一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在“語(yǔ)音信號(hào)處理”中的應(yīng)用探討

張正文 李婕 鞏朋成

摘要：實(shí)踐教學(xué)是“語(yǔ)音信號(hào)處理”教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。本文探討了如何將DSP和MATLAB的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用到“語(yǔ)音信號(hào)處理”這門(mén)課程中，以增強(qiáng)工科學(xué)生的創(chuàng)新能力為目的，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)能力培養(yǎng)和教師自身的教學(xué)水平都有幫助。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)；一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；語(yǔ)音信號(hào)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）31-0267-02

一、引言

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式，而“語(yǔ)音信號(hào)處理”是研究數(shù)字信號(hào)處理和語(yǔ)音學(xué)知識(shí)的一門(mén)交叉性學(xué)科，理論性和應(yīng)用性較強(qiáng)。“語(yǔ)音信號(hào)處理”的課程目標(biāo)是通過(guò)本課程的教學(xué)，學(xué)生能掌握“語(yǔ)音信號(hào)處理”的基本原理；實(shí)踐課上通過(guò)算法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加深學(xué)生對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理方法的認(rèn)識(shí)。同時(shí)向?qū)W生介紹該學(xué)科領(lǐng)域的重要應(yīng)用，近年取得的新成果、新發(fā)展及新技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立研究和思考的能力。

有效的處理信號(hào)一直是人們追求的目標(biāo)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在運(yùn)算能力提高的同時(shí)成本也在不斷下降。DSP處理器采用了哈佛結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)讀取指令與數(shù)據(jù)，因此與單片機(jī)相比有更快的速度。DSP技術(shù)的發(fā)展使得語(yǔ)音信號(hào)處理的硬件方式發(fā)生了質(zhì)的變化，進(jìn)一步帶動(dòng)了電子產(chǎn)品的發(fā)展。結(jié)合“語(yǔ)音信號(hào)處理”在DSP上實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，本人所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)自己開(kāi)發(fā)了基于DSP處理器和MATLAB的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文將對(duì)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)如何應(yīng)用到“語(yǔ)音信號(hào)處理”這門(mén)課程進(jìn)行探討。

實(shí)踐教學(xué)是“語(yǔ)音信號(hào)處理”教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)用型人才的關(guān)鍵過(guò)程。但大多數(shù)教師在“語(yǔ)音信號(hào)處理”課程教學(xué)中會(huì)遇到以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)課程的掌握不夠。“語(yǔ)音信號(hào)處理”是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的專業(yè)課程，學(xué)生除了要了解和掌握“語(yǔ)音信號(hào)處理”的理論知識(shí)和算法，還需要具有數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)原理等相關(guān)知識(shí)。

2.為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，一般“語(yǔ)音信號(hào)處理”的教學(xué)都離不開(kāi)實(shí)踐的過(guò)程，但傳統(tǒng)的語(yǔ)音處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或者試驗(yàn)箱存在著體積偏大、設(shè)備繁多、接線復(fù)雜且只能作為單一的“語(yǔ)音信號(hào)處理”教學(xué)平臺(tái)等缺點(diǎn)。

3.若強(qiáng)調(diào)DSP的硬件仿真，需要學(xué)生從掌握DSP的硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程開(kāi)始，無(wú)疑增加了教學(xué)難度。

4.市面上多數(shù)語(yǔ)音信號(hào)處理試驗(yàn)箱電路都是固定的，不利于學(xué)生掌握軟硬件原理，學(xué)生只能做驗(yàn)證性、訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，無(wú)法做開(kāi)放性、創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。某種程度上限制了學(xué)生的思維空間，不但不能激發(fā)學(xué)生的興趣，也不利于對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。大多數(shù)學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中敷衍了事。

二、一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用

針對(duì)教學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，本人在“語(yǔ)音信號(hào)處理”的教學(xué)課程中從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了嘗試。

1.硬件仿真必不可少。硬件仿真依賴實(shí)際的硬件實(shí)物，程序是運(yùn)行在實(shí)際的CPU中的，讀取到的任何數(shù)值、狀態(tài)都是實(shí)際的現(xiàn)有狀態(tài)，一旦仿真通過(guò)程序基本就沒(méi)問(wèn)題了，因此在教學(xué)過(guò)程中硬件仿真的過(guò)程必不可少。結(jié)合DSP處理語(yǔ)音信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)踐教學(xué)中選擇將算法在DSP上進(jìn)行硬件仿真。

