（信息与通信工程专业论文）基于tms320vc5502的数字声反馈抑制器的设计.pdf

摘要 摘要 在当今各种扩声系统中，都普遍存在声反馈现象。由它引起的啸叫不仅限制 了系统扩声增益的提高，严重时甚至使系统无法正常工作。传统的抑制声反馈的 方法，包括改善房间声学环境、在扩声系统中串联均衡器等。这些方法不仅操作 不方便，扩声增益提高较少，而且对音质损伤较大。 近年来，随着数字信号处理技术的迅速发展，出现了新一代的数字声反馈抑 制器。数字声反馈抑制器克服了传统声反馈抑制器的缺点，具有操作简单、扩声 增益提高大和声音失真小等优点。目前，市面上的声反馈抑制器，大多是国外公 司的产品，价格都相对较为昂贵，因此开发具有自主知识产权的声反馈抑制器有 很强的市场应用前景。 基于上述背景，我们设计了一种数字声反馈抑制系统。该系统主要应用于一 般的会议室、多媒体教室、会场等普通场合。本文主要包括三部分：第一部分为 系统算法及实现；第二部分为系统硬件及初始化；第三部分为系统软件及优化。 数字声反馈抑制器采用两种算法：移频算法和自动声反馈抑制算法。对于移 频算法，采用h i l b e nf i r 滤波器来实现移频。对于自动声反馈抑制算法，采用传 统的f f t 算法结合能细分频谱的c h i 印- z 变换( c z t ) 算法对频谱进行检测，并利 用声反馈信号的相关特征，设立判定条件；同时，设计了一种可用于实时设计i i r 陷波器的算法，为了满足陷波器陷波深度的要求，采用对零点偏移的方法来设计 i i r 陷波器；最后，为了能够在定点d s p 上实现i 取陷波器，对陷波器进行了合理 定标以避免产生溢出。 系统的硬件平台采用1 1 公司的1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 为核心，完成算法的执行和系 统的控制；a ，d 和d ，a 完成对语音信号的采集和传输。该平台可作为声音信号数 字处理的通用硬件平台。 系统的软件设计主要包括系统处理时序和具体的算法流程。系统的软件优化 主要包括代码优化和存储器空间的优化，对于后者的优化，主要采用系统的i - c a c b e 来实现。 关键词：声反馈，移频，h i l b e r t 变换，c h i r p z 变换，i i r 陷波器 a b s t r a c t a b s t r a c t a l l s t i c 触a c ke ) 【 s t s 妊a 1 1k i n d so f p u b 】i ca d d r e s s i n gs y s l e m sg 锄e r a 】y h o w l i n 吕w h i c hr e s u l t sf h nt h ef b c d b a c l 【，n o to n l yr e s 订a i n st l l eg a i ni n c r c a s i i l g ，b u t m a l ( 髂t h ep u b l i ca d d r e s s i n gs ) 哑锄se v c 蛐o tw o r kw h e l lf b e d b a c kg o e ss 嘶o l l s t t a d i t i o n a lm e t l l o d so f f c c d b a c k 跚p p r e s s i o nm a i m yi n c l u d ei m p r o v i n gr o o m s a c o u s t i c p r o p e i t yo rc 嬲c a d i n ge q u a l i z e r si 1 1 曲ep u b l i ca d d r e s s i n gs y s t 锄，c t c n e v e n l l c l e 鼢， 1 1 1 e s em e a 船a r ei n c o n v e i i i c i l tt o 叩e m t c ，a 1 1 l a l l c ct l l es y s t c mg a i nal i t t l ea i l dd a m a g e m e6 d c l 时o f a c o u s t i cs i 黟a 1 r 吼t l y ，w i t l lg 他a td e 、翻o p m e n t so f d i 昏t a ls i 弘a lp c c s s i n gt e 幽o l o g y ，an e w s 0 1 u t i o na p p e a r 8 ：d i 舀诅la c o u s t i cf b c d b a c ks u p p r e s s o r no v e r c o m e ss h o r t c o m i n g so f 仃a d i t i o n a lm e a m ，s i 髂t 0 叩盯a t e 觚di m p r o v e st l l eg a i