何 侃 李志雄 霍建文 張 靜

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

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帶嘯叫檢測(cè)與抑制的音頻功率放大器設(shè)計(jì)

何 侃 李志雄 霍建文 張 靜

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

針對(duì)拾音器與揚(yáng)聲器距離過(guò)近聲反饋導(dǎo)致的嘯叫問(wèn)題，提出采用基于STM32F407VGT6單片機(jī)集成的12位精密AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)采樣，設(shè)計(jì)利用快速傅氏變換和快速傅氏反變換算法進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的嘯叫檢測(cè)抑制,并通過(guò)程控芯片AY-TPA3112D實(shí)現(xiàn)功率放大輸出。經(jīng)過(guò)仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以有效抑制5 W揚(yáng)聲器和靈敏度大于-40 dB V/P的拾音器在距離保持4 cm及以上時(shí)發(fā)生的嘯叫。

STM32F407VGT6 嘯叫 音頻功放 AY-TPA3112D

在揚(yáng)聲器-房間-麥克風(fēng)(LRM)構(gòu)成的聲學(xué)閉合通道聲信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)中, 由于揚(yáng)聲器到傳聲器的正反饋路徑的存在, 當(dāng)系統(tǒng)在增益增大到一定量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，這便是回聲嘯叫?；芈晣[叫的發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致傳聲器通路音量無(wú)法調(diào)大或出現(xiàn)聲音振鈴現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整個(gè)聲信號(hào)系統(tǒng)的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)中的功率放大器和音響由于信號(hào)強(qiáng)度過(guò)大而燒毀損壞。隨著DSP技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)聲反饋抑制器已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外對(duì)于回聲嘯叫主流的解決方案。國(guó)內(nèi)提出了最小二乘的均方誤差嘯叫檢測(cè)算法，德國(guó)百靈達(dá)公司基于高性能DSP推出了FBQ2496自動(dòng)聲反饋抑制器。這些自動(dòng)聲反饋抑制器能夠自動(dòng)搜索聲反饋頻點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的窄帶陷波器，從而有效抑制嘯叫的發(fā)生，具有音質(zhì)損失小等優(yōu)點(diǎn)，適合于指標(biāo)要求高的場(chǎng)所。但是由于專(zhuān)業(yè)DSP芯片價(jià)格比較昂貴，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致這些產(chǎn)品的成本和售價(jià)比較高。

本設(shè)計(jì)針對(duì)DSP芯片導(dǎo)致的高成本問(wèn)題，提出采用基于STM32F407VGT6單片機(jī)代替專(zhuān)業(yè)DSP芯片，通過(guò)STM32F407VGT6單片機(jī)具有的12位精密AD轉(zhuǎn)換器和快速傅氏變換和快速傅氏反變換算法進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)嘯叫的自動(dòng)檢測(cè)和自適應(yīng)抑制功能，并通過(guò)MATLAB仿真軟件和真實(shí)環(huán)境聲音采集對(duì)進(jìn)行了自適應(yīng)嘯叫檢測(cè)抑制算法的系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由電源模塊、麥克風(fēng)模塊、前級(jí)放大模塊、主控芯片STM32F407VGT6和AY-TPA3112D集成功放模塊組成，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)分為聲音信號(hào)采集、嘯叫檢測(cè)與抑制、放大輸出3個(gè)部分。聲音信號(hào)采集是指利用麥克風(fēng)驅(qū)動(dòng)電路和OP2134構(gòu)成前級(jí)放大電路將外部聲音信號(hào)進(jìn)行采集放大，為系統(tǒng)提供模擬聲音信號(hào)的輸入。嘯叫檢測(cè)與抑制在STM32F407VGT6微控制器中完成，利用12位精密AD轉(zhuǎn)換器，間隔采樣1 024個(gè)點(diǎn)，再通過(guò)FFT算法得出的結(jié)果，分析各個(gè)頻率的幅值，分析是否發(fā)生嘯叫，若發(fā)生嘯叫則將幅值最大的前200個(gè)頻率的幅值設(shè)定為0，最后通過(guò)內(nèi)置的精密DA轉(zhuǎn)換器輸出。放大輸出通過(guò)AY-TPA3112D芯片實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)向AY-TPA3112D芯片特定引腳輸出對(duì)應(yīng)電平得到不同大小的功率放大倍數(shù)，達(dá)到聲音放大輸出的目的。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器與系統(tǒng)接口

