基于CDIO教育理念的语音信号去噪实验教学设计

摘  要：为提高学生对工程实践活动的认知能力，提高学生理论联系实际的能力，依据信号与系统课程的特点和滤波器设计在信号处理领域的重要性，开展语音信号的去噪处理实验项目的案例教学。采用CDIO教育理念，以MATLAB软件仿真工具，详细阐述该实验教学活动的实验原理与方案、教学设计与实施等，通过程序仿真完成语音信号的去噪，有助于学生更好地理解傅里叶变换在信号频谱分析中的作用，加强学生对信号去噪关键环节的理解，帮助学生建立针对工程问题设计解决方案的思维习惯。

关键词：滤波器设计;傅里叶变换;教学设计;教学考核;仿真分析

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）10-0１２0-0６

Abstract： In order to improve students' cognition of engineering practice activities and their ability to integrate theory with practice， based on the characteristics of the course of Signals and Systems and the importance of filter design in the field of signal processing， speech signal denoising experimental project is designed. Introducing CDIO education concept， utilizing MATLAB as a software simulation tool， the experimental principles and schemes， teaching design and implementation of the teaching activities are elaborated in detail. Completing the denoising of speech signals through program simulation would help students better understand the Fourier transform in the signal spectrum analysis， strengthen students' understanding of the key aspects of signal denoising， and help students establish the habit of thinking about designing solutions to engineering problems.

Keywords： filter design; Fourier transform; teaching design; teaching assessment; simulation analysis

信号与系统是电子信息类专业的核心基础课，其中的概念和分析方法广泛应用于通信、自动控制、信号与信息处理和电路与系统等领域[1-2]。从概念上可区分为信号分解和系统分析两部分，二者密切相关，主要完成对信号与系统的时域、频域和复频域分析。学习信号与系统课程能够为后续的数字信号处理、通信原理和数字图像处理等课程打好基本原理和科学方法的基础，培养分析解决复杂工程问题的能力。

应用型人才的能力体系以一线生产的实际需要为核心目标[3]，在能力培养中突出对基本知识的熟练掌握和灵活应用。应用型人才的培养过程更重视实践性教学环节，将此作为培养学生应用专业知识和集合相关专业技能的重要教学活动[4]。工程问题的导入与实际生产生活相联系，能够迅速提高学生理论联系实际的能力，快速培养工程思维，从工程实践活动的应用场景出发，从而找到解决工程问题的方案，为工程教育认证提供课程目标达成和毕业要求达成的支撑[5]。

课堂教学过程中，学生无法将抽象的滤波器设计原理与过程具体化，也无法了解到这些理论内容的应用场景，因此学习积极性不高，课堂参与度也不够，影响学生对专业知识的学习和吸收。因此，把握好工程教育认证标准，完善实验教学的设计和实践[6-7]，提升实验教学质量，将能够进一步完善信号与系统的课程教学，落实课程目标达成的新要求[8-9]。

在信号与系统课程设计过程中，开展语音信号的去噪处理，使得学生将课程的理论学习内容与通信过程中的语音通话质量问题相联系，从而掌握信号的频谱分析和滤波器设计等内容，并学习解决复杂工程问题的方法，因此非常有必要开展语音信号的去噪处理实验项目的案例教学。

本文采用CDIO教育模式帮助学生理解傅里叶频谱分析方法和滤波器设计方法，该模式是一种以工程项目设计为导向、工程能力培养为目标的工程教育模式[10]，包括构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。详细阐述信号去噪的实验原理和方案、教学设计和实施，并以MATLAB为仿真工具，根据语音信号的技术指标，完成语音信号去噪的仿真分析。

（二）  滤波器设计

滤波器就是能够过滤波动信号的工具，从具有各种不同频率的信号中，取出具有特定频率成分的信号。如果不想要高频率，通过设计一个装置把这些不想要的高频率滤除掉，留下有用的低频率，这种装置就是低通滤波器。除了时域特性，利用系统频率响应的频域特征也是一种可供选择的表示方法。

理想的低通滤波器如图1所示，能让零频（即直流）到截止频率？棕c之间所有信号都没有任何损失地通过，而除去高于截止频率？棕c的所有信号。

需要注意的是，实际所设计出的滤波器其特性不可能达到图中的理想特性，实际滤波器对信号的衰减量是以截止频率？棕c为分界线而缓慢变化的。实际的滤波器是按照其对频率成分的过滤特性和设计滤波器所用的函数形式的组合形式来区分命名的，例如，所用函数形式为巴特沃斯函数的低通滤波器就叫做巴特沃斯型低通滤波器，所用函数形式为切比雪夫函数的低通滤波器就叫做切比雪夫型低通滤波器，所以滤波器的名字一般包含函数名称和过滤特性两个部分。

巴特沃斯滤波器设计简单，性能较好，易于制作和达到设计性能。巴特沃斯滤波器的衰减曲线中没有任何波纹，所以也被称为最大平滑滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。

