麥克風(fēng)陣列聲源定位研究與ARM實(shí)現(xiàn)

蘇立娟,吳長奇,郭欣欣

(燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北秦皇島066004)

0 引言

基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)[1～4]是近些年來國內(nèi)外研究的重點(diǎn)課題之一,國際上經(jīng)過多年的研究,已經(jīng)有一些實(shí)際可用的麥克風(fēng)陣列系統(tǒng)。然而國內(nèi),基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位研究工作起步較晚。雖然已經(jīng)有一些企業(yè)、研究所和高校投入進(jìn)來,但目前相關(guān)的算法和系統(tǒng)也還沒有完善。

另一方面,隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步,嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力越來越強(qiáng),使用它來構(gòu)建小型聲源定位系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。但是,這樣的成品在市面上很少出現(xiàn)。因此研究以嵌入式小型的室內(nèi)聲源定位具有很重要的理論和實(shí)踐意義。為此該文決定構(gòu)建一套小型的聲源定位系統(tǒng)。

1 三元陣的近場TDOA聲源定位法

圖1為近場三元麥克風(fēng)陣列接收信號(hào)示意圖。

圖1 三元麥克風(fēng)這列接收信號(hào)模型

設(shè)聲源的坐標(biāo)為S(r,θ),3個(gè)麥克風(fēng)的坐標(biāo)分別為(-d,0)、(0,0)、(d,0),把陣元Mic2作為參考點(diǎn),陣元間距為d,聲速為c,r1,r2,r3分別表示聲源到3個(gè)麥克風(fēng)的距離,其中r=r2,θ為r2與三元陣x軸的夾角。τ21和 τ23分別表示為陣元1和陣元3與陣元2接收信號(hào)的時(shí)延差,且滿足下式,

當(dāng)聲源位于近場時(shí),在由S、Mic1和Mic2以及S、Mic1和Mic3組成的三角形中應(yīng)用余弦定理：

整理式(2)得到,聲源到3個(gè)麥克風(fēng)的距離為：

將式(1)帶入式(3)得：

整理式(4)并解方程,可得到目標(biāo)方位角和距離的精確估計(jì)公式：

由分析可知,只要求出時(shí)延值,就可以用此模型對近場聲源進(jìn)行角度和距離估計(jì),也就是二維定位。

2 二次相關(guān)時(shí)延估計(jì)法

考慮到直接相關(guān)法受環(huán)境噪聲影響較大,文獻(xiàn)[6]提出了二次相關(guān)法,其基本原理如下：首先對2路信號(hào)求互相關(guān),再對其中一路求自相關(guān),最后將互相關(guān)與自相關(guān)再做相關(guān),最后求時(shí)延值[7]。與基本相關(guān)法相比,二次相關(guān)降低了噪聲對信號(hào)的影響,因此可在更低的信噪比環(huán)境下較準(zhǔn)確地估計(jì)時(shí)延。下面對二次相關(guān)法的原理做以介紹。

在無混響影響,且相關(guān)噪聲較弱的情況下,麥克風(fēng)接收信號(hào)有如下數(shù)學(xué)模型：

式中,xi(n)為麥克風(fēng)接收到的信號(hào),s(n)為聲源信號(hào),τi為聲源信號(hào)到第i個(gè)麥克風(fēng)時(shí)的時(shí)間延遲,αi為衰減因子,vi(n)是麥克風(fēng)收到的加性高斯噪聲。

程小青在翻譯《罪數(shù)》時(shí)，大量地采用了異化的翻譯手法，最為顯著的表現(xiàn)就是譯文中保留了大量的英文詞。除此之外，他的異化策略主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.1 基本互相關(guān)

計(jì)算2路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù),有：

在無混響的條件下,將式(6)代入式(7)可得：

式中,τij=τi-τj表示聲波到兩麥克風(fēng)相對時(shí)間差,設(shè)噪聲與聲源不相關(guān),則上式中間2項(xiàng)為零,因此式(8)可化簡為：

