Wissen - Der Limiter – das unbekannte Wesen

Der Limiter – das unbekannte Wesen

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Mit kaum einem Tool wurde in den letzten Jahren soviel Unwesen getrieben wie mit dem Limiter. Bedingt durch den „loudness war“ ist der Limiter einfach das Werkzeug, um auf ganz einfache Weise Musik deutlich lauter zu machen.
Der Limiter ist ein mächtiges Werkzeug – und ähnlich wie mit einem Panzer ist es auch durchaus möglich, mit ungeschulten Händen damit erheblichen Schaden anzurichten.
Dieser Artikel von homerecording-Mitglied moinho beschreibt, wie der Limiter funktioniert, wo man ihn sinnvoll einsetzt und auch wie man ihn sinnvoll einsetzt.



Einleitung und Abgrenzung
Im Folgenden geht’s um Limiter, und zwar solange es nicht explizit anders erwähnt ist, gleichermaßen um analoge und digitale Hardware und auch um Software. Ferner (und das ist wesentlich) sind Anwendungen im Recording, Mixing und Mastering der Focus – auch wenn das Gesagte teilweise für andere Anwendungen (Livesound, Broadcast) gilt, muß dem nicht so sein.
Auch aus dem Grund beschreibt der Begriff „Limiter“ hier ausnahmslos einen „peak limiter“ – sogenannte „program limiter“ werden hier nicht berücksichtigt.
Ferner werden nur Fälle behandelt, bei denen der Limiter vom Eingangssignal gesteuert wird. Die Variante mit einem externen Sidechain bleibt unbetrachtet.

Exkurs: Dynamikprozessoren und der Sonderfall „Limiter“
Zunächst sei die Funktionsweise eines Dynamikprozessors im Allgemeinen beschrieben, um dann auf die relevanten Sonderfälle einzugehen.

Ein Dynamikprozessor kann allgemein als gesteuerter Verstärker angesehen werden. Gehen wir zunächst von einem „ausgeschalteten“ Dynamikprozessor aus: ein Gerät, wo ein Signal rein- und wieder rausgeht. Ist der Dynamikprozessor ausgeschaltet, sind Eingangs- und Ausgangssignal identisch. Die Verstärkung g=1, genannt „unity gain“.
Die Steuerung der Verstärkung sieht nun so aus: Man betrachtet die Amplitude des Eingangssignals und verändert abhängig davon die Verstärkung. In den folgenden Diagrammen ist das – am Beispiel eines Kompressors (orange) und eines Gates (grün) im Vergleich zum Unity Gain Device (blau) – dargestellt.


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Man sieht: Im Bereich zwischen -48 und -24 dB verhalten sich das unity gain device, der Kompressor und das Gate gleich – für alle ist die Verstärkung g=1. Beim Kompressor wird oberhalb von -24dB die Verstärkung heruntergefahren, so dass bei einem Eingangssignal von 0dB das Ausgangssignal nur noch -12dB hat. Umgekehrt dreht das Gate unterhalb -48dB die Verstärkung auf g=0 runter – bei einem Eingangssignal unterhalb -48dB kommt am Ausgang also nichts mehr an.

Bei der weiteren Diskussion werden wir uns hier an die Kurve des Kompressors halten, denn der Limiter ist, wie wir weiter unten sehen werden, ein Sonderfall des Kompressors.

