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基于FPGA的啸叫检测与抑制系统设计(论文和源码).rar

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    编号:20180825164859880    类型:共享资源    大小:83.97MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-25
      
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    基于 FPGA 检测 抑制 系统 设计 论文 源码
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    2015 年 12 月 第 36 卷第 12 期 计算机工程与设计 COMPUTERENGINEERINGANDDESIGN Dec.2015 Vol.36  No.12 具 有 啸 叫 检 测 与 抑 制 的 音 频 功 率 放 大 系 统 李演明 ,杨晓冰 ,张豪 ,邱彦章 ,文常保 (长安大学电子与控制工程学院 ,陕西西安 710064 ) 摘要 :设计一种音频功率放大系统 。采用 Ti 的 TPA3112D1 芯片实现功率放大 ,采用移频算法抑制声反馈环路的啸叫 , 基于 DSP 芯片 TMS320C5509 实现该算法 ,其通过单片机来设定音频放大器的最大功率和与之匹配的系统放大倍数 。设计 啸叫频率与放大器输出功率的测量电路 。实际硬件电路测试结果表明 ,在 20mV 输入信号下 ,输出功率有效可调范围为 50 mW-5W ;在 1.5W-5W 输出功率范围内 ,系统效率均高于 80% ,最高达到 90% ;通过缩短话筒和喇叭之间的距离诱发啸 叫现象 , DSP 移频算法介入后 ,啸叫现象被有效抑制 ,音频信号本身基本不受影响 。 关 键 词 :啸叫检测 ;啸叫抑制 ;音频功率放大 ; DSP ;移频 中 图 法 分 类 号 : TP273.5 文 献 标 识 号 : A 文 章 编 号 : 1000-7024 ( 2015 ) 12-3235-06 doi : 10.16208 / j.issn1000-7024.2015.12.015 收 稿 日 期 : 2014-12-20 ; 修 订 日 期 : 2015-02-27 基 金 项 目 :陕西省自然科学基础研究计划基金项目 ( 2014JQ8338 ) ;西安市科技计划基金项目 ( CXY1342 ( 6 ) ) ;中央高校基本科研业务费 基金项目 ( 2013G1321041 、 2013G3322010 ) 作 者 简 介 :李演明 ( 1979 ) ,男 ,甘肃白银人 ,博士 ,研究方向为混合信号集成电路 、功率电子及嵌入式系统 ;杨晓冰 ( 1990 ) ,女 ,河 南郑州人 ,硕士研究生 ,研究方向为功率电子及嵌入式系统 ;张豪 ( 1992 ) ,男 ,陕西西安人 ,硕士研究生 ,研究方向为功率电子及嵌入 式系统 ;邱彦章 ( 1957 ) ,男 ,陕西铜川人 ,硕士 ,副教授 ,研究方向为地球物理学科中的信号分析和处理 、电子信息学科中的集成电路 设计与应用 ;文常保 ( 1976 ) ,男 ,山西运城人 ,博士 ,教授 ,研究方向为传感器及敏感材料 、信号处理技术与检测装置 。 E-mail : ymli @chd.edu.cn Audiopoweramplificationsystemwithhowlingdetectionandsuppression LIYan-ming , YANGXiao-bing , ZHANGHao , QIUYan-zhang , WENChang-bao ( SchoolofElectronicandControlEngineering , Chang ’ anUniversity , Xi ’ an710064 , China ) Abstract : Anaudiopoweramplificationsystemwasdesigned.TPA3112D1basedonTichipwasusedaspoweramplifier , anda frequencyshiftingmethodbasedonDSPchipTMS320C5509wasusedtosuppressthehowlingintheloopofacousticfeedback. ThemaximumoutputpowerandthesystemmagnificationwereprogrammedbycontrollingMCUinthesystem.Moreover , the measuringcircuitsofhowlingfrequencyandoutputpowerweredesigned.Thetestresultsshowthattheoutputpowercanbead- justedfrom50mWto5Wwitha20mVinputsignal , thesystemefficiencyishigherthan80%undertheoutputpowerrangeof 1.5W-5W , andthemaximumefficiencyisupto90%.Thehowlingphenomenoncanbetriggeredbyshortingthedistancebe- tweenmicrophoneandloudspeaker.Inthiscase , thehowlingphenomenoncanbesuppressedeffectivelyandtheoriginalaudio signalisbarelyaffectedusingthefrequencyshiftingmethod. Keywords : howlingdetection ; howlingsuppression ; audiopoweramplification ; DSP ; frequencyshift 0 引言 轻微的啸叫 [ 1-4 ] 限制了整个扩音系统的增益 ,严重的啸 叫可能导致音响或音频功率放大器损坏 [ 5 , 6 ] 。因此 ,如何在 音频功放系统中有效抑制啸叫发生 ,是扩音设备领域的一 个重要问题 [ 7-9 ] 。国内市场上出现的具有啸叫抑制功能的音 响设备大多是采用模拟处理方式 ,智能化程度低 ,使用中 需要专业人员进行调节且调节过程较麻烦 [ 10-12 ] 。 为了解决音频放大系统中存在的啸叫问题 ,本文采用 了数字移频的方法来实现音频功放系统的啸叫抑制 ,该算 法选择基于 DSP 芯片 TMS320C5509 来实现 。音频功放采 用了高效率的 D 类功放芯片 TPA3112D1 。所设计的音频功 放系统还具有最大功率设置和自动增益调节功能 ,以保证 在不失真的前提下最大化利用输出功率 。此外 ,系统设计 上还增加了基于 AT89C51 单片机的啸叫频率检测和输出功 率测量功能 ,这些配置进一步增加了系统的智能性 。 计算机工程与设计 2015 年 1 啸 叫 抑 制 原 理 分 析 与 设 计 啸叫又称声反馈 ,其产生原理是扬声器输出的音频信 号被麦克风重复采集后 ,形成正反馈回路 ,使某些频率上 的信号发生自激振荡 ,从而产生啸叫 。为了抑制啸叫现象 , 本文采用移频法将采集到的语音输入信号在其频率成分上 偏移小量的频率值 Δf ,使输出的语音信号避开传输空间里 的峰值频率 ,破坏产生自激振荡的条件 ,来抑制啸叫的产 生 ,且对原输入信号影响很小 。移频算法有单边带调制法 和基本频带偏移方法 。本文采用单边带调制方法实现移频 。 本文采用的移频法原理如图 1 中所示 ,音频输入信号 由 A / D 采样转换为数字信号 x ( t ) ,经过移频模块将信号频 率平移一个小的频率量后输出 y ( t ) ,移频后的数字信号需 要再次经过 D / A 变换成模拟信号输出给功率放大器 。移频 法的核心是移频模块 ,它主要由数字振荡器和希尔伯特变 换两部分组成 ,数字振荡器用于产生正余弦三角函数 。