CN111182431A - 一种会议扩声系统啸叫抑制方法 - Google Patents

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CN111182431A CN201911397018.9A CN201911397018A CN111182431A CN 111182431 A CN111182431 A CN 111182431A CN 201911397018 A CN201911397018 A CN 201911397018A CN 111182431 A CN111182431 A CN 111182431A
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Abstract

本发明提供一种会议扩声系统啸叫抑制方法，该方法采用移频和多全通滤波随机组合两种方法来破坏啸叫产生的相位条件，滤除啸叫信号方法中采用了3步来检测啸叫信号频率值，包括FFT初步检测，双幅度值细化，绝对幅值计算对比。

Description

一种会议扩声系统啸叫抑制方法
技术领域
本发明涉及声音信号处理技术领域，更具体地，涉及一种会议扩声系统啸叫抑制方法。
背景技术
会议扩声系统中，声音信号经过扬声器播放出来，声波通过会议室天花板、地面、墙面、桌面的反射，部分声波又由传声器拾入，经过扩声系统放大后再播出来，如图1所示。这样经过多次循环，扩声系统内会形成“扬声器系统→传声器→声信号处理设备→功率放大器→扬声器系统”的正反馈，使得有些频率输出信号幅度不断增加而产生振荡，出现啸叫。啸叫的产生会使听众感到极度不悦，甚至还会对音响系统的稳定造成破坏,使设备不能正常工作。
啸叫产生需要满足幅度和相位条件，其中幅度条件是声音信号在某个频率或者多个频率的幅度值大于原先的幅度值，即扩声系统的放大系数K与该系统的反馈系数β的乘积大于1，相位条件是输出给扬声器的信号与传声器接收的信号相位相差2π的整数倍。
为主动抑制会议扩声系统的啸叫，可采用方法主要有两种，移频法和陷波法。
移频法是将传声器接收信号频率升高或降低Δf，|Δf|≤10Hz。早在1960年的时候，Schroeder就提出了关于啸叫抑制中移频的方法，将传声器接收到的语音信号经过移频器，信号整体频率往上或者往下移动，破坏啸叫形成的相位条件，从而达到抑制啸叫的目的。早期的移频算法是基于模拟单边带调制来实现的，后来Vila Deutschbein使用截断的FIR希尔伯特滤波器来实现数字移频。有文献指出通过移频可以将扩声增益提高14dB，但是为避免通过移频算法导致语音产生较大的失真，主观上所能接受的增益提高量将会大幅降低，大概在5dB左右。实际的产品测试结果表明，实际应用中在音质可接受的条件下，扩声增益提高其实只有约为2～3dB。移频法的优点在于算法简单、易于实现、可以实现主动抑制啸叫，但是却改变了原始信号的频谱，造成一定程度的失真。特别是啸叫抑制效果不是很理想，扩声增益提升量有限，因此这种方法越来越少在实际产品中使用。
陷波法是目前主流的啸叫抑制方法，起源于上世纪90年代初Lewis和Er等的研究。根据啸叫的特征，用FFT算法先对传声器输入信号进行频谱分析，之后运用峰值检测算法选出候选啸叫频率。并将候选啸叫频率与设定的条件相比较判断是否为啸叫点。Lewis等人将信号的频域和时域准则一起结合起来用于检测和判断啸叫。一旦检测到啸叫频点，立即在传声器和扬声器之间插入一个双二阶陷波器用于抑制啸叫。随后，研究人员对Lewis等提出的方案进行改善，Kawamura等提出了根据估计背景噪声、信号频谱、混响时间和反馈路径响应在线实时修改时域和频域准则的阈值等参数，以提高算法的适用性。这种方法有三个步骤：(1)判断是否产生了啸叫；(2)精准找到啸叫频点；(3)实时设置数字均衡器对信号做陷波处理。该方法的难点在于如何精准找到啸叫频点？常用的方法是通过直接对信号做FFT找来到幅度峰值点，为了控制频差稳定不超过1Hz，若信号的采样率为48000Hz，那么FFT的点数就要不少于48000点，所需资源太大。因此要尽可能减小运算量，比如先用较少点数的FFT来预选啸叫频率点，然后再通过频谱细化(例如CZT、ZOOM-FFT等算法)来得到更为精确的频率值。陷波法的优点是算法原理简单、易于实现、可以实现主动抑制啸叫，并且不会像移频法那样容易产生尾声杂音。但啸叫频率多了以后，陷波器的个数也多，对有用信号的损伤很大，大大降低音质，特别是啸叫频点识别不够准确时对音质影响更大。实际测量发现，采用这种方法的扩声增益可提升4-6dB。
发明内容
