音頻系統(tǒng)中嘯叫抑制技術(shù)設(shè)計(jì)研究

賀小艷

摘 要：在音頻系統(tǒng)中，普遍存在嘯叫的可能，對(duì)用戶造成極大的困擾。本研究通過(guò)采用硬件模擬移相器以及中心頻率可控陷波器，提出一種抗嘯叫設(shè)計(jì)，測(cè)試表明，啟動(dòng)嘯叫抑制電路后，能夠有效實(shí)現(xiàn)嘯叫抑制的功能。

關(guān)鍵詞：音頻系統(tǒng)；嘯叫抑制；電路設(shè)計(jì)

聲反饋是出現(xiàn)在劇院、多媒體教室、會(huì)議室等公共音頻系統(tǒng)中的常見問(wèn)題，它經(jīng)常使音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)的性能發(fā)生顯著衰退，極端情況下會(huì)使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，發(fā)生嘯叫，總影響著音頻的質(zhì)量。為保障音頻系統(tǒng)的使用性能，抑制系統(tǒng)中的嘯叫問(wèn)題，已然成為一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。下面，本研究進(jìn)行一種嘯叫抑制技術(shù)的研究，并將其設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)介紹。

1.主要硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PIC 單片機(jī)為主控制器，通過(guò)程控功率放大電路和嘯叫檢測(cè)與抑制電路實(shí)現(xiàn)帶嘯叫抑制的音頻功率放大系統(tǒng)。硬件電路主要包括主控制器、拾音、程控增益控制、濾波、嘯叫檢測(cè)、嘯叫抑制、顯示模塊以及電源模塊。具體系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

1.1 有效值檢測(cè)電路

設(shè)計(jì)中采用AD637 進(jìn)行真有效值采樣，AD637 具有轉(zhuǎn)換精度高，寬帶寬的優(yōu)點(diǎn)，可以精準(zhǔn)計(jì)算轉(zhuǎn)換復(fù)雜交流信號(hào)的有效值電壓，最小輸入信號(hào)可以達(dá)到5mV，輸出信號(hào)誤差小，紋波低于±1%，3dB 帶寬為8MHz，符合聲音傳播的帶寬保證了測(cè)量精度。

1.2 嘯叫抑制模塊

擴(kuò)音系統(tǒng)產(chǎn)生嘯叫的主要原因是自激振蕩，即喇叭輸出的聲音反饋到麥克風(fēng)進(jìn)行了疊加，嘯叫產(chǎn)生的條件需滿足以下三點(diǎn)：

（1）話筒與音箱同時(shí)使用；

（2）音響系統(tǒng)與話筒處于同一聲音可以傳播的空間；

（3）話筒拾音效果較好，音響的音量不低。

分析其產(chǎn)生的原因提出對(duì)應(yīng)的解決方法為：①相位：根據(jù)正反饋的條件，相位必須與輸入聲音相同；②振幅：正反饋的條件為，反饋系數(shù)大于1。

根據(jù)其產(chǎn)生原因， 設(shè)計(jì)移相器以及陷波器兩種方式進(jìn)行抑制，即破壞相位條件和振幅條件，達(dá)到抑制嘯叫的目的。移相器在聲音采集之后移相，實(shí)際測(cè)得移相140°抑制效果最好，加上后級(jí)陷波，達(dá)到更好的嘯叫抑制效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了可變電阻， 在實(shí)際使用之前通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)達(dá)到最合適的抑制效果。

陷波器設(shè)計(jì)采用高性能開關(guān)電容濾波器LMF100 集成芯片。LMF100 內(nèi)置兩個(gè)雙開關(guān)電容濾波器，按照不同模式的硬件連接方式配置為低通、帶通、高通，以及帶阻四種濾波器。中心頻率可以由設(shè)計(jì)的外圍電路與外接時(shí)鐘信號(hào)源控制。陷波器和時(shí)鐘頻率呈線性關(guān)系， 只需要控制PWM 波的頻率就能間接控制陷波器中心頻率，陷波器的品質(zhì)因數(shù)Q 直接體現(xiàn)陷波器的帶寬大小，品質(zhì)因數(shù)越大陷波器帶寬越小，陷波器的品質(zhì)因數(shù)完全由外圍電路決定。