移 频模块的输入信号与输出信号的关系可表示如下 y ( t ) =x ( t ) cosω0t+x ∧ ( t ) sinω0t ( 1 ) 式 ( 1 )中的 x ∧ ( t )是 x ( t )的希尔伯特变化式 ,它可以 表示为 x ∧ ( t ) = 1 π∫ ∞ -∞ x ( τ ) t-τ dτ= 1 π∫ ∞ -∞ x ( t-τ ) τ dτ=x ( t ) * 1 πt ( 2 ) 由式 ( 2 )可以得出 , x ∧ ( t )可以看成是 x ( t )经过一滤波 器的输出 ,该滤波器的单位冲激响应可表示为 1 / πt 。 FIR 型滤波器采用非递归结构 ,系统稳定 ,运算误差小 ,具有 良好的线性相位 ,因此本系统采用了 FIR 滤波器 。直接型 的 N 点序列的 FIR 滤波器的差分方程为 y ( n ) = ∑ N-1 k=0 h ( k ) x ( n-k ) ( 0≤n≤N-1 ) ( 3 ) 对上式进行 Z 变换得 FIR 滤波器的传递函数 H ( z ) = Y ( z ) X ( z ) = ∑ N-1 k=0 h ( k ) z -k ( 4 ) 将输入信号的样值同滤波器系数相乘 ,再将其结果相 加 ,得到滤波后的输出信号 。该滤波器的设计指标 :通带 频率范围为 200Hz ~10000Hz ,采样频率为 48KHz , N= 1024 ,截止频率是 2000Hz 。利用 MATLAB ,采用窗函数 设计法 ,求得 FIR 滤波器的参数 ,包括滤波器的阶数 N 和 单位冲激响应系数 h ( n ) 。再利用滤波器的设计分析工具 FDATOOL 编制一个 C 语言程序用于产生输入数据文件 ( filtercoelf.h ) ,存储文件后 ,直接供给 DSP 程序代码调试 工具 CCS ,从而实现此滤波器 。本文设计的移频算法将声 音信号的频率增加了 5Hz ,使系统扩声增益提高了 6dB 。 图 1 基于移频算法的啸叫抑制原理信号 2 系 统 总 体 结 构 设 计 本文所设计的音频功率放大系统主要由拾音电路 、啸叫 抑制模块 、功率放大电路 、啸叫频率检测电路 、单片机控制 模块等构成,总体功能框架如图 2 所示 。啸叫抑制模块是由 基于 TMS320C5509 芯片的 DSP 开发板构成 ,它完成了音频 模拟信号数字化 、数字移频算法 、数字信号转模拟信号输出 的功能 。拾音电路对麦克风采集到的语音信号进行前置放 大 ,放大后的信号可以直接作为功率放大器的输入信号 ,也 可以选择对其进行啸叫抑制后再输出给功率放大器 ,切换过 程可由选择开关 S2 和 S3 完成 。在实际应用中如果系统不会 发生啸叫现象 ,就可以不用做啸叫抑制 ,这样就可以完全避 免啸叫抑制带来的信号频率偏移 ,虽然本方案采用的移频算 法对频率的偏移量非常小 ,但对于高品质音效的应用还是会 带来一些影响 。单片机控制模块作为本系统的控制中心 ,它 主要完成了啸叫频率测量与显示 、输出功率测量与显示 、最 大功率设置和自动增益调节等功能 。 3 系 统 硬 件 电 路 设 计 本文设计的音频功放系统还包括 :拾音电路 、功率放 大电路 、啸叫频率采样电路 、输出电压有效值测量电路 , 下面将分别给出相应电路并加以设计分析 。 3.1 拾 音 电 路 拾音电路也就是麦克风信号的前置放大器 ,设计中选 择了具有噪声性能优 、驱动力强 、信号带宽大 、电源范围 宽等优点的运算放大器 NE5532 ,它非常适合用作于高品质 音响设备的前置放大器 。前置放大器电路原理图如图 3 左 半部分所示 ,采用驻极体麦克风接头 ,通过一个上拉电阻 给麦克风供电 ,声音电压信号通过 C2 隔直电容连接到放大 器输入端 VIN 。电源电压经 R2 和 R3 分压 ,产生放大器输 · 6 3 2 3 ·第 36 卷第 12 期李演明 ,杨晓冰 ,张豪 ,等 :具有啸叫检测与抑制的音频功率放大系统入的直流偏置电压 ,该电压设定在电源电压的一半处 , C1 用于稳定直流偏置电压 , R4 用于消除直流偏置电压对输入 信号的影响 。 