【正文】 除上位機界面軟件外，用C語言編寫其余的所有程序。 聲源定位實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)本文所設計的聲源定位實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖47所示。板上提供了一些鍵盤、LED、RS232等常用功能部件，幫助用戶學習32位單片機從簡單的開始，一步一步的過渡到32位ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領域[60]。這里只給出了一路信號的前置放大電路，其它幾路相同。圖45 LA3210內(nèi)部方框圖Fig. 45 Inside pane chart of LA3210其外圍接口電路[59]如圖46所示。LA3210 工作電壓為5V，閉環(huán)和開環(huán)電壓增益分別為35dB和69dB，負載阻抗=，頻率范圍為100～10kHz。本聲源定位系統(tǒng)中選取集成運算放大器LA3210[58]和其外圍電路組成前置放大電路來對麥克風輸出的信號進行放大。有的還備有20dB和60dB附加增益，以適應不同的用途。前置放大器的主要性能[57]包括：(1)信噪比：由于前置放大電路處于系統(tǒng)的前端，并且其輸入信號常常是微弱信號，易受外界噪聲干擾，對電路的電氣噪聲也很敏感，因此其信噪比高低對整個系統(tǒng)起決定性作用。 前置放大電路 前置放大電路置于麥克風附近，放大麥克風的輸出信號通過傳輸線供主機處理。若聲源相距過遠，則麥克風輸出電壓低，噪聲電平相對提高；若距離太近，則低音太重，聲音模糊不清，麥克風容易過負荷而使輸出嚴重失真。所以最好將接到前置放大器放大?？紤]到電源噪聲的作用，兩種麥克風的中低頻交流小信號模型分別如圖44所示。圖44說明了使用兩種不同場效應管的麥克風電路結(jié)構(gòu)。在集成了JFET的麥克風內(nèi)部，JFET的源極還有一個電阻，以提供JFET正常工作所需的負偏壓。麥克風內(nèi)部集成了一個場效應管(FET)，用來放大駐極體電容產(chǎn)生的電壓信號，同時以比較低的阻抗在源極或者漏極輸出信號，實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換。其中圖43(a)為以JFET為阻抗轉(zhuǎn)換器的駐極體麥克風電路；(b)為以MOSFET為阻抗轉(zhuǎn)換器的駐極體麥克風電路。在我們的聲源定位系統(tǒng)中，采用4個獨立的駐極體麥克風采集聲源發(fā)出的聲音信號并將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。理論分析時，均假設麥克風的體積遠遠小于陣列間距，從而可以將麥克風近似成一個點。不管利用哪一種接收原理，麥克風主要接收聲場中的聲壓。按照指向性可分為全向、心形指向和超心形指向等?？梢钥闯?，在媒質(zhì)中傳播時，聲壓與傳播距離成反比。此時約為，則式(41)為： (44)式中：，為小脈動球的體積速度幅度值，通常稱為點源強度。圖42 脈動球源示意圖Fig. 42 Pulsantion spherical source sketch map根據(jù)文獻[52]，可得該球源輻射電壓為：， (41)式中：和分別為： (42) (43)為媒質(zhì)密度，本論文中媒質(zhì)為空氣，在標準狀態(tài)下；為聲波速度，在標準狀態(tài)下；為球源表面振動速度的幅度值；為球源表面振動的初相位角；，為聲波波長?？梢杂命c源(小脈動球源)的組合來處理任何復雜的面聲源。在EasyARM2119實驗板中將采集的數(shù)據(jù)做一些預處理后直接進行計算，并將計算后的結(jié)果通過串口通信電路發(fā)送至上位機，上位機通過界面軟件實時顯示聲源的方向角。圖41 聲源定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig. 41 Source sound localization system hardware structure char下面幾節(jié)將具體介紹該聲源定位系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，各硬件單元介紹及各部分軟件結(jié)構(gòu)設計。 