基于FPGA声源定位的数据同步采集与算法实现

发布时间：2017-08-15 15:11

  本文关键词：基于FPGA声源定位的数据同步采集与算法实现

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【摘要】：基于麦克风阵列以及波束形成算法的声源定位技术通过麦克风阵列采集声音信号,经波束形成算法处理后完成对声源的方位估计。该定位技术广泛地应用于大型机械产品的噪声声源定位以及故障诊断等领域。传统的声源定位系统虽然解决了部分问题,但是由于我国声源定位技术起步较晚,部分声源定位采用高成本、使用不便的采集卡等硬件或者不成熟、不匹配的定位算法来对声源进行定位,定位成本高、实现难度大。现场可编程逻辑器件和高速同步采集芯片的加入,促进了声源定位技术的发展。本文采用高速同步AD转换芯片以及FPGA平台结合自适应波束形成算法设计了一款体积小、成本低、实时性高且定位效果较好的声源定位系统。首先,本文对声源定位过程中对于麦克风阵列的选型进行了阐述,在对比了三种常见声源定位算法的定位优缺点和适用场合后,选择波束形成算法作为本声源定位系统的核心算法。考虑到声源定位对于干扰的敏感性强的特点,本文在对比了常规波束形成算法和自适应波束形成算法MVDR的原理和仿真效果图后,选择了抗干扰性强、分辨率高的自适应波束形成算法MVDR作为本声源定位系统的最终定位算法。在理论基础上,本文设计了由8阵元麦克风阵列、AD7606采集芯片、FPGA数据处理平台组成的声源定位系统主要部分的硬件电路,16bits采样精度和200KSPS采样率的AD7606芯片连同内嵌功能强大且外围扩展SDRAM存储的EP4CE10F17C8平台,可以实现声源定位数据的同步采集和高速实时处理的要求。随后本文还针对系统的主要功能部分进行了软件设计。最后本文利用Visual Studio 2008建立了声源定位的上位机显示界面,可以人性化地实时显示声源定位系统的采集和处理结果。随机采集的声源方向角和俯仰角实验结果对比表明,本声源定位系统可以满足最初设计要求。
【关键词】：声源定位 麦克风阵列 同步采集 MVDR FPGA
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN912.3;TN791
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势10-14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 第二章 麦克风阵列结构与选型15-24
• 2.1 麦克风阵列设计的难点15-16
• 2.2 麦克风阵列近、远场模型的选型16-17
• 2.3 麦克风的阵列结构设计17-21
• 2.4 关于二维阵列的分辨率的研究21-23
• 2.4.1 阵列空间方向的分辨率21-22
• 2.4.2 三种常用二维阵列的分辨率的对比22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 麦克风阵列的声源定位方法24-34
• 3.1 基于时延估计(TDOA)的定位法24-26
• 3.2 基于高分辨率谱估计的定位法26-27
• 3.3 基于可控波束形成的定位法27-32
• 3.3.1 常规波束形成算法28-29
• 3.3.2 自适应波束形成算法29-32
• 3.3.3 波束形成算法在相控阵定位领域的应用辨析32
• 3.4 本章小结32-34
• 第四章 麦克风声源定位的硬件设计34-54
• 4.1 麦克风声源定位系统的概述34
• 4.2 麦克风阵列的硬件设计34-39
• 4.2.1 麦克风的种类及选型35-36
• 4.2.2 麦克风均匀圆阵的阵元数目36-37
• 4.2.3 麦克风均匀圆阵的阵元间距37-38
• 4.2.4 麦克风阵列的硬件电路38-39
• 4.3 AD采集模块设计39-43
• 4.3.1 AD7606的电源部分电路40-41
• 4.3.2 AD7606采集电路设计41-43
• 4.4 FPGA数据处理部分设计43-50
• 4.4.1 FPGA芯片选型43-45
• 4.4.2 EP4CE10F17C8的电源电路设计45-46
• 4.4.3 EP4CE10F17C8的外围电路设计46-48
• 4.4.4 EP4CE10F17C8的存储电路设计48-50
• 4.5 数据传输部分电路设计50-53
• 4.5.1 传输模式USB2.051-52
• 4.5.2 USB2.0的接口模式选择52-53
• 4.6 本章小结53-54
• 第五章 麦克风声源定位的算法实现54-72
• 5.1 硬件描述语言和模块设计54-58
• 5.1.1 硬件描述语言Verilog HDL54-55
• 5.1.2 系统开发环境Quartus Ⅱ55-56
• 5.1.3 Quartus Ⅱ的调试与编译56-58
• 5.2 数据采集AD部分驱动设计58-59
• 5.3 声源定位的FPGA算法实现59-69
• 5.3.1 FIR滤波器设计61-63
• 5.3.2 FFT快速傅里叶变换设计63-67
• 5.3.3 数据存储模块设计67-68
• 5.3.4 波束形成算法的实现68-69
• 5.4 声源定位系统的用户界面设计69-71
• 5.5 本章小结71-72
• 第六章 总结和展望72-76
• 6.1 AD7606采样分析72-73
• 6.2 声源定位结果分析73-76
• 参考文献76-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士学位期间的科研成果82

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本文编号：678828