CN116546399B - 一种基于fpga的新型环绕声混音方法和设备 - Google Patents

一种基于fpga的新型环绕声混音方法和设备

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CN116546399B CN202310520387.2A CN202310520387A CN116546399B CN 116546399 B CN116546399 B CN 116546399B CN 202310520387 A CN202310520387 A CN 202310520387A CN 116546399 B CN116546399 B CN 116546399B
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Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音方法和设备，所述设备包括ADC模块，DAC模块和FPGA核心板；所述ADC模块包括信号调理电路、程控放大电路、ADC电路、第一LVDS电路和第一辅助电源；所述信号调理电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器和ULN2803芯片；本方案能够在各个方向正确还原各个声像的感知声源宽度和包围感，能够提供更为准确的声像定位和空间印象。本方案可以在较大的空间范围内提供一致的声像定位和空间印象，不会因为听音者的移动或转头而发生畸变。

Description

一种基于FPGA的新型环绕声混音方法和设备
技术领域
本发明涉及电声学、集成电路、数字信号处理、广播电视等领域，尤其涉及一种基于FPGA的新型环绕声混音方法和设备。
背景技术
专利CN101138276A的主要内容是一种能够根据声源的位置和方向，以及听者的位置和方向，自动调整声场的环绕声系统。该系统包括一个声源定位器，一个听者定位器，一个声场控制器和一个扬声器阵列。声源定位器和听者定位器可以通过无线通信或者有线通信来获取声源和听者的位置和方向信息。声场控制器可以根据这些信息来计算出最佳的声场参数，并且控制扬声器阵列来实现环绕声效果。该专利依赖于声源定位器和听者定位器来获取位置和方向信息，如果听者在声场中快速移动，那么由于定位器位置反馈的滞后性，会导致声像定位出现偏移。此外，该专利也受到扬声器阵列的数量和布局的限制，该专利使用5扬声器布局，这种布局对于仅能还原水平方向的声像，而无法高质量还原垂直方向运动的声像。本方案不依赖听者定位信息，可以在较大的空间内提供一致的声像定位和空间印象。
专利CN1575045B是在由输入的左、右声道用信号L与R生成差信号(L-R)且基于此左右输入信号L、R与差信号(L-R)，而生成收听者前方所设前扬声器的驱动信号与后方所设后扬声器的驱动信号的环绕声电路中，将前扬声器驱动信号FL、FR的一部分或双声道立体声信号L、R的一部分混合于后扬声器的驱动信号RL、RR的环绕声电路。该专利使用差信号和延迟算法构建后置环绕声道的信号，这种方法虽然能够用于生成环绕声信号，但无法准确还原原本录音的感知声源宽度和包围感，不适合用于广播电视领域和严谨的环绕声音频节目制作。本方案能够在各个方向正确还原各个声像的感知声源宽度和包围感，重放的空间印象更为准确。
专利CN1875656B涉及一种使用一系列滤波器和一个具有主扬声器和副扬声器的系统，从放置于听音者前方的一个或一对扬声器系统，来产生幻像后环绕声道或幻像环绕声效果的环绕声重放系统。该方案需要使用特殊的滤波器和扬声器系统，依赖于听音者的位置和角度来产生幻像环绕声效果，这可能导致不同听音者之间的感知差异和不一致性，在不同的声学环境例如不同的房间形状或不同的声学装修条件下，该方案不能提供一致的环绕声重放效果。本方案所述算法不使用前方的扬声器创造幻象环绕声效果，不要求听音者保持特定的姿势或者朝向，不会因为听音者的移动或转头而发生畸变。
传统的环绕声系统存在诸多不足，其重构的空间声场存在诸多缺陷，带来的听觉感受显然已经难以跟上视频分辨率提升的步伐。
传统的环绕声系统在ITU-R BS.775国际标准中定义，由三个前置音箱和两个后环绕音箱组成，现在广泛应用于电影和广播电视领域，但这种环绕声系统存在诸多不足：
(1)声音的声像和画面之间位置重合度不足，不同步的声源感知难以给观众带来沉浸感。
(2)只能还原水平方向的声像，无法还原完整的三维空间印象，无法准确还原三维空间中的混响信息和空间感。
(3)这是一种基于心理声学原理重放的环绕声系统，“皇帝位”范围过小，听音位置和人头的摆动对声像稳定性具有较大的影响。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题是，基于FPGA开发一套22.2声道新型环绕声混音设备，并利用它充分探究22.2声道环绕声系统的特性，开发针对22.2声道的环绕声系统和的数字音频信号处理算法。提供一种沉浸感更好的音频重放方式，以优化传统环绕声技术无法完整还原三维空间印象、混响信息和空间感的问题。
本发明具体提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音方法，包括以下步骤：
步骤1，定义扬声器空间位置结构体，所述扬声器空间位置结构体包括扬声器索引号、扬声器的方位角、扬声器的俯仰角和扬声器的属性(属于全频段扬声器还是低音扬声器)；
步骤2，定义虚拟源结构体，所述虚拟源结构体包括虚拟源的感知声像宽度、方位角和俯仰角；
步骤3，将扬声器空间位置结构体和虚拟源结构体中的方向转化为单位向量；
步骤4，检索最接近虚拟源方向的扬声器三角面，计算最接近虚拟源方向的扬声器三角面的法向量；
步骤5，计算步骤4得到的法向量和虚拟源向量的夹角和夹角余弦值，所述虚拟源向量即步骤3得到的单位向量；
步骤6，判断输出结果的合法性：如果夹角余弦值超出阈值(一般取值为22.5度)，则判定虚拟源的方位超过扬声器布局的重放极限，向用户提示出现异常；根据三角面索引，计算相应的扬声器向量；三角面索引指的是步骤4中提到的扬声器三角面在程序中的标号，这个标号可以任意设置，只作为寻址使用；
