基于DSP二維聲源定向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 笛，王 敏

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

被動(dòng)式聲源定向系統(tǒng)在軍事和日常生活中的多方面有著重要的應(yīng)用。軍事中常采用傳聲器陣列初步估計(jì)目標(biāo)的方位，為雷達(dá)精確掃描提供依據(jù);日常生活中多用于攝像頭輔助系統(tǒng)，引導(dǎo)攝像頭向聲源方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這在視頻會(huì)議中應(yīng)用較多，其他應(yīng)用還包括室內(nèi)防盜系統(tǒng)和災(zāi)害搜救設(shè)備等。近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)此作了大量研究，提出了多種實(shí)用性算法。王毅［1］等人將現(xiàn)有的算法分成3類(lèi):基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)、基于高分辨譜估計(jì)技術(shù)和基于聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)，其中基于聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)具有運(yùn)算量小、精度高的特點(diǎn)，被廣泛使用。文中正是基于這一技術(shù)，采用相位匹配算法［2］，對(duì)兩個(gè)傳聲器采集的聲音信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了二維聲源定向。

1 原理

1.1 聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)

所謂聲波到達(dá)時(shí)間差就是指聲波信號(hào)到達(dá)2個(gè)或多個(gè)傳聲器之間的時(shí)間差，利用該差值即可確定聲源的方向，文中只采用2個(gè)傳聲器，其原理如圖1所示。

圖1 聲波到達(dá)時(shí)間差原理示意圖

設(shè)置傳聲器1和傳聲器2之間的距離為d;聲源到達(dá)傳聲器1的角度為θ1;到傳聲器2的角度為θ2，并且聲源到兩個(gè)傳聲器中點(diǎn)C的距離遠(yuǎn)大于兩個(gè)傳聲器之間的距離d。基于這個(gè)前提，則 θ1≈θ2=θ，設(shè)聲速為c，聲波到達(dá)傳聲器2與到達(dá)傳聲器1之間的時(shí)間差為 τ，則式(1)成立

因此

在式(2)中，聲速c和傳聲器1，2之間的距離d，都是已知數(shù)，只要求出聲波到達(dá)時(shí)間差τ，就可以得到聲源的方位角θ。

以上就是聲波到達(dá)時(shí)間差原理，時(shí)間差τ的求取方法有最小均方自適應(yīng)濾波法、廣義互相關(guān)函數(shù)法、互功率譜相位法等，文獻(xiàn)［1］對(duì)各種方法的比較作了詳細(xì)介紹。除上述直接或間接求取時(shí)間差τ的方法外，本文采用文獻(xiàn)［2］中的一種相位匹配算法，雖然也是基于聲波到達(dá)時(shí)間差技術(shù)，但它不用求取時(shí)間差τ，就能得到聲源的方位角θ。

1.2 相位匹配算法

信號(hào)相位匹配的原理就是對(duì)傳聲器2輸出的信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，不同的頻率補(bǔ)償不同的相位，如果補(bǔ)償?shù)南辔坏扔谟捎诼曉捶轿唤且鸬南辔徊睿瑒t傳聲器

1，2 方向相同。

設(shè)聲波到達(dá)兩個(gè)傳聲器的時(shí)間差為τ0，傳聲器1接收到的聲波信號(hào)為

則傳聲器2接收的聲波信號(hào)為

對(duì)式(3)和式(4)分別進(jìn)行傅里葉變換得

對(duì)式(6)的各頻率補(bǔ)償相位ejωτ，并與式(5)相減得

對(duì)式(7)各頻率取模平方，相加并取倒數(shù)得

t=(dsinθ)/c，θ在一定范圍內(nèi)以一定的精度步進(jìn)，當(dāng)E(τ)取最大值時(shí)，τ所對(duì)應(yīng)的角度θ即為聲源方位角。

1.3 算法仿真

設(shè)兩個(gè)傳聲器之間的距離d=0.15 m，聲速c=340 m/s，θ在 －90°～90°之間以0.5°步進(jìn)，聲源是頻率分別為 f0=200 Hz，f1=1200 Hz，f2=5400 Hz，f3=10600 Hz，f4=18560 Hz的5個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)與白噪聲的加權(quán)疊加，采樣率fs=48 kHz。當(dāng)設(shè)定聲源方位角為30°時(shí)，仿真測(cè)得為31.5°。傳聲器1，2輸入的信號(hào)以及E(τ)波形如圖2所示。

圖2 傳聲器輸入信號(hào)及測(cè)得角度

表1中對(duì)設(shè)定的方位角給出了對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果，從中可知相位匹配算法在－80°～80°方位角范圍內(nèi)可以較好地確定聲源方位角，具有較高的準(zhǔn)度和精度。

