基于ADPCM算法的汽车智能语音报警系统的设计

　　1 前言

　　为了防止汽车发生交通事故，当汽车智能检测装置探测到前方有危险时，必须向驾驶员发出警告信息。语音报警向驾驶员明确提示危险，以便驾驶员能及时准确地采取措施。因此，本文提出数字语音处理技术，先将各种状况的报警信息进行数字化采集、存储，遇到危险时，将判断危险类型并自动选择播放存储的报警信息。由于语音信息量大，直接存储需占用庞大的存储空间，为此，本文采用FPGA实现ADPCM(Adaptive Differential Pulse CodeModulation，自适应差分脉冲编码调制)编解码器设计，对语音信息进行压缩存储.从而使存储信息量增大了一倍。

　　2 系统结构及原理

　　本系统设计是以单片机和FPGA为核心。单片机控制系统的工作状态、启动录放音并对录放音时间进行计时、显示。FPGA对采集到的数据进行压缩、存储、解压。单片机与FPGA协调工作，提高了系统的工作效率和稳定性。系统结构如图1所示。

　　首先，将所希望采集的各种报警声音经前向通道(话筒、差分放大器、滤波器、加法器)再由A/D转换器转换为数字信号并送人FPGA进行ADPCM压缩编码处理，然后存储到静态存储器SRAM中。遇到危险时，单片机对危险进行判断，控制FPGA将相应的语音数据从SRAM中取出并进行解码，然后送至8 位的D/A转换器，转换为模拟信号，再经后向通道(滤波器、校正电路、功率放大器、扬声器)复现报警声音。

　　3 系统主要硬件设计

　　3.1 前置放大器

　　采用驻极体话筒采集语音信号，转换其信号幅值为毫伏级的电信号，系统前级对其处理时，要尽可能提高放大器输入端的信噪比，保证放大电路具有精确、稳定的增益。为此，本文设计了如图2所示的检测放大电路。该电路前级采用电压跟随器，利用输入电阻为无穷大而输出趋于零的特性，提供高输入电阻，实现阻抗变换与隔离;后级采用差动放大器，获得较高的共模抑制比，增强电路抗干扰性。

　　电压跟随器由性能优良的低噪声音频放大器NE5532构成，工作电压为12 V，工作带宽为10 MHz，特别适用于语音信息处理。差动放大器采用AD620实现。AD620内部实际上是一个差分放大器，其失调电压电流小，共模抑制比高，因此处理微弱信号时，也就是放大和消除噪声方面具有优异性能，其增益G=1+(49.4 kΩ/Rg)(Rg为接在1、8引脚之间的电阻)。调节电位器R1，使放大的信号幅值介于-2.5 V和2.5 V之间，便于A/D转换器采样量化。

　　3.2 带通滤波器

　　语音信号经放大传输后容易拾取噪声，因此在数据采集之前，需要通过带通滤波器滤除掉带外杂波。人的语音频率范围为300 Hz～3.4 kHz，故滤波器的通带范围应为300 Hz～3.4kHz。如此宽的频带，必须采用低通部分与高通部分相级联的方式实现。

　　高通滤波器设计指标：通带截止频率fp=300Hz，通带允许最大衰减αp≤3 dB;为消除工频干扰，确定阻带截止频率fs=50 Hz，阻带允许最小衰减as>40 dB。选用两级二阶Butterworth高通滤波器相级联构成.仿真结果如图3所示。

　　低通滤波器的设计指标为：通带截止频率fp=3 400 Hz，通带允许最大衰减αp≤3 dB;为抑制采样混叠失真，确定阻带截止频率fs=4 000 Hz，阻带允许最小衰减as≥40 dB。由于椭圆滤波器可以获得较其他滤波器窄的过渡带宽，故适用该系统设计。利用滤波器辅助设计软件Filter Wiz Pro获得五阶椭圆低通滤波器电路如图4、仿真结果如图5所示。

　　级联高通和低通滤波器，即可得到300 Hz～3.4 kHz带通滤波器，实验表明，该滤波器效果良好，达到设计指标。后向通道的带通滤波器的设计与此相同。

　　4 系统软件的设计

　　4.1 FPGA部分

　　选用Altera公司的Cyclone系列的EPlC6Q-240C8实现ADPCM编码器和解码器。该器件含有120 000典型门资源、5 980个逻辑单元、6个RAM模块、92 160 Bit RAM或ROM、2个数字PLL、185个可编程I/O口，最高工作时钟可达300 MHz以上，并通过JTAG接口实现在系统配置。