步骤7，计算增益系数并归一化增益系数，将归一化后的增益系数更新到调音台母线增益系数的成员变量中。调音台母线的增益系数就是归一化后的增益系数。调音台母线的成员变量是很多个归一化后的增益系数gain[tri_idx]的集合。调音台母线指的是一个虚拟的结构，这个结构实现的作用是，将所有输入信号乘以一个增益系数后相加，得到输出信号。输出信号是由输入到调音台的信号和增益系数相乘得到的。
步骤3中，创造一个模长是1的单位向量所述单位向量的指向和虚拟源结构体中的角度信息一致，计算公式为：φ是虚拟源的极角，θ是虚拟源的方位角。
步骤4中，计算所有的三角面法向量和虚拟源向量的夹角，并进行排序，找到最小的夹角，从而得到最接近虚拟源方向的扬声器三角面的法向量。
步骤6中，计算相应的扬声器向量的方法参考步骤3，都是将两个角度值变成一个单位向量。
步骤7中，将三角面中包含的扬声器向量和虚拟源向量求余弦得到增益系数a、b、c，先计算a、b、c的均方根即平方平均数再分别用a、b、c除以即得到归一化后的结果。
本发明还提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音设备，包括ADC模块，DAC模块和FPGA核心板；
所述ADC模块包括信号调理电路、程控放大电路、ADC电路、第一LVDS电路和第一辅助电源；
所述第一辅助电源为ADC模块中各个组件供电，将12V直流转换成±15V、48V、5V、3.3V多组直流。12V通过buckboost电路和LDO电路后转换成±15V，12V通过一boost电路后转换成48V，12V通过一buck电路转换成5V，再通过一LDO电路转换成3.3V。辅助电源不涉及创新；
所述信号调理电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器和ULN2803芯片；
所述第一电容和第二电容组成射频滤波电容，所述第三电容和第四电容组成耦合电容，所述第一电阻和第二电阻组成幻象电源的限流电阻，所述第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻组成衰减电路的电阻，所述第一继电器控制幻象电源，所述第二继电器控制耦合方式，即电容耦合还是直接耦合，所述第三继电器控制是否衰减信号，所述第四继电器控制是否反转相位，即对调两根音频信号线；
所述射频滤波电容一端连接到音频信号线，一端连接到参考地；所述第一电阻、第二电阻和第一继电器串联连接，跨接在48V电源和音频信号线之间；
所述第二继电器与耦合电容并联构成旁路；所述第三电阻和第四电阻串联，所述第五电阻和第六电阻串联，分别接在两根音频信号线和参考地之间；
所述第三继电器的常开端接在音频信号线上，常闭端接在第三第四电阻中间和第五第六电阻中间，公共端交叉连接到第四继电器的常开和常闭端；
所述第四继电器的公共端连接到下一级程控放大电路中的程控放大芯片的输入端；所有继电器的线圈接在12V电源和ULN2803芯片的集电极上；所述ULN2803芯片的基极接在程控放大电路部分的程控放大芯片的数字输出引脚上；12V电源是外接电源，不属于本发明的创新部分，48V由第一辅助电源提供。
所述程控放大电路包括程控放大芯片、差分放大芯片、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和一个电容；
所述第七电阻和第八电阻组成一对分压电阻，所述第九电阻、第十电阻和一个电容组成低通滤波电路；
所述程控放大芯片的输入端连接信号调理电路，输出端连接到差分放大芯片的输入端；
所述差分放大芯片的共模输入端连接到一对分压电阻的中点，第七电阻和第八电阻跨接在ADC芯片的供电电源和参考地之间；
所述差分放大芯片的输出端连接到第九电阻和第十电阻的一端，第九电阻和第十电阻的另一端跨接一颗电容，所述电容的两端作为程控放大电路的输出端连接到ADC芯片的模拟输入端；
所述ADC电路包括ADC芯片、若干去耦电容和若干数字信号线的阻抗匹配电阻；所述去耦电容就近连接在ADC芯片的供电引脚和参考地上；所述阻抗匹配电阻串接在ADC的数字信号引脚上；
所述程控放大电路的输出接在ADC芯片的模拟输入引脚上；
所述ADC芯片的数字信号经过串联的阻抗匹配电阻之后连接到第一LVDS电路中第一DS90芯片的数字引脚上；
所述第一LVDS电路包括第一LVDS芯片、第一DS90芯片和第一终端电阻；所述LVDS信号线接在第一DS90芯片的LVDS引脚上，终端电阻跨接在两根信号线上；所述第一DS90芯片的数字引脚接在ADC芯片外围的阻抗匹配电阻上；
所述DAC模块包括第二LVDS电路、DAC电路、反相电流电压转换电路、低通滤波电路、音频线缆驱动电路和第二辅助电源；第二辅助电源为DAC模块中各个组件供电，将12V直流转换成±15V、5V、3.3V多组直流。12V通过buckboost电路和LDO电路后转换成±15V，12V通过一buck电路转换成5V，再通过一LDO电路转换成3.3V。辅助电源不涉及创新。
所述第二LVDS电路包括第二LVDS芯片、第二DS90芯片和第二终端电阻，LVDS信号线接在第二DS90芯片的LVDS引脚上，第二终端电阻跨接在两根信号线上；第二DS90芯片的数字引脚接在ADC芯片外围的阻抗匹配电阻上；
所述DAC电路包括DAC芯片、若干去耦电容和若干数字信号线的阻抗匹配电阻，所述去耦电容就近连接在DAC芯片的供电引脚和参考地上，所述阻抗匹配电阻串接在DAC的数字信号引脚上，所述DAC芯片的模拟输出引脚连接到反相电流电压转换电路的输入；
所述反相电流电压转换电路包括运算放大器、反馈电阻和相位补偿电容，所述运算放大器的同相端接参考地，反相端作为输入连接到DAC的模拟输出引脚，反向端与输出端跨接反馈电阻和相位补偿电容；
所述低通滤波电路包括一个运算放大器和10个阻抗元件，这部分电路属于公知常识，参见https://www.ti.com/lit/an/sloa049d/sloa049d.pdf？ts＝1681966773991中的第七章内容。
所述音频线缆驱动电路包括DRV135芯片、输出反馈电容和输出保护电阻，所述输出保护电阻的一端接在DRV135芯片的输出端，另一端接在音频输出插座上，所述输出反馈电容跨接在输出端和反馈端；
信号从外部输入后，滤除射频干扰，经过耦合电容和电阻串联衰减进入程控增益放大器；所述耦合电容和第二继电器触点并联，通过改变触点状态来改变耦合方式；电阻串联衰减部分的低边电阻和第三继电器触点并联，通过改变第三继电器触点状态来改变衰减系数；在耦合电容之前，48V电源经由第一继电器的触点、第一电阻和第二电阻接入信号线，提供幻象电源，通过改变第一继电器触点状态来控制是否施加幻象电源；所述第四继电器使用程控增益放大器的通用输出引脚控制，程控增益放大器输出的数字电平通过达林顿管放大后驱动继电器线圈；
