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基于FPGA的声源定位系统软硬件设计

已有 17243 次阅读| 2018-3-31 21:17 |系统分类:芯片设计

基于麦克风阵列的声源定位是阵列信号处理的一个重要应用,在单兵作战、狙击手方位判定等军事领域和视频会议、智能机器人等民用领域都有着广泛的应用。针对当前声源定位系统多是基于PC平台完成数据的处理和声源方位的判定,具有价格昂贵,操作复杂,功耗高,不易携带等缺点,本文提出了基于FPGA的麦克风阵列声源定位系统,以FPGA为数据处理平台,实现了小体积,便携,低功耗,价格合适的系统特性,在视频会议,野外探测和军事作战中,有着重要的应用价值。本文主要从理论研究、软硬件设计和定位实验三部分对声源定位系统展开了研究。首先,本文对波束形成、高分辨率谱估计和到达时间差三种定位算法进行了比较和研究,并对三元麦克风线性模型和六麦克风空间模型进行理论推导,分析定位误差产生原因。使用MATLAB对TDOA算法和MUSIC算法进行了仿真比较,针对FPGA定位系统的特性,选择计算量小,实时性好TDOA算法作为本文的定位算法。然后,针对系统性能要求,完成了基于FPGA的声源定位系统软硬件设计。其中硬件设计包含了信号调理电路,电源供电电路,AD采集电路,SD存储电路的设计,实现了八路信号的同步采集,存储和分析,具有便携,低功耗的特性。软件设计包含了硬件电路控制和定位算法实现两大部分,基于硬件基础,采用了模块复用、缩减数据位数、使能控制、流水结构等方式完成了程序优化并使用Modelsim对各个模块进行了仿真验证,给出了系统逻辑资源消耗量和定位程序仿真耗时量。最后,针对设计的定位系统,进行了相关的性能测试和定位实验。结果表明,系统设计较为合理,能够较好的实现声源定位。针对实验过程中产生的误差,给出了系统误差分析,并提出了相应的改进方案,为后续的研究提供了思路。最终,本文在FPGA上实现了对声源信息的采集,存储,分析和定位。