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自適應聲反饋抑制技術(shù)及其應用

來(lái)源:演藝科技傳媒        編輯:ZZZ    2024-02-22 10:04:15     加入收藏

  聲反饋是現場(chǎng)擴聲中最令人頭疼的問(wèn)題。聲反饋會(huì )造成再生混響,嚴重影響語(yǔ)音清晰度,限制系統傳聲增益的提高,并使聲音產(chǎn)生失真。當聲反饋嚴重時(shí),會(huì )產(chǎn)生自激嘯叫,使整個(gè)系統無(wú)法正常工作,甚至使揚聲器(特別是其高音單元)受損。因此,目前擴聲系統常常使用“反饋抑制器”來(lái)抑制聲反饋。

  1 傳統的聲反饋抑制方法

  1.1利用參量均衡器構成的帶阻濾波器

  傳統的聲反饋抑制方法主要是利用參量均衡器構成的帶阻濾波器即陷波器來(lái)完成的。這種反饋抑制器有多個(gè)(通常為12~24個(gè))陷波器,其中一部分陷波器設置成固定濾波器,在系統調試時(shí),當檢測到某個(gè)頻率的聲反饋信號時(shí),就會(huì )在該頻率激活一個(gè)相應的濾波器,使該頻率的增益降低,于是該頻點(diǎn)的聲反饋被抑制,這樣就可以對該聲場(chǎng)的一些主要聲反饋頻點(diǎn)進(jìn)行衰減。另一部分陷波器設置成活動(dòng)濾波器,以便對使用中的系統可能產(chǎn)生的聲反饋隨時(shí)進(jìn)行抑制。

  然而,這種方式存在著(zhù)一定的局限性。最明顯的問(wèn)題就是,有時(shí)不能識別某些反饋聲信號,原因是這種方式本質(zhì)上仍是均衡器。頻率均衡是由濾波器構成的,對不同頻率的不同均衡度必然造成它們之間的相位誤差。

  對于雙聲道或多聲道系統,不同聲道的不同均衡度又會(huì )造成聲道之間的相位誤差,這樣便會(huì )在一定程度上影響音質(zhì)和聲像位置,從而產(chǎn)生不理想的結果。同時(shí),擴聲現場(chǎng)的聲學(xué)環(huán)境也常常隨著(zhù)各種外在條件而變化,特別是聽(tīng)眾的數量和不同季節衣著(zhù)的改變都會(huì )明顯影響聲反饋頻點(diǎn)的頻率,雖有活動(dòng)濾波器來(lái)應付,但常常并不能及時(shí)、準確地啟動(dòng)而進(jìn)行抑制。因此,這種方法往往對建筑聲學(xué)、電聲設備和系統操作都有較高的要求,但在特定聲學(xué)環(huán)境中如果調試得當,還是能有良好的抑制效果。生產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品最著(zhù)名的公司有Sabine、dbx、Shure等。

  1.2移頻方式

  另一種聲反饋抑制方法是移頻方式。這類(lèi)聲反饋抑制器是將輸入聲頻信號的頻率持續改變3 Hz~6 Hz,則輸出信號的頻率(也就是揚聲器播放的信號頻率)與輸入信號不同,于是破壞了反饋條件,使聲反饋被抑制。這樣的頻率改變對語(yǔ)音頻率范圍而言問(wèn)題不大,聽(tīng)眾不能輕易察覺(jué)到,但對較低頻率的聲頻信號其頻率的改變就難以接受。同時(shí),移頻方式在臨界反饋時(shí)會(huì )產(chǎn)生明顯的調頻現象,使聲音產(chǎn)生震顫,因此,只能用在對音質(zhì)要求不高的一些場(chǎng)合。據悉,目前有一種移頻反饋抑制方式不是將全頻帶移頻,而是只將反饋點(diǎn)的頻率移頻來(lái)抑制反饋,效果如何,筆者尚未使用過(guò)。

  2 自適應聲反饋抑制

  自適應聲反饋抑制是采用自適應控制技術(shù)的一種聲反饋抑制方式。近年來(lái),在現代的信號處理理論基礎上提出了先進(jìn)的自適應聲反饋抵消技術(shù),有效地突破傳統的聲反饋抑制的局限,具有操作簡(jiǎn)單、聲音失真小、傳聲增益提高明顯等優(yōu)點(diǎn)。

  2.1自適應控制

  在日常生活中,所謂自適應是指生物能改變自己的習性以適應新的環(huán)境的一種特征。因此,自適應控制應當是能修正自己的特性以適應對象動(dòng)態(tài)特性變化的控制方式。

