基于FPGA的聲頻定向揚聲器系統(tǒng)的設計

朱榮釗，劉 晶，劉文超，周艷玲，曾張帆

(1.湖北大學 計算機與信息工程學院，武漢 430062; 2.武漢晴川學院 計算機學院，武漢 430204)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，我們身邊的噪聲源越來越多。廣場舞音響、汽車鳴笛、店鋪促銷喇叭等產(chǎn)生的噪聲在不同程度上影響了人們的正常生活[1]。聲頻定向技術(shù)是一種可以實現(xiàn)可聽聲在一定區(qū)域內(nèi)傳播的新技術(shù)，從而可以構(gòu)造出獨立的語音空間?；诖爽F(xiàn)狀，本文設計出一種聲頻定向揚聲器系統(tǒng)，相比于已有的聲頻定向系統(tǒng)，本系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于基于FPGA的信號處理模塊的搭建以及功率放大電路的設計，經(jīng)過一定環(huán)境下的測試，實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)具有較強的指向性，可以在一定程度上緩解噪聲污染。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

聲頻定向系統(tǒng)可以產(chǎn)生高指向性可聽聲主要是利用了超聲波在空氣中的非線性傳播效應，Helmholtz提出的非線性聲學理論可以對這種非線性過程進行初步解釋[2]。該理論指出，若向超聲波換能器陣列輸入兩列頻率分別為f1、f2的超聲波電信號時，在空氣的非線性自解調(diào)作用下，將會產(chǎn)生頻率分別為f1、f2、f1+f2、f1-f2以及各階諧波在內(nèi)的復雜聲波，由于聲波在空氣中的衰減系數(shù)與聲波自身頻率的平方成正比，所以頻率較高的f1+f2、f1、f2以及各階次諧波將會很快被空氣吸收掉，只有處于可聽聲范圍內(nèi)的差頻信號繼續(xù)傳播。若超聲波頻率選擇的合適，則可產(chǎn)生與原輸入可聽聲信號頻率一致的高指向性可聽聲，這便是實現(xiàn)聲頻定向揚聲器系統(tǒng)的基本原理，如圖1所示。

圖1 非線性傳播效應

聲頻定向揚聲器系統(tǒng)基于參量聲學陣理論而設計。目前，主要存在兩種理論，分別為“Westervelt方程”和“Berktay遠場解”[4]?！癢estervelt方程”可解釋如何通過兩列超聲波產(chǎn)生高指向性差頻波，而“Berktay遠場解”則可解釋如何通過參量聲學陣原理產(chǎn)生寬帶高指向性聲頻波。

本文中涉及到的參量陣系統(tǒng)的輸入信號是寬帶信號，所以下面簡要介紹一下“Berktay遠程解”。Berktay在“Westervelt方程”的基礎上，推導了寬帶信號作為參量聲學陣輸入時通過非線性產(chǎn)生的聲壓為：

(1)

其中:β為非線性系數(shù)，S為聲源面積，p0為原波聲壓幅值，E(τ)為調(diào)制包絡函數(shù)，z為聲波傳播距離，τ=t-z/c0為延遲時間。

式(1)明確表明寬帶參量聲學陣最后在空氣中自解調(diào)得到的聲壓p(t)與包絡E(τ)平方的兩次時間導成正比，即為“Berkaty遠程解”[5]。本系統(tǒng)就是基于“Berktay遠場解”理論，將輸入聲頻信號合理融入到包絡平方函數(shù)的E2(τ)中去，利用寬帶參量陣實現(xiàn)該聲頻信號的定向傳播?，F(xiàn)有聲頻定向系統(tǒng)信號處理方法皆是建立在“Berktay遠場解”基礎上的。

2 信號處理系統(tǒng)的設計

該聲頻定向系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上包括前端音頻放大模塊、FPGA中信號處理模塊、ADDA模塊、功率放大模塊等，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

需要對該系統(tǒng)組成進行說明的有：

1)超聲波載波信號的產(chǎn)生和信號的調(diào)制均在FPGA中進行。

2)為了得到最好的指向性效果，在探究了超聲波換能器陣列數(shù)目及形狀的基礎上，最終確定該系統(tǒng)的超聲波換能器陣列由中心頻率為40kHz[6],直徑為16mm，數(shù)目為91的超聲換能器組成，形狀為正六邊形。