Parameter eines Kompressors
Unmittelbar aus dem Diagramm ersichtlich sind zwei Parameter eines Kompressors, die meist einstellbar sind: die Grenze, ab welcher der Kompressor arbeitet (hier -24dB) – genannt Threshold. Zum Threshold ist zu sagen: ein Kompressor macht unterhalb des Threshold nichts – er ist im Prinzip ein unity gain device.
Der zweite Parameter ist die Ratio - die Steigung der Linie, die das Dynamikverhalten oberhalb des Thresholds beschreibt. Hier erkennt man, wenn sich das Eingangssignal um 24dB (von -24 bis 0dB) erhöht, steigt das Ausgangssignal nur um die Hälfte (also -24dB auf -12dB). Diese Steigerung um die Hälfte ist eine Ratio von 2:1. Würde das Ausgangssignal stattdessen nur auf -18dB steigen, wäre das ein Drittel, also eine Ratio von 3:1. Faustregel: flache Kurve heißt große Ratio. Faustformel: maximaler Ausgangspegel = Threshold*(1-1/Ratio).
Nun erkennen wir, dass quasi das Signal hinter dem Kompressor viel leiser ist (bei Vollaussteuerung -12dB, also ein Viertel). Das widerspricht natürlich unserer Erfahrung, dass man einen Kompressor einsetzt, um Signale „lauter“ zu machen. Deswegen gibt es noch den Parameter (MakeUp) Gain, der einfach das Signal hinter dem Kompressor wieder anhebt – was ja gut möglich ist, weil wir im Beispiel oben jetzt ja maximal -12dB Pegel erreichen. Bei manchen Kompressoren wird der (MakeUp) Gain automatisch in Abhängigkeit von Threshold und Ratio eingestellt.

Zusätzlich zu diesen Pegelparametern gibt es noch Zeitparameter, normalerweise Attack und Release und mitunter Hold. Damit hat es folgendes auf sich:
Der Kompressor macht die Veränderung der Verstärkung nicht ganz plötzlich, sondern erst nach einer bestimmten Zeit (sonst wäre es einfach ein Verzerrer). Attack beschreibt, wie lange der Kompressor braucht, um nach dem Überschreiten des Thresholds die Verstärkung runterzuregeln. Das bedeutet, dass bei einer größeren Attackzeit kurze Transienten (Schlagzeug, Klavier, E-Bass) durchkommen, und erst dann der Pegel runtergeregelt wird. Umgekehrt bedeutet Release die Zeit, die der Kompressor braucht, um nach Abfallen des Pegels die Verstärkung wieder heraufzuregeln. Der optionale Hold-Parameter beschreibt, dass der Kompressor nach dem Attack eine Zeitlang auf der neuen Verstärkung „stehenbleibt“, bevor er gemäß der Release-Zeit wieder regelt. Der Parameter „Hold“ wird hier nicht weiter betrachtet.

Zwei weitere, wesentliche Eigenschaften fehlen noch: der Übergang der Dynamikkurve vom unity-gain in den abgeschwächten Teil (das „knee“) und der zeitliche Verlauf der Steuerung der Verstärkung während des Attack und Release.

Das „knee“ beschreibt den Übergang der Kurve vom linearen zum „abgeflachten“ Teil. Im obigen Diagramm ist das ein plötzlicher Knick („hard knee“). Bei so einem Diagramm schreien Tontechniker immer schon „Verzerrung!“, und das zu Recht. Deswegen macht man gern den Übergang weicher („stetig differenzierbar“ ist hier der terminus technicus). Wie das aussieht, sieht man in untenstehendem Detailausschnitt, wo orange ein „hard knee“ und blau ein „soft knee“ für die ansonsten gleichen Einstellungen hinsichtlich Ratio und Threshold gezeigt sind.

Bei einigen Kompressoren kann man das „knee“ umschalten, teilweise sogar in mehreren Stufen. Bei einer Menge von analogen Kompressoren ist dieser Parameter – ebenso übrigens wie Ratio und die Timingparameter – nicht einstellbar, sondern geht aus dem Verhalten z.B. eines Fotowiderstands (bei den optical compressors) zurück. Zu beachten ist hier: ein soft knee fängt tatsächlich mitunter schon minimal unterhalb des Thresholds zu steuern an!


