自适应声反馈抑制技术及其应用

　　声反馈是现场扩声中最令人头疼的问题。声反馈会造成再生混响，严重影响语音清晰度，限制系统传声增益的提高，并使声音产生失真。当声反馈严重时，会产生自激啸叫，使整个系统无法正常工作，甚至使扬声器(特别是其高音单元)受损。因此，目前扩声系统常常使用“反馈抑制器”来抑制声反馈。

　　1 传统的声反馈抑制方法

　　1.1利用参量均衡器构成的带阻滤波器

　　传统的声反馈抑制方法主要是利用参量均衡器构成的带阻滤波器即陷波器来完成的。这种反馈抑制器有多个(通常为12～24个)陷波器，其中一部分陷波器设置成固定滤波器，在系统调试时，当检测到某个频率的声反馈信号时，就会在该频率激活一个相应的滤波器，使该频率的增益降低，于是该频点的声反馈被抑制，这样就可以对该声场的一些主要声反馈频点进行衰减。另一部分陷波器设置成活动滤波器，以便对使用中的系统可能产生的声反馈随时进行抑制。

　　然而，这种方式存在着一定的局限性。最明显的问题就是，有时不能识别某些反馈声信号，原因是这种方式本质上仍是均衡器。频率均衡是由滤波器构成的，对不同频率的不同均衡度必然造成它们之间的相位误差。

　　对于双声道或多声道系统，不同声道的不同均衡度又会造成声道之间的相位误差，这样便会在一定程度上影响音质和声像位置，从而产生不理想的结果。同时，扩声现场的声学环境也常常随着各种外在条件而变化，特别是听众的数量和不同季节衣着的改变都会明显影响声反馈频点的频率，虽有活动滤波器来应付，但常常并不能及时、准确地启动而进行抑制。因此，这种方法往往对建筑声学、电声设备和系统操作都有较高的要求，但在特定声学环境中如果调试得当，还是能有良好的抑制效果。生产这类产品最著名的公司有Sabine、dbx、Shure等。

　　1.2移频方式

　　另一种声反馈抑制方法是移频方式。这类声反馈抑制器是将输入声频信号的频率持续改变3 Hz～6 Hz，则输出信号的频率(也就是扬声器播放的信号频率)与输入信号不同，于是破坏了反馈条件，使声反馈被抑制。这样的频率改变对语音频率范围而言问题不大，听众不能轻易察觉到，但对较低频率的声频信号其频率的改变就难以接受。同时，移频方式在临界反馈时会产生明显的调频现象，使声音产生震颤，因此，只能用在对音质要求不高的一些场合。据悉，目前有一种移频反馈抑制方式不是将全频带移频，而是只将反馈点的频率移频来抑制反馈，效果如何，笔者尚未使用过。

　　2 自适应声反馈抑制

　　自适应声反馈抑制是采用自适应控制技术的一种声反馈抑制方式。近年来，在现代的信号处理理论基础上提出了先进的自适应声反馈抵消技术，有效地突破传统的声反馈抑制的局限，具有操作简单、声音失真小、传声增益提高明显等优点。

　　2.1自适应控制

　　在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，自适应控制应当是能修正自己的特性以适应对象动态特性变化的控制方式。

　　自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。

　　从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数设计者事先并不一定能准确知道;作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示，这些扰动通常是不可预测的;此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。

　　自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断地改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断地改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时性能也许不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如，某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应(节选自2009年北京理工大学出版社出版的《自适应控制》一书)。常规的控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以，当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至不稳定。自适应控制是“以变制变”，所以对那些对象特性或扰动特性变化范围大、同时又要求经常保持高性能指标的系统是十分适用的，而现场扩声系统正是符合这种要求的系统。由此可见，自适应控制技术用于现场扩声系统的声反馈抑制是比较理想的。

