基于FPGA的声频定向扬声器系统的设计

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摘要：传统扬声器系统在给人们生活带来便利的同时，也产生了很多噪声污染，比如广场舞音响，超市促销宣传喇叭;为了缓解噪声污染，构造独立的语音空间，提升大众生活质量，实现了基于 FPGA的声频定向扬声器的设计;通过自主开发信号处理单元，设计功率放大电路，探究超声波换能器数目与指向性的影响，最终在 FPGA上实现了信号的调制，不仅完成了可听声的定向传播，而且使系统具有更好的频率响应特性，从而构造出独立的语音空间，从根源上缓解噪声污染;除此之外，该系统在一定环境下进行了指向性测试，测试结果表明设计出的系统具有较强指向性，可以广泛用于国际会议、银行保密性通话、博物馆展厅等场合，无论军用还是民用，声频定向扬声器系统都具有极大的应用潜力。
1 X) s# X& X8 ^4 J2 d2 Y" h. l% |随着科技的发展，我们身边的噪声源越来越多。广场舞音响、汽车鸣笛、店铺促销喇叭等产生的噪声在不同程度上影响了人们的正常生活。声频定向技术是一种可以实现可听声在一定区域内传播的新技术，从而可以构造出独立的语音空间。基于此现状，本文设计出一种声频定向扬声器系统，相比于已有的声频定向系统，本系统的创新点在于基于 FPGA的信号处理模块的搭建以及功率放大电路的设计，经过一定环境下的测试，实验结果表明本系统具有较强的指向性，可以在一定程度上缓解噪声污染。
系统结构与原理淤
声频定向系统可以产生高指向性可听声主要是利用了超声波在空气中的非线性传播效应，Helmholtz 提出的非线性声学理论可以对这种非线性过程进行初步解释。该理论指出，若向超声波换能器阵列输入两列频率分别为 f1、f2的超声波电信号时，在空气的非线性自解调作用下，将会产生频率分别为f1、f2、f1＋f2、f1-f2以及各阶谐波在内的复杂声波，由于声波在空气中的衰减系数与声波自身频率的平方成正比，所以频率较高的 f1＋f2、f1、f2以及各阶次谐波将会很快被空气吸收掉，只有处于可听声范围内的差频信号继续传播。若超声波频率选择的合适，则可产生与原输入可听声信号频率一致的高指向性可听声，这便是实现声频定向扬声器系统的基本原理，如图1所示。

8 Q  V4 |. m9 T/ O+ D' E声频定向扬声器系统基于参量声学阵理论而设计。目前，主要存在两种理论，分别为"Westervelt 方程"和"Berktay 远场解"。"Westervelt 方程"可解释如何通过两列超声波产生高指向性差频波，而"Berktay 远场解"则可解释如何通过参量声学阵原理产生宽带高指向性声频波。
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! k9 c3 p! z/ Q( {7 `7 i! A$ _2、信号处理系统的设计
; N* X; r: p6 K& h9 N: ~( [该声频定向系统在结构上包括前端音频放大模块、FPGA 中信号处理模块、ADDA模块、功率放大模块等，整体结构如图 2所示。