np r o m i n e i l n ya 1 1 dd o e sl i t t l e h 姗t oa c o u s t i cs i 印a l s h o w e v m o s to f m ef b e d b a c ks u p p r c s s o r si nd o m e s t i c m a r k e ta r ei n l p o n e d 矗o mo v e r s e aa n da r ee 】【p e n s i v e s oi f w ed e v d o p sa c o u s t i c f 如曲a c ks 1 1 p p 骺s s o rw i t ho w ni n t e l l e c t l l a lp r o p e r i t 慨l lb e 鲫t c o m p e t i t i 、，e a d v a n t a g e a sb a s e do nt h ea b o v eb a c k g r o u n d ，w ed 鹤i g nt h es y s t 锄o fd i 百t a la c o u s t i c f b e d b a c ks u p p r e s s o r t h i sp a p e rc o n s i s t sm a i n l yo f t l l r e ep a r t s ：1 ) a l g o r i t l l i l la n d r e a l i z a t i o n ；2 ) h a r d w a r ca 1 1 di n j t j a l i z a t i o n ；3 ) s o f h a r ca l l do p t i m i z a t i o n t h es y s t e mi n d u d 韶细oa l g o r j t l l l i l s ：丘e q u c n c ys h 溃a l g 嘶t h ma n da u t o m a t i c a c o u s t i cf b c d b a c ks i 】拼h s s i o na 1 9 0 r i t h m f r e q u 锄c ys l l i ra l g o “m m ，w h i c hi s i m p l 锄e n t e db yu s i n gh i l b e nf i rf i l t 瓯f o ra u t o m a t i ca a 删i cf e e d b a c ks 1 1 卵幅s s i o n a 1 9 0 r i t h m ，c o m b i r i i n gf f ra l g o r i 恤n w i t hc h i r p zt f a n s f b n i lt od e f e c tf e e d b a c ka i l ds e t u pt l l e j u d g i n gc o n d i t i o 珊b a s e do nt l l ef e e d b a c kc h 黝c t c r i s t i c s ；d 鹤i 印i n gaa 1 9 0 一t h m w h i c hi ss u i t a b l ef o rr c a l t i i i l ed e s i 鲥n gi i rn o t c hf i l t c ro nd s p ；i na d d i t i o n ，i tn e e d s r e s c a l i n gt op r “e n to v 硼o wf o ri m p l 啪t i n gi i rn o t c ho nt l l ef i x - p o i n td 8 p n eh 枷w 辩p 】a t 南蛐妯弱e do n 嘲s 3 2 0 v c 5 5 0 2 a 国a n dd ，ai m p l 锄e n t s 锄p l i n ga n d 仃a i l s m i t t i n go f m ea c o u s t i cs i 印a i 1 1 1 i sp l a t f o 咖c a nu s ea st h eg 铋e r a l h a r d w a r cp l a t f o m lo f s o u n ds i g n a ld i 百t a lp m c 船s i n g t h es o n w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h et i m i n gs e q u e n c eo f s y s t e mp r o c e s s i n ga n d i l a b s t r a ( 汀 t 1 1 en o wo fs p e c i f i ca 1 9 0 m 1 1 i n t h e 叩t i m i z a t i o