所述ADC模块的时钟输入信号由第一LVDS芯片输出，第一LVDS芯片接受来自FPGA核心板的时钟信号，将LVDS信号转换为单端的时钟信号后送入ADC模块，ADC模块输出的单端串行音频信号通过第一LVDS芯片转换后送回FPGA核心板。
所述第一LVDS芯片和第二LVDS芯片均传输8路串行音频信号，所述8路串行音频信号包括一组主时钟，一组位时钟，一组字时钟，四组串行音频数据；四组串行音频数据线中，每一组音频数据线中包含两个通道的音频信号，从而对应8路串行音频信号。
来自ADC模块的CMOS电平的单端数字信号经过DS90芯片变换成LVDS信号后，通过SFF-8643端子送出至FPGA核心板，LVDS信号输入到DS90(DS90是德州仪器公司的一系列LVDS芯片的统称)和终端电阻后变换成电压信号(DS90芯片和终端电阻属于ADC模块中，LVDS电路的一部分)，经过DS90放大后送入DAC模块，生成电流型差分模拟音频信号。
将DAC模块输出的电流信号转换成电压信号，运算放大器的同相端接地，电流信号输入到运算放大器的反向端，在反相端和输出端跨接一颗高精度金属膜电阻，构成反向电流电压转换电路；根据运算放大器的虚短虚断原理，得知流过反馈电阻的电流近似等于输入电流，输出电压v满足v＝ir，其中i为输入电流，r为跨接在反相端和输出端的反馈电阻。运算放大器、一颗高精度金属膜电阻、反相端和输出端的反馈电阻属于DAC模块中反相电流电压转换电路的组成部分。
所述反馈电阻使用金属膜MELF电阻，在反馈电阻上跨接一颗小电容，用于避免电路板分布参数引起的放大器的高频自激振荡；之后，使用一颗运放构成MFB(Multiplefeedback多重反馈)结构的差分低通滤波器，用来滤除DAC模块输出信号中包含的过采样时钟成分和超声成分，将MFB结构的差分低通滤波器所输出的单端信号转换成专业音频所需的+24dBu平衡音频信号；
来自FPGA核心板的数字音频信号经过LVDS芯片转换为单端数字信号后送入DAC模块，DAC模块的模拟输出信号通过反相电流电压转换电路后，送入一MFB结构的差分低通滤波器，从而重建原始的模拟音频信号。MFB结构的差分低通滤波器是DAC模块的组成部分。
使用verilog语言编写数字逻辑，烧录到FPGA芯片中实现所述一种基于FPGA的新型环绕声混音方法，所述数字逻辑具体包括：
步骤a1，根据给定的音源位置source_pos，计算每个扬声器的输出音频信号，实现三维音频定位，所述音源位置包括虚拟源的方位角和仰角；
步骤a2，定义如下参数：扬声器的数量N、扬声器三角形的数量M、音频通道的数量L、扬声器的位置speaker_pos、扬声器三角形speaker_tri、输入音频信号audio_in和输出音频信号audio_out；
步骤a3，定义一个模块panning，用于计算给定音源位置的增益系数gain_out，模块panning的输入是音源位置source_pos，输出是增益系数gain_out；模块panning的内部逻辑包括：
将音源位置从球坐标转换为笛卡尔坐标，得到余弦向量cos_vec；
遍历所有的扬声器三角形，找到包含音源位置的三角形X，并记录三角形X的索引tri_idx；
计算三角形X的余弦矩阵cos_mat，余弦矩阵cos_mat包括每个扬声器方向的余弦向量；
计算余弦矩阵cos_mat的行列式det，并检查行列式det是否为零，如果不为零，计算余弦矩阵cos_mat的逆矩阵inv_mat，用逆矩阵inv_mat乘以余弦向量，得到临时增益系数gain_tmp，将临时增益系数gain_tmp归一化，得到输出增益系数gain_out；
步骤a4，定义一个模块panning_audio，用于计算每个扬声器三角形的临时音频信号audio_out，模块panning_audio的输入是输入音频信号audio_in和增益系数gain_in，输出是临时音频信号audio_out，模块panning_audio的内部逻辑包括：
遍历所有的扬声器三角形，对每个扬声器三角形，将输入音频信号乘以增益系数，得到临时音频信号；
步骤a5，定义一个顶层模块panning_top，用于实现声像平移算法，顶层模块panning_top的输入是输入音频信号audio_in和音源位置source_pos，输出是每个扬声器的输出音频信号audio_out，顶层模块panning_top的内部逻辑包括：
实例化panning模块，计算增益系数gain[tri_idx]；增益系数gain_out与增益系数gain[tri_idx]含义相同，但不在同一个module中，所以名称不同。
实例化panning_audio模块，计算临时音频信号audio_tmp；临时音频信号audio_out与临时音频信号audio_tmp含义相同，但不在同一个module中，所以名称不同。
找到包含音源位置的扬声器三角形X，并记录三角形X的索引tri_idx；
对每个扬声器，将所有三角形的临时音频信号相加，得到总和音频信号audio_sum；
将总和音频信号赋值给输出音频信号audio_out。
有益效果：1.本方案不依赖听者定位信息，可以在较大的空间内提供一致的声像定位和空间印象。
2.本方案能够在各个方向正确还原各个声像的感知声源宽度和包围感，能够提供更为准确的声像定位和空间印象。
3.本方案不要求听音者保持特定的姿势或者朝向，可以在较大的空间范围内提供一致的声像定位和空间印象，不会因为听音者的移动或转头而发生畸变。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是ADC模块实物图。
图2a、图2b、图2c、图2d是ADC模块电路图。
图3是DAC模块实物图。
图4a、图4b、图4c是DAC模块电路图。
图5是FPGA模块实物图。
图6是第一辅助电源框图。
图7是第二辅助电源框图。
具体实施方式
本发明具体提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音方法，包括以下步骤：
步骤1，定义扬声器空间位置结构体，所述扬声器空间位置结构体包括扬声器索引号、扬声器的方位角、扬声器的俯仰角和扬声器的属性(属于全频段扬声器还是低音扬声器)；
