具有啸叫检测与抑制的音频功率放大系统

李演明，杨晓冰，张 豪，邱彦章，文常保

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安710064）

0 引 言

轻微的啸叫［1－4］限制了整个扩音系统的增益，严重的啸叫可能导致音响或音频功率放大器损坏［5，6］。因此，如何在音频功放系统中有效抑制啸叫发生，是扩音设备领域的一个重要问题［7－9］。国内市场上出现的具有啸叫抑制功能的音响设备大多是采用模拟处理方式，智能化程度低，使用中需要专业人员进行调节且调节过程较麻烦［10－12］。

为了解决音频放大系统中存在的啸叫问题，本文采用了数字移频的方法来实现音频功放系统的啸叫抑制，该算法选择基于DSP 芯片TMS320C5509来实现。音频功放采用了高效率的D 类功放芯片TPA3112D1。所设计的音频功放系统还具有最大功率设置和自动增益调节功能，以保证在不失真的前提下最大化利用输出功率。此外，系统设计上还增加了基于AT89C51单片机的啸叫频率检测和输出功率测量功能，这些配置进一步增加了系统的智能性。

1 啸叫抑制原理分析与设计

啸叫又称声反馈，其产生原理是扬声器输出的音频信号被麦克风重复采集后，形成正反馈回路，使某些频率上的信号发生自激振荡，从而产生啸叫。为了抑制啸叫现象，本文采用移频法将采集到的语音输入信号在其频率成分上偏移小量的频率值Δf，使输出的语音信号避开传输空间里的峰值频率，破坏产生自激振荡的条件，来抑制啸叫的产生，且对原输入信号影响很小。移频算法有单边带调制法和基本频带偏移方法。本文采用单边带调制方法实现移频。

本文采用的移频法原理如图1中所示，音频输入信号由A／D 采样转换为数字信号x（t），经过移频模块将信号频率平移一个小的频率量后输出y（t），移频后的数字信号需要再次经过D／A 变换成模拟信号输出给功率放大器。移频法的核心是移频模块，它主要由数字振荡器和希尔伯特变换两部分组成，数字振荡器用于产生正余弦三角函数。移频模块的输入信号与输出信号的关系可表示如下

式 （1）中的x∧（t）是x（t）的希尔伯特变化式，它可以表示为

由式 （2）可以得出，x∧（t）可以看成是x（t）经过一滤波器的输出，该滤波器的单位冲激响应可表示为1／πt。FIR型滤波器采用非递归结构，系统稳定，运算误差小，具有良好的线性相位，因此本系统采用了FIR 滤波器。直接型的N 点序列的FIR 滤波器的差分方程为

对上式进行Z变换得FIR 滤波器的传递函数

将输入信号的样值同滤波器系数相乘，再将其结果相加，得到滤波后的输出信号。该滤波器的设计指标：通带频率范围为200Hz～10000Hz，采样频率为48KHz，N＝1024，截止频率是2000 Hz。利用MATLAB，采用窗函数设计法，求得FIR 滤波器的参数，包括滤波器的阶数N 和单位冲激响应系数h（n）。再利用滤波器的设计分析工具FDATOOL编制一个C 语言程序用于产生输入数据文件（filtercoelf.h），存储文件后，直接供给DSP程序代码调试工具CCS，从而实现此滤波器。本文设计的移频算法将声音信号的频率增加了5Hz，使系统扩声增益提高了6dB。

