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摘 要

声源定位系统在日常生活的各处都具有非常重要的意义，研究能实现声源定位的算法并在硬件上加以实现也是当今科研领域的研究热点。本文在介绍了声源定位系统的几种经典算法后，着重研究基于基本麦克风阵列的平均复声强法。本次设计流程是先熟知算法并进行MATLAB仿真分析，再在硬件上实现，本系统采用TMS320F28335 DSP作为主控芯片，四路差分麦克风阵列作为音源数据采集装置，此信号经信号调理器放大后输入到片上A/D，转化为数字信号后用DSP进行信号处理并得出结论。本系统由于房间噪声和混响会对结果产生干扰，具体改进步骤会在下一步研究中实现。

关键词：声源定位 DSP 差分麦克风阵列

ABSTRACT

Sound source location system has very important meaning in every place of daily life, Researching algorithms that can realize sound source localization and implement it in hardware is also a research hot topic in the field of scientific research. This article focuses on the basic acoustic intensity estimation algorithm based on the basic microphone array after introducing several classical algorithms of the sound source localization system. The design process is first familiar with the algorithm and doing MATLAB simulation analysis, and then implemented on the hardware. This system uses TMS320F28335 DSP as the CPU, four-channel differential microphone array as the sound source data acquisition device, this signal is amplified by the signal conditioner and input to the on-chip A/D, converted into a digital signal and processed by DSP signal processing and concluded . This system will interfere with the results due to room noise and reverberation. The specific improvement steps will be realized in the next research.

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 论文主要研究内容 2

1.3 论文结构 3

第二章 声源定位系统简介 4

2.1 阵列信号模型 4

2.2 平均复声强法 5

2.3 MATLAB仿真分析 6

2.3.1 MATLAB仿真流程 7

2.3.2 MATLAB程序 7

2.3.3 MATLAB仿真结果 8

第三章 声源定位系统实现 10

3.1 系统总体方案设计 10

3.2 系统器件的选择 10

3.2.1 处理器的选择 10

3.2.2麦克风的选择 10

第四章 硬件系统设计 12

4.1 DSP电路 12

4.1.1 时钟电路 12

4.1.2 复位电路 13

4.1.3 JTAG仿真电路 13

4.1.4 片上A/D 14

4.2 麦克风阵列电路 15

第五章 软件系统设计 17

5.1 主程序设计 17

5.2 A/D采集模块 17

5.3 数字信号处理模块 19

5.3.1 FFT算法 20

5.3.2 希尔伯特变换 23

第六章 系统调试 25

6.1 硬件调试 25

6.2 软件调试 26

第七章 论文总结 1

7.1 论文小结 1

7.2 展望 1

参考文献 1

第一章 绪论

1.1 研究背景

差分麦克风声源定位系统在语音处理系统，机器人听觉研究以及通信系统等领域中都有广泛应用和重要的研究意义。近几年来，在此方面的研究也成为热门，技术上得到迅速发展，性能不断完善。

在实际生活中声源定位的运用非常广泛，在此做简单的介绍说明：最开始时声源定位系统应用于军事系统中，渐渐的经典传统声源定位技术已经不能满足现代科技飞速发展的国防系统及航空系统；当军事系统中技术成熟后，慢慢开始运用于民品中，声源定位技术开始运用于便民的商业开发中，对于新技术的出现，极大的方便和改善了生活，有已经进入实际应用在生活中的一些产品，包括视频会议系统，助听器，电话会议系统等。

在硬件方面，声音采集主要会用到差分麦克风阵列，麦克风阵列是一组至少由三个麦克组成的几何阵列，经由麦克风采集到的声音信号再次处理后会得到定位算法中所需的特征量。麦克风阵列对于声源采集有比较强的抗干扰能力和空间指向性，所谓空间指向性是指麦克风对空间上各个方向上的声源信号有不同的灵敏度，对于声源定位系统来说实现麦克风的空间全指向性是很重要的。

国外的声源定位技术要比国内早出现，研究体系也更加完善，最开始被国外广泛应用于军事领域。到目前为止，已经安装和使用完善的声源检测系统的国家包含美国，日本，以色列，瑞典等。声源定位技术的发展需要突破一些难点，其中包括：环境所产生的噪声和混响对检测的干扰，语音信号的非平稳性使得分析难度增大，在民品中使用时往往需要较小尺寸的麦克风阵列，在实际生活中对系统尺寸要求较高等。

当前声源定位的经典算法有时延估计法，可控波束形成法，空间谱估计法。时延估计法分为两步，首先进行时延估计，接着要对时延和麦克风位置进行映射，进而得出声源位置。波束形成技术是可控波束形成法的根本，当波束主瓣对空间全向性扫描时，判断最大功率处即为声源入射的角度。空间谱估计法是基于特征分解技术，并基于阵列信号处理中的高分辨空间谱估计理论。以下进行详细阐述。

时延估计法的原理是利用声源信息到达每个麦克风的延迟不同从而计算出声源入射角的。由原理可知要想用此方法最少需要两个麦克风，为了得出的结论准确，往往会利用四个麦克风组成的阵列，并计算每两个麦克风之前的延迟关系。

可控波束形成法是基于波束形成技术，首先接收四路麦克风信号并求和，由波束形成器搜索全向空间，当波束形成器的输出功率达到峰值时此角度便为声源入射角。在实际运用中此方法需要麦克风阵列尺寸较大，并在混响较高的情况下会产生较大的误差。

1.2 论文主要研究内容

混响和噪声一直是室内声源定位中对数据干扰较大的因素，所谓混响就是指当声源停止发送声波后，之前所发出的声波在室内被墙壁或其他物体反射，反射时会吸收部分能量并进行下一次反射，直到多次反射后才会消失的现象。声源停止发声后之前声波在室内持续的时间记为RT60，含义是声波能量衰减到初始声源60dB时所用的时间。所以在室内进行声源定位时麦克风采集到的声源信息中会包含混响和加性噪声，对实验结果产生干扰。

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