基于沃尔特拉自适应滤波器的参量声源非线性补偿方法研究

摘要

参量声源是一种根据声参量阵理论,利用超声波在空气中的非线性传播效应产生高指向性可听声的新型声源。参量声源系统被广泛应用于产生高指向性可听声的领域。但是超声波信号在空气中自解调产生可听声同时也会伴随大量的谐波失真,影响了参量声源系统产生高指向性可听声音的质量,限制了其应用范围。
　　本文提出一种基于沃尔特拉自适应滤波器的参量声源非线性补偿方法。通过仿真和实验证明该方法可以突破传统调制方法中理论模型不够精确的瓶颈。给出了补偿方法的理论推导和实现过程,最后通过实验验证了该方法的有效性。
　　为了研究参量声源本征非线性特征,补偿这种非线性效应,文章通过系统辨识的方法,使用沃尔特拉自适应滤波器建立了一个参量声源非线性模型。文章使用三阶截断结构的沃尔特拉自适应滤波器模型,通过实验测量数据训练滤波器参量,最终得到了一个有效的参量声源非线性模型。为了验证该模型的有效性,通过仿真和实验,将其与传统声学模型进行对照,证实基于实验测量的沃尔特拉参量声源非线性系统模型可以有效地描述空气中的非线性特征,准确预测参量声源系统的相对声压级和总谐波失真。
　　在建立参量声源的非性系统模型基础之上,文章使用该非线性系统模型的p阶逆系统模型作为参量声源非线性补偿算法,并给出该模型的推导过程。随后文章根据前面的非线性系统辨识模型结果和补偿模型的建立,使用FPGA平台实现参量声源一阶非线性补偿系统,并通过实验验证,该系统可以将5~10k带宽区间的谐波失真抑制10dB左右。同时使用计算机预处理技术对二至五阶非线性补偿模型以及传统调制算法进行了对比分析,证实了补偿算法的有效性。实验结果表明,本文所提出的基于沃尔特拉自适应滤波器的参量声源非线性补偿方法可以通过提高补偿模型的阶数,来有效控制参量声源的谐波失真至可接受范围,同时相比传统参量声源调制补偿方法,该补偿方法具有更好的补偿效果。因此,文中提出的p阶参量声源非线性补偿方法可以作为参量声源系统降低谐波失真的一种可行方法。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及研究现状

1.2 研究内容及意义

1.3 论文内容安排

第二章 参量声源补偿系统理论基础

2.1 参量声源系统构成及其工作原理

2.2 非线性声学数学模型

2.3 参量声源常见信号补偿调制原理

2.4 参量声源非线性补偿原理

2.5 本章小结

第三章 参量声源非线性系统辨识

3.1 参量声源非线性系统辨识方法

3.2 参量声源非线性系统辨识过程及结果分析

3.3 参量声源非线性系统辨识结果分析

3.4 本章小结

第四章 参量声源非线性补偿模型研究

4.1 沃尔特拉级数模型逆系统模型求解方法

4.2 参量声源逆系统补偿模型建立

4.3 参量声源非线性补偿模型计算复杂度分析

4.4 本章小结

第五章 参量声源非线性补偿系统实现及测试

5.1 参量声源非线性补偿系统硬件平台

5.2 参量声源非线性一阶补偿算法实现及测试

5.3 参量声源非线性高阶补偿算法预处理实现及测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果