一種基于fpga麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種聲源定位系統(tǒng)，具體來(lái)說(shuō)為一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲 源定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲音在空氣中的傳播完成了信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)了人與人之間的基本交流。麥克風(fēng) 是最基本的語(yǔ)音信號(hào)接收設(shè)備之一，在進(jìn)行視頻會(huì)議時(shí)，麥克風(fēng)獲得說(shuō)話(huà)人的語(yǔ)音信號(hào)后， 需要快速確定發(fā)言人的位置并將攝像頭轉(zhuǎn)向發(fā)言人，傳統(tǒng)單個(gè)傳感器受聲源位置影響，如 果聲源位置變化，需要重新擺放麥克風(fēng)，才能拾取較高質(zhì)量的語(yǔ)音信號(hào)。且在室內(nèi)環(huán)境中聲 源可能會(huì)受到有色噪聲、相關(guān)性噪聲、反射和混響的污染，大大降低了單麥克風(fēng)的語(yǔ)音信號(hào) 質(zhì)量，從而影響語(yǔ)音處理的效果。
[0003] 因此，設(shè)計(jì)一種利用多麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)陣列進(jìn)行語(yǔ)音處理是非常有必要的。 麥克風(fēng)陣列有很強(qiáng)的空間選擇性，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位和跟蹤聲音的來(lái)源，因此可以應(yīng)用于語(yǔ) 音增強(qiáng)、聲源定位和回聲消除等，具有較高的研究?jī)r(jià)值。近些年來(lái)，隨著麥克風(fēng)陣列技術(shù)的 迅速發(fā)展，人們對(duì)聲源定位提出更高的期望，希望其應(yīng)用更廣、更具有人性化和更加簡(jiǎn)便， 因此實(shí)際的需求大大的促進(jìn)了聲源定位的應(yīng)用研究。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種六元麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)室 內(nèi)聲源定位。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi) 聲源定位系統(tǒng)，包括麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)模塊、語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理模塊、FPGA控制系統(tǒng)、攝像頭四 部分，語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理模塊包括A/D轉(zhuǎn)換模塊和采樣處理模塊，麥克風(fēng)陣列與A/D轉(zhuǎn)換模塊 連接，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)與攝像頭相連。
[0006] 本系統(tǒng)采用自上而下的設(shè)計(jì)方式，充分利用開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的庫(kù)資源，最大限度發(fā) 揮FPGA的優(yōu)勢(shì)，縮短了設(shè)計(jì)周期。
[0007] 本系統(tǒng)用FPGA作為控制器，利用點(diǎn)聲源以球面波形式傳播的特性，在不同位置對(duì) 聲音信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)特定的數(shù)學(xué)模型，還原聲源的位置，可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)。
[0008] 在所述的基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)中，所使用的是錐形六元素麥克 風(fēng)陣列，不受聲源位置限制，具有全空域聲源定位能力，同時(shí)提高了定位精度。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是本實(shí)用新型所述基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0010] 圖2是本實(shí)用新型所述系統(tǒng)錐形六元麥克風(fēng)陣列安裝示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)附圖1所示，本實(shí)用新型為一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位 系統(tǒng)。其包括麥克風(fēng)傳感器陣列模塊（1)、語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理模塊(2)、FPGA控制模塊(3)和攝 像頭(5)組成。
[0012] 其中所述麥克風(fēng)傳感器陣列模塊(1)由麥克風(fēng)(6)(7)(8)(9)(10) (11)組成一個(gè)空 間六陣元麥克風(fēng)陣列。語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理模塊(2)包括(12)(13)(14)，分別對(duì)三對(duì)麥克風(fēng)信號(hào) 進(jìn)行預(yù)處理。
[0013]附圖2為錐形六元麥克風(fēng)陣列安裝示意圖，六個(gè)麥克風(fēng)固定在三維直角坐標(biāo)系中。 聲源坐標(biāo)為T(mén)(x，y，z)，它到坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離為r，方位角為P，俯仰角為Θ。聲源到各陣元 的距離分別為n、r2........r6。聲波到達(dá)陣元1與3的時(shí)間間隔為t13，到達(dá)2與4的時(shí)間間隔 為t24,到達(dá)5與6的時(shí)間間隔為t56。根據(jù)幾何近似可以求得方位角，和俯仰角Θ。
[0014]語(yǔ)音信號(hào)是有限帶寬信號(hào)，能量主要集中在300-3400HZ之間，麥克風(fēng)采集到的信 號(hào)包含信道噪聲和背景噪聲，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊和采樣處理模塊后，需要用帶通濾波器將低 頻和高頻段的噪聲濾除掉，可取上截止頻率fH = 4000Hz，下截止頻率fL = 200Hz，采樣率為fs = 20kHz。得到了待處理的輸入語(yǔ)音信號(hào)xl(n)和x2(n)。
[0015] 麥克風(fēng)傳感器陣列模塊（1)與預(yù)處理模塊(2)相連，預(yù)處理模塊(2)與FPGA控制模 塊(3)相連，F(xiàn)PGA控制模塊(3)與攝像頭(5)相連，廣義互相關(guān)模塊(15)、時(shí)延估計(jì)模塊(4)及 麥克分陣列幾何計(jì)算模塊（16)與FPGA控制模塊(3)相連，時(shí)延估計(jì)模塊(4)可以分別得到3 對(duì)麥克風(fēng)之間的時(shí)延。
[0016] 得到3對(duì)麥克風(fēng)間的時(shí)延后，由公式計(jì)算可求得聲源的方位角0和俯仰角Θ，
[0017] 得到聲源的方位角和俯仰角后，F(xiàn)PGA作為控制器控制攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其朝向發(fā) 言人的方向。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于:包括麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)模 塊、語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理模塊、FPGA控制系統(tǒng)、攝像頭四部分，語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理模塊包括A/D轉(zhuǎn)換 模塊和采樣處理模塊，麥克風(fēng)陣列與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)與攝像頭相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于:A/ D轉(zhuǎn)換模塊與采樣處理模塊組成語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理模塊。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于：用 六個(gè)麥克風(fēng)固定在三維直角坐標(biāo)系中組成錐形麥克風(fēng)陣列，由時(shí)延值就可得到聲源位置的 方位角和俯仰角。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其特征在于： FPGA作為控制器，控制攝像頭轉(zhuǎn)向發(fā)言人的方向。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于FPGA麥克風(fēng)陣列室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)，其中包括麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)模塊、語(yǔ)音信號(hào)預(yù)處理、時(shí)延定位算法實(shí)現(xiàn)、FPGA控制系統(tǒng)、攝像頭五部分；六個(gè)麥克風(fēng)固定在直角坐標(biāo)系中組成錐形麥克風(fēng)陣列，麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D采樣和帶通濾波，生成六路待處理的輸入語(yǔ)音信號(hào)，用廣義互相關(guān)算法完成每一坐標(biāo)軸上的一對(duì)麥克風(fēng)采集語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)延估計(jì)，得到3對(duì)麥克風(fēng)的時(shí)延后由六元麥克風(fēng)陣列幾何定位算法，可以確定聲源的方位角和俯仰角，F(xiàn)PGA作為控制器控制攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其朝向發(fā)言人的方向。
【IPC分類(lèi)】G01S5/20
【公開(kāi)號(hào)】CN205139359
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520691578
【發(fā)明人】吳希軍, 孫夢(mèng)菲, 杜德琴, 趙彥鵬
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年9月9日