  自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統,這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數學(xué)模型不是完全確定的,其中包含一些未知因素和隨機因素。任何一個(gè)實(shí)際系統都具有不同程度的不確定性,這些不確定性有時(shí)表現在系統內部,有時(shí)表現在系統的外部。

  從系統內部來(lái)講,描述被控對象的數學(xué)模型的結構和參數設計者事先并不一定能準確知道;作為外部環(huán)境對系統的影響,可以等效地用許多擾動(dòng)來(lái)表示,這些擾動(dòng)通常是不可預測的;此外,還有一些測量時(shí)產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)入系統。面對這些客觀(guān)存在的各式各樣的不確定性,如何設計適當的控制作用,使得某一指定的性能指標達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu),這就是自適應控制所要研究解決的問(wèn)題。

  自適應控制和常規的反饋控制和最優(yōu)控制一樣,也是一種基于數學(xué)模型的控制方法,所不同的只是自適應控制所依據的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗知識比較少,需要在系統的運行過(guò)程中去不斷提取有關(guān)模型的信息,使模型逐步完善。具體地說(shuō),可以依據對象的輸入輸出數據,不斷地辨識模型參數,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為系統的在線(xiàn)辯識。隨著(zhù)過(guò)程的不斷進(jìn)行,通過(guò)在線(xiàn)辯識,模型會(huì )變得越來(lái)越準確,越來(lái)越接近于實(shí)際。既然模型在不斷地改進(jìn),顯然,基于這種模型綜合出來(lái)的控制作用也將隨之不斷地改進(jìn)。在這個(gè)意義下,控制系統具有一定的適應能力。比如,當系統在設計階段,由于對象特性的初始信息比較缺乏,系統在剛開(kāi)始投入運行時(shí)性能也許不理想,但是只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運行,通過(guò)在線(xiàn)辯識和控制以后,控制系統逐漸適應,最終將自身調整到一個(gè)滿(mǎn)意的工作狀態(tài)。再比如,某些控制對象,其特性可能在運行過(guò)程中要發(fā)生較大的變化,但通過(guò)在線(xiàn)辯識和改變控制器參數,系統也能逐漸適應(節選自2009年北京理工大學(xué)出版社出版的《自適應控制》一書(shū))。常規的控制系統對于系統內部特性的變化和外部擾動(dòng)的影響都具有一定的抑制能力,但是由于控制器參數是固定的,所以,當系統內部特性變化或者外部擾動(dòng)的變化幅度很大時(shí),系統的性能常常會(huì )大幅度下降,甚至不穩定。自適應控制是“以變制變”,所以對那些對象特性或擾動(dòng)特性變化范圍大、同時(shí)又要求經(jīng)常保持高性能指標的系統是十分適用的,而現場(chǎng)擴聲系統正是符合這種要求的系統。由此可見(jiàn),自適應控制技術(shù)用于現場(chǎng)擴聲系統的聲反饋抑制是比較理想的。

  2.2自適應聲反饋抑制系統及其工作原理

  自適應聲反饋抑制以數字信號處理(DSP)為基礎,綜合數字信號分析、信號檢測、數字濾波、自適應濾波、非線(xiàn)性處理及子帶技術(shù)等來(lái)實(shí)現全頻段反饋抑制。

  自適應聲反饋抑制系統是一個(gè)具有兩個(gè)輸入端的自適應濾波器,它將本地傳聲器的輸出信號作為一個(gè)基準信號,而將本地揚聲器的輸出信號作為一個(gè)參考信號。自適應濾波器不同于具有固定參數的一般濾波器,它是由濾波器和調整濾波器結構的自適應算法組成,它能夠實(shí)時(shí)拾取變化信號,通過(guò)自適應算法自動(dòng)調整濾波器參數,以達到最優(yōu)的濾波效果。經(jīng)過(guò)自適應干擾抵消處理后,能夠將本地傳聲器輸出經(jīng)室內聲場(chǎng)饋至傳聲器的電聲反饋有效地抑制,也就實(shí)現了自適應聲反饋抑制。自適應聲反饋抑制系統的基本工作原理如圖1。

圖1 自適應聲反饋抑制系統的基本工作原理

  本地傳聲器輸入信號Sm經(jīng)子帶(分離)濾波器的濾波得到傳聲器輸入信號的子帶成分m1??mn,送到子帶自適應濾波器;作為參考信號的本地揚聲器的輸出信號 Ss經(jīng)子帶(分離)濾波器的濾波得到揚聲器的輸出信號的子帶成分s1