式中,Rss(τ)是聲源 s(n)的自相關(guān)函數(shù),Rvivj(τ)為噪聲vi(n)和vj(n)的互相關(guān)函數(shù),若噪聲和噪聲之間不相關(guān)或信噪比足夠大,則上式可進(jìn)一步化簡為：

2.2 一次自相關(guān)

對信號(hào)xi(n)作自相關(guān),有：

如果噪聲是理想高斯白噪聲,且信號(hào)u噪聲不相關(guān)的話,那么上式中間2項(xiàng)為0,且最后1項(xiàng)是在τ=0處沖激函數(shù)。同一次互相關(guān)一樣,由于實(shí)際噪聲不一定是高斯白噪聲,觀察信號(hào)的時(shí)間也不可能無限長,因此中間兩項(xiàng)并不嚴(yán)格等于0,且最后1項(xiàng)在τ≠0時(shí)也不等于0,但是幅度非常小。

2.3 二次相關(guān)

當(dāng)信號(hào)和噪聲不相關(guān)時(shí),可以得：

有信號(hào)和噪聲的相關(guān)函數(shù)近似可以看為0,且假設(shè)噪聲為理想高斯白噪聲,所以進(jìn)一步化簡為：

由以上分析可知,二次相關(guān)法的優(yōu)越性在與相關(guān)計(jì)算過程中,減少了噪聲對信號(hào)的影響,與一次相關(guān)相比可以在更低的新造比環(huán)境中估計(jì)出時(shí)間延遲。

2.4 系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)原理

該文采用的聲源定位系統(tǒng)是基于ARM的實(shí)時(shí)聲源定位系統(tǒng),系統(tǒng)有3個(gè)全指向麥克風(fēng)組成陣列、3路音頻前置放大電路、3個(gè)A/D采集端口、LPC2119[5]數(shù)據(jù)處理模塊、串口通訊和數(shù)據(jù)顯示模塊組成。聲源定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 聲源定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

聲源定位實(shí)現(xiàn)的原理：聲音信號(hào)經(jīng)過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),前置放大電路將麥克風(fēng)輸出的電信號(hào)放大到A/D采集端得電壓信號(hào)范圍,A/D模塊將模擬信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),LP2119處理器中的定位處理軟件給出聲源定位的結(jié)果,RS232串口線將定位結(jié)果傳給PC機(jī),PC機(jī)上的顯示模塊顯示定位結(jié)果。

3 軟件編程

硬件平臺(tái)搭建好后,在周立功單片機(jī)公司提供的集成開發(fā)環(huán)境ADS1.2下進(jìn)行了系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該文在ADS1.2環(huán)境下使用匯編和C語言混合編程進(jìn)行軟件編輯、編譯、調(diào)試、鏈接和生成可執(zhí)行文件等工作。

圖3 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件部分主要包括A/D初始化設(shè)置子程序、A/D采樣子程序、時(shí)間延遲估計(jì)子程序、聲源方向角定位子程序和串口通訊UART0子程序等。時(shí)延估計(jì)子模塊使用二次相關(guān)時(shí)延估計(jì)法計(jì)算出各通道的相對時(shí)延值,定位模塊采用該文給出的三元陣幾何定位公式確定出聲源到陣列的距離以及聲源與陣列所成的夾角。由于該系統(tǒng)采用基于TDOA的聲源定位算法,此方法是分時(shí)延估計(jì)和定位2步完成的,所以在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí),這2塊成為關(guān)鍵。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢測該聲源定位系統(tǒng)的性能,該文在真實(shí)環(huán)境中對性對進(jìn)行了全面深入的性能測試。該實(shí)驗(yàn)在普通實(shí)驗(yàn)室中完成,聲源采用。信號(hào)頻率為f0=1 kHz的單頻信號(hào),陣元數(shù)為3,陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示,采樣頻率為fs=20 kHz,采樣點(diǎn)數(shù)為N=256。聲源距離陣列中心距離為0.5 m,方向角分別為0°～180°,每隔30°測量一組數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表1所示。

