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论文题目：基于音频空间定位系统的研究学生姓名：所在院系：所学专业：导师姓名完成日期:本文提出了利用音频进行声源定位的方法，该方法是在基于时间差TDOA (time differential of arrival)的定位技术基础上提出来的概括了利用驻极 体麦克风传声阵进行声源进行定位的方法，采用多个传声器构成传声器阵列，实 际上相当于在时域和频域的基础上增加了一个空间域，对接收的来自空间中的音 频信号进行空时处理，这是传声器阵列信号处理的核心思想本文详细给出了时 延差(TDOA)定位算法的原理关键词：音频选择延时估计声源定位驻极体麦克风AbstractIn this paper, the use of audio sound source localization method is based on the time difference TDOA (time differential of arrival) based on positioning technology put forward. Outlines the use of electret microphone array for sound transmission method to locate sound source, microphone array with multiple microphone constitute, in fact, equivalent to the time domain and frequency domain based on the addition of a spatial domain. On receiving from space, space-time audio signal processing, microphone array signal processing is the core idea. This paper gives the time difference (TDOA) positioning algorithm principle.Keywords： Audio Select, Delay estimation, Sound localization, Electret microphone.I前言 11」研究背景 11.2高精度声源定位系统面临的问题 11.3本论文完成的工作 11.4研究现状 22驻极体麦克风简介 32.1特点 32.2特性说明及特性设计 33硬件电路设计 43.1系统构成 43.2组成模块介绍 43.3声源定位算法设计 64时延定位原理 74」基于声达时间差的声源定位技术 74.2时延估计算法研究 84.2.1时延估计的物理含义 84.2.2基于广义互相关GCC的TDOA估计法 94. 3 DTOA的定位原理与实现 114. 3.1传声器和声源位置关系的几何模型 124. 3.2空间几何定位算法 145系统的软件设计 16结束语 18致谢 19参考文献 20附录：程序清单 211前言1.1研究背景声源定位技术是利用声学和电子装置接收并处理声场信号，以确定自然声源 或人为声源位置的一种技术，有着十分广阔的应用前景。

根据探测方式的不同， 声源定位技术分为主动声定位和被动声定位两种主动声定位包括发射装置和接 收装置，例如使用雷达向外发射信号，根据回波的性质判断目标的位置口本文所 研究的基于传声器阵列的声源定位属于被动定位技术，它只有接收装置而没有发 射装置，同传统的主动声定位技术相比，它具有隐蔽性强、不受电磁波干扰的特 占八八O基于传声器阵列的声源定位就是利用被动声源定位的特点，同时结合传声器 阵列空间选择性强、抑制噪声能力强以及无需人为移动的优点，通过对多路信号 进行分析处理，在空间域中定出一个或多个声源的平面或者空间坐标，从而得到 声源的位置它可用于会议、视频会议等系统中控制摄像头和传声器阵列波 束方向对准发言人;也可用于语音及说话人识别软件的前端预处理，以提供高质 量的声音信号，提高语音及说话人识别软件的识别率；也可用于强噪声环境下的 声音获取、大型场所的会议记录，以提高声音拾取的质量:还可用于助听装置中， 更好地为耳障患者服务因此具有较高的应用价值和广阔的发展前景，值得进行 研究探讨1.2高精度声源定位系统面临的问题(1) 传声器阵列声源定位系统的一个基本要求是能定位和跟踪声源，因此对 阵列信号的处理应满足一定的运算量要求，以便实时实现，也即面临着既要提高 精度，又要尽可能减小运算量的矛盾。

因此要仔细分析比较各种定位方法的优缺 点，根据系统的具体要求选出最优的定位算法2) 对于一个定位系统而言，传声器的数量越多，相对位置变化越多，提供 的空域信息量就越大，从而具有更高的定位精度在实际系统中，传声器位置的 摆放比较固定，数量也比较少，因此，面临着在数量比较少且位置相对固定的传 声器阵列的情况下，如何提高定位精度的问题3) 混响和噪声的存在，使信号幅度衰减、音质变差，所以怎样尽可能地消 除混响和噪声的影响，是高精度声源定位系统面临的又一难题1.3本论文完成的工作本文对基于传声器阵列的声源定位系统的关键技术进行了较为深入的研究， 重点研究了基于到达时间差〔TDOA)的声源定位技术，主要完成以下工作：(1) 详细分析基于传声器阵列的声源定位技术的工作原理，总结归纳井比较几种常用 定位方法的优缺点.（2）对基于声达时间差的时延估计方法作详细的推导重点研 究两种时延估计方法:广义互相关时延估计法和最小均方自适应时延估计法，并 针对其缺点进行改进，同时讨论了基于信号初始段包络和基于高阶统计量的时延 估计方法3）归纳几种常见的定位方法，重点研究基于时延的音频空间几何定 位法，并进行误差分析。