表1 相位匹配算法仿真數(shù)據(jù)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用兩個(gè)傳聲器采集聲波信號(hào)，經(jīng)自動(dòng)增益放大、濾波后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)采樣、量化、編碼后輸出數(shù)字化的聲波信號(hào)到DSP，在DSP內(nèi)部對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行截取、加窗后運(yùn)用上文提到的算法做分析，并最終輸出聲源的方位角，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)信號(hào)流程圖

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。自動(dòng)增益放大器根據(jù)傳聲器接收到的聲波信號(hào)幅度自動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)，保證輸入到音頻編解碼器AD1836的信號(hào)都維持在一定的幅度上，不會(huì)因放大倍數(shù)過(guò)大而使大信號(hào)失真，也不會(huì)因放大倍數(shù)太小而使小信號(hào)被噪聲淹沒(méi)。自動(dòng)增益放大器可采用數(shù)字電位器，也可用專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)，文中利用場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻特性實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益放大。

人耳能聽(tīng)到的聲音頻率范圍是20 Hz～20 kHz，低通濾波器用于濾除高于20 kHz的頻率成份，由于文中算法對(duì)相位比較敏感，為保證濾波后各頻率的相位不失真，將低通濾波器的截止頻率提高到100 kHz，設(shè)計(jì)一個(gè)二階有源橢圓形低通濾波器。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)框圖

其他各部分是基于現(xiàn)有硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)—ADI公司的ADSP－BF533－EZ－KIT開(kāi)發(fā)板［3－4］，如圖5所示。音頻編解碼器AD1836［5］是位于開(kāi)發(fā)板上的一個(gè)雙通道立體聲音頻轉(zhuǎn)換器，最高采樣率96 kHz，可同時(shí)完成4路音頻信號(hào)的輸入和轉(zhuǎn)換，并通過(guò)SPORT口將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)依次輸出到BF533 DSP，同時(shí)BF533通過(guò)SPI口對(duì)AD1836的內(nèi)部寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，完成相應(yīng)功能的設(shè)置。BF533是ADI公司的一款16位定點(diǎn)DSP，內(nèi)核時(shí)鐘可達(dá)600 MHz，其片上豐富的外設(shè)為其他設(shè)備提供了方便的接口，如SPORT口和SPI口就為音頻解碼器提供無(wú)縫連接，而外部總線接口(EBIU)則方便了SDRAM以及Flash存儲(chǔ)器與BF533的連接。

圖5 ADSP－BF533－EZ－KIT開(kāi)發(fā)板

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

為使系統(tǒng)正常運(yùn)行，程序要先對(duì)開(kāi)BF533 DSP和音頻編解碼器AD1836做初始化。設(shè)置BF533內(nèi)核時(shí)鐘594 MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘118 MHz;SPORT0接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度16位，幀同步使能，DMA中斷使能;通過(guò)BF533 SPI口DMA配置AD1836為48 kHz采樣率，16位分辨率。

初始化完成之后AD1836開(kāi)始以設(shè)定的模式工作，通過(guò) SPORT口向 BF533輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)使能SPORT0口DMA接收數(shù)據(jù)，每接收一組數(shù)據(jù)產(chǎn)生一次中斷，數(shù)據(jù)被保存在內(nèi)存中，SPORT0口繼續(xù)工作，直到接收完規(guī)定的采樣點(diǎn)數(shù)，這時(shí)禁止SPORT0口DMA中斷，程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)作算法分析，并將結(jié)果輸出，完成一次聲源定向;之后重新使能DMA中斷，程序重復(fù)上述工作，進(jìn)行下一次定向，程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

利用BF533作為系統(tǒng)核心，充分發(fā)揮其數(shù)字信號(hào)處理功能，進(jìn)行相位匹配算法運(yùn)算，完成聲源定向。需要注意的是為保證定向的準(zhǔn)確性，兩個(gè)傳聲器之間的距離應(yīng)小于聲波波長(zhǎng)的1/2，同時(shí)采樣率的提高有助于提高定向精度。經(jīng)測(cè)定系統(tǒng)具有較好定向性能和實(shí)用價(jià)值。

［1］王毅，吳長(zhǎng)奇，胡雙喜.TDOA中幾種時(shí)延估計(jì)算法的比較［J］.工程實(shí)踐及應(yīng)用技術(shù)，2008，34(1):52－55.

［2］嚴(yán)勝剛，王惠剛，李志舜，等.信號(hào)相位匹配原理的方位估計(jì)性能分析［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23(5):589 －592.

［3］Analog Devices，Inc.ADSP － BF533 Blackfin?Processor Hardware Reference［M］.USA:Analog Devices，Inc，2009.

［4］Analog Devices，Inc.ADSP －BF533 EZ －KIT Lite?Evaluation System Manual［M］.USA:Analog Devices，Inc，2004.

［5］Analog Devices，Inc.AD1836A［M］.USA:Analog Devices，Inc，2003.