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Der zeitliche Verlauf der Steuerung während Attack und Release ist bei den (mir bekannten) Dynamikprozessoren ein „unsichtbarer“ Parameter. Es geht hier schlicht darum, ob – wieder im obigen Beispiel – die Pegelreduktion auf -12dB bei Vollaussteuerung des Eingangs innerhalb der Attackzeit von z.B. 10ms gleichmäßig passiert (d.h. nach 5ms sind es -6dB usw.), oder ob das einer trickreichen Kurve folgt – selbiges gilt natürlich auch für das Release. Auch hier ist das bei vielen Implementierungen (die erwähnten Opto-Kompressoren) einfach durch die elektrischen Bauteile bedingt, und es hat sich gezeigt, dass diese subjektiv „gut“ klingen. Andere Hersteller (GML, Cranesong etc.) treiben hier großen Aufwand, durch Wahl einer speziellen Kurve die entstehenden Verzerrungen „angenehm“ zu machen (mehr dazu im Kapitel „Klangliche Auswirkungen eines Kompressors/Limiters).

Der Sonderfall „Limiter“
Für einen Limiter wünschen wir uns eine besondere Funktion eines Kompressors: Pegel über einem bestimmten Wert sollen einfach nicht zugelassen werden – d.h., dass Ausgangssignal (vor dem MakeUp Gain) soll z.B. nicht über -12dB steigen. Dies erreicht man durch sehr kurze Attackzeiten und sehr große Ratios. Bei Ratios ab 20:1 und Attackzeiten <1ms spricht man dann üblicherweise von einem Limiter.

Idealer Limiter
Ein idealer Limiter lässt tatsächlich gar kein Signal über dem Threshold durch – das bedeutet, Ratio ∞:1, Attack 0 ms und hard knee. Dies hat von den Kompressoren sicherlich die extremsten Auswirkungen auf den Klang und man tut gut daran, diese Auswirkungen gering zu halten, in dem man durch einen sehr geringen Threshold (abhängig vom Eingangssignal, aber überlicherweise nur einige dB) den Effekt begrenzt.

Vom idealen Limiter zum Clipper
Nehmen wir den idealen Limiter von oben und setzen auch die Release-Zeit auf 0, so haben wir einen Dynamikprozessor, der einfach ab einem bestimmten Pegel „nicht mehr weitergeht“, unterhalb davon aber sofort wieder das Signal unverändert passieren läßt – er schneidet einfach die Spitzen ab. Das ist ein sogenannter Clipper (und hier sind wir wieder im Gitarrenverzerrerbereich). Clipper klingen viel mehr noch als ideale Limiter grässlich und sollten damit wirklich nur auf die obersten Überschwinger-Halb-dBs hinter einem nicht idealen Limiter beschränkt werden.

Gibt es ideale Limiter? Will man ideale Limiter?
Ein idealer Limiter ist selbst bei schnellen Elementen für analoge Geräte nicht möglich (siehe jedoch „Lookahead im Limiter“ unten). Deswegen bemerken die Hersteller (Beispiel: Manley SLAM) hierbei, dass das Ausgangssignal immer Overshoots haben kann, und geben auch Faustregelwerte (üblicherweise <1dB) an. Andere Implementierungen (z.B. Aphex Dominator II) schalten dem Limiter einen Clipper nach (sowas ist analog sehr einfach zu implementieren), um diese Restspitzen doch noch aufzufangen – nicht ohne zwischen dem Threshold von Limiter und Clipper noch hinreichend Platz zu lassen (beim Dominator ist der Standardwert 3dB!). Im digitalen Bereich ist der ideale Limiter kein Problem, und Implementierungen wie der TC Finalizer oder der Waves L2 garantieren auch genau das – nix über dem Threshold kommt durch.
Noch angemerkt sei, dass eine sehr schnelle „ideale“ Peakbegrenzung starke Auswirkungen auf den Klang hat (mehr siehe unten).