表1 聲源定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出：對于三元線性陣列來說,靠近麥克風(fēng)陣列兩側(cè)附近的聲源位置估計(jì)誤差較大,而遠(yuǎn)離這個(gè)區(qū)域的聲源估計(jì)都能夠控制在一個(gè)較小的誤差范圍內(nèi)。測試結(jié)果表明系統(tǒng)的硬件平臺(tái)性能很好,定位算法效果也不錯(cuò),該系統(tǒng)可以在實(shí)際環(huán)境中可以對聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和跟蹤。

5 結(jié)束語

該文以EasyARM2100實(shí)驗(yàn)板為平臺(tái),開發(fā)了一個(gè)簡單可行的二維聲源定位實(shí)驗(yàn)裝置。給出了該實(shí)驗(yàn)裝置各部分的硬件組成圖、軟件流程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該聲源定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行二維平面定位的。但是如果要進(jìn)行精確的定位,得把算法研究和信號(hào)質(zhì)量的研究結(jié)合起來,才能獲得更為精確的結(jié)果。

節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度增加,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化更加頻繁。AODV-FA協(xié)議引入了第一跳節(jié)點(diǎn)的緩存路由,能夠降低路由發(fā)現(xiàn)頻率,減少歸一化路由負(fù)載;

由于沒有設(shè)置路由條目過期機(jī)制,節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)時(shí),DSR協(xié)議緩存的很多路由條目失效,這會(huì)造成很大的分組傳輸時(shí)延。AODV引入目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)并為路由條目設(shè)置過期時(shí)間,保證了路由信息實(shí)時(shí)有效,有效地減少了傳輸時(shí)延。AODV-FA協(xié)議引入不相交路由,增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)之間連接穩(wěn)定性,減少路由發(fā)現(xiàn)次數(shù),能夠進(jìn)一步減少傳輸時(shí)延。

5.2 CBR聯(lián)機(jī)數(shù)改變

CBR聯(lián)機(jī)數(shù)改變時(shí),3種路由協(xié)議的分組傳輸率、平均端到端時(shí)延、歸一化路由負(fù)載性能變化曲線如圖3所示。由圖可得：相比于AODV和DSR協(xié)議,AODV-FA協(xié)議在3個(gè)性能上均有提升。

圖3 CBR聯(lián)機(jī)數(shù)改變時(shí)路由性能曲線

結(jié)合路由協(xié)議原理分析可得：在CBR聯(lián)機(jī)數(shù)較少時(shí),AODV-FA協(xié)議緩存了到達(dá)第一跳節(jié)點(diǎn)的路由,增加了路由回復(fù),會(huì)造成MAC的包沖突,報(bào)文傳輸率略低于AODV協(xié)議。CBR聯(lián)機(jī)數(shù)逐漸增加時(shí),網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大,緩存的路由即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡,有效提高網(wǎng)絡(luò)的分組傳輸率;也能降低路由發(fā)現(xiàn)次數(shù),減少路由開銷和數(shù)據(jù)分組的平均端到端時(shí)延。

6 結(jié)束語

AODV-FA協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過程中,將第一跳節(jié)點(diǎn)的地址信息添加到路由消息中。中間節(jié)點(diǎn)接收到路由消息時(shí),建立或者更新到達(dá)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和第一跳節(jié)點(diǎn)的路由。建立到達(dá)第一跳節(jié)點(diǎn)的路由即確定了中間節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的不相交路由。不相交路由中斷相互獨(dú)立,保證節(jié)點(diǎn)連接的穩(wěn)定性,提供一定的鏈路中斷冗余。仿真實(shí)驗(yàn)表明：AODV-FA協(xié)議能夠減少路由發(fā)現(xiàn)次數(shù),降低路由開銷,保證了較高的報(bào)文傳輸率,有效地提高了AODV協(xié)議的路由性能。

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