NE5322 构成典型的比例放大器结构 , R5 、 RX 为反馈电阻 ,其中 RX 采用数字控制电位器 X9C104 来 调节放大器增益 ,其增益可表示为 (用有效值表示 ) G1= VOUT1 ( RMS ) VIN ( RMS ) = ( 1+ RX RS ) ( 5 ) 设计中将 R5 设定为 3.45k Ω , X9C104 的可调范围为 1k Ω ~100k Ω ,步长为 1 k Ω ,因此增益的可调范围为 : 1.25 ~26 倍 。单片机控制电位器 X9C104 的 INC 和 U / D 引 脚来改变 RX 阻值 ,从而编程比例放大器的增益大小 。 图 2 系统总体功能框架 图 3 拾音电路和啸叫频率采样电路 3.2 功 率 放 大 电 路 功率放大电路是基于高性能的 D 类功率放大器芯片 TPA3112D1 来实现的 ,电路原理如图 4 所示 。 TPA3112D1 是一款 25W 单通道 D 类音频功率放大器 。芯片采用 12V 电源供电 ,输入采用单端差分信号输入 , C11 为交流耦合电 容 。输出端采用 LC 滤波器 ,减小失真 。功放的增益可由 GAIN0 和 GAIN1 两个输入端接高低电平来设置 ,本文设 计中将 GAIN0 接高电平 、 GAIN1 接低电平 ,将功放的增 益设置为 26dB (即 20 倍 ) ,输出驱动的喇叭阻抗 RL 为 8 Ω 。对功率放大系统的功率与增益关系进行如下推导 ,功放 的输出与输入的电压关系 (有效值表示 ) VOUT ( RMS )=20VDIN ( RMS ) ( 6 ) 功放的输出功率 POUT POUT= V 2 OUT ( RMS ) RL ( 7 ) 前置放大器的音频信号输入与输出的关系 VDIN ( RMS )=G1VIN ( RMS ) ( 8 ) 其中 , G1 为前置放大器增益 ,由式 ( 6 ) 、式 ( 7 ) 、式 ( 8 ) 可以得出功率放大器的输出功率与音频输入电压有效值的 关系为 · 7 3 2 3 · 计算机工程与设计 2015 年 图 4 功率放大电路 POUT= ( 20G1VIN ( RMS ) ) 2 RL ( 9 ) 根据以上推导 ,当音频信号的输入电压 VIN ( RMS )=20 mV ,输出功率为 5W 时可求得 , VDIN ( RMS )=316mV , G1= 15.8 , RX=51K Ω 。当输出功率为 50mW 时, VDIN ( RMS )=31.6 mV ,得 G1=1.58 , RX=2 K Ω 。单片机控制通过改变 TPA3112D1 的 PLIMIT 引脚的输入电压 ,就可以调节输出 功率大小 ,同时自动设置与输出功率相匹配的前置放大器 的放大倍数 ,实现自动增益调节 ,以避免信号失真 。 3.3 啸 叫 频 率 测 量 为了更直观地观察啸叫现象 ,系统中增加了啸叫频率 的测量和显示功能 。根据啸叫发生时会产生较大幅度的自 激振荡的原理 ,通过检测前置放大器输出信号的来测量啸 叫频率 。具体检测电路如图 3 的右半部分所示 ,采用比较 器 LM393 来检测前置放大器信号的幅度 ,当比较器输入信 号超过一定幅度时 ,比较器就会翻转 。当输入信号为较大 幅的周期振荡信号时 ,在比较器输出就会呈现与输入信号 频率一致的方波信号 ,因此啸叫频率就可以被分离出来了 。 此外 , MOSFETQ1 起电平转换的作用 ,将比较器输出的 逻辑电平转换为单片机的逻辑电平 ,以便于单片机处理 。 设计中比较器电源电压为 12V ,比较器正向输入端直流工 作电压由 R8 与 R7 分压设置为 6V ,而比较器反相输入端 连接到可调电阻 R8 的中间抽头处 ,设定的比较器阈值电压 为 5.8V 。啸叫频率信号采样原理如图 5 所示 。 单片机对啸叫频率的计算上 ,单片机将采集到的被测 信号的方波脉冲作为控制闸门信号 ,当方波脉冲的上升沿 到达 ,内部计数器开始从零启动计数 ,每一个机器周期 , 计数器加 1 ,直到方波脉冲的下一个上升沿到达 ,定时器停 止计数 。计数器内存储的是脉宽的机器周期数 。设计数器 图 5 啸叫频率信号采样原理 内存储到的机器周期数为 N ,机器周期为 TC ,则啸叫信号 周期 T 为 T=N×TC ( 10 ) 则啸叫频率为 f= 1 T = 1 N×TC ( 11 ) 3.4 输 出 功 率 测 量 输出功率计算需要得到输出电压有效值 ,系统采用了 基于高精度的有效值转换器 AD637 的有效值测量电路 ,其 电路原理图如图 6 所示 。