新工科背景下语音信号处理虚拟仿真实验平台设计

刘霞 王秀芳 李艳辉 霍凤财 梁红卫

摘要：针对“新工科”对学生的工程应用能力和综合素质提出更高要求的背景下，开发了基于Matlab GUI的语音信号处理虚拟仿真实验平台。该平台可实时录制本人语音信号，并可根据男女声分别进行时域处理、频域处理，声音特殊效果的处理等，通过对比男女声的时频特征，及滤波处理和变声处理的前后变化，加深学生对语音信号处理的体验，提升工程意识和思维能力。

Abstract： In the context of "new engineering" putting forward higher requirements on students' engineering application ability and comprehensive quality， a virtual simulation experiment platform for speech signal processing based on Matlab GUI was developed. The platform can record the voice signal of the person in real time， and can perform time domain processing， frequency domain processing， sound special effect processing， etc. according to the male and female voices respectively， and deepen students' experience in speech signal processing and enhance engineering awareness and thinking ability by comparing the time-frequency characteristics of the male and female voices and the changes before and after filter processing and sound processing.

关键词：MATLAB;语音信号处理;新工科;实验平台

Key words： MATLAB;voice processing;new engineering;experiment platform

中图分类号：TP75                                          文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）29-0263-02

0  引言

新工科建设是基于国家战略发展的新需求、国际竞争的新形势提出的高等教育改革的新方向[1-2]。随着科技的发展，除了人与人的沟通，人机对话和智能领域也开始使用语言进行交互。因此，语音信号处理是目前发展迅速的热门研究领域。本文以语音为研究对象，采用Matlab GUI设计和开发了语音信号虚拟仿真实验平台。本实验平台学生可录制本人语音信号，并可根据自己是男生和女生，对自己的声音进行时域处理、频域处理，声音特殊效果的处理等，可对比男女声的时频特征，及滤波处理和变声处理的前后变化等。学生参与实验中，可激发学生的学习兴趣，加深学生对语音信号处理的体验，提升工程意识和综合应用能力[3]。

1  实验仿真平台的总体设计

该语音信号处理仿真实验平台采用Matlab的图形用户界面设计可视化的主界面，在主界面中，将每个功能设计成“按钮”控件来完成，单击按钮，调用相应的回调函数，弹出新的图形窗口，在该窗口中实现具体的语音处理功能。总体框架如图1所示。实验平台主界面如图2所示。

2  仿真实验

2.1 录音及播放

实验平台使用电脑的声卡设备采集声音信号并保存为*.wav格式[4];单击主界面的“录音与播放”按钮，在弹出界面中可实现录制及播放，可通过文本框控制录制的时间，并绘制时域波形和频谱图，如图3所示。

2.2 男女声语音处理实验

单击主界面中的“调幅”、“回声”按钮，可对男女声分别进行调整振幅、和设置回声效果，并绘制波形图和频谱图，便于对比男女声的特征。界面如图4、图5所示。

2.3 语音特效处理实验

单击主界面中的“变声”、“调速”、“倒放”等按钮，可实现对声音信号的处理。如变声实验可实现对导入的音频信号进行“大叔”“萝莉”“搞怪”三种变声处理，如图6所示。

倒放实验可对原始声音信号进行倒放并且自动绘制倒放后信号的波形图和频谱图，同时播放倒放后的声音信号，如图7所示。

2.4 语音滤波处理实验

语音滤波处理实验可对含噪语音信号进行低通高通滤波处理，截止频率可调，并可通过输入“音量级数”补偿滤波后语音信号能量的损失。滤波界面如图8所示。

3  结语

本实验平台基于Matlab的GUI技术实现了人机交互界面设计，通过窗口、按钮，菜单等控件实现了对语音信号的实时采集及播放、处理、保存等功能，界面操作简单、便于学习。实验内容精心设计，通过男女声的对比处理，结合自身体验完成实验内容，激发学生的学习兴趣，提升工程应用能力，符合新工科培养的要求。

参考文献：

[1]朱君，宋树祥，秦柳丽，等.“新工科”创新理念的电子信息类专业基础实践教学改革[J].实验技术与管理，2017，34（11）：171-173.

[2]韓建，牟海维，等.新工科背景下数字信号处理课程教学方法探讨[J].教育教学坛，2019（11）：185-186.

[3]孟若兰，刘艳，等.基于MATLAB GUI 的变声器设计与实现[J].电子测试，2018（17）：19-20.

[4]杜海龙，黄池军.基于MATLAB 的语音信号仿真与分析[J].河南科技，2014（10）：10-11.