葉先萬 許明萱 吳松和 何仲濤 蘭潤琦

摘 要：隨著人們生活水平的提高，可發(fā)聲電子設(shè)備的種類以及數(shù)量越來越多，傳統(tǒng)揚聲器發(fā)出的聲音是全方位發(fā)散且不可控制方向的，給居民生活環(huán)境帶來了許多噪聲污染?；诖?，采用FPGA與ARM的異構(gòu)，結(jié)合聲頻定向理論以及超聲相控理論設(shè)計出比較穩(wěn)定的、可單向傳輸聲波的聲頻定向系統(tǒng)，旨在從根源上除去噪聲干擾，從而緩解噪聲污染泛濫的現(xiàn)狀，具有良好的應用前景。

關(guān)鍵詞：噪聲污染；聲頻定向；FPGA與ARM異構(gòu)

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.24.088

1 設(shè)計原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計原理

由Helmholtz提出的非線性聲學理論可知，當兩個不同頻率（f1、f2）的超聲波在空氣中按照相同方向傳播時，在空氣的非線性解調(diào)作用下會產(chǎn)生頻率分別為f1、f2、f1+f2、f1-f2四種主要頻率波段，若超聲波頻率選取合適，得到的差波信號頻率能夠落在可聽聲域，能夠被人耳分辨。由于超聲波傳播具有高指向性，使得差波信號可聽聲可以按照某個特定方向進行傳播進而實現(xiàn)了定向發(fā)聲。這便是聲頻定向的基本原理。

1.2 設(shè)計結(jié)構(gòu)

設(shè)計采用超聲波作為載波，通過op07集成運算放大模塊，以單頻聲信號調(diào)制超聲波，將可聽聲音信號調(diào)制到超聲載波信號之上，并通過FPGA超聲相控算法控制各陣元的延遲時間，使得各陣元延遲時間成等差數(shù)，即各個陣元的觸發(fā)脈沖時序是一個等差數(shù)列，使發(fā)出的超聲波束的合成波陣面具有一個指向角，從而實現(xiàn)波束方向的控制，之后并經(jīng)換能器發(fā)射調(diào)幅波，在FPGA中利用數(shù)字信號調(diào)制算法處理，選取合適的超聲波，將可聽聲調(diào)制到超聲波信號上，在空氣非線性解調(diào)作用下還原出可聽聲實現(xiàn)聲音的定向傳播。總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 整體設(shè)計過程

（1）生成DDS模塊：將能夠產(chǎn)生可聽音頻信號的電子設(shè)備通過精密的音頻傳輸線或者通過藍牙模塊連接到前端的op07集成運算放大電路對可聽聲進行十二倍的放大，隨后將放大后的音頻信號接入到12位精密AD（采樣時鐘為1MHz）模擬信號采集模塊，使音頻模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。接著音頻數(shù)字信號就被送入到FPGA，利用FPGA硬件的可編程特性，將預先采用matlab生成的數(shù)字正弦表固化到ROM中，并且產(chǎn)生合適的時鐘讀取此數(shù)字正弦表，組成DDS模塊，該DDS模塊可生成頻率為45KHz的超聲波正弦波載波。

（2）得到低頻調(diào)制信號：將上述提及到的精密AD采集后的音頻數(shù)字信與DDS模塊產(chǎn)生的45Khz超聲波正弦波信號送入到FPGA中的調(diào)制模塊，進行調(diào)制算法處理。該調(diào)制算法處理是按照一定的時序邏輯運算進行運算的，可以實現(xiàn)對低頻可聽數(shù)字信號和45KHz超聲載波信號進行調(diào)制，最終得到可聽低頻調(diào)制信號。

