音頻系統中嘯叫抑制技術設計研究

賀小艷

摘 要：在音頻系統中，普遍存在嘯叫的可能，對用戶造成極大的困擾。本研究通過采用硬件模擬移相器以及中心頻率可控陷波器，提出一種抗嘯叫設計，測試表明，啟動嘯叫抑制電路后，能夠有效實現嘯叫抑制的功能。

關鍵詞：音頻系統；嘯叫抑制；電路設計

聲反饋是出現在劇院、多媒體教室、會議室等公共音頻系統中的常見問題，它經常使音頻擴聲系統的性能發生顯著衰退，極端情況下會使得系統變得不穩定，發生嘯叫，總影響著音頻的質量。為保障音頻系統的使用性能，抑制系統中的嘯叫問題，已然成為一個需要重點關注的問題。下面，本研究進行一種嘯叫抑制技術的研究，并將其設計技術進行總結介紹。

1.主要硬件電路設計

系統以PIC 單片機為主控制器，通過程控功率放大電路和嘯叫檢測與抑制電路實現帶嘯叫抑制的音頻功率放大系統。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、嘯叫抑制、顯示模塊以及電源模塊。具體系統框圖如圖1 所示。

1.1 有效值檢測電路

設計中采用AD637 進行真有效值采樣，AD637 具有轉換精度高，寬帶寬的優點，可以精準計算轉換復雜交流信號的有效值電壓，最小輸入信號可以達到5mV，輸出信號誤差小，紋波低于±1%，3dB 帶寬為8MHz，符合聲音傳播的帶寬保證了測量精度。

1.2 嘯叫抑制模塊

擴音系統產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進行了疊加，嘯叫產生的條件需滿足以下三點：

（1）話筒與音箱同時使用；

（2）音響系統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。

分析其產生的原因提出對應的解決方法為：①相位：根據正反饋的條件，相位必須與輸入聲音相同；②振幅：正反饋的條件為，反饋系數大于1。

根據其產生原因， 設計移相器以及陷波器兩種方式進行抑制，即破壞相位條件和振幅條件，達到抑制嘯叫的目的。移相器在聲音采集之后移相，實際測得移相140°抑制效果最好，加上后級陷波，達到更好的嘯叫抑制效果。系統設計中采用了可變電阻， 在實際使用之前通過調節滑動變阻器來達到最合適的抑制效果。

陷波器設計采用高性能開關電容濾波器LMF100 集成芯片。LMF100 內置兩個雙開關電容濾波器，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。中心頻率可以由設計的外圍電路與外接時鐘信號源控制。陷波器和時鐘頻率呈線性關系， 只需要控制PWM 波的頻率就能間接控制陷波器中心頻率，陷波器的品質因數Q 直接體現陷波器的帶寬大小，品質因數越大陷波器帶寬越小，陷波器的品質因數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DA 轉換輸出電壓控制放大倍數，控制精度與單片機DA 轉換的電壓精度有關。

2.軟件檢測設計

自然聲音信號是一個頻率幅度不斷變化的信號， 而嘯叫信號是頻率固定，幅度較大的信號，所以可以通過測頻對比法再結合后端功率的檢測，判斷是否產生了嘯叫，頻率檢測直接使用單片機進行記數測頻。

設計通過PIC 單片機的CCP 模塊產生PWM 波進而控制陷波器的中心頻率，當檢測判斷檢測到的頻率為嘯叫頻率點時，CCP模塊產生相應的頻率，關系為100*fo，即PWM 波頻率為檢測到的嘯叫頻率的100 倍，最大音頻輸入頻率為10kHz，即最大需要產生1MHz 的PWM 波 。控制頻率和占空比分別為兩個寄存器，公式如下：

PWM 周期=[（PR2）+1]*4*Tosc*（TMR2 預分頻值）

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

其中，Tosc 為機器周期，即晶振周期。周期與占空比和寄存器數值的關系。

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 占空比的數值，使得占空比為50%。

每次檢測到的嘯叫頻率乘以100， 代碼中換算成PWM 周期數值，改變PR2 的值，達到改變輸出PWM 頻率的目的，PWM占空比同理。在程序運行最初，未產生嘯叫時，設定一個較大的初值頻率，該頻率大于1MHz。

3.嘯叫檢測與抑制的數據測量

嘯叫信號的檢測比較容易受到各種因素的影響， 喇叭的朝向、麥克風的朝向、麥克風和喇叭的距離、輸入聲音大小等。檢測時，首先不啟動嘯叫抑制模塊，從小到大調節功率放大模塊的輸出功率，當產生嘯叫時記錄此時的頻率以及顯示的功率。再啟動嘯叫抑制模塊，從小到大調節輸出功率，檢測產生嘯叫時的功率以及此時的頻率，最后對比距離一定時，啟動嘯叫抑制前后的音頻嘯叫抑制情況，如表1、表2 所示。

4.結束語

總之，聲反饋控制是擴聲系統中的一個重要課題，其抗嘯叫抑制與音頻系統使用感知密切相關。實際測試表明，啟動本嘯叫抑制電路后，能夠對信號實時處理，嘯叫抑制效果較好，并且音量和聲音的保真效果也相對提升，能獲得良好的聲音質量。

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