[发明专利]一种基于MEMS麦克风阵列的声源定位系统

说明书

本发明涉及一种基于MEMS麦克风阵列的声源定位系统，利用主芯片为EP4CE30F23C6的FPGA芯片并行采集多通道MEMS均匀圆阵麦克风阵列语音信号，经过降采样和缓存处理，再通过千兆网口将语音信号传输到DSP处理器上进行处理，实现语音增强和声源定位的功能，并将定位结果通过网口反馈到麦克风阵列，点亮相应的LED灯，同时在显示屏上显示相应的定位结果。系统具有体积小、集成度高、优良的稳定性和抗干扰性并能够快速确定声源方位等特点。

技术领域

本发明涉及一种声源定位系统，特别是一种基于麦克风阵列的声源定位系统，属于语音检测技术领域。

背景技术

语音是人类社会交流信息最自然、最有效、最方便的手段之一。而麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。麦克风阵列是多个麦克风以一定的空间结构排列而成，通过对空间声场的采样，实现声信号的空时联合处理。通过麦克风阵列解决的实际问题主要包括：去混响和回声抑制、噪声抑制、声源定位、声源数估计和人声信号的识别和处理。

目前，麦克风阵列广泛应用于工业、军事和消费电子等领域，研制出微型化、灵活智能的高效声源定位识别系统是麦克风阵列技术发展的重要趋势。

麦克风阵列在实际应用中需要采用不同的阵元数目和阵元间距，便有了大小型阵列之分。当然，大型麦克风阵列比小型麦克风阵列拥有更多的阵元，空间分布更广，因此有更高定位精度。但是大型阵列系统的成本也较高，占用更大的空间，布阵难度大。对于阵元间距更大的分布式麦克风阵列，阵元之间只能通过无线网络连接，进一步增加了的成本和定位实现的难度。与此相反，小型麦克风阵列采用少量的麦克风和较小的阵元间，因此具有较小的孔径和一般的定位精度，但是避免了以上大型阵列的缺陷。

MEMS(Micro Electromechanical System)麦克风具有体积小、低功耗和集成度高的特点，为搭建更加微小孔径的麦克风阵列提供了可能。MEMS麦克风阵列一定程度上解决了常规麦克风阵列系统存在的体积大、数据采集系统复杂的问题，被广泛应用于手机、平板电脑、录音笔等大量多媒体设备中。

下面介绍声源定位技术国内外相关研究现状。声源定位中需要考虑的因素有定位的精度和算法的实时性，这也正是当前研究的重点和难点。基于麦克风阵列的声源定位方法，按照定位原理大体上可分为三大类：基于时延估计的声源定位技术、基于高分辨率谱估计技术的声源定位技术和基于可控波束形成的声源定位技术。

这些方法都是对麦克风阵列接收信号进行处理，从而估计出声源的空间位置信息。

(一)基于时延估计的声源定位技术

基于时延估计(Time Delay of Arrival，TDOA)的声源定位技术是通过二步来完成的。该方法首先估计出信号传递到阵列的时延值，然后利用该估计值计算出声源信号到达各阵元的距离差，最后运用几何方法来给定目标的方位。

对于这一方法，稳定、精准的时延估计是进行定位的基础。现有的时延估计方法主要有：(1)利用互相关函数的时延估计方法，如广义互相关(Generalized CrossCorrelation，GCC)算法，互功率谱相位(Cross-power Spectrum Phase，CSP)算法等；(2)通过求取路径的传递函数来获取时延估计，如最小均方误差(Least Mean Square，LMS)算法，自适应特征值分解(Adaptive Eigenvalue Decomposition，AED)算法等。在得到时延估计值后，进而求得声源到达各阵元距离差。

与其他定位技术对比而言，基于时延估计的声源定位技术精确度高、计算简洁、实时性好。但是该技术的不足之处在于：首先，时延估计和声源定位是分成两个步骤来实现的，在求取时延值时会存在一定的误差，而后期的定位方程又需要运用已求得的时延值，因而会产生误差累积效应，所得到的结果不是最优解，而是次最优解；其次，基于时延估计的声源定位技术比较适合单声源的定位，而对多声源定位问题或者在强混响、强噪声干扰下无法准确确定目标源位置。