基于FPGA的聲頻定向揚聲器系統的設計

朱榮釗，劉 晶，劉文超，周艷玲，曾張帆

(1.湖北大學 計算機與信息工程學院，武漢 430062; 2.武漢晴川學院 計算機學院，武漢 430204)

0 引言

隨著科技的發展，我們身邊的噪聲源越來越多。廣場舞音響、汽車鳴笛、店鋪促銷喇叭等產生的噪聲在不同程度上影響了人們的正常生活[1]。聲頻定向技術是一種可以實現可聽聲在一定區域內傳播的新技術，從而可以構造出獨立的語音空間?；诖爽F狀，本文設計出一種聲頻定向揚聲器系統，相比于已有的聲頻定向系統，本系統的創新點在于基于FPGA的信號處理模塊的搭建以及功率放大電路的設計，經過一定環境下的測試，實驗結果表明本系統具有較強的指向性，可以在一定程度上緩解噪聲污染。

1 系統結構與原理

聲頻定向系統可以產生高指向性可聽聲主要是利用了超聲波在空氣中的非線性傳播效應，Helmholtz提出的非線性聲學理論可以對這種非線性過程進行初步解釋[2]。該理論指出，若向超聲波換能器陣列輸入兩列頻率分別為f1、f2的超聲波電信號時，在空氣的非線性自解調作用下，將會產生頻率分別為f1、f2、f1+f2、f1-f2以及各階諧波在內的復雜聲波，由于聲波在空氣中的衰減系數與聲波自身頻率的平方成正比，所以頻率較高的f1+f2、f1、f2以及各階次諧波將會很快被空氣吸收掉，只有處于可聽聲范圍內的差頻信號繼續傳播。若超聲波頻率選擇的合適，則可產生與原輸入可聽聲信號頻率一致的高指向性可聽聲，這便是實現聲頻定向揚聲器系統的基本原理，如圖1所示。

圖1 非線性傳播效應

聲頻定向揚聲器系統基于參量聲學陣理論而設計。目前，主要存在兩種理論，分別為“Westervelt方程”和“Berktay遠場解”[4]?！癢estervelt方程”可解釋如何通過兩列超聲波產生高指向性差頻波，而“Berktay遠場解”則可解釋如何通過參量聲學陣原理產生寬帶高指向性聲頻波。

本文中涉及到的參量陣系統的輸入信號是寬帶信號，所以下面簡要介紹一下“Berktay遠程解”。Berktay在“Westervelt方程”的基礎上，推導了寬帶信號作為參量聲學陣輸入時通過非線性產生的聲壓為：

(1)

其中:β為非線性系數，S為聲源面積，p0為原波聲壓幅值，E(τ)為調制包絡函數，z為聲波傳播距離，τ=t-z/c0為延遲時間。

式(1)明確表明寬帶參量聲學陣最后在空氣中自解調得到的聲壓p(t)與包絡E(τ)平方的兩次時間導成正比，即為“Berkaty遠程解”[5]。本系統就是基于“Berktay遠場解”理論，將輸入聲頻信號合理融入到包絡平方函數的E2(τ)中去，利用寬帶參量陣實現該聲頻信號的定向傳播?，F有聲頻定向系統信號處理方法皆是建立在“Berktay遠場解”基礎上的。

2 信號處理系統的設計

該聲頻定向系統在結構上包括前端音頻放大模塊、FPGA中信號處理模塊、ADDA模塊、功率放大模塊等，整體結構如圖2所示。

圖2 系統組成框圖

需要對該系統組成進行說明的有：

1)超聲波載波信號的產生和信號的調制均在FPGA中進行。

2)為了得到最好的指向性效果，在探究了超聲波換能器陣列數目及形狀的基礎上，最終確定該系統的超聲波換能器陣列由中心頻率為40kHz[6],直徑為16mm，數目為91的超聲換能器組成，形狀為正六邊形。

3)由于驅動超聲波換能器需要較大的電壓，所以本系統選用OPA548芯片，自主設計功率放大電路，經過測試分析，結果表明該功率放大電路可以較好地驅動超聲波換能器模塊。

本系統軟件方面主要是基于DE1-SOC提供的硬件開發環境和Quartus13.1提供的軟件開發環境，采用SoC核心思想，通過ARM和FPGA之間的交互訪問，實現對聲頻定向系統的靈活控制，包括LED燈、SDCard和聲束的偏轉角度等外圍設備。同時，實現了多種方式的輸入，包括麥克風輸入、模擬音頻信號輸入以及SDCard數字音頻信號輸入等。