3)由于驅(qū)動超聲波換能器需要較大的電壓，所以本系統(tǒng)選用OPA548芯片，自主設計功率放大電路，經(jīng)過測試分析，結(jié)果表明該功率放大電路可以較好地驅(qū)動超聲波換能器模塊。

本系統(tǒng)軟件方面主要是基于DE1-SOC提供的硬件開發(fā)環(huán)境和Quartus13.1提供的軟件開發(fā)環(huán)境，采用SoC核心思想，通過ARM和FPGA之間的交互訪問，實現(xiàn)對聲頻定向系統(tǒng)的靈活控制，包括LED燈、SDCard和聲束的偏轉(zhuǎn)角度等外圍設備。同時，實現(xiàn)了多種方式的輸入，包括麥克風輸入、模擬音頻信號輸入以及SDCard數(shù)字音頻信號輸入等。

下面分別介紹關(guān)鍵模塊的設計方法。

2.1 前端音頻放大模塊的設計

若采用手機、MP3等輸入方式，則輸出的模擬音頻信號的電壓幅值較小，在AD轉(zhuǎn)換模塊中，無法較好的進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，所以需要將前端音頻信號進行放大。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，很適合作為本系統(tǒng)的前端小信號放大器。采用OP07芯片實現(xiàn)前端小信號的放大，放大倍數(shù)可以由滑動變阻器進行調(diào)節(jié)，具體電路圖如圖3，其中R1=R3=1 kΩ，滑動變阻器R2選用3 296 W 103系列，阻值變化范圍為0～10 kΩ。

圖3 前端電壓放大電路

若采用SD卡輸入，其實現(xiàn)方法為：利用Quartus13.1里面的Qsys軟件快速生成讀取SD卡里面.WAV文件音頻數(shù)字信號所需的硬件配置，待系統(tǒng)生成成功之后，再到Quartus13.1里面對不同的硬件進行相應的引腳分配，同時可以在Eclipse軟件里面編寫C語言程序?qū)崿F(xiàn)所需要的邏輯，最終成功捕捉到SD卡里面純正的數(shù)字音頻信號。

2.2 FPGA中信號處理模塊的設計

2.2.1 麥克勞林預處理

作為一種新概念聲源,聲頻定向系統(tǒng)與傳統(tǒng)揚聲器的發(fā)聲機理有本質(zhì)區(qū)別。傳統(tǒng)揚聲器可近似看作線性系統(tǒng),一般不需要進行信號預處理就可以直接產(chǎn)生無指向性可聽聲,而聲頻定向系統(tǒng)則是一種典型的非線性系統(tǒng),必須對信號進行處理才能產(chǎn)生失真度小、具有高指向性的可聽聲。

其具體實現(xiàn)方法為：根據(jù)非線性聲學理論，將音頻信號送入FPGA中進行麥克勞林N階近似平方根處理[7]，本系統(tǒng)直接采用了Quartus13.1軟件里面的宏模塊，包括加法器、乘法器以及除法器等，通過DE1-SoC核心板進行高速數(shù)學運算，最終完成了對可聽聲信號的預處理。

2.2.2 頻率為40 kHz的載波信號的生成

在信號調(diào)制部分的一個關(guān)鍵問題是如何產(chǎn)生調(diào)制所需要的載波[7]。在本系統(tǒng)中，采用Altera公司的DE1-SoC開發(fā)板作為信號處理核心器件，憑借FPGA的自身優(yōu)勢，自主制作40 kHz的載波信號的過程為：先用VS2013軟件編寫C語言程序，程序的功能為輸出一個位寬為8位，深度為500的正弦表，然后將程序格式制作成MIF格式文件，再調(diào)用FPGA中宏模塊ROM，將制作的MIF格式文件固化到單口ROM里面，然后用Verilog語言寫一個計算器對ROM進行地址讀取，從而實現(xiàn)對ROM里面的正弦表數(shù)據(jù)進行讀取，完成正弦信號的制作。