n 埘m a r yi n v o l v c sc o d e 叩t i m i z a t i 伽姐d m e r n o r y 叩“m i z a t i o n ，t h e1 a t t e ri si m p 】锄e n t e db y t h ei - c a c h eo f s y s t 鲫 k e y w o r d s ：a c o u s t i c 凫e d b a c k ，f r e q u e n c ys h i 最，h i i b c r tt r a n s f 0 肋， c h i r p zt m n s f b n 】1 ，l i rn o t c hf i l t e r i i i 图目录 图目录 图1 1 声反馈原理图1 图2 1 产生声反馈信号的实验系统图4 图2 2 建立过程中的声反馈信号时域图5 图2 3 建立过程中的声反馈信号频谱图5 图2 - 4 建立一段时间后的声反馈信号时域图6 图2 5 建立一段时间后的声反馈信号频谱图6 图2 6 带数字声反馈抑制器的扩声系统图7 图3 1 单边带调制滤波法原理图9 图3 2 移频算法实现流程图1 l 图3 3h i l b e nf 取滤波器的幅度响应图1 3 图3 4h i i b e r t 时域变换前和交换后的频谱示意图13 图3 5h i l b e r t 频域变换流程图1 4 图3 6h i l b c n 频域变换前和变换后的频谱示意图1 5 图3 7 基于h j 】b c f t 时域变换的移频算法实现流程图15 图3 8h i l b 酿时域变换移频前后频谱示意图1 6 图3 9h i l b e n 频域变换移频前后频谱示意图1 6 图3 1 0 基于背景噪声动态计算门限示意图2 0 图3 1 1 传统陷波器波形图2 5 图3 1 2 双线性变换法映射的陷波器波形图2 7 图3 1 3i i r 陷波器的零极点图和波形图2 8 图3 1 4 零点偏移后的i i r 陷波器的零极点图和波形图2 9 图3 1 5i 偎陷波器组波形图2 9 图3 1 6i 瓜二阶滤波器的转置结构3 0 图4 1 通用声音信号数字处理平台3 3 图4 2 系统硬件框图3 4 图4 3d s p 时钟硬件接口图3 5 图4 4 音频信号的采集和传输框图3 6 图4 5n “s 3 2 0 v c 5 5 0 2 和聊3 2 0 a i c 2 3 的连接示意图3 6 v i 图目录 图4 6t 【，v 3 2o _ a l c 2 3 控制接口2 线方式时序图3 7 图4 7t l v 3 2 0 a l c 2 3 数字音频接口的d s p 模式时序图3 8 图4 - 8 本系统1 2 c 连接设备示意图3 9 图4 91 2 c 模块内部结构示意图4 0 图4 1 01 2 c 初始化t l ，v 3 2 0 a i c 2 3 程序流程图4 2 图4 1 1m c b s p 的结构框图4 3 图4 1 2d m a 控制器的系统框图“ 图禾1 3e m i f 与i s 6 l 【，v 2 5 6 1 6 a l 的连接图4 6 图4 1 41 m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 和a 1 r 2 4 c 0 1 的连接图 图4 - 1 51 2 ce e p r o mb o o n o a d e r 连接示意图 图5 1 系统时序图 4 7 4 9 5 2 图5 2 主程序流程图5 3 图5 3 移频算法流程图 5 4 图5 4 声反馈检判算法流程图5 5 图5 5d m a 通道0 中断服务子程序流程图5 7 图5 61 m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 内部i c a c h e 结构框图5 9 图6 1 系统测试环境示意图6 2 v l l 表目录 表目录 表3 1 部分陷波器定标常量的估算结果3 2 表4 1 1 2 c 数据传输模式表4 1 表4 21 m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 启动模式选择表4 8 表4 3 本系统b o o t l o a d e r 命令文件表4 9 表5 1c z t 算法在不同存储器空间运行时间测试结果5 9 表5 - 25 1 2 点复数f f t 验证结果，6 0 表5 3 门限设置函数验证结果 6 1 表5 4 声反馈检判函数( 不含c z t 算法) 验证结果6 l 表6 - 1 系统铡试结果6 2 缩略表 加 a d c c c s c p l d c p u c z t d a d a c d a d 蝴 d f t d m a d r a m d s p e e p r o m e m l f f f r f i r g p l 0 h p l 1 2 c i c a