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声学参量阵预处理算法研究及实现

作　者: 王亚丽
导　师: 张奔牛
学　校: 重庆交通大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 声学参量阵预处理算法谐波失真多速率信号处理 FPGA
分类号: TN912.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

声学参量阵是指通过运用振幅调制技术在超声载波上加载音频信号，然后再用换能器将其发射到空气中，由于原始音频信号在传播过程中受到空气非线性作用不停的自解调，加之载体为超声波且具有很强的指向性，从而实现声音的定向传播。依据声学参量阵建立的音频定向传播设备主要采用经典berktay公式作为理论基础，即以超声波为载波的调制信号，经空气非线性作用自解调出来的音频信号与原始调制信号包络平方的二次导数成正比，这就意味着要想提高音频的还原质量，做到最优的谐波失真和幅度输出，就必须对调制信号做预处理。本文主要研究内容如下：（1）首先从背景角度出发对声学参量阵进行了简要的介绍，明确其应用意义所在；（2）根据“Berktay远场解”以及KZK方程的理论推导求解展开，对双边带调幅算法、均方根算法以及全载波单边带预处理算法进行理论分析；（3）从单频和复频两种输入信号的角度推导出各算法对应自解调后再现音频信号的声压和声功率的公式，同时对其产生的失真种类和影响自解调信号声压的因素进行分析；（4）然后建立自解调模型进行仿真，对不同算法的仿真进行单频和互调失真性能对比分析。基于还原后的可听音频信号的频率都处在低频范围内，同时各种预处理算法自解调后产生的互调失真频率亦在此范围内，且互调失真是对还原后音频信号产生影响的主要原因。故为了更好的对两者加以区分，获得更有效的音频信号输出，从理论上提出一种新的预处理方法，加大两者的区分度，以减小现有预处理方法中互调失真对整个系统带来的影响，为声参量阵信号预处理系统提供一定的理论参考价值。（5）基于之前人们大多采用DSP的数字信号平台对声学参量阵预处理算法进行实现，本文则考虑利用FPGA并行数据处理特性以及其他方面优点，选择其作为硬件实施平台。由于本文提出的新算法尚在理论讨论研究层面，还需进一步验证其实现效果，故最后对以上三种预处理算法采用FPGA方法，通过在ISE软件环境下运用verilog语言编程加以实现。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-17
  1.1 研究背景与意义  8-11
    1.1.1 声学参量阵简介  8-10
    1.1.2 应用领域及意义  10-11
  1.2 声学参量阵国内外研究历史与现状  11-15
    1.2.1 国外研究历史与现状  11-14
    1.2.2 国内研究历史与现状  14-15
  1.3 论文工作内容与本文结构安排  15-17
    1.3.1 论文工作内容  15-16
    1.3.2 论文结构安排  16-17
第二章声学参量阵的理论基础  17-22
  2.1 非线性声学理论  17
  2.2 Berktay 理论  17-19
  2.3 声学参量阵模型  19-21
  2.4 本章小结  21-22
第三章声学参量阵预处理算法性能分析  22-35
  3.1 单频输入信号预处理算法性能分析  22-30
    3.1.1 双边带(DSB_AM)算法  22-27
    3.1.2 均方根(SQRT)算法  27-28
    3.1.3 全载波单边带(SSB)算法  28-30
  3.2 预处理算法互调性能分析  30-34
    3.2.1 DSB_AM 算法  30-33
    3.2.2 SQRT 算法  33
    3.2.3 全载波 SSB 算法  33-34
  3.3 本章小结  34-35
第四章预处理算法仿真对比与改进  35-41
  4.1 声学参量阵自解调模型仿真  35-38
    4.1.1 DSB_AM 算法自解调仿真结果  35-36
    4.1.2 SQRT 算法自解调模型仿真结果  36-37
    4.1.3 全载波 SSB 算法自解调模型仿真结果  37-38
  4.2 预处理算法的改进  38-40
    4.2.1 提出改进算法  38
    4.2.2 加权算法自解调模型仿真结果  38-40
  4.3 本章小结  40-41
第五章声学参量阵预处理算法的 FPGA 实现  41-65
  5.1 FPGA 硬件平台简介  41-44
    5.1.1 FPGA 的特点及结构  41
    5.1.2 FPGA 的设计方法  41-44
  5.2 开发工具简介  44-46
    5.2.1 ISE 以及其功能简介  44-45
    5.2.2 第三方工具简介  45-46
  5.3 系统采样率的设定  46-48
    5.3.1 多速率信号处理  46-47
    5.3.2 采样率的计算  47-48
  5.4 模块的设计  48-58
    5.4.1 AD 输入模块和 DA 输出模块  48-49
    5.4.2 希尔伯特滤波器模块与延迟模块  49-52
    5.4.3 信号叠加模块与加法器模块  52-53
    5.4.4 采样模块与分频模块  53-56
    5.4.5 乘法器模块与载波生成模块  56-58
  5.5 算法的 FPGA 实现  58-64
    5.5.1 DSB_AM 算法的 FPGA 实现  58-60
    5.5.2 SQRT 算法的 FPGA 实现  60-62
    5.5.3 全载波 SSB 算法的 ISE 实现  62-64
  5.6 本章小结  64-65
第六章总结与展望  65-67
  6.1 总结  65
  6.2 展望  65-67
参考文献  67-70
致谢  70-71
在学期间的研究成果  71

声学参量阵预处理算法研究及实现

内容摘要

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