具有嘯叫檢測與抑制的音頻功率放大系統

李演明，楊曉冰，張 豪，邱彥章，文常保

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064）

0 引 言

輕微的嘯叫［1－4］限制了整個擴音系統的增益，嚴重的嘯叫可能導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中有效抑制嘯叫發生，是擴音設備領域的一個重要問題［7－9］。國內市場上出現的具有嘯叫抑制功能的音響設備大多是采用模擬處理方式，智能化程度低，使用中需要專業人員進行調節且調節過程較麻煩［10－12］。

為了解決音頻放大系統中存在的嘯叫問題，本文采用了數字移頻的方法來實現音頻功放系統的嘯叫抑制，該算法選擇基于DSP 芯片TMS320C5509來實現。音頻功放采用了高效率的D 類功放芯片TPA3112D1。所設計的音頻功放系統還具有最大功率設置和自動增益調節功能，以保證在不失真的前提下最大化利用輸出功率。此外，系統設計上還增加了基于AT89C51單片機的嘯叫頻率檢測和輸出功率測量功能，這些配置進一步增加了系統的智能性。

1 嘯叫抑制原理分析與設計

嘯叫又稱聲反饋，其產生原理是揚聲器輸出的音頻信號被麥克風重復采集后，形成正反饋回路，使某些頻率上的信號發生自激振蕩，從而產生嘯叫。為了抑制嘯叫現象，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，破壞產生自激振蕩的條件，來抑制嘯叫的產生，且對原輸入信號影響很小。移頻算法有單邊帶調制法和基本頻帶偏移方法。本文采用單邊帶調制方法實現移頻。

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 采樣轉換為數字信號x（t），經過移頻模塊將信號頻率平移一個小的頻率量后輸出y（t），移頻后的數字信號需要再次經過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，它主要由數字振蕩器和希爾伯特變換兩部分組成，數字振蕩器用于產生正余弦三角函數。移頻模塊的輸入信號與輸出信號的關系可表示如下

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）經過一濾波器的輸出，該濾波器的單位沖激響應可表示為1／πt。FIR型濾波器采用非遞歸結構，系統穩定，運算誤差小，具有良好的線性相位，因此本系統采用了FIR 濾波器。直接型的N 點序列的FIR 濾波器的差分方程為

對上式進行Z變換得FIR 濾波器的傳遞函數

將輸入信號的樣值同濾波器系數相乘，再將其結果相加，得到濾波后的輸出信號。該濾波器的設計指標：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，采用窗函數設計法，求得FIR 濾波器的參數，包括濾波器的階數N 和單位沖激響應系數h（n）。再利用濾波器的設計分析工具FDATOOL編制一個C 語言程序用于產生輸入數據文件（filtercoelf.h），存儲文件后，直接供給DSP程序代碼調試工具CCS，從而實現此濾波器。本文設計的移頻算法將聲音信號的頻率增加了5Hz，使系統擴聲增益提高了6dB。

圖1 基于移頻算法的嘯叫抑制原理信號

2 系統總體結構設計

本文所設計的音頻功率放大系統主要由拾音電路、嘯叫抑制模塊、功率放大電路、嘯叫頻率檢測電路、單片機控制模塊等構成，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開發板構成，它完成了音頻模擬信號數字化、數字移頻算法、數字信號轉模擬信號輸出的功能。拾音電路對麥克風采集到的語音信號進行前置放大，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S2和S3完成。在實際應用中如果系統不會發生嘯叫現象，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，但對于高品質音效的應用還是會帶來一些影響。單片機控制模塊作為本系統的控制中心，它主要完成了嘯叫頻率測量與顯示、輸出功率測量與顯示、最大功率設置和自動增益調節等功能。

3 系統硬件電路設計

本文設計的音頻功放系統還包括：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電路并加以設計分析。

3.1 拾音電路

拾音電路也就是麥克風信號的前置放大器，設計中選擇了具有噪聲性能優、驅動力強、信號帶寬大、電源范圍寬等優點的運算放大器NE5532，它非常適合用作于高品質音響設備的前置放大器。前置放大器電路原理圖如圖3左半部分所示，采用駐極體麥克風接頭，通過一個上拉電阻給麥克風供電，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R2和R3分壓，產生放大器輸入的直流偏置電壓，該電壓設定在電源電壓的一半處，C1用于穩定直流偏置電壓，R4用于消除直流偏置電壓對輸入信號的影響。NE5322 構成典型的比例放大器結構，R5、RX為反饋電阻，其中RX采用數字控制電位器X9C104 來調節放大器增益，其增益可表示為 （用有效值表示）

