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音频信号的采集与定位算法处理【字数:10133】

2023-11-13 21:51编辑: www.51jrft.com51今日论文网
本文首先对音频信号的分类、采集、处理进行简单介绍,并描述了国内外声源定位的研究现状、研究意义,根据所查找到的资料通过软件模拟、数学计算对声源定位算法进行验证,包含了PCM与PDM信号的采集、PDM到PCM的转换方式、声源信号的归一化处理与加窗、声源信号的端点检测、以及广义互相关时延估计法的验证,最后将实验结果放入到实际应用中,包含了Free-RTOS的移植,ST-emWin的移植,模拟麦克风与PDM数字麦克风的采集,基于广义互相关的时延估计声源定位算法。
目录
1.声源定位研究现状与趋势 1
1.1声源定位的应用场景 1
1.2声源定位的研究背景分析与现状 1
2.麦克风阵列概述 3
2.1拾音麦克风传感器的分类与信号采集方式 3
2.1.1数字麦克风 3
2.1.2模拟麦克风 3
2.1.3数字麦克风阵列信号采集 4
2.1.4模拟麦克风阵列信号采集 6
3.交互界面的设计与使用 8
3.1 FreeRTOS的使用 8
3.1.1 FreeRTOS简介 8
3.1.2 FreeRTOS的使用 9
3.2 STemWin的使用与移植 9
3.2.1 STemWin简介 9
3.2.2 STemWin移植 9
4.声源定位系统实践 14
4.1声源定位系统简介 14
4.2麦克风阵列布局及声源位置估算 15
4.3声音信号的预处理 17
4.4广义互相关时延估计 18
4.5时间差估计部分关键代码 19
4.6定位系统实物展示与分析 21
5.结语 23
参考文献 24
致谢 25
1.声源定位研究现状与趋势
1.1声源定位的应用场景
在智能远程在线会议中,声源定位系统能够根据说话人的声音自动聚焦并跟踪声源,摄像头根据声波向任意方向转动,可以实现实时跟踪讲话人的位置,从而使得参加电话会议的人可以看到讲话人员。
在噪声源定位场景中,主要针对声音大 *51今日免费论文网|www.51jrft.com +Q: *351916072
小的声压级问题,诊断声源中影响声压级的主要声源,为更有效的工作提供指导,应用范围广泛,节省人力成本,提高准确性,例如监控车辆违法鸣笛场合,可以精确识别城市环境中的车辆鸣笛噪声,从而锁定违法鸣笛车辆,辅助交警执法。
在安防系统中,摄像头可以根据声音波动,记录环境中的一切变化,弥补摄像头监控死角的不足。
作为机器人辅助引导装置,帮助机器人完成对应指令或动作的执行。
1.2声源定位的研究背景分析与现状
城市环境噪声对居民的干扰和危害日益严重,已经成为城市环境的一大公害,城市环境噪声分为:交通噪声、工业噪声、建筑噪声、生活噪声。传统的环境噪声监控系统都是通过单麦克风结点的监控方式,属于粗略监控,只能反映一定区域内平均噪声水平,并不能反映噪声源的位置信息,于是许多人针对声源定位的商用场景逐步展开研究。主要采用多元麦克风阵列对环境噪声进行精细化监控,在准确分辨环境噪声种类的同时可以实时获取噪声的方位信息,对于空间中的噪声种类、方向、产生机理都有一个全面的监控,辅助环保部分对症下药,提升城市治理环境噪声的能力。
在一些比较危险的工作环境中,例如矿洞,油田,高危地形结构等场合,可以通过声源定位结合摄像头对做出预警,在产生异常声音的同时开启预警,通知附近人员紧急撤离,可能有发生潜在危险的可能,达到一个预警和监控的功能。
在防止偷盗场景中可以根据刹车的声音定位车辆位置,结合车牌识别记录可疑车辆的车牌号,当发生意外时候可以根据案发时间和地点查看车辆信息,协助警察办案,另一个方面在假期出游期间,对可能发生拥堵的路段进行监控,当发生意外情况时可以第一时间定位事故发生地,减少不必要的民事纠纷。
在设备检测与故障诊断场景中,声源定位于分析也占据了很重要的角色,声学相机是一种可视化检测手段,应用灵活性强,应用范围广泛,可用于电力设备的谐波振动,异响,局部放电等故障进行判定。
目前国内已有比较成熟的声源定位方案,可以基于环境声音数据库结合先进的深度学习算法,可以灵敏识别监控区域内的任何异常声音,例如吼叫,碰撞,急刹车,警报等,实时预警并精确计算声源方位,配合摄像头可以进行360度无死角主动监控。
2.麦克风阵列概述
2.1拾音麦克风传感器的分类与信号采集方式
本系统使用麦克风阵列进行声源定位系统的设计,市面上各种各样的麦克风,按照输出信号的类型可以大致分为两类,一类是数字麦克风,另外一类是模拟麦克风。下面简单介绍一下他们各自的优点和缺点。
2.1.1数字麦克风
数字麦克顾名思义,就是将原始模拟信号转换成数字信号进行传输和处理的麦克风,通过微机电技术在半导体上刻蚀压力感测膜片,无需内置高频电容,以及滤波器电路,数字麦克风抗干扰能力强,信噪比高,在回声消除,波束形成的应用场景可以简化设计,不会受到网络,射频干扰源的影响而造成信号的失真,常见的数字麦克接口有输出PDM信号的,也有I2S接口的,在采集信号的时候不需要额外的放大电路,体积相比传统麦克风更小,工作电压普遍在1.6V到2.9V,在移动设备上应用更为广泛例如笔记本电脑、智能手机、以及一些性能比较好的耳机上也会使用,有圆形的也有方形的,在电路设计的时候无需使用屏蔽线,在体积比较小的场合可以有效利用空间,个人觉得唯一的缺点估计就是成本会比模拟麦克风高。
2.1.2模拟麦克风
麦克风按照能量的转换原理可以大致分为以下几个类型:电容、电动、压电、电磁和半导体等,现在市面上大多数模拟麦克风都是驻极体麦克风,使用永久电荷隔离的聚合材料振动膜,还有一种就是MEMS麦克风,这种麦克风输出的信号可以是模拟信号也可以是数字信号,MEMS麦克风主要由MEMS传感器、充电泵、缓冲放大器、具有屏蔽功能的金属外壳组成,在各种环境下面性能比较稳定,比传统的驻极体麦克风要好,驻极体麦克风使用需要根据设计需求添加对应的IC,MEMS麦克风只需添加额外的专用功能。为了增强模拟麦克风抗干扰能力,通常在内部加了滤波电容,一般是10pf和33pf并联。由于模拟麦克风输出的是模拟信号,并不适合长距离传输,且抗干扰能力远不如数字麦克风,在实际应用场合中需要设计一个前置放大电路,再通过AD转换将模拟信号转换成数字信号。

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