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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王子豪
研究生(外文):Tzu-Hao Wang
論文名稱:聲音照相機模組之FPGA實作
論文名稱(外文):FPGA Implementation for Acoustic Camera
指導教授:林尚亭
指導教授(外文):Sun-Ting Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:電子工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:聲音照相機麥克風陣列訊號產生
外文關鍵詞:Mircophone arrayAcoustic cameraSource generation
相關次數:
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近年來,隨著數位信號處理技術的進步,感測器陣列的相關演算技術也日臻成熟,透過感測器陣列的技術,人們能獲得的資訊量會更龐大,聲音照相機的出現,讓聲音能夠被眼睛所見,而能夠解決一些潛在的問題。
本論文提出了一個能夠產生聲音信號以及其傳遞行為的模型,用來開發聲音照相機的演算法,首先,先介紹本論文所使用的相關演算法,依照架構中所需的模組,以Verilog-HDL做程式撰寫進行建置,並用Modelsim軟體來模擬及驗證其工作行為是否正確。
完成上述設計之後,本論文利用FPGA做為開發平台,使用 Altera Cyclone-II EP2C70F672C6做為核心,進行聲音照相機的實作,最後以VGA顯示器呈現實作結果。

In recent years, with the advancement of digital signal processing (DSP) technology, the algorithm about sensor array is growing up with useful information. With the development of acoustic camera, the sound can be presented by image form and seen by eyes. However, there are many problems to be solved about the acoustic camera.
In this paper, we proposed the architecture of acoustic camera with a source generation model. First, the algorithm that used in the proposed architecture is introduced, then the algorithm and be implemented by Verilog-HDL programing. Finally, the design is verified by Modelsim simulations to check the functions.
The acoustic camera can be implemented by the FPGA development board. Finally, the results can be displayed on VGA monitor.

文字目錄
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究動機 3
1.3論文架構 4
第二章 系統架構 5
2.1 簡介 5
2.2聲音照相機 7
2.3波束合成演算法 9
2.3.1 簡介 9
2.3.2 演算法 11
2.4 CORDIC 15
2.4.1簡介 15
2.4.2 演算法 16
2.5 DDS 18
第三章 音源訊號產生及聲波傳遞行為實作 21
3.1 整體架構 22
3.2 DDS(Direct-Digital-Synthesis)模組 24
3.2.1 MATLAB 模擬 24
3.2.2 Modelsim模擬 27
3.3 Delay Calculator模組 30
3.4 Square Root (Sqrt)模組 35
3.4.1簡介 35
3.4.2演算法 37
3.4.3 Modelsim 38
3.5 Delay模組 41
3.5.1 簡介 41
3.5.2 Modelsim模擬 43
3.6 聲源產生模組之整體實作結果 45
3.6.1 Matlab聲源傳遞模擬 46
3.6.2 Modelsim模擬 49
第四章 延遲相加波束合成法之聲音照相機實作 52
4.1整體架構 52
4.2 Sample模組 54
4.3 Delay Filter模組 55
4.4 CORDIC模組 57
4.5影像處理模組 58
4.5.1 簡介 58
4.5.2系統控制 59
4.5.3 圖像處理 60
第五章 實作結果 62
5.1開發環境介紹 62
5.2 FPGA資源分配 63
5.3實作結果呈現 64
第六章 結論 68
參考文獻 69