图1 基于移频算法的啸叫抑制原理信号

2 系统总体结构设计

本文所设计的音频功率放大系统主要由拾音电路、啸叫抑制模块、功率放大电路、啸叫频率检测电路、单片机控制模块等构成，总体功能框架如图2所示。啸叫抑制模块是由基于TMS320C5509芯片的DSP开发板构成，它完成了音频模拟信号数字化、数字移频算法、数字信号转模拟信号输出的功能。拾音电路对麦克风采集到的语音信号进行前置放大，放大后的信号可以直接作为功率放大器的输入信号，也可以选择对其进行啸叫抑制后再输出给功率放大器，切换过程可由选择开关S2和S3完成。在实际应用中如果系统不会发生啸叫现象，就可以不用做啸叫抑制，这样就可以完全避免啸叫抑制带来的信号频率偏移，虽然本方案采用的移频算法对频率的偏移量非常小，但对于高品质音效的应用还是会带来一些影响。单片机控制模块作为本系统的控制中心，它主要完成了啸叫频率测量与显示、输出功率测量与显示、最大功率设置和自动增益调节等功能。

3 系统硬件电路设计

本文设计的音频功放系统还包括：拾音电路、功率放大电路、啸叫频率采样电路、输出电压有效值测量电路，下面将分别给出相应电路并加以设计分析。

3.1 拾音电路

拾音电路也就是麦克风信号的前置放大器，设计中选择了具有噪声性能优、驱动力强、信号带宽大、电源范围宽等优点的运算放大器NE5532，它非常适合用作于高品质音响设备的前置放大器。前置放大器电路原理图如图3左半部分所示，采用驻极体麦克风接头，通过一个上拉电阻给麦克风供电，声音电压信号通过C2隔直电容连接到放大器输入端VIN。电源电压经R2和R3分压，产生放大器输入的直流偏置电压，该电压设定在电源电压的一半处，C1用于稳定直流偏置电压，R4用于消除直流偏置电压对输入信号的影响。NE5322 构成典型的比例放大器结构，R5、RX为反馈电阻，其中RX采用数字控制电位器X9C104 来调节放大器增益，其增益可表示为 （用有效值表示）

设计中将R5设定为3.45kΩ，X9C104 的可调范围为1kΩ～100kΩ，步长为1kΩ，因此增益的可调范围为：1.25～26倍。单片机控制电位器X9C104的INC和U／D 引脚来改变RX阻值，从而编程比例放大器的增益大小。

图2 系统总体功能框架

图3 拾音电路和啸叫频率采样电路

3.2 功率放大电路

功率放大电路是基于高性能的D 类功率放大器芯片TPA3112D1来实现的，电路原理如图4所示。TPA3112D1是一款25 W 单通道D 类音频功率放大器。芯片采用12V电源供电，输入采用单端差分信号输入，C11为交流耦合电容。输出端采用LC 滤波器，减小失真。功放的增益可由GAIN0和GAIN1两个输入端接高低电平来设置，本文设计中将GAIN0 接高电平、GAIN1 接低电平，将功放的增益设置为26dB （即20倍），输出驱动的喇叭阻抗RL为8 Ω。对功率放大系统的功率与增益关系进行如下推导，功放的输出与输入的电压关系 （有效值表示）

功放的输出功率POUT

前置放大器的音频信号输入与输出的关系

其中，G1为前置放大器增益，由式 （6）、式 （7）、式 （8）可以得出功率放大器的输出功率与音频输入电压有效值的关系为

图4 功率放大电路

根据以上推导，当音频信号的输入电压VIN（RMS）＝20 mV，输出功率为5W 时可求得，VDIN（RMS）＝316mV，G1＝15.8，RX＝51KΩ。当输出功率为50mW 时，VDIN（RMS）＝31.6 mV，得G1＝1.58，RX＝2 KΩ。单 片 机 控 制 通 过 改 变TPA3112D1的PLIMIT 引脚的输入电压，就可以调节输出功率大小，同时自动设置与输出功率相匹配的前置放大器的放大倍数，实现自动增益调节，以避免信号失真。

