基于ADPCM算法的汽車智能語音報警系統的設計

　　1 前言

　　為了防止汽車發生交通事故，當汽車智能檢測裝置探測到前方有危險時，必須向駕駛員發出警告信息。語音報警向駕駛員明確提示危險，以便駕駛員能及時準確地采取措施。因此，本文提出數字語音處理技術，先將各種狀況的報警信息進行數字化采集、存儲，遇到危險時，將判斷危險類型并自動選擇播放存儲的報警信息。由于語音信息量大，直接存儲需占用龐大的存儲空間，為此，本文采用FPGA實現ADPCM(Adaptive Differential Pulse CodeModulation，自適應差分脈沖編碼調制)編解碼器設計，對語音信息進行壓縮存儲.從而使存儲信息量增大了一倍。

　　2 系統結構及原理

　　本系統設計是以單片機和FPGA為核心。單片機控制系統的工作狀態、啟動錄放音并對錄放音時間進行計時、顯示。FPGA對采集到的數據進行壓縮、存儲、解壓。單片機與FPGA協調工作，提高了系統的工作效率和穩定性。系統結構如圖1所示。

　　首先，將所希望采集的各種報警聲音經前向通道(話筒、差分放大器、濾波器、加法器)再由A/D轉換器轉換為數字信號并送人FPGA進行ADPCM壓縮編碼處理，然后存儲到靜態存儲器SRAM中。遇到危險時，單片機對危險進行判斷，控制FPGA將相應的語音數據從SRAM中取出并進行解碼，然后送至8 位的D/A轉換器，轉換為模擬信號，再經后向通道(濾波器、校正電路、功率放大器、揚聲器)復現報警聲音。

　　3 系統主要硬件設計

　　3.1 前置放大器

　　采用駐極體話筒采集語音信號，轉換其信號幅值為毫伏級的電信號，系統前級對其處理時，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、穩定的增益。為此，本文設計了如圖2所示的檢測放大電路。該電路前級采用電壓跟隨器，利用輸入電阻為無窮大而輸出趨于零的特性，提供高輸入電阻，實現阻抗變換與隔離;后級采用差動放大器，獲得較高的共模抑制比，增強電路抗干擾性。

　　電壓跟隨器由性能優良的低噪聲音頻放大器NE5532構成，工作電壓為12 V，工作帶寬為10 MHz，特別適用于語音信息處理。差動放大器采用AD620實現。AD620內部實際上是一個差分放大器，其失調電壓電流小，共模抑制比高，因此處理微弱信號時，也就是放大和消除噪聲方面具有優異性能，其增益G=1+(49.4 kΩ/Rg)(Rg為接在1、8引腳之間的電阻)。調節電位器R1，使放大的信號幅值介于-2.5 V和2.5 V之間，便于A/D轉換器采樣量化。

　　3.2 帶通濾波器

　　語音信號經放大傳輸后容易拾取噪聲，因此在數據采集之前，需要通過帶通濾波器濾除掉帶外雜波。人的語音頻率范圍為300 Hz～3.4 kHz，故濾波器的通帶范圍應為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聯的方式實現。

　　高通濾波器設計指標：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。選用兩級二階Butterworth高通濾波器相級聯構成.仿真結果如圖3所示。

　　低通濾波器的設計指標為：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渡帶寬，故適用該系統設計。利用濾波器輔助設計軟件Filter Wiz Pro獲得五階橢圓低通濾波器電路如圖4、仿真結果如圖5所示。

　　級聯高通和低通濾波器，即可得到300 Hz～3.4 kHz帶通濾波器，實驗表明，該濾波器效果良好，達到設計指標。后向通道的帶通濾波器的設計與此相同。

　　4 系統軟件的設計

　　4.1 FPGA部分

　　選用Altera公司的Cyclone系列的EPlC6Q-240C8實現ADPCM編碼器和解碼器。該器件含有120 000典型門資源、5 980個邏輯單元、6個RAM模塊、92 160 Bit RAM或ROM、2個數字PLL、185個可編程I/O口，最高工作時鐘可達300 MHz以上，并通過JTAG接口實現在系統配置。