基于ADPCM算法的汽車智能語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 前言

為了防止汽車發(fā)生交通事故，當(dāng)汽車智能檢測(cè)裝置探測(cè)到前方有危險(xiǎn)時(shí)，必須向駕駛員發(fā)出警告信息。語(yǔ)音報(bào)警向駕駛員明確提示危險(xiǎn)，以便駕駛員能及時(shí)準(zhǔn)確地采取措施。因此，本文提出數(shù)字語(yǔ)音處理技術(shù)，先將各種狀況的報(bào)警信息進(jìn)行數(shù)字化采集、存儲(chǔ)，遇到危險(xiǎn)時(shí)，將判斷危險(xiǎn)類型并自動(dòng)選擇播放存儲(chǔ)的報(bào)警信息。由于語(yǔ)音信息量大，直接存儲(chǔ)需占用龐大的存儲(chǔ)空間，為此，本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)ADPCM(Adaptive Differential Pulse CodeModulation，自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制)編解碼器設(shè)計(jì)，對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行壓縮存儲(chǔ).從而使存儲(chǔ)信息量增大了一倍。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以單片機(jī)和FPGA為核心。單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)、啟動(dòng)錄放音并對(duì)錄放音時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)、顯示。FPGA對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、存儲(chǔ)、解壓。單片機(jī)與FPGA協(xié)調(diào)工作，提高了系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

首先，將所希望采集的各種報(bào)警聲音經(jīng)前向通道(話筒、差分放大器、濾波器、加法器)再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送人FPGA進(jìn)行ADPCM壓縮編碼處理，然后存儲(chǔ)到靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM中。遇到危險(xiǎn)時(shí)，單片機(jī)對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行判斷，控制FPGA將相應(yīng)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)從SRAM中取出并進(jìn)行解碼，然后送至8位的D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)后向通道(濾波器、校正電路、功率放大器、揚(yáng)聲器)復(fù)現(xiàn)報(bào)警聲音。

3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 前置放大器

采用駐極體話筒采集語(yǔ)音信號(hào)，轉(zhuǎn)換其信號(hào)幅值為毫伏級(jí)的電信號(hào)，系統(tǒng)前級(jí)對(duì)其處理時(shí)，要盡可能提高放大器輸入端的信噪比，保證放大電路具有精確、穩(wěn)定的增益。為此，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的檢測(cè)放大電路。該電路前級(jí)采用電壓跟隨器，利用輸入電阻為無(wú)窮大而輸出趨于零的特性，提供高輸入電阻，實(shí)現(xiàn)阻抗變換與隔離;后級(jí)采用差動(dòng)放大器，獲得較高的共模抑制比，增強(qiáng)電路抗干擾性。

電壓跟隨器由性能優(yōu)良的低噪聲音頻放大器NE5532構(gòu)成，工作電壓為12 V，工作帶寬為10 MHz，特別適用于語(yǔ)音信息處理。差動(dòng)放大器采用AD620實(shí)現(xiàn)。AD620內(nèi)部實(shí)際上是一個(gè)差分放大器，其失調(diào)電壓電流小，共模抑制比高，因此處理微弱信號(hào)時(shí)，也就是放大和消除噪聲方面具有優(yōu)異性能，其增益G=1+(49.4 kΩ/Rg)(Rg為接在1、8引腳之間的電阻)。調(diào)節(jié)電位器R1，使放大的信號(hào)幅值介于-2.5 V和2.5 V之間，便于A/D轉(zhuǎn)換器采樣量化。

3.2 帶通濾波器

語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)放大傳輸后容易拾取噪聲，因此在數(shù)據(jù)采集之前，需要通過(guò)帶通濾波器濾除掉帶外雜波。人的語(yǔ)音頻率范圍為300 Hz～3.4 kHz，故濾波器的通帶范圍應(yīng)為300 Hz～3.4kHz。如此寬的頻帶，必須采用低通部分與高通部分相級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。

高通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶截止頻率fp=300Hz，通帶允許最大衰減αp≤3 dB;為消除工頻干擾，確定阻帶截止頻率fs=50 Hz，阻帶允許最小衰減as>40 dB。選用兩級(jí)二階Butterworth高通濾波器相級(jí)聯(lián)構(gòu)成.仿真結(jié)果如圖3所示。

低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：通帶截止頻率fp=3 400 Hz，通帶允許最大衰減αp≤3 dB;為抑制采樣混疊失真，確定阻帶截止頻率fs=4 000 Hz，阻帶允許最小衰減as≥40 dB。由于橢圓濾波器可以獲得較其他濾波器窄的過(guò)渡帶寬，故適用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件Filter Wiz Pro獲得五階橢圓低通濾波器電路如圖4、仿真結(jié)果如圖5所示。

級(jí)聯(lián)高通和低通濾波器，即可得到300 Hz～3.4 kHz帶通濾波器，實(shí)驗(yàn)表明，該濾波器效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。后向通道的帶通濾波器的設(shè)計(jì)與此相同。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

