作者：馬智遠;黃金鳳;張帆;張承學

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～3.4kHz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。

ADPCM是一種利用樣本間的高度相關性和量化階自適應壓縮數據的波形編碼技術。ADPCM綜合了APCM的自適應特性和DPCM的差分特性。它的核心思想是利用自適應改變量化階的大小，即就是使用小的量化階編碼小的差值，使用大的量化階來編碼大的差值；使用過去

的樣本值估算下一個輸入樣本的預測值，實際樣本值和預測值之間的差值總是最小。ADPCM編解碼器的輸入信號是G.711 PCM代碼，若采樣頻率為8 kHz，每個代碼為8位，則它的數據率為64 Kb／s，而ADPCM的輸出代碼是“自適應量化器”的輸出，該輸出是4位的差分信號，它的采樣頻率仍是8 kHz，數據率為32 Kb／s，這樣就獲得了2：1的數據壓縮。

編碼過程：計算8位的二進制補碼的當前采樣值Sc和上一預測采樣值Sp之間的差值d，該差值經量化編碼輸出4位ADPCM代碼I。在算法中，定義一個結構變量存儲預測采樣值Sp和量化步長q，并制定了兩個表：一個表為索引調整表，其輸入為差值量化編碼I，用于更新步長索引；另一個表為步長調整表，其輸入為步長索引，輸出為步長q。編碼時，首先用上一個采樣點的步長索引查步長調整表求出步長q，然后根據下式來確定4位ADPCM編碼值I：

再將編碼值I作為索引調整表的輸入，查表輸出索引調整，并和結構變量中原步長索引相加，產生新的步長索引，在下一個采樣值的編碼中使用。編碼器輸出I后，還需要重復進行與解碼完全一樣的計算過程，求出新的預測采樣值Sp。

解碼過程：首先通過步長索引查步長調整表得到量化步長，差值量化編碼I經逆量化得到語音差值d，這是求I的逆過程；然后與前次預測值Sp。一起重建當前語音信號Sc；最后利用Sp=Sc，更新預測值Sp，用I更新量化步長索引。

設計完成后，對ADPCM編解碼器進行仿真，仿真結果如圖6所示。AD_DataBus為編碼前輸入信號，采用Testbench產生。在編碼使能信號P1_7為“0”時，開始編碼，P1_7跳變到“1”時，編碼被屏蔽。此時解碼使能信號P1_4為“0”，開始解碼，P1_4跳變到“1”時，解碼被屏蔽。可以看出編碼前輸入信號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計是正確可靠的。

4.2 單片機部分

單片機是整個系統的控制中心．負責檢測危險并判斷其類型以選擇播放相應的報警信息。其工作流程如圖7所示。本文給出了采用3個按鍵代表3種危險的發生，供單片機檢測。

選擇常用的51系列單片機AT89C52，用C51語言編程可完成程序設計，實驗效果理想。

5 結束語

本系統設計是單片機與FPGA配合使用，充分發揮各自的優點。獲得理想效果，具有很強的實用性，同時還證明了采用可編程邏輯器件實現語音數字壓縮處理的高效性。實驗證明，本系統可以很好地再現錄入的報警語音，具有較高的保真度。駕駛員可以根據自己的喜好隨意改變報警聲音。危急情況下，本系統會自動發出明確的報警提示，大大提高了駕駛的安全性。

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