基于麦克风阵列声源定位系统的FPGA实现

摘要：论述了基于麦克风阵列的声源定位技术的基本原理，给出了利用FPGA实现系统各模块的设计方法。重点介绍了其原理和模块的电路实现，给出的基于FPGA设计实验结果表明，系统最大限度发挥了FPGA的优势、简化了系统设计、缩短了设计周期、符合设计要求。
关键词：声源定位；时延估计；FFT；CORDIC

声源定位，即确定一个或多个声源在空间中的位置，是一个有广泛应用背景的研究课题。基于麦克风阵列的声源定位技术在视频会议、声音检测及语音增强等领域有重要的应用价值。
声源定位算法目前主要有3类：第一类算法是基于波束形成的方法。这种算法能够用于多个声源的定位，但是它存在着需要声源和背景噪声先验知识以及对初始值比较敏感等缺点；第二类算法是基于高分辨率谱估计的方法。这种算法理论上能够对声源方向进行有效估计，但是计算量较大，且不适于处理人声等宽带信号；第三类算法是基于到达时间差的方法。由于这种方法原理简单，计算量较小，且易于实现，在声源定位系统中得到了广泛应用。根据以上介绍，本文决定选择第三类即基于到达时间差的定位方法。
基于到达时间差声源定位算法包括2个步骤：
1)先进行时延估计，从中获得传声器阵列中相应阵元对之间的声音到达时延。常用的方法有最小均方自适应滤波法、互功率谱相位法和广义互相关函数法。
2)利用时延估计进行方位估计，主要方法有角度距离定位法、球形插值法、线性插值法和目标函数空间搜索定位法。与其他几种方法相比，基于广义互相关函数的方法计算量小、计算效率高。优点明显，故时延估计采用此方法。方位估计则采用精度适中、易于实现的角度距离定位法。
FPGA具有高速处理能力，而且开发灵活，易于在线系统升级，能较大缩短系统的开发周期。为此，采用Ahera公司的FPGA处理器件实现本系统。

1 系统的基本原理及流程图
算法的结构流程如图1所示，首先由麦克1和2获得说话人的语音信号，再经过A／D采样和低通滤波器，最后得到待处理输入语音信号，可以分别记为x1(n)和x2(n)。

对求傅里叶反变换，即可以得到麦克1和2间的广义互相关函数为

其峰值就是麦克1和2之间的时延。得到多对麦克间的时延后，由角度距离定位法，就可得到声源位置。