c h e i d f r i f 】陌 i i r j t a g l c d 缩略表 a l 】a l o g t od i g i t a l a n a l o gt od i 西t a lc 咖v e n o r c o d cc o m p o s c rs t u d i o c o m p l e xp r o 莎锄m a b l e 功g i cd c v i c c o 叻t r a jp r d c 髂s j n g 删l c h i r p zn 柚s f b 咖 d i 百t a l t oa n a l o g d i 舀t “t 0a 皿a l o gc 0 n v e n o r d u a l a c c e 鹳r a n d 锄a c c e s sm 锄o r y d i s c r c t ef b u f i e r f b 珊 d i r e c tm e m o r ya c c c 鲻 d y n 枷i cr a n d o ma c c e s sm 哪o r y d i g j t a ls j 争a lp r o c e s s o r e l c c t r i c a i l y e r 鹞a b l ep r o g m m m a b l e r e a d0 n l ym c m o r y e x t e m a lm c m o r yi l l t e r f a c c f a s tf 0 u r i e rt m n s f o 珊 f i n n ci i n p u l s er e s p o n s e g e n e r a lp u q ，0 s ei i i p u u t p u t h 0 s t - p o r th t e 响c c i l l t e r - i i l t e g r a t e dc i r c i l j t i n s t n l c t i o n 。( a c h c i n v e t s ed i s c r c t ef o u r i c rt r a n s f o r i n 如v e 瑙ef a s tf b u r i e f ，i a n s f o r m i n f i n i t eh l l p u l s er e s p o n s e j o i n tt 色s ta c t i o ng m u p l i q u i dc r y s t a ld i s p i a y i x 模拟到数字 模拟到数字转换器 代码设计工作室 复杂可编程逻辑器件 中央处理器 c h i r p - z 变换 数字到模拟 数字到模拟转换器 双访问随机存储器 离散傅立叶变换 直接存储器访问 动态随机存储器 数字信号处理器 电可擦可编程只读存储器 外部存储器接口 快速傅立叶变换 有限冲激响应 通用输入输出 主机接口 内部集成总线 指令高速缓存 逆离散傅立叶变换 逆快速傅立叶变换 无限冲激响应 联合测试行动组 液晶显示器 缩略表 m a cm u l t i p l y 枷m u l a t e m c b s pm u n i a l 咖e lb u t f c r e ds e r i a lp o n p l lp h 硒e - h k e dl 0 叩 u 厦r a n d 伽a c c c 豁m 锄0 w r o mr e a do n l ym e m o r y s b s 恶黜篡= 则雠矾枷鲫 s 一麓等裟挈础岫 s p is 丽a lp e 却h e r a li i i t e f f a c c s r a ms t a t i cr a n d o ma c c e s sm 唧o r y 一裟捌? 蛐啪吣喇惯 x 乘累加 多通道缓冲串口 锁相环 随机存储器 只读存储器 同步突发静态随机存储器 同步动态随机存储器 串行外围设备接口 静态随机存储器 通用异步收发器 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书丙使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：o 毋弓左乒夕月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 撇名：卑生 日期：荸习年7 月b 第一章引言 1 1 声反馈概述 第一章引言 在当今各种扩声系统中，都普遍存在声反馈现象。当把扩声系统的音量进行 较大的提升时，扬声器往往伴有啸叫声出现。这里的啸叫是由声反馈引起的。声 反馈的出现限制了系统增益的提升，使扩音的效果大打折扣。声反馈的产生会直 接导致声音出现失真，较严重的声反馈则会引起啸叫，使讲话、表演无法进行。 剧烈的啸叫还可能会使系统中的放大器、扬声器中的高音单元烧毁。此外，在一 些要求特别高的场合下，如重要的会议、重大的演出活动等等更不允许出现声反 馈。