設計中將R5設定為3.45kΩ，X9C104 的可調范圍為1kΩ～100kΩ，步長為1kΩ，因此增益的可調范圍為：1.25～26倍。單片機控制電位器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來實現的，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置，本文設計中將GAIN0 接高電平、GAIN1 接低電平，將功放的增益設置為26dB （即20倍），輸出驅動的喇叭阻抗RL為8 Ω。對功率放大系統的功率與增益關系進行如下推導，功放的輸出與輸入的電壓關系 （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系為

圖4 功率放大電路

根據以上推導，當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。當輸出功率為50mW 時，VDIN（RMS）＝31.6 mV，得G1＝1.58，RX＝2 KΩ。單 片 機 控 制 通 過 改 變TPA3112D1的PLIMIT 引腳的輸入電壓，就可以調節輸出功率大小，同時自動設置與輸出功率相匹配的前置放大器的放大倍數，實現自動增益調節，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象，系統中增加了嘯叫頻率的測量和顯示功能。根據嘯叫發生時會產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，當比較器輸入信號超過一定幅度時，比較器就會翻轉。當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起電平轉換的作用，將比較器輸出的邏輯電平轉換為單片機的邏輯電平，以便于單片機處理。設計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分壓設置為6V，而比較器反相輸入端連接到可調電阻R8的中間抽頭處，設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。

單片機對嘯叫頻率的計算上，單片機將采集到的被測信號的方波脈沖作為控制閘門信號，當方波脈沖的上升沿到達，內部計數器開始從零啟動計數，每一個機器周期，計數器加1，直到方波脈沖的下一個上升沿到達，定時器停止計數。計數器內存儲的是脈寬的機器周期數。設計數器內存儲到的機器周期數為N，機器周期為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

輸出功率計算需要得到輸出電壓有效值，系統采用了基于高精度的有效值轉換器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為正負電源的去耦電容和旁路電容，保證電源電壓穩定。AD637的輸出電壓直接輸出給單片機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，在單片機計算要將測量結果乘以2 來得到功放的輸出電壓有效值，輸出功率可由式 （7）計算得到。

圖6 交流電壓有效值測量電路

4 系統測試結果

本文設計的音頻功放系統實物圖如圖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、單片機控制模塊，系統構成還包括了麥克風、自制USB接口的小功率喇叭、自制功放驅動的8Ω 喇叭。測試中，將麥克風與喇叭相隔1 m 背靠背放置，使用電腦播放音樂作為音頻信號源。音頻功率放大系統能通過麥克風采集信號，經功率放大電路送至喇叭輸出，輸出的音頻信號清晰。在不進行嘯叫抑制時 （圖2的選擇開關S2連接A 端，S3連接C 端），將麥克風與喇叭相隔1m 面對面放置，從小到大調整功率放大器的輸出功率，直到產生嘯叫時，啟動嘯叫抑制模塊 （圖2的選擇開關S2連接B端，S3連接D 端），音頻信號輸出恢復正常，音質清晰，嘯叫現象被有效抑制。在輸出功率達到5 W 功率，嘯叫抑制電路仍能正常工作。進一步縮短麥克風與喇叭之間的距離到0.4 m 時，有輕微嘯叫產生。

圖7 音頻功放系統的實物

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 內連續可調。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。從中可以看出系統響應穩定、失真度很小，達到了設計要求。

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系，系統輸出功率在50mW～5 W 之間連續可調。圖10給出了系統的效率測試結果，在1.5 W～5 W 輸出范圍內，系統效率均高于80%，最高達到90%。

圖9 輸出功率與PLIMIT 電壓及輸入信號的關系

圖10 系統整體效率

5 結束語

本文介紹了音頻功率放大系統的設計方案，根據引發嘯叫現象的自激振蕩條件，采用基于 DSP 芯片TMS320C5509的移頻算法來抑制嘯叫，并運用單片機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，由單片機程控設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，系統整體效率高達90%。本文設計的音頻放大系統不僅具有工程應用價值，而且對于其它嵌入式硬件系統的開發也具有很好的借鑒意義。

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