CN101808260A - 音频动态反馈抑制方法 - Google Patents

Abstract

音频动态反馈抑制方法，涉及扩声系统中数字音频处理领域。现有技术存在响应速度慢、分辨率不高等缺陷，本发明通过数字滤波将数字音频信号分解成若干个频段的子信号；根据预先设定的抽取率对滤波后的各频段信号进行降采样；对各频段降采样后的数字音频进行快速傅里叶变换算法分析，估算自激频率；根据估算的结果通过陷波器滤除自激频率。在保证良好鲁棒性的前提下，提高了响应速度和分辨率，滤除精确。

Description

音频动态反馈抑制方法

【技术领域】

本发明涉及扩声系统中数字音频处理领域，具体是一种基于估计相对封闭声学环境中的音频自激频率的抑制技术。

【背景技术】

扩声系统中，话筒和喇叭处在同一声场，当放大器增益过大时容易引起自激(啸叫)，自激可能导致音频设备损坏，也会损害人体听力。

目前抑制反馈自激的方法主要有三种：频移法、EQ调整法和动态反馈抑制法。

频移法简单、经济实用，但只适合语言扩声系统。EQ均衡器的频带较宽，但通过EQ拉反馈点会导致该频率处音频信号的损失。动态反馈抑制法能够自动搜索自激频率，然后生成一个与自激频率相同的窄带陷波器，自动调节陷波深度、频带宽度和衰减量，准确抵消产生反馈的信号电平。动态反馈抑制法相当于一个自动调谐参量均衡器。动态反馈抑制对自激频率估计的精度要求很高，其性能主要由搜索自激频率的精度决定。只有得到精确的自激频率，才能通过设计窄带陷波器滤除它。否则，要么无法滤除自激频率，要么只能设计较宽带宽的陷波器，在滤除自激频率的同时正常音频也受到较大损失。

搜索反馈自激频率的方法主要有快速傅里叶变换(FFT)算法和自适应陷波法。FFT算法搜索法鲁棒性强，但由于音频频带较宽(20Hz～20kHz)，为了达到较高的频域分辨率，直接使用时计算量很大，响应速度慢。自适应陷波法响应速度快，计算量小，但在音乐背景下产生的自激频率估计精度较差，这样有可能将正常的音乐信号当作自激信号被抑制掉。自适应陷波法的鲁棒性也较弱，会出现估计不收敛情形。

【发明内容】

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种音频动态反馈抑制方法，通过改进FFT算法，在保证较高鲁棒性的前提下，来达到提高响应速度、提高分辨率和精度的目的。

为此，本发明采用以下技术方案：音频动态反馈抑制方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)通过数字滤波将数字音频信号分解成若干个频段的子信号；

2)根据预先设定的抽取率对滤波后的各频段信号进行降采样；

3)对各频段降采样后的数字音频进行快速傅里叶变换算法分析，估算自激频率；

4)根据估算的结果通过陷波器滤除自激频率。

本发明先将音频信号分段采样后再采用FFT算法进行分析，滤波后信号的上限频率变低，因此可通过减采样降低数据量，能有效改善直接采用FFT算法计算量大、响应速度慢的缺点，同时又保持了算法本身良好的鲁棒性，能快速准确地找到自激频率，又不损失正常音频。

作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或者这些技术措施的任意组合：

所述的数字音频信号分解成四个频段的子信号，四个频段的范围分别为0～160Hz、160Hz～800Hz、800Hz～4000Hz、4000Hz～20000Hz，这样的分法相对于目前的室内音频处理最为合理，有效提高响应速度又不过于累赘复杂。

所述的四个频段降采样的抽取率分别为150、30、6、1，能更好地适应上述的频段划分。

所述的四个频段快速傅里叶变换算法的采样点相同，各选取256个采样点，固定采样点便于分析，256个数量更好符合分辨率要求。

通过四个串联的自适应二阶陷波器滤除自激频率，自适应二阶陷波器能根据设定自动滤除自激频率，防啸叫，其数量与频段数量对应。

四个自适应二阶陷波器的中心频率分别等于四个频段估算出的自激频率，以准确消除自激频率。

有益效果：本发明通过分段改进FFT算法，在保证良好鲁棒性的前提下，提高了响应速度和分辨率，滤除精确。

【附图说明】

图1为本发明方法的流程原理示意图。

图2为本发明的算法流程图。

图3为电平均值等于-25dB左右的数字音频时域信号。

图4为图3频信号的频谱分析结果。

图5为图3频信号叠加电平等于-16dB、频率等于130HZ正弦波后频段1的谱分析。

图6为图3频信号叠加电平等于-16dB、频率等于200HZ正弦波后频段2的谱分析。

图7为图3频信号叠加电平等于-16dB、频率等于1kHZ正弦波后频段3的谱分析。

图8为图3频信号叠加电平等于-16dB、频率等于6kHZ正弦波后频段4的谱分析。

【具体实施方式】

如图1、2所示的音频动态反馈抑制方法，麦克风(MIC)得到的模拟音频信号通过AD转换器转换为数字信号，在20Hz-20KHz音频范围内，将频率按对数间隔1DB(10^0.1)分成四个频段，频段1(LP)：0-160HZ，频段2(BPL)：160-800HZ，频段3(BPM)：800-4000HZ，频段4(HP)：4000-20000HZ，各频带和中心频率、频域分辨率和频率偏移如下所示。