2.2.2 信號調(diào)制

利用FPGA對信號進行超聲調(diào)制，使調(diào)制后的超聲波信號在空氣的非線性自解調(diào)作用下還原出可聽聲。目前常用的調(diào)制算法有DSB法、平方根法、SSB法等，但是DSB法不滿足無失真包絡平方條件，平方根法的實現(xiàn)需要一個具有無限帶寬的物理系統(tǒng)，而實際物理系統(tǒng)無法提供這種無限帶寬，在輸入寬帶信號的條件下，SSB法存在較為嚴重的互調(diào)失真。基于此現(xiàn)狀，本作品采用N階近似平方根法[8]進行信號調(diào)制，解決了平方根法的無限帶寬及信號失真問題。采用Signal Tap采集到的調(diào)制波形如圖5，第一行為輸入1 kHz的正弦波，第二行為從ROM中調(diào)用的40 kHz載波，第三行為調(diào)制后信號的波形。

圖5 SignalTap采集的調(diào)制波形

2.3 信號的轉(zhuǎn)換與放大

經(jīng)過FPGA核心板高速運算的調(diào)制信號從FPGA的GPIO口以8位的數(shù)據(jù)位寬并行輸出與外圍設備高速ADA模塊進行對接，這里使用了FPGA提供的PLL IP Core，將產(chǎn)生的高速率時鐘送到高速ADA的DA 時鐘線上，通過高速率的精確的DA轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了調(diào)制信號從數(shù)字信號到模擬信號的跨變。

實現(xiàn)調(diào)制信號從數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號后，還存在從FPGA核心板輸出的調(diào)制信號強度很小的問題。即經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換后，信號強度還是很難驅(qū)動超聲波換能器陣列。OPA548作為高電壓、高電流、寬輸出電壓擺幅功率運算放大器，可以用來實現(xiàn)調(diào)制后輸出信號的功率放大。因此本系統(tǒng)獨立設計了對超聲波調(diào)制信號進行放大的功率放大電路，實現(xiàn)了將7 V左右的超聲波調(diào)制信號放大到35 V左右，可以較好驅(qū)動超聲波換能器。功率放大電路的設計如圖6所示。

圖6 功率放大電路的設計

3 實驗結(jié)果與分析

聲頻定向揚聲器系統(tǒng)整體實物圖如7和8所示。

圖7 聲頻定向揚聲器系統(tǒng) 圖8 超聲波換能器 實物側(cè)視圖

圖7為聲頻定向揚聲器系統(tǒng)側(cè)視圖，從上到下分為三層，第一層為Altera的DE1-SoC開發(fā)板，在FPGA中實現(xiàn)信號的預處理和調(diào)制，第二層包括自主設計研發(fā)并完成的前端音頻放大模塊，AD/DA模塊、功率放大模塊、散熱模塊以及DC-DC降壓模塊，第三層為開關(guān)電源NES-200-24，通過降壓等模塊，給整個系統(tǒng)提供合適的電壓。

圖8為自主設計的超聲波換能器，由91個直徑為15 mm的超聲波陣列頭組成，整體呈正六邊形。

除此之外，為了驗證此聲頻定向系統(tǒng)設計方案的正確性和可行性，并檢驗系統(tǒng)的定向傳聲性能，本章對聲頻定向進行系統(tǒng)測試。通過研究相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，從而得出聲場指向性、反射性、虛擬聲源效果等系統(tǒng)的性能參數(shù)，同時也為優(yōu)化系統(tǒng)設計提供依據(jù)。

在測試聲頻定向系統(tǒng)性能的過程中，必須選定以下測試條件：

1)大面積空曠場地；

2)弱噪聲干擾環(huán)境。

根據(jù)上述條件，按照以下步驟進行具體測試：

1)選擇大面積空曠場地擺放聲頻定向系統(tǒng)；

2)給系統(tǒng)供電，啟動系統(tǒng)的各個模塊；

3)分別進行定向傳聲測試、反射性測試、遠距離傳播測試等；

4)記錄聲音強度，距離等參數(shù)；

5)將記錄的數(shù)據(jù)與理論結(jié)果對比，分析系統(tǒng)的優(yōu)勢及不足。

在測試系統(tǒng)的硬件性能過程中，測試主要針對系統(tǒng)邏輯電路在FPGA端的邏輯利用率、相關(guān)運算速度等。測試在Quartus II 13.1中進行。

