语音信号处理实验教学的改革与探索

郑展恒，韦照川

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

语音信号处理实验教学的改革与探索

郑展恒，韦照川

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

针对当前语音信号处理实验教学的现状，大多是在MATLAB环境下进行的仿真实验，这能锻炼学生仿真编程能力并得到相应结果，能实际看到或者听到语音信号处理的相关结果与图谱，在此基础上，文章根据语音信号实验教学的实际效果以及综合培养学生软硬件的分析动手能力，引入了基于DSP硬件平台的实时处理环节，结合实验教学管理评定等，对实验进行了探索性的实践尝试。

语音信号；实验教学；改革

随着信息处理技术的不断发展和进步，语音信号处理这门课程已经在很多工科院校陆续开设，该门课程的开设为学生掌握相关语音信号处理的理论与技术，培养语音信号处理方面的应用技能，并进一步扩大就业面作了铺垫，另外，该门课程的开设为部分学生在研究生阶段的语音信号处理学习打下良好的基础，为学生探索新的科技提供了渠道。

这门课程的实验环节也是一项重要的教学环节，语音信号处理课程内容相对较新，难度较大，理论与概念相对抽象，而且理论性和实践性都较强，实践环节对于理论课的掌握与理解起着重要的作用，对加强由理论知识到实践应用有着重要意义，通过实践可以将理论内容以诸如图形或者声音的形式表现出来，使得学生较好地理解相关内容，并在实际的教学环节中根据教学效果的现状不断探索与改进。因此语音信号处理实验课程的开设与不断改进是一个值得研究和不断探索的议题。

1 当前语音实验教学现状

1.1 基础验证性实验

该实验教学的研究与改进是根据实际的理论教学现状和教学效果进行的，现在的语音信号处理实验主要是基于MATLAB的仿真实验，理论课时有32学时，实验共有3个实验，总计6个学时。

实验的主要内容有：对语音信号进行采集与时频域的分析处理，其中的主要实验环节包括：实验一：语音信号采集与简单处理。这部分实验主要是要求：掌握语音信号采集的方法，对语音信号进行提取基音周期、求取短时过零率等处理。通过此次实验让学生自己动手，掌握语音信号录制与采集的基本方法，采集完成后进一步对该语音信号进行分析，通过MATLAB编程实现计算短时过零率，短时能量，基音周期的计算与提取等。

从仿真结果图可以清晰看出短时能量，短时过零率，以及计算清浊音的短时相关函数。从运行结果明确看出：清音短时过零率高，浊音过零率低。如图1所示，短时相关函数可以看出，浊音存在基音周期，其周期是自相关函数峰值之间的时间差，而清音不存在基音周期。这样就能清晰理解相关理论和结论。

图1 清浊音的短时相关函数

实验二：语音信号的频域处理。利用MATLAB对语音信号进行频域谱相减处理，根据语音信号的短时平稳特性，以及人耳感知对语音频谱分量的相位不敏感的特性，对其加入高斯白噪声，从带噪语音的短时谱中估计出“纯净”语音的短时谱，研究和实现基本谱相减的语音增强算法。

通过算法编程得到谱减法语音增强的结果如图2所示，蓝色为原始含噪语音，黄色为谱相减处理的结果，这样能直观理解谱减法。

这两个实验设置主要是通过相关理论的学习，以及对语音信号的采集与处理方法的掌握，通过实验编程验证相关的理论和得出相应的结论。

1.2 分析设计性实验

实验三：语音信号进行倒谱分析。该部分内容是在前面两个实验基础上，再进一步理解和掌握语音处理的理论和算法，主要是倒谱计算以及LPC线性预测系数的计算，对线性预测系数的计算实现自主编程，最终实现LPC倒谱法基音周期的提取，并得出相应的结论。

图2 谱减法语音增强结果图

首先通过倒谱分析把声门激励信号与声道冲击信号分开，从而求得声道共振特征和基音周期。算法的基本过程：对原始语音进行分帧加窗、LPC分析、逆滤波、DFT、取对数，最后经过逆变换实现检测基音周期。这较前面的内容进一步加强了学生的主动学习研究和探索能力的培养，进一步加深理论知识的理解。结果如图3所示。

2 实验内容的探索改进

此次实验就是在验证仿真基础上增加语音信号在硬件系统上实时处理的环节。

实验四：语音信号的数字回声处理。本项目是研究将DSP实时处理技术应用到语音信号处理实验中，改变过去单一的只用MATLAB来做语音信号处理仿真实验的状况。实验通过SEED-DTK_VPM642实验箱进行，以TMS320DM642DSP芯片为核心处理器，利用AIC23语音芯片实现语音数据的采集与回放。在研究MATLAB语音处理算法的基础上，掌握算法在DSP上的编程和下载调试，实现语音信号的采集、处理、回声等算法编程和下载调试的研究，通过耳机听其处理效果，通过对延迟参数的调整得到的不同回声效果进行分析比较，激发学生的学习兴趣。

图3 LPC倒谱法基音周期

3 实验教学的管理与效果的评定

在具体实验教学中，第一，要理论联系教学的实际，针对实践教学中的问题及时研究和讨论具体的教学实施细则，为获取更好的实践教学效果服务。第二，把每个实验环节的课前预习、课堂学习与实验效果、课后的实践总结报告三者相结合，作为最后实验成绩的评定依据，并且验证性实验与设计性实验在整个评定中的比重分别为40%和60%，以便真实地反映出学生的实践效果。

4 结语

实验教学在连续3年的语音信号处理实验中，把实验验证仿真与基于DSP的实时语音处理环节相结合，取得了较好的实验教学效果，增强和深化学生对语音信号处理算法和实时实现的理解，增强了理论联系实际的应用能力，锻炼、激发了学生的自主动手能力和学习兴趣，学生反映良好。

[1]赵力.语音信号处理[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]韩纪庆，张磊，郑铁然.语音信号处理[M].北京：清华大学出版社，2013.

[3]杨毅.语音信号处理实验的改革与实践[J].实验室研究与探索，2014（33）：123-126.

[4]刘卫东，孟晓静，王艳芬.语音信号处理实验教学改革研究探索[J].实验室研究与探索，2008（27）：72-74.

Reform and exploration of experimental teaching of speech signal processing

Zheng Zhanheng, Wei Zhaochuan
（Information and Communication College of Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China）

In view of the current situation of processing of speech signal of experimental teaching, mostly simulation experiments are carried out in the MATLAB environment, which can exercise the students’ programming abilities and get corresponding simulation results, and can actually see or hear the reault and map of the processing of speech signal, on this basis, according to the practice of experimental teaching of speech signal and training of students' ability to analyze of software and hardware, the real-time processing based on DSP hardware platform is introduced, and combine with the experimental teaching management assessment, an exploratory practice is conducted.

speech signal; experimental teaching; reform

桂林电子科技大学教育教学改革项目（实践教学改革专项）；项目名称：语音信号处理实验改革与研究；项目编号：JGS201115。

郑展恒（1978— ），男，陕西杨凌，讲师；研究方向：信号处理，语音信号处理。