所以，声反馈的抑制是扩声系统中一个重要问题。 声反馈的原理并不复杂：声音信号首先由扬声器送出，通过声场折回到麦克 风，再经扩声系统又由扬声器送出，如此反复循环形成正反馈。声音信号被反复 放大后，在某些频率其强度超过一定的增益上限，发生了自激振荡，从而产生啸 叫【1 】【2 】。产生声反馈的原理如图1 1 所示。 图1 1 声反馈原理图 有几个因素可以导致声反馈的出现：第一，扬声器和麦克风处于同一声场，扬 电子科技大学硕十学位论文 声器输出的声音信号能通过空间声场反馈到麦克风的输入端；第二，系统有较大 的扩声增益；第三，系统频谱特性不平坦，部分频点上强度远大于其它频点，形 成尖峰，这些尖峰可能是由于房间的声场结构设计不合理造成的，也可能是由麦 克风、扬声器或功放等的自身特性所产生的。如果系统频谱在某些频点有尖峰， 在这些频率处易产生共振，也就容易产生声反馈。 1 2 声反馈抑制的方法和现状 综上所述，声反馈是由于某些声音频率上的正反馈所引起的。因此，如果打 破其正反馈环路，破坏其自激振荡的条件，也就消除了声反馈。 由引起声反馈的第一个条件可知，将扬声器和麦克风置于不同的声场，隔断 正反馈环路，可以消除声反馈现象。但是，在绝大多数扩声系统中，两者是处于 同一声场的。因此，只能布置和使用扩声系统时注意：不将麦克风拾音入射角度 与扬声器辐射角度接近，以减少直接拾取重放声；不将麦克风过于靠近扬声器， 以减少麦克风间接拾取重放声。 其次，将整个系统的扩声临界控制在较小的范围内，可以在一定程度上避免 声反馈。在声学上，有一项很重要的指标，即“安全增益”，它是指扩声系统应 在产生声反馈自激临界点下一6 d b 工作，即系统的安全增益至少为6 d b ，这是一个 系统稳定工作的最低标准。实际工程中，声反馈是经常产生的。不管扩声设备有 多少裕量，只要达到这个反馈临界值，音量就不能往上提，这时的系统增益就是 人们所说的反馈前系统增益，也叫系统临界增益。人们提出各种办法和措施，其 目的就是为了提高系统l 临界增益。因此，降低系统临界增益来消除声反馈显然不 是一个好办法。 因此，我们只能通过改善扩声系统传输函数，消除或降低系统函数中的峰值 来抑制声反馈。声场的传递函数与房间的物理结构和建筑材料、麦克风和扬声器 的自身特性及摆放位置等因素有关。我们可以通过科学的建筑声学设计，合理的 布置扬声器和麦克风的位置等措施，来避免声反馈的产生。但是，合理的建筑声 学设计必须在建筑物设计时就要考虑，麦克风、扬声器和功放等设备的频谱特性 也在设备出厂时就确定了，不能由使用者来调节。麦克风和扬声器的合理摆放虽 然可以在一定程度上抑制声反馈，不过这种方法只能被动的抑制声反馈，对于传 声增益的提高效果非常微小。 于是，人们采取了主动的方法来抑制声反馈。主要有下面几种方法： 2 第一章引言 第一种是均衡器。均衡器是由人工调节来抑制声反馈，需要专业的音响师来 操作，它的缺点是滤波器带宽太宽，对音质的损伤较大。 第二种方法是移频器。移频器的原理就是将声音信号所有的频率进行搬移以 防止声反馈。这是一种相对简单但是效果良好的方法。 第三种方法，也是最新的方法，是采用自动声反馈抑制器。它采用数字音频 技术，自动搜索声反馈频点，并设置相应的窄带陷波器将其抑制。其优点是操作 方便，频率定位精度高，陷波器带宽窄，可以在抑制声反馈的同时尽可能的保证 音质，适合于对音质要求较高的场所。 市场上已经有几种声反馈抑制器，多是国外厂家的产品，如美国s a b i 鹏公司 的f b x 一1 0 2 0 、f b x 2 0 2 0 、德国b e 晡n g e r 公司的d s p l l 2 4 p 、日本s o n y 的 s r b f r 3 0 0 。国内迪声公司的d s p 3 1 2 4 ，其产品性能指标与b e n g e f 公司的 d s p l l 2 4 p 相近。总的来说，价格都比较昂贵，因此开发此项目具有很强的市场前 景。 1 3 论文的研究内容和安排 本项目的目的是设计一种适用于一般会议室，多媒体教室声场环境的声反馈 抑制器。为此，我们首先设计了相对简单的移频器，然后参考了s a b i n e 公司开发 的自动声反馈抑制器f b x 1 0 2 0 的主要性能指标，并以此进行方案论证和算法分析， 设计了自动声反馈抑制器。最后将两种声反馈抑制器( 即两种声反馈抑制算法) 集成在一个硬件平台上。 本人在该项目中的主要工作是专用硬件平台的设计及调试、底层驱动程序的 编写、部分算法分析和仿真以及部分d s p 软件实现和优化。 本文的主要内容安排如下： 第一章介绍声反馈现象的产生原理和抑制方法； 第二章介绍本系统的工作原理； 第三章介绍本系统算法及实现； 第四章介绍本系统硬件及初始化； 第五章介绍本系统软件及优化； 第六章介绍测试结果； 第七章总结，并提出了增强系统性能的进一步改进思路。 