由于FFT和IFFT算法涉及大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，由于一個(gè)浮點(diǎn)占用4個(gè)字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間很慢，所以采用普通的8位MCU一般難以在一定的時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)算。主控芯片STM32F407VGT6 32位微處理器采用ARM Cortex-M4F內(nèi)核，工作電壓1.8～3.6 V，擁有1024 kB FLASH和192 kB ARM，3個(gè)12位精密AD轉(zhuǎn)換器和2個(gè)12位DAC緩沖通道。高運(yùn)行頻率為168 MHz，能夠充分滿(mǎn)足1 024位FFT和IFFT運(yùn)算需要。

2.2 拾音電路

拾音電路需要通過(guò)麥克風(fēng)接收聲音震動(dòng)，將聲音進(jìn)行降噪、放大處理，從而得到聲音信號(hào)，故采用OPA2134構(gòu)成拾音電路。

OPA2134是一款8 MHz的帶寬，低功耗單電源集成運(yùn)算放大器，其具有電壓電流噪聲極低、不易產(chǎn)生紋波干擾、帶寬大、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠在大部分的環(huán)境下工作。同時(shí)OPA2134采用單電源供電，可以有效減小外圍電路的復(fù)雜度，使得整個(gè)電路設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

2.3 功率放大電路

功率放大電路負(fù)責(zé)將從主控芯片輸出的聲音信號(hào)放大輸出，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)不同增益倍數(shù)的調(diào)節(jié)，故采用TPA3112D1構(gòu)成功率放大電路。

TPA3112D1是TI公司生產(chǎn)的一款具有Speaker Guard的25 W單聲道、無(wú)需加濾波器的D類(lèi)音頻放大器。音頻信號(hào)可實(shí)現(xiàn)差分輸入，可程控實(shí)現(xiàn)功率放大器的倍數(shù)。采用12 V單電源供電，功放系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 嘯叫檢測(cè)算法

根據(jù)Cooley-Tukey算法，對(duì)于采集到的聲音信號(hào)序列x[n]而言，其分為奇數(shù)序列和偶數(shù)序列之和，即x[n]=xEv[n]+xOd[n]。

由于

故有

根據(jù)嘯叫的性質(zhì)可知，當(dāng)發(fā)生嘯叫時(shí)，音頻信號(hào)的能量主要集中在嘯叫頻率附近，故可知嘯叫頻率處的功率將遠(yuǎn)大于其他頻率點(diǎn)處功率。故嘯叫點(diǎn)的檢測(cè)可以利用PAPR(峰值平均功率比)來(lái)表示，即

又因?yàn)閨x[n]|2具有對(duì)稱(chēng)性，故可以簡(jiǎn)化為

當(dāng)PAPR的值越接近于無(wú)窮大時(shí)，嘯叫越有可能發(fā)生。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于STM32的帶嘯叫檢測(cè)與抑制的音頻功率放大器系統(tǒng)軟件主要分為以下幾個(gè)部分：AD采樣；嘯叫檢測(cè)；嘯叫抑制；DA輸出。系統(tǒng)主程序流程如圖2。

圖2 系統(tǒng)主程序流程Fig.2 The flow chart of system’s main program

4.1 音聲采集

當(dāng)聲音信號(hào)通過(guò)拾音電路傳遞給STM32F407VGT6時(shí)，利用其12位精密AD轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)AD采樣，采樣頻率為40 kHz，同時(shí)利用DMA儲(chǔ)存采樣結(jié)果。當(dāng)完成一次2 048個(gè)數(shù)據(jù)采樣后，AD采樣標(biāo)志位adc_sample=true。AD采樣流程如圖3所示。

