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摘 要：对《数字信号处理》综合性实验进行改进设计，以实际语音信号为实验研究对象，在 MAtLAB 下编程实现对信号的采集、存储、编辑、分析和滤波过程。有效提升学生实验积极性、促进对数字信号处理多项知识点的综合理解、提高学生的信号分析与处理知识在现实场景中的应用能力。
关键词：数字信号处理；实验教学；MAtLAB
本文引用格式：李瑶，段惠敏 .《数字信号处理》综合性实验的设计和教学 [J]. 教育现代化 ,2021,8(35):153-156.
The Design and Teaching of a Comprehensive Experiment in Digital Signal ProcessingLI Yao, DUAN Huimin
( College of Advanced Manufacturing Engineering, Hefei University, Hefei Anhui)
Abstract: An improved comprehensive experiment in digital signal processing is introduced. Real voice signal is the study object, and is sampled, stored, edited, analyzed, and filtered in MATLAB. The design of this experiment effectively increases students motivation, promotes their comprehension of knowledge points in digital signal processing, and enhances their application abilities of signal analysis and processing in real scene.
Keywords: digital signal processing; experiment teaching; MATLAB
一 概述
《数字信号处理》课程是高等院校电子信息类专业的必修专业基础课程，该课程是后续《通信原理》《DSP 技术》《数字图像处理》等很多专业课程的基础， 为数字音频处理、数字图像处理、数字视频处理以及数字通信等技术提供理论支撑 [1]。随着数字信号处理理论的不断发展、技术应用领域的日益扩大、学生对知识的深度和广度学习需求的提高、以及学习手段的增多，《数字信号处理》课程的教学，尤其是实验实践教学也面临着内容和方法上的改革。
目前绝大多数高校《数字信号处理》实验课程多采用 MAtLAB 软件仿真形式，优点在于实验手段简单易实现，便于观察结果和调试。而实验项目的设计多为基本理论的验证性实验和滤波器的简单设计性实验，实验内容较为固化，各实验知识点相对孤立，实验后学生对理论知识的应用体验验证缺乏。根据 CDIO 工程教育模式思想，教学应该有工程基础， 教学的过程应当遵循“ 构思 - 设计 - 实现 - 运行”规律，要让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习 [2]。因此，综合《数字信号处理》课程多个知识点、体现信号处理知识的关联性、技术的应用性，对该课程的实验内容进行了一定改进和重新设计，开发出一个数字信号处理技术应用于实际语音信号分析和预处理的综合性实验项目。
二 实验设计总体思想
数字信号处理的研究对象为数字信号，因此模拟信号首先需要经过模数（A/D） 转换。在 A/D 转换过程中，采样、量化、编码各环节的实施都对 A/ D 转换的结果产生重要的影响 [3]。而数字信号在送入数字信号处理设备处理之前，一般需要经过一些预处理操作，将其变为符合数字信号处理设备处理条件的信号，因此需要对信号的进行时频域分析，根据信号特征和设备需求对输入数字信号做相关滤波处理。
基于这些在实际的信号处理过程中存在的要求， 对实验的设计进行了以下构思：
（一） 实验内容的综合性
实验内容可以综合数字信号处理理论中模数转换、离散傅里叶变换、数字滤波器设计和信号的滤波等多项知识点，体现各知识点之间的相关性和连贯性。
（二） 实验的应用性
以往实验中多采用自定义单频信号、简单混频信号进行仿真实验，实验现象简单，在实际应用的体现上具有局限性。可突破此局限，采用实际生活中真实世界信号例如语音信号作为实验研究对象， 针对其构成的复杂性和表现的丰富性进行实验设计， 具有一定的应用背景，能够增强学生的理论用于实践、用于工程实际的体会。