圖目錄
圖2.1系統整體架構圖 6
圖2.2 系統流程圖 6
圖2.3 聲音照相機之成像[2] 7
圖2.4 麥克風陣列[2] 8
圖2.5延遲相加波束合成法結構示意圖 10
圖2.6 波束合成方向圖[8] 11
圖2.7波前抵達麥克風示意圖 12
圖2.8 聲源與麥克風陣列位置 14
圖2.9 座標旋轉示意圖 15
圖2.10 CORDIC硬體架構圖 18
圖2.11 DDS基本架構圖與原理示意圖 19
圖3.1 麥克風陣列示意圖 21
圖3.2 麥克風對聲音做取樣之示意圖 22
圖3.3 聲源產生及聲波傳遞行為實現系統方塊圖 23
圖3.4 相位對應之振幅圖 25
圖3.5 使用1MHz為參考頻率,M=1,輸出頻率F=1.11 kHz 26
圖3.6 使用1MHz為參考頻率,M=10,輸出頻率F=11.11 kHz 26
圖3.7 使用1MHz為參考頻率,M=50,輸出頻率F=55.56 kHz 27
圖3.8 參考頻率 28
圖3.9 DDS使用1MHz為參考頻率,M=1的輸出結果 29
圖3.10 DDS使用1MHz為參考頻率,M=10的輸出結果 29
圖3.11 DDS使用1MHz為參考頻率,M=50的輸出結果 30
圖3.12 Delay Calculator模組接線圖 31
圖3.13 輸入來源判斷流程圖 31
圖3.14 Delay Calculator計算結果,聲源座標(-16,-16,15) 33
圖3.15 Delay Calculator計算結果,聲源座標(0,0,15) 34
圖3.16 Square Root模組之系統方塊圖 35
圖3.17暫存器Y之數字組成 36
圖3.18 Square Root模組演算法流程圖 37
圖3.19 參考頻率 38
圖3.20 Ke經過i個位移的情形 38
圖3.21 Square root模組運算過程 39
圖3.22 Square root模組之計算結果 39
圖3.23 Square root模組多組輸入之計算結果 40
圖3.24 Delay模組之系統方塊圖 41
圖3.25 演算法流程圖 42
圖3.26 Cnt1與Cnt2之關係圖 43
圖3.27 Delay模組運作情形 44
圖3.28 Delay模組運作情形 45
圖3.29 聲音抵達麥克風1~8的波形圖,聲源座標(-15,-15,16) 47
圖3.30 聲音抵達麥克風9~16的波形圖,聲源座標(-15,-15,16) 47
圖3.31聲音抵達麥克風1~8的波形圖,聲源座標(0,0,16) 48
圖3.32聲音抵達麥克風9~16的波形圖,聲源座標(0,0,16) 48
圖3.33聲音抵達麥克風1~8的波形圖,聲源座標(-15,-15,16) 49
圖3.34聲音抵達麥克風9~16的波形圖,聲源座標(-15,-15,16) 50
圖3.35聲音抵達麥克風1~8的波形圖,聲源座標(0,0,16) 50
圖3.36聲音抵達麥克風9~16的波形圖,聲源座標(0,0,16) 51
圖4.1 聲音照相機系統方塊圖 53
圖4.2 Sample 模組接線圖 54
圖4.3 資料讀取方法 55
圖4.4 Delay Filter模組接線圖 55
圖4.5 Delay Filter模組之計算結果 56
圖4.6 CORDIC計算結果 57
圖4.7 CORDIC計算結果 57
圖4.8 影像處理模組系統方塊圖 58
圖4.9 圖像處理模組之接線圖 60
圖4.10 螢幕分割及其座標示意圖 61
圖5.1 DE2-70 FPGA開發板(左)與顯示器(右) 63
圖5.2 控制介面 64
圖5.3聲源位於(0,0,15)時的顯示結果 65
圖5.4 聲源位於(9,0,15) 時的顯示結果 65
圖5.5聲源位於(9,12,15) 時的顯示結果 66
圖5.6聲源位於(-7,14,15) 時的顯示結果 66
圖5.7聲源位於(-16,-16,15) 時的顯示結果 67

表目錄
表3.1 Square root模組運算結果比較表 40
表4.1 CORDIC之cos值計算結果與實際結果比較表 57
表5.1 資源分配表 63

[1] “FPGA技術介紹”, http://www.ni.com/white-paper/6984/zht/
[2] http://www.acoustic-camera.com/
[3] "Acoustic holography Noise Source identification and Quantification", LMS Application note.
[4] T. Haynes, “A primer on digital beamforming,” Spectrum Signal Processing, pp. 1-15. 1998,
[5] Sanchez-Hevia, H.A. Gil-Pita, R. Rosa-Zurera, M. “FPGA-based real-time acoustic camera using pdm mems microphones with a custom demodulation filter”, IEEE, Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop, pp.181-184, 2014.
[6] Eric, M.M., “Some research challenges of acoustic camera”, IEEE, Telecommunications Forum, pp. 1036 – 1039, 2011.
[7] Lipar, P. Prezelj, J. Cudina, M. “Algorithm for acoustic camera with post processing analysis”, IEEE, Telecommunications Forum, pp.1048-1051, 2011.
[8] J. J. Christensen and J. Hald, “Beamforming,” B & K Technical Review No.1, pp. 1-18, 2004.
[9] A. Cigada, F. Ripamonti, M. Vanali, “The delay &sum algorithm applied to microphone array measurements:Numerical analysis and experimental validation” MechanicalSystems and Signal Processing, Vol. 21, pp. 2645-2664, 2007.
[10] Brandstein, M., and Ward, D. (eds.), “Microphone Arrays: Signal Processing Techniques and Applications” Springer, 1st Edition, 2001.
[11] J. Volder, “The CORDIC trigonometric computing technique,” IEEE Trans. Comput. , Vol.8, pp.330-334, 1959.
[12] 吳國正 “改良型折疊式CORDIC演算法之架構設計與實現”, 雲林科技大學碩士論文,2008
[13] Chinnathambi, M., Bharanidharan, N. Rajaram, S., “FPGA implementation of fast and area efficient CORDIC algorithm”, IEEE, Communication and Network Technologies, pp.228-232, 2014,
[14] Vezant, B. Mansuy, C.Hung Tien Bui, Boyer, F.-R., “Direct Digital Synthesis-Based All-Digital Phase-Locked Loop”, IEEE, Circuits and Systems and TAISA Conference, pp.1-4. 2009.
[15] 李彥慶 “低偽波直接數位頻率合成器之設計及其於多模態數位中頻降頻器之應用” ,東華大學碩士論文,2005
[16] Jia Kejun, Zhao Yangang, Lv Ying, Wang Huiqin, “Design and implementation DDS based on FPGA”, IEEE, Circuits, Communications and System, vol.2, pp.121-123, 2010.

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