步骤2，定义虚拟源结构体，所述虚拟源结构体包括虚拟源的感知声像宽度、方位角和俯仰角；
步骤3，将扬声器空间位置结构体和虚拟源结构体中的方向转化为单位向量；
步骤4，检索最接近虚拟源方向的扬声器三角面，计算最接近虚拟源方向的扬声器三角面的法向量；
步骤5，计算步骤4得到的法向量和虚拟源向量的夹角和夹角余弦值，所述虚拟源向量即步骤3得到的单位向量；
步骤6，判断输出结果的合法性：如果夹角余弦值超出阈值(一般取值为22.5度)，则判定虚拟源的方位超过扬声器布局的重放极限，向用户提示出现异常；根据三角面索引，计算相应的扬声器向量；三角面索引指的是步骤4中提到的扬声器三角面在程序中的标号，这个标号可以任意设置，只作为寻址使用；
步骤7，计算增益系数并归一化增益系数，将归一化后的增益系数更新到调音台母线增益系数的成员变量中。调音台母线的增益系数就是归一化后的增益系数。调音台母线的成员变量是很多个归一化后的增益系数gain[tri_idx]的集合。调音台母线指的是一个虚拟的结构，这个结构实现的作用是，将所有输入信号乘以一个增益系数后相加，得到输出信号。输出信号是由输入到调音台的信号和增益系数相乘得到的。
步骤3中，创造一个模长是1的单位向量所述单位向量的指向和虚拟源结构体中的角度信息一致，计算公式为：φ是虚拟源的极角，θ是虚拟源的方位角。
步骤4中，计算所有的三角面法向量和虚拟源向量的夹角，并进行排序，找到最小的夹角，从而得到最接近虚拟源方向的扬声器三角面的法向量。
步骤6中，计算相应的扬声器向量的方法参考步骤3，都是将两个角度值变成一个单位向量。
步骤7中，将三角面中包含的扬声器向量和虚拟源向量求余弦得到增益系数a、b、c，先计算a、b、c的均方根即平方平均数再分别用a、b、c除以即得到归一化后的结果。
本发明还提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音设备，包括ADC模块，DAC模块和FPGA核心板；
所述ADC模块包括信号调理电路、程控放大电路、ADC电路、第一LVDS电路和第一辅助电源；
如图6所示，所述第一辅助电源为ADC模块中各个组件供电，将12V直流转换成±15V、48V、5V、3.3V多组直流。12V通过buckboost电路和LDO电路后转换成±15V，12V通过一boost电路后转换成48V，12V通过一buck电路转换成5V，再通过一LDO电路转换成3.3V。辅助电源不涉及创新；
所述信号调理电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器和ULN2803芯片；
所述第一电容和第二电容组成射频滤波电容，所述第三电容和第四电容组成耦合电容，所述第一电阻和第二电阻组成幻象电源的限流电阻，所述第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻组成衰减电路的电阻，所述第一继电器控制幻象电源，所述第二继电器控制耦合方式，即电容耦合还是直接耦合，所述第三继电器控制是否衰减信号，所述第四继电器控制是否反转相位，即对调两根音频信号线；
所述射频滤波电容一端连接到音频信号线，一端连接到参考地；所述第一电阻、第二电阻和第一继电器串联连接，跨接在48V电源和音频信号线之间；
所述第二继电器与耦合电容并联构成旁路；所述第三电阻和第四电阻串联，所述第五电阻和第六电阻串联，分别接在两根音频信号线和参考地之间；
所述第三继电器的常开端接在音频信号线上，常闭端接在第三第四电阻中间和第五第六电阻中间，公共端交叉连接到第四继电器的常开和常闭端；
所述第四继电器的公共端连接到下一级程控放大电路中的程控放大芯片的输入端；所有继电器的线圈接在12V电源和ULN2803芯片的集电极上；所述ULN2803芯片的基极接在程控放大电路部分的程控放大芯片的数字输出引脚上；12V电源是外接电源，不属于本发明的创新部分，48V由第一辅助电源提供。
所述程控放大电路包括程控放大芯片、差分放大芯片、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和一个电容；
所述第七电阻和第八电阻组成一对分压电阻，所述第九电阻、第十电阻和一个电容组成低通滤波电路；
所述程控放大芯片的输入端连接信号调理电路，输出端连接到差分放大芯片的输入端；
所述差分放大芯片的共模输入端连接到一对分压电阻的中点，第七电阻和第八电阻跨接在ADC芯片的供电电源和参考地之间；
所述差分放大芯片的输出端连接到第九电阻和第十电阻的一端，第九电阻和第十电阻的另一端跨接一颗电容，所述电容的两端作为程控放大电路的输出端连接到ADC芯片的模拟输入端；
所述ADC电路包括ADC芯片、若干去耦电容和若干数字信号线的阻抗匹配电阻；所述去耦电容就近连接在ADC芯片的供电引脚和参考地上；所述阻抗匹配电阻串接在ADC的数字信号引脚上；
所述程控放大电路的输出接在ADC芯片的模拟输入引脚上；
所述ADC芯片的数字信号经过串联的阻抗匹配电阻之后连接到第一LVDS电路中第一DS90芯片的数字引脚上；
所述第一LVDS电路包括第一LVDS芯片、第一DS90芯片和第一终端电阻；所述LVDS信号线接在第一DS90芯片的LVDS引脚上，终端电阻跨接在两根信号线上；所述第一DS90芯片的数字引脚接在ADC芯片外围的阻抗匹配电阻上；
所述DAC模块包括第二LVDS电路、DAC电路、反相电流电压转换电路、低通滤波电路、音频线缆驱动电路和第二辅助电源；如图7所示，第二辅助电源为DAC模块中各个组件供电，将12V直流转换成±15V、5V、3.3V多组直流。12V通过buckboost电路和LDO电路后转换成±15V，12V通过一buck电路转换成5V，再通过一LDO电路转换成3.3V。辅助电源不涉及创新。
所述第二LVDS电路包括第二LVDS芯片、第二DS90芯片和第二终端电阻，LVDS信号线接在第二DS90芯片的LVDS引脚上，第二终端电阻跨接在两根信号线上；第二DS90芯片的数字引脚接在ADC芯片外围的阻抗匹配电阻上；
所述DAC电路包括DAC芯片、若干去耦电容和若干数字信号线的阻抗匹配电阻，所述去耦电容就近连接在DAC芯片的供电引脚和参考地上，所述阻抗匹配电阻串接在DAC的数字信号引脚上，所述DAC芯片的模拟输出引脚连接到反相电流电压转换电路的输入；
