基于麥克風陣列聲源定位系統的FPGA實現

作者：時間：2011-05-24 來源：網絡

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2．4 本幀互功率譜模塊
第一路信號FFT結果與第二路信號FFT結果的共軛相乘得到本幀互功率譜。
若第一路是r1+i1，第二路是r2+i2，其共軛為r2-i2，相乘時可用式(6)，式(7)所示的計算方法，這樣可以減少一次乘法運算，節省內部資源

其中，R和I是本幀互功率譜的實部和虛部；r1和r2是FFT結果的實部；i1和i2是FFT結果的虛部。
2．5 頻域加權模塊
本幀互功率譜乘以存放在ROM中的加權函數，使互相關函數峰值更加突出。調用內部乘法器模塊即可完成。
2．6 功率譜平滑模塊
對加權模塊結果，進行連續數幀的累加以平滑互功率譜，使峰值便于檢測。調用內部加法器模塊即可完成。
2．7 反FFT模塊
對平滑結果進行反FFT運算，求得互相關函數。根據FFT原理，反FFT運算可借助于FFT模塊計算。即將FFT運算中旋轉因子取倒數，最后的輸出乘以1／N就可以用來計算反FFT。為防止運算過程中發生溢出，可將1／N分配到每一級蝶形運算中。由于1／N=(1／2)M，所以每級的每個蝶形輸出支路均有一相乘因子1／2，即右移一位即可。
2．8 峰值檢測模塊
對FFT結果求模即是求

的值，然后求出其模值的峰值，即相應的語音信號時延值。
2．9 定位算法模塊
根據角度距離定位法，聲源相對原點的水平角θazimuth為

其中，a是麥克之間的間距；d是聲源到麥克對的距離差。
聲源相對原點的仰角φelevation為

其中，a是麥克之間的間距；d是聲源到麥克對的距離差。
由上可知，需要計算反余弦函數值確定出相應的角度值。反余弦函數是超越函數，可以用泰勒級數近似計算這個函數，但較為麻煩且精度不高，而CORDIC算法是由移位和加減運算組成，所以比較適合FPGA的實現，速度較快且具有較高的迭代精度。本系統使用高速9級流水線結構實現CORDIC算法。迭代關系如下

式(10)是迭代的初始條件，式(11)是根據本次坐標值判定下次迭代方向，式(12)～式(14)是下次迭代公式。
算法經過數次迭代后θ的值即是*****。實際中使用9級迭代，可以得到7位精度。最小角度精度為0．111 905。

3 模塊仿真和綜合報告
Quartus II是Altera公司開發的綜合性PLD軟件，內嵌綜合器和仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程。而且具有運行速度快、界面統一、功能集中、易學易用等特點。
本設計使用Quartus II8．0對各個模塊進行仿真驗證。通過仿真，驗證了各個系統模塊可以準確的工作，并完成了整個設計功能。選取Alte-ra公司Cyclone II系列中的EP2C35F484C8器件對整個程序進行時序仿真，其主要資源消耗為：總邏輯單元為3740／3 3216，總存儲單元為74 240／483 840，總管腳為387／475。總乘法器為16／35。仿真結果表明，本文所述實現方法結構可行，可以獲得良好的性能，其最高速率可以達到87．3 MHz，完全滿足系統要求。

4 結束語
本設計通過FPGA來實現整個系統，充分利用了Altera公司FPGA產品高速大容量開發靈活方便等優點，并使用QuartusⅡ開發環境所提供的庫資源，同時最大限度地利用和發揮了FPGA的優勢，從而簡化了系統設計，縮短了設計周期。