基于壓縮感知的碰撞聲信號采集與處理研究*

朱 娟

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,襄陽441000）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，私家車已經(jīng)廣為普及，而車禍的發(fā)生也越來越頻繁，尤其在上下班、節(jié)假日等出行高峰期。交通事故發(fā)生后若能及時展開營救，則可有效降低死亡率，保障生命安全。然而，目前在我國采用的交通事故檢測報警方法主要是人為自行報警施救、交通部門監(jiān)控施救、車內(nèi)簡易安全報警裝置等。此類方法實時性差，準(zhǔn)確率低，極易錯過施救的最佳時機，造成不可挽回的后果。

車禍發(fā)生時會產(chǎn)生巨大碰撞聲，該聲音從能量上和持續(xù)時間上區(qū)別于其它聲響，因此其頻譜也和一般聲音不同。國內(nèi)外對此有過大量的相關(guān)研究，例如Brockmann利用傅里葉變換對碰撞聲信號進行分析，但識別效果不佳，誤判較高；Yunlong Zhang提出了利用小波變換分析車輛聲音的方法來檢測車輛事故，得到了很好的識別效果，但是對硬件采樣速率要求較高，增加了無線通信的負(fù)荷[1]。本設(shè)計采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集車輛周圍聲信號，根據(jù)聲信號在頻域中的稀疏性質(zhì)，利用壓縮感知理論低頻采樣并重構(gòu)原始聲信號，同時分析聲音信號的頻譜特征，計算信號在特定高頻帶與低頻帶的能量比，以及對能量比均值和標(biāo)準(zhǔn)差進行特征提取，實現(xiàn)信號分類、識別。該方法能大大降低采樣過程中對硬件采樣速率和能量的要求，且具有較好的識別效果，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)的低成本化和實用化。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要包括以下三部分：聲信號無線采集網(wǎng)絡(luò)；聲信號處理模塊；報警模塊。聲信號被傳感器采集后經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換，送入ZigBee發(fā)送模塊。圖1中的無線聲信號傳感器節(jié)點可設(shè)置多個，分別安裝在車輛的不同位置，實現(xiàn)多路聲信號采集，以提高系統(tǒng)精準(zhǔn)性。ZigBee接收模塊收到聲信號后，數(shù)據(jù)進入DSP芯片進行重構(gòu)與恢復(fù)，并根據(jù)聲信號頻譜特征對車禍?zhǔn)录闆r作出判斷，若符合條件，則驅(qū)動報警模塊[2]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 音頻傳感器

音頻傳感器采用TI公司的PCM3168A芯片，它是一款具有96/192 kHz采樣速率的6通道輸入/8通道輸出，24位多通道音頻編解碼器[3]。支持單端差分可選模擬輸入和差分輸出，在音頻接口上輸出16位/24位寬的數(shù)字十二進制信號。另外，此款PCM3168A還支持時分復(fù)用（TDM）格式，可通過四線、SPI兼容接口、正交線、I2C兼容接口等軟件進行控制。它作為一款可編程的音頻芯片，可通過寫入內(nèi)部寄存器的控制字來設(shè)置工作方式和采樣速率。

2.2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

ZigBee組網(wǎng)芯片采用TI公司的CC2530，它是TI新近推出的符合IEEE 802.15.4的2.4G射頻收發(fā)器，該芯片支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸高達(dá)250kb/s。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051 MCU、可編程Flash存儲器、8kB RAM，同時兼有許多其它強大功能[4]。CC2530比較適用于需要超低功耗的系統(tǒng)，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)，是一個真正的用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。

2.3 DSP數(shù)據(jù)處理芯片

DSP數(shù)據(jù)處理芯片采用TI公司的TMS320C6678，它是一款基于KeyStone架構(gòu)的多核固定浮點數(shù)字信號處理器，支持高性能的信號處理應(yīng)用。它運行速度最高可達(dá)1.25GHz，在該速度下它可以進行每秒160千兆次浮點運算，而且在通常情況下消耗的電能不到10W。TMS320C6678處理器的特色是它每一個DSP內(nèi)核都有512kB的L2內(nèi)存；此外，8MB的芯片內(nèi)存中有4MB的共享內(nèi)存，并且這兩個內(nèi)存都有糾錯碼。它的DDR3界面是64位的，有8位糾錯碼，運行速度可高達(dá)1600Mb/s，同時支持高達(dá)8GB的外部存儲器數(shù)據(jù)存取[5]。