本发明提供一种破坏啸叫条件和滤除啸叫信号相结合的会议扩声系统啸叫抑制方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种会议扩声系统啸叫抑制方法，包括以下步骤：
S1：接收会议室现场的声波信号并转换为模拟电信号，将该模拟电信号转换为数字信号；
S2：设计去相关处理算法，将步骤S1中的数字声音信号用该算法进行处理；
S3：设计啸叫声音识别和滤波算法，识别出步骤S2中得到的声音信号，将识别出的啸叫声音频率通过滤波器滤除。
进一步地，所述步骤S1的具体过程是：通过传声器接收会议室现场的声音信号x(t)，用模数转换器对信号x(t)采样量化后得出数字信号x(n)，其中采样率要求16kHz以上，量化精度16比特以上。
进一步地，信号x(t)包括发言人讲话的声音信号、扬声器播放的声音信号、环境噪声信号。
进一步地，所述步骤S2的具体过程是：
S21：令g(n)＝x(n)，设计一个希尔伯特滤波器h0(n)；
S22：计算滤波信号：
Figure BDA0002346580870000031
S23：计算移频信号：
z(n)＝y1(n)+y2(n)
y1(n)＝g(n)cosw0n，
Figure BDA0002346580870000032
w0＝2πΔf/fs
其中：Δf为-5～-3之间的一个值，fs为采样频率；
S24：设计3个IIR全通滤波器，包括1个二阶IIR全通滤波器h1(n)，1个四阶IIR全通滤波器h2(n)，1个六阶IIR全通滤波器h3(n)；
S25：分别用上述3个全通滤波器对信号z(n)滤波，v1(n)＝z(n)*h1(n)，v2(n)＝z(n)*h2(n)，v3(n)＝z(n)*h3(n)；
S26：将上述3个输出信号进行线性组合：
v(n)＝a1*v1(n)+a2*v2(n)+a3*v3(n)
其中a1，a2，a3为随机数，且a1+a2+a3＝1。
进一步地，所述步骤S3的具体过程是：
S31：对v(n)进行分帧处理，帧长为N，帧移为P，则第m帧可以表示为y[m]，则相应的传声器信号的短时离散时间傅里叶变换可表示为：
Figure BDA0002346580870000033
式中，w[m]为窗函数用于减少频谱泄漏，可选哈明窗或汉宁窗，WN＝e-j(2π/N)，在实际实现时，DFT的计算可以用快速傅里叶变换求得；
S32：对模值|Y(k)|进行冒泡排序找到最大值，将找寻到的峰值点记为FFT_PEAK，FFT_PEAK就是候选啸叫点，判断FFT_PEAK的索引值I_MAX_NOW与上一次的索引值I_MAX_BEFORE的差值是否满足设置的条件：
|I_MAX_NOW-I_MAX_BEFOR|≤Tpeak
其中，Tpeak的值设为0或1；
S33：计算峰值点的功率：
Figure BDA0002346580870000041
式中，ki为峰值频率点对应的Y(k)的索引值k，m表示取峰值左右m点的值取平均；
S34：计算平均功率：
Figure BDA0002346580870000042
S35：计算平均功率的平滑值：
Paverage(n)＝(1-α)Paverage(n)+αPaverage(n-1)；
S36：计算信噪比值HNPR：
HNPR＝Ppeak-Paverage；
S37：判断HNPR连续大于设置的阈值的帧数，若满足要求，则将该频率点视为啸叫频点；
S38：细化识别出的啸叫点频率值，将|Y(k)|的幅度最大值记为A1，其索引值记为ki在紧邻ki的左右两条FFT谱线中的较大一条称之为幅度次大值，记为kl＝ki-1或ki+1，在次大谱线的模值可表示为A2；
S39：计算修正后的啸叫频率值
Figure BDA0002346580870000043
Figure BDA0002346580870000044
其中，fs为采样频率，N为FFT的点数，公式中的δ符号由次大值位于最大值的左侧或者右侧取减号或者加号；
S310：设：f″(j)＝f′-5+j j＝0,1,2,L,9，
Figure BDA0002346580870000045
计算：
Figure BDA0002346580870000046
S311：计算|Y″(j)|，找出|Y″(j)|的最大值，将其对应的j代入f″(j)＝f′-5+j，计算出来的f″(j)即为啸叫频率值；
S312：设计双二阶IIR陷波器组，每个陷波器对应一个啸叫频率，陷波器的Q值设为30～70，增益值设为-9～-12dB：
Figure BDA0002346580870000051
S313：用滤波器H(z)对信号v(n)进行滤波，将滤波后的信号给会议扩声系统进行播放。
优选地，步骤S33中，m取为1或2。
优选地，α的值取0.01～0.1之间的值。