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字声反馈抑制器的原理 2 1 声反馈信号的特征 从第一章的介绍中已经知道，声反馈现象是由于扩声系统在具有较高的扩声 增益时，扬声器输出的声音信号经声场折回到麦克风，再由扩声系统经扬声器发 送出去，由此形成一个正反馈，信号被反复放大后发生自激振荡，从而产生刺耳 的啸叫。 要对声反馈进行抑制，必须首先提取声反馈的特征。因此，我们设计了一个 如图2 1 所示的实验系统。在声反馈建立过程中，通过观察连接麦克风的数字示波 器，获取了声反馈信号的主要特征。 图2 1 产生声反馈信号的实验系统图 图2 2 为其中一次实验中截获的声反馈建立过程中的时域波形，图2 3 为其对 应的频谱图。 4 第二章数字声反馈抑制器的原理 图2 2 建立过程中的声反馈信号时域图 图2 3 建立过程中的声反馈信号频谱图 通过上面两幅截图，可以发现声反馈信号在建立过程中幅度迅速增大，而其 频率则保持不变可以这样解释：声反馈在建立期间，其信号幅度会通过正反馈 急剧变大；而从图2 3 上可以看到，除去直流分量、工频干扰等毛刺，声反馈信号 在频谱图上只有一个单频信号( 图中波形里的毛刺可以认为是语音和背景噪声) 。 图2 - 4 为声反馈建立一段时间后的时域波形，图2 5 为其对应的频谱图。 电子科技大学硕+ 学位论文 图2 - 4 建立一段时间后的声反馈信号时域图 图2 - 5 建立一段时间后的声反馈信号频谱图 从上面两图中，可以发现当声反馈建立一段时阋以后，其幅度不再增加，出 现的了限幅现象，其频域则出现了很多的谐波成分。这是因为，当信号幅度增大 到超出了功放的线形放大区，进入饱和区和截止区以后，就会产生削波现象，从 而导致丰富的谐波分量出现。实验表明，声反馈信号从建立初期到最后出现削波 现象，平均时间大约需要3 到5 秒，等到此时再对其进行抑制的话，则失去了抑 制的意义。因此，需要在声反馈建立的前期对其进行抑制。 2 2 数字声反馈抑制器简介 6 第二章数字声反馈抑制器的原理 在传统扩声系统中，为了抑制声反馈，常在功放前级联一个均衡器。同时， 均衡器也可以用来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源。但是，使用 均衡器来抑制声反馈有两个明显的缺点：一是均衡器的可调频点是固定不变的， 实际操作过程完全出入工依靠经验来判断声反馈信号大概所处的频段；二是其陷 波器的带宽较宽，对声音的损伤很大。 随着数字信号处理及微电子技术的飞速发展，出现了新的声反馈抑制技术一 数字声反馈抑制技术。图2 6 是带有数字声反馈抑制器的扩声系统框图。数字声 反馈抑制主要包括数字移频器和自动声反馈抑制器。 图2 6 带数字声反馈抑制器的扩声系统图 数字移频器的原理是对声音信号的所有频率同时升高或降低矽，4 ，称为移频 数。自m r 施罗德提出用移频的方法来解决声反馈后，国内外市场便相继出现了各 种专业移频器。而数字移频器利用数字技术来实现移频，体积和功耗都较小，可 靠性强，效果良好，现已被应用于各类扩声系统中。 自动声反馈抑制器则是近年来抑制声反馈的最新技术，其工作原理大致如下： 首先对输入音频信号进行检测和判定，如果没有声反馈，音频信号就直接通过； 如果出现了声反馈，就设置窄带陷波器来将其抑制。自动声反馈抑制器具有操作 简单、抑制迅速、音质损伤低等优点。但由于其技术相对复杂，自动声反馈抑制 器市场基本上都被国外公司，如美国的s a b i n e 、德国的b e h r i n g e r 、日本的 s 0 n y 等公司垄断，价格居高不下。因此，研制最新的自动声反馈抑制器具有很 强的市场价值。 7 电子科技大学硕士学位论文 而本论文所设计的数字声反馈抑制器具有自己的特色，它将数字移频功能和 自动声反馈抑制功能集成在统一的d s p 平台下面，实现了多方位的声反馈抑制。 2 3 本系统的基本- 胜能指标 数字移频器的主要特点： 能改善声音信号的频谱特性； 操作简单方便； 信号损伤小； 能提高系统扩声增益。 数字移频器的性能指标如下： 处理字长：1 6 b i t 声音信号频率范围：1 0 0 h z 1 2 k h z 移频器移频器范围：l 到9 h z 自动声反馈抑制器的主要特点： 自动检测与判定声反馈； 能迅速抑制啸叫； 信号保真度高； 尽可能多的提高系统扩声增益。 自动声反馈抑制器的性能指标如下： 处理字长：1 6 b i t 单通道，9 个数字陷波器 陷波滤波器频率范围：1 0 0 h z 1 5 k h z 陷波滤波器带宽：1 l o 或1 5 倍频程 陷波滤波器深度：1 0 d b 频率定位精度：l h z 响应时间：l s 左 第三章系统算法及实现 第三章系统算法及实现 本系统算法主要包括移频算法和自动声反馈抑制算法。以下分别介绍这两种 算法。由于本系统的应用场合定位于一般的会议室、多媒体教室、会场等普通场 合，因此将系统的信号采样率设定为f s = 4 8 k h z 。同时，为方便在d s p 中实现， 每帧样点数设置为n = 1 0 2 4 ，帧长为2 1 m s 。 