基于麦克风阵列声源定位系统的FPGA实现

作者：时间：2011-05-24来源：网络收藏

2．4 本帧互功率谱模块
第一路信号FFT结果与第二路信号FFT结果的共轭相乘得到本帧互功率谱。
若第一路是r1+i1，第二路是r2+i2，其共轭为r2-i2，相乘时可用式(6)，式(7)所示的计算方法，这样可以减少一次乘法运算，节省内部资源

其中，R和I是本帧互功率谱的实部和虚部；r1和r2是FFT结果的实部；i1和i2是FFT结果的虚部。
2．5 频域加权模块
本帧互功率谱乘以存放在ROM中的加权函数，使互相关函数峰值更加突出。调用内部乘法器模块即可完成。
2．6 功率谱平滑模块
对加权模块结果，进行连续数帧的累加以平滑互功率谱，使峰值便于检测。调用内部加法器模块即可完成。
2．7 反FFT模块
对平滑结果进行反FFT运算，求得互相关函数。根据FFT原理，反FFT运算可借助于FFT模块计算。即将FFT运算中旋转因子取倒数，最后的输出乘以1／N就可以用来计算反FFT。为防止运算过程中发生溢出，可将1／N分配到每一级蝶形运算中。由于1／N=(1／2)M，所以每级的每个蝶形输出支路均有一相乘因子1／2，即右移一位即可。
2．8 峰值检测模块
对FFT结果求模即是求

的值，然后求出其模值的峰值，即相应的语音信号时延值。
2．9 定位算法模块
根据角度距离定位法，声源相对原点的水平角θazimuth为

其中，a是麦克之间的间距；d是声源到麦克对的距离差。
声源相对原点的仰角φelevation为

其中，a是麦克之间的间距；d是声源到麦克对的距离差。
由上可知，需要计算反余弦函数值确定出相应的角度值。反余弦函数是超越函数，可以用泰勒级数近似计算这个函数，但较为麻烦且精度不高，而CORDIC算法是由移位和加减运算组成，所以比较适合FPGA的实现，速度较快且具有较高的迭代精度。本系统使用高速9级流水线结构实现CORDIC算法。迭代关系如下

式(10)是迭代的初始条件，式(11)是根据本次坐标值判定下次迭代方向，式(12)～式(14)是下次迭代公式。
算法经过数次迭代后θ的值即是*****。实际中使用9级迭代，可以得到7位精度。最小角度精度为0．111 905。

3 模块仿真和综合报告
Quartus II是Altera公司开发的综合性PLD软件，内嵌综合器和仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。而且具有运行速度快、界面统一、功能集中、易学易用等特点。
本设计使用Quartus II8．0对各个模块进行仿真验证。通过仿真，验证了各个系统模块可以准确的工作，并完成了整个设计功能。选取Alte-ra公司Cyclone II系列中的EP2C35F484C8器件对整个程序进行时序仿真，其主要资源消耗为：总逻辑单元为3740／3 3216，总存储单元为74 240／483 840，总管脚为387／475。总乘法器为16／35。仿真结果表明，本文所述实现方法结构可行，可以获得良好的性能，其最高速率可以达到87．3 MHz，完全满足系统要求。

4 结束语
本设计通过FPGA来实现整个系统，充分利用了Altera公司FPGA产品高速大容量开发灵活方便等优点，并使用QuartusⅡ开发环境所提供的库资源，同时最大限度地利用和发挥了FPGA的优势，从而简化了系统设计，缩短了设计周期。