具有嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大系統(tǒng)

李演明，楊曉冰，張 豪，邱彥章，文常保

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064）

0 引 言

輕微的嘯叫［1－4］限制了整個擴(kuò)音系統(tǒng)的增益，嚴(yán)重的嘯叫可能導(dǎo)致音響或音頻功率放大器損壞［5，6］。因此，如何在音頻功放系統(tǒng)中有效抑制嘯叫發(fā)生，是擴(kuò)音設(shè)備領(lǐng)域的一個重要問題［7－9］。國內(nèi)市場上出現(xiàn)的具有嘯叫抑制功能的音響設(shè)備大多是采用模擬處理方式，智能化程度低，使用中需要專業(yè)人員進(jìn)行調(diào)節(jié)且調(diào)節(jié)過程較麻煩［10－12］。

為了解決音頻放大系統(tǒng)中存在的嘯叫問題，本文采用了數(shù)字移頻的方法來實(shí)現(xiàn)音頻功放系統(tǒng)的嘯叫抑制，該算法選擇基于DSP 芯片TMS320C5509來實(shí)現(xiàn)。音頻功放采用了高效率的D 類功放芯片TPA3112D1。所設(shè)計(jì)的音頻功放系統(tǒng)還具有最大功率設(shè)置和自動增益調(diào)節(jié)功能，以保證在不失真的前提下最大化利用輸出功率。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還增加了基于AT89C51單片機(jī)的嘯叫頻率檢測和輸出功率測量功能，這些配置進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的智能性。

1 嘯叫抑制原理分析與設(shè)計(jì)

嘯叫又稱聲反饋，其產(chǎn)生原理是揚(yáng)聲器輸出的音頻信號被麥克風(fēng)重復(fù)采集后，形成正反饋回路，使某些頻率上的信號發(fā)生自激振蕩，從而產(chǎn)生嘯叫。為了抑制嘯叫現(xiàn)象，本文采用移頻法將采集到的語音輸入信號在其頻率成分上偏移小量的頻率值Δf，使輸出的語音信號避開傳輸空間里的峰值頻率，破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件，來抑制嘯叫的產(chǎn)生，且對原輸入信號影響很小。移頻算法有單邊帶調(diào)制法和基本頻帶偏移方法。本文采用單邊帶調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)移頻。

本文采用的移頻法原理如圖1中所示，音頻輸入信號由A／D 采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號x（t），經(jīng)過移頻模塊將信號頻率平移一個小的頻率量后輸出y（t），移頻后的數(shù)字信號需要再次經(jīng)過D／A 變換成模擬信號輸出給功率放大器。移頻法的核心是移頻模塊，它主要由數(shù)字振蕩器和希爾伯特變換兩部分組成，數(shù)字振蕩器用于產(chǎn)生正余弦三角函數(shù)。移頻模塊的輸入信號與輸出信號的關(guān)系可表示如下

式 （1）中的x∧（t）是x（t）的希爾伯特變化式，它可以表示為

由式 （2）可以得出，x∧（t）可以看成是x（t）經(jīng)過一濾波器的輸出，該濾波器的單位沖激響應(yīng)可表示為1／πt。FIR型濾波器采用非遞歸結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)算誤差小，具有良好的線性相位，因此本系統(tǒng)采用了FIR 濾波器。直接型的N 點(diǎn)序列的FIR 濾波器的差分方程為

對上式進(jìn)行Z變換得FIR 濾波器的傳遞函數(shù)

將輸入信號的樣值同濾波器系數(shù)相乘，再將其結(jié)果相加，得到濾波后的輸出信號。該濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶頻率范圍為200Hz～10000Hz，采樣頻率為48KHz，N＝1024，截止頻率是2000 Hz。利用MATLAB，采用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法，求得FIR 濾波器的參數(shù)，包括濾波器的階數(shù)N 和單位沖激響應(yīng)系數(shù)h（n）。再利用濾波器的設(shè)計(jì)分析工具FDATOOL編制一個C 語言程序用于產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)文件（filtercoelf.h），存儲文件后，直接供給DSP程序代碼調(diào)試工具CCS，從而實(shí)現(xiàn)此濾波器。本文設(shè)計(jì)的移頻算法將聲音信號的頻率增加了5Hz，使系統(tǒng)擴(kuò)聲增益提高了6dB。