Lookahead im Limiter
Ein weiterer Lösungsweg, um das „keine Overshoots“-Ziel zu erreichen, ohne den Klang gänzlich zu ruinieren, ist es, „Lookahead“ zu verwenden. Das funktioniert folgendermaßen: Das Signal, das durch den Limiter läuft, wird um eine bestimmte Zeit verzögert, vor der Verzögerung wird der Pegel gemessen, um die Verstärkung zu steuern (also eine klassische Sidechain-Anwendung). Dies ist wegen der Problematik einer gut klingenden Verzögerung im analogen Bereich unüblich, bei digitalen Implementierungen (wiederum als Beispiel der TC Finalizer) jedoch anzutreffen.
Nachteil dabei ist natürlich, dass unter Umständen schon ganz kurz vor einem Peak eine Reduktion des Pegels (z.B. von einem ostinaten Pad) zu hören ist. Wenn, dann sollte die Zeit sehr kurz (ca. 1ms) gehalten werden.
Ebenfalls zu beachten ist, dass sich damit die durch den Limiter bedingte Verzögerung im Signalweg um eben diese Lookahead-Zeit verlängert, was insbesondere im Live-Bereich relevant ist.

Klangliche Auswirkungen eines Kompressors/Limiters
Ein Kompressor/Limiter beeinflusst den Klang in verschiedener Weise. Ohne detaillierte Analysen hier eine kurze Zusammenfassung der Effekte. Im Folgenden steht „Kompressor“ als Oberbegriff, der auch Limiter mit einbezieht:
• Der Kompressor begrenzt den Dynamikumfang des Originalsignals (deswegen auch der Name).
• Wird nach dem Kompressor der Pegel angehoben (MakeUp Gain), so werden damit natürlich auch alle leisen (und häufig unerwünschten) Signalbestandteile angehoben („Rauschen“).
• Jede Form von nichtlinearer Dynamik beeinflußt den Frequenzgang. Es passiert etwas, das man als „Oberwellenmischung“ bezeichnet, d.h. zu den enthaltenen Spektralanteilen entstehen Oberwellen. Welche und wie viele hängt im Detail von einer Menge von Faktoren ab:
o Ratio
o Attack- und Release-Zeiten
o Knee
o Zeitlicher Verlauf der Steuerung (s.o.)
Als Pi-mal-Daumen Wert gelte für den Limiter: langsame Release-Zeiten und (relativ) langsame Attack-Zeiten sowie geringer Threshold verbessern den Klang!
• Ein Limiter klingt (wegen großer Ratio und sehr kurzem Attack) deutlich extremer (und das ist meist schlechter) als ein Kompressor. Ein Clipper klingt (wegen dem nichtvorhanden Attack und Release und der extremen Ratio) deutlich extremer (und das ist meist schlechter) als ein Limiter.

Einsatzmöglichkeiten für einen Limiter
Nachdem nun erkennbar ist, was ein Limiter kann, wo die Gefahren liegen, kommen wir dazu, wozu man diesen Klangverschlechterer eigentlich einsetzt.
In typischen zeitgenössischen Anwendungen (digitales Studio) gibt es drei sinnvolle Anwendungen, die im Folgenden erläutert seien.
Der Limiter als Übersteuerungsschutz vor dem A/D-Wandler
Typischerweise reagieren A/D-Wandler unschön, wenn man sie übersteuert, nämlich mit Clipping. Zu diesem Zweck läßt man meistens einen ausreichenden Headroom, also Abstand zwischen den zu erwartenden Signalspitzen und der Aussteuerungsgrenze des Wandlers, damit so etwas nicht passiert. Dieser Headroom ist freilich verschenkte Signalqualität hinsichtlich Signal-Rauschabstand und Dynamikumfang, weshalb man diesen gerne beschränken würde.
Hier schlägt die Stunde des analogen Limiters vor den A/D-Wandlern. Die Anwendung soll hier meist sein, nur die Peaks, die man eigentlich gar nicht erwartet, abzufangen. Natürlich hat ein analoger Limiter eine Attack-Zeit >0, also muß man entweder hier noch einen zusätzlichen Sicherheitsbereich mit einbeziehen oder man verwendet dahinter noch einen Clipper bzw. nimmt in Kauf, dass die Wandler selber clippen (was für ganz kurze Ereignisse bei heutigen Wandlern i.d.R. auch kaum ein Problem ist).
Entscheidend für den Einsatz ist hier, dass der Limiter „normalerweise“ gar nichts tut, d.h. nur wenn der Sänger oder der Schlagzeuger mal einen ganz besonders energiereichen Moment erwischt, kurz und nur mit wenig gain reduction („ein paar dB“) anspricht. Relativ kurze Release-Zeiten im Bereich einige 10ms sind deshalb auch angemessen.