2.減少學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。MATLAB的軟件仿真相對(duì)于DSP的硬件方針來(lái)說(shuō)相對(duì)簡(jiǎn)單。學(xué)生從簡(jiǎn)單的平臺(tái)入手，把重點(diǎn)放在搞清楚算法的本質(zhì)上，通過(guò)MATLAB平臺(tái)編寫(xiě)算法，也通過(guò)MATLAB看到真實(shí)結(jié)果。

3.一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用。以Windows Embedded Standard 7系統(tǒng)，安裝MATLAB的同時(shí)也安裝CCS，通過(guò)CCS Link將MATLAB算法與以TMS320VC5509A的DSP處理器的語(yǔ)音處理一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)聯(lián)系起來(lái)，集語(yǔ)音信號(hào)的采集、分析和處理為一體。因此，一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括硬件部分和軟件部分，硬件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，由TMS320VC5509A為核心的最小系統(tǒng)模塊和系統(tǒng)主板組成。其中最小系統(tǒng)構(gòu)成了一套獨(dú)立的DSP控制系統(tǒng)，并在CCS平臺(tái)上通過(guò)仿真器JTAG接口實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)編程、調(diào)試、仿真等功能。軟件使用匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言和混合編程等方式。

通過(guò)嘗試，教師在教學(xué)中使用一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面：

1.作為“語(yǔ)音信號(hào)處理”教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使初學(xué)者的重點(diǎn)放在掌握語(yǔ)音信號(hào)處理的基本原理、研究方法以及算法上。

2.還能作為DSP的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，節(jié)省硬件成本。方便學(xué)生更好地掌握DSP芯片的基本原理、開(kāi)發(fā)過(guò)程和應(yīng)用方法。

3.該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)能夠滿足軟件學(xué)習(xí)、硬件設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)處理、系統(tǒng)分析和驗(yàn)證等多個(gè)方面的設(shè)計(jì)需求。

4.豐富的軟硬件資源及先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，使該系統(tǒng)成為一套高效、功能完善、界面良好的嵌入式多功能DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它不僅在功能上得到了非常大的完善，在操作和應(yīng)用上也極為方便。

一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總共進(jìn)行了8個(gè)語(yǔ)音處理實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，本文選取其中的實(shí)驗(yàn)六CODEC音頻回放實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明，該實(shí)驗(yàn)是在DSP開(kāi)發(fā)板VC5509上面進(jìn)行的硬件仿真實(shí)驗(yàn)，基音周期檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)MATLAB的CCS Link控制DSP進(jìn)行的軟件仿真實(shí)驗(yàn)。程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境采用TI公司的CCStudio_v3.3，編程語(yǔ)言為標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言。打開(kāi)CCStudio_v3.3，加載工程文件codec.pjt，通過(guò)軟件程序配置相應(yīng)的寄存器，將codec.out文件load進(jìn)去運(yùn)行，然后從麥克風(fēng)輸入接口輸入一段語(yǔ)音（自己錄制），在音頻輸出接口外接一個(gè)音響，可以清楚地聽(tīng)到說(shuō)話人錄入的語(yǔ)音。如圖2所示為CODEC音頻回放實(shí)驗(yàn)仿真圖，輸入波形是麥克風(fēng)輸入吹氣的“呼呼”聲。濾波器參數(shù)的頻域能量顯示，它是一個(gè)參數(shù)較優(yōu)的低通濾波器，截止頻率在2437左右。從輸入和輸出音頻數(shù)據(jù)的頻域上可以看出，輸出音頻的高頻部分被較好地濾除了。

三、結(jié)束語(yǔ)

電子技術(shù)的飛速發(fā)展提供機(jī)遇的同時(shí)也給電子類(lèi)專業(yè)教學(xué)帶來(lái)了不小挑戰(zhàn)，要求教師不斷更新專業(yè)知識(shí)，在正確認(rèn)識(shí)高等教育的工程教育和素質(zhì)培養(yǎng)中不斷探索新的教學(xué)方法以帶動(dòng)學(xué)生參與到動(dòng)手實(shí)踐中來(lái)。本文結(jié)合matlab對(duì)“語(yǔ)音信號(hào)處理”在DSP上的應(yīng)用進(jìn)行了探討，目的在于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)性。