摘 要

数字移频功放已经是一种较为成熟的产品，移频的主要作用是为了抑制声反馈啸叫。声反馈在生活中是非常常见的现象，在多媒体教室，会议室等多种使用扩音系统的场所，啸叫的产生是在所难免的。啸叫不仅破坏了音频信号的音质，影响了听众的体验，更为严重的是，输出功率快速增大，达到饱和状态，损坏功放。

本文为了实现移频的目的，采用的是Weaver法。Weaver法是移频方向较为经典的一种方法，对数字语音信号进行一个5Hz左右的频移，采用FFT算法来实现对啸叫频率点的检测，本设计实现的移频器能够有效的消除啸叫，起到良好的啸叫抑制作用。

本设计首先在MATLAB平台上对房间的声反馈进行了仿真，能够较为真实的再现现实中啸叫的形成过程，然后对移频算法——Weaver法进行了算法仿真，可以实现不错的啸叫抑制效果。本系统采用Altera公司出品的Cyclone II系列的FPGA作为硬件实现平台，为实现移频和FFT等操作提供了硬件支持。

关键词 移频；MATLAB；FPGA

Abstract

The digital frequency shift power amplifier is already a relatively mature product. The main function of the frequency shift is to suppress the feedback feedback whistle. Acoustic feedback is a very common phenomenon in life. The use of amplifying systems in multimedia classrooms, conference rooms, and other places is a source of whistling. Whistling not only destroys the sound quality of the audio signal and affects the listener's experience. What's more serious is that the output power quickly increases to saturation, damaging the amplifier.

In order to realize the purpose of shifting frequency, this article adopts Weaver method. Weaver method is a classic method of shifting frequency direction. A frequency of about 5Hz is applied to the digital speech signal. The FFT algorithm is used to detect the howling frequency point. The designed frequency shifter can effectively eliminate the screaming. Call, play a good howling suppression effect.

This design first simulates the acoustic feedback of the room on the matlab platform, and it can reproduce the process of howling in reality. Then the algorithm of the frequency shift algorithm, Weaver, is simulated and a good howling suppression can be achieved. effect. The system uses the FPGA of Cyclone II series produced by Altera Corporation as the hardware implementation platform, providing hardware support for frequency shift and FFT operations.

Keywords Frequency shift，MATLAB，FPGA

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景以及意义 1

1.1.1 啸叫的危害 1

1.1.2 啸叫抑制原理 1

1.1.3 研究现状 2

1.2 论文的主要内容 2

第二章 相关原理 4

2.1 啸叫音频仿真 4

2.1.1 镜像法 5

2.1.2 仿真参数 8

2.2 啸叫检测原理 9

2.3 移频法原理 10

2.4 FPGA相关技术 12

2.4.1 FPGA的内部结构 13

2.4.2 FPGA的技术优势 13

第三章 系统设计与仿真 14

3.1 啸叫检测模块 14

3.1.1 NIOS II内核的搭建 14

3.1.2 FFT软件实现方案 16

3.2 移频模块 17

3.2.1基于MATLAB的滤波器设计及仿真 17

3.2.2 FIR数字滤波器的硬件仿真 18

3.2.3 DDS模块的设计与硬件仿真 20

3.2.4 Weaver法的MATLAB设计与仿真 22

3.2.5 Weaver法的硬件仿真 23

第四章 总结 25

参考文献 26

致谢 27

第一章 绪论

课题研究的背景以及意义

在室内扩声装置中，由于扬声器和麦克风的同时存在，扬声器发出的声音通过空气传播到麦克风便会发生声反馈现象。严重的声反馈不仅仅影响了原声的再现，甚至会出现啸叫现象，啸叫不仅仅影响听众的用户体验，影响表演效果，还可能烧坏设备。啸叫实际上就是某些频率的信号产生了自激振荡。啸叫的产生条件大致上可分为以下3种，麦克风与扬声器同时工作为第一种；扬声器发出的声音可传播到麦克风，即介质满足声传播，此为第二种；麦克风可采集到扬声器发出的声音，即拾音灵敏度足够的高。从自激振荡发生的本质缘由上看，分为相位条件与振幅条件，当输入声信号同反馈声信号同相，且为正反馈，那么反馈增益超过1，发生自激振荡。