所述反相电流电压转换电路包括运算放大器、反馈电阻和相位补偿电容，所述运算放大器的同相端接参考地，反相端作为输入连接到DAC的模拟输出引脚，反向端与输出端跨接反馈电阻和相位补偿电容；
所述低通滤波电路包括一个运算放大器和10个阻抗元件，这部分电路属于公知常识，参见https://www.ti.com/lit/an/sloa049d/sloa049d.pdf？ts＝1681966773991中的第七章内容。
所述音频线缆驱动电路包括DRV135芯片、输出反馈电容和输出保护电阻，所述输出保护电阻的一端接在DRV135芯片的输出端，另一端接在音频输出插座上，所述输出反馈电容跨接在输出端和反馈端；
信号从外部输入后，滤除射频干扰，经过耦合电容和电阻串联衰减进入程控增益放大器；所述耦合电容和第二继电器触点并联，通过改变触点状态来改变耦合方式；电阻串联衰减部分的低边电阻和第三继电器触点并联，通过改变第三继电器触点状态来改变衰减系数；在耦合电容之前，48V电源经由第一继电器的触点、第一电阻和第二电阻接入信号线，提供幻象电源，通过改变第一继电器触点状态来控制是否施加幻象电源；所述第四继电器使用程控增益放大器的通用输出引脚控制，程控增益放大器输出的数字电平通过达林顿管放大后驱动继电器线圈；
所述ADC模块的时钟输入信号由第一LVDS芯片输出，第一LVDS芯片接受来自FPGA核心板的时钟信号，将LVDS信号转换为单端的时钟信号后送入ADC模块，ADC模块输出的单端串行音频信号通过第一LVDS芯片转换后送回FPGA核心板。
所述第一LVDS芯片和第二LVDS芯片均传输8路串行音频信号，所述8路串行音频信号包括一组主时钟，一组位时钟，一组字时钟，四组串行音频数据；四组串行音频数据线中，每一组音频数据线中包含两个通道的音频信号，从而对应8路串行音频信号。
来自ADC模块的CMOS电平的单端数字信号经过DS90芯片变换成LVDS信号后，通过SFF-8643端子送出至FPGA核心板，LVDS信号输入到DS90(DS90是德州仪器公司的一系列LVDS芯片的统称)和终端电阻后变换成电压信号(DS90芯片和终端电阻属于ADC模块中，LVDS电路的一部分)，经过DS90放大后送入DAC模块，生成电流型差分模拟音频信号。
将DAC模块输出的电流信号转换成电压信号，运算放大器的同相端接地，电流信号输入到运算放大器的反向端，在反相端和输出端跨接一颗高精度金属膜电阻，构成反向电流电压转换电路；根据运算放大器的虚短虚断原理，得知流过反馈电阻的电流近似等于输入电流，输出电压v满足v＝ir，其中i为输入电流，r为跨接在反相端和输出端的反馈电阻。运算放大器、一颗高精度金属膜电阻、反相端和输出端的反馈电阻属于DAC模块中反相电流电压转换电路的组成部分。
所述反馈电阻使用金属膜MELF电阻，在反馈电阻上跨接一颗小电容，用于避免电路板分布参数引起的放大器的高频自激振荡；之后，使用一颗运放构成MFB(Multiplefeedback多重反馈)结构的差分低通滤波器，用来滤除DAC模块输出信号中包含的过采样时钟成分和超声成分，将MFB结构的差分低通滤波器所输出的单端信号转换成专业音频所需的+24dBu平衡音频信号；
来自FPGA核心板的数字音频信号经过LVDS芯片转换为单端数字信号后送入DAC模块，DAC模块的模拟输出信号通过反相电流电压转换电路后，送入一MFB结构的差分低通滤波器，从而重建原始的模拟音频信号。MFB结构的差分低通滤波器是DAC模块的组成部分。
使用verilog语言编写数字逻辑，烧录到FPGA芯片中实现所述一种基于FPGA的新型环绕声混音方法，所述数字逻辑具体包括：
步骤a1，根据给定的音源位置source_pos，计算每个扬声器的输出音频信号，实现三维音频定位，所述音源位置包括虚拟源的方位角和仰角；
步骤a2，定义如下参数：扬声器的数量N、扬声器三角形的数量M、音频通道的数量L、扬声器的位置speaker_pos、扬声器三角形speaker_tri、输入音频信号audio_in和输出音频信号audio_out；
步骤a3，定义一个模块panning，用于计算给定音源位置的增益系数gain_out，模块panning的输入是音源位置source_pos，输出是增益系数gain_out；模块panning的内部逻辑包括：
将音源位置从球坐标转换为笛卡尔坐标，得到余弦向量cos_vec；
遍历所有的扬声器三角形，找到包含音源位置的三角形X，并记录三角形X的索引tri_idx；
计算三角形X的余弦矩阵cos_mat，余弦矩阵cos_mat包括每个扬声器方向的余弦向量；
计算余弦矩阵cos_mat的行列式det，并检查行列式det是否为零，如果不为零，计算余弦矩阵cos_mat的逆矩阵inv_mat，用逆矩阵inv_mat乘以余弦向量，得到临时增益系数gain_tmp，将临时增益系数gain_tmp归一化，得到输出增益系数gain_out；
步骤a4，定义一个模块panning_audio，用于计算每个扬声器三角形的临时音频信号audio_out，模块panning_audio的输入是输入音频信号audio_in和增益系数gain_in，输出是临时音频信号audio_out，模块panning_audio的内部逻辑包括：
遍历所有的扬声器三角形，对每个扬声器三角形，将输入音频信号乘以增益系数，得到临时音频信号；
步骤a5，定义一个顶层模块panning_top，用于实现声像平移算法，顶层模块panning_top的输入是输入音频信号audio_in和音源位置source_pos，输出是每个扬声器的输出音频信号audio_out，顶层模块panning_top的内部逻辑包括：
实例化panning模块，计算增益系数gain[tri_idx]；增益系数gain_out与增益系数gain[tri_idx]含义相同，但不在同一个module中，所以名称不同。
实例化panning_audio模块，计算临时音频信号audio_tmp；临时音频信号audio_out与临时音频信号audio_tmp含义相同，但不在同一个module中，所以名称不同。
找到包含音源位置的扬声器三角形X，并记录三角形X的索引tri_idx；
对每个扬声器，将所有三角形的临时音频信号相加，得到总和音频信号audio_sum；将总和音频信号赋值给输出音频信号audio_out。
实施例