  ??sn也就是子帶參考信號,也送到子帶自適應濾波器。這兩種信號在自適應濾波器中進(jìn)行子帶反饋抵消,得到殘余信號m'1??m'n。

  在理想條件下,估算反饋信號應該和實(shí)際傳聲器輸入的反饋信號一致,這樣在反饋抵消處理之后,殘余反饋應當為零。而實(shí)際情況并非如此,由于環(huán)境噪聲的影響,即使估算反饋信號與實(shí)際傳聲器輸入的反饋信號一致,反饋抵消處理之后的殘余反饋并不為零,至少環(huán)境噪聲仍然存在,用此殘余反饋修正得到的反饋濾波器將偏離實(shí)際的反饋激勵響應,加之本地發(fā)言對反饋濾波器參數修正的影響,殘余反饋總是存在,因此,需要用非線(xiàn)性處理來(lái)進(jìn)一步降低反饋。

  經(jīng)非線(xiàn)性處理器處理后的子帶信號m"1??m"n送到子帶合成濾波器,子帶信號被合成還原為全頻段聲音信號S'm,此還原后的信號送至擴聲系統擴聲。子帶合成濾波器的特性和激勵響應由子帶(分離)濾波器的特性和激勵響應決定。原則上信號經(jīng)過(guò)此兩組濾波器后,應還原為原始的信號。但在實(shí)際應用中,由于完美還原濾波器設計的限制和反饋消除處理以及非線(xiàn)性處理的影響,還原得到的信號與原始信號之間常有一些誤差,但在設計濾波器組時(shí)可將其對信號的影響控制在一定程度以下。

  反饋抑制器串接在擴聲回路中,并沒(méi)有直接從揚聲器端取得參考信號。那么這參考信號從哪里來(lái)呢?實(shí)際上這參考信號是來(lái)自傳聲器接收到的揚聲器聲反饋信號,由系統自動(dòng)識別出聲反饋信號作為參考信號。

  2.3自適應反饋抑制的應用

  從自適應反饋抑制的工作原理可知,這種方式最大的特點(diǎn)是自動(dòng)適應現場(chǎng)聲學(xué)環(huán)境,完全不需要調試,簡(jiǎn)單可靠,可提高傳聲增益6 dB~12 dB。今后長(cháng)期使用中不論現場(chǎng)聲學(xué)環(huán)境產(chǎn)生什么變化,也能自動(dòng)適應新的聲學(xué)環(huán)境進(jìn)行聲反饋抑制。

  自適應濾波技術(shù)除了用于聲反饋抑制(AFC),也用于回聲消除(AEC)、環(huán)境噪聲消除(ANC)和自動(dòng)聲場(chǎng)均衡(AEQ)等。

  3 自適應反饋抑制的研究現狀

  目前國內外研究自適應濾波技術(shù)的公司不少,但真正形成產(chǎn)品的并不多。國外主要有Ploycom、ClearOne和Biamp等,但產(chǎn)品基本上是綜合型的數字聲頻處理器,自適應反饋抑制往往只是其中的一個(gè)功能。

  國內自主研究自適應濾波技術(shù)的主要有上海朗谷電子科技有限公司(Longoo,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“郎谷”)、成都海普迪科技有限公司(Hpdtech,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“海普迪”)和廣州市廣鑫電子科技有限公司等。據悉,三基音響企業(yè)集團和綿陽(yáng)科創(chuàng )園區昊天電子科技有限公司也開(kāi)始涉足該技術(shù)。自適應反饋抑制的工作原理中,最重要的一個(gè)步驟就是要做到高速準確地持續跟蹤采集參考信號,數字信號處理的核心算法是如何最大限度地準確計算出反向抵消或者濾波信號,這對從事數字信號處理應用研究的人并不難,但用什么樣的算法能得到最好的效果卻有很大差別,因此,各家公司的核心機密就是DSP算法。

  國內出現了不少專(zhuān)門(mén)的自適應反饋抑制器產(chǎn)品,除了掌握核心技術(shù)的公司有自身的產(chǎn)品外,還有一些制造商由上述公司貼牌或者利用他們的功能模塊推出了自己的自適應反饋抑制器產(chǎn)品。下面介紹國內幾家公司的這類(lèi)產(chǎn)品。

  3.1HD系列反饋抑制器

  “ 郎谷” 曾生產(chǎn)過(guò)專(zhuān)門(mén)的反饋抑制器產(chǎn)品HD1014,除了反饋抑制功能外,還有自動(dòng)噪聲抑制和自動(dòng)增益控制功能。其基本應用是雙通道平衡0 dB電平輸入、輸出,也可以設置成傳聲器電平(帶幻象電源)和智能混音。