巴特沃斯滤波器的函数表达式如下

图2是以1为截止频率的巴特沃斯滤波器的特性曲线，这种特性曲线是频率的函数，利用它可以得到不同阶数的巴特沃斯型低通滤波器的衰减特性和延时特性。

（三）  高斯白噪声

利用仿真环境对语音通信过程中的噪声进行模拟，语音通信系统中主要噪声来源是热噪声，而热噪声是典型的高斯白噪声，高斯噪声的理想系统是线性系统，因此在模拟工程问题的过程中，选择“高斯白噪声”作为语音环境中的噪声。

所谓“高斯白噪声”中的“高斯”是指概率分布是正态函数，而“白噪声”是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。因此，高斯白噪声的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度是均匀分布。

二  实验内容与方案

CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面[14]，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。因此，在设置实验内容后，学生需要查阅相关资料，选择合适的方法完成语音信号的滤波处理，构思出实验方案，并进行实验设计，采用MATLAB软件进行实现和运作[15-16]，实现实验结果的可视化处理。通过这种教学设计，使得教学过程变得清晰直观，帮助学生加深对理论知识的理解，并培养学生分析问题的能力。

（一）  实验内容

组织开展语音信号去噪实验项目的教学，目的在于在掌握滤波器设计理论知识的基础上，调研滤波器设计的应用场景，分析滤波器设计在后续课程中的作用，从而使学生充分认识到滤波器设计的重要性及滤波器在工程实践中的地位。实验内容包括：

1）查阅文献资料，掌握高斯白噪声、傅里叶变换、频谱和去噪等关键词的含义，理解去噪过程的关键环节和参数。

2）利用软件仿真工具（MATLAB仿真软件），编程实现语音信号的读取、加噪、傅里叶变换和去噪等过程，加深对去噪过程关键环节的理解。

3）整理实验结果，识别和判断实验结果的正确性，对实验结果进行综合分析，获得有效结论，撰写实验报告。

（二）  实验方案

开展MATLAB软件仿真实验，要求学生熟悉MATLAB仿真软件的使用方法，能够完成编程和调试，正确保存MATLAB的实验结果，并对其进行综合分析。在掌握傅里叶频谱分析和滤波器设计关键环节和参数的基础上，对去噪过程中涉及的语音信号读取、傅里叶变换和语音信号去噪等过程进行分析，提出语音信号的去噪处理的实验方案。

1）利用MATLAB仿真软件和西北工业大学出版社出版的《信号与系统》应用型本科系列规划教材[17]，掌握傅里叶变换、频谱分析和滤波器设计的MATLAB程序，能够调试和仿真。

2）确定进行去噪处理的语音信号，绘出相应的频谱图，分析频谱图后确定信号的最高频率。

3）对语音信号进行高斯白噪声的叠加，利用傅里叶变换对含噪语音信号进行傅里叶分析，与原始语音信号的频谱进行对比，理解高斯白噪声的频谱均匀特点。

4）确定滤波器的种类和技术指标，设计滤波器并进行去噪处理，获得去噪后的语音信号，并采用语音播放软件进行试听，理解滤波器在去噪过程中的作用。

三  教学设计与实施

根据工程教育专业认证的标准要求，结合信号与系统课程特点，通过开展理论教学和实验教学，学生应该达到以下课程目标[18-19]：①能够针对电子信息领域的复杂工程问题，选择与使用恰当的仿真软件进行分析、计算与设计。②能够根据实验方案安全地开展实验，正确地采集实验数据，能够对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论，反馈到电子信息领域复杂工程问题的设计与实践。

（一）  教学设计

根据课程目标，开展此项实验项目的案例教学，其设计思路如下。

1）发布查阅滤波器设计应用场景相关文献资料的要求，以问题为导向，拓宽学生的视野，增加学生学习滤波器设计内容的积极性。

2）把握傅里叶变换和滤波器设计教学内容的重难点，立足教学目标，结合具体学情，制定实验项目的内容和要求。

3）采用理论讲授和仿真示例的方式，强化学生对频谱分析、信号去噪等关键环节的理解，掌握语音信号去噪前后语音质量的变化。

4）发布软件实验的相关内容，要求学生根据课程教学内容和实际生产生活的结果，提出采用软件仿真工具完成语音信号去噪处理验证的设计方案，采用仿真工具进行编程和调试。

5）综合分析软件仿真结果，开展课堂讨论以获得有效结论，撰写实验报告，加深对滤波器设计的理解。

为达到上述课程目标，采取的措施步骤包括：

1）采用查阅文献资料的方式，提高学生文献搜索的能力，激发学生学习的积极性。

2）采用数学推导和仿真示例的方式，强化学生对理论知识的掌握。

3）采用软件仿真平台编程仿真的方式，提高学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的程序设计能力和解决工程问题的能力。