3 1 移频算法 3 1 1 算法介绍 声音信号的频移主要是将声音信号的所有频率同时往上或往下搬移定的频 率。对于声反馈来说，移频器可将原来扬声器输出的声反馈信号经过一定的频率 搬移后再经扬声器输出，二者在反馈频点上能错开一定的频率，因此它能有效的 降低声反馈的发生。 声音信号的移频算法可以采用将声音信号单边带调制的方法来实现。在单边 带调制中，最简单常用的方法是滤波法f 3 】。它就是将声音信号在时域乘以一个频率 固定的正弦载波信号得到双边带信号，然后将双边带信号通过一个理想的单边带 滤波器来实现的。单边带调制滤波法的原理图如图3 1 所示； 载波c o s 月 图3 1 单边带调制滤波法原理图 图中f 疗】为双边带信号，日。( ) 为单边带滤波器的传递函数。 由于原始声音信号的频谱是关于中心原点对称分布的，因此在图3 1 所示的滤 波法中，双边带信号的频谱是以正弦载波频率为中心的两边成对称分布。又因声 音信号自身的频谱范围比较大，而为了保证声音信号经移频后的失真度较小，通 常正弦信号的频率只有几赫兹，因此这将会造成声音信号频谱的重叠。因此，在 9 电子科技大学硕七学位论文 本系统中，没有采用常用的滤波法，我们采用的是用h i l b e r t 移相的方法来实现单 边带调制，从而实现声音信号的移频。 3 1 2h i l b e r t 变换 h i l b e r t 变换卅冲激响应为： f o月为偶数 研月】- 三行为奇数 ( 3 1 ) l 万玎 其传输函数为： 咐卜j s 酣、= ：= 纛 。- 2 ) 其中，s 印( 扩) = ! - l：三乏。由公式( 3 _ 2 ) 可知，h i l b e r t 变换实质上是一个 移相器，对o 缈 石有一个一9 0 度的相移，对一石 o 有+ 9 0 度的相移。 设时域信号以 】，其解析信号研以】为： 研，l 】= 1 ”】+ 1 疗】 ( 3 3 ) 其中，众珂】是九n 】的h i l b e r t 变换。研，l 】的傅氏变换为： 妒p 加) = ，p 扣) + 矿( e 扣)( 3 _ 4 ) 其中，o 归) 与户( e 归) 分别是九弹】与氕，l 】的傅氏变换。将公式( 3 - 2 ) 代入公式( 3 4 ) ， 可以得到： 妒( ) = ，( ) + 矿( ) = ，0 归) + s g n ( p p ) ，0 归) ( 3 5 ) = 2 f ( e 归) 【，( 8 扣) 1 1 o 珊 ，r 其中，( g p ) 2 1 0 啊 国 o 。 由公式( 3 5 ) 可知，时域解析信号只有正半轴的频谱，其频谱在负半轴为零值， 即信号在时域为解析信号，则在频域为因果信号。利用解析信号的此性质可以实 现单边带调制，从而实现声音信号的移频算法。 l o 第三章系统算法及实现 3 1 3 移频算法实现 设研刀】为原始信号，新疗】为n 】h i l b e n 变换后的信号。则可得解析信号： s 【，l 】= 缸h 】+ 虹n 】( 3 6 ) 设正弦载波的频率( 即移频的频率) 为，则5 【一】复调制后的信号z 【厅】为： z 【捍】= n 】m = ( 缸”】+ 旃n ) 鼍8 n + ，西n 嘞 )( 3 7 ) = ( 缸行】c o s 万一研n 】s i n 捍) + 、。 ，( n 】s i n 以+ 冠，l 】c o s 崩) 取2 以】的实部，可得上边带信号： y 【n 】_ 可以】c o s ，z 一曼f n 】s i n 玎 ( 3 - 8 ) 则y 【n 】为单边带调制后的信号，也即移频后的信号。图3 2 为移频算法实现流程图。 r e z 【 ) 图3 - 2 移频算法实现流程幽 综上可知，实现移频算法有两个关键点：一是h i l b e n 变换的实现，二是移频 正弦信号的产生。 3 1 4h i l b e r t 变换实现 h i l b e n 变换既可以在时域实现，也可以在频域实现5 1 。本文对二者都做了仿真 分析。 3 1 4 1h i l b e n 变换的时域实现 设珂，1 为原始信号， 【n 】为h i l b c n 冲激响应，爿h 】为艇”】h i l b e n 变换后的信 号。则可知在时域上碰豇】为疗】与脚露】的卷积： 电子科技大学硕士学位论文 研行】- 矗( j 弦。一 ( 3 9 ) 。q 理想h 订b c n 变换是定义在o o 月 a o 上的双边无限长度冲激响应，在物理上 是不可实现的。通常将冲激响应序列截断为有限长度来实现的，其在时域一般采 用f i r 滤波器来实现。 由公式( 3 1 ) 可知，h i l b e n 变换冲激响应具有反对称性，因此可由3 型或4 型 f i r 滤波器来实现。3 型f i r 型滤波器阶数为偶数，在o h z 和1 2 采样率频率上幅 度都为o 。而4 型f m 滤波器阶数为奇数，仅在o h z 时幅度为o 。