4）提出一种实际可行的定位方法，进行论证本文采用多个传声器构成传声器阵列，实际上相当于在时域和频域的基础上 增加了一个空间域，对接收的来自空间中的音频信号进行空时处理，这是传声器 阵列信号处理的核心思想现有的基于传声器阵列的声源定位技术基本上可以分 为四类:基于最大输出功率的可控波束形成技术:高分辨率谱估计技术;基于声压 幅度比的定位技术以及基于声音到达时间差TDOA的定位技术1.4研究现状随着科学技术的快速发展，音频空间定位技术也显得的越来越重要尽管我 国对声音定位技术的研究起步晚，但随着时间的推移，目前国内从事这项技术研 究的人已经大大增加，涌现出了不少研究和开发音频空间定位技术的单位，在国 际上以及国内刊物上发表了一些研究成果研究领域主要是依据TDOA （time differential of arrival）算法上的声音信号定位的研究，且集中在非视距环境下 TDOA定位系统的研究，国内近两年才开始研究智能算法在移动声源定位上的应 用从主要刊物的检索情况来看，大部分研究都是在定位算法的研究和优化上， 仅通过中国期刊全文数据库，利用关键词“TDOA”就可以在2000・2009年间的 核心刊物上查到30篇有关抑制非视距误差的定位文章；通过中国优秀硕士论文 全文数据库，利用主题词“无线定位”可以查到近300篇硕士论文；而通过中国 博士论文全文数据库，利用主题词“无线定位”可以查到25篇相关博士论文。

由此可见，国内目前对于声信号定位的研究正受到高度重视和深入研究音频的空间定位是通过对某一个或几个参数进行估计来实现的，因此参数估 计法是定位问题的关键对基于三个接收器定位的关键在于对TDOA参数的估 计本文主要致力于基于三点对移动声源定位算法的研究，其核心是运用现代信 息处理方法计算时延从而定位基于时延估计是近20年来国际信号处理界的一 个研究热点，它既有理论意义，又有重要的实用价值时延估计对随机音频信号 处理、现代谱估计、时间序列分析、自适应信号处理以及相关技术和傅里叶变换 提出了新的要求，从而促进了这些学科和科技的进步因此音频空间定位技术也 正向更高更宽更深的方向发展，传声器阵列声源定位是指用传声器阵列拾取声音 信号，通过对多路声音信号进行分析与处理，在空间域中定出一个或是多个声源 的平面或空间坐标，即得到声源的位置2驻极体麦克风简介驻极体是一种能长久保持电极化状态的电介质，这种电介质是一种高分子聚 合物，他的工作原理是电容式的：有一片单面涂有金属的振动膜与一个带有若干 小孔贴有驻极体薄膜的电极（称为背极）构成驻极体面与振动膜相对，振动膜 上的金属层作为两个电极的介质电容器，电容器的两极之间并接一支电阻，这只 电阻是阻抗变换器或前置放大器的输入电阻。

由于驻极体上分布有自由电荷，于 是在电容器的两极之间就有了电荷量，当声波使振动膜振动而产生位移时，改变 了电容器的电容量，电容量的改变使电容器的输出端产生了相应的交变电场，交 变电场作用于R就形成了与声波信号对应的电信号，于是就完成了声——电转 换的功能2.1特点由于驻极体麦克风是按电容式原理工作的，因此它具有电容式电声器件的很 多优点，如频带宽、音质好、失真小、瞬态响应好，对机械振动不敏感等特点2.2特性说明及特性设计典型的驻极体麦克风如图1,有一个电容元件，其电容随机械振动发生变化, 从而产生与声波成比例的变化电压驻极体麦克风始终具有内部静态电荷，无需 外部电源不过，仍然需要几个伏特的电压来为内部前置放大器FET供电VcciS1 OUTPUT图1驻极体麦克风的电气模型驻极体麦克风具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用 于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中驻极体麦克风由声电转换和阻抗变换 两部分组成声电转换的关键元件是驻极体振动膜它是一片极薄的塑料膜片， 在其中一面蒸发上一层纯金薄膜然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异 性电荷膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通膜片的另一面与金属极板之间 用薄的绝缘衬圈隔离开。

这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容当驻极 体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化 而变化的交变电压驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十 pF因而它的输出阻抗值很高(Xc = 1 /2〜tfc),约几十兆欧以上这样高的阻抗 是不能直接与音频放大器相匹配的所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极 管来进行阻抗变换3硬件电路设计3.1系统构成系统由音频信号采集单元、放大单元、滤波单元、A/D转换单元、单片机处 理单元、报警单元具体构成如图2所示图2硬件原理框图3.2组成模块介绍(1)目标音频信号采集单元目标音频信号采集单元用于完成4路信号采集的功能，如图4每个采集电路 包括麦克风前级偏置和二级放大两个部分该电路实质上是一个由晶体三极管 VT1-VT3构成的多级音频放大器VI与外围阻容元件组成了典型的阻容耦合放大 电路，担任前置音频电压放大；V2、V3组成了两级直接耦合式功率放大电路，其 中：V3接成发射极输出形式，它的输出阻抗较低驻极体话筒Ml接收到声波信号 后，输出相应的微弱电信号该信号经电容器C1耦合到VI的基极进行放大，放大 后的信号由其集电极输出，再经C2耦合到V2进行第二级放大，最后信号由V3发射 极输出。

电路中，C4为旁路电容器，其主要作用是旁路掉输出信号中形成噪音的 各种谐波成份C3为滤波电容器，为整机音频电流提供良好通路采集电路的第三部分是滤波电路，用来对声音信号进行噪声滤波处理考虑 到硬件的复杂性，采用二阶带通滤波电路，如图4图5是对把送来的目标信号进行进行A/D转换，以便于单片机进行处理进 而达到控制外部单元。