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自適應聲反饋抑制技術及其應用

來源:演藝科技傳媒        編輯:ZZZ    2024-02-22 10:04:15     加入收藏

  聲反饋是現場擴聲中最令人頭疼的問題。聲反饋會造成再生混響,嚴重影響語音清晰度,限制系統傳聲增益的提高,并使聲音產生失真。當聲反饋嚴重時,會產生自激嘯叫,使整個系統無法正常工作,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完成的。這種反饋抑制器有多個(通常為12~24個)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,當檢測到某個頻率的聲反饋信號時,就會在該頻率激活一個相應的濾波器,使該頻率的增益降低,于是該頻點的聲反饋被抑制,這樣就可以對該聲場的一些主要聲反饋頻點進行衰減。另一部分陷波器設置成活動濾波器,以便對使用中的系統可能產生的聲反饋隨時進行抑制。

  然而,這種方式存在著一定的局限性。最明顯的問題就是,有時不能識別某些反饋聲信號,原因是這種方式本質上仍是均衡器。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造成聲道之間的相位誤差,這樣便會在一定程度上影響音質和聲像位置,從而產生不理想的結果。同時,擴聲現場的聲學環境也常常隨著各種外在條件而變化,特別是聽眾的數量和不同季節衣著的改變都會明顯影響聲反饋頻點的頻率,雖有活動濾波器來應付,但常常并不能及時、準確地啟動而進行抑制。因此,這種方法往往對建筑聲學、電聲設備和系統操作都有較高的要求,但在特定聲學環境中如果調試得當,還是能有良好的抑制效果。生產這類產品最著名的公司有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音頻率范圍而言問題不大,聽眾不能輕易察覺到,但對較低頻率的聲頻信號其頻率的改變就難以接受。同時,移頻方式在臨界反饋時會產生明顯的調頻現象,使聲音產生震顫,因此,只能用在對音質要求不高的一些場合。據悉,目前有一種移頻反饋抑制方式不是將全頻帶移頻,而是只將反饋點的頻率移頻來抑制反饋,效果如何,筆者尚未使用過。

  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的一種聲反饋抑制方式。近年來,在現代的信號處理理論基礎上提出了先進的自適應聲反饋抵消技術,有效地突破傳統的聲反饋抑制的局限,具有操作簡單、聲音失真小、傳聲增益提高明顯等優點。

  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態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境的數學模型不是完全確定的,其中包含一些未知因素和隨機因素。任何一個實際系統都具有不同程度的不確定性,這些不確定性有時表現在系統內部,有時表現在系統的外部。

  從系統內部來講,描述被控對象的數學模型的結構和參數設計者事先并不一定能準確知道;作為外部環境對系統的影響,可以等效地用許多擾動來表示,這些擾動通常是不可預測的;此外,還有一些測量時產生的不確定因素進入系統。面對這些客觀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或者近似最優,這就是自適應控制所要研究解決的問題。

  自適應控制和常規的反饋控制和最優控制一樣,也是一種基于數學模型的控制方法,所不同的只是自適應控制所依據的關于模型和擾動的先驗知識比較少,需要在系統的運行過程中去不斷提取有關模型的信息,使模型逐步完善。具體地說,可以依據對象的輸入輸出數據,不斷地辨識模型參數,這個過程稱為系統的在線辯識。隨著過程的不斷進行,通過在線辯識,模型會變得越來越準確,越來越接近于實際。既然模型在不斷地改進,顯然,基于這種模型綜合出來的控制作用也將隨之不斷地改進。在這個意義下,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,系統在剛開始投入運行時性能也許不理想,但是只要經過一段時間的運行,通過在線辯識和控制以后,控制系統逐漸適應,最終將自身調整到一個滿意的工作狀態。再比如,某些控制對象,其特性可能在運行過程中要發生較大的變化,但通過在線辯識和改變控制器參數,系統也能逐漸適應(節選自2009年北京理工大學出版社出版的《自適應控制》一書)。常規的控制系統對于系統內部特性的變化和外部擾動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的變化幅度很大時,系統的性能常常會大幅度下降,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特性變化范圍大、同時又要求經常保持高性能指標的系統是十分適用的,而現場擴聲系統正是符合這種要求的系統。由此可見,自適應控制技術用于現場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、非線性處理及子帶技術等來實現全頻段反饋抑制。

