自適應(yīng)反饋消除算法評估實驗

自適應(yīng)反饋消除算法評估實驗指導(dǎo)老師：隋富生（中國科學院聲學所研究員）小組成員：高健，邢舉學，姜振喜一、實驗背景聲反饋指在現(xiàn)場擴聲工程中，傳聲器接收到待擴聲的聲源信號，經(jīng)過功率放大，從揚聲器傳播出來再反饋到傳聲器，形成閉合放大回路。當這種反饋滿足特定振蕩條件時將產(chǎn)生一種尖銳刺耳的聲音，即嘯叫現(xiàn)象。聲反饋現(xiàn)象一旦發(fā)生，輕者會造成傳聲器通路音量無法調(diào)大，調(diào)大后嘯叫非常嚴重，對現(xiàn)場擴聲效果會造成惡劣影響，或傳聲器聲音開大后出現(xiàn)聲音振鈴現(xiàn)象（即位于聲反饋臨界點時傳聲器聲音的尾音現(xiàn)象），聲音存在混響感，破壞音質(zhì);重者導(dǎo)致音箱或功率放大器由十信號過強燒毀。最開始時聲反饋的嘯叫抑制是音響師和調(diào)音師們的工作，他們必須對擴聲現(xiàn)象的聲音效果時刻保持關(guān)注，在嘯叫出現(xiàn)時迅速手動調(diào)節(jié)設(shè)備去除嘯叫。這樣的解決方法不僅耗費人力，效率很低。隨著科技的進步，特別是電子計算機技術(shù)的發(fā)展，許多依賴電子技術(shù)自動處理嘯叫的技術(shù)應(yīng)運而生。這樣的系統(tǒng)也被稱聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)。二、實驗原理1.聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)基本原理物理模型的建立：在擴聲工程中，比如音樂會現(xiàn)場，一般會使用多個傳聲器采集舞臺上表演者的聲信號，然后用布置在現(xiàn)場不同位置的多個揚聲器將聲信號擴大輸出給觀眾。在布置時會考慮盡量避免揚聲器直接對準傳聲器，但由十地板，墻面等的反射作用，不可避免有聲

音由十反射被傳聲器接受，產(chǎn)生聲反饋，具體模型可用圖1-1中所示離散域多通道模型描述：electro-acousiicforwardpaihys(t)acousticelectro-acousiicforwardpaihys(t)acousticfeedbackpatli圖IT擴聲系統(tǒng)的離散模型[1]圖1-1中，vC)表示聲源信號，＞(t)表示不同傳聲器接收到的信號u(t)表示不同揚聲器的輸出信號，系統(tǒng)F為聲反饋通路，系統(tǒng)G為電聲前饋通路。圖中模型可用如下公式表示y(t)=u(t)=F(q,t)u(