（3）將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成模擬信號：將調(diào)制信號接入到12位精密DA模塊，使可聽低頻調(diào)制數(shù)字信號變?yōu)槟M信號。在這里，設(shè)計成 8x8外部按鍵模塊通過ARM與FPGA的HPS橋總線通訊控制FPGA的等差數(shù)列模塊中的公差X，F(xiàn)PGA中的等差數(shù)列模塊控制FPGA中的pwm輸出模塊，F(xiàn)PGA中的pwm輸出模塊連接到外部的RC電路，外部的RC電路連接到外部延遲模塊，構(gòu)成相位控制系統(tǒng)，該原理為使用者通過按鍵控制公差，從而改變等差模塊里的每一項數(shù)值，第一項為1，及以后的每一項的數(shù)值為（1+（n-1）X），該等差數(shù)列模塊中的每一項對應著pwm輸出項中的每一項，代表著pwm輸出每一項的占空比為1+（n-1）x2+95x （1≤n≤96）

（4）將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號：將pwm模塊中的每一項接入RC電路，將pwm模塊輸出的電平信號轉(zhuǎn)化為電壓值，接入到延時電路中，延時電路根據(jù)輸入的電壓信號的差異對接入的每一路信號進行等差延時。

與此同時將精密DA轉(zhuǎn)換來的模擬可聽信號串聯(lián)接入到延時電路模塊，使每一路信號形成相位等差，再接入到后端分離對稱互補推挽功率放大電路進行放大。

（5）將電信號轉(zhuǎn)換為聲波輸出：將上述經(jīng)放大后的電信號依次接入長方形超聲波換能器陣列，使得各陣元延遲時間成等差數(shù)，從而實現(xiàn)了超聲相控定向傳輸特性。在整個過程，F(xiàn)PGA將運算得到的數(shù)據(jù)實時通過HPS橋總線通訊送到STM32端，STM32對數(shù)據(jù)進行存儲及管理，并且通過時序約定實現(xiàn)控制FPGA工作狀態(tài)，并且將數(shù)據(jù)輸送到LTM屏幕上，讓使用者看到裝置運行狀態(tài)。

3 設(shè)計的創(chuàng)新點與意義

（1）在數(shù)字信號進行處理以及存儲調(diào)用采用了FPGA與ARM異構(gòu)，實現(xiàn)使用不同類型指令集和體系架構(gòu)的計算單元，提高了數(shù)字信號處理的速度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整體程序設(shè)計變得簡潔。

（2）在聲頻定向方向調(diào)節(jié)上，增加了FPGA相控算法，控制各陣元的延遲時間，使得各陣元延遲時間成等差數(shù)，即各個陣元的觸發(fā)脈沖時序是一個等差數(shù)列，使發(fā)出的超聲波束的合成波陣面具有一個指向角，從而實現(xiàn)波束方向的控制，使得不用移動設(shè)備只需通過按鍵調(diào)節(jié)就可實現(xiàn)精確定位，比現(xiàn)有的設(shè)備移動位置來實現(xiàn)方向的改變簡便以及精確很多。

（3）在可生成可聽音頻信號電子設(shè)備與設(shè)計部分的連接方式上做了改進，加入了藍牙模塊，相對于現(xiàn)有產(chǎn)品只有一種音頻數(shù)據(jù)線的連接方式，更加方便、精確。

（4）在前端功率放大電路方面，現(xiàn)流行使用的是D類數(shù)字功率放大電路，但其結(jié)構(gòu)較復雜，穩(wěn)定性不好，文章自主獨立設(shè)計的模擬式功率放大電路，采用op07集成運算放大電路，使前端信號的放大模塊更簡單，更穩(wěn)定，設(shè)計起來方便

（5）在后端信號功率放大時，現(xiàn)有裝置大部分采用單差分OCL功率放大電路，隨著性能的提升電路會變得越復雜，設(shè)計難度也會越大，會影響整體的穩(wěn)定性。文章設(shè)計時使用分離互補對稱推挽功率放大電路，剛好可以克服這一難題使性能穩(wěn)定，設(shè)計簡便。

4 結(jié)語

文章設(shè)計在市場現(xiàn)有的聲頻定向揚聲器的基礎(chǔ)上加以改造，在核心處理、電路設(shè)計、模塊連接上都采用了更加靈活且更加高效的設(shè)計思想，最后旨在設(shè)計出一款更加穩(wěn)定、精確、可推廣的聲頻定向裝置，能夠切實地幫助人們減緩生活中的噪聲污染，使人們的生活更加健康、智能！

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