1.3 程控增益模塊

程控增益采用VCA810 集成芯片，VCA810 集成芯片采用直流耦合，高寬帶，并且為連續(xù)可變電壓控制的增益放大器。增益為±40dB，輸入電壓控制為-2V～0V，因此加入前端反相器模塊，供單片機(jī)DA 轉(zhuǎn)換輸出電壓控制放大倍數(shù)，控制精度與單片機(jī)DA 轉(zhuǎn)換的電壓精度有關(guān)。

2.軟件檢測(cè)設(shè)計(jì)

自然聲音信號(hào)是一個(gè)頻率幅度不斷變化的信號(hào)， 而嘯叫信號(hào)是頻率固定，幅度較大的信號(hào)，所以可以通過(guò)測(cè)頻對(duì)比法再結(jié)合后端功率的檢測(cè)，判斷是否產(chǎn)生了嘯叫，頻率檢測(cè)直接使用單片機(jī)進(jìn)行記數(shù)測(cè)頻。

設(shè)計(jì)通過(guò)PIC 單片機(jī)的CCP 模塊產(chǎn)生PWM 波進(jìn)而控制陷波器的中心頻率，當(dāng)檢測(cè)判斷檢測(cè)到的頻率為嘯叫頻率點(diǎn)時(shí)，CCP模塊產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，關(guān)系為100*fo，即PWM 波頻率為檢測(cè)到的嘯叫頻率的100 倍，最大音頻輸入頻率為10kHz，即最大需要產(chǎn)生1MHz 的PWM 波 ?？刂祁l率和占空比分別為兩個(gè)寄存器，公式如下：

PWM 周期=[（PR2）+1]*4*Tosc*（TMR2 預(yù)分頻值）

PWM占空比=（CCPR1L：CCP1CON<5：4>）·Tosc·（TMR2 預(yù)分頻比值）

其中，Tosc 為機(jī)器周期，即晶振周期。周期與占空比和寄存器數(shù)值的關(guān)系。

每次改變輸出頻率不僅需要改變PWM 占空比的值， 還需要改變PWM 占空比的數(shù)值，使得占空比為50%。

每次檢測(cè)到的嘯叫頻率乘以100， 代碼中換算成PWM 周期數(shù)值，改變PR2 的值，達(dá)到改變輸出PWM 頻率的目的，PWM占空比同理。在程序運(yùn)行最初，未產(chǎn)生嘯叫時(shí)，設(shè)定一個(gè)較大的初值頻率，該頻率大于1MHz。

3.嘯叫檢測(cè)與抑制的數(shù)據(jù)測(cè)量

嘯叫信號(hào)的檢測(cè)比較容易受到各種因素的影響， 喇叭的朝向、麥克風(fēng)的朝向、麥克風(fēng)和喇叭的距離、輸入聲音大小等。檢測(cè)時(shí)，首先不啟動(dòng)嘯叫抑制模塊，從小到大調(diào)節(jié)功率放大模塊的輸出功率，當(dāng)產(chǎn)生嘯叫時(shí)記錄此時(shí)的頻率以及顯示的功率。再啟動(dòng)嘯叫抑制模塊，從小到大調(diào)節(jié)輸出功率，檢測(cè)產(chǎn)生嘯叫時(shí)的功率以及此時(shí)的頻率，最后對(duì)比距離一定時(shí)，啟動(dòng)嘯叫抑制前后的音頻嘯叫抑制情況，如表1、表2 所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

總之，聲反饋控制是擴(kuò)聲系統(tǒng)中的一個(gè)重要課題，其抗嘯叫抑制與音頻系統(tǒng)使用感知密切相關(guān)。實(shí)際測(cè)試表明，啟動(dòng)本嘯叫抑制電路后，能夠?qū)π盘?hào)實(shí)時(shí)處理，嘯叫抑制效果較好，并且音量和聲音的保真效果也相對(duì)提升，能獲得良好的聲音質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳丹艷. 自適應(yīng)嘯叫抑制算法的研究與DSP實(shí)現(xiàn)[D]. 電子科技大學(xué)， 2014.

[2]李波. 自適應(yīng)濾波器在反饋嘯叫抑制中的應(yīng)用研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所， 2006.

[3]郝國(guó)莉. 聲反饋嘯叫抑制算法的研究[D]. 南京大學(xué)， 2012.

[4]高衛(wèi)東. 基于SHARC DSP的聲反饋抑制算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2015.