基于DSP二維聲源定向系統設計

摘要 利用ADSP BF533 DSP處理器設計了一種二維聲源定向系統。系統基于聲波到達時間差技術，采用相位匹配算法，對兩個傳聲器采集的聲音信號進行分析。通過算法仿真驗證了算法的可行性和準確性，并將算法在DSP上實現。
關鍵詞 DSP；聲源；定向

被動式聲源定向系統在軍事和日常生活中的多方面有著重要的應用。軍事中常采用傳聲器陣列初步估計目標的方位，為雷達精確掃描提供依據；日常生活中多用于攝像頭輔助系統，引導攝像頭向聲源方向轉動，這在視頻會議中應用較多，其他應用還包括室內防盜系統和災害搜救設備等。近年來眾多學者對此作了大量研究，提出了多種實用性算法。王毅等人將現有的算法分成3類：基于最大輸出功率的可控波束形成技術、基于高分辨譜估計技術和基于聲波到達時間差技術，其中基于聲波到達時間差技術具有運算量小、精度高的特點，被廣泛使用。文中正是基于這一技術，采用相位匹配算法，對兩個傳聲器采集的聲音信號進行分析，實現了二維聲源定向。

1 原理
1．1 聲波到達時間差技術
所謂聲波到達時間差就是指聲波信號到達2個或多個傳聲器之間的時間差，利用該差值即可確定聲源的方向，文中只采用2個傳聲器，其原理如圖1所示。

設置傳聲器1和傳聲器2之間的距離為d；聲源到達傳聲器1的角度為θ1；到傳聲器2的角度為θ2，并且聲源到兩個傳聲器中點C的距離遠大于兩個傳聲器之間的距離d。基于這個前提，則θ1≈θ2=θ，設聲速為c，聲波到達傳聲器2與到達傳聲器1之間的時間差為τ，則式(1)成立
sinθ=L／d，L=cτ (1)
因此
θ=sin-1(cτ／d) (2)
在式(2)中，聲速c和傳聲器1，2之間的距離d，都是已知數，只要求出聲波到達時間差τ，就可以得到聲源的方位角θ。
以上就是聲波到達時間差原理，時間差τ的求取方法有最小均方自適應濾波法、廣義互相關函數法、互功率譜相位法等，文獻對各種方法的比較作了詳細介紹。除上述直接或間接求取時間差τ的方法外，本文采用文獻中的一種相位匹配算法，雖然也是基于聲波到達時間差技術，但它不用求取時間差τ，就能得到聲源的方位角θ。
1．2 相位匹配算法
信號相位匹配的原理就是對傳聲器2輸出的信號進行相位補償，不同的頻率補償不同的相位，如果補償的相位等于由于聲源方位角引起的相位差，則傳聲器1，2方向相同。