基于FPGA的声源定位系统设计及实现

论文摘要

声源定位可以利用传声器阵列接收声源信号,通过对阵列的各路输出信号进行分析和处理,从而确定声源位置的信息。如果声源连续输出声音,则可实现对移动声源的跟踪,应用前景十分广泛。近年来,声源定位广泛应用于视频和电话会议系统、语音控制系统以及实际环境中的语音识别系统。基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的系统,充分利用其硬件上的特性可以满足多路高速并行信号处理的需要,并使用SOPC(System On a Programmable Chip)技术可使设计灵活、软硬件可在线编程及更新。本文设计了一个基于FPGA的声源定位系统,采用以CycloneⅢ系列EP3C25Q240C8芯片为核心的开发板为硬件平台,配合外围传声器阵列声源采集电路进行实时声源信号采集,当测试环境内有声源发生时,本系统将用LED灯进行提示,同时也在LCD上显示声源位置坐标。整个系统在设计上采用软硬件结合的设计方式,同时实现过程中利用Matlab、 Multisim和ModelSim进行软硬件仿真。硬件方面是利用Quartus Ⅱ和DSP Builder软件设计和实现了各个模块,主要包括语音预处理模块、模数转换控制模块和TDOA(Time Difference Of Arrival,时延差)模块。在使用Quartus Ⅱ时,使用它自带的SOPC Builder来构建SOPC_System模块作为后续分析运算平台。软件部分利用Nios Ⅱ IDE环境下采用C语言实现空间几何定位算法和LCD显示的编程与调试。测试表明,硬件部分功能有效、可行,实现了在FPGA上软件和硬件的协同工作,完成了声源信号的采集、处理和显示等功能。该系统作为嵌入式系统,在FPGA上易于编程、调试,使用简单实用。而且拥有较高的性价比,能够有效的节省软件和硬件资源,有着较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 本文的主要工作及章节安排
• 第2章 声源定位系统理论基础
• 2.1 基于传声器声源定位的基本原理
• 2.1.1 传声器的选择
• 2.1.1.1 传声器的种类及特点
• 2.1.1.2 传声器的接法与检测
• 2.1.2 传声器阵列的阵列设计
• 2.1.3 基于传声器阵列的声源定位方法
• 2.1.4 基于时延估计定位技术的基本原理
• 2.2 基于传声器声源定位的主要技术
• 2.2.1 语音信号处理
• 2.2.1.1 语音的特征
• 2.2.1.2 语音信号的数字化
• 2.2.1.3 语音信号的预处理
• 2.3 本章小结
• 第3章 声源定位系统总体设计
• 3.1 系统硬件开发平台
• 3.2 系统软件开发平台
• 3.2.1 Quartus Ⅱ软件平台
• 3.2.2 Nios Ⅱ IDE软件平台
• 3.2.3 DSP Builder软件平台
• 3.2.4 其它仿真软件
• 3.3 系统总体设计
• 3.3.1 系统需求分析
• 3.3.2 系统功能分析
• 3.3.3 系统整体构建
• 3.3.4 系统整体工作流程
• 3.4 本章小结
• 第4章 声源定位系统算法研究
• 4.1 端点检测算法研究
• 4.1.1 短时能量分析
• 4.1.2 短时过零率分析
• 4.1.3 双门限端点检测算法分析
• 4.2 空间几何定位算法研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 声源定位系统具体设计
• 5.1 传声器阵列设计
• 5.2 声源信号采集板设计
• 5.2.1 信号前置放大电路
• 5.2.2 信号滤波电路
• 5.2.3 模数转换电路
• 5.2.4 电源管理电路
• 5.2.5 电路板的设计与制作
• 5.3 锁相环
• 5.4 模数转换驱动控制模块
• 5.5 语音信号预处理模块
• 5.5.1 预加重运算单元
• 5.5.2 端点检测运算单元
• 5.5.2.1 短时能量检测运算单元
• 5.5.2.2 过零率检测运算单元
• 5.5.2.3 双门限检测运算单元
• 5.6 时延估计模块
• 5.7 SOPC系统
• 5.8 LCD接口设计
• 5.9 本章小结
• 第6章 系统实现与性能分析
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 系统硬件调试
• 6.1.1.1 声源信号采集电路调试
• 6.1.1.2 LCD显示模块调试
• 6.1.1.3 模块调试
• 6.1.2 系统软件调试
• 6.1.2.1 定值调试
• 6.1.2.2 定位算法调试
• 6.1.3 系统配置文件下载
• 6.2 系统测试及性能分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 工作总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