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摘要：实践教学是“语音信号处理”教学中的重要环节。本文探讨了如何将DSP和MATLAB的一体化实验平台应用到“语音信号处理”这门课程中，以增强工科学生的创新能力为目的，对学生的学习主动能力培养和教师自身的教学水平都有帮助。
关键词：实践教学；一体化实验平台；语音信号处理
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）31-0267-02
一、引言
数字信号处理技术是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式，而“语音信号处理”是研究数字信号处理和语音学知识的一门交叉性学科，理论性和应用性较强。“语音信号处理”的课程目标是通过本课程的教学，学生能掌握“语音信号处理”的基本原理；实践课上通过算法的系统实现加深学生对语音信号处理方法的认识。同时向学生介绍该学科领域的重要应用，近年取得的新成果、新发展及新技术，培养学生的独立研究和思考的能力。
有效的处理信号一直是人们追求的目标，随着电子技术的飞速发展，数字信号处理器（DSP）在运算能力提高的同时成本也在不断下降。DSP处理器采用了哈佛结构，能够同时读取指令与数据，因此与单片机相比有更快的速度。DSP技术的发展使得语音信号处理的硬件方式发生了质的变化，进一步带动了电子产品的发展。结合“语音信号处理”在DSP上实现的优势，本人所在的研发团队自己开发了基于DSP处理器和MATLAB的一体化实验平台，本文将对一体化实验平台对如何应用到“语音信号处理”这门课程进行探讨。
实践教学是“语音信号处理”教学中的重要环节，也是培养创新和实用型人才的关键过程。但大多数教师在“语音信号处理”课程教学中会遇到以下几个问题：
1.学生对相关基础课程的掌握不够。“语音信号处理”是一门综合性较强的专业课程，学生除了要了解和掌握“语音信号处理”的理论知识和算法，还需要具有数字电路和计算机原理等相关知识。
2.为了培养学生的动手能力，一般“语音信号处理”的教学都离不开实践的过程，但传统的语音处理实验平台或者试验箱存在着体积偏大、设备繁多、接线复杂且只能作为单一的“语音信号处理”教学平台等缺点。
3.若强调DSP的硬件仿真，需要学生从掌握DSP的硬件结构和软件编程开始，无疑增加了教学难度。
4.市面上多数语音信号处理试验箱电路都是固定的，不利于学生掌握软硬件原理，学生只能做验证性、训练性实验项目，无法做开放性、创新型的实验项目。某种程度上限制了学生的思维空间，不但不能激发学生的兴趣，也不利于对学生综合能力的培养。大多数学生在实践过程中敷衍了事。
二、一体化实验平台在实践教学中应用
针对教学过程中遇到的问题，本人在“语音信号处理”的教学课程中从以下几个方面进行了尝试。
1.硬件仿真必不可少。硬件仿真依赖实际的硬件实物，程序是运行在实际的CPU中的，读取到的任何数值、状态都是实际的现有状态，一旦仿真通过程序基本就没问题了，因此在教学过程中硬件仿真的过程必不可少。结合DSP处理语音信号的优势，在实践教学中选择将算法在DSP上进行硬件仿真。
2.减少学生的学习难度。MATLAB的软件仿真相对于DSP的硬件方针来说相对简单。学生从简单的平台入手，把重点放在搞清楚算法的本质上，通过MATLAB平台编写算法，也通过MATLAB看到真实结果。
3.一体化实验平台的应用。以Windows Embedded Standard 7系统，安装MATLAB的同时也安装CCS，通过CCS Link将MATLAB算法与以TMS320VC5509A的DSP处理器的语音处理一体化实验平台联系起来，集语音信号的采集、分析和处理为一体。因此，一体化的实验平台包括硬件部分和软件部分，硬件设计采用模块化思想，由TMS320VC5509A为核心的最小系统模块和系统主板组成。其中最小系统构成了一套独立的DSP控制系统，并在CCS平台上通过仿真器JTAG接口实现了实时编程、调试、仿真等功能。软件使用汇编语言、C语言和混合编程等方式。
