本文選題：聲源定位　切入點(diǎn)：FPGA　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位是陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要應(yīng)用,在單兵作戰(zhàn)、狙擊手方位判定等軍事領(lǐng)域和視頻會(huì)議、智能機(jī)器人等民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。針對(duì)當(dāng)前聲源定位系統(tǒng)多是基于PC平臺(tái)完成數(shù)據(jù)的處理和聲源方位的判定,具有價(jià)格昂貴,操作復(fù)雜,功耗高,不易攜帶等缺點(diǎn),本文提出了基于FPGA的麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng),以FPGA為數(shù)據(jù)處理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了小體積,便攜,低功耗,價(jià)格合適的系統(tǒng)特性,在視頻會(huì)議,野外探測(cè)和軍事作戰(zhàn)中,有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文主要從理論研究、軟硬件設(shè)計(jì)和定位實(shí)驗(yàn)三部分對(duì)聲源定位系統(tǒng)展開(kāi)了研究。首先,本文對(duì)波束形成、高分辨率譜估計(jì)和到達(dá)時(shí)間差三種定位算法進(jìn)行了比較和研究,并對(duì)三元麥克風(fēng)線性模型和六麥克風(fēng)空間模型進(jìn)行理論推導(dǎo),分析定位誤差產(chǎn)生原因。使用MATLAB對(duì)TDOA算法和MUSIC算法進(jìn)行了仿真比較,針對(duì)FPGA定位系統(tǒng)的特性,選擇計(jì)算量小,實(shí)時(shí)性好TDOA算法作為本文的定位算法。然后,針對(duì)系統(tǒng)性能要求,完成了基于FPGA的聲源定位系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。其中硬件設(shè)計(jì)包含了信號(hào)調(diào)理電路,電源供電電路,AD采集電路,SD存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了八路信號(hào)的同步采集,存儲(chǔ)和分析,具有便攜,低功耗的特性。軟件設(shè)計(jì)包含了硬件電路控制和定位算法實(shí)現(xiàn)兩大部分,基于硬件基礎(chǔ),采用了模塊復(fù)用、縮減數(shù)據(jù)位數(shù)、使能控制、流水結(jié)構(gòu)等方式完成了程序優(yōu)化并使用Modelsim對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,給出了系統(tǒng)邏輯資源消耗量和定位程序仿真耗時(shí)量。最后,針對(duì)設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng),進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試和定位實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理,能夠較好的實(shí)現(xiàn)聲源定位。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差,給出了系統(tǒng)誤差分析,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案,為后續(xù)的研究提供了思路。最終,本文在FPGA上實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲源信息的采集,存儲(chǔ),分析和定位。
[Abstract]:Sound source location based on microphone array is an important application of array signal processing. It is used in military fields such as single combat, sniper orientation determination and video conference. Intelligent robots and other civil fields have been widely used. In view of the current sound source location system is mostly based on PC platform to complete the data processing and sound source orientation determination, with expensive, complex operation, high power consumption, difficult to carry and other shortcomings. In this paper, a microphone array sound source location system based on FPGA is proposed. With FPGA as the data processing platform, the system features of small volume, portable, low power consumption and suitable price are realized, which can be used in video conferencing, field exploration and military operations. It has important application value. In this paper, the acoustic source positioning system is studied mainly from three parts: theoretical research, hardware and software design and localization experiment. First, this paper focuses on beamforming. The high resolution spectrum estimation and time of arrival (DOA) localization algorithms are compared and studied, and the linear and six-microphone space models are derived theoretically. The reason of location error is analyzed. The TDOA algorithm and MUSIC algorithm are simulated and compared by using MATLAB. According to the characteristics of FPGA positioning system, the algorithm of TDOA is chosen as the location algorithm of this paper, which is small in computation and good in real time. Then, according to the performance requirements of the system, the algorithm is introduced. The hardware and software design of sound source location system based on FPGA is completed. The hardware design includes signal conditioning circuit, power supply circuit, AD acquisition circuit and SD storage circuit, and realizes the synchronous acquisition, storage and analysis of eight signals. The software design includes two parts: hardware circuit control and location algorithm realization. Based on hardware, module reuse is adopted to reduce the number of data bits, so that it can be controlled. Income structure and other ways to complete the optimization of the program and use Modelsim to verify the simulation of each module, given the system logical resource consumption and positioning program simulation time. Finally, for the design of the positioning system, The results show that the design of the system is reasonable and the sound source location can be realized well. The error analysis of the system is given, and the corresponding improvement scheme is put forward. Finally, this paper realizes the acquisition, storage, analysis and localization of sound source information on FPGA.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN912.3

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