Lautstärke des Musikstücks analysieren

Es wird zunächst die Lautstärke des gesamten Titels überprüft. Dabei wird blockweise vorgegangen (Blockgröße = FFT Fenstergröße). Von jedem Block wird die mittlere Lautstärke gebildet. Schritt 1 merkt sich jetzt das Minimum minAvgVolume und das Maximum maxAvgVolume dieser mittleren Block-Lautstärken. Um nicht durch künstliche Stille durcheinander zu kommmen, akzeptiert Schritt 1 keine Blöcke, deren mittlere Lautstärke kleiner als 10 Digits ist. Weiterhin wird der Gesamtmittelwert aller Block-Lautstärke-Minima meanMinVolume gebildet.

Schritt 2:
Stichproben

Jetzt läuft ein Zufallsgenerator ab, der Stichproben aus dem Musikstück nimmt, diese aber nur akzeptiert, wenn die mittlere Lautstärke der Zufallsposition bestimmte Kriterien erfüllt. Man trifft also eine gewisse Vorauswahl an Blöcken, die nahe am unteren Limit des mittleren geringsten Rauschens liegen, sich aber trotzdem oberhalb des mittleren totalen Block-Lautstärke-Minimums befinden.

Schritt 3:
Optimieren der Zufallswerte

Jetzt läuft eine Optimierung ab. Und zwar wird die Anzahl gefundener Stellen auf relevante Punkte reduziert. Kriterium für das gut zusammenpassen ist die geringste Varianz der mittleren Amplitudenwerte aller Blöcke.

Schritt 4:
Suchen eines Häufungspunktes für das Rauschen

Jetzt beginnt der Rauschfilter in kleinen Schritten Blöcke zu suchen, die statistisch gut mit den bisherigen Punkten zusammenpassen. Kriterium dafür ist, ob eine Verbesserung der Varianz durch den neuen Punkt erreicht wird.

Schritt 5:
Rauschprofil ermitteln

Für die gefundenen Punkte wird jetzt das Rauschprofil berechnet.

Schritt 6:
Glättung des Rauschprofils

Oft besitzt das Rauschprofil "Nadeln", die sich durch eingestreute Signale (z.B. der 19kHz Ton bei Stereo Radio) aufprägen. Weiterhin ist das Rauschprofil selbst oft stark verrauscht. Erfahrungsgemäß erzeugt die Rauschreduktion weniger Artefakte, wenn man ein gleitendes Mittelwertfilter über das Rauschprofil laufen läßt, um es zu glätten. Dabei wird die oberste Frequenz 22kHz als Startwert geladen und dann langsam nach unten Richtung 0kHz gelaufen.

Schritt 7:
Linearisieren des Rauschprofils

Um einen möglichst geraden Verlauf des Profils zu erreichen, wird das Rauschprofil im unteren Frequenzband interpoliert.

Schritt 8:
Ermitteln des Reduktionsprofils

Experimentell wurde herausgefunden, daß aus dem ermittelten Rauschprofil immer ein Reduktionsprofil berechnet werden muß, welches letztendlich für die Amplituden-Subtraktion eingesetzt wird. Es ergibt sich 0% Effekt, wenn das ermittelte Rauschprofil einfach 1:1 von den Signalblöcken abgezogen wird. Das ist eine Tatsache, die experimentell nachweisbar ist.

Schritt 9:
Benutzerdefinierte Anpassung des Reduktionsfaktors

In der jetzigen Realisierung des WavePurity FFT-Noisefilters besitzt einen "Slider" 50% bis 150% Entrauschen. Der Anwender hat so die Möglichkeit, bei kritischen Stücken die Stärke des Reduktionsprofils noch etwas zu beeinflussen.

Schritt 10:
Dynamische Verfolgung des Rauschpegels

Dieser Schritt läuft quasi online während des Entrauschvorgangs ab. Und zwar gibt es viele Aufnahmen besonders älterer Tonbandgeräte, wo das Rauschen des Signals "pumpt". Das ist ein Effekt, der dem FFT-Rauschfilter bei der Ermittlung des Rauschprofils extreme Kopfschmerzen bereitet, da das Rauschen nämlich einfach nicht stabil ist, und damit keine eindeutige Häufung im Histogramm erkennbar ist. Das ermittelte Rauschprofil wird für derartige Aufnahmen immer etwas verfälscht sein. Zur Kompensation führt man während des Entrauschens das Reduktionsprofil leicht nach wird und so dem Pumpen des Rauschen entgegenwirkt. Das Verfahren hat sich gut bewährt.

Schritt 11:
Zusätzlicher Tiefpass + Rumpelfilter + Netzbrummsperre

Es gibt ein paar Dinge, die gleichzeitig zum Entrauschen durchgeführt werden können, ohne dies zu stören. Das sind:

  • Tiefpass, um hohe Frequenzen zu sperren
  • Rumpelfilter für Schallplattenaufnahmen
  • Netzbrummsperre

Der WavePurity FFT-Rauschfilter setzt zusätzlich während des Entrauschens einen Tiefpassfilter ein, der alle Amplituden der Wellenlängen oberhalb einer Grenzfrequenz platt macht. Die Standardeinstellung ist 20kHz.

Ein Rumpelfilter verbessert die Signalqualität von Schallplattenaufnahmen . Das aufliegende Tonabnehmersystem erzeugt meistens sehr niederfrequente Signalanteile bedingt durch Motorgeräusche und gewölbte Schallplatten. Wenn Sie eine sehr gute HIFI-Analge haben, dann werden Sie spüren, wie die Membranen der Basslautsprecher dabei richtig vibrieren. Bessere Plattenspieler besitzen intern bereits Maßnahmen gegen diese Effekte. Sollte Ihr Gerät so etwas nicht besitzen, dann kann WavePurity dies nachträglich auf digitalem Wege erledigen.

Weiterhin sehr unangenehm sind Einstreuungen der 50 Hz Netzfrequenz in das Nutzsignal. Hier sind hardwaretechnische Schwächen, schlechte Erdung oder Schirmung oft die Ursache. Sehr empfindlich sind auch induktive Tonabnehmer bei Plattenspielern. Abhilfe schafft hier ein sehr steiles Kantenfilter, welches die Wellenlängen 47 Hz .. 53 Hz aus dem FFT-Spektrum vor der Rücktransformation ausblendet.

Dieser Artikel wurde verfasst von Ulf Schönherr

« zurück zur Übersicht