基于TDOA的聲音定位系統(tǒng)

李昌祿， 郭威辰， 蘇寒松

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

聲音定位技術(shù)是通過(guò)聲學(xué)傳感裝置接收聲波，再利用電子裝置將聲音信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源進(jìn)行定位的技術(shù)。聲音定位技術(shù)產(chǎn)生于第一次世界大戰(zhàn)，當(dāng)時(shí)人們根據(jù)火炮發(fā)出的聲音測(cè)定火炮的位置。經(jīng)過(guò)兩次世界大戰(zhàn)，聲音定位技術(shù)空前發(fā)展。在第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)中，75%的戰(zhàn)場(chǎng)火炮偵察任務(wù)是依靠測(cè)量聲音的技術(shù)手段完成的。在20世紀(jì)80年代和90年代，各軍事強(qiáng)國(guó)重新將聲音測(cè)量技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展的傳感技術(shù)之一。聲音定位技術(shù)的下述特點(diǎn)在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中凸顯其重要性:不受視線和能見度的限制;隱蔽性好，保密性強(qiáng);難以被發(fā)現(xiàn);不易受干擾。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)傳感監(jiān)視系統(tǒng)是進(jìn)攻和防御的有效手段之一。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，聲音定位技術(shù)越來(lái)越受到各軍事強(qiáng)國(guó)的重視[1]。

這種技術(shù)也逐漸擴(kuò)展到日常生活當(dāng)中，例如機(jī)器視覺追蹤，攝像機(jī)式的眼睛可以聚焦到聲源處;電視會(huì)議中通過(guò)接收發(fā)言者的語(yǔ)音信號(hào)，自動(dòng)使攝像頭對(duì)準(zhǔn)發(fā)言者等等。也可用于語(yǔ)音及說(shuō)話人識(shí)別軟件的前端預(yù)處理，以提供高質(zhì)量的聲音信號(hào)，提高語(yǔ)音及說(shuō)話人識(shí)別軟件的識(shí)別率[2]。

1 系統(tǒng)方案

據(jù)上所述，在日常生活中聲音定位系統(tǒng)主要應(yīng)用于室內(nèi)。為了驗(yàn)證定位算法的可行性，本系統(tǒng)模擬了聲音定位系統(tǒng)的典型應(yīng)用，見圖1。該圖為房間俯視圖的簡(jiǎn)化，四個(gè)聲音接收模塊分別位于房間的四個(gè)角，并與信號(hào)處理模塊相連接，聲音接收模塊接收到聲響模塊發(fā)出的聲音后，將信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊，經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算，即可得出聲響模塊的位置。因此，整個(gè)系統(tǒng)可劃分為以下幾個(gè)基本模塊，即:獨(dú)立的聲響模塊、聲音接收模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊、供電模塊。

1.1 聲響模塊

圖1 定位系統(tǒng)示意圖

聲響模塊包含信號(hào)產(chǎn)生電路、放大電路和微型揚(yáng)聲器等。為了便于測(cè)試及數(shù)據(jù)分析，該模塊有兩種發(fā)聲模式。模式①，每按鍵一次發(fā)聲一次，聲音信號(hào)的基波頻率為1 kHz左右，聲音持續(xù)時(shí)間約為1 s，該模式用于模擬突發(fā)的聲音。模式②，按鍵一次持續(xù)發(fā)聲，聲音信號(hào)的基波頻率為1 kHz左右，該模式用于模擬連續(xù)的聲音。

綜上所述，采用單片機(jī)輸出PWM波可以很方便地實(shí)現(xiàn)上述功能。TI公司出品的MSP430系列單片機(jī)內(nèi)部資源豐富、運(yùn)算速度快，而且功耗較低，所以本系統(tǒng)采用該系列單片機(jī)[3]。由單片機(jī)產(chǎn)生1 KHz的PWM波信號(hào)，經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)后，送入蜂鳴器。由于單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，所以需要外接三極管放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，如圖2所示[4]。