圖1 基于移頻算法的嘯叫抑制原理信號

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的音頻功率放大系統(tǒng)主要由拾音電路、嘯叫抑制模塊、功率放大電路、嘯叫頻率檢測電路、單片機(jī)控制模塊等構(gòu)成，總體功能框架如圖2所示。嘯叫抑制模塊是由基于TMS320C5509芯片的DSP開發(fā)板構(gòu)成，它完成了音頻模擬信號數(shù)字化、數(shù)字移頻算法、數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號輸出的功能。拾音電路對麥克風(fēng)采集到的語音信號進(jìn)行前置放大，放大后的信號可以直接作為功率放大器的輸入信號，也可以選擇對其進(jìn)行嘯叫抑制后再輸出給功率放大器，切換過程可由選擇開關(guān)S2和S3完成。在實(shí)際應(yīng)用中如果系統(tǒng)不會發(fā)生嘯叫現(xiàn)象，就可以不用做嘯叫抑制，這樣就可以完全避免嘯叫抑制帶來的信號頻率偏移，雖然本方案采用的移頻算法對頻率的偏移量非常小，但對于高品質(zhì)音效的應(yīng)用還是會帶來一些影響。單片機(jī)控制模塊作為本系統(tǒng)的控制中心，它主要完成了嘯叫頻率測量與顯示、輸出功率測量與顯示、最大功率設(shè)置和自動增益調(diào)節(jié)等功能。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的音頻功放系統(tǒng)還包括：拾音電路、功率放大電路、嘯叫頻率采樣電路、輸出電壓有效值測量電路，下面將分別給出相應(yīng)電路并加以設(shè)計(jì)分析。

3.1 拾音電路

拾音電路也就是麥克風(fēng)信號的前置放大器，設(shè)計(jì)中選擇了具有噪聲性能優(yōu)、驅(qū)動力強(qiáng)、信號帶寬大、電源范圍寬等優(yōu)點(diǎn)的運(yùn)算放大器NE5532，它非常適合用作于高品質(zhì)音響設(shè)備的前置放大器。前置放大器電路原理圖如圖3左半部分所示，采用駐極體麥克風(fēng)接頭，通過一個上拉電阻給麥克風(fēng)供電，聲音電壓信號通過C2隔直電容連接到放大器輸入端VIN。電源電壓經(jīng)R2和R3分壓，產(chǎn)生放大器輸入的直流偏置電壓，該電壓設(shè)定在電源電壓的一半處，C1用于穩(wěn)定直流偏置電壓，R4用于消除直流偏置電壓對輸入信號的影響。NE5322 構(gòu)成典型的比例放大器結(jié)構(gòu)，R5、RX為反饋電阻，其中RX采用數(shù)字控制電位器X9C104 來調(diào)節(jié)放大器增益，其增益可表示為 （用有效值表示）

設(shè)計(jì)中將R5設(shè)定為3.45kΩ，X9C104 的可調(diào)范圍為1kΩ～100kΩ，步長為1kΩ，因此增益的可調(diào)范圍為：1.25～26倍。單片機(jī)控制電位器X9C104的INC和U／D 引腳來改變RX阻值，從而編程比例放大器的增益大小。

圖2 系統(tǒng)總體功能框架

圖3 拾音電路和嘯叫頻率采樣電路

3.2 功率放大電路

功率放大電路是基于高性能的D 類功率放大器芯片TPA3112D1來實(shí)現(xiàn)的，電路原理如圖4所示。TPA3112D1是一款25 W 單通道D 類音頻功率放大器。芯片采用12V電源供電，輸入采用單端差分信號輸入，C11為交流耦合電容。輸出端采用LC 濾波器，減小失真。功放的增益可由GAIN0和GAIN1兩個輸入端接高低電平來設(shè)置，本文設(shè)計(jì)中將GAIN0 接高電平、GAIN1 接低電平，將功放的增益設(shè)置為26dB （即20倍），輸出驅(qū)動的喇叭阻抗RL為8 Ω。對功率放大系統(tǒng)的功率與增益關(guān)系進(jìn)行如下推導(dǎo)，功放的輸出與輸入的電壓關(guān)系 （有效值表示）

功放的輸出功率POUT

前置放大器的音頻信號輸入與輸出的關(guān)系

其中，G1為前置放大器增益，由式 （6）、式 （7）、式 （8）可以得出功率放大器的輸出功率與音頻輸入電壓有效值的關(guān)系為

圖4 功率放大電路

根據(jù)以上推導(dǎo)，當(dāng)音頻信號的輸入電壓VIN（RMS）＝20 mV，輸出功率為5W 時可求得，VDIN（RMS）＝316mV，G1＝15.8，RX＝51KΩ。當(dāng)輸出功率為50mW 時，VDIN（RMS）＝31.6 mV，得G1＝1.58，RX＝2 KΩ。單 片 機(jī) 控 制 通 過 改 變TPA3112D1的PLIMIT 引腳的輸入電壓，就可以調(diào)節(jié)輸出功率大小，同時自動設(shè)置與輸出功率相匹配的前置放大器的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動增益調(diào)節(jié)，以避免信號失真。

3.3 嘯叫頻率測量

為了更直觀地觀察嘯叫現(xiàn)象，系統(tǒng)中增加了嘯叫頻率的測量和顯示功能。根據(jù)嘯叫發(fā)生時會產(chǎn)生較大幅度的自激振蕩的原理，通過檢測前置放大器輸出信號的來測量嘯叫頻率。具體檢測電路如圖3的右半部分所示，采用比較器LM393來檢測前置放大器信號的幅度，當(dāng)比較器輸入信號超過一定幅度時，比較器就會翻轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入信號為較大幅的周期振蕩信號時，在比較器輸出就會呈現(xiàn)與輸入信號頻率一致的方波信號，因此嘯叫頻率就可以被分離出來了。此外，MOSFET Q1起電平轉(zhuǎn)換的作用，將比較器輸出的邏輯電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)的邏輯電平，以便于單片機(jī)處理。設(shè)計(jì)中比較器電源電壓為12V，比較器正向輸入端直流工作電壓由R8與R7分壓設(shè)置為6V，而比較器反相輸入端連接到可調(diào)電阻R8的中間抽頭處，設(shè)定的比較器閾值電壓為5.8V。嘯叫頻率信號采樣原理如圖5所示。

