麥克風陣列聲源定位研究與ARM實現

蘇立娟,吳長奇,郭欣欣

(燕山大學信息科學與工程學院,河北秦皇島066004)

0 引言

基于麥克風陣列的聲源定位技術[1～4]是近些年來國內外研究的重點課題之一,國際上經過多年的研究,已經有一些實際可用的麥克風陣列系統。然而國內,基于麥克風陣列的聲源定位研究工作起步較晚。雖然已經有一些企業、研究所和高校投入進來,但目前相關的算法和系統也還沒有完善。

另一方面,隨著時代的發展和科技的進步,嵌入式系統數據處理能力越來越強,使用它來構建小型聲源定位系統得以實現。但是,這樣的成品在市面上很少出現。因此研究以嵌入式小型的室內聲源定位具有很重要的理論和實踐意義。為此該文決定構建一套小型的聲源定位系統。

1 三元陣的近場TDOA聲源定位法

圖1為近場三元麥克風陣列接收信號示意圖。

圖1 三元麥克風這列接收信號模型

設聲源的坐標為S(r,θ),3個麥克風的坐標分別為(-d,0)、(0,0)、(d,0),把陣元Mic2作為參考點,陣元間距為d,聲速為c,r1,r2,r3分別表示聲源到3個麥克風的距離,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接收信號的時延差,且滿足下式,

當聲源位于近場時,在由S、Mic1和Mic2以及S、Mic1和Mic3組成的三角形中應用余弦定理：

整理式(2)得到,聲源到3個麥克風的距離為：

將式(1)帶入式(3)得：

整理式(4)并解方程,可得到目標方位角和距離的精確估計公式：

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

2 二次相關時延估計法

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

在無混響影響,且相關噪聲較弱的情況下,麥克風接收信號有如下數學模型：

式中,xi(n)為麥克風接收到的信號,s(n)為聲源信號,τi為聲源信號到第i個麥克風時的時間延遲,αi為衰減因子,vi(n)是麥克風收到的加性高斯噪聲。

程小青在翻譯《罪數》時，大量地采用了異化的翻譯手法，最為顯著的表現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在以下兩個方面。

2.1 基本互相關

計算2路信號的互相關函數,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相對時間差,設噪聲與聲源不相關,則上式中間2項為零,因此式(8)可化簡為：

式中,Rss(τ)是聲源 s(n)的自相關函數,Rvivj(τ)為噪聲vi(n)和vj(n)的互相關函數,若噪聲和噪聲之間不相關或信噪比足夠大,則上式可進一步化簡為：

2.2 一次自相關

對信號xi(n)作自相關,有：

如果噪聲是理想高斯白噪聲,且信號u噪聲不相關的話,那么上式中間2項為0,且最后1項是在τ=0處沖激函數。同一次互相關一樣,由于實際噪聲不一定是高斯白噪聲,觀察信號的時間也不可能無限長,因此中間兩項并不嚴格等于0,且最后1項在τ≠0時也不等于0,但是幅度非常小。

2.3 二次相關

當信號和噪聲不相關時,可以得：

有信號和噪聲的相關函數近似可以看為0,且假設噪聲為理想高斯白噪聲,所以進一步化簡為：

由以上分析可知,二次相關法的優越性在與相關計算過程中,減少了噪聲對信號的影響,與一次相關相比可以在更低的新造比環境中估計出時間延遲。

2.4 系統組成及實現原理

該文采用的聲源定位系統是基于ARM的實時聲源定位系統,系統有3個全指向麥克風組成陣列、3路音頻前置放大電路、3個A/D采集端口、LPC2119[5]數據處理模塊、串口通訊和數據顯示模塊組成。聲源定位系統硬件結構如圖2所示。

圖2 聲源定位系統結構框圖

聲源定位實現的原理：聲音信號經過麥克風轉變為電信號,前置放大電路將麥克風輸出的電信號放大到A/D采集端得電壓信號范圍,A/D模塊將模擬信號進一步轉換為數字信號,LP2119處理器中的定位處理軟件給出聲源定位的結果,RS232串口線將定位結果傳給PC機,PC機上的顯示模塊顯示定位結果。