圖3 AD采樣流程圖Fig.3 The flow chart of AD sampling`

4.2 嘯叫檢測(cè)

當(dāng)ADC采樣標(biāo)志位adc_sample=true時(shí)，初始化FFT函數(shù)，標(biāo)志位ifftFlag=0，對(duì)之前儲(chǔ)存AD采樣數(shù)據(jù)的數(shù)組分別進(jìn)行一次FFT運(yùn)算，結(jié)果分別存入數(shù)組adc_Value1中。因?yàn)镕FT運(yùn)算的結(jié)果為復(fù)數(shù)，所以再對(duì)其結(jié)果求模，得到幅值數(shù)據(jù)，分別存入數(shù)組test_Output1中。因?yàn)楦道锶~變換結(jié)果具有對(duì)稱(chēng)性，故利用函數(shù)分別對(duì)數(shù)組test_Output1的一半進(jìn)行查找，得到各數(shù)組最大幅值maxValue1和最大幅值頻率testIndex1。對(duì)比testIndex1和之前一次計(jì)算的最大幅值頻率testIndex2，若兩者之比大于0.9小于1.1，且則最大幅maxValue1大于平均幅值50倍以上，嘯叫檢測(cè)標(biāo)志位howl=true，反之嘯叫檢測(cè)標(biāo)志位howl=false。將maxValue1和testIndex1的值賦值給maxValue2和testIndex2。

圖4 嘯叫檢測(cè)流程圖Fig.4 The flow chart of howling detection

4.3 嘯叫抑制

當(dāng)嘯叫檢測(cè)標(biāo)志位howl=true時(shí)，利用函數(shù)找出幅值大小前50的數(shù)據(jù)位，將對(duì)應(yīng)的adc_Value1中的值歸0，將adc_Value1中幅值給adc_Value。當(dāng)嘯叫檢測(cè)標(biāo)志位howl=false時(shí)，直接將adc_Value1中幅值給adc_Value。

圖5 嘯叫抑制流程圖Fig.5 The flow chart of howling suppression

4.4 聲音還原

初始化FFT函數(shù)，標(biāo)志位ifftFlag=1，對(duì)adc_Value數(shù)組進(jìn)行一次IFFT運(yùn)算，將結(jié)果存入數(shù)組Output中。當(dāng)IFFT運(yùn)算完成后，利用STM32F407VGT6的12位DA轉(zhuǎn)換器，將數(shù)組Output中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出至后續(xù)的功率放大模塊，同時(shí)AD采樣標(biāo)志位adc_sample=false。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了有效驗(yàn)證本設(shè)計(jì)在普通環(huán)境下的嘯叫抑制性能，實(shí)驗(yàn)將本嘯叫抑制系統(tǒng)放置在一個(gè)未經(jīng)過(guò)聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的房間內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)為了更好地模擬日常生活環(huán)境，還在該系統(tǒng)周?chē)胖昧艘幌盗凶魏推渌粘Ｉ钣闷?。系統(tǒng)由一個(gè)靈敏度為-40±3 dB、阻抗為5 Ω的電容式全指向性麥克風(fēng)、一個(gè)額定功率為5 W，阻抗為8 Ω的組合紙盆式喇叭構(gòu)成揚(yáng)聲器-房間-麥克風(fēng)(LRM)閉合聲學(xué)反饋回路。在未啟用系統(tǒng)對(duì)閉合聲學(xué)反饋回路進(jìn)行嘯叫抑制時(shí)，利用計(jì)算機(jī)采集聲音波形。

利用Matlab對(duì)該聲音波形進(jìn)行頻譜分析，得到聲反饋系統(tǒng)在此工作狀態(tài)下的聲音頻譜圖(圖6(a))。通過(guò)該頻譜可以知道，在未經(jīng)過(guò)嘯叫抑制時(shí)，聲音的大部分能量集中在幾個(gè)單一頻率上，說(shuō)明該閉合聲學(xué)反饋系統(tǒng)處于嘯叫狀態(tài)。