通过尝试，教师在教学中使用一体化实验平台的优势体现在以下几方面：
1.作为“语音信号处理”教学实验平台，使初学者的重点放在掌握语音信号处理的基本原理、研究方法以及算法上。
2.还能作为DSP的实验教学平台，节省硬件成本。方便学生更好地掌握DSP芯片的基本原理、开发过程和应用方法。
3.该实验平台应能够满足软件学习、硬件设计、实时处理、系统分析和验证等多个方面的设计需求。
4.丰富的软硬件资源及先进的设计理念，使该系统成为一套高效、功能完善、界面良好的嵌入式多功能DSP实验平台。它不仅在功能上得到了非常大的完善，在操作和应用上也极为方便。
一体化实验平台总共进行了8个语音处理实验，如图1所示，本文选取其中的实验六CODEC音频回放实验进行说明，该实验是在DSP开发板VC5509上面进行的硬件仿真实验，基音周期检测实验是通过MATLAB的CCS Link控制DSP进行的软件仿真实验。程序的设计开发环境采用TI公司的CCStudio_v3.3，编程语言为标准C语言。打开CCStudio_v3.3，加载工程文件codec.pjt，通过软件程序配置相应的寄存器，将codec.out文件load进去运行，然后从麦克风输入接口输入一段语音（自己录制），在音频输出接口外接一个音响，可以清楚地听到说话人录入的语音。如图2所示为CODEC音频回放实验仿真图，输入波形是麦克风输入吹气的“呼呼”声。滤波器参数的频域能量显示，它是一个参数较优的低通滤波器，截止频率在2437左右。从输入和输出音频数据的频域上可以看出，输出音频的高频部分被较好地滤除了。
三、结束语
电子技术的飞速发展提供机遇的同时也给电子类专业教学带来了不小挑战，要求教师不断更新专业知识，在正确认识高等教育的工程教育和素质培养中不断探索新的教学方法以带动学生参与到动手实践中来。本文结合matlab对“语音信号处理”在DSP上的应用进行了探讨，目的在于激发学生主动学习性。
关键词：实践教学；一体化实验平台；语音信号处理
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）31-0267-02
一、引言
数字信号处理技术是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式，而“语音信号处理”是研究数字信号处理和语音学知识的一门交叉性学科，理论性和应用性较强。“语音信号处理”的课程目标是通过本课程的教学，学生能掌握“语音信号处理”的基本原理；实践课上通过算法的系统实现加深学生对语音信号处理方法的认识。同时向学生介绍该学科领域的重要应用，近年取得的新成果、新发展及新技术，培养学生的独立研究和思考的能力。
有效的处理信号一直是人们追求的目标，随着电子技术的飞速发展，数字信号处理器（DSP）在运算能力提高的同时成本也在不断下降。DSP处理器采用了哈佛结构，能够同时读取指令与数据，因此与单片机相比有更快的速度。DSP技术的发展使得语音信号处理的硬件方式发生了质的变化，进一步带动了电子产品的发展。结合“语音信号处理”在DSP上实现的优势，本人所在的研发团队自己开发了基于DSP处理器和MATLAB的一体化实验平台，本文将对一体化实验平台对如何应用到“语音信号处理”这门课程进行探讨。
实践教学是“语音信号处理”教学中的重要环节，也是培养创新和实用型人才的关键过程。但大多数教师在“语音信号处理”课程教学中会遇到以下几个问题：
1.学生对相关基础课程的掌握不够。“语音信号处理”是一门综合性较强的专业课程，学生除了要了解和掌握“语音信号处理”的理论知识和算法，还需要具有数字电路和计算机原理等相关知识。