3 軟件編程

硬件平臺搭建好后,在周立功單片機公司提供的集成開發環境ADS1.2下進行了系統軟件部分的設計與開發。該文在ADS1.2環境下使用匯編和C語言混合編程進行軟件編輯、編譯、調試、鏈接和生成可執行文件等工作。

圖3 軟件實現流程圖

系統的軟件實現流程圖如圖3所示。系統軟件部分主要包括A/D初始化設置子程序、A/D采樣子程序、時間延遲估計子程序、聲源方向角定位子程序和串口通訊UART0子程序等。時延估計子模塊使用二次相關時延估計法計算出各通道的相對時延值,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。由于該系統采用基于TDOA的聲源定位算法,此方法是分時延估計和定位2步完成的,所以在進行軟件設計時,這2塊成為關鍵。

4 實驗結果分析

為了檢測該聲源定位系統的性能,該文在真實環境中對性對進行了全面深入的性能測試。該實驗在普通實驗室中完成,聲源采用。信號頻率為f0=1 kHz的單頻信號,陣元數為3,陣列結構如圖1所示,采樣頻率為fs=20 kHz,采樣點數為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°測量一組數據,實驗結果表1所示。

表1 聲源定位實驗結果

通過對結果數據進行分析可以看出：對于三元線性陣列來說,靠近麥克風陣列兩側附近的聲源位置估計誤差較大,而遠離這個區域的聲源估計都能夠控制在一個較小的誤差范圍內。測試結果表明系統的硬件平臺性能很好,定位算法效果也不錯,該系統可以在實際環境中可以對聲源進行實時定位和跟蹤。

5 結束語

該文以EasyARM2100實驗板為平臺,開發了一個簡單可行的二維聲源定位實驗裝置。給出了該實驗裝置各部分的硬件組成圖、軟件流程及實驗結果。經過實驗驗證,該聲源定位實驗系統是可以實時的進行二維平面定位的。但是如果要進行精確的定位,得把算法研究和信號質量的研究結合起來,才能獲得更為精確的結果。

節點最大移動速度增加,網絡拓撲結構變化更加頻繁。AODV-FA協議引入了第一跳節點的緩存路由,能夠降低路由發現頻率,減少歸一化路由負載;

由于沒有設置路由條目過期機制,節點快速移動時,DSR協議緩存的很多路由條目失效,這會造成很大的分組傳輸時延。AODV引入目的節點序列號并為路由條目設置過期時間,保證了路由信息實時有效,有效地減少了傳輸時延。AODV-FA協議引入不相交路由,增強節點之間連接穩定性,減少路由發現次數,能夠進一步減少傳輸時延。

5.2 CBR聯機數改變

CBR聯機數改變時,3種路由協議的分組傳輸率、平均端到端時延、歸一化路由負載性能變化曲線如圖3所示。由圖可得：相比于AODV和DSR協議,AODV-FA協議在3個性能上均有提升。

圖3 CBR聯機數改變時路由性能曲線

結合路由協議原理分析可得：在CBR聯機數較少時,AODV-FA協議緩存了到達第一跳節點的路由,增加了路由回復,會造成MAC的包沖突,報文傳輸率略低于AODV協議。CBR聯機數逐漸增加時,網絡負載增大,緩存的路由即可以實現負載均衡,有效提高網絡的分組傳輸率;也能降低路由發現次數,減少路由開銷和數據分組的平均端到端時延。

6 結束語

AODV-FA協議在路由發現過程中,將第一跳節點的地址信息添加到路由消息中。中間節點接收到路由消息時,建立或者更新到達發送節點和第一跳節點的路由。建立到達第一跳節點的路由即確定了中間節點和發送節點之間的不相交路由。不相交路由中斷相互獨立,保證節點連接的穩定性,提供一定的鏈路中斷冗余。仿真實驗表明：AODV-FA協議能夠減少路由發現次數,降低路由開銷,保證了較高的報文傳輸率,有效地提高了AODV協議的路由性能。

[1]陳林星,曾曦,曹毅.移動Ad Hoc網絡——自組網分組無線網絡技術[M].電子工業出版社,2005：210-215,247-250,346-352,427-441.

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