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基于麦克风阵列的声源定位技术研究与ARM实现

作　者: 苏立娟
导　师: 吴长奇
学　校: 燕山大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 麦克风阵列声源定位时延估计几何定位法 EasyRAM2100
分类号: TN912.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

声源定位技术在视频会议、语音增强、助听器、免提电话和智能机器人等系统中具有广泛的应用前景,因此近年来受到了越来越多的关注,已经成为一大研究热点。在各种声源定位方法中,基于到达时延估计的双步定位法原理简单,运算量小,精度相对较高,有利于实时实现,因此它的应用也最为广泛,本文着重研究了该方法。首先,简单阐述了基于麦克风阵列现有的三种声源定位方法,分析了它们的优缺点。详细讨论了麦克风阵列的近场和远场信号模型,说明了两种模型的主要区别及其应用场合。讨论了麦克风阵列的拓扑结构,给出了麦克风阵列设计的一般原则。其次,详细讨论了声源定位中常用的几种时延估计方法,对五种基于时延估计的几何定位法进行了详细的公式推导,分析了他们的适用场合及优缺点,提出一种适用于二维声源定位的改进阵列模型,给出了此模型下的精确定位公式。接着,以EasyRAM2100实验板为硬件平台,设计了一个可以在二维平面内对声源进行实时定位的实验系统。系统软件部分的核心算法采用了基于到达时延估计双步定位,并使用互功率谱相位和四元直线阵声源定位公式分别对时延和声源的位置进行了估计。最后,对系统进行了大量实验测试,实验结果表明,该系统硬件性能良好,软件定位算法实现简单,运算量较小,精度较高,有较强的抗混响和抗噪声能力,可用在实时定位系统中。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 课题研究背景和意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
    1.2.1 基于可控波束形成器的定位法  12-13
    1.2.2 基于高分辨率谱估计的定位法  13
    1.2.3 基于到达时延估计(TDOA)的定位法  13-14
  1.3 本文研究内容  14-15
  1.4 本文组织结构  15-16
第2章麦克风阵列信号模型及拓扑结构  16-24
  2.1 声源及其特性  16-17
    2.1.1 脉动球源  16-17
    2.1.2 点声源  17
  2.2 麦克风阵列信号处理模型  17-21
    2.2.1 远场和近场的划分  18
    2.2.2 麦克风阵列近场信号模型  18-20
    2.2.3 麦克风阵列远场信号模型  20-21
    2.2.4 信号模型的主要差异及应用场合  21
  2.3 麦克风阵列的拓扑结构  21-23
    2.3.1 一维均匀直线阵列  21-22
    2.3.2 二均匀直线维阵列  22-23
    2.3.3 均匀圆形阵列  23
  2.4 本章小结  23-24
第3章基于TDOA 的声源定位算法  24-41
  3.1 时延估计的物理含义  24-25
  3.2 常用的时延估计方法  25-31
    3.2.1 基本互相关法  26-27
    3.2.2 广义互相关法  27-29
    3.2.3 互功率谱相位法  29
    3.2.4 最小均方自适应滤波器法  29-31
    3.2.5 时延估计算法的选择  31
  3.3 基于时延估计的定位方法  31-40
    3.3.1 双麦克风的几何定位法  32-33
    3.3.2 三元均匀直线阵几何定位法  33-35
    3.3.3 一种改进的四元均匀直线阵几何定位法  35-37
    3.3.4 四元T 字阵几何定位法  37-38
    3.3.5 四元十字阵几何定位法  38-39
    3.3.6 定位法选择  39-40
  3.4 本章小结  40-41
第4章声源定位系统设计  41-62
  4.1 概述  41-43
    4.1.1 系统的设计要求与平台选择  41
    4.1.2 EasyARM2100 实验板简介  41-42
    4.1.3 系统组成及实现原理  42-43
  4.2 系统硬件设计  43-51
    4.2.1 麦克风阵列设计  43-47
    4.2.2 音频前置放大电路设计  47-49
    4.2.3 A/D 采样模块  49-50
    4.2.4 串口通讯模块  50
    4.2.5 上位机显示模块  50-51
  4.3 系统程序设计  51-61
    4.3.1 A/D 采样模块程序设计  52-57
    4.3.2 时延估计模块程序设计  57-59
    4.3.3 声源位置估计模块程序设计  59
    4.3.4 串口通讯模块程序设计  59-61
  4.4 本章小结  61-62
第5章实验测试与分析  62-73
  5.1 实验概述  62-63
  5.2 实验及结果  63-68
    5.2.1 不同类型声源的定位实验  63-64
    5.2.2 声源距离对系统性能的影响  64-66
    5.2.3 声源角度对系统定位性能的影响  66
    5.2.4 三元和四元阵列的定位性能比较  66-68
    5.2.5 误差分析  68
  5.3 系统的理论角度分辨率分析  68-71
    5.3.1 系统采样率与角度分辨率的关系分析  69-70
    5.3.2 麦克风间距与角度分辨率的关系分析  70-71
    5.3.3 麦克风间距与采样率综合分析  71
  5.4 本章小结  71-73
结论  73-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  80-81
致谢  81-82
作者简介  82

基于麦克风阵列的声源定位技术研究与ARM实现

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