聲源定位實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計本文所設計的聲源定位實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由聲源、4個按一定位置放置的麥克風、前置放大電路、一塊具有4個A/D采樣通道并可進行計算的EasyARM2119實驗板、RS232串口通訊線和上位機等幾個模塊組成。本實驗裝置具有較高的定位精度，并適于實時確定聲源的位置。在時延估計部分采用第二章中提到的互功率譜相位法估計時間延遲，然后用角度距離法定位出聲源的位置。在該實驗裝置中，嵌入了一種適合實時，且具有較高精度的定位算法。19第4章　近場聲源定位實驗第4章 近場聲源定位實驗通過前幾章對各種時延估計方法和定位方法的詳細討論，本章以嵌入式系統(tǒng)為基礎，開發(fā)了一個簡單可行的二維聲源定位實驗裝置。最后針對其中的一種方法進行了模擬仿真并提出了修正方法。其次討論了麥克風陣列的拓撲結(jié)構(gòu)并給出了麥克風陣列結(jié)構(gòu)設計的一般原則。圖38 改進前后近場球面波前方向角誤差曲線Fig. 38 Nearfield spherical wavefront direction angle error curve after improving 本章小結(jié)本章首先討論了基于麥克風陣列的近場和遠場模型。隨著距離的增大，誤差減小程度也逐漸變小。為驗證這種方法的正確性，模擬仿真如圖38所示。設每個麥克風接收信號的電壓為，則有： (344)由于 (345)將式(345)代入式(344)可得： (346)故 (347)設每個信號與參考信號之間的時間延遲為,則由近場模型方向角估計公式可求得近似方向角。近場情況下，按原有方向角估計算法估計出的方向角存在較大的誤差，故提出一種改進方法。為使測量結(jié)果具有較小的誤差，聲源與麥克風陣列之間的距離應不大于。此外，從圖中還可以看出，隨著聲源與麥克風陣列距離的增大，誤差具有明顯的下降，但到一定距離時，誤差變化也非常小。 cm時，所測方向角具有較大的誤差(176。 距離/m304560751在各個距離和角度下，估計出的方向角與理論上的方向角的絕對誤差如圖37所示。仿真中采用互功率譜相位法來估計麥克風1～4之間的時間延遲，采用上一節(jié)中提到的角度距離法來估計聲源的方向角。、60176。、45176。設采樣頻率=10 KHz，陣元間距=4 cm，聲源與麥克風陣列(參考麥克風) m、 m、 m、 m和1 m，聲源與麥克風陣列的夾角分別設為30176。 仿真條件與結(jié)果計算機仿真中，假定由4個麥克風組成等間距線陣列接收近場聲源發(fā)出的聲音，如圖36所示。 聲源方向角估計的模擬仿真本節(jié)將應用角度距離定位法確定二維平面中近場聲源的方向角。ISODATA算法與K均值算法有相似之處。此外根據(jù)時延估計的方差，可設定和的權值為和，通過這些點的線性插值即可估計出聲源的位置，即 (343)通過適當?shù)母倪M，線性插值法也可用于多個聲源的定位。但由于和估計不準和采樣的限制，直線往往不能相交于一點。用線性插值法實現(xiàn)聲源的定位需要多組如圖35擺放的麥克風。當聲源離麥克風距離比較遠時，根據(jù)第二章中的方向角估計的近似可得： (341) (342)式中：是聲源到麥克風和的距離差(等于時延乘以聲速)；聲源到麥克風和的距離差；是麥克風和間的距離；麥克風和的距離。 線性插值法線性插值法的基本麥克風擺放如圖35所示。然后將代入式(340)，可求得。而如果給定，則該方程相對于是線性的；反之，如果給定，則該方程相對于也是線性的。圖34 麥克風和聲源的幾何關系圖Fig. 34 Geometric relationships diagram between microphone and source由矢量幾何和三角形三邊關系可得： (337)將上式展開并整理得： (338)由于是通過估計時延得到的，自然與實際值相比有一個偏差，因此上式不為零，其誤差為： (339)假設有M個麥克風，記為(0，1，…，M1)，則可以估計出第(2，…，M1)個麥克風到第1個麥克風的距離差，從而根據(jù)式(339)得到M1個方程，將這些方程寫成矩陣形式，可得下式： (340)式中：；； 。首先給出麥克風、和聲源的幾何關系圖如圖34所示。假定聲源坐標為，則麥克風1和3的坐標是和，可得： (332) (333)將移到方程的右邊并平方，得： (334) (335)兩式相加可得： (336) 球形插值法球形插值法根據(jù)多個麥克風對的時間延遲求得一組方程，并在滿足最小均方誤差準則下解這個方程組。圖33 角度距離法麥克風擺放結(jié)構(gòu)Fig. 33 Microphone placed structure with angle and distance method 假定麥克風2在原點，麥克風陣列中心與聲源的距離為，麥克風之間的間距為，聲源到各麥克風對的距離差為，(距離差等于時間延遲乘以聲速)。