声学参量阵均方根调制的FPGA实现

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摘 要： 均方根预处理声学参量阵方法在定向声音发生系统中控制谐波失真效果较好，还原音频音质优良。采用多速率信号处理的方式对音频信号进行均方根预处理调制，并在Xilinx SPARTAN3开发板上完成fpga的实现。结果表明，此方法可为对谐波失真影响较小的声参量阵信号处理系统提供选择。

关键词： 声学参量阵； 谐波失真； 多速率信号处理； FPGA

中图分类号： TTN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）09?0064?03

引 言

声学参量阵[1]是通过传播介质的非线性作用[2]从超声波中再现低频声波，此概念最早是由Westervelt于1962年提出的[3]。其实现需要一个完整的声信号处理系统，涉及到多门学科的知识。特别是音频信号预处理系统是整个声学参量阵系统的枢纽，它集中控制了信号的采集、处理、调制等处理过程，是产生高质量再现二次音频的关键，继而是整个系统的研究重点。为了更好的、具体利用声学参量阵这种定向的传播声音的性质，减小谐波失真，使其更有效的传播信息，本文采用了均方根方法对声参量阵系统进行预处理调制。由于目前A/D转换芯片类别众多，芯片的时钟频率就不同。要在一整体系统中对信号进行调制，前提需满足各信号的采样率统一且在不同器件之间传输相匹配，而多速率信号处理就能很好地解决此类问题。又因为FPGA（现场可编辑逻辑门阵列）[4]具有大容量、低电压、低功耗的优点和不断采用新的半导体制造工艺，逻辑容量不断增加，应用领域不断拓展，器件成本不断下降的器件等优势。故本文即采用FPGA的硬件实现方法验证该预处理调制的可行性。

1 均方根预处理调制

建立在非线性声学理论的基础之上的声学参量阵主要用于产生高指向性音频[5]，其产生主要经历了两个转换过程，第一个过程是将音频调制超声波上，通过高指性发射器形成非常窄的波束，第二次是由超声波利用空气的非线性作用实现“自解调”形成高指向性的音频。

1.1 自解调原理

Berktay远场解[6]是目前声学参量阵信号处理方法的理论依据。其在空气中自解调产生的二次波声压可表达为：