基于UniSpeech-SDA80D51的車載音響語音控制系統(tǒng)

　　目前我國(guó)的車身電子語音控制主要集中在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用上，語音識(shí)別技術(shù)在車身電子中的應(yīng)用沒有充分發(fā)揮。本文首次提出了一種以專用語音處理芯片UniSpeech-SDA80D51為核心組成的非特定人車載音響語音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)樣機(jī)的研制。

　　1 車載音響語音控制系統(tǒng)

　　系統(tǒng)由語音采集、語音識(shí)別、控制驅(qū)動(dòng)和車載音響等模塊構(gòu)成，系統(tǒng)完成的主要功能是：語音采集模塊用于采集駕駛員發(fā)出的語音命令信號(hào)，由語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換, 并對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行語音識(shí)別處理，最終輸出與語音命令相對(duì)應(yīng)的詞條編碼信號(hào)，控制模塊對(duì)接收的詞條編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯分析與處理并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)車載音響動(dòng)作，代替駕駛員的手動(dòng)操作。

　　1.1 語音識(shí)別模塊

　　語音識(shí)別模塊主要由UniSpeech-SDA80D51芯片及外圍電路組成。

　　SDA80D51是德國(guó)Infineon公司專為語音識(shí)別和語音處理應(yīng)用領(lǐng)域新推出的高集成度SoC專用芯片，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　由圖1可知，SDA80D51片內(nèi)集成了直接雙訪問快速SRAM、2路ADC和2路DAC、多種通信接口和通用GPIO等部件。SDA80D51工作方式以M8051為主控制芯片，主要完成系統(tǒng)配置和SPI、PWM、I2C、GPIO等接口的控制以及語音數(shù)據(jù)的傳輸工作; DSP核心OAK為協(xié)處理器，完成語音識(shí)別算法、語音編解碼算法等語音處理工作。

　　非特定人語音信號(hào)由定向拾音器輸入，經(jīng)過SDA80D51內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過識(shí)別程序的預(yù)處理、端點(diǎn)檢測(cè)、特征參數(shù)提取、模板匹配等處理，選擇識(shí)別詞表中最接近的詞條序號(hào)作為識(shí)別結(jié)果，識(shí)別結(jié)果通過GPIO口輸出。

　　1.2 控制驅(qū)動(dòng)模塊

　　控制驅(qū)動(dòng)模塊由MCU和模擬開關(guān)及外圍電路構(gòu)成，模塊主要用來接收語音識(shí)別結(jié)果，并對(duì)詞條編碼信號(hào)進(jìn)行邏輯分析和處理，通過模擬開關(guān)電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)功能的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)音響動(dòng)作。其中MCU選用美國(guó)ATMEL公司產(chǎn)品AT89S51，綜合AT89S51輸出I/O信號(hào)電壓特性和SL1102C1音響控制面板電阻式分流鍵盤電路的特點(diǎn)，確定使用繼電器模擬SL1102C1控制面板按鍵的閉合和斷開動(dòng)作。AT89S51和繼電器模擬開關(guān)電路原理圖如圖2所示。

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　　1.3 音響模塊

　　本設(shè)計(jì)是基于SL1102C1型汽車音響。SL1102C1是專門為中檔轎車設(shè)計(jì)的汽車音響，具有MP3播放、收音機(jī)和顯示時(shí)間等功能，目前大量使用在江淮同悅轎車上。SL1102C1前板共有開關(guān)機(jī)/靜音、音效、播放/暫停等15個(gè)按鍵和一個(gè)用來調(diào)節(jié)音量的編碼開關(guān)。

　　SL1102C1前板鍵控為分壓識(shí)別方式，按鍵包含短按和長(zhǎng)按兩種動(dòng)作。AT89S51輸出電壓為TTL電平，直接驅(qū)動(dòng)音響容易引起鍵碼誤識(shí)別，造成系統(tǒng)誤操作，因此本文采用圖2所示電路，很好地解決了上述問題。當(dāng)AT89S51接收到語音編碼信號(hào)后，立即進(jìn)行邏輯分析并輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器吸合模擬按鍵動(dòng)作，按鍵的短按和長(zhǎng)按功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。

　　模擬開關(guān)電路還適用于SL1102C1前板上的編碼開關(guān)，編碼開關(guān)具有音量調(diào)節(jié)功能。開關(guān)旋鈕旋轉(zhuǎn)時(shí)，開關(guān)上端子輸出對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)。當(dāng)MCU收到操作編碼開關(guān)的語音命令信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)端子輸出脈沖信號(hào)，模擬開關(guān)旋鈕功能。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包括非特定人語音識(shí)別模塊和邏輯控制模塊。

　　2.1 非特定人語音識(shí)別模塊

　　非特定人語音識(shí)別模塊基于隱馬爾可夫模型算法。HMM算法通過對(duì)大量語音數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立識(shí)別詞條的統(tǒng)計(jì)模型語音庫，然后從待識(shí)別語音中提取特征，與模型庫進(jìn)行匹配，由比較匹配分?jǐn)?shù)得到識(shí)別結(jié)果，并通過SDA80D51的GPIO口輸出。非特定人語音識(shí)別模塊主要由信號(hào)預(yù)處理、特征參數(shù)提取、模型匹配和Viterbi算法部分組成，模塊框圖如圖3所示。

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　　2.1.1 信號(hào)預(yù)處理

　　信號(hào)預(yù)處理部分主要完成輸入語音信號(hào)的采樣、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。A/D變換由SDA80D51內(nèi)嵌12位A/D變換器實(shí)現(xiàn)，采樣頻率固定為8 kHz。

　　2.1.2 特征參數(shù)提取

　　特征參數(shù)提取基于語音幀，采用分幀提取特片。先對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行重疊分幀，前一幀和后一幀重疊一半(幀信號(hào)重疊是體現(xiàn)相鄰兩幀數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性)，幀長(zhǎng)為25 ms，對(duì)每幀提取一次語音特片。

　　MFCC參數(shù)屬于感知頻域倒譜參數(shù)，反映了語音信號(hào)短時(shí)幅度譜的特征。p維MFCC參數(shù)的具體計(jì)算提取過程如下：

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　　(1)用DFFT對(duì)每幀s(n:m)計(jì)算線性頻譜，計(jì)算頻譜模的平方為功率譜;

　　(2)功率譜經(jīng)過 Mel 濾波器組獲得到D個(gè)參數(shù)X(i)，D是Mel濾波器組中三角形濾波器的數(shù)量;

　　(3)對(duì)X(i)做對(duì)數(shù)運(yùn)算和離散余弦變換，余弦變換計(jì)算公式如下:

　　式中的Y(i)是第i個(gè)Mel濾波器對(duì)數(shù)能量的輸出，i=1,2,…,D。