基于FPGA的声频定向扬声器系统的设计

朱荣钊，刘 晶，刘文超，周艳玲，曾张帆

(1.湖北大学 计算机与信息工程学院，武汉 430062; 2.武汉晴川学院 计算机学院，武汉 430204)

0 引言

随着科技的发展，我们身边的噪声源越来越多。广场舞音响、汽车鸣笛、店铺促销喇叭等产生的噪声在不同程度上影响了人们的正常生活[1]。声频定向技术是一种可以实现可听声在一定区域内传播的新技术，从而可以构造出独立的语音空间。基于此现状，本文设计出一种声频定向扬声器系统，相比于已有的声频定向系统，本系统的创新点在于基于FPGA的信号处理模块的搭建以及功率放大电路的设计，经过一定环境下的测试，实验结果表明本系统具有较强的指向性，可以在一定程度上缓解噪声污染。

1 系统结构与原理

声频定向系统可以产生高指向性可听声主要是利用了超声波在空气中的非线性传播效应，Helmholtz提出的非线性声学理论可以对这种非线性过程进行初步解释[2]。该理论指出，若向超声波换能器阵列输入两列频率分别为f1、f2的超声波电信号时，在空气的非线性自解调作用下，将会产生频率分别为f1、f2、f1+f2、f1-f2以及各阶谐波在内的复杂声波，由于声波在空气中的衰减系数与声波自身频率的平方成正比，所以频率较高的f1+f2、f1、f2以及各阶次谐波将会很快被空气吸收掉，只有处于可听声范围内的差频信号继续传播。若超声波频率选择的合适，则可产生与原输入可听声信号频率一致的高指向性可听声，这便是实现声频定向扬声器系统的基本原理，如图1所示。

图1 非线性传播效应

声频定向扬声器系统基于参量声学阵理论而设计。目前，主要存在两种理论，分别为“Westervelt方程”和“Berktay远场解”[4]。“Westervelt方程”可解释如何通过两列超声波产生高指向性差频波，而“Berktay远场解”则可解释如何通过参量声学阵原理产生宽带高指向性声频波。

本文中涉及到的参量阵系统的输入信号是宽带信号，所以下面简要介绍一下“Berktay远程解”。Berktay在“Westervelt方程”的基础上，推导了宽带信号作为参量声学阵输入时通过非线性产生的声压为：

(1)

其中:β为非线性系数，S为声源面积，p0为原波声压幅值，E(τ)为调制包络函数，z为声波传播距离，τ=t-z/c0为延迟时间。

式(1)明确表明宽带参量声学阵最后在空气中自解调得到的声压p(t)与包络E(τ)平方的两次时间导成正比，即为“Berkaty远程解”[5]。本系统就是基于“Berktay远场解”理论，将输入声频信号合理融入到包络平方函数的E2(τ)中去，利用宽带参量阵实现该声频信号的定向传播。现有声频定向系统信号处理方法皆是建立在“Berktay远场解”基础上的。

2 信号处理系统的设计

该声频定向系统在结构上包括前端音频放大模块、FPGA中信号处理模块、ADDA模块、功率放大模块等，整体结构如图2所示。

图2 系统组成框图

需要对该系统组成进行说明的有：

1)超声波载波信号的产生和信号的调制均在FPGA中进行。

2)为了得到最好的指向性效果，在探究了超声波换能器阵列数目及形状的基础上，最终确定该系统的超声波换能器阵列由中心频率为40kHz[6],直径为16mm，数目为91的超声换能器组成，形状为正六边形。

3)由于驱动超声波换能器需要较大的电压，所以本系统选用OPA548芯片，自主设计功率放大电路，经过测试分析，结果表明该功率放大电路可以较好地驱动超声波换能器模块。

本系统软件方面主要是基于DE1-SOC提供的硬件开发环境和Quartus13.1提供的软件开发环境，采用SoC核心思想，通过ARM和FPGA之间的交互访问，实现对声频定向系统的灵活控制，包括LED灯、SDCard和声束的偏转角度等外围设备。同时，实现了多种方式的输入，包括麦克风输入、模拟音频信号输入以及SDCard数字音频信号输入等。

