语音实例教学方法在“数字信号处理”课程教学中的运用

2015-01-02林剑辉

中国林业教育 2015年6期

关键词：数字信号处理信号处理实例

林剑辉

（北京林业大学工学院,北京 100083）

语音实例教学方法在“数字信号处理”课程教学中的运用

林剑辉

（北京林业大学工学院,北京 100083）

“数字信号处理”课程是电类专业重要的专业课程之一,理论性强,实践要求高,如何做好理论与实际相结合,一直是课堂教学中的重点与难点。在分析了“数字信号处理”课程教学现状的基础上,针对非工科院校的电类专业学生的特点,提出以语音信号为实践对象,结合理论讲解,设计了一系列前后呼应的教学实例,包括频谱分析、IIR滤波器设计与FIR滤波器设计等内容。这些教学实例既注重了“数字信号处理”课程的理论讲解,又考虑了与生活实际对象相联系,达到了提高学生学习兴趣与学习效果的目的。通过两年的教学实践,语音教学实例的应用达到了预期目标。

数字信号处理；语音信号；MATLAB；教学实例

随着当前科技的发展,数字信号已经充斥着现代生活的每一个角落。“数字信号处理”课程也成为高等学校的专业理论课程。目前,通讯、电子、自动化、电气等各专业均开设有“数字信号处理”课程。该课程显著的特点是理论高深,抽象数学公式多,理论与数学公式都蕴含着丰富的物理含义,导致学生对课程知识的理解困难,缺少学习兴趣。近年来,各高校在教学中引入了多媒体[1]、MATLAB[2]、LABVIEW[3-4]、FPGA[5]等教学方法,同时为该课程配备了完善的实验教学设备,虽然教学效果有了一定的提高,但是在课程教学中仍存在着一定的问题。

一、“数字信号处理”课程教学存在的问题

大学本科“数字信号处理”课程的主要内容包括基本理论与概念、信号的傅立叶变换与分析、数字滤波器设计、小波变换等。在现有的大部分教材中,各部分所采用的例题均以抽象数学函数为主。如在讲解傅立叶变换谱分析的时候,大部分教材都以由几个正弦函数所组成的复合信号为例进行讲解。采用该种类型题目可以比较容易讲解从连续信号到采集信号的变化以及连续频谱与离散频谱的相互关系,简单易懂。但是该例子会让学生将频谱分析纯粹视为一个数学变换,难与实际物理现象相连接。又如在讲解滤波器设计时,所举的例题仅仅讲解了滤波器设计过程及其频域响应曲线,而没有与实际物理信号相结合,无法体现滤波器的应用方法与效果。

虽然在“数字信号处理”课程的教学改革中,教师引入了MATLAB、LABVIEW、FPGA等软硬件开发平台,但却缺少对教学内容的改革,尤其是教学案例上的改革。2010年王祖林和郭旭静[6]对通信实例进行了教学探索,对于非通讯专业的学生而言,不常接触通讯实例,因而也不易独立获取。因此通讯实例不是普通工科教学案例的最佳选择。2013 年,李燕萍[7]提出以语音信号为例,探讨“数字信号处理”课程中的研究型教学方法,但其在实例的设计上,过于简化,没有系统性,也不便于学生对“数字信号处理”课程整体关联的理解。

以北京林业大学为例,作为一所以林业类学科为重点研究方向的综合性大学,根据林业工程发展的需要,开设了自动化、电气工程、电子等电类相关专业,但该类专业的教学条件,包括实验条件,授课教师的科研方向等,都无法与传统工科院校的相关专业相比。以自动化专业为例,在“数字信号处理”课程的授课环节存在着一定的问题。首先,由于受各方面条件的制约,无力在教学硬件上大量更换实验设备,如采购FPGA开发平台或是DSP开发平台；其次,由于学生接触到的与数字信号处理相关的应用环境较少,例如通讯信号等,因此很难体验这类信号在实际中的应用效果,无法做到理论联系实际。

针对以上问题,笔者认为在例题的选取上,需要在原有经典例题的基础上,增加与实际结合紧密的实例,同时该实例还需要具有比较明确的物理意义及明确的时域频域意义,用感性与理性双重特性信号为例进行讲解,便于学生理解。实例应具有两个特点,一是应与课程内容结合密切,具有连贯性,可以贯穿于“数字信号处理”课程教学过程中的大部分环节；二是实例应存在进一步扩展的空间,便于学生课后自主思考,提升学生学习的兴趣,激发学生探索与创新的意识。