优选地，步骤S37中判断HNPR连续大于设置的阈值的帧数，该帧数的累计时间约为0.4s。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种破坏啸叫条件和滤除啸叫信号相结合的会议扩声系统啸叫抑制方法。破坏啸叫条件采用移频和多全通滤波随机组合两种方法来破坏啸叫产生的相位条件，滤除啸叫信号方法中采用了3步来检测啸叫信号频率值，包括FFT初步检测，双幅度值细化，绝对幅值计算对比。
附图说明
图1为现有技术中会议扩声系统结构示意图；
图2为本发明方法信号处理框图；
图3为本发明方法流程图；
图4为含啸叫声的声音信号时域波形图；
图5为希尔伯特滤波器频率特性图；
图6为x(n)信号移频-5Hz的时域波形图；
图7为全通滤波后的混合信号v(n)时域波形图；
图8为陷波器幅频响应图；
图9为陷波器滤波后的信号时域波形图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图2-3所示，一种会议扩声系统啸叫抑制方法，包括以下步骤：
S1：接收会议室现场的声波信号并转换为模拟电信号，将该模拟电信号转换为数字信号；
S2：设计去相关处理算法，将步骤S1中的数字声音信号用该算法进行处理；
S3：设计啸叫声音识别和滤波算法，识别出步骤S2中得到的声音信号，将识别出的啸叫声音频率通过滤波器滤除。
步骤S1的具体过程是：通过传声器接收会议室现场的声音信号x(t)，用模数转换器对信号x(t)采样量化后得出数字信号x(n)，其中采样率要求16kHz以上，量化精度16比特以上。
其中，信号x(t)包括发言人讲话的声音信号、扬声器播放的声音信号、环境噪声信号。
步骤S2的具体过程是：
S21：令g(n)＝x(n)，设计一个希尔伯特滤波器h0(n)；
S22：计算滤波信号：
Figure BDA0002346580870000061
S23：计算移频信号：
z(n)＝y1(n)+y2(n)
y1(n)＝g(n)cosw0n，
Figure BDA0002346580870000062
w0＝2πΔf/fs
其中：Δf为-5～-3之间的一个值，fs为采样频率；
S24：设计3个IIR全通滤波器，包括1个二阶IIR全通滤波器h1(n)，1个四阶IIR全通滤波器h2(n)，1个六阶IIR全通滤波器h3(n)；
S25：分别用上述3个全通滤波器对信号z(n)滤波，v1(n)＝z(n)*h1(n)，v2(n)＝z(n)*h2(n)，v3(n)＝z(n)*h3(n)；
S26：将上述3个输出信号进行线性组合：
v(n)＝a1*v1(n)+a2*v2(n)+a3*v3(n)
其中a1，a2，a3为随机数，且a1+a2+a3＝1。
步骤S3的具体过程是：
S31：对v(n)进行分帧处理，帧长为N，帧移为P，则第m帧可以表示为y[m]，则相应的传声器信号的短时离散时间傅里叶变换可表示为：
Figure BDA0002346580870000071
式中，w[m]为窗函数用于减少频谱泄漏，可选哈明窗或汉宁窗，WN＝e-j(2π/N)，在实际实现时，DFT的计算可以用快速傅里叶变换求得；
S32：对模值|Y(k)|进行冒泡排序找到最大值，将找寻到的峰值点记为FFT_PEAK，FFT_PEAK就是候选啸叫点，判断FFT_PEAK的索引值I_MAX_NOW与上一次的索引值I_MAX_BEFORE的差值是否满足设置的条件：
|I_MAX_NOW-I_MAX_BEFOR|≤Tpeak
其中，Tpeak的值设为0或1；
S33：计算峰值点的功率：
Figure BDA0002346580870000072
式中，ki为峰值频率点对应的Y(k)的索引值k，m表示取峰值左右m点的值取平均；
S34：计算平均功率：
Figure BDA0002346580870000073
S35：计算平均功率的平滑值：
Paverage(n)＝(1-α)Paverage(n)+αPaverage(n-1)；
S36：计算信噪比值HNPR：
HNPR＝Ppeak-Paverage；
S37：判断HNPR连续大于设置的阈值的帧数，若满足要求，则将该频率点视为啸叫频点；
S38：细化识别出的啸叫点频率值，将|Y(k)|的幅度最大值记为A1，其索引值记为ki在紧邻ki的左右两条FFT谱线中的较大一条称之为幅度次大值，记为kl＝ki-1或ki+1，在次大谱线的模值可表示为A2；
S39：计算修正后的啸叫频率值
Figure BDA0002346580870000074
Figure BDA0002346580870000081
其中，fs为采样频率，N为FFT的点数，公式中的δ符号由次大值位于最大值的左侧或者右侧取减号或者加号；
