fpga在實時聲吶定向系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、2 0 0 4 年第 2期 聲學(xué)與 電子工程 總第 7 4期 F P G A在實時聲吶定 向系統(tǒng)中的應(yīng)用 吳周橋 。 李 兵 ( 1 武漢科技學(xué)院電信 系 武漢 43 0 0 73 ；2 中南民族 大學(xué)計算機 中心 武漢 43 0 0 73 )摘要 利用 F P G A 器件采用三級流水線結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)了聲吶信號的實時定向算法．采用到達時間差估計 ( T D 0 A)算法來實現(xiàn) 目 標(biāo)的定向；其中采用廣義互相關(guān)算法估計延遲時間，采用

2、C O R D I C 算法實現(xiàn)從 F F T的實部、虛部到幅度 、相 角表 示的轉(zhuǎn)換．關(guān)鍵詞 F P G A 聲吶 坐標(biāo) 旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算 廣義互 相關(guān) l引言 在實時聲吶信號和語音信 號處 理中，常常 需要使用幾個通用 的 D S P 處理器件才 能達到 實時處理的 目的。但是在 很多情況下，例如 ，在手持系統(tǒng) 、水下系統(tǒng)等應(yīng) 用中 ，系統(tǒng)的功耗 是有限的，這就 限制 了通用 D S P器件 的使用。一 個可選擇 的方 案是使用 F P

3、 G A進行聲吶信 號 處理。F P G A 在信 號處理速度 、功耗方面都 比 通用的 D S P 器件更具有優(yōu)勢 。在本系統(tǒng)中 ，采用 的是利 用 F P G A實現(xiàn)語 音信號或者 聲吶信號定位 。在 聲吶定位 的算法 中 ，常 用 的方 法有 基 于子 空 間 的方法 ( 例 如 MU S I C) 、基 于空間或然性 技術(shù) 、到達 時間差 估計 T D O A方法等 ，其中 ，到達 時間延遲估計 方法是最常用的方法 ，本文即采用

4、這種方法 。T D O A 估 計最 常用 的方 法 是廣 義互 相關(guān) ( G C C) 方法，本文采用 了 C O R DI C實現(xiàn)傅里 葉變換后 的譜分量 的幅值 和相 角的計算 。使用 G C C估計 聲源的方 向。2系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)中實現(xiàn) 的是兩路傳感信號 的處理，這是一個最簡化 的結(jié)構(gòu) 。實際 中可 以采用多個 傳感器構(gòu)成 的傳感陣列進行陣列信號處理，以 達到更精確估計 聲源方 向的 目的。2 ． 1G C C 算法 設(shè)兩個傳

5、感器 的輸入信 號為l ( f ) 和 2 ( f ) ，信號中包含 了噪 聲、回聲 、以及侍估 的有用信 號。 用 G C C方法進行時延估計 的方框 圖如圖 l所示。3 6q r互卜 — ． r 五時 問 羞圖 lG C C 算法 用于 T D O A估 計 估 計 的結(jié) 果 為信 號到 達兩 傳 感器 的 時間 差 ，用數(shù)學(xué)表達式表示 為：江 Ic。)I ( 1 )其 中 ，( 緲 ) 和 ( ∞ ) 分 別為兩路信號的傅里葉

6、變換，w( c o ) 為互相關(guān)權(quán)函數(shù)。符號 “ 一 ” 表 示取復(fù)共軛 。 一般對于有 回聲的環(huán)境 ，( ∞ ) 的取值為：(在離散信號的情況下 ， 對 于 Ⅳ個采樣點的一 段數(shù)據(jù) ，其延時估計 公式可 寫為N ／ 2’= m∑(。 (( 七 ) I c o s ( e ( t ) ) ( 3 )K= O其 中( 七 ) =L S 2 ( 七 ) 一2 ( 七 ) 一 2／ Ⅳ為采樣頻率，S ( 七 ) 表示取 七 ) 的復(fù)相角。2

