基于麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：論述了基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)的基本原理，給出了利用FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)介紹了其原理和模塊的電路實(shí)現(xiàn)，給出的基于FPGA設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)最大限度發(fā)揮了FPGA的優(yōu)勢(shì)、簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、縮短了設(shè)計(jì)周期、符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：聲源定位；時(shí)延估計(jì)；FFT；CORDIC

聲源定位，即確定一個(gè)或多個(gè)聲源在空間中的位置，是一個(gè)有廣泛應(yīng)用背景的研究課題?；?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/麥克風(fēng)陣列">麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)在視頻會(huì)議、聲音檢測(cè)及語音增強(qiáng)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。
聲源定位算法目前主要有3類：第一類算法是基于波束形成的方法。這種算法能夠用于多個(gè)聲源的定位，但是它存在著需要聲源和背景噪聲先驗(yàn)知識(shí)以及對(duì)初始值比較敏感等缺點(diǎn)；第二類算法是基于高分辨率譜估計(jì)的方法。這種算法理論上能夠?qū)β曉捶较蜻M(jìn)行有效估計(jì)，但是計(jì)算量較大，且不適于處理人聲等寬帶信號(hào)；第三類算法是基于到達(dá)時(shí)間差的方法。由于這種方法原理簡單，計(jì)算量較小，且易于實(shí)現(xiàn)，在聲源定位系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)以上介紹，本文決定選擇第三類即基于到達(dá)時(shí)間差的定位方法。
基于到達(dá)時(shí)間差聲源定位算法包括2個(gè)步驟：
1)先進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，從中獲得傳聲器陣列中相應(yīng)陣元對(duì)之間的聲音到達(dá)時(shí)延。常用的方法有最小均方自適應(yīng)濾波法、互功率譜相位法和廣義互相關(guān)函數(shù)法。
2)利用時(shí)延估計(jì)進(jìn)行方位估計(jì)，主要方法有角度距離定位法、球形插值法、線性插值法和目標(biāo)函數(shù)空間搜索定位法。與其他幾種方法相比，基于廣義互相關(guān)函數(shù)的方法計(jì)算量小、計(jì)算效率高。優(yōu)點(diǎn)明顯，故時(shí)延估計(jì)采用此方法。方位估計(jì)則采用精度適中、易于實(shí)現(xiàn)的角度距離定位法。
FPGA具有高速處理能力，而且開發(fā)靈活，易于在線系統(tǒng)升級(jí)，能較大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。為此，采用Ahera公司的FPGA處理器件實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的基本原理及流程圖
算法的結(jié)構(gòu)流程如圖1所示，首先由麥克1和2獲得說話人的語音信號(hào)，再經(jīng)過A／D采樣和低通濾波器，最后得到待處理輸入語音信號(hào)，可以分別記為x1(n)和x2(n)。

對(duì)求傅里葉反變換，即可以得到麥克1和2間的廣義互相關(guān)函數(shù)為

其峰值就是麥克1和2之間的時(shí)延。得到多對(duì)麥克間的時(shí)延后，由角度距離定位法，就可得到聲源位置。