3.3 啸叫频率测量

为了更直观地观察啸叫现象，系统中增加了啸叫频率的测量和显示功能。根据啸叫发生时会产生较大幅度的自激振荡的原理，通过检测前置放大器输出信号的来测量啸叫频率。具体检测电路如图3的右半部分所示，采用比较器LM393来检测前置放大器信号的幅度，当比较器输入信号超过一定幅度时，比较器就会翻转。当输入信号为较大幅的周期振荡信号时，在比较器输出就会呈现与输入信号频率一致的方波信号，因此啸叫频率就可以被分离出来了。此外，MOSFET Q1起电平转换的作用，将比较器输出的逻辑电平转换为单片机的逻辑电平，以便于单片机处理。设计中比较器电源电压为12V，比较器正向输入端直流工作电压由R8与R7分压设置为6V，而比较器反相输入端连接到可调电阻R8的中间抽头处，设定的比较器阈值电压为5.8V。啸叫频率信号采样原理如图5所示。

单片机对啸叫频率的计算上，单片机将采集到的被测信号的方波脉冲作为控制闸门信号，当方波脉冲的上升沿到达，内部计数器开始从零启动计数，每一个机器周期，计数器加1，直到方波脉冲的下一个上升沿到达，定时器停止计数。计数器内存储的是脉宽的机器周期数。设计数器内存储到的机器周期数为N，机器周期为TC，则啸叫信号周期T 为

图5 啸叫频率信号采样原理

则啸叫频率为

3.4 输出功率测量

输出功率计算需要得到输出电压有效值，系统采用了基于高精度的有效值转换器AD637的有效值测量电路，其电路原理图如图6所示。功放的一端的输出信号VOUT2通过电容C24交流耦合到AD637 的输入端，C6与R12组成的低通滤波器获得输出电压的平均值，C7和C8为正负电源的去耦电容和旁路电容，保证电源电压稳定。AD637的输出电压直接输出给单片机就可以获得输出电压的有效值VOUT（RMS）。由于在AD637只采样了功放的单端，在单片机计算要将测量结果乘以2 来得到功放的输出电压有效值，输出功率可由式 （7）计算得到。

图6 交流电压有效值测量电路

4 系统测试结果

本文设计的音频功放系统实物图如图7所示，电路部分包括前置放大电路、DSP 模块、功率放大电路、有效值测量电路、单片机控制模块，系统构成还包括了麦克风、自制USB接口的小功率喇叭、自制功放驱动的8Ω 喇叭。测试中，将麦克风与喇叭相隔1 m 背靠背放置，使用电脑播放音乐作为音频信号源。音频功率放大系统能通过麦克风采集信号，经功率放大电路送至喇叭输出，输出的音频信号清晰。在不进行啸叫抑制时 （图2的选择开关S2连接A 端，S3连接C 端），将麦克风与喇叭相隔1m 面对面放置，从小到大调整功率放大器的输出功率，直到产生啸叫时，启动啸叫抑制模块 （图2的选择开关S2连接B端，S3连接D 端），音频信号输出恢复正常，音质清晰，啸叫现象被有效抑制。在输出功率达到5 W 功率，啸叫抑制电路仍能正常工作。进一步缩短麦克风与喇叭之间的距离到0.4 m 时，有轻微啸叫产生。

图7 音频功放系统的实物

在输入音频信号有效值为20mV 时，输出语音信号功率在50mW～5 W 内连续可调。图8分别给出了信号频率为200Hz和10kHz时，输出功率为50mW 和5W 时的输入、输出信号波形。从中可以看出系统响应稳定、失真度很小，达到了设计要求。

图8 输入与输出信号测试波形（Ch1：VIN，Ch2：VOUT）

图9给出了输出功率与PILIMT 端口的输入电压及音频输入信号幅度的关系，系统输出功率在50mW～5 W 之间连续可调。图10给出了系统的效率测试结果，在1.5 W～5 W 输出范围内，系统效率均高于80%，最高达到90%。