  HD1014已停產(chǎn),目前定型產(chǎn)品主要有HD1033、HD1040和HD1057。前兩種都是4進(jìn)4出,但HD1033有回聲抑制功能,以適應視頻會(huì )議的需要。這幾種產(chǎn)品輸入可為傳聲器電平(帶幻象電源)或線(xiàn)路電平,并帶有智能混音,還有自動(dòng)聲場(chǎng)均衡功能,而HD1057是在HD1040基礎上另外加了12路智能混音,以適應更多傳聲器輸入的需要,其面板上還設置了傳聲器、線(xiàn)路和錄音電平調節旋鈕,如圖2。上述產(chǎn)品接上傳聲器、功率放大器和揚聲器就可組成性能很好的小型會(huì )議擴聲系統或某些特需場(chǎng)合(如法庭)的擴聲系統。產(chǎn)品的各輸入、輸出通道的功能和參數可用USB接口連接計算機通過(guò)隨機軟件進(jìn)行設定。“郎谷”也可按客戶(hù)要求定制各種帶自適應處理功能的模塊和產(chǎn)品。

圖2 HD系列反饋抑制器

  3.2CP-530智能混音音頻處理器

  “海普迪”沒(méi)有平衡輸入、輸出的專(zhuān)門(mén)反饋抑制器產(chǎn)品,原有一種3路傳聲器輸入(2路平衡帶幻象電源、1路不平衡)和1路不平衡雙通道線(xiàn)路輸入、3路輸出(其中1路平衡、1路雙通道不平衡)的CP-520已停產(chǎn),目前有帶10路智能混音輸入的CP-530,其串口可以輸出智能混音選通的傳聲器信息以便控制攝像機等,也可連接電腦通過(guò)隨機軟件進(jìn)行各輸入、輸出通道的功能和參數設定。此外還有多款帶自適應處理的教學(xué)用聲頻主機。“海普迪”也供應自適應處理模塊。

  3.3AFC-6自適應反饋抑制模塊

  目前廣州市廣鑫電子科技有限公司主要供應自適應反饋抑制模塊,如AFC-6等。

  3.4其他

  還有一些由上面公司貼牌或者利用他們的功能模塊推出自適應反饋抑制產(chǎn)品的公司。例如深圳市東微智能科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“東微”)曾有自適應反饋抑制器AFC6-4產(chǎn)品,雙通道平衡0 dB電平輸入、輸出,帶有自動(dòng)噪聲抑制功能,在后面板可用撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行必要的設定。還有廣東省美鐳電子廠(chǎng)的A-7230、廣州艾索電子產(chǎn)品有限公司的AEC-2020和佛山東瑪克電子科技有限公司的M2000AII等也是自適應方式的反饋抑制器產(chǎn)品,此外恩平恒利電子有限公司(邁科森MAXSON)還有帶自適應反饋抑制功能的智能混音器。

  4 應用感受

  筆者曾用過(guò)“朗谷”和“東微”的產(chǎn)品,效果都不錯。“朗谷”的產(chǎn)品功能比較完善,且在臨界反饋時(shí)金屬聲拖尾比“東微”的產(chǎn)品小,可能是其數字信號處理算法對參考信號的跟蹤相對比較快速準確;而“東微”產(chǎn)品不需要連接計算機設置,較為方便。筆者也用過(guò)其他品牌(未在上面列出)的這類(lèi)產(chǎn)品,發(fā)現效果不佳,可見(jiàn)同樣類(lèi)型的產(chǎn)品也良莠不齊。

  雖然自適應反饋抑制器具有良好的全頻帶頻率特性,但使用上還是應該和一般反饋抑制器一樣,最好僅接在傳聲器回路。例如,可以串接在智能混音器或“手拉手”會(huì )議系統主機和調音臺之間,或者接在調音臺傳聲器編組輸出。如果使用帶智能混音的多輸入自適應反饋抑制器,就應該通過(guò)隨機軟件的設置使反饋抑制和智能混音功能僅用于傳聲器通道。

  最后提請注意:現在有一些稱(chēng)作“自動(dòng)反饋抑制器”的產(chǎn)品,它和自適應反饋抑制完全是兩回事。其中有的是經(jīng)典的陷波式反饋抑制器,只是采用了自動(dòng)調試方式,就是按一下按鈕就自動(dòng)緩慢地提高增益使系統產(chǎn)生反饋并逐一抑制。這種方法雖然避免了對陷波器進(jìn)行逐個(gè)人工調試,但往往不如傳統的人工調試那么理想。而有的根本就是移頻式,商家竟然也稱(chēng)之為“自適應”。有的制造商同時(shí)擁有陷波、移頻和自適應濾波多種方式的反饋抑制器產(chǎn)品,更容易混淆。因此,選擇產(chǎn)品時(shí)一定要分清楚,是不是真正采用自適應濾波方式的反饋抑制器。

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