4.1 FPGA部分

選用Altera公司的Cyclone系列的EPlC6Q-240C8實(shí)現(xiàn)ADPCM編碼器和解碼器。該器件含有120 000典型門資源、5 980個(gè)邏輯單元、6個(gè)RAM模塊、92 160 Bit RAM或ROM、2個(gè)數(shù)字PLL、185個(gè)可編程I/O口，最高工作時(shí)鐘可達(dá)300 MHz以上，并通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)配置。

ADPCM是一種利用樣本間的高度相關(guān)性和量化階自適應(yīng)壓縮數(shù)據(jù)的波形編碼技術(shù)。ADPCM綜合了APCM的自適應(yīng)特性和DPCM的差分特性。它的核心思想是利用自適應(yīng)改變量化階的大小，即就是使用小的量化階編碼小的差值，使用大的量化階來(lái)編碼大的差值;使用過(guò)去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測(cè)值，實(shí)際樣本值和預(yù)測(cè)值之間的差值總是最小。ADPCM編解碼器的輸入信號(hào)是G.711 PCM代碼，若采樣頻率為8 kHz，每個(gè)代碼為8位，則它的數(shù)據(jù)率為64 Kb/s，而ADPCM的輸出代碼是“自適應(yīng)量化器”的輸出，該輸出是4位的差分信號(hào)，它的采樣頻率仍是8 kHz，數(shù)據(jù)率為32 Kb/s，這樣就獲得了2：1的數(shù)據(jù)壓縮。

編碼過(guò)程：計(jì)算8位的二進(jìn)制補(bǔ)碼的當(dāng)前采樣值Sc和上一預(yù)測(cè)采樣值Sp之間的差值d，該差值經(jīng)量化編碼輸出4位ADPCM代碼I。在算法中，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)變量存儲(chǔ)預(yù)測(cè)采樣值Sp和量化步長(zhǎng)q，并制定了兩個(gè)表：一個(gè)表為索引調(diào)整表，其輸入為差值量化編碼I，用于更新步長(zhǎng)索引;另一個(gè)表為步長(zhǎng)調(diào)整表，其輸入為步長(zhǎng)索引，輸出為步長(zhǎng)q。編碼時(shí)，首先用上一個(gè)采樣點(diǎn)的步長(zhǎng)索引查步長(zhǎng)調(diào)整表求出步長(zhǎng)q，然后根據(jù)下式來(lái)確定4位ADPCM編碼值I：

再將編碼值I作為索引調(diào)整表的輸入，查表輸出索引調(diào)整，并和結(jié)構(gòu)變量中原步長(zhǎng)索引相加，產(chǎn)生新的步長(zhǎng)索引，在下一個(gè)采樣值的編碼中使用。編碼器輸出I后，還需要重復(fù)進(jìn)行與解碼完全一樣的計(jì)算過(guò)程，求出新的預(yù)測(cè)采樣值Sp。

解碼過(guò)程：首先通過(guò)步長(zhǎng)索引查步長(zhǎng)調(diào)整表得到量化步長(zhǎng)，差值量化編碼I經(jīng)逆量化得到語(yǔ)音差值d，這是求I的逆過(guò)程;然后與前次預(yù)測(cè)值Sp。一起重建當(dāng)前語(yǔ)音信號(hào)Sc;最后利用Sp=Sc，更新預(yù)測(cè)值Sp，用I更新量化步長(zhǎng)索引。

設(shè)計(jì)完成后，對(duì)ADPCM編解碼器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。AD_DataBus為編碼前輸入信號(hào)，采用Testbench產(chǎn)生。在編碼使能信號(hào)P1_7為“0”時(shí)，開始編碼，P1_7跳變到“1”時(shí)，編碼被屏蔽。此時(shí)解碼使能信號(hào)P1_4為“0”，開始解碼，P1_4跳變到“1”時(shí)，解碼被屏蔽?？梢钥闯鼍幋a前輸入信號(hào)AD_DataBus和解碼器輸出DA_DataBus基本符合要求。由于ADPCM算法本身是有損壓縮，可以確定本部分的設(shè)計(jì)是正確可靠的。

4.2 單片機(jī)部分

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心.負(fù)責(zé)檢測(cè)危險(xiǎn)并判斷其類型以選擇播放相應(yīng)的報(bào)警信息。其工作流程如圖7所示。本文給出了采用3個(gè)按鍵代表3種危險(xiǎn)的發(fā)生，供單片機(jī)檢測(cè)。

選擇常用的51系列單片機(jī)AT89C52，用C51語(yǔ)言編程可完成程序設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)效果理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是單片機(jī)與FPGA配合使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。獲得理想效果，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，同時(shí)還證明了采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)字壓縮處理的高效性。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可以很好地再現(xiàn)錄入的報(bào)警語(yǔ)音，具有較高的保真度。駕駛員可以根據(jù)自己的喜好隨意改變報(bào)警聲音。危急情況下，本系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出明確的報(bào)警提示，大大提高了駕駛的安全性。