background image

Page 1 of 5 

 

Acoustic Feedback Cancellation 

Alango technology white paper 

 

Revision: 1.2 (23-Oct-2006) 

 
 

The problem 

Acoustic feedback happens in systems where a microphone and a loudspeaker reproducing the 
microphone signals are acoustically coupled. A typical situation arising in sound reinforcement 
systems is depicted on Figure 1. Other typical cases of acoustic feedback happen in two-way 
communication systems and hearing aids. 

 

Amplifier 

 

Figure 1 Audio feedback in a sound reinforcement system 

Speaker voice being recorded by a microphone is amplified and reproduced via loudspeaker(s). 
Sound produced by the loudspeakers reaches the microphone back either directly or being 
reflected from the walls, floor or ceiling. Consequently it enters recording/reproduction cycle 
either constantly amplifying itself or eventually dying out. This generally happens on particular 
frequencies such that the signal from the loudspeaker arrives to the microphone “just in phase” 
to amplify itself. The acoustic feedback becomes a problem when the total system gain on a 
specific frequency exceeds the unit value as illustrated on Figure 2. 

background image

Acoustic Feedback Cancellation                                     Alango Technologies Ltd. white paper 

Page 2 of 5 

 

A(f

B(f

Feedback when  

G(f)=E(f)

´A(fB(f) >1

 

Amplifier 

A(f

Equalizer 

E(f

E(f

 

Figure 2 The cause of acoustic feedback problem 

In such case this frequency in the microphone-loudspeaker-microphone cycle is amplified 
more and more, quickly reaching the maximal level of the sound system  
 

Analog solutions 

There are several standard “recipes” to reduce the total system gain G by reducing one of its 
components AE or B

-  Reduces the amplification (gain A). 

Problem: this may contradict with required loudspeaker power; 

-  Increase the distance between the microphone and the loudspeaker (gain B). 

Problem: not always possible due to physical limitations; 

-  Use special acoustic treatment of the room (gain B). 

Problem: may not be possible due to budget, time or other constraints; 

-  Reduce the microphone gain (gain A). 

Problem: requires closer distance between the user mouth and the microphone. This is 
inconvenient, leads to the proximity effect for a directional microphone and causes 
puffing and popping sounds during the speech; 

-  Use equalizer to suppress “problematic” frequencies (gain E on specific frequencies). 

Problems: there are may be many of such frequencies; they change if the position of 
either speaker or microphone is not fixed; 

The advantage of the feedback reduction methods described above is that they don’t need a 
digital signal processor. However, all of them provide, at best, only a limited solution that may 
be either not satisfactory or not feasible in particular conditions. 
 

background image

Acoustic Feedback Cancellation                                     Alango Technologies Ltd. white paper 

Page 3 of 5 

Digital solutions 

In the digital approach a Digital Signal Processor (DSP) is added into the path as shown on 
Figure 3. 

 

EQ 

DSP 

Amp 

G(f)= E(fA(fB(f) ´ D(f

A(f

D(f

E(f

B(f

 

Figure 3 Digital way of feedback suppression 

The main advantage of using DSP is in its ability to analyze the signal and perform intelligent 
and/or non-linear operations. Of course, DSP may perform equalization as well so that 
Equalizer block may be omitted.  
Two main approaches for feedback prevention and control existed before Alango Quasi 
Proportional Frequency Shifting (QPFS) technology was invented. 

Automatic equalization 
In this approach the signal spectrum is constantly analyzed in narrow frequency bands. If, on 
any particular frequency f, a signal buildup is detected, this frequency is automatically 
attenuated reducing D(f) . The problem with this approach is that the problematic frequency 
may change constantly and it may be impossible to detect a “bad” frequency before it is too 
late (the howling has already occurred). 
Frequency shifting 
In this approach the signal is modified so that its frequency spectrum is appeared shifted up or 
down on certain amount of hertz. The output signal spectrum S