單片機(jī)對嘯叫頻率的計(jì)算上，單片機(jī)將采集到的被測信號的方波脈沖作為控制閘門信號，當(dāng)方波脈沖的上升沿到達(dá)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始從零啟動計(jì)數(shù)，每一個機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加1，直到方波脈沖的下一個上升沿到達(dá)，定時器停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器內(nèi)存儲的是脈寬的機(jī)器周期數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)器內(nèi)存儲到的機(jī)器周期數(shù)為N，機(jī)器周期為TC，則嘯叫信號周期T 為

圖5 嘯叫頻率信號采樣原理

則嘯叫頻率為

3.4 輸出功率測量

輸出功率計(jì)算需要得到輸出電壓有效值，系統(tǒng)采用了基于高精度的有效值轉(zhuǎn)換器AD637的有效值測量電路，其電路原理圖如圖6所示。功放的一端的輸出信號VOUT2通過電容C24交流耦合到AD637 的輸入端，C6與R12組成的低通濾波器獲得輸出電壓的平均值，C7和C8為正負(fù)電源的去耦電容和旁路電容，保證電源電壓穩(wěn)定。AD637的輸出電壓直接輸出給單片機(jī)就可以獲得輸出電壓的有效值VOUT（RMS）。由于在AD637只采樣了功放的單端，在單片機(jī)計(jì)算要將測量結(jié)果乘以2 來得到功放的輸出電壓有效值，輸出功率可由式 （7）計(jì)算得到。

圖6 交流電壓有效值測量電路

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的音頻功放系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示，電路部分包括前置放大電路、DSP 模塊、功率放大電路、有效值測量電路、單片機(jī)控制模塊，系統(tǒng)構(gòu)成還包括了麥克風(fēng)、自制USB接口的小功率喇叭、自制功放驅(qū)動的8Ω 喇叭。測試中，將麥克風(fēng)與喇叭相隔1 m 背靠背放置，使用電腦播放音樂作為音頻信號源。音頻功率放大系統(tǒng)能通過麥克風(fēng)采集信號，經(jīng)功率放大電路送至喇叭輸出，輸出的音頻信號清晰。在不進(jìn)行嘯叫抑制時 （圖2的選擇開關(guān)S2連接A 端，S3連接C 端），將麥克風(fēng)與喇叭相隔1m 面對面放置，從小到大調(diào)整功率放大器的輸出功率，直到產(chǎn)生嘯叫時，啟動嘯叫抑制模塊 （圖2的選擇開關(guān)S2連接B端，S3連接D 端），音頻信號輸出恢復(fù)正常，音質(zhì)清晰，嘯叫現(xiàn)象被有效抑制。在輸出功率達(dá)到5 W 功率，嘯叫抑制電路仍能正常工作。進(jìn)一步縮短麥克風(fēng)與喇叭之間的距離到0.4 m 時，有輕微嘯叫產(chǎn)生。

圖7 音頻功放系統(tǒng)的實(shí)物

在輸入音頻信號有效值為20mV 時，輸出語音信號功率在50mW～5 W 內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖8分別給出了信號頻率為200Hz和10kHz時，輸出功率為50mW 和5W 時的輸入、輸出信號波形。從中可以看出系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定、失真度很小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 輸入與輸出信號測試波形（Ch1：VIN，Ch2：VOUT）

圖9給出了輸出功率與PILIMT 端口的輸入電壓及音頻輸入信號幅度的關(guān)系，系統(tǒng)輸出功率在50mW～5 W 之間連續(xù)可調(diào)。圖10給出了系統(tǒng)的效率測試結(jié)果，在1.5 W～5 W 輸出范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率均高于80%，最高達(dá)到90%。

圖9 輸出功率與PLIMIT 電壓及輸入信號的關(guān)系

圖10 系統(tǒng)整體效率

5 結(jié)束語

本文介紹了音頻功率放大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)引發(fā)嘯叫現(xiàn)象的自激振蕩條件，采用基于 DSP 芯片TMS320C5509的移頻算法來抑制嘯叫，并運(yùn)用單片機(jī)來控制輸出功率并測量了嘯叫頻率和輸出功率。在輸入音頻信號有效值為20mV 時，由單片機(jī)程控設(shè)置的功率放大器的輸出功率范圍為50 mW～5 W。在功率放大器的輸出功率為5 W 時，系統(tǒng)整體效率高達(dá)90%。本文設(shè)計(jì)的音頻放大系統(tǒng)不僅具有工程應(yīng)用價值，而且對于其它嵌入式硬件系統(tǒng)的開發(fā)也具有很好的借鑒意義。

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