S310：设：f″(j)＝f′-5+j j＝0,1,2,L,9，
Figure BDA0002346580870000082
计算：
Figure BDA0002346580870000083
S311：计算|Y″(j)|，找出|Y″(j)|的最大值，将其对应的j代入f″(j)＝f′-5+j，计算出来的f″(j)即为啸叫频率值；
S312：设计双二阶IIR陷波器组，每个陷波器对应一个啸叫频率，陷波器的Q值设为30～70，增益值设为-9～-12dB：
Figure BDA0002346580870000084
S313：用滤波器H(z)对信号v(n)进行滤波，将滤波后的信号给会议扩声系统进行播放。
步骤S33中，m取为1或2；α的值取0.01～0.1之间的值；步骤S37中判断HNPR连续大于设置的阈值的帧数，该帧数的累计时间约为0.4s。
在某会议室录制一段扩声系统播放出来的含啸叫声的声音信号x(n)，采样频率为48000Hz,采样精度为16比特，时域波形如图4所示。
设计一个如图5所示希尔伯特滤波器h0(n)，计算滤波信号
Figure BDA0002346580870000085
得到移频-5Hz的信号z(n)＝y1(n)+y2(n)，其中
y1(n)＝x(n)cos w0n，
Figure BDA0002346580870000086
w0＝2πΔf/fs
Δf为-5Hz，fs为系统的采样频率。移频后的信号z(n)的时域波形如图6所示。
设计3个全通滤波器，全通滤波器1的系数为b1＝[0.92 1.76 1]，a1＝[1 1.760.92]；全通滤波器2的系数为b2＝[0.13 0.82 0.47 0.78 1]，a2＝[1 0.78 0.47 0.820.13]；全通滤波器3的系数为b3＝[0.61 0.22 0.32 0.39 0.89 0.93 1]；
a3＝[1 0.93 0.89 0.39 0.32 0.22 0.61]。用这3个全通滤波器分别对z(n)进行滤波，滤波以后的信号分别记为v1(n)、v2(n)、v3(n),将这3个信号线性组合得到v(n)：
v(n)＝0.29v1(n)+0.37v2(n)+0.34v3(n)
时域波形见图7。
对v(n)进行分帧处理，帧长为512，帧移为128，窗函数选哈明窗，用FFT计算每帧进行离散时间傅里叶变换Y(k)。对模值|Y(k)|进行冒泡排序找到最大值，将找寻到的峰值点作为候选啸叫点。若某候选啸叫点的幅值与其相邻4个点的幅度平均值相比连续大于50的帧数达到70帧则将该频率点视为啸叫频点。结果为啸叫频率点是7500Hz。
在此基础上对频率值进一步细化。找出啸叫点频率对应的频域幅值A1为26.56,FFT结果的索引值为80。其两边相邻谱线的值分别为8.35，15.03，FFT结果的索引值分别为81、79。因此次大谱线的模值A2＝15.03，索引值为79。
根据公式：
Figure BDA0002346580870000091
得出修正后的频率值为7491.5Hz。
计算v(n)信号在7486.5Hz～7496.5Hz之间的傅里叶变换幅值，频率步长为1Hz,找出最大值对应的频率点，结果为7488.5Hz,此频率即为啸叫频率。
设计双二阶IIR陷波器，啸叫频率7488.5Hz对应的归一化数字频率为0.312，陷波器的Q值设为50，增益值设为-12dB，该陷波器的系数为：
B＝[0.5036 -0.5581 0.4987]，A＝[0.5110 -0.5581 0.4914]，幅频响应见图8。
用该滤波器对v(n)信号进行滤波，滤除啸叫信号，滤波后的信号时域波形如图9。从图中可以看出，与图7相比，3-4秒之间的啸叫信号得到抑制。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：接收会议室现场的声波信号并转换为模拟电信号，将该模拟电信号转换为数字信号；
S2：设计去相关处理算法，将步骤S1中的数字声音信号用该算法进行处理；
S3：设计啸叫声音识别和滤波算法，识别出步骤S2中得到的声音信号，将识别出的啸叫声音频率通过滤波器滤除。
2.根据权利要求1所述的会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程是：通过传声器接收会议室现场的声音信号x(t)，用模数转换器对信号x(t)采样量化后得出数字信号x(n)，其中采样率要求16kHz以上，量化精度16比特以上。
3.根据权利要求2所述的会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，信号x(t)包括发言人讲话的声音信号、扬声器播放的声音信号、环境噪声信号。