频段	频段1	频段2	频段3	频段4
					分辨率Δf(Hz)	1.25	6.25	31.25	187.5
频段中心频率f0(Hz)	80	480	2400	12000

频段	频段1	频段2	频段3	频段4
					Δf/f0(％)	1.56％	1.30％	1.30％	1.56％

各频段数字滤波器的传递函数为：

$H_{\mathrm{LP}}=\frac{1.8227\×{10}^{-7}{(1+2z^{-1}+z^{-2})}^2}{(1-1.9667z^{-1}+{0.9685z}^{-2})(1-1.9238z-1+0.9255z^{-2})}$

$H_{\mathrm{BPL}}=\frac{6.2634\×{10}^{-4}{(1-z^{-2})}^2}{(1-1.9506z^{-1}+{0.9528z}^{-2})(1-1.7968z^{-1}+{0.8281z}^{-2})}$

$H_{\mathrm{BPH}}=\frac{0.10845{(1-z^{-2})}^2}{(1-1.7305z^{-1}+0.7798z^{-2})(1-{0.8176z}^{-1}+{0.3989z}^{-2})}$

$H_{\mathrm{HP}}=\frac{0.4998{({1-2z}^{-1}+z^{-2})}^2}{({1-1.4539z}^{-1}+{0.6788z}^{-2})({1-1.1848z}^{-1}+{0.3680z}^{-2})}$

然后，用截止频率等于160HZ的数字低通滤波器，带通频率等于160-800HZ的带通数字滤波器，带通频率等于800-4000HZ的带通数字滤波器和截止频率等于4000HZ的高通数字滤波器对数字音频音信号进行滤波，得到四个频段的音频信号分量。滤波后信号的上限频率变低，因此可通过减采样降低数据量。各频段的抽样率分别是150、30、6和1。

再对减采样后音频分量进行固定长度的FFT算法分析，根据分辨率要求取分析长度N＝256。由于各频段数据量不同，因此各频段FFT算法运算的密度不同，高频段比低频段的FFT分析更频繁。

利用本发明可将谱分析的数字域分辨率控制在0.04π之内，同时具有很强的算法鲁棒性。

图5～图8准确地检测到了图3、图4音频信号的自激正弦频率。

根据用户设定的峰值特征参数，谱峰幅度与频谱平均幅度的差值，以及谱峰宽度，对各频段FFT算法分析结果分析判定是否存在自激频率，以及频率值的大小。

根据多频带FFT算法估计的自激频率值，设计二阶自适应陷波器，其陷波频率与自激频率相同。二阶陷波器的传递函数为：

$H_{\mathrm{NF}}\left(z\right)=\frac{{1+2k}_0{z}^{-1}+z^{-2}}{1+k_0(1+\mathrm{\α})z^{-1}+{\mathrm{\αz}}^{-2}}$

其中k₀与自激频率对应，α是陷波器宽度。

原始数字音频经过四个二阶自适应陷波器，自激频率得到抑制，在通过DA转换器转换并通过放大器放大后输出到喇叭，便可消除了反馈啸叫的产生。

Claims (6)

1.音频动态反馈抑制方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)通过数字滤波将数字音频信号分解成若干个频段的子信号；

2)根据预先设定的抽取率对滤波后的各频段信号进行降采样；

3)对各频段降采样后的数字音频进行快速傅里叶变换算法分析，估算自激频率；

4)根据估算的结果通过陷波器滤除自激频率。

2.根据权利要求1所述的音频动态反馈抑制方法，其特征在于将所述的数字音频信号分解成四个频段的子信号，四个频段的范围分别为0～160Hz、160Hz～800Hz、800Hz～4000Hz、4000Hz～20000Hz。

3.根据权利要求2所述的音频动态反馈抑制方法，其特征在于所述的四个频段降采样的抽取率分别为150、30、6、1。

4.根据权利要求2所述的音频动态反馈抑制方法，其特征在于所述的四个频段快速傅里叶变换算法的采样点相同，各选取256个采样点。

5.根据权利要求2至4任一项所述的音频动态反馈抑制方法，其特征在于通过四个串联的自适应二阶陷波器滤除自激频率。

6.根据权利要求5所述的音频动态反馈抑制方法，其特征在于四个自适应二阶陷波器的中心频率分别等于四个频段估算出的自激频率。

Images