在实际的应用中， 由于感兴趣的信号都在一个有限的频带内，因此h i l b e n 变换可以设计成为具有如 下的通带振幅响应； 缈) l - 骺 ：刿锄 ( 3 1 0 ) 其它 、 由于移频算法要求的声音信号通带范围为1 0 0 h z 到1 2 0 0 0 h z ，因此，3 型f 玻 滤波器能满足通带要求。同时，p 阶的f m 滤波器通常有p 2 点的延迟，所以，3 型滤波器的延迟为整数点，而4 型滤波器的延迟为非整数点，这样会使延时的匹 配复杂化。综上原因，我们选择3 型滤波器。 在本系统中，我们采用m a t i a b 中的f d a l o l 工具来设计h i i b c i tf i r 滤波器。 f i ) a t o o l 工具是m a t l 曲中的可视化滤波器设计和分析工具，它整合了滤波器设 计工具箱和信号处理工具箱，能使设计简单方便。为了使通带范围内的波纹尽量 平滑，我们设计的f m 滤波器阶数为4 0 0 阶。其它设计参数为：采样频率为4 8 k h z ， 采用最小均方误差设计，通带范围为1 0 0 h z 到1 2 0 0 0 h z 。图3 3 显示的是h i l b e n f i r 滤波器的幅度响应。 1 2 第三章系统算法及实现 图3 3h i l b e f t 胍滤波器的幅度响应图 为了检验h i i b c n 时域变换的效果，我们对一段原始正弦信号和经过h i l b e n 时 域变换后的解析信号进行了仿真。图3 4 ( a ) ( b ) 分别所示的是经h i l b e n 时域变换前 的正弦信号和变换后的解析信号的频谱示意图，其中，正弦信号的频率为2 0 0 0 h z ， 采样频率为4 8 k h z ，处理的数据为n = 1 0 2 4 点。 ( a )( b ) 图3 - 4h i l b 叭时域变换前和变换后的频谱示意图 在m a t l a b 仿真中，计算信号频谱用的是f f t 算法，其计算的频谱在 ( 2 ) + 1 k 一1 点对应的是信号的负频谱部分。因而在图3 4 ( a ) 中，正弦信号 右边的频谱分量是负频谱，它和正频谱关于中心零点成对称分布；而在图3 4 ( b ) 中可以看到，在解析信号的负频谱部分，原来的正弦信号的负频谱基本消失。因 此，h i i b 瞰时域变换可以满足要求。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 4 2h i l b e n 变换的频域实现 设m ，1 为原始信号，新珂】为缸蚪】经h i l b e n 变换后的信号，h i l b 叭变换频域计 算的原理如下： 第一步，计算实信号序列可以】的频谱x ( 七 ； 第二步，将研幻在( 2 ) + 1 k s 一l 负频域内的样点置为o ，仅保留单边正 频域范围的频谱； 第三步，将第二步获得的频谱乘以2 ，主要是补偿缺少负频率成分所造成的 l 2 幅度损失； 第四步，用f f t 算法求得的频谱，其直流分量( 后= o 点) 应保持不变；同时 为了第五步得到的解析信号的实部和虚部满足正交性f 6 】，可将奈奎斯特频谱分量 ( 七= 2 点) 也保持不变，因此将第三步获得的频谱在七= _ 0 和后= 2 点处除以 2 ： 第五步，对第四步获得的频谱求逆傅立叶变换，可到时域解析信号越疗】。 第六步，对解析信号玎疗】取虚部得到h i l b e r t 变换后的信号互( 矗】。 结合上面所述的h i l b e n 频域变换的原理，在具体实现时，我们可以采用如下 计算过程： 第一步，用f f t 法计算行】的n 点d f t ，得到序列x 【叼； 第二步，构造长度为n 点的序列吃， fln = o 或( 2 ) 见= 2 以= 1 ，2 ，( 2 ) 一1 i o 栉= ( 2 ) + 1 ，一1 第三步，将序列x 【明和相乘，得到新的序列互； 第四步，用i f f t 法求z 的n 点i d f t ，得到序列硝n 】。 第五步，取缸乔】的虚部，得到斑露】。 图3 5 是h i l b e n 频域变换流程图。 丸序列 图3 5h i i b e n 频域变换流程图 1 4 】- i l l l 伫m ) 第三章系统算法及实现 同样为了检验h i l b e f t 频域变换的效果，也分别仿真了一段正弦信号和经过 h i l b e r t 频域变换后的解析信号的频谱。图3 6 ( a ) ( b ) 分别所示的经h i l b 硼频域变换 前的正弦信号和变换后的解析信号的频谱示意图，其中，正弦信号的频率为 2 0 0 0 h z ，采样频率为4 8 k h z ，处理的数据为n = 1 0 2 4 点。 ( a )( b ) 图3 6h i l b 酿频域变换前和变换后的频谱示意图 从图3 6 可以看到，正弦信号经h i l b e r t 频域变换后的解析信号在其负频域部 分的频谱完全消失。因此，从仿真的结果看，h i l b e r t 频域变换也可以满足要求。 3 1 4 ，3 两种变换实现移频算法的比较 前面的两小节分别对