4.根据权利要求3所述的会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程是：
S21：令g(n)＝x(n)，设计一个希尔伯特滤波器h0(n)；
S22：计算滤波信号：
Figure FDA0002346580860000011
S23：计算移频信号：
z(n)＝y1(n)+y2(n)
y1(n)＝g(n)cos w0n，
Figure FDA0002346580860000012
w0＝2πΔf/fs
其中：Δf为-5～-3之间的一个值，fs为采样频率；
S24：设计3个IIR全通滤波器，包括1个二阶IIR全通滤波器h1(n)，1个四阶IIR全通滤波器h2(n)，1个六阶IIR全通滤波器h3(n)；
S25：分别用上述3个全通滤波器对信号z(n)滤波，v1(n)＝z(n)*h1(n)，v2(n)＝z(n)*h2(n)，v3(n)＝z(n)*h3(n)；
S26：将上述3个输出信号进行线性组合：
v(n)＝a1*v1(n)+a2*v2(n)+a3*v3(n)
其中a1，a2，a3为随机数，且a1+a2+a3＝1。
5.据权利要求4所述的会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程是：
S31：对v(n)进行分帧处理，帧长为N，帧移为P，则第m帧可以表示为y[m]，则相应的传声器信号的短时离散时间傅里叶变换可表示为：
Figure FDA0002346580860000021
式中，w[m]为窗函数用于减少频谱泄漏，可选哈明窗或汉宁窗，WN＝e-j(2π/N)，在实际实现时，DFT的计算可以用快速傅里叶变换求得；
S32：对模值|Y(k)|进行冒泡排序找到最大值，将找寻到的峰值点记为FFT_PEAK，FFT_PEAK就是候选啸叫点，判断FFT_PEAK的索引值I_MAX_NOW与上一次的索引值I_MAX_BEFORE的差值是否满足设置的条件：
|I_MAX_NOW-I_MAX_BEFOR|≤Tpeak
其中，Tpeak的值设为0或1；
S33：计算峰值点的功率：
Figure FDA0002346580860000022
式中，ki为峰值频率点对应的Y(k)的索引值k，m表示取峰值左右m点的值取平均；
S34：计算平均功率：
Figure FDA0002346580860000023
S35：计算平均功率的平滑值：
Paverage(n)＝(1-α)Paverage(n)+αPaverage(n-1)；
S36：计算信噪比值HNPR：
HNPR＝Ppeak-Paverage；
S37：判断HNPR连续大于设置的阈值的帧数，若满足要求，则将该频率点视为啸叫频点；
S38：细化识别出的啸叫点频率值，将|Y(k)|的幅度最大值记为A1，其索引值记为ki在紧邻ki的左右两条FFT谱线中的较大一条称之为幅度次大值，记为kl＝ki-1或ki+1，在次大谱线的模值可表示为A2；
S39：计算修正后的啸叫频率值
Figure FDA0002346580860000031
Figure FDA0002346580860000032
其中，fs为采样频率，N为FFT的点数，公式中的δ符号由次大值位于最大值的左侧或者右侧取减号或者加号；
S310：设：f″(j)＝f′-5+j j＝0,1,2,L,9，
Figure FDA0002346580860000033
计算：
Figure FDA0002346580860000034
S311：计算|Y″(j)|，找出|Y″(j)|的最大值，将其对应的j代入f″(j)＝f′-5+j，计算出来的f″(j)即为啸叫频率值；
S312：设计双二阶IIR陷波器组，每个陷波器对应一个啸叫频率，陷波器的Q值设为30～70，增益值设为-9～-12dB：
Figure FDA0002346580860000035
S313：用滤波器H(z)对信号v(n)进行滤波，将滤波后的信号给会议扩声系统进行播放。
6.据权利要求5所述的会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，步骤S33中，m取为1或2。
7.据权利要求6所述的会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，步骤S35中，α的值取0.01～0.1之间的值。
8.据权利要求6所述的会议扩声系统啸叫抑制方法，其特征在于，步骤S37中判断HNPR连续大于设置的阈值的帧数，该帧数的累计时间约为0.4s。
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