基于麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)
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2．4 本幀互功率譜模塊
第一路信號FFT結(jié)果與第二路信號FFT結(jié)果的共軛相乘得到本幀互功率譜。
若第一路是r1+i1，第二路是r2+i2，其共軛為r2-i2，相乘時可用式(6)，式(7)所示的計算方法，這樣可以減少一次乘法運(yùn)算，節(jié)省內(nèi)部資源
其中，R和I是本幀互功率譜的實部和虛部；r1和r2是FFT結(jié)果的實部；i1和i2是FFT結(jié)果的虛部。
2．5 頻域加權(quán)模塊
本幀互功率譜乘以存放在ROM中的加權(quán)函數(shù)，使互相關(guān)函數(shù)峰值更加突出。調(diào)用內(nèi)部乘法器模塊即可完成。
2．6 功率譜平滑模塊
對加權(quán)模塊結(jié)果，進(jìn)行連續(xù)數(shù)幀的累加以平滑互功率譜，使峰值便于檢測。調(diào)用內(nèi)部加法器模塊即可完成。
2．7 反FFT模塊
對平滑結(jié)果進(jìn)行反FFT運(yùn)算，求得互相關(guān)函數(shù)。根據(jù)FFT原理，反FFT運(yùn)算可借助于FFT模塊計算。即將FFT運(yùn)算中旋轉(zhuǎn)因子取倒數(shù)，最后的輸出乘以1／N就可以用來計算反FFT。為防止運(yùn)算過程中發(fā)生溢出，可將1／N分配到每一級蝶形運(yùn)算中。由于1／N=(1／2)M，所以每級的每個蝶形輸出支路均有一相乘因子1／2，即右移一位即可。
2．8 峰值檢測模塊
對FFT結(jié)果求模即是求
的值，然后求出其模值的峰值，即相應(yīng)的語音信號時延值。2．9 定位算法模塊
根據(jù)角度距離定位法，聲源相對原點的水平角θazimuth為
其中，a是麥克之間的間距；d是聲源到麥克對的距離差。
聲源相對原點的仰角φelevation為
其中，a是麥克之間的間距；d是聲源到麥克對的距離差。
由上可知，需要計算反余弦函數(shù)值確定出相應(yīng)的角度值。反余弦函數(shù)是超越函數(shù)，可以用泰勒級數(shù)近似計算這個函數(shù)，但較為麻煩且精度不高，而CORDIC算法是由移位和加減運(yùn)算組成，所以比較適合FPGA的實現(xiàn)，速度較快且具有較高的迭代精度。本系統(tǒng)使用高速9級流水線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)CORDIC算法。迭代關(guān)系如下
式(10)是迭代的初始條件，式(11)是根據(jù)本次坐標(biāo)值判定下次迭代方向，式(12)～式(14)是下次迭代公式。
算法經(jīng)過數(shù)次迭代后θ的值即是*****。實際中使用9級迭代，可以得到7位精度。最小角度精度為0．111 905。
3 模塊仿真和綜合報告
Quartus II是Altera公司開發(fā)的綜合性PLD軟件，內(nèi)嵌綜合器和仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。而且具有運(yùn)行速度快、界面統(tǒng)一、功能集中、易學(xué)易用等特點。
本設(shè)計使用Quartus II8．0對各個模塊進(jìn)行仿真驗證。通過仿真，驗證了各個系統(tǒng)模塊可以準(zhǔn)確的工作，并完成了整個設(shè)計功能。選取Alte-ra公司Cyclone II系列中的EP2C35F484C8器件對整個程序進(jìn)行時序仿真，其主要資源消耗為：總邏輯單元為3740／3 3216，總存儲單元為74 240／483 840，總管腳為387／475。總乘法器為16／35。仿真結(jié)果表明，本文所述實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)可行，可以獲得良好的性能，其最高速率可以達(dá)到87．3 MHz，完全滿足系統(tǒng)要求。
4 結(jié)束語
本設(shè)計通過FPGA來實現(xiàn)整個系統(tǒng)，充分利用了Altera公司FPGA產(chǎn)品高速大容量開發(fā)靈活方便等優(yōu)點，并使用QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境所提供的庫資源，同時最大限度地利用和發(fā)揮了FPGA的優(yōu)勢，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計，縮短了設(shè)計周期。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/191197.htm
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