1、基于到达时差基于到达时差(TDOA)的声音定位系统设计的声音定位系统设计 1 选题的背景与意义选题的背景与意义 随着科技的进步，定位已经在我们的日常生活中扮演的角色越来越重要。确 定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用背景的有趣研究， 将来可以将语音 声源定位应用在可视电话、视频会议等系统中检测说话人的位置。声源定位通过 测量物体发出的声音对物体定位， 与使用声纳、 雷达、 无线通讯的定位方法不同， 前者信源是普通的声音，是宽带信号，而后者信源是窄带信号。对声源位置的确 定能给大家有效的利用声音提供帮助。事实证明，声源定位系统是一个很有意义 的研究课题。 2 研究的基本内容研究的基本内容与与
2、拟解决的主要问题拟解决的主要问题 2.1 基本内容基本内容 声源定位技术研究涉及声学、信号检测、数字信号处理、电子学、软件设计 等诸多技术领域， 在诸多军用和民用西东中具有极其重要的意义， 对军事系统中， 它有助于武器的精确打击，为最终摧毁对方提供有力保证；就民用系统来说，可 以为目标提供可靠的服务， 起到安全保障作用。 声源定位技术具有被动探测方式、 不受通讯条件干扰、可全天候工作的特点，但因为声源定位环境的复杂性，再加 之信号采集过程中不可避免的给语音信号掺进了各种噪声干扰， 都是的定位问题 成为了一个极具挑战性的研究课题。 本次研究的基本内容：设计一个基于到达时差(TDOA)原理、嵌入式
3、技术，采 用麦克风阵列定位的方式实现对二维平面物体准确定位的声音定位系统。 系统包 括：声响模块、接受模块、信号处理模块。 基于到达时间差的声源定位原理：人对声源的定位主要用到了声音幅度这个 物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。由于声波在空气中以一定速度传 播，到达设置于不同位置的传声器的相位不同，根据这些传声器对同一声音录制 的相位差别，我们可以计算出同一声音到达每对传声器的时间差值。如果我们得 到了某个声源发出的声音到达一对传声器的时间差，合适的安排传声器的位置， 可以使得双曲面的交点只有一个，这个点就是我们要的声源位置。大多数声源定 位是基于到达时间差的方法， 提高对到达时间差估计
4、的准确程度是这种方法的关 键。 麦克风阵列(Microphone Array)，从字面上，指的是麦克风的排列。也就是 说由一定数目的声学传感器(一般是麦克风)组成， 用来对声场的空间特性进行采 样并处理的系统。 2.2 拟解决的主要问题拟解决的主要问题 本次设计主要解决的问题是利用单片机定位生源的位置。声源发出声音，麦 克风阵列接收后发送给信号处理模块， 信号处理模块根据广义互相关算法计算声 源位置，显示在显示屏上。 3 研究思路研究思路方案方案、可行性分析及预期成果、可行性分析及预期成果 3.1 3.1 可行性分析可行性分析 声源定位是一种利用麦克风阵列接收声音信号，并使用信号处理等手段对其
5、 进行分析处理，最终确定声源所在位置的技术.该技术在生产生活等领域得到了 广泛的应用，在科研方面也同样具有宝贵的价值。 由于定位方式原理有所不同，一般可将声源定位技术分为 3 类： 1) 第一种是高分辨率谱估计定位技术，这种方法在远场条件下的定位效果不错， 但计算量较大，且在处理宽带信号上有所欠缺。 2) 第二种方法是基于可控波束形成法，但为了使波束功率达到最大值，需要对 整个空间进行扫描搜索，计算量大，还需要了解背景噪声等先验知识。 3) 第三种定位算法是基于到达时间差技术，即 TDOA。这也是现在最常用的一种 方法。该方法主要有两个步骤，分别是时延估计和定位估计，首先使用多组 麦克风对信号
6、进行接收，接着使用相关方法分别计算从而得到多组时延，然 后由麦克风阵列位置结合上一步求得的时延进行定位，从而得到最终声源的 位置。这种方法的优势在于原理简单，计算量较小，且不需要知道噪声的先 验知识。 在时延估计算法中，传统的互相关方法在理想条件下有一定的抗噪声和混响 能力， 但是在信噪比较低和混响较强等真实条件下， 此算法的性能下降比较明显。 综上所述，本系统设计采用基于到达时差(TDOA)原理的技术较为合理，此方案可 行。 3.23.2 研究思路研究思路方案方案 要成功实现本设计的要求，系统必具备以下功能：声源发声、接收声音、液 晶显示等功能。 其主要的电气系统可划分为： 电源、 主控、 信号发声、 声音接收、 液晶显示等基本模块。系统框图如下： 产生信号扬声器发生声音接收音频放大 带通滤波 MCU 数据处理 控制显示 液晶显示 声源定位系统的实现程序的基本流程图如下图所示: N Y Y 3.3 预期研究成果预期研究成果 设计出一套基于到达时差(TDOA)原理、嵌入式技术，采用麦克风阵列实现声 音定位的装置，还可以通过软件仿真对设计结果互相印证。 开始 初始化采集 卡