本实施例提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音方法，所涉及的算法具体包括：
对于一个远场声源，它在双耳处产生的声压表示为：
其中PL表示在左耳处产生的声压，PR表示在左耳处产生的声压；e表示自然常数；j是虚数单位，j2＝-1；k是波数，它等于圆频率除以声速，rs是距离，a是耳朵到头中心的距离，θs是极角，φs是方位角。
所以，双耳之间存在相位差Δψ：
Δψ＝ψL-ψR＝2kasinθscosφs
其中ψL是左耳处的相位，ψR是右耳处的相位；
对于一个远场声源，它的双耳时间差ITDP(θs,φs)为：
其中c是声速，f是频率。
对于M个(M的取值范围是任意正整数)布局在球面上的扬声器，它们产生的左耳声压P′L、右耳声压P′R表示为：
其中，M是声源数量，i是下标，Ai是第i个声源的振幅，r0是声源到听者的距离，θi是第i个声源的极角，φi是第i个声源的方位角，
对于M个布局在球面上的扬声器，它们的双耳时间差ITDP,SUM为：
其中ΔψSUM是所有声源相位差的求和值；
在低频情况下，头部固定时，合成的虚拟声源方向为：
泰勒展开，取一阶近似：
在三维空间中，多通路环绕声系统的信号分配方法为：
其中，T表示矩阵转置。是虚拟源矢量、是的三个分量；是信号振幅、A1,A2,A3是的三个分量；θ1、θ2、θ3分别表示的极角，φ1、φ2、φ3分别表示的方位角；
本发明还提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音设备，能够实现最高22.2声道环绕声混音，包括ADC模块(模拟数字转换器即A/D转换器，简称ADC)，DAC模块(数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC)，
FPGA核心板(现场可编程逻辑门阵列FPGA，全称Field Programmable GateArray，是在PAL可编程阵列逻辑、GAL通用阵列逻辑等可编程器件的基础上进一步发展的产物)。在FPGA核心板上运行使用Verilog语言开发的程序以实现环绕声混音能力。
所述设备的关键部分电路图和实物相片如图1、图2a、图2b、图2c和图2d所示。
图1、图2a、图2b、图2c和图2d的电路的主要用于处理信号源给出的信号(图中所有C+数字的标号是电容的标号，R+数字的标号是电阻的标号，U+数字的标号是集成电路的标号，K+数字的标号是继电器的标号，D+数字的标号是二极管的标号，P+数字的标号是连接器的标号。图中的各种红色times new roman字体的标注(例如pm sel)是给当前的连线指定一个名称，表明同名字的连线之间相通，名字本身没用含义，黄色带箭头的标志也是同理，同名的是相连的)，使其满足ADC的输入条件，其功能包括过滤射频干扰，提供幻象电源，选择衰减量，选择耦合方式，选择是否反转相位以及改变增益。电容和磁珠组成的射频干扰滤波电路，继电器K2用于分断+48V幻象电源，K3通过旁通耦合电容的方式改变信号的耦合方式，K1用于改变衰减量以提高输入信号的电平范围，K4用于选择是否反转信号相位。继电器使用集成达林顿管ULN2803驱动，达林顿管的电流放大系数很高，能够将数字电平信号变成驱动12V继电器线圈的高电平信号。之后使用程控增益放大器放大来自前级的电压信号，消除DC偏移。程控放大器通过菊花链式SPI总线和单片机通信，可以设定增益等参数。程控放大器的输出信号再经过全差分放大器OPA1632改变共模电压，经过一阶低通滤波后，送入ADC模块。
LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)是一种低压差的差分数字信号，输出端采用电流源驱动方式，输入端通过电阻将电流信号还原回电压信号并通过差分放大器放大，送入下一级电路。这种信号通过两根差分线传输数字信号，对于共模干扰有着十分良好的抵抗性，因此常作为板间高速串行通信协议的物理层。本发明中使用LVDS芯片传输8路串行音频信号，所述8路串行音频信号包括一组主时钟，一组位时钟，一组字时钟，四组串行音频数据。
来自ADC模块的CMOS电平的单端数字信号经过DS90芯片变换成LVDS信号后，通过SFF-8643端子送出至FPGA核心板。
图3、图4a、图4b和图4c的电路主要由DS90和DAC模块组成，LVDS信号输入到DS90和终端电阻后变换成电压信号，经过DS90的放大后送入DAC模块，生成电流型差分模拟音频信号。
将DAC模块输出的电流信号转换成电压信号。运算放大器的同相端接地，电流信号输入到运算放大器的反向端，在反相端和输出端跨接一颗高精度金属膜电阻，构成反向电流电压转换电路。由于此时的运算放大器满足深度负反馈假设，所以可以根据运算放大器的虚短虚断原理，得知流过反馈电阻的电流近似等于输入电流，输出电压满足v＝ir，其中i为输入电流，r为跨接在反相端和输出端的反馈电阻。
反馈电阻使用金属膜MELF电阻，这种电阻的热噪声较小，PCB的机械形变引起的电阻值偏移较低，适合用于构建高精度低噪声的音频放大电路。在反馈电阻上跨接一颗小电容，用于避免电路板分布参数引起的放大器的高频自激振荡。之后，使用一颗运放构成MFB结构的差分低通滤波器，用来滤除DAC输出信号中包含的过采样时钟成分和超声成分，将低通滤波电路所输出的单端信号转换成专业音频所需的+24dBu平衡音频信号。对于较长的音频线缆，其屏蔽层和信号导体之间的电容量很大，表现出容性，因此需要一颗驱动能力很强的运算放大器抵消这种效应，避免音频信号远距离传输后产生高频衰减。同时这部分电路还可以在输出端的某一极对地短路时，倍增另一极的输出电平，保证在故障工况下，音频电平不会减半，这种设计还可以兼容非平衡输入的后级设备。
图5的电路是FPGA核心板，所述FPGA核心板包括FPGA、以太网PHY(Port physicallayer，接口物理层)、FLASH闪存芯片和VRM(Voltage Regulator Module，电压调节模块)电路。
软件设计：
本方案使用verilog语言编写数字逻辑，烧录到FPGA芯片中实现所述方法。
根据给定的音源位置(方位角和仰角)，计算每个扬声器的输出音频信号，以实现三维音频定位。
首先，定义一些参数，如扬声器的数量(N)，扬声器三角形的数量(M)，音频通道的数量(L)，扬声器的位置(speaker_pos)，扬声器三角形(speaker_tri)，输入音频信号(audio_in)，输出音频信号(audio_out)等。