7、． 2C O R D I c算法 C O R D I C是基 于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) 的 函數(shù)值數(shù)字式 計 算 機 迭 代 ( C o o r d i n a t eR o t a t i o nD i g i t a lC o m p u t e r ) 算法。C O R D I C算法是在計算平面直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系之間進行 自由坐標(biāo)變換的乘法。它可以 用于計算三角函數(shù)、對數(shù)、乘維普資訊 http://www.cqvip.com 2 0 0 4

8、 年第 2期聲學(xué)與電 子工程 總第 7 4期 圖 3弧度表示的 D O A誤差 4結(jié)論 根據(jù)上述算法 實現(xiàn)的實時聲吶定向系統(tǒng)可以很好地進行聲吶定向。 系統(tǒng)經(jīng)過 M a t l a 6 仿真 。得到如 圖 3 所 示的定 向誤差分 布圖。從 圖中可以看出，本算法的定向精度較高。( 上接 第 3 5頁 )l 2月 l 9日 1 4時 0 3分 4 2秒 。 在用操作系統(tǒng)的 文件列表功 能查看 文件名時 ，所得到的是文件 的關(guān)閉時 間。數(shù)據(jù)

9、 文件 內(nèi)容包括兩部分 ：文件 頭和數(shù)據(jù)。 文件頭由6 4 個字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)組成，由數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)在建立文件時 自 動生成并添加到每個數(shù)據(jù)文件的前面。文件頭記錄了數(shù) 據(jù)采集的重要信息見表 4 ， 是未來數(shù)據(jù)處理的參數(shù)依據(jù)。數(shù)據(jù)是文件從第 6 5 個字節(jié) ( 4 0 H ) 處 開始存放采樣數(shù)據(jù)直至末尾。每個采樣數(shù)據(jù)為1 6 b i t , 占用兩個字節(jié) ． 低字節(jié)在前高字節(jié)在后依次存儲。數(shù)據(jù)為二進制補碼。每個數(shù)據(jù)文件的實 際長度可按下面

10、關(guān)系計算：◆考文■【 1 】T a k a g iN ．R e d u u l a m C O R D I CMe t h o d sw i t htC o n s t a n tS c a l eF a c t o rf o rS i n ea n dC o s i n eC o mp u t a t i o nI E E ET r a n s a c t i o no nC o mp u t e r ,1 9 9 1 。4 0 (

11、： 9 8 9 - - 9 9 4【 2 】 u w eM e y c r ． B a e s e ． 數(shù)字信號妊理的 F P G A 實現(xiàn)．劉凌 胡永生譯．北京： 清華大學(xué) 出版社． 2 0 0 2【 3 1KII o n e s ． B i tS e x 6 qC O R D I CD F TC o m p a t i o n sw i t hMu l t i d i me n s i o n a lS y s t o l i cP

12、 r o c e s s o rA r r a y s ． I E E EJ o u r n a lo f Oc e a n i cE n g i n e e r i n g , 1 9 9 3 ． 1 8文件長度 ( 字節(jié) ) = I N T 【 ( 采樣率 ( H z )× 通道 數(shù)×采樣長度 ( 秒 )× 2 ) +3 2 7 6 8 1 x 3 2 7 6 8 + 6 4例如當(dāng)采樣率為 5 k H

13、z 。通道數(shù) 1 6 ．采樣 長度為 6 0 s 時所生成的數(shù)據(jù)文件長度為：I N T [ ( 5 0 0 0x1 6x6 0×2 ) ÷ 3 2 7 6 8 】 ×3 2 7 6 8 + 6 4 = 9 5 6 8 3 2 0 ( 字節(jié) )◆考文蕾【 1 】 C o r c Mo d u i c T M／ 4 D x eT e c h n i c ． a ] Ma n u a l【 2 】 I A MO

14、N D - MM· 3 2U s e rMa n u e l【 3 1范逸之，陣立元． D E L P H I 與R S - 2 3 2 串行通信控制．北京： 清華大學(xué) 出版社， 2 0 0 2【 4 ] 4 李現(xiàn)勇． V I S U A LC + + 串口通信技術(shù)與工程實踐．北京： 人民郵電出版社， 2 0 0 2( 上接 第 2 4頁 )●考文■ 【 2 】G J B8 4 7 ． 2 - 9 0 魄船系統(tǒng)及設(shè)備電子電器