3 壓縮感知聲信號采集與處理算法

3.1 碰撞聲信號的采集算法

本系統(tǒng)軟件是在TI公司的CCS 5.5開發(fā)環(huán)境下進行的，它提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，支持C語言和匯編語言混合編程，是使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。程序編寫首先要對用到的模塊的各種寄存器進行設(shè)置，其次是對算法的設(shè)計編寫。本設(shè)計采用壓縮感知技術(shù)，利用聲學(xué)信號的特點，設(shè)計了聲信號的新型隨機壓縮采樣方法，在保證中心節(jié)點端信號重構(gòu)精度的前提下降低無線傳感器的平均采樣速率[6]。壓縮感知的核心思想是對具有稀疏性的信號進行降維投影，以低于奈奎斯特采樣頻率的頻率進行采樣。主要用到的技術(shù)包括信號的稀疏表示、觀測矩陣設(shè)計和信號重構(gòu)三部分。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多路性和壓縮感知的重構(gòu)性提出一種新型的基于部分信號隨機投影的多路稀疏采樣機制，理論上可證明該方法具備基本的恢復(fù)原始信號的能力[7]。多路隨機采樣需建立在單路采樣的基礎(chǔ)上，具體操作如下：倘若共設(shè)置4路無線傳感網(wǎng)絡(luò)聲信號傳感器，每路節(jié)點按照圖2所示算法在標(biāo)準(zhǔn)單位矩陣上隨機取出若干非零值，得到一個原觀測矩陣，然后分別只取原觀測矩陣的1/4，形成4個單路A/D的隨機投影。硬件實現(xiàn)時，4路A/D模塊同時按照一定規(guī)律進行隨機壓縮采樣，在處理器段對每個A/D稀疏采樣得到的信號進行m/4的隨機投影，再將這4個單路采集的結(jié)果合并在一起形成新的隨機觀測矩陣，并在此新觀測矩陣上進行聲信號的重構(gòu)。

圖2 單路隨機壓縮采樣算法

3.2 聲信號分類識別算法

聲信號的分類識別算法首先是將壓縮感知采集并重構(gòu)的聲信號進行短時加窗分幀，一般選取2s為一幀，再利用聲信號在時域的能量分布、在頻域的能量分布和自相關(guān)函數(shù)作為識別交通事故碰撞聲的特征。該過程具體步驟可歸納如下[8]：

(1)壓縮采集并重構(gòu)聲信號后進行分幀；

(2)時域總能量分布檢測△E=Ec/(Ef+Eb),其中Ec為碰撞峰值能量，Ef為碰撞前t秒平均能量，Eb為碰撞后t秒平均能量，根據(jù)E和△E值來判斷碰撞和非碰撞，滿足，轉(zhuǎn)到(3)，不滿足轉(zhuǎn)到(5)；

(4)對每一幀數(shù)據(jù)，從t時刻開始，每延時△t計算一個自相關(guān)系數(shù)，共N個，記為Rn，定義判別分量P：

P小于預(yù)設(shè)閾值時碰撞的可能性較大。滿足則發(fā)送報警信號，不滿足，轉(zhuǎn)到(5)；

(5)下一幀數(shù)據(jù)處理。

4 仿真及分析

為驗證上述提出的基于壓縮感知技術(shù)的聲信號采集方法的可行性，使用MATLAB軟件對聲音信號文件“汽車碰撞聲.wav”中的一幀（2s）數(shù)據(jù)進行實驗仿真。原始信號的時域及頻域分析如圖3(a)、圖3(b)所示。首先對原始信號進行經(jīng)典奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)采樣，采樣頻率為44.1kHz，通過重構(gòu)算法得到其重構(gòu)信號，如圖3(c)所示；其次將原始信號以低速率分別進行4次壓縮采樣，平均采樣頻率為5kHz；再對低速壓縮采樣的信號進行1/4的隨機投影，將這4個單路采集的結(jié)果合并在一起形成新的隨機觀測矩陣，在此合并的新觀測矩陣上進行聲信號的重構(gòu)，得到壓縮感知采樣的重構(gòu)信號，如圖3(d)所示。

圖3 聲信號重構(gòu)效果對比圖

通過對比發(fā)現(xiàn)，對于稀疏度為8的聲信號，其重構(gòu)精度達(dá)到了10-5的數(shù)量級。而對于壓縮感知隨機壓縮采樣的聲信號，只是隨機選取了部分聲信號進行隨機投影，它得到的聲信號的有用信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于經(jīng)典壓縮采樣。由于經(jīng)典壓縮采樣保留了信號的大部分有用信息，故重構(gòu)過程能保證很好的精度。而對于隨機壓縮采樣，雖然只保留了部分信號，但由于隨機選取部分信號得當(dāng)，亦可達(dá)到10-3的精度數(shù)量級，同樣可保證較高的重構(gòu)精度[9]。

5 結(jié)束語

利用壓縮感知技術(shù)對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的多路聲信號進行壓縮采樣，降低了信號采集節(jié)點的硬件要求，節(jié)省系統(tǒng)能耗，同時利用多路協(xié)同重構(gòu)的方法保證了信號完整性，并針對聲信號的特征進行分類識別，產(chǎn)生報警信號。實驗證明，該方法準(zhǔn)確性高、實用性好，特別適用于硬件條件較差的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號采集。