語音信號處理實驗教學(xué)的改革與探索

鄭展恒，韋照川

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

語音信號處理實驗教學(xué)的改革與探索

鄭展恒，韋照川

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

針對當(dāng)前語音信號處理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，大多是在MATLAB環(huán)境下進行的仿真實驗，這能鍛煉學(xué)生仿真編程能力并得到相應(yīng)結(jié)果，能實際看到或者聽到語音信號處理的相關(guān)結(jié)果與圖譜，在此基礎(chǔ)上，文章根據(jù)語音信號實驗教學(xué)的實際效果以及綜合培養(yǎng)學(xué)生軟硬件的分析動手能力，引入了基于DSP硬件平臺的實時處理環(huán)節(jié)，結(jié)合實驗教學(xué)管理評定等，對實驗進行了探索性的實踐嘗試。

語音信號；實驗教學(xué)；改革

隨著信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，語音信號處理這門課程已經(jīng)在很多工科院校陸續(xù)開設(shè)，該門課程的開設(shè)為學(xué)生掌握相關(guān)語音信號處理的理論與技術(shù)，培養(yǎng)語音信號處理方面的應(yīng)用技能，并進一步擴大就業(yè)面作了鋪墊，另外，該門課程的開設(shè)為部分學(xué)生在研究生階段的語音信號處理學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，為學(xué)生探索新的科技提供了渠道。

這門課程的實驗環(huán)節(jié)也是一項重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，語音信號處理課程內(nèi)容相對較新，難度較大，理論與概念相對抽象，而且理論性和實踐性都較強，實踐環(huán)節(jié)對于理論課的掌握與理解起著重要的作用，對加強由理論知識到實踐應(yīng)用有著重要意義，通過實踐可以將理論內(nèi)容以諸如圖形或者聲音的形式表現(xiàn)出來，使得學(xué)生較好地理解相關(guān)內(nèi)容，并在實際的教學(xué)環(huán)節(jié)中根據(jù)教學(xué)效果的現(xiàn)狀不斷探索與改進。因此語音信號處理實驗課程的開設(shè)與不斷改進是一個值得研究和不斷探索的議題。

1 當(dāng)前語音實驗教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 基礎(chǔ)驗證性實驗

該實驗教學(xué)的研究與改進是根據(jù)實際的理論教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)效果進行的，現(xiàn)在的語音信號處理實驗主要是基于MATLAB的仿真實驗，理論課時有32學(xué)時，實驗共有3個實驗，總計6個學(xué)時。

實驗的主要內(nèi)容有：對語音信號進行采集與時頻域的分析處理，其中的主要實驗環(huán)節(jié)包括：實驗一：語音信號采集與簡單處理。這部分實驗主要是要求：掌握語音信號采集的方法，對語音信號進行提取基音周期、求取短時過零率等處理。通過此次實驗讓學(xué)生自己動手，掌握語音信號錄制與采集的基本方法，采集完成后進一步對該語音信號進行分析，通過MATLAB編程實現(xiàn)計算短時過零率，短時能量，基音周期的計算與提取等。

從仿真結(jié)果圖可以清晰看出短時能量，短時過零率，以及計算清濁音的短時相關(guān)函數(shù)。從運行結(jié)果明確看出：清音短時過零率高，濁音過零率低。如圖1所示，短時相關(guān)函數(shù)可以看出，濁音存在基音周期，其周期是自相關(guān)函數(shù)峰值之間的時間差，而清音不存在基音周期。這樣就能清晰理解相關(guān)理論和結(jié)論。

圖1 清濁音的短時相關(guān)函數(shù)

實驗二：語音信號的頻域處理。利用MATLAB對語音信號進行頻域譜相減處理，根據(jù)語音信號的短時平穩(wěn)特性，以及人耳感知對語音頻譜分量的相位不敏感的特性，對其加入高斯白噪聲，從帶噪語音的短時譜中估計出“純凈”語音的短時譜，研究和實現(xiàn)基本譜相減的語音增強算法。