Gk(t),ty(t)=u(t)=F(q,t)u(

Gk(t),tJ)+v(t),(1—2—1)(1-2-2)(1—2—3)(1—2—4)(1—2—5)等式(1-2-1)和等式(1-2-2)中多通道聲反饋函數(shù)F(q,t)和電聲前饋函數(shù)ge(t)孩)可分別如下表示：(F(q,t)11.F(q,t)=..,F(q,t)'S1F(q,t)[1L.(1—2—6)，",t)&(1—2—3)(1—2—4)(1—2—5)ge(t)孩)可分別如下表示：(F(q,t)11.F(q,t)=..,F(q,t)'S1F(q,t)[1L.(1—2—6)，",t)&《(?〃>&/)=.G1S微.(1—2—7)ij(q,t)(q,t)=f(o)(t)+fM)q_i+...+f頃4,(1-2-8)&t)=爐)+叩處-1+...+g")q=,(i-2-9)FijGji式(1-2-8)和式(1-2-9)中q表示離散時間移位算符，nF和％則表示預(yù)測模型的階數(shù)，也可以看作FIR濾波器的階數(shù)。為便于分析系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)框圖如圖1-2所示：圖1-2圖1-2聲反饋系統(tǒng)框圖由圖1-2,整個閉合系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)可以用公式(1-2-10)表示為:V(w,t)1-G(w,t)F(w,t)'(1—2—10)U穌t)G穌t)式(1—2—10)中U(0,t)和V(o,。表示揚聲器和聲源信號的短時傅里葉頻譜，G(w,。和尸(w,。則分別表示前饋和反饋通道函數(shù)的短時傅里葉頻譜。定義|G(n,t)F(nV(w,t)1-G(w,t)F(w,t)'(1—2—10)hG(&,t)FCo,t)>1(1—2—11)IZGCo,t)FCo,t)=2nn,ng(1—2—11)2.自適應(yīng)反饋消除(AFC)算法原理自適應(yīng)濾波器干擾消除模型：自適應(yīng)濾波器具有在未知環(huán)境下良好運行并跟蹤輸入統(tǒng)計量隨時間變化的能力，基本原理可解釋為：輸入向量和期望響應(yīng)被用來計算估計誤差，該誤差依次用來控制一組可調(diào)濾波器系數(shù)。自適應(yīng)反饋消除技術(shù)(AFC)運用了自適應(yīng)濾波器干擾消除模型，如圖2-1所示：M本信弓d圖2TM本信弓d圖2T自適應(yīng)濾波器干擾消除模型框圖UTG如,(2—2—3)自適應(yīng)濾波器以某種意義上的最優(yōu)化方式消除包含在基本信號中的未知干擾，在聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)中，待擴聲聲源信號為基本信號，由揚聲器反饋至傳聲器的信號為待消除的干擾信號?；拘盘栍米鲎赃m應(yīng)濾波器的期望相應(yīng)，參考信號用作濾波器的輸入。三、實驗內(nèi)容1.歸一化最小均方差法(NLMS)考慮到如果用自適應(yīng)濾波器去模擬房間函數(shù)，則所用到得濾波器階數(shù)會很高，在實時系統(tǒng)中會帶來很大的計算量，因此大部分AFC算法計算中只取固定預(yù)測長度，及下一個參數(shù)只和前面固定個數(shù)輸入有關(guān)，而不是和前面所有輸入有關(guān)。NLMS算法如下所示：兒牝項=yG)-uGf-1)_(2—2—2)fG)=f(r-1)+公式(2-2-1)和(2-2-2)中的工)表示進行聲反饋補償后的信號，可以通過它和預(yù)測濾波器輸入uQ來調(diào)整預(yù)測濾波器系數(shù)以達到最佳濾波效果。h是步進系數(shù)，是表示收斂大小的量。利用計算機仿真軟件做仿真測試，結(jié)果如下：(2—2—2)直摟逐點法I吳差信號C=A-B補償后信號日聲源信號Aa50100時間(樣本點)圖2-1NLMS算法仿真實驗結(jié)果圖2-1日的為截取一段信號，分析自適應(yīng)預(yù)測效果，A為聲源信號,B為經(jīng)過預(yù)測補償后的信號，而C表示聲源信號和經(jīng)過補償后信號的差值。從上圖可以看出，補償后信號變化趨勢大體接近聲源信號，但聲源很大一塊有效部分被濾除，這是由十聲源信號和聲反饋信號之間極大的相關(guān)性導(dǎo)致的。白噪聲輸入法如果在電聲前饋通路中加入白噪聲，就可以降低這種相關(guān)性造成的預(yù)測誤差，圖2-2即為這種方案的嘗試，2-2中縱坐標為仿真是所用實際聲通路函數(shù)和自適應(yīng)濾波器預(yù)測模擬聲反饋通路函數(shù)之間差的平方和。圖2-2白噪聲輸入法仿真結(jié)果從圖2-2可以看出所加入的噪聲越大，自適應(yīng)濾波器的預(yù)測也就越準確。但噪聲太大的話會影響聲音的品質(zhì)，太小又起不到降低相關(guān)的作用，使用時應(yīng)該就具體情況進行權(quán)衡。非線性偏移法在信號處理過程中加入非線性偏移，也可以起到破壞聲源信號和聲反饋信號之間的偏移的效果，如圖2-3所示。和加入白噪聲一樣，加入的非線性偏移越大，所產(chǎn)生的破壞相關(guān)作用越明顯，也就是預(yù)測越準確，這產(chǎn)生的后果也是對音質(zhì)的破壞。非線性偏移欄alfa-0.3alfa=0_7alfa=O.&-alfa-03*3lfa=0140jIII■III■II002040.6aS112141.6132時間（樣本點）三JvIU圖2-3非線性偏移法仿真結(jié)果插入延遲法語音信號雖然可看成是短時平穩(wěn)隨機信號，其語音模型不是一百保持不變的，可以在電回路中認為加入一定的延遲，也可達到破壞相關(guān)的作用。至于延遲多少合適，做如圖2-4的測試。圖2-4延遲插入法仿真結(jié)果從圖2-4可以看出，一定的延遲有助于降低與預(yù)測誤差，而當延遲大于一定的樣本點后，預(yù)測的準確基本保持在一個穩(wěn)定的水平。從音質(zhì)角度出發(fā)，太大的延遲會產(chǎn)生很強的混響感，對音質(zhì)是一種破壞，因此對該樣本區(qū)10-30個樣本延遲即可，在該測試中因為所取樣本采樣率為22KHz,所以每個樣本點延遲大概為0.05毫秒。四、實驗總結(jié)經(jīng)過這次實驗，使我們對測試技術(shù)這門專業(yè)課有了更為深入的了解，就像如何與同事相處，相信人際關(guān)系是現(xiàn)今不少大學生剛踏出社會遇到的一大難題，于是在實習中我們有意觀察前輩們是如何和同事們以及上級們相處的，而自己也盡量虛心請教，多請教前輩可以少走很多彎路。此次實驗使我們切實提高了自己的綜合能力，比如學習能力，實驗動手能力，分析解決實際問題的能力?？傊?，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。還有執(zhí)行力和專注力，執(zhí)行力是一種實力，執(zhí)行力和專注力可謂是決定一切的素質(zhì)，現(xiàn)代社