　　2.2自适应声反馈抑制系统及其工作原理

　　自适应声反馈抑制以数字信号处理(DSP)为基础，综合数字信号分析、信号检测、数字滤波、自适应滤波、非线性处理及子带技术等来实现全频段反馈抑制。

　　自适应声反馈抑制系统是一个具有两个输入端的自适应滤波器，它将本地传声器的输出信号作为一个基准信号，而将本地扬声器的输出信号作为一个参考信号。自适应滤波器不同于具有固定参数的一般滤波器，它是由滤波器和调整滤波器结构的自适应算法组成，它能够实时拾取变化信号，通过自适应算法自动调整滤波器参数，以达到最优的滤波效果。经过自适应干扰抵消处理后，能够将本地传声器输出经室内声场馈至传声器的电声反馈有效地抑制，也就实现了自适应声反馈抑制。自适应声反馈抑制系统的基本工作原理如图1。

图1 自适应声反馈抑制系统的基本工作原理

　　本地传声器输入信号Sm经子带(分离)滤波器的滤波得到传声器输入信号的子带成分m1⋯⋯mn，送到子带自适应滤波器;作为参考信号的本地扬声器的输出信号 Ss经子带(分离)滤波器的滤波得到扬声器的输出信号的子带成分s1

　　⋯⋯sn也就是子带参考信号，也送到子带自适应滤波器。这两种信号在自适应滤波器中进行子带反馈抵消，得到残余信号m'1⋯⋯m'n。

　　在理想条件下，估算反馈信号应该和实际传声器输入的反馈信号一致，这样在反馈抵消处理之后，残余反馈应当为零。而实际情况并非如此，由于环境噪声的影响，即使估算反馈信号与实际传声器输入的反馈信号一致，反馈抵消处理之后的残余反馈并不为零，至少环境噪声仍然存在，用此残余反馈修正得到的反馈滤波器将偏离实际的反馈激励响应，加之本地发言对反馈滤波器参数修正的影响，残余反馈总是存在，因此，需要用非线性处理来进一步降低反馈。

　　经非线性处理器处理后的子带信号m"1⋯⋯m"n送到子带合成滤波器，子带信号被合成还原为全频段声音信号S'm，此还原后的信号送至扩声系统扩声。子带合成滤波器的特性和激励响应由子带(分离)滤波器的特性和激励响应决定。原则上信号经过此两组滤波器后，应还原为原始的信号。但在实际应用中，由于完美还原滤波器设计的限制和反馈消除处理以及非线性处理的影响，还原得到的信号与原始信号之间常有一些误差，但在设计滤波器组时可将其对信号的影响控制在一定程度以下。

　　反馈抑制器串接在扩声回路中，并没有直接从扬声器端取得参考信号。那么这参考信号从哪里来呢?实际上这参考信号是来自传声器接收到的扬声器声反馈信号，由系统自动识别出声反馈信号作为参考信号。

　　2.3自适应反馈抑制的应用

　　从自适应反馈抑制的工作原理可知，这种方式最大的特点是自动适应现场声学环境，完全不需要调试，简单可靠，可提高传声增益6 dB～12 dB。今后长期使用中不论现场声学环境产生什么变化，也能自动适应新的声学环境进行声反馈抑制。

　　自适应滤波技术除了用于声反馈抑制(AFC)，也用于回声消除(AEC)、环境噪声消除(ANC)和自动声场均衡(AEQ)等。

　　3 自适应反馈抑制的研究现状

　　目前国内外研究自适应滤波技术的公司不少，但真正形成产品的并不多。国外主要有Ploycom、ClearOne和Biamp等，但产品基本上是综合型的数字声频处理器，自适应反馈抑制往往只是其中的一个功能。

　　国内自主研究自适应滤波技术的主要有上海朗谷电子科技有限公司(Longoo，以下简称“郎谷”)、成都海普迪科技有限公司(Hpdtech，以下简称“海普迪”)和广州市广鑫电子科技有限公司等。据悉，三基音响企业集团和绵阳科创园区昊天电子科技有限公司也开始涉足该技术。自适应反馈抑制的工作原理中，最重要的一个步骤就是要做到高速准确地持续跟踪采集参考信号，数字信号处理的核心算法是如何最大限度地准确计算出反向抵消或者滤波信号，这对从事数字信号处理应用研究的人并不难，但用什么样的算法能得到最好的效果却有很大差别，因此，各家公司的核心机密就是DSP算法。

　　国内出现了不少专门的自适应反馈抑制器产品，除了掌握核心技术的公司有自身的产品外，还有一些制造商由上述公司贴牌或者利用他们的功能模块推出了自己的自适应反馈抑制器产品。下面介绍国内几家公司的这类产品。