  自適應聲反饋抑制系統是一個具有兩個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基準信號,而將本地揚聲器的輸出信號作為一個參考信號。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,它能夠實時拾取變化信號,通過自適應算法自動調整濾波器參數,以達到最優的濾波效果。經過自適應干擾抵消處理后,能夠將本地傳聲器輸出經室內聲場饋至傳聲器的電聲反饋有效地抑制,也就實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。而實際情況并非如此,由于環境噪聲的影響,即使估算反饋信號與實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際的反饋激勵響應,加之本地發言對反饋濾波器參數修正的影響,殘余反饋總是存在,因此,需要用非線性處理來進一步降低反饋。

  經非線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。原則上信號經過此兩組濾波器后,應還原為原始的信號。但在實際應用中,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呢?實際上這參考信號是來自傳聲器接收到的揚聲器聲反饋信號,由系統自動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是自動適應現場聲學環境,完全不需要調試,簡單可靠,可提高傳聲增益6 dB~12 dB。今后長期使用中不論現場聲學環境產生什么變化,也能自動適應新的聲學環境進行聲反饋抑制。

  自適應濾波技術除了用于聲反饋抑制(AFC),也用于回聲消除(AEC)、環境噪聲消除(ANC)和自動聲場均衡(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的公司不少,但真正形成產品的并不多。國外主要有Ploycom、ClearOne和Biamp等,但產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功能。

  國內自主研究自適應濾波技術的主要有上海朗谷電子科技有限公司(Longoo,以下簡稱“郎谷”)、成都海普迪科技有限公司(Hpdtech,以下簡稱“海普迪”)和廣州市廣鑫電子科技有限公司等。據悉,三基音響企業集團和綿陽科創園區昊天電子科技有限公司也開始涉足該技術。自適應反饋抑制的工作原理中,最重要的一個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。

  國內出現了不少專門的自適應反饋抑制器產品,除了掌握核心技術的公司有自身的產品外,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品。下面介紹國內幾家公司的這類產品。

  3.1HD系列反饋抑制器

  “ 郎谷” 曾生產過專門的反饋抑制器產品HD1014,除了反饋抑制功能外,還有自動噪聲抑制和自動增益控制功能。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,目前定型產品主要有HD1033、HD1040和HD1057。前兩種都是4進4出,但HD1033有回聲抑制功能,以適應視頻會議的需要。這幾種產品輸入可為傳聲器電平(帶幻象電源)或線路電平,并帶有智能混音,還有自動聲場均衡功能,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、線路和錄音電平調節旋鈕,如圖2。上述產品接上傳聲器、功率放大器和揚聲器就可組成性能很好的小型會議擴聲系統或某些特需場合(如法庭)的擴聲系統。產品的各輸入、輸出通道的功能和參數可用USB接口連接計算機通過隨機軟件進行設定。“郎谷”也可按客戶要求定制各種帶自適應處理功能的模塊和產品。

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”沒有平衡輸入、輸出的專門反饋抑制器產品,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,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,也可連接電腦通過隨機軟件進行各輸入、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品的公司。例如深圳市東微智能科技有限公司(以下簡稱“東微”)曾有自適應反饋抑制器AFC6-4產品,雙通道平衡0 dB電平輸入、輸出,帶有自動噪聲抑制功能,在后面板可用撥碼開關進行必要的設定。還有廣東省美鐳電子廠的A-7230、廣州艾索電子產品有限公司的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“朗谷”和“東微”的產品,效果都不錯。“朗谷”的產品功能比較完善,且在臨界反饋時金屬聲拖尾比“東微”的產品小,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”產品不需要連接計算機設置,較為方便。筆者也用過其他品牌(未在上面列出)的這類產品,發現效果不佳,可見同樣類型的產品也良莠不齊。

  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:現在有一些稱作“自動反饋抑制器”的產品,它和自適應反饋抑制完全是兩回事。其中有的是經典的陷波式反饋抑制器,只是采用了自動調試方式,就是按一下按鈕就自動緩慢地提高增益使系統產生反饋并逐一抑制。這種方法雖然避免了對陷波器進行逐個人工調試,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,商家竟然也稱之為“自適應”。有的制造商同時擁有陷波、移頻和自適應濾波多種方式的反饋抑制器產品,更容易混淆。因此,選擇產品時一定要分清楚,是不是真正采用自適應濾波方式的反饋抑制器。

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