然后，定义了一个模块panning，用于计算给定音源位置的增益系数(gain_out)。这个模块的输入是音源位置(source_pos)，输出是增益系数(gain_out)。这个模块的内部逻辑是：
将音源位置从球坐标转换为笛卡尔坐标，得到余弦向量(cos_vec)。
遍历所有的扬声器三角形，找到包含音源位置的那个三角形，并记录其索引(tri_idx)。
计算该三角形的余弦矩阵(cos_mat)，即每个扬声器方向的余弦向量。
计算余弦矩阵的行列式(det)，并检查是否为零(退化三角形)。
如果不为零，计算余弦矩阵的逆矩阵(inv_mat)。
用逆矩阵乘以余弦向量，得到临时增益系数(gain_tmp)。
将临时增益系数归一化，得到输出增益系数(gain_out)。
接下来，定义了一个模块panning_audio，用于计算每个扬声器三角形的临时音频信号(audio_out)。这个模块的输入是输入音频信号(audio_in)和增益系数(gain_in)，输出是临时音频信号(audio_out)。这个模块的内部逻辑是：
遍历所有的扬声器三角形，对每个三角形：
将输入音频信号乘以增益系数，得到临时音频信号。
最后，定义了一个顶层模块panning_top，用于实现panning算法。这个模块的输入是输入音频信号(audio_in)和音源位置(source_pos)，输出是每个扬声器的输出音频信号(audio_out)。这个模块的内部逻辑是：
实例化panning模块，计算增益系数(gain[tri_idx])。
实例化panning_audio模块，计算临时音频信号(audio_tmp)。
找到包含音源位置的扬声器三角形，并记录其索引(tri_idx)。
对每个扬声器，将所有三角形的临时音频信号相加，得到总和音频信号(audio_sum)。
将总和音频信号赋值给输出音频信号(audio_out)。
本发明提供了一种基于FPGA的新型环绕声混音方法和设备，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的新型环绕声混音方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，定义扬声器空间位置结构体，所述扬声器空间位置结构体包括扬声器索引号、扬声器的方位角、扬声器的俯仰角和扬声器的属性；
步骤2，定义虚拟源结构体，所述虚拟源结构体包括虚拟源的感知声像宽度、方位角和俯仰角；
步骤3，将扬声器空间位置结构体和虚拟源结构体中的方向转化为单位向量；
步骤4，检索最接近虚拟源方向的扬声器三角面，计算最接近虚拟源方向的扬声器三角面的法向量；
步骤5，计算步骤4得到的法向量和虚拟源向量的夹角和夹角余弦值，所述虚拟源向量即步骤3得到的单位向量；
步骤6，判断输出结果的合法性：如果夹角余弦值超出阈值，则判定虚拟源的方位超过扬声器布局的重放极限，向用户提示出现异常；根据三角面索引，计算相应的扬声器向量；三角面索引指的是步骤4中提到的扬声器三角面在程序中的标号；
步骤7，计算增益系数并归一化增益系数，将归一化后的增益系数更新到调音台母线增益系数的成员变量中；
步骤3中，创造一个模长是1的单位向量所述单位向量的指向和虚拟源结构体中的角度信息一致，计算公式为：Φ是虚拟源的极角，θ是虚拟源的方位角；
步骤4中，计算所有的三角面法向量和虚拟源向量的夹角，并进行排序，找到最小的夹角，从而得到最接近虚拟源方向的扬声器三角面的法向量；
步骤7中，将三角面中包含的扬声器向量和虚拟源向量求余弦得到增益系数a、b、c，先计算a、b、c的均方根即平方平均数再分别用a、b、c除以即得到归一化后的结果。
2.一种采用如权利要求1所述的方法实现的基于FPGA的新型环绕声混音设备，其特征在于，包括ADC模块，DAC模块和FPGA核心板；
所述ADC模块包括信号调理电路、程控放大电路、ADC电路、第一LVDS电路和第一辅助电源；
所述信号调理电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器和ULN2803芯片；
所述第一电容和第二电容组成射频滤波电容，所述第三电容和第四电容组成耦合电容，所述第一电阻和第二电阻组成幻象电源的限流电阻，所述第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻组成衰减电路的电阻，所述第一继电器控制幻象电源，所述第二继电器控制耦合方式，即电容耦合还是直接耦合，所述第三继电器控制是否衰减信号，所述第四继电器控制是否反转相位；
所述射频滤波电容一端连接到音频信号线，一端连接到参考地；所述第一电阻、第二电阻和第一继电器串联连接，跨接在48V电源和音频信号线之间；
所述第二继电器与耦合电容并联构成旁路；所述第三电阻和第四电阻串联，所述第五电阻和第六电阻串联，分别接在两根音频信号线和参考地之间；
所述第三继电器的常开端接在音频信号线上，常闭端接在第三第四电阻中间和第五第六电阻中间，公共端交叉连接到第四继电器的常开和常闭端；
所述第四继电器的公共端连接到下一级程控放大电路中的程控放大芯片的输入端；所有继电器的线圈接在12V电源和ULN2803芯片的集电极上；所述ULN2803芯片的基极接在程控放大电路部分的程控放大芯片的数字输出引脚上；
所述程控放大电路包括程控放大芯片、差分放大芯片、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和一个电容；
所述第七电阻和第八电阻组成一对分压电阻，所述第九电阻、第十电阻和一个电容组成低通滤波电路；
所述程控放大芯片的输入端连接信号调理电路，输出端连接到差分放大芯片的输入端；
所述差分放大芯片的共模输入端连接到一对分压电阻的中点，第七电阻和第八电阻跨接在ADC芯片的供电电源和参考地之间；
所述差分放大芯片的输出端连接到第九电阻和第十电阻的一端，第九电阻和第十电阻的另一端跨接一颗电容，所述电容的两端作为程控放大电路的输出端连接到ADC芯片的模拟输入端；
所述ADC电路包括ADC芯片、若干去耦电容和若干数字信号线的阻抗匹配电阻；所述去耦电容就近连接在ADC芯片的供电引脚和参考地上；所述阻抗匹配电阻串接在ADC的数字信号引脚上；
所述程控放大电路的输出接在ADC芯片的模拟输入引脚上；