下面分別介紹關鍵模塊的設計方法。

2.1 前端音頻放大模塊的設計

若采用手機、MP3等輸入方式，則輸出的模擬音頻信號的電壓幅值較小，在AD轉換模塊中，無法較好的進行模/數轉換，所以需要將前端音頻信號進行放大。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，很適合作為本系統的前端小信號放大器。采用OP07芯片實現前端小信號的放大，放大倍數可以由滑動變阻器進行調節，具體電路圖如圖3，其中R1=R3=1 kΩ，滑動變阻器R2選用3 296 W 103系列，阻值變化范圍為0～10 kΩ。

圖3 前端電壓放大電路

若采用SD卡輸入，其實現方法為：利用Quartus13.1里面的Qsys軟件快速生成讀取SD卡里面.WAV文件音頻數字信號所需的硬件配置，待系統生成成功之后，再到Quartus13.1里面對不同的硬件進行相應的引腳分配，同時可以在Eclipse軟件里面編寫C語言程序實現所需要的邏輯，最終成功捕捉到SD卡里面純正的數字音頻信號。

2.2 FPGA中信號處理模塊的設計

2.2.1 麥克勞林預處理

作為一種新概念聲源,聲頻定向系統與傳統揚聲器的發聲機理有本質區別。傳統揚聲器可近似看作線性系統,一般不需要進行信號預處理就可以直接產生無指向性可聽聲,而聲頻定向系統則是一種典型的非線性系統,必須對信號進行處理才能產生失真度小、具有高指向性的可聽聲。

其具體實現方法為：根據非線性聲學理論，將音頻信號送入FPGA中進行麥克勞林N階近似平方根處理[7]，本系統直接采用了Quartus13.1軟件里面的宏模塊，包括加法器、乘法器以及除法器等，通過DE1-SoC核心板進行高速數學運算，最終完成了對可聽聲信號的預處理。

2.2.2 頻率為40 kHz的載波信號的生成

在信號調制部分的一個關鍵問題是如何產生調制所需要的載波[7]。在本系統中，采用Altera公司的DE1-SoC開發板作為信號處理核心器件，憑借FPGA的自身優勢，自主制作40 kHz的載波信號的過程為：先用VS2013軟件編寫C語言程序，程序的功能為輸出一個位寬為8位，深度為500的正弦表，然后將程序格式制作成MIF格式文件，再調用FPGA中宏模塊ROM，將制作的MIF格式文件固化到單口ROM里面，然后用Verilog語言寫一個計算器對ROM進行地址讀取，從而實現對ROM里面的正弦表數據進行讀取，完成正弦信號的制作。

2.2.2 信號調制

利用FPGA對信號進行超聲調制，使調制后的超聲波信號在空氣的非線性自解調作用下還原出可聽聲。目前常用的調制算法有DSB法、平方根法、SSB法等，但是DSB法不滿足無失真包絡平方條件，平方根法的實現需要一個具有無限帶寬的物理系統，而實際物理系統無法提供這種無限帶寬，在輸入寬帶信號的條件下，SSB法存在較為嚴重的互調失真?；诖爽F狀，本作品采用N階近似平方根法[8]進行信號調制，解決了平方根法的無限帶寬及信號失真問題。采用Signal Tap采集到的調制波形如圖5，第一行為輸入1 kHz的正弦波，第二行為從ROM中調用的40 kHz載波，第三行為調制后信號的波形。

圖5 SignalTap采集的調制波形

2.3 信號的轉換與放大

經過FPGA核心板高速運算的調制信號從FPGA的GPIO口以8位的數據位寬并行輸出與外圍設備高速ADA模塊進行對接，這里使用了FPGA提供的PLL IP Core，將產生的高速率時鐘送到高速ADA的DA 時鐘線上，通過高速率的精確的DA轉換，實現了調制信號從數字信號到模擬信號的跨變。

實現調制信號從數字信號轉變為模擬信號后，還存在從FPGA核心板輸出的調制信號強度很小的問題。即經由數模轉換后，信號強度還是很難驅動超聲波換能器陣列。OPA548作為高電壓、高電流、寬輸出電壓擺幅功率運算放大器，可以用來實現調制后輸出信號的功率放大。因此本系統獨立設計了對超聲波調制信號進行放大的功率放大電路，實現了將7 V左右的超聲波調制信號放大到35 V左右，可以較好驅動超聲波換能器。功率放大電路的設計如圖6所示。

圖6 功率放大電路的設計

3 實驗結果與分析

聲頻定向揚聲器系統整體實物圖如7和8所示。

圖7 聲頻定向揚聲器系統 圖8 超聲波換能器 實物側視圖

圖7為聲頻定向揚聲器系統側視圖，從上到下分為三層，第一層為Altera的DE1-SoC開發板，在FPGA中實現信號的預處理和調制，第二層包括自主設計研發并完成的前端音頻放大模塊，AD/DA模塊、功率放大模塊、散熱模塊以及DC-DC降壓模塊，第三層為開關電源NES-200-24，通過降壓等模塊，給整個系統提供合適的電壓。

