【摘 要】
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在复杂环境中的声学信息频段覆盖广,并且人耳对声音的感知频率范围有限,一些次声和超声频段的声学信息不能被人类获取,因此对宽频段声学监测系统进行相关研究来代替人耳进行声学监测。出于对声学信息采集的高精度要求考虑,本文采用Sigma-Delta ADC的结构,利用Sigma-Delta调制的过采样技术和噪声整形原理,来获取高信噪比的脉冲密度调制（Pulse Density Modulation,PDM）
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在复杂环境中的声学信息频段覆盖广,并且人耳对声音的感知频率范围有限,一些次声和超声频段的声学信息不能被人类获取,因此对宽频段声学监测系统进行相关研究来代替人耳进行声学监测。出于对声学信息采集的高精度要求考虑,本文采用Sigma-Delta ADC的结构,利用Sigma-Delta调制的过采样技术和噪声整形原理,来获取高信噪比的脉冲密度调制（Pulse Density Modulation,PDM）数据。随后经过数字抽取滤波器,实现降采样的同时,滤除量化噪声的高频分量,最终完成PDM数据到脉冲编码调制（Pulse Code Modulation,PCM）数据的转换。Sigma-Delta调制需要极高的过采样率,近年来,有的芯片为了改善对高速外部硬件控制不足的问题,设计了两个额外的CPU,即可编程实时单元和工业用通信子系统（Programmable Real-time and Industrial Communication Subsystems,PRUICSS）,一个PRU-ICSS有两个可编程实时单元（Programmable Real-Time Units,PRU）,本文将使用PRU配合PDM麦克风来完成声学信息的脉冲密度调制。数字抽取滤波器大多由FPGA构建,本文将数字抽取滤波环节放到CPU中。首先通过MATLAB软件,对数字滤波器组进行仿真与分析,设计了一种CIC滤波器、半带滤波器和FIR滤波器级联的三级滤波结构,并利用该结构分别对1024k Hz和4000k Hz的输入信号进行了设计与仿真,实现64倍降采样后,通带截止频率分别约为6.5k Hz和26k Hz,通带纹波0.1d B,阻带衰减为80d B。然后提供了一种数据上传的方式,使用TCP协议配合无线传输和有线传输两种方式,将数据稳定地上传到上位机。最后利用Qt框架简单设计了一个TCP协议的客户端上位机,完成数据的接收功能。经过对单麦克风单声道的测试,采集模块能够稳定准确地采集数据,验证了PRU配合PDM麦克风来完成声学信息采集任务的可行性。经过数字抽取滤波处理后的数据具有理想信噪比,能够通过传输模块发送到上位机,为后续相关算法处理提供数据来源。
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