自適應(yīng)反饋消除算法評(píng)估實(shí)驗(yàn)

自適應(yīng)反饋消除算法評(píng)估實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師：隋富生（中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研究員）小組成員：高健，邢舉學(xué)，姜振喜一、實(shí)驗(yàn)背景聲反饋指在現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲工程中，傳聲器接收到待擴(kuò)聲的聲源信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大，從揚(yáng)聲器傳播出來(lái)再反饋到傳聲器，形成閉合放大回路。當(dāng)這種反饋滿(mǎn)足特定振蕩條件時(shí)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(huì)造成傳聲器通路音量無(wú)法調(diào)大，調(diào)大后嘯叫非常嚴(yán)重，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲效果會(huì)造成惡劣影響，或傳聲器聲音開(kāi)大后出現(xiàn)聲音振鈴現(xiàn)象（即位于聲反饋臨界點(diǎn)時(shí)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(hào)過(guò)強(qiáng)燒毀。最開(kāi)始時(shí)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(duì)擴(kuò)聲現(xiàn)象的聲音效果時(shí)刻保持關(guān)注，在嘯叫出現(xiàn)時(shí)迅速手動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備去除嘯叫。這樣的解決方法不僅耗費(fèi)人力，效率很低。隨著科技的進(jìn)步，特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多依賴(lài)電子技術(shù)自動(dòng)處理嘯叫的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這樣的系統(tǒng)也被稱(chēng)聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)。二、實(shí)驗(yàn)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(kuò)聲工程中，比如音樂(lè)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，一般會(huì)使用多個(gè)傳聲器采集舞臺(tái)上表演者的聲信號(hào)，然后用布置在現(xiàn)場(chǎng)不同位置的多個(gè)揚(yáng)聲器將聲信號(hào)擴(kuò)大輸出給觀眾。在布置時(shí)會(huì)考慮盡量避免揚(yáng)聲器直接對(duì)準(zhǔn)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(kuò)聲系統(tǒng)的離散模型[1]圖1-1中，vC)表示聲源信號(hào)，＞(t)表示不同傳聲器接收到的信號(hào)u(t)表示不同揚(yáng)聲器的輸出信號(hào)，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(shí)間移位算符，nF和％則表示預(yù)測(cè)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(huà)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(gè)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(yáng)聲器和聲源信號(hào)的短時(shí)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(shí)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(yùn)行并跟蹤輸入統(tǒng)計(jì)量隨時(shí)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(lái)計(jì)算估計(jì)誤差，該誤差依次用來(lái)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(yùn)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(hào)中的未知干擾，在聲反饋嘯叫抑制系統(tǒng)中，待擴(kuò)聲聲源信號(hào)為基本信號(hào)，由揚(yáng)聲器反饋至傳聲器的信號(hào)為待消除的干擾信號(hào)。基本信號(hào)用做自適應(yīng)濾波器的期望相應(yīng)，參考信號(hào)用作濾波器的輸入。三、實(shí)驗(yàn)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(huì)很高，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中會(huì)帶來(lái)很大的計(jì)算量，因此大部分AFC算法計(jì)算中只取固定預(yù)測(cè)長(zhǎng)度，及下一個(gè)參數(shù)只和前面固定個(gè)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(xiàng)=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(jìn)行聲反饋補(bǔ)償后的信號(hào)，可以通過(guò)它和預(yù)測(cè)濾波器輸入uQ來(lái)調(diào)整預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)以達(dá)到最佳濾波效果。h是步進(jìn)系數(shù)，是表示收斂大小的量。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件做仿真測(cè)試，結(jié)果如下：(2—2—2)直摟逐點(diǎn)法I吳差信號(hào)C=A-B補(bǔ)償后信號(hào)日聲源信號(hào)Aa50100時(shí)間(樣本點(diǎn))圖2-1NLMS算法仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2-1日的為截取一段信號(hào)，分析自適應(yīng)預(yù)測(cè)效果，A為聲源信號(hào),B為經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)補(bǔ)償后的信號(hào)，而C表示聲源信號(hào)和經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后信號(hào)的差值。從上圖可以看出，補(bǔ)償后信號(hào)變化趨勢(shì)大體接近聲源信號(hào)，但聲源很大一塊有效部分被濾除，這是由十聲源信號(hào)和聲反饋信號(hào)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(cè)誤差，圖2-2即為這種方案的嘗試，2-2中縱坐標(biāo)為仿真是所用實(shí)際聲通路函數(shù)和自適應(yīng)濾波器預(yù)測(cè)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(cè)也就越準(zhǔn)確。但噪聲太大的話會(huì)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(shí)應(yīng)該就具體情況進(jìn)行權(quán)衡。非線性偏移法在信號(hào)處理過(guò)程中加入非線性偏移，也可以起到破壞聲源信號(hào)和聲反饋信號(hào)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(cè)越準(zhǔn)確，這產(chǎn)生的后果也是對(duì)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(shí)間（樣本點(diǎn)）三JvIU圖2-3非線性偏移法仿真結(jié)果插入延遲法語(yǔ)音信號(hào)雖然可看成是短時(shí)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，其語(yǔ)音模型不是一百保持不變的，可以在電回路中認(rèn)為加入一定的延遲，也可達(dá)到破壞相關(guān)的作用。至于延遲多少合適，做如圖2-4的測(cè)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(cè)誤差，而當(dāng)延遲大于一定的樣本點(diǎn)后，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確基本保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。從音質(zhì)角度出發(fā)，太大的延遲會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的混響感，對(duì)音質(zhì)是一種破壞，因此對(duì)該樣本區(qū)10-30個(gè)樣本延遲即可，在該測(cè)試中因?yàn)樗颖静蓸勇蕿?2KHz,所以每個(gè)樣本點(diǎn)延遲大概為0.05毫秒。四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)經(jīng)過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，使我們對(duì)測(cè)試技術(shù)這門(mén)專(zhuān)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(xué)生剛踏出社會(huì)遇到的一大難題，于是在實(shí)習(xí)中我們有意觀察前輩們是如何和同事們以及上級(jí)們相處的，而自己也盡量虛心請(qǐng)教，多請(qǐng)教前輩可以少走很多彎路。此次實(shí)驗(yàn)使我們切實(shí)提高了自己的綜合能力，比如學(xué)習(xí)能力，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力?？傊?，紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。還有執(zhí)行力和專(zhuān)注力，執(zhí)行力是一種實(shí)力，執(zhí)行力和專(zhuān)注力可謂是決定一切的素質(zhì)，現(xiàn)代社