二、基于语音信号的“数字信号处理”课程教学实例的设计及运用

“数字信号处理”课程采用语音信号作为教学实例,是因为语音信号具有以下优点：①语音信号处理是数字信号处理中的一个重要分支,也是研究的热点；②语音信号具有明确的时域频域物理意义；③语音信号易于获取,且每个同学都可以结合自身语音进行分析。选择语音信号作为教学实例可以克服北京林业大学自动化专业教学条件不足的局限性,在现有条件的基础上,有效提升教学实例的深度与广度。

笔者结合课程内容,从信号频谱分析到滤波器部分,设计了一系列前后连贯的语音信号教学实例,由浅入深地引导学生进行学习。教学实例所采用的声音文件为Windows操作系统自带的录音机软件录入的wav格式,至少包括一个男声文件与一个女声文件,这些声音包含学生自己及其他同学的语音信号。

（一）频谱分析

在频谱分析内容的讲授过程中,首先应用wavread函数读取该声音文件,并通过讲解wavread函数的参数进一步加深学生对采样频率的理解。然后分别绘出男女声的时域曲线与频域曲线,如图1所示。结合男女声频率差异的物理意义,教师可以详细讲述DFT变换后信号的实际物理意义以及频域坐标的转化等内容,加深学生对DFT变换的深入理解。

图1 男女声的时域与频域曲线图

从图1中可以看出,男声信号的频谱集中于500Hz以下,女声的频谱分布于500Hz以上。由男女声时域曲线可以看出,这两个声音的大小（即能量大小）基本一致,根据帕斯维尔定理,其频域能量大小也应基本一致,这就导致了在频谱图中,由于男声频谱较为集中,在该段频谱区,其能量较大,而女声频谱较为分散,从500Hz～1500Hz均有分布,所以其在每段频谱区的能量也较为分散。

在此基础上,可以进一步引导学生观察自己不同的声音信号,鼓励学生在大量观察的基础上得出自己声音信号的频谱规律与统计特征,或是引导其观察声音信号的高频部分,分析高频噪声产生的原因,为后续的滤波分析与滤波器设计埋下伏笔。

（二）IIR滤波器的设计

图2 加噪声后的男声时域与频域曲线图

以图1男声信号为例,增加一个频率为800Hz的正弦噪声后,其时域与频域曲线如图2所示。再用wavplay函数分别播放原声音信号与添加噪声后的声音信号,从感性与理性上让学生体会噪声的影响与表现形式,加噪声后的男生信号见图2。

由图2频谱曲线可以看出,滤波的主要目标是滤除800Hz处的噪声,因此可以选择使用带阻滤波器,用于过滤800Hz处的噪声信号。以IIR椭圆滤波器为例,通带频率设为[750,850],阻带频率设为[775,825],通带衰减设为1dB,阻带衰减设为50dB,其幅频特性如图3所示。

图3 带阻滤波器的幅频特性图

将该滤波器用于加噪声后的声音信号的滤波,滤波后声音信号的时域与频域曲线如图4所示。

图4 滤波后的男声时域与频域曲线图

为了进一步体会滤波器的作用与效果,可以比较加噪前与滤波后的声音时域曲线,如图5所示。

在滤波的基础上,进一步引导学生修改滤波器的类型及参数,例如改变滤波器类型为巴特沃斯或是切比雪夫滤波器,或是修改阻带宽度,或是修改通带或阻带衰减等参数,鼓励学生多次反复比较各滤波器的滤波效果,进一步引导学生主动思考并理解滤波器类型及其性能参数对实际滤波的影响。

图5 加噪前与滤波后声音信号的时域曲线对比

此外,教师还应鼓励学生进一步思考是不是只能使用带阻滤波器减少噪声呢？根据教学实例频谱分析可以得出男声信号主要集中在500Hz以下的频谱范围内,因此,在该频谱范围以外的信号均可以视为噪声进行处理,即在带阻滤波器之外,还可以用低通滤波器进行滤波。而如果是给女声信号增加800Hz的噪声信号后,是否可以使用低通滤波器呢？

通过这些问题与引导,可以扩展学生对于滤波器的感性认识,培养学生的创新思维。

（三）FIR滤波器的设计

FIR滤波器与IIR滤波器既有相同之处,也有不同之处,除了在理论公式上展示这些异同点之外,通过教学实例可以更好地直观观察与理解。

在讲解完FIR滤波器的基本原理后,以图2所示加噪信号为例,可以设计相应的FIR滤波器,以展示两类滤波器的相同之处。

在此基础上,为了进一步展示FIR与IIR滤波器的不同,可以给上述声音信号增加多个不同频率的噪声,如图6所示。