带啸叫检测与抑制的音频功率放大器技术报告.doc
贺小艳
摘 要：在音频系统中，普遍存在啸叫的可能，对用户造成极大的困扰。本研究通过采用硬件模拟移相器以及中心频率可控陷波器，提出一种抗啸叫设计，测试表明，启动啸叫抑制电路后，能够有效实现啸叫抑制的功能。
关键词：音频系统；啸叫抑制；电路设计
声反馈是出现在剧院、多媒体教室、会议室等公共音频系统中的常见问题，它经常使音频扩声系统的性能发生显著衰退，极端情况下会使得系统变得不稳定，发生啸叫，总影响着音频的质量。为保障音频系统的使用性能，抑制系统中的啸叫问题，已然成为一个需要重点关注的问题。下面，本研究进行一种啸叫抑制技术的研究，并将其设计技术进行总结介绍。
1.主要硬件电路设计
系统以PIC 单片机为主控制器，通过程控功率放大电路和啸叫检测与抑制电路实现带啸叫抑制的音频功率放大系统。硬件电路主要包括主控制器、拾音、程控增益控制、滤波、啸叫检测、啸叫抑制、显示模块以及电源模块。具体系统框图如图1 所示。
1.1 有效值检测电路
设计中采用AD637 进行真有效值采样，AD637 具有转换精度高，宽带宽的优点，可以精准计算转换复杂交流信号的有效值电压，最小输入信号可以达到5mV，输出信号误差小，纹波低于±1%，3dB 带宽为8MHz，符合声音传播的带宽保证了测量精度。
1.2 啸叫抑制模块
扩音系统产生啸叫的主要原因是自激振荡，即喇叭输出的声音反馈到麦克风进行了叠加，啸叫产生的条件需满足以下三点：
（1）话筒与音箱同时使用；
（2）音响系统与话筒处于同一声音可以传播的空间；
（3）话筒拾音效果较好，音响的音量不低。
分析其产生的原因提出对应的解决方法为：①相位：根据正反馈的条件，相位必须与输入声音相同；②振幅：正反馈的条件为，反馈系数大于1。
根据其产生原因， 设计移相器以及陷波器两种方式进行抑制，即破坏相位条件和振幅条件，达到抑制啸叫的目的。移相器在声音采集之后移相，实际测得移相140°抑制效果最好，加上后级陷波，达到更好的啸叫抑制效果。系统设计中采用了可变电阻， 在实际使用之前通过调节滑动变阻器来达到最合适的抑制效果。
陷波器设计采用高性能开关电容滤波器LMF100 集成芯片。LMF100 内置两个双开关电容滤波器，按照不同模式的硬件连接方式配置为低通、带通、高通，以及带阻四种滤波器。中心频率可以由设计的外围电路与外接时钟信号源控制。陷波器和时钟频率呈线性关系， 只需要控制PWM 波的频率就能间接控制陷波器中心频率，陷波器的品质因数Q 直接体现陷波器的带宽大小，品质因数越大陷波器带宽越小，陷波器的品质因数完全由外围电路决定。
1.3 程控增益模块
程控增益采用VCA810 集成芯片，VCA810 集成芯片采用直流耦合，高宽带，并且为连续可变电压控制的增益放大器。增益为±40dB，输入电压控制为-2V～0V，因此加入前端反相器模块，供单片机DA 转换输出电压控制放大倍数，控制精度与单片机DA 转换的电压精度有关。
2.软件检测设计
自然声音信号是一个频率幅度不断变化的信号， 而啸叫信号是频率固定，幅度较大的信号，所以可以通过测频对比法再结合后端功率的检测，判断是否产生了啸叫，频率检测直接使用单片机进行记数测频。
设计通过PIC 单片机的CCP 模块产生PWM 波进而控制陷波器的中心频率，当检测判断检测到的频率为啸叫频率点时，CCP模块产生相应的频率，关系为100*fo，即PWM 波频率为检测到的啸叫频率的100 倍，最大音频输入频率为10kHz，即最大需要产生1MHz 的PWM 波 。控制频率和占空比分别为两个寄存器，公式如下：
PWM 周期=[（PR2）+1]*4*Tosc*（TMR2 预分频值）
PWM占空比=（CCPR1L：CCP1CON<5：4>）·Tosc·（TMR2 预分频比值）
其中，Tosc 为机器周期，即晶振周期。周期与占空比和寄存器数值的关系。
每次改变输出频率不仅需要改变PWM 占空比的值， 还需要改变PWM 占空比的数值，使得占空比为50%。
每次检测到的啸叫频率乘以100， 代码中换算成PWM 周期数值，改变PR2 的值，达到改变输出PWM 频率的目的，PWM占空比同理。在程序运行最初，未产生啸叫时，设定一个较大的初值频率，该频率大于1MHz。
3.啸叫检测与抑制的数据测量
啸叫信号的检测比较容易受到各种因素的影响， 喇叭的朝向、麥克风的朝向、麦克风和喇叭的距离、输入声音大小等。检测时，首先不启动啸叫抑制模块，从小到大调节功率放大模块的输出功率，当产生啸叫时记录此时的频率以及显示的功率。再启动啸叫抑制模块，从小到大调节输出功率，检测产生啸叫时的功率以及此时的频率，最后对比距离一定时，启动啸叫抑制前后的音频啸叫抑制情况，如表1、表2 所示。
4.结束语
总之，声反馈控制是扩声系统中的一个重要课题，其抗啸叫抑制与音频系统使用感知密切相关。实际测试表明，启动本啸叫抑制电路后，能够对信号实时处理，啸叫抑制效果较好，并且音量和声音的保真效果也相对提升，能获得良好的声音质量。
参考文献：
[1]陈丹艳. 自适应啸叫抑制算法的研究与DSP实现[D]. 电子科技大学， 2014.
[2]李波. 自适应滤波器在反馈啸叫抑制中的应用研究[D]. 中国科学院声学研究所， 2006.
[3]郝国莉. 声反馈啸叫抑制算法的研究[D]. 南京大学， 2012.
[4]高卫东. 基于SHARC DSP的声反馈抑制算法设计和实现[D]. 哈尔滨工业大学， 2015.