out

(f) is consequently given as 

S

out

(f)=S

in

(f+

Df) . Frequency shifting is very efficient approach for treating the feedback 

problem. It actually prevents the problem to occur because a microphone-speaker-microphone 
loop on any particular frequency cannot be created as each frequency is constantly shifted up 
or down. However, shifting in frequency violates harmonic character of some sounds. For 
example, for voiced sounds in speech, all constituting frequencies are multiples of a 
fundamental frequency called pitch. If the pitch frequency is f

p

 than a voice sound consists of 

frequencies f

p

, 2f

p

, 3f

p

, … nf

p

 . Shifting these frequencies by 

Df will give f

 p

+

Df, 2f

p

+

Df

3f

p

+

Df, … nf

p

+

Df . Obviously, the harmonic structure of such signal is violated since k(f

 

p

+

Df) ¹ kf

p

+

Df . 

Human ear is very sensitive to harmonic structure so that such distortions are extremely 
noticeable even for small values of the shift. In practice, frequency shift is limited by 3Hz, 
which, in some circumstances, may be too small to prevent the feedback buildup. 
 

background image

Acoustic Feedback Cancellation                                     Alango Technologies Ltd. white paper 

Page 4 of 5 

Alango digital solution 

Alango approach to the audio feedback problem is also digital where DSP is the central 
element performing several tasks. Figure 4 illustrates the concept. 

 

DSP 

Howling 

Preventor 

(QPFS) 

Subband 

Howling 

Blocker 

Optional:  

equalization, 

  Noise suppression, 
  Automatic Gain Control, 
  Multiband compression 

 

Figure 4 DSP structure of Alango solution 

The microphone signal is first transformed by Howling Preventor block. The general idea of 
Howling Preventor block is based on frequency shifting preserving harmonic relationships 
between frequencies. Ideally, Howling Preventor block would perform proportional frequency 
shifting (scaling) where each frequency is shifted proportionally to its value. Unfortunately, 
frequency scaling requires a certain processing delay exceeding the maximal allowed delay of 
a “live” sound amplification system. 
Howling Preventor block implements Alango proprietary, patent pending Quasi Proportional 
Frequency Shifting (QPFS) technology. “Proportional Shifting” actually means scaling and 
“Quasi” means that scaling is approximate such that S

out

(f)

@

S

in

(

a

f) . However, the difference 

between the exact and “quasi” scaling is not noticeable due to a limited frequency resolution of 
human ear. As a result, it introduces much smaller distortions by (quasi) preserving the 
harmonic structure of the sound. With QPRS, the shift is not limited by distortions but by 
apparent change in the speaker pitch. The concept is illustrated on Figure 5. The signal from 
the loudspeaker to the microphone travels by air with its specific, linear filtering 
characteristics. Attenuation may occur but the frequencies are preserved. On the way from the 
microphone to the loudspeaker, proportional frequency shifting the output relative to input 
breaks possible frequency loops. No feedback problem is consequently occur. 
 

background image

Acoustic Feedback Cancellation                                     Alango Technologies Ltd. white paper 

Page 5 of 5 

 

D@ f 

QPFS 

 

Figure 5 QPFS concept 

Howling Preventor block allows for significant increase in the overall system gain 
(amplification). However, when pushed to an extreme, the howling will still occur when the 
amplification exceeds some level or the distance between the microphone and the loudspeaker 
becomes very small. The objective of Howling Blocker is to detect such situation in a 
particular frequency subband and reduce the gain in that band accordingly. 
Optional processing block lists other Alango technologies that may be added without almost 
any additional computational or memory requirements. Static equalization, noise suppression, 
multiband dynamic equalization (compression) and automatic gain control are easily 
implemented as a part of the feedback cancellation technology. 
 

Technical specifications 

Processing delay: 5ms; 
Computational requirements: <5 MIPS; 
RAM memory: <2KW 
 

Demos 

Real time demo of the technology is available using TMS320VC5510 evaluation board. 
 

More information 

Please, don’t hesitate to contact us regarding technical, licensing and other information: 
E-mail: 

info.sound@alango.com

 

Phone: +972 4 8580743 
Visit our web site 

www.alango.com

 to gain more information about our technologies.