1.2 聲音接收模塊

該模塊使用麥克風(fēng)拾取聲音信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行兩級(jí)放大處理，放大后的信號(hào)，使用LM567鑒頻芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行鑒頻識(shí)別。使用精密電位器設(shè)定固定頻率為1 KHz，LM567將麥克風(fēng)的信號(hào)和設(shè)定信號(hào)頻率對(duì)比，當(dāng)頻率相同時(shí)，輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)(下降沿)，通過(guò)判斷此下降沿來(lái)判斷是否有固定頻率聲音到達(dá)拾音器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲響模塊發(fā)出聲音識(shí)別的目的[5]，電路如圖3所示[6]，調(diào)節(jié)圖中的滑動(dòng)變阻器可以改變LM567識(shí)別的頻率，當(dāng)檢測(cè)到設(shè)定頻率時(shí)，輸出低電平，LED指示燈變亮。

圖2 三極管放大電路

圖3 聲音接收模塊電路圖

由于麥克風(fēng)輸出的信號(hào)較弱，故必須經(jīng)行放大，本系統(tǒng)測(cè)試中放大了100倍，可以滿足后續(xù)處理的需要，實(shí)際中可根據(jù)聲源與麥克風(fēng)的距離來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)。采用LM567鑒頻芯片可以有效識(shí)別目標(biāo)頻率，同時(shí)可以抑制噪聲的干擾。

1.3 信號(hào)處理模塊(定位算法)

1.3.1 算法比較

現(xiàn)有的定位算法有信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量(Aangle of Arrival，AOA)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)量(Time of Arrival，TOA)、信號(hào)到達(dá)TDOA、接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)。

下面對(duì)上述算法的利弊及可行性進(jìn)行分析。

(1)AOA。該定位技術(shù)的關(guān)鍵在于基站需要安裝陣列智能天線。通過(guò)這種天線測(cè)出基站與待定位目標(biāo)之間的角度，兩條基站與目標(biāo)之間連線的交點(diǎn)即為目標(biāo)的位置。如圖4所示，R1、R2為基站，A為待定位目標(biāo)，夾角分別為 θ1和 θ2。

圖4 信號(hào)到達(dá)角定位(AOA)

令兩個(gè)基站的坐標(biāo)分別為(x1，y1)和(x2，y2)，求解下列非線性方程組，就可以得到A的坐標(biāo)(x0，y0)。

AOA技術(shù)利用兩個(gè)天線陣列就能完成目標(biāo)的初始定位，與其他技術(shù)相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是要求天線具有高的靈敏度和空間分辨率，整體成本較高[7]。

(2)TOA。在傳播速度已知的情況下，可以通過(guò)測(cè)量信號(hào)發(fā)送與接收的時(shí)間差來(lái)計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的距離。TOA技術(shù)至少需要3個(gè)基站，并且所有基站都必須保證時(shí)間同步。在該算法中，目標(biāo)位于以基站為中心，目標(biāo)和基站之間距離為半徑的圓上，3個(gè)圓的交點(diǎn)即為目標(biāo)的所在位置[8]。

PCK這一概念最早由Shulman于20世紀(jì)80年代提出.他認(rèn)為PCK是教師在面對(duì)特定的學(xué)科主題或問(wèn)題時(shí)，如何針對(duì)學(xué)生的不同興趣與能力，將學(xué)科知識(shí)合理組織、調(diào)整與呈現(xiàn)，從而實(shí)行有效教學(xué)的知識(shí).這是一種使教師與學(xué)科專家有所區(qū)別的專門知識(shí)[2].PCK受到了越來(lái)越多人的關(guān)注，其研究大致形成了兩個(gè)方向.

假設(shè)R1，R2和R3為三個(gè)基站，目標(biāo)在t0時(shí)發(fā)出信號(hào)，到達(dá)三個(gè)基站的時(shí)間分別為t1，t2和t3。則時(shí)間差 ti=ti－ t0(i=1，2，3)目標(biāo)與基站之間的距離為 li，li=c×ti(i=1，2，3)，c為傳播速度。令三個(gè)基站的坐標(biāo)分別為(x1，y1)，(x2，y2)和(x3，y3)，目標(biāo) A 的坐標(biāo)為(x0，y0)，那么基站與目標(biāo)滿足下述關(guān)系:

求解上述方程組即可得出目標(biāo)的坐標(biāo)。由于在傳播中存在多徑干擾、噪聲干擾等造成的誤差會(huì)使各圓無(wú)法相交，或者無(wú)法相交于一點(diǎn)兒而是交匯成一個(gè)區(qū)域。由于對(duì)同步的要求非常高，誤差也是不可避免的，該算法并不實(shí)用[9]。

(3)RSSI。RSSI是通過(guò)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)定信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，在利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置[10]。

雖然使用RSSI技術(shù)定位不需要進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)鐘同步，但是需要提前建立信號(hào)的衰減模型，信號(hào)的快衰落和信號(hào)傳輸環(huán)境的迅速變化都會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大的影響，此外RSSI技術(shù)受外界障礙物的干擾較大[11]。

(4)TDOA。TDOA是對(duì)TOA的改進(jìn)，不再需要嚴(yán)格的時(shí)間同步。由于聲源與聲音接收模塊的距離遠(yuǎn)近不同，因此信號(hào)到達(dá)不同聲音接收模塊的時(shí)間就不相同。在任一時(shí)刻，任何兩個(gè)聲音接收模塊收到信號(hào)的時(shí)間之差可看成瞬時(shí)定值，根據(jù)雙曲線的定義:到兩定點(diǎn)的距離之差是一定值的動(dòng)點(diǎn)的軌跡集合，是一組雙曲線。所以，此時(shí)由時(shí)差所確定的雙曲線是以兩基站為定點(diǎn)的瞬時(shí)雙曲線[12]。而不同聲音接收模塊間任一兩兩聲音接收模塊可以確定多組雙曲線，而它們的交點(diǎn)就是聲源的實(shí)際位置，如圖5[13]。

綜上所述，TDOA算法與其他算法相比，具有原理簡(jiǎn)單、硬件要求低等特點(diǎn)是一種相對(duì)簡(jiǎn)便、實(shí)用的方法。

圖5 信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)

1.3.2 算法實(shí)現(xiàn)(TDOA)

令Riy表示聲源模塊第i個(gè)接收模塊的距離差，則雙曲線定位中聲源(x，y)和接收(xi，yi)有如下關(guān)系:

求解上述非線性方程組要用到Chan算法[14]，該算法是一種具有解析表達(dá)式解的非遞歸的雙曲線方程組解法，該算法的特點(diǎn)是計(jì)算量小，且不用設(shè)定初值，在視距環(huán)境下及噪聲服從高斯分布的信道環(huán)境下，定位精度高。該算法比較適合單片機(jī)運(yùn)算。而且當(dāng)聲音接收模塊為4個(gè)及以上時(shí)，該算法可利用所有TDOA測(cè)量值并取得更好的定位結(jié)果。綜上所述，CHAN是一種比較適合本系統(tǒng)的算法[15]。

當(dāng)有4個(gè)聲音接收模塊時(shí)，TDOA測(cè)量值數(shù)目多于未知量數(shù)目，因此，初始非線性方程組應(yīng)首先轉(zhuǎn)換為線性方程組，然后采用加權(quán)最小二乘(WLS)算法得到一個(gè)初始解，再利用第一次得的移動(dòng)用戶終端估計(jì)位置坐標(biāo)及附自U變量等已知約束條件進(jìn)行第二次WLS估計(jì)，就能得到改進(jìn)的估計(jì)位置。

第一次WLS所得為:

第二次WLS所得式:

其中，Zp=x，[]yΤ

至此可以解出兩組坐標(biāo)值，舍去為負(fù)的那一組，剩下的即為最終坐標(biāo)值。

2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

本系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)在普通的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，4個(gè)聲音接收模塊均朝向房間中央。聲響模塊分別在兩種模式下發(fā)聲。聲音接收模塊采集到信號(hào)后傳輸至信號(hào)處理模塊，依據(jù)上述算法計(jì)算出聲響模塊的位置并顯示，整體流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)大量的研究與測(cè)試表明，基于TDOA的聲音定位系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地定位聲響模塊的位置，實(shí)際定位誤差小于±3 cm，定位性能穩(wěn)定可靠，定位方法簡(jiǎn)單方便?；跁r(shí)間差的算法避免了時(shí)間同步對(duì)軟硬件復(fù)雜性的要求，所采用的CHAN算法大大降低了程序計(jì)算的工作量，便于單片機(jī)實(shí)時(shí)處理。

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