三維陣列結(jié)構(gòu)較復雜，可以選擇的算法不是很豐富，實現(xiàn)成本較高，但是對三維空間定位性能好，適用于需要對三維空間定位的系統(tǒng)。如果只需要對部分區(qū)域定位(實際系統(tǒng)大多如此)，可以選擇均勻直線陣列。 麥克風陣列結(jié)構(gòu)性能評價從上面的討論可以看出，均勻直線陣列具有結(jié)構(gòu)簡單，可選擇定位算法多，對應得算法復雜度較低等優(yōu)點，因此應用十分廣泛。(2) 三維均勻直線陣列 把一維均勻直線陣推廣到三維空間，即三維均勻直線陣列。按照等空間采樣，陣元個數(shù)一般選取8個(分別位于正六面體的8個頂點上)，12個(分別位于正20面體的12個頂點上)，20個(分別位于正12面體的20個頂點上)。按照對稱的原則，這里討論兩種三維陣列：均勻球面陣列(USA, Uniform Spherical Array)和三維均勻直線陣列。麥克風的個數(shù)一般選取6～20個，陣列的半徑一般選擇15～40 cm。 二維陣列(均勻圓形麥克風陣列) 二維均勻陣列，最常見的均勻圓形陣列(UCA，uniform circle array)。綜合考慮空間采樣定理、陣列尺寸等因素，陣元間距一般為6～15 cm。陣元數(shù)目一般為6～18個，陣元間距為波長的一半。 麥克風陣列結(jié)構(gòu)選擇 一維陣列(均勻直線麥克風陣列) 最簡單的陣列結(jié)構(gòu)為一維均勻直線陣列(ULA，uniform linear array)。用于定位系統(tǒng)的麥克風，一般選擇全向、電容式麥克風。 麥克風種類麥克風的種類很多，通常包括動圈式、電容式、壓電式等幾種。陣元個數(shù)選擇過少，陣列的空間信息太少，嚴重影響系統(tǒng)性能；過多又會增加成本和實現(xiàn)的難度。為了保證兩個陣元之間接收信號所需要的空間信息，陣元間距應遠遠大于距離精度。對于均勻直線陣列，陣元間距相當于時間處理中的采樣頻率，因此必須滿足空間采樣定理，即陣元間距必須小于或等于波長的一半。 麥克風陣元間距陣元間距的選擇與信號源的頻率以及系統(tǒng)的采樣頻率密切相關。這些陣列一般是針對一維DOA系統(tǒng)設計的，用于二維或三維定位系統(tǒng)時，定位性能上不可避免有些缺陷。由于系統(tǒng)是分扇區(qū)工作，因此，在陣列處理中需要切換。均勻直線陣列由于結(jié)構(gòu)簡單，同時間序列的采樣完全對應，可以采用絕大多數(shù)基于時間序列的算法，因此受到了極大的重視，應用也十分廣泛。 麥克風陣列的拓撲結(jié)構(gòu)麥克風陣列的構(gòu)建要考慮陣列的幾何結(jié)構(gòu)、陣元間距、陣元個數(shù)和采用的麥克風類型等因素。當麥克風陣列系統(tǒng)應用于室內(nèi)環(huán)境時，聲源位于麥克風陣列的距離在大部分情況下小于500 cm，麥克風陣列信號接收模型應采用精確的近場模型，信號波前為球面波波前，接收信號在時域可以用式(318)來描述。近場模型和遠場模型最主要的區(qū)別在于是否考慮麥克風陣列各陣元因接收信號幅度衰減的不同所帶來的影響。聲波在傳播過程中要發(fā)生幅度衰減，其幅度衰減因子與傳播距離成正比。圖32 近場模型演化為遠場模型Fig. 32 Nearfield model evolvements to farfield model由于聲源距麥克風陣列很遠，可以采用近似的平面波前模型，聲源的位置矢量實際上只是一個方向而已，故用單位方向矢量來表示其位置信息。例如，聲源位置為=(300,400,200)，聲源與參考麥克風(坐標原點)的距離為= cm，麥克風的位置為=(10,0,0)，=10 cm時，=。 麥克風陣列遠場信號模型本節(jié)主要討論麥克風陣列遠場模型。則第一個麥克風(參考麥克風)接收到第個聲源的信號為： (312)對式(311)和式(312)進行傅立葉變換，可得： (313) (314)把式(313)代入式(314)中并取傅立葉反變換，可得： (315)定義第個麥克風與個信號的相對幅度衰減因子： (316)定義第個麥克風與個信號的相對時間延遲因子： (317)則第個麥克風接收到來自第個聲源的信號可以表示為： (318)由圖31的幾何關系可知： (319) (320)式中：是聲波波速，在室溫時取340m/s；表示向量的范數(shù)。設第個點聲源發(fā)出的信號為。圖31 麥克風陣列接收信號模型Fig. 31 Model of Microphone array re