下面分别介绍关键模块的设计方法。

2.1 前端音频放大模块的设计

若采用手机、MP3等输入方式，则输出的模拟音频信号的电压幅值较小，在AD转换模块中，无法较好的进行模/数转换，所以需要将前端音频信号进行放大。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，很适合作为本系统的前端小信号放大器。采用OP07芯片实现前端小信号的放大，放大倍数可以由滑动变阻器进行调节，具体电路图如图3，其中R1=R3=1 kΩ，滑动变阻器R2选用3 296 W 103系列，阻值变化范围为0～10 kΩ。

图3 前端电压放大电路

若采用SD卡输入，其实现方法为：利用Quartus13.1里面的Qsys软件快速生成读取SD卡里面.WAV文件音频数字信号所需的硬件配置，待系统生成成功之后，再到Quartus13.1里面对不同的硬件进行相应的引脚分配，同时可以在Eclipse软件里面编写C语言程序实现所需要的逻辑，最终成功捕捉到SD卡里面纯正的数字音频信号。

2.2 FPGA中信号处理模块的设计

2.2.1 麦克劳林预处理

作为一种新概念声源,声频定向系统与传统扬声器的发声机理有本质区别。传统扬声器可近似看作线性系统,一般不需要进行信号预处理就可以直接产生无指向性可听声,而声频定向系统则是一种典型的非线性系统,必须对信号进行处理才能产生失真度小、具有高指向性的可听声。

其具体实现方法为：根据非线性声学理论，将音频信号送入FPGA中进行麦克劳林N阶近似平方根处理[7]，本系统直接采用了Quartus13.1软件里面的宏模块，包括加法器、乘法器以及除法器等，通过DE1-SoC核心板进行高速数学运算，最终完成了对可听声信号的预处理。

2.2.2 频率为40 kHz的载波信号的生成

在信号调制部分的一个关键问题是如何产生调制所需要的载波[7]。在本系统中，采用Altera公司的DE1-SoC开发板作为信号处理核心器件，凭借FPGA的自身优势，自主制作40 kHz的载波信号的过程为：先用VS2013软件编写C语言程序，程序的功能为输出一个位宽为8位，深度为500的正弦表，然后将程序格式制作成MIF格式文件，再调用FPGA中宏模块ROM，将制作的MIF格式文件固化到单口ROM里面，然后用Verilog语言写一个计算器对ROM进行地址读取，从而实现对ROM里面的正弦表数据进行读取，完成正弦信号的制作。

2.2.2 信号调制

利用FPGA对信号进行超声调制，使调制后的超声波信号在空气的非线性自解调作用下还原出可听声。目前常用的调制算法有DSB法、平方根法、SSB法等，但是DSB法不满足无失真包络平方条件，平方根法的实现需要一个具有无限带宽的物理系统，而实际物理系统无法提供这种无限带宽，在输入宽带信号的条件下，SSB法存在较为严重的互调失真。基于此现状，本作品采用N阶近似平方根法[8]进行信号调制，解决了平方根法的无限带宽及信号失真问题。采用Signal Tap采集到的调制波形如图5，第一行为输入1 kHz的正弦波，第二行为从ROM中调用的40 kHz载波，第三行为调制后信号的波形。

图5 SignalTap采集的调制波形

2.3 信号的转换与放大

经过FPGA核心板高速运算的调制信号从FPGA的GPIO口以8位的数据位宽并行输出与外围设备高速ADA模块进行对接，这里使用了FPGA提供的PLL IP Core，将产生的高速率时钟送到高速ADA的DA 时钟线上，通过高速率的精确的DA转换，实现了调制信号从数字信号到模拟信号的跨变。

实现调制信号从数字信号转变为模拟信号后，还存在从FPGA核心板输出的调制信号强度很小的问题。即经由数模转换后，信号强度还是很难驱动超声波换能器阵列。OPA548作为高电压、高电流、宽输出电压摆幅功率运算放大器，可以用来实现调制后输出信号的功率放大。因此本系统独立设计了对超声波调制信号进行放大的功率放大电路，实现了将7 V左右的超声波调制信号放大到35 V左右，可以较好驱动超声波换能器。功率放大电路的设计如图6所示。

图6 功率放大电路的设计

3 实验结果与分析

声频定向扬声器系统整体实物图如7和8所示。

图7 声频定向扬声器系统 图8 超声波换能器 实物侧视图

图7为声频定向扬声器系统侧视图，从上到下分为三层，第一层为Altera的DE1-SoC开发板，在FPGA中实现信号的预处理和调制，第二层包括自主设计研发并完成的前端音频放大模块，AD/DA模块、功率放大模块、散热模块以及DC-DC降压模块，第三层为开关电源NES-200-24，通过降压等模块，给整个系统提供合适的电压。