功放的一端的输出信号 VOUT2 通过 电容 C24 交流耦合到 AD637 的输入端 , C6 与 R12 组成的低 通滤波器获得输出电压的平均值 , C7 和 C8 为正负电源的 去耦电容和旁路电容 ,保证电源电压稳定 。 AD637 的输出 电压直接输出给单片机就可以获得输出电压的有效值 VOUT ( RMS ) 。由于在 AD637 只采样了功放的单端 ,在单片机 计算要将测量结果乘以 2 来得到功放的输出电压有效值 , · 8 3 2 3 ·第 36 卷第 12 期李演明 ,杨晓冰 ,张豪 ,等 :具有啸叫检测与抑制的音频功率放大系统输出功率可由式 ( 7 )计算得到 。 图 6 交流电压有效值测量电路 4 系 统 测 试 结 果 本文设计的音频功放系统实物图如图 7 所示 ,电路部 分包括前置放大电路 、 DSP 模块 、功率放大电路 、有效值 测量电路 、单片机控制模块 ,系统构成还包括了麦克风 、 自制 USB 接口的小功率喇叭 、自制功放驱动的 8 Ω 喇叭 。 测试中 ,将麦克风与喇叭相隔 1m 背靠背放置 ,使用电脑 播放音乐作为音频信号源 。音频功率放大系统能通过麦克 风采集信号 ,经功率放大电路送至喇叭输出 ,输出的音频 信号清晰 。在不进行啸叫抑制时 (图 2 的选择开关 S2 连接 A 端 , S3 连接 C 端 ) ,将麦克风与喇叭相隔 1m 面对面放 置 ,从小到大调整功率放大器的输出功率 ,直到产生啸叫 时 ,启动啸叫抑制模块 (图 2 的选择开关 S2 连接 B 端 , S3 连接 D 端 ) ,音频信号输出恢复正常 ,音质清晰 ,啸叫现象 被有效抑制 。在输出功率达到 5W 功率 ,啸叫抑制电路仍 能正常工作 。进一步缩短麦克风与喇叭之间的距离到 0.4 m 时 ,有轻微啸叫产生 。 图 7 音频功放系统的实物 在输入音频信号有效值为 20mV 时 ,输出语音信号功 率在 50mW ~5W 内连续可调 。图 8 分别给出了信号频率 为 200Hz 和 10kHz 时 ,输出功率为 50mW 和 5W 时的输 入 、输出信号波形 。从中可以看出系统响应稳定 、失真度 很小 ,达到了设计要求 。 图 8 输入与输出信号测试波形 ( Ch1 : VIN , Ch2 : VOUT ) 图 9 给出了输出功率与 PILIMT 端口的输入电压及音 频输入信号幅度的关系 ,系统输出功率在 50mW ~5W 之 间连续可调 。图 10 给出了系统的效率测试结果 ,在 1.5W ~5 W 输出范围内 ,系统效率均高于 80% ,最高达 到 90% 。 · 9 3 2 3 · 计算机工程与设计 2015 年 图 9 输出功率与 PLIMIT 电压及输入信号的关系 图 10 系统整体效率 5 结 束 语 本文介绍了音频功率放大系统的设计方案 ,根据引发 啸叫现象的自激振荡条件 ,采用基于 DSP 芯片 TMS320C5509 的移频算法来抑制啸叫 ,并运用单片机来控 制输出功率并测量了啸叫频率和输出功率 。在输入音频信 号有效值为 20mV 时 ,由单片机程控设置的功率放大器的 输出功率范围为 50mW ~5W 。在功率放大器的输出功率 为 5W 时 ,系统整体效率高达 90% 。本文设计的音频放大 系统不仅具有工程应用价值 ,而且对于其它嵌入式硬件系 统的开发也具有很好的借鉴意义 。 参 考 文 献 : [ 1 ] XIAO Qiyang , ZHANG Zhonghui , FANG Yuan.Research andimplementation of acoustic feedback suppression system based on DSP [ J ] .Application of Electronic Technique , 2013 , 39 ( 1 ) : 13-15 ( inChinese ) . 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