圖8為自主設計的超聲波換能器，由91個直徑為15 mm的超聲波陣列頭組成，整體呈正六邊形。

除此之外，為了驗證此聲頻定向系統設計方案的正確性和可行性，并檢驗系統的定向傳聲性能，本章對聲頻定向進行系統測試。通過研究相關的實驗數據，從而得出聲場指向性、反射性、虛擬聲源效果等系統的性能參數，同時也為優化系統設計提供依據。

在測試聲頻定向系統性能的過程中，必須選定以下測試條件：

1)大面積空曠場地；

2)弱噪聲干擾環境。

根據上述條件，按照以下步驟進行具體測試：

1)選擇大面積空曠場地擺放聲頻定向系統；

2)給系統供電，啟動系統的各個模塊；

3)分別進行定向傳聲測試、反射性測試、遠距離傳播測試等；

4)記錄聲音強度，距離等參數；

5)將記錄的數據與理論結果對比，分析系統的優勢及不足。

在測試系統的硬件性能過程中，測試主要針對系統邏輯電路在FPGA端的邏輯利用率、相關運算速度等。測試在Quartus II 13.1中進行。

3.1 定向性測試

根據以上測試條件，本系統在無噪聲或者小噪聲的環境下進行了測試，采用單一變量的測試原則，分別用普通揚聲器和聲頻定向系統播放相同的音頻，以播放器為中心，在半徑為5米的圓周上，分貝儀進行180度旋轉采集，記錄分貝儀上的波形變化，測試結果如圖9所示。圖9(a)為設計的定向系統測試結果，圖9(b)為普通非定向揚聲器的測試結果。

圖9 測試結果圖

從圖9(a)可以看出，在13～17 s的時間內，分貝儀位于聲頻定向系統的正前方區域，聲音可以被聽到，分貝儀測試曲線出現了升高現象，驗證了聲頻定向系統具有定向性的特點。

由圖9(b)可以看出，對于普通揚聲器，在以5 m為半徑的圓周上旋轉采集信號強度時，分貝儀曲線基本不變，大約為50 dB，驗證了普通揚聲器的聲音是360°全向傳播的。

3.2 遠距離傳聲測試

根據理論知識可知，聲頻定向系統發出的可聽聲具有能量集中，可遠距離傳播的特點。下面將分別在一定距離處測試普通揚聲器聲音強度與聲頻定向系統聲音強度，數據匯總表如表1所示。

表1 遠距離傳播測試數據匯總表

測試標號表示4次測試樣本，測試均以相同的測試方法、測試設備、測試環境下完成。分析數據可以得到以下結論：

1)在相同的傳播距離下，聲頻定向系統的聲音強度大于普通揚聲器的聲音強度，符合聲頻定向系統具有能量集中的特點。

2)隨著傳播距離的增加，聲頻定向系統聲音強度的衰減速度小于揚聲器聲音強度的衰減速度，符合聲頻定向系統的聲音可以遠距離傳播的特點。

4 結語

本設計基于DE1-SoC硬件集成開發環境，借助SoC嵌入式軟件編程技術，實現了聲頻定向傳播系統，打破了傳統揚聲器全方位音頻傳播的特征，構建了獨立的語音空間，可以緩解噪聲污染，提升通話保密性，在民用和軍用場合都具有極大的應用潛力。除此之外，通過使用HPS，在大大提升系統靈活性的同時，降低了系統的設計難度，設計平臺的搭建也更為迅速。

從實際出發，該系統還具有以下設計特點：

1)將頻率為20～20 K的可聽聲與頻率為40 K的高頻信號進行調制，改變了可聽聲全方位傳播的特性，使可聽聲只能在指定區域內傳播。最終創造出一種新概念聲源[11]，使可聽聲具有定向性，反射性，能量集中等特點。

2)支持麥克風、手機、Mp3等模擬音頻信號的輸入的同時，還支持SD卡等數字音頻信號的輸入，擴大系統的使用范圍。

3)通過對換能器陣列形式、陣列數目、陣列間距的研究，采用正六邊形陣列，使系統具有更好的寬帶特性及平坦的頻率響應特性。

4)在實現了機械式聲波偏轉的基礎上，我們后續的研究方向主要為相位控制聲束偏轉技術。相比于機械式聲束偏轉成本低、易實現的特點，相控陣聲束偏轉具有操作靈活、變化速率快、全方位偏轉等優點。

但是，初步設計的聲頻定向揚聲器系統的音質無法與傳統揚聲器媲美，若向大規模推向市場，還需進一步研究如何提升音質以及如何減少功耗的問題。

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