圖6 原聲音頻譜和嘯叫抑制頻譜Fig.6 The original frequency spectrum and the frequency spectrum after howling suppression

在不改變系統(tǒng)各部分位置和工作環(huán)境的情況下，打開(kāi)嘯叫抑制系統(tǒng)，再次使用計(jì)算機(jī)對(duì)聲音進(jìn)行采集分析并利用Matlab對(duì)于該聲音波形進(jìn)行頻譜分析，得到在嘯叫抑制工作情況下的頻譜圖(圖6(b))。

通過(guò)對(duì)新波形得出的頻譜進(jìn)行分析可以看出，聲音頻率中的最高頻率幅值出現(xiàn)了大幅度的降低，同時(shí)最大頻率幅值與聲音波形頻率平均幅值的比值大幅度降低，證明系統(tǒng)有效抑制了嘯叫的發(fā)生。

為了更進(jìn)一步精確地描述系統(tǒng)對(duì)于嘯叫抑制的性能，采用利用回聲抑制比(ERLE)來(lái)反映系統(tǒng)性能。

回聲抑制比(ERLE)的定義為

式中,n(k)為系統(tǒng)噪聲,d(k)為原回聲,e(k)為剩余回聲。由于實(shí)際測(cè)試時(shí)系統(tǒng)噪聲不能同回聲截然分開(kāi),實(shí)際使用的回聲抑制比計(jì)算為

式中,Pd為原回聲功率,Pe為剩余回聲功率(兩者均包含有系統(tǒng)噪聲分量)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該系統(tǒng)的ERLE=16 dB，能夠在保證聲音質(zhì)量的情況下有效抑制嘯叫的產(chǎn)生。

7 結(jié)語(yǔ)

為了解決由于揚(yáng)聲器-房間-麥克風(fēng)(LRM)構(gòu)成的聲學(xué)閉合通道聲信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)中正反饋路徑導(dǎo)致的聲反饋嘯叫問(wèn)題，提出了采用快速傅氏變換和快速傅氏反變換算法對(duì)STM32F407VGT6單片機(jī)集成的12位精密AD轉(zhuǎn)換器的音頻信號(hào)采樣結(jié)果進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)嘯叫頻率的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)抑制，實(shí)現(xiàn)一種由低成本STM32F407VGT6單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)核心的自適應(yīng)聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)。同時(shí)采用Matlab對(duì)系統(tǒng)在一般環(huán)境下對(duì)于回聲嘯叫的抑制性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，采用回聲抑制比(ERLE)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了定量檢測(cè)。

由于嘯叫出現(xiàn)時(shí)嘯叫頻率點(diǎn)并非只出現(xiàn)在單一頻率之上，為了更好的保證聲音的還原質(zhì)量，系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究更加適合STM32F407VGT6單片機(jī)的新算法。

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The Audio Power Amplifier Design with Howling Detection and Suppression

HE Kan, LI Zhi-xiong, HUO Jian-wen, ZHANG Jing

(SchoolofInformationEngineering,Southwestscienceandtechnologyuniversity,Mianyang621000,Sichuan,China)

In order to solve the problem about howling which dues to pickups and speakers too close, a howling suppression design based STM32F407VGT6 with 12 Precision AD converter was proposed, using the Fast Fourier Transform and Fast Fourier Transform Algorithm for filtering. And power through programmable chip AY-TPA3112D amplified output was achieved. By simulation analysis and experimental verification, the system can effectively inhibit howling between the 5W speaker and -40dB V/P pickup.

STM32F407VGT6; Howlround; Audio amplifier; AY-TPA3112

ERLE=101log(Pd/Pe)

2015-03-10

何侃(1994—)男，本科。研究方向?yàn)楹穗娮訉W(xué)和探測(cè)技術(shù)。E-mail:475890217@qq.com

TP391.42

A

1671-8755(2015)02-0093-04