啸叫的危害

啸叫在生活中是很常见的，对于一种如此普遍的现象，它的危害我们并不能视而不见，啸叫的危害主要表现在：

1. 自激振荡让功放输出功率极大提高，如果说超过了设备的可承受范围，那么设备可能烧坏。
2. 扬声器的延时反馈使得一连串延时回声出现，加重梳妆滤波效应，进而会产生混响拖尾。
3. 尖锐的啸叫对于听众的耳朵简直是一种大大的折磨。

啸叫抑制原理

既然啸叫有这么多的危害，所以抑制啸叫成了一个重要的事件。根据啸叫产生的条件来采取相应的措施，打破其形成条件，就算达到了我们的目的。

可以从多个方面来解决，假如设备放置在室内，那么从房间的设计可以入手，房间长宽高不能设计为整数比，此举可减少声染色。房间的墙面加上扩散体，吸收部分声波，减少再次进入麦克风的声波。这种方法对于设计师的声学知识要求较高，且对于室外条件不适用。

从本质原因出发往往才是最佳方案，在实际中，往往采用打破相位条件和振幅条件的方法。当前主要采用：随机相位法、自适应法、陷波法、移频法等，在这篇文章里采用的即是移频法。移频法的操作方式是把输入的音频信号频率增大或减小，从而使得扬声器发出的声音重新进入麦克风之后不会和输入信号频率发生叠加作用，以此消除啸叫。移频法的实现较为简单并且利于大面积推广。

本文是基于FPGA技术的，首先需要对啸叫现象实现检测，再使用移频法进行啸叫抑制。本文研究的移频功放系统可以应用于现实中的很多场景，具有很强的应用意义。

研究现状

关于移频器件的研究在上世纪60年代就有一定基础，环路增益可以因为移频法的使用而变得平滑，室内响应的两个幅度峰值频率相差约10HZ，所以5HZ左右是移频的最佳频率，并且这么小的频移对于一般的声音的接听产生的影响微乎其微。这么多年的发展，从理论到应用，数字移频功放早已做成了商品在市面广泛销售，所以，这个技术实际上已经是一个较为成熟的了，在现实生活中普遍应用。

这里介绍一下现有移频器产品，BSG-YP100是一款国产数字移频功放，可用于会议、卡拉ok、舞台等，抑制啸叫能力强，保真度高。以下为技术参数：

表1.1 BSG-YP100参数

在对现有产品参数进行研究的基础上，本文设计的参数有了一个大致的参考范围。

论文的主要内容

本文的任务主要是设计一个数字移频功放，即起到啸叫抑制的作用。首先本文介绍啸叫产生原因以及啸叫的危害，因此抑制啸叫是一件必要的事。数字移频功放作为一项成熟技术，产品已经实现大规模生产。本文研究主要内容如下：

1. 经过仔细对比各种移频算法，综合分析确定本系统移频算法的具体方法。
2. 利用matlab对移频算法进行仿真，确定算法方案的理论可行性。
3. 针对方案，进行芯片的选择以及电路模块选择，从而确定具体的电路实现。
4. 完成软件代码，，进行软件仿真，确定系统方案的可实施性。

第二章 相关原理

2.1 啸叫音频仿真

为了得到啸叫音频，可以在真实环境中搭建声学环境，从而得到得到啸叫音频，但是随着房间环境改变，那么声学传递函数也会改变，从而导致啸叫音频的啸叫频点改变，最终导致啸叫抑制算法也要进行调整。这种方案实施比较麻烦，操作也会比较繁琐，耗费人力物力，所以本设计采用的是通过matlab来模拟现实环境的声学条件，这样就可以通过房间传递函数来实现不同声学房间环境的模拟。

房间传递函数表示了房间种声音源和接受端的声传播特性，可以刻画出不同声音源和接受端的空间关系，可看作一个同声音源与接受端相关的功率响应。

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