图9 输出功率与PLIMIT 电压及输入信号的关系

图10 系统整体效率

5 结束语

本文介绍了音频功率放大系统的设计方案，根据引发啸叫现象的自激振荡条件，采用基于 DSP 芯片TMS320C5509的移频算法来抑制啸叫，并运用单片机来控制输出功率并测量了啸叫频率和输出功率。在输入音频信号有效值为20mV 时，由单片机程控设置的功率放大器的输出功率范围为50 mW～5 W。在功率放大器的输出功率为5 W 时，系统整体效率高达90%。本文设计的音频放大系统不仅具有工程应用价值，而且对于其它嵌入式硬件系统的开发也具有很好的借鉴意义。

［1］XIAO Qiyang，ZHANG Zhonghui，FANG Yuan.Research and implementation of acoustic feedback suppression system based on DSP ［J］.Application of Electronic Technique，2013，39 （1）：13－15 （in Chinese）. ［肖启洋，张忠慧，方元.基于DSP的声反馈抑制系统的研究与实现 ［J］.嵌入式技术，2013，39 （1）：13－15.］

［2］LIU Ruihua，XU Ling，DENG Zhenyu，et al.Design of the high efficiency audio power amplifier［J］.Research and Exploration in Laboratory，2009，25 （20）：118－119 （in Chinese）.［刘瑞华，徐玲，邓震宇，等.高效率音频功率放大器的设计［J］.实验室研究与探索，2009，25 （20）：118－119.］

［3］JIN Cong，FAN Yuanzheng.Analysis and solve howling problem in sound reinforcement［J］.AV Technology，2011 （4）：38－40 （in Chinese）.［靳聪，范元正.现场扩音中啸叫问题的分析与解决 ［J］.音响技术，2011 （4）：38－40.］

［4］HUANG Zhenyi.Causes and eliminating methods of howling in the sound system ［J］.Electronic World，2014 （12）：351（in Chinese）.［黄振益.音响系统 “啸叫”的形成原因与消除方法 ［J］.电子世界，2014 （12）：351.］

［5］CEN Keqing.To explore the issue related to the scene in the howling sound reinforcement［J］.Science Technology for China’s Mess Media，2014 （4）：124－125 （in Chinese）. ［岑 可晴.有关现场扩声中啸叫问题探索 ［J］.中国传媒科技，2014 （4）：124－125.］

［6］WEI Zenglai，AN Pengfei.Discussion on howling suppression in auditorium sound reinforcement system ［J］.Audio Engineering，2007，31 （9）：13－16 （in Chinese）.［魏增来，安鹏飞.浅谈会议扩声系统中的啸叫抑制 ［J］.电声技术，2007，31 （9）：13－16.］

［7］Devis Thomas，Jayan A R.Automated suppression of howling noise using sinusoidal model based analysis／synthesis ［C］／／IEEE International Advance Computing Conference，2014：761－765.

［8］HE Yanhui，LIANG Weiqian，DONG Baoshuai.Oscillation detection and feedback suppression of digital hearing aids based on frequency domain ［J］.Audio Engineering，2012，36 （8）：39－42 （in Chinese）.［何艳辉，梁维谦，董保帅.基于频域的数字助听器中的啸叫检测与抑制 ［J］.电声技术，2012，36（8）：39－42.］

［9］WU Yongde，SU Jian.A design of the numerical control the noise suppression system ［J］.Science Technology Infomation，2007 （25）：77－78 （in Chinese）. ［吴永德，苏健.一种数控啸叫抑制系统的设计 ［J］.科技资讯，2007 （25）：77－78.］

［10］Wei Zong，Qing Guan，Xi Yuan.Simulation and implementation of an adaptive howling suppressor for acoustic amplifier［J］.IEEE Transactions on Single Processing，2012 （12）：406－409.

［11］Loren Carpenter，Lanny Smoot，Alex Stahl.Avoiding audio feedback：United states patent，US8494178B1 ［P］.2013.7.

［12］XIE Jianyue.A method of acoustic feedback generation and inhibition in the public address system ［J］.AV Technology，2011 （1）：32－36 （in Chinese）.［谢剑跃.扩音系统中声反馈的产生及抑制方法 ［J］.音响技术，2011 （1）：32－36.］