2.为了培养学生的动手能力，一般“语音信号处理”的教学都离不开实践的过程，但传统的语音处理实验平台或者试验箱存在着体积偏大、设备繁多、接线复杂且只能作为单一的“语音信号处理”教学平台等缺点。
3.若强调DSP的硬件仿真，需要学生从掌握DSP的硬件结构和软件编程开始，无疑增加了教学难度。
4.市面上多数语音信号处理试验箱电路都是固定的，不利于学生掌握软硬件原理，学生只能做验证性、训练性实验项目，无法做开放性、创新型的实验项目。某种程度上限制了学生的思维空间，不但不能激发学生的兴趣，也不利于对学生综合能力的培养。大多数学生在实践过程中敷衍了事。
二、一体化实验平台在实践教学中应用
针对教学过程中遇到的问题，本人在“语音信号处理”的教学课程中从以下几个方面进行了尝试。
1.硬件仿真必不可少。硬件仿真依赖实际的硬件实物，程序是运行在实际的CPU中的，读取到的任何数值、状态都是实际的现有状态，一旦仿真通过程序基本就没问题了，因此在教学过程中硬件仿真的过程必不可少。结合DSP处理语音信号的优势，在实践教学中选择将算法在DSP上进行硬件仿真。
2.减少学生的学习难度。MATLAB的软件仿真相对于DSP的硬件方针来说相对简单。学生从简单的平台入手，把重点放在搞清楚算法的本质上，通过MATLAB平台编写算法，也通过MATLAB看到真实结果。
3.一体化实验平台的应用。以Windows Embedded Standard 7系统，安装MATLAB的同时也安装CCS，通过CCS Link将MATLAB算法与以TMS320VC5509A的DSP处理器的语音处理一体化实验平台联系起来，集语音信号的采集、分析和处理为一体。因此，一体化的实验平台包括硬件部分和软件部分，硬件设计采用模块化思想，由TMS320VC5509A为核心的最小系统模块和系统主板组成。其中最小系统构成了一套独立的DSP控制系统，并在CCS平台上通过仿真器JTAG接口实现了实时编程、调试、仿真等功能。软件使用汇编语言、C语言和混合编程等方式。
通过尝试，教师在教学中使用一体化实验平台的优势体现在以下几方面：
1.作为“语音信号处理”教学实验平台，使初学者的重点放在掌握语音信号处理的基本原理、研究方法以及算法上。
2.还能作为DSP的实验教学平台，节省硬件成本。方便学生更好地掌握DSP芯片的基本原理、开发过程和应用方法。
3.该实验平台应能够满足软件学习、硬件设计、实时处理、系统分析和验证等多个方面的设计需求。
4.丰富的软硬件资源及先进的设计理念，使该系统成为一套高效、功能完善、界面良好的嵌入式多功能DSP实验平台。它不仅在功能上得到了非常大的完善，在操作和应用上也极为方便。
一体化实验平台总共进行了8个语音处理实验，如图1所示，本文选取其中的实验六CODEC音频回放实验进行说明，该实验是在DSP开发板VC5509上面进行的硬件仿真实验，基音周期检测实验是通过MATLAB的CCS Link控制DSP进行的软件仿真实验。程序的设计开发环境采用TI公司的CCStudio_v3.3，编程语言为标准C语言。打开CCStudio_v3.3，加载工程文件codec.pjt，通过软件程序配置相应的寄存器，将codec.out文件load进去运行，然后从麦克风输入接口输入一段语音（自己录制），在音频输出接口外接一个音响，可以清楚地听到说话人录入的语音。如图2所示为CODEC音频回放实验仿真图，输入波形是麦克风输入吹气的“呼呼”声。滤波器参数的频域能量显示，它是一个参数较优的低通滤波器，截止频率在2437左右。从输入和输出音频数据的频域上可以看出，输出音频的高频部分被较好地滤除了。
三、结束语
电子技术的飞速发展提供机遇的同时也给电子类专业教学带来了不小挑战，要求教师不断更新专业知识，在正确认识高等教育的工程教育和素质培养中不断探索新的教学方法以带动学生参与到动手实践中来。本文结合matlab对“语音信号处理”在DSP上的应用进行了探讨，目的在于激发学生主动学习性。