（三） 实验方案和实现方法灵活
要根据应用需求合理设计方案，选择实验实现的方式，方案和手段灵活多样，利于学生多角度思考问题、自主实验、锻炼动手能力。
综合以上设计构思，该实验的开设对象应为电子、通信专业正在学习或已经学习了《数字信号处理》课程的学生，要求学生已经学习了离散傅里叶变换、信号的模数转换、数字滤波器设计和信号的滤波等相关知识，以及具有 MAtLAB 编程的基础。
该实验设计为数字信号处理技术应用于实际语音信号分析和预处理的综合性实验，目的是通过实验学习语音信号采集、存储、时频域分析和预处理的基本概念和方法，提高信号分析与处理知识在现实场景中的应用能力，培养独立学习、工具使用、方案设计、数据分析的工程素养。
三 实验内容和方案设计
（一） 实验内容
实验内容为：在 MAtLAB 下编程实现语音信号的采集、存储、编辑、分析和滤波过程。具体任务要求为：
（1）信号的采集和存储：录制一段日常生活中的语音信号。对信号的采样率和量化深度做不同的设置，保存得到若干个不同属性的音频文件。
（2）信号的分析：对得到的多个音频文件从播放效果、文件数据量、信号时域特性、频域特性等多方面进行观察、对比，分析采样率和量化深度的改变对信号质量的影响。
（3）信号的滤波：根据不同应用场景设计不同类型的数字滤波器，对语音信号进行滤波处理，观察现象，结合语音的特点分析滤波的作用。
（二） 实验方案
实验由三个部分构成：信号的采集和存储、信号的分析、以及对信号的滤波处理。对应于实验任务的三项要求，同时也是实验分步骤分层次进行的三个阶段。如图 1 所示：
（1）采集和存储。这是一个获得语音信号并且进行模数转换得到多个数字信号的过程。具体实现方法如下：
硬件准备：电脑、麦克风、耳机或音箱。
软件准备：可采用 Windows 系统自带的录音机软件，也可自行选择下载适合的录音编辑软件。
语音时长：不要求过长，10 秒以内即可。
音频成分：不宜过于复杂，应以人说话声为主， 可存在一定噪声。
参数设置：建议在录制原始音频信号时，设置采样率为 44.1kHz，采样深度为 16 位，声道数为单声道或者双声道都可，便于后续实验。
编辑：获得原始音频信号后，对其采样率、采样深度等参数的更改设置可通过音频编辑软件修改， 也可在 MAtLAB 下编写代码实现。由于人的话音的主要频率成分在 300Hz~3.4kHz 之间，可设置采样率为 8kHz、11.025kHz、44.1kHz 等值。量化深度一般选两种：16 位和 8 位 [4]。
存储：保存为音频文件时建议采用 wav 文件格式。最终获得不同参数设置的音频文件若干。
（2）分析。是对在第一阶段得到的多个音频文件进行三个角度的分析对比：主观听觉感受、时域分析和频域分析。通过三个方面的分析理解不同的参数设备对音频信号属性和质量的影响。
听觉感受属主观评价。对于由同一原始模拟语音信号 A/D 转换得到的不同数字音频信号，虽时长不变，但由于采样点的不同、量化等级的不同，声音质量也会出现优劣差别。
时域分析包括信号数据量分析和信号时域波形分析。数据量分析可以制作成如表 1 形式，对相关数据做统计和计算；时域波形分析即在 MAtLAB 中绘制不同参数格式下的音频信号的时域波形图，并从长度、形状、精细程度各方面进行对比。放效果和信号质量产生怎样的影响，在实际应用中需进行怎样的权衡取舍。
（3）滤波处理。滤波处理可应用于不同的工程场景。且在不同工程应用场景下，滤波器的类型和指标参数也相应不同。比如，数字信号处理设备一般都有能够处理的信号的频率上限，可以根据人语音的频率范围为 300~3400Hz 之间这个特征，设计带通滤波器对信号做前置滤波，将其变为符合一定条件的带限信号，方便后续的处理 [5]。又比如信号包含一定高频噪声，可以设计一定截止频率的低通滤波器对信号进行低通滤波操作以去除噪声。
这一部分的工作在 MAtLAB 下编程实现。滤波器的设计过程和信号的滤波在之前的实验中已经学习和训练。滤波器的类型、指标和实现方法均不作限制，学生自行定义、设计和实现。
四 教学设计和实施
实验的实施包括三个主要环节：任务发放和预习准备、课堂教学和实验的开展、验收与考核。
（一） 任务发放和预习准备
教师需在上一次实验结束之后及时给出本次实验的任务和预习要求，适度给出理论知识预习指导， 明确学生学习方向；给出实验平台（录音设备、语音录制编辑软件、MAtLAB）要求；提供学习途径建议，比如课本、辅助书籍、教学视频、网络等； 学生进行相关资料查询和学习，做好实验软硬件环境准备，通过网络提交预习报告或记录；教师及时查阅和反馈，确认学生实验环境搭建的可行性。