所述ADC芯片的数字信号经过串联的阻抗匹配电阻之后连接到第一LVDS电路中第一DS90芯片的数字引脚上；
所述第一LVDS电路包括第一LVDS芯片、第一DS90芯片和第一终端电阻；所述LVDS信号线接在第一DS90芯片的LVDS引脚上，终端电阻跨接在两根信号线上；所述第一DS90芯片的数字引脚接在ADC芯片外围的阻抗匹配电阻上；
所述DAC模块包括第二LVDS电路、DAC电路、反相电流电压转换电路、低通滤波电路、音频线缆驱动电路和第二辅助电源；
所述第二LVDS电路包括第二LVDS芯片、第二DS90芯片和第二终端电阻，LVDS信号线接在第二DS90芯片的LVDS引脚上，第二终端电阻跨接在两根信号线上；第二DS90芯片的数字引脚接在ADC芯片外围的阻抗匹配电阻上；
所述DAC电路包括DAC芯片、若干去耦电容和若干数字信号线的阻抗匹配电阻，所述去耦电容就近连接在DAC芯片的供电引脚和参考地上，所述阻抗匹配电阻串接在DAC的数字信号引脚上，所述DAC芯片的模拟输出引脚连接到反相电流电压转换电路的输入；
所述反相电流电压转换电路包括运算放大器、反馈电阻和相位补偿电容，所述运算放大器的同相端接参考地，反相端作为输入连接到DAC的模拟输出引脚，反向端与输出端跨接反馈电阻和相位补偿电容；
所述音频线缆驱动电路包括DRV135芯片、输出反馈电容和输出保护电阻，所述输出保护电阻的一端接在DRV135芯片的输出端，另一端接在音频输出插座上，所述输出反馈电容跨接在输出端和反馈端；
信号从外部输入后，滤除射频干扰，经过耦合电容和电阻串联衰减进入程控增益放大器；所述耦合电容和第二继电器触点并联，通过改变触点状态来改变耦合方式；电阻串联衰减部分的低边电阻和第三继电器触点并联，通过改变第三继电器触点状态来改变衰减系数；在耦合电容之前，48V电源经由第一继电器的触点、第一电阻和第二电阻接入信号线，提供幻象电源，通过改变第一继电器触点状态来控制是否施加幻象电源；所述第四继电器使用程控增益放大器的通用输出引脚控制，程控增益放大器输出的数字电平通过达林顿管放大后驱动继电器线圈；
所述ADC模块的时钟输入信号由第一LVDS芯片输出，第一LVDS芯片接受来自FPGA核心板的时钟信号，将LVDS信号转换为单端的时钟信号后送入ADC模块，ADC模块输出的单端串行音频信号通过第一LVDS芯片转换后送回FPGA核心板；
所述第一LVDS芯片和第二LVDS芯片均传输8路串行音频信号，所述8路串行音频信号包括一组主时钟，一组位时钟，一组字时钟，四组串行音频数据；四组串行音频数据线中，每一组音频数据线中包含两个通道的音频信号，从而对应8路串行音频信号；
来自ADC模块的CMOS电平的单端数字信号经过DS90芯片变换成LVDS信号后，通过SFF-8643端子送出至FPGA核心板，LVDS信号输入到DS90和终端电阻后变换成电压信号，经过DS90放大后送入DAC模块，生成电流型差分模拟音频信号；
将DAC模块输出的电流信号转换成电压信号，运算放大器的同相端接地，电流信号输入到运算放大器的反向端，在反相端和输出端跨接一颗高精度金属膜电阻，构成反向电流电压转换电路；
所述反馈电阻使用金属膜MELF电阻，在反馈电阻上跨接一颗小电容，用于避免电路板分布参数引起的放大器的高频自激振荡；之后，使用一颗运放构成MFB结构的差分低通滤波器，用来滤除DAC模块输出信号中包含的过采样时钟成分和超声成分，将MFB结构的差分低通滤波器所输出的单端信号转换成专业音频所需的+24dBu平衡音频信号；
来自FPGA核心板的数字音频信号经过LVDS芯片转换为单端数字信号后送入DAC模块，DAC模块的模拟输出信号通过反相电流电压转换电路后，送入一MFB结构的差分低通滤波器，从而重建原始的模拟音频信号；
使用Verilog语言编写数字逻辑，烧录到FPGA芯片中实现如权利要求1所述的方法，所述数字逻辑具体包括：
步骤a1，根据给定的音源位置source_pos，计算每个扬声器的输出音频信号，实现三维音频定位，所述音源位置包括虚拟源的方位角和仰角；
步骤a2，定义如下参数：扬声器的数量N、扬声器三角形的数量M、音频通道的数量L、扬声器的位置speaker_pos、扬声器三角形speaker_tri、输入音频信号audio_in和输出音频信号audio_out；
步骤a3，定义一个模块panning，用于计算给定音源位置的增益系数gain_out，模块panning的输入是音源位置source_pos，输出是增益系数gain_out；模块panning的内部逻辑包括：
将音源位置从球坐标转换为笛卡尔坐标，得到余弦向量cos_vec；
遍历所有的扬声器三角形，找到包含音源位置的三角形X，并记录三角形X的索引tri_idx；
计算三角形X的余弦矩阵cos_mat，余弦矩阵cos_mat包括每个扬声器方向的余弦向量；
计算余弦矩阵cos_mat的行列式det，并检查行列式det是否为零，如果不为零，计算余弦矩阵cos_mat的逆矩阵inv_mat，用逆矩阵inv_mat乘以余弦向量，得到临时增益系数gain_tmp，将临时增益系数gain_tmp归一化，得到输出增益系数gain_out；
步骤a4，定义一个模块panning_audio，用于计算每个扬声器三角形的临时音频信号audio_out，模块panning_audio的输入是输入音频信号audio_in和增益系数gain_in，输出是临时音频信号audio_out，模块panning_audio的内部逻辑包括：
遍历所有的扬声器三角形，对每个扬声器三角形，将输入音频信号乘以增益系数，得到临时音频信号；
步骤a5，定义一个顶层模块panning_top，用于实现声像平移算法，顶层模块panning_top的输入是输入音频信号audio_in和音源位置source_pos，输出是每个扬声器的输出音频信号audio_out，顶层模块panning_top的内部逻辑包括：
实例化panning模块，计算增益系数gain[tri_idx]；
实例化panning_audio模块，计算临时音频信号audio_tmp；
找到包含音源位置的扬声器三角形X，并记录三角形X的索引tri_idx；
对每个扬声器，将所有三角形的临时音频信号相加，得到总和音频信号audio_sum；
将总和音频信号赋值给输出音频信号audio_out。
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