3.1 定向性測試

根據(jù)以上測試條件，本系統(tǒng)在無噪聲或者小噪聲的環(huán)境下進行了測試，采用單一變量的測試原則，分別用普通揚聲器和聲頻定向系統(tǒng)播放相同的音頻，以播放器為中心，在半徑為5米的圓周上，分貝儀進行180度旋轉(zhuǎn)采集，記錄分貝儀上的波形變化，測試結(jié)果如圖9所示。圖9(a)為設計的定向系統(tǒng)測試結(jié)果，圖9(b)為普通非定向揚聲器的測試結(jié)果。

圖9 測試結(jié)果圖

從圖9(a)可以看出，在13～17 s的時間內(nèi)，分貝儀位于聲頻定向系統(tǒng)的正前方區(qū)域，聲音可以被聽到，分貝儀測試曲線出現(xiàn)了升高現(xiàn)象，驗證了聲頻定向系統(tǒng)具有定向性的特點。

由圖9(b)可以看出，對于普通揚聲器，在以5 m為半徑的圓周上旋轉(zhuǎn)采集信號強度時，分貝儀曲線基本不變，大約為50 dB，驗證了普通揚聲器的聲音是360°全向傳播的。

3.2 遠距離傳聲測試

根據(jù)理論知識可知，聲頻定向系統(tǒng)發(fā)出的可聽聲具有能量集中，可遠距離傳播的特點。下面將分別在一定距離處測試普通揚聲器聲音強度與聲頻定向系統(tǒng)聲音強度，數(shù)據(jù)匯總表如表1所示。

表1 遠距離傳播測試數(shù)據(jù)匯總表

測試標號表示4次測試樣本，測試均以相同的測試方法、測試設備、測試環(huán)境下完成。分析數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

1)在相同的傳播距離下，聲頻定向系統(tǒng)的聲音強度大于普通揚聲器的聲音強度，符合聲頻定向系統(tǒng)具有能量集中的特點。

2)隨著傳播距離的增加，聲頻定向系統(tǒng)聲音強度的衰減速度小于揚聲器聲音強度的衰減速度，符合聲頻定向系統(tǒng)的聲音可以遠距離傳播的特點。

4 結(jié)語

本設計基于DE1-SoC硬件集成開發(fā)環(huán)境，借助SoC嵌入式軟件編程技術(shù)，實現(xiàn)了聲頻定向傳播系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)揚聲器全方位音頻傳播的特征，構(gòu)建了獨立的語音空間，可以緩解噪聲污染，提升通話保密性，在民用和軍用場合都具有極大的應用潛力。除此之外，通過使用HPS，在大大提升系統(tǒng)靈活性的同時，降低了系統(tǒng)的設計難度，設計平臺的搭建也更為迅速。

從實際出發(fā)，該系統(tǒng)還具有以下設計特點：

1)將頻率為20～20 K的可聽聲與頻率為40 K的高頻信號進行調(diào)制，改變了可聽聲全方位傳播的特性，使可聽聲只能在指定區(qū)域內(nèi)傳播。最終創(chuàng)造出一種新概念聲源[11]，使可聽聲具有定向性，反射性，能量集中等特點。

2)支持麥克風、手機、Mp3等模擬音頻信號的輸入的同時，還支持SD卡等數(shù)字音頻信號的輸入，擴大系統(tǒng)的使用范圍。

3)通過對換能器陣列形式、陣列數(shù)目、陣列間距的研究，采用正六邊形陣列，使系統(tǒng)具有更好的寬帶特性及平坦的頻率響應特性。

4)在實現(xiàn)了機械式聲波偏轉(zhuǎn)的基礎上，我們后續(xù)的研究方向主要為相位控制聲束偏轉(zhuǎn)技術(shù)。相比于機械式聲束偏轉(zhuǎn)成本低、易實現(xiàn)的特點，相控陣聲束偏轉(zhuǎn)具有操作靈活、變化速率快、全方位偏轉(zhuǎn)等優(yōu)點。

但是，初步設計的聲頻定向揚聲器系統(tǒng)的音質(zhì)無法與傳統(tǒng)揚聲器媲美，若向大規(guī)模推向市場，還需進一步研究如何提升音質(zhì)以及如何減少功耗的問題。

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