（二） 课堂上的指导和实验的有序开展
教师首先对本次实验内容进行简要的介绍和解释，做好教学引导：由单频正弦信号、混频信号的处理过渡为实际语音信号的处理；由抽样、量化的客观理论知识和结论引导至文件大小、播放声音效果等实际现象和主观感受；由单纯的滤波器设计操作扩展到滤波的工程应用意义思考。
频域分析即运用傅里叶变换计算并绘制数字音频信号的幅度谱，从信号频率构成的角度分析参数变化导致的信号频域性质和信号内容的变化。
对三个方面的分析进行综合，讨论模拟信号在A/D 转换过程中参数设置的改变会对音频文件占据存储空间的大小、音频数据的内容、音频信号的播对实验方案的设计和实验步骤做适当提示和建议。必要时可由教师给予现场演示，促进学生较快进入实验状态。在实验过程中保持对实验进展的关注，并且可选择部分学生的较典型阶段性实验成果在学生中展示。同时也可设置一些小问题，比如“如果录制时选择了双声道， 数据该怎么处理？”“你录制的信号频域波形体现了你的语音的什么特征？”“你对滤波器的截止频率的设置有什么考虑”等等，从而进一步引导学生思考、激发实验动力。
学生方面首先需要根据教师对实验内容的说明及时调整自己的实验软硬件环境， 修正实验方案。例如某学生发现选择的录音软件只能录音，不能修改参数，那么信号进行格式编辑的实现方法就应当改为 MAtLAB 编程。
学生一人一个台套进行实验，过程中可请教老师。教师可选择部分学生的较典型阶段性成果在学生中展示，同学间互相交流，进一步打开思路，促进实验的完成度和扩展范围。
（三） 验收与考核
整个实验的考核由三方面构成：预习检查、现场验收和实验报告。预习检查即为前面提到的预习报告
/ 记录的查阅。通过学生使用软件的截图、录制方法说明、要用到的 MAtLAB 主要函数、实验方案设计简要描述等来考查学生是否已明确实验任务、做好实验的软件环境搭建和工具准备、具备一定实验思路。现场的验收，学生需在课堂实验学时结束前做好实验验收准备，教师逐个查看学生实验的完成度、实验各阶段现象和数据记录情况，听取学生对现象的解释和分析。
实验报告要求在实验结束一周内提交。主要考查 (1) 报告结构的完整性；(2) 实验完成程度；(3) 数据、图表记录的正确性和规范性；(4) 描述、分析的详细程度和合理性。三方面考核成绩合并为本次实验总成绩：
实验成绩 = 预习情况（10%）+ 现场展示提问（40%）+ 实验报告（50%）。最后，在下一个实验开展之前，教师会对本次实验的情况做总结点评，指出存在的问题和改进的方法。
（四） 实验教学的实施过程中，有几个关键点必须注意
（1）需逐个查看学生的实验软件环境和工具的准备，做好实验保障，这一环节对学生能否开始并推进实验具有重要影响。
（2）对实验数据的记录进行必要的查看和指导， 即指导学生理解要记录哪些数据、记录的数据意义是什么、怎么绘制波形更能够体现对比。
（3）在实验应用场景的设计、滤波处理环节上， 鼓励学生做多样化的设计，扩展实验思路。比如有学生好奇心较强，想听到自己完全失真的声音，则可以选择做带通、高通滤波器观察结果，思考原因。
五 总结
该实验是数字信号处理综合性实验的改进设计， 从实验的构思、设计到实现符合 CDIO 工程教育理念， 为学生提供既有工程理论基础又有现实应用背景的实验教学活动。以实际生活中的语音信号为实验研究对象，突破了 MAtLAB 下自定义单频信号、混频信号进行仿真实验的局限，提升了学生实验积极性和参与程度；综合了数字信号处理的基本概念和知识要点，进一步巩固了学生对理论知识的理解；实验方案设计具有一定应用背景，实现的内容层次递进，实现方法自主灵活，锻炼了学生独立思考能力和动手实践能力。
参考文献
[1]吴镇扬. 讲好“数字信号处理”的绪论课 [J]. 电气电子教学学报, 2018, 40(4): 81-84.
[2]王志堂 . 基于 CDIO 理念的地方高校学生实践创新能力培养研究 [J]. 实验室研究与探索 , 2017, 36(7): 220-224.
[3]程佩青 . 数字信号处理教程 [M]. 北京 : 清华大学出版社 , 2017.
[4]韩宪柱. 数字音频技术及应用[M]. 北京: 中国广播电视出版社, 2003.
[5]Bernard Sklar( 著), 徐平平, 宋铁成, 叶芝慧( 译). 数字通信—— 基础与应用 [M]. 北京 : 电子工业出版社 , 2015.
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