图8为自主设计的超声波换能器，由91个直径为15 mm的超声波阵列头组成，整体呈正六边形。

除此之外，为了验证此声频定向系统设计方案的正确性和可行性，并检验系统的定向传声性能，本章对声频定向进行系统测试。通过研究相关的实验数据，从而得出声场指向性、反射性、虚拟声源效果等系统的性能参数，同时也为优化系统设计提供依据。

在测试声频定向系统性能的过程中，必须选定以下测试条件：

1)大面积空旷场地；

2)弱噪声干扰环境。

根据上述条件，按照以下步骤进行具体测试：

1)选择大面积空旷场地摆放声频定向系统；

2)给系统供电，启动系统的各个模块；

3)分别进行定向传声测试、反射性测试、远距离传播测试等；

4)记录声音强度，距离等参数；

5)将记录的数据与理论结果对比，分析系统的优势及不足。

在测试系统的硬件性能过程中，测试主要针对系统逻辑电路在FPGA端的逻辑利用率、相关运算速度等。测试在Quartus II 13.1中进行。

3.1 定向性测试

根据以上测试条件，本系统在无噪声或者小噪声的环境下进行了测试，采用单一变量的测试原则，分别用普通扬声器和声频定向系统播放相同的音频，以播放器为中心，在半径为5米的圆周上，分贝仪进行180度旋转采集，记录分贝仪上的波形变化，测试结果如图9所示。图9(a)为设计的定向系统测试结果，图9(b)为普通非定向扬声器的测试结果。

图9 测试结果图

从图9(a)可以看出，在13～17 s的时间内，分贝仪位于声频定向系统的正前方区域，声音可以被听到，分贝仪测试曲线出现了升高现象，验证了声频定向系统具有定向性的特点。

由图9(b)可以看出，对于普通扬声器，在以5 m为半径的圆周上旋转采集信号强度时，分贝仪曲线基本不变，大约为50 dB，验证了普通扬声器的声音是360°全向传播的。

3.2 远距离传声测试

根据理论知识可知，声频定向系统发出的可听声具有能量集中，可远距离传播的特点。下面将分别在一定距离处测试普通扬声器声音强度与声频定向系统声音强度，数据汇总表如表1所示。

表1 远距离传播测试数据汇总表

测试标号表示4次测试样本，测试均以相同的测试方法、测试设备、测试环境下完成。分析数据可以得到以下结论：

1)在相同的传播距离下，声频定向系统的声音强度大于普通扬声器的声音强度，符合声频定向系统具有能量集中的特点。

2)随着传播距离的增加，声频定向系统声音强度的衰减速度小于扬声器声音强度的衰减速度，符合声频定向系统的声音可以远距离传播的特点。

4 结语

本设计基于DE1-SoC硬件集成开发环境，借助SoC嵌入式软件编程技术，实现了声频定向传播系统，打破了传统扬声器全方位音频传播的特征，构建了独立的语音空间，可以缓解噪声污染，提升通话保密性，在民用和军用场合都具有极大的应用潜力。除此之外，通过使用HPS，在大大提升系统灵活性的同时，降低了系统的设计难度，设计平台的搭建也更为迅速。

从实际出发，该系统还具有以下设计特点：

1)将频率为20～20 K的可听声与频率为40 K的高频信号进行调制，改变了可听声全方位传播的特性，使可听声只能在指定区域内传播。最终创造出一种新概念声源[11]，使可听声具有定向性，反射性，能量集中等特点。

2)支持麦克风、手机、Mp3等模拟音频信号的输入的同时，还支持SD卡等数字音频信号的输入，扩大系统的使用范围。

3)通过对换能器阵列形式、阵列数目、阵列间距的研究，采用正六边形阵列，使系统具有更好的宽带特性及平坦的频率响应特性。

4)在实现了机械式声波偏转的基础上，我们后续的研究方向主要为相位控制声束偏转技术。相比于机械式声束偏转成本低、易实现的特点，相控阵声束偏转具有操作灵活、变化速率快、全方位偏转等优点。

但是，初步设计的声频定向扬声器系统的音质无法与传统扬声器媲美，若向大规模推向市场，还需进一步研究如何提升音质以及如何减少功耗的问题。

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