　　3.1HD系列反馈抑制器

　　“ 郎谷” 曾生产过专门的反馈抑制器产品HD1014，除了反馈抑制功能外，还有自动噪声抑制和自动增益控制功能。其基本应用是双通道平衡0 dB电平输入、输出，也可以设置成传声器电平(带幻象电源)和智能混音。

　　HD1014已停产，目前定型产品主要有HD1033、HD1040和HD1057。前两种都是4进4出，但HD1033有回声抑制功能，以适应视频会议的需要。这几种产品输入可为传声器电平(带幻象电源)或线路电平，并带有智能混音，还有自动声场均衡功能，而HD1057是在HD1040基础上另外加了12路智能混音，以适应更多传声器输入的需要，其面板上还设置了传声器、线路和录音电平调节旋钮，如图2。上述产品接上传声器、功率放大器和扬声器就可组成性能很好的小型会议扩声系统或某些特需场合(如法庭)的扩声系统。产品的各输入、输出通道的功能和参数可用USB接口连接计算机通过随机软件进行设定。“郎谷”也可按客户要求定制各种带自适应处理功能的模块和产品。

图2 HD系列反馈抑制器

　　3.2CP-530智能混音音频处理器

　　“海普迪”没有平衡输入、输出的专门反馈抑制器产品，原有一种3路传声器输入(2路平衡带幻象电源、1路不平衡)和1路不平衡双通道线路输入、3路输出(其中1路平衡、1路双通道不平衡)的CP-520已停产，目前有带10路智能混音输入的CP-530，其串口可以输出智能混音选通的传声器信息以便控制摄像机等，也可连接电脑通过随机软件进行各输入、输出通道的功能和参数设定。此外还有多款带自适应处理的教学用声频主机。“海普迪”也供应自适应处理模块。

　　3.3AFC-6自适应反馈抑制模块

　　目前广州市广鑫电子科技有限公司主要供应自适应反馈抑制模块，如AFC-6等。

　　3.4其他

　　还有一些由上面公司贴牌或者利用他们的功能模块推出自适应反馈抑制产品的公司。例如深圳市东微智能科技有限公司(以下简称“东微”)曾有自适应反馈抑制器AFC6-4产品，双通道平衡0 dB电平输入、输出，带有自动噪声抑制功能，在后面板可用拨码开关进行必要的设定。还有广东省美镭电子厂的A-7230、广州艾索电子产品有限公司的AEC-2020和佛山东玛克电子科技有限公司的M2000AII等也是自适应方式的反馈抑制器产品，此外恩平恒利电子有限公司(迈科森MAXSON)还有带自适应反馈抑制功能的智能混音器。

　　4 应用感受

　　笔者曾用过“朗谷”和“东微”的产品，效果都不错。“朗谷”的产品功能比较完善，且在临界反馈时金属声拖尾比“东微”的产品小，可能是其数字信号处理算法对参考信号的跟踪相对比较快速准确;而“东微”产品不需要连接计算机设置，较为方便。笔者也用过其他品牌(未在上面列出)的这类产品，发现效果不佳，可见同样类型的产品也良莠不齐。

　　虽然自适应反馈抑制器具有良好的全频带频率特性，但使用上还是应该和一般反馈抑制器一样，最好仅接在传声器回路。例如，可以串接在智能混音器或“手拉手”会议系统主机和调音台之间，或者接在调音台传声器编组输出。如果使用带智能混音的多输入自适应反馈抑制器，就应该通过随机软件的设置使反馈抑制和智能混音功能仅用于传声器通道。

　　最后提请注意：现在有一些称作“自动反馈抑制器”的产品，它和自适应反馈抑制完全是两回事。其中有的是经典的陷波式反馈抑制器，只是采用了自动调试方式，就是按一下按钮就自动缓慢地提高增益使系统产生反馈并逐一抑制。这种方法虽然避免了对陷波器进行逐个人工调试，但往往不如传统的人工调试那么理想。而有的根本就是移频式，商家竟然也称之为“自适应”。有的制造商同时拥有陷波、移频和自适应滤波多种方式的反馈抑制器产品，更容易混淆。因此，选择产品时一定要分清楚，是不是真正采用自适应滤波方式的反馈抑制器。