通過算法編程得到譜減法語音增強的結(jié)果如圖2所示，藍色為原始含噪語音，黃色為譜相減處理的結(jié)果，這樣能直觀理解譜減法。

這兩個實驗設(shè)置主要是通過相關(guān)理論的學(xué)習(xí)，以及對語音信號的采集與處理方法的掌握，通過實驗編程驗證相關(guān)的理論和得出相應(yīng)的結(jié)論。

1.2 分析設(shè)計性實驗

實驗三：語音信號進行倒譜分析。該部分內(nèi)容是在前面兩個實驗基礎(chǔ)上，再進一步理解和掌握語音處理的理論和算法，主要是倒譜計算以及LPC線性預(yù)測系數(shù)的計算，對線性預(yù)測系數(shù)的計算實現(xiàn)自主編程，最終實現(xiàn)LPC倒譜法基音周期的提取，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

圖2 譜減法語音增強結(jié)果圖

首先通過倒譜分析把聲門激勵信號與聲道沖擊信號分開，從而求得聲道共振特征和基音周期。算法的基本過程：對原始語音進行分幀加窗、LPC分析、逆濾波、DFT、取對數(shù)，最后經(jīng)過逆變換實現(xiàn)檢測基音周期。這較前面的內(nèi)容進一步加強了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)研究和探索能力的培養(yǎng)，進一步加深理論知識的理解。結(jié)果如圖3所示。

2 實驗內(nèi)容的探索改進

此次實驗就是在驗證仿真基礎(chǔ)上增加語音信號在硬件系統(tǒng)上實時處理的環(huán)節(jié)。

實驗四：語音信號的數(shù)字回聲處理。本項目是研究將DSP實時處理技術(shù)應(yīng)用到語音信號處理實驗中，改變過去單一的只用MATLAB來做語音信號處理仿真實驗的狀況。實驗通過SEED-DTK_VPM642實驗箱進行，以TMS320DM642DSP芯片為核心處理器，利用AIC23語音芯片實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的采集與回放。在研究MATLAB語音處理算法的基礎(chǔ)上，掌握算法在DSP上的編程和下載調(diào)試，實現(xiàn)語音信號的采集、處理、回聲等算法編程和下載調(diào)試的研究，通過耳機聽其處理效果，通過對延遲參數(shù)的調(diào)整得到的不同回聲效果進行分析比較，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖3 LPC倒譜法基音周期

3 實驗教學(xué)的管理與效果的評定

在具體實驗教學(xué)中，第一，要理論聯(lián)系教學(xué)的實際，針對實踐教學(xué)中的問題及時研究和討論具體的教學(xué)實施細則，為獲取更好的實踐教學(xué)效果服務(wù)。第二，把每個實驗環(huán)節(jié)的課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)與實驗效果、課后的實踐總結(jié)報告三者相結(jié)合，作為最后實驗成績的評定依據(jù)，并且驗證性實驗與設(shè)計性實驗在整個評定中的比重分別為40%和60%，以便真實地反映出學(xué)生的實踐效果。

4 結(jié)語

實驗教學(xué)在連續(xù)3年的語音信號處理實驗中，把實驗驗證仿真與基于DSP的實時語音處理環(huán)節(jié)相結(jié)合，取得了較好的實驗教學(xué)效果，增強和深化學(xué)生對語音信號處理算法和實時實現(xiàn)的理解，增強了理論聯(lián)系實際的應(yīng)用能力，鍛煉、激發(fā)了學(xué)生的自主動手能力和學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生反映良好。

[1]趙力.語音信號處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]韓紀慶，張磊，鄭鐵然.語音信號處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3]楊毅.語音信號處理實驗的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2014（33）：123-126.

[4]劉衛(wèi)東，孟曉靜，王艷芬.語音信號處理實驗教學(xué)改革研究探索[J].實驗室研究與探索，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

桂林電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革項目（實踐教學(xué)改革專項）；項目名稱：語音信號處理實驗改革與研究；項目編號：JGS201115。

鄭展恒（1978— ），男，陜西楊凌，講師；研究方向：信號處理，語音信號處理。