Zu beachten ist an der Stelle, dass heutige gute A/D-Wandler einen vergleichbaren Dynamikumfang und Signal-Rauschabstand liefern wie gute analoge Geräte. Mit dem weitverbreiteten Einzug von 24bit sind damit die Zeiten vorbei, dass Kompressoren und Limiter vor dem Wandler die Regel waren, da sich auch der Wandler in ähnlichen Dynamikumfang-Bereichen befindet wie die Geräte davor. Und an der Stelle ist wiederum zu bedenken, dass wenn man einen Limiter dazwischen schaltet und dafür den Headroom verringert (sprich: den MicPreAmp weiter aufdreht), auch das Rauschen ansteigt, d.h. so zwingend wie in 16-bit-Zeiten ist der Limiter heute nicht mehr, besonders in Studiosituationen, wo der Toningenieur genug Gelegenheiten hat, Pegel zu checken.

Der Limiter vor dem Zielmedium
Im letzten Schritt unserer tontechnischen Bearbeitung (üblicherweise „Mastering“ genannt) haben wir – und hier sei das Beispiel CD herangezogen, das Ziel, einen Mix (der häufig als 24 Bit Datei oder als 32bit float-Signal vorliegt) in das 16-Bit-Raster zu quetschen. Eine wesentliche Rolle spielt natürlich der Kompressor, doch hier sind meistens Einstellungen mit relativ langen Attackzeiten üblich, und wieviel die Peaks da genau überschießen bleibt immer nur ein Schätzwert. Noch kritischer wird es freilich, wenn hinter dem Kompressor noch ein EQ im Signalweg sitzt.

Die Lösung: Ein (idealer) Limiter als letzte Komponente im Signalweg, direkt vor dem Dithering. Auch hier plädiere ich für einige wenige dB effektiver gain reduction (so 1-3), denn für die Dynamikkompression ist ja unser Kompressor zuständig, und der Limiter soll eben nur die ganz bösen Peaks zähmen.

Limiter zur kreativen Signalbearbeitung
Was man spätestens seit den 80er-Jahren vom Kompressor weiß, gilt natürlich auch für den Limiter: die hässliche Klangbeeinflussung bei sehr extremen bzw. ungeeigneten Einstellungen kann kreativ genutzt werden. Manche Leute mit superteuren Studios haben inmitten ihrer Edelgeräte einen Alesis MicroLimiter sitzen, weil der zwischen Pre und A/D auf der Bassdrum richtig dirty-punchy klingt. Der SLAM! von Manley klingt speziell für Gesang auch bei extremeren als den oben genannten Einstellungen bei geschickter Kombination dank seiner 2 (!) Limiter sehr reizvoll. Wie sonst, so gilt auch hier: geschickt einsetzen! Empfehlenswert ist für eine solche radikale Bearbeitung ist der Einsatz innerhalb einer computerisierten DAW (weil im Bedarfsfall mittels total recall ein Limiting-Prozess rückgängig gemacht werden kann) und abseits des 2bus.

Zusammenfassung und Fazit
Der Limiter – ein Sonderfall des Kompressors, der wiederum ein Sonderfall der Dynamikprozessoren ist – findet seine Anwendung am sinnvollsten entweder zur Verhinderung von Übersteuerung vor den A/D-Wandlern oder als letztes Element im Mastering-Signalpfad direkt vor dem Dithering. Effektive Gain Reduction von mehr als 3-4dB sollte tunlichst vermieden werden, für den Sonderfall des Clippers ist der akustisch empfehlenswerte Bereich sogar noch kleiner (<1dB). Natürlich gilt auch hier: kreativer Einsatz schadet nie. Und wer sich wirklich an den Loudness Wars beteiligen muß oder meint zu müssen, der wird mit Clipper und Limiter seine besten Freunde finden.


Fachartikel von moinho
Redigiert von tsching