需要对该系统组成进行说明的有∶
* e8 q4 u6 y7 ^) O1）超声波载波信号的产生和信号的调制均在 FPGA 中进行。
2）为了得到最好的指向性效果，在探究了超声波换能器阵列数目及形状的基础上，最终确定该系统的超声波换能器阵列由中心频率为 40 kHz，直径为16 mm，数目为91的超声换能器组成，形状为正六边形。
3）由于驱动超声波换能器需要较大的电压，所以本系统选用OPA548芯片，自主设计功率放大电路，经过测试分析，结果表明该功率放大电路可以较好地驱动超声波换能器模块。
# |" U: l4 U' u, m5 Q3 h0 p: E3 a本系统软件方面主要是基于 DE1一SOC提供的硬件开发环境和 Quartus13.1提供的软件开发环境，采用 SoC 核心思想，通过 ARM和 FPGA 之间的交互访问，实现对声频定向系统的灵活控制，包括 LED灯、SD Card 和声束的偏转角度等外围设备。同时，实现了多种方式的输入，包括麦克风输入、模拟音频信号输入以及 SD Card数字音频信号输入等。
2 C3 a  C( @* T) a0 E' B* s7 k下面分别介绍关键模块的设计方法。
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/ ]% q, M! D( P2 i$ z2.1 前端音频放大模块的设计
! W. p; [5 W- m; u0 b9 G( y. [, W若采用手机、MP3等输入方式，则输出的模拟音频信号的电压幅值较小，在 AD转换模块中，无法较好的进行模/数转换，所以需要将前端音频信号进行放大。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，很适合作为本系统的前端小信号放大器。采用OP07 芯片实现前端小信号的放大，放大倍数可以由滑动变阻器进行调节，具体电路图如图3，其中 R1 =R3=1 kQ，滑动变阻器 R2 选用3 296 W103系列，阻值变化范围为0～10 k2。
2 b; r4 t  X. X$ Y若采用 sd卡输入，其实现方法为∶利用Quartus13.1里面的 Qsys 软件快速生成读取 SD卡里面.WAV 文件音频数字信号所需的硬件配置，待系统生成成功之后，再到 Quar-tus13.1 里面对不同的硬件进行相应的引脚分配，同时可以在Eclipse 软件里面编写C语言程序实现所需要的逻辑，最终成功捕捉到SD卡里面纯正的数字音频信号。
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/ t7 j% ?  `" i+ Q2.2 FPGA中信号处理模块的设计
2.2.1 麦克劳林预处理
! _7 l% S5 H) y$ m) P8 G3 h作为一种新概念声源，声频定向系统与传统扬声器的发声机理有本质区别。传统扬声器可近似看作线性系统，一般不需要进行信号预处理就可以直接产生无指向性可听声，而声频定向系统则是一种典型的非线性系统，必须对信号进行处理才能产生失真度小、具有高指向性的可听声。
7 t1 v3 t' _% k) H其具体实现方法为∶根据非线性声学理论，将音频信号送入 FPGA中进行麦克劳林 N 阶近似平方根处理，本系统直接采用了 Quartusl3.1 软件里面的宏模块，包括加法器、乘法器以及除法器等，通过 DE1一SoC核心板进行高速数学运算，最终完成了对可听声信号的预处理。
2.2.2 频率为 40 kHz的载波信号的生成
' s, e/ n5 C8 e; C在信号调制部分的一个关键问题是如何产生调制所需要的载波。在本系统中，采用Altera公司的DE1一SoC开发板作为信号处理核心器件，凭借 FPGA的自身优势，自主制作 40 kHz的载波信号的过程为∶先用VS2013软件编写C语言程序，程序的功能为输出一个位宽为8位，深度为 500 的正弦表，然后将程序格式制作成 MIF 格式文件，再调用FPGA 中宏模块 ROM，将制作的 MIF 格式文件固化到单口 ROM里面，然后用Verilog 语言写一个计算器对 ROM进行地址读取，从而实现对 ROM里面的正弦表数据进行读取，完成正弦信号的制作。
2.2.2 信号调制
# x* J  Z' j3 k8 {利用FPGA对信号进行超声调制，使调制后的超声波信号在空气的非线性自解调作用下还原出可听声。目前常用的调制算法有 DSB法、平方根法、SSB法等，但是 DSB法不满足无失真包络平方条件，平方根法的实现需要一个具有无限带宽的物理系统，而实际物理系统无法提供这种无限带宽，在输入宽带信号的条件下，SSB法存在较为严重的互调失真。基于此现状，本作品采用N 阶近似平方根法进行信号调制，解决了平方根法的无限带宽及信号失真问题。采用 Signal Tap采集到的调制波形如图5，第一行为输入1 kHz的正弦波，第二行为从 ROM中调用的 40 kHz载波，第三行为调制后信号的波形。
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