JPS6310395B2

JPS6310395B2 -

Info

Publication number: JPS6310395B2
Application number: JP11632383A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Kobayashi; Tomoaki Irimichi; Kazuhiro Tsuga
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1983-06-27
Filing date: 1983-06-27
Publication date: 1988-03-07
Also published as: JPS607370A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、波形の分析を行なう装置、特に、波
形の時間的周波数的特徴を分析し、特徴を抽出す
る装置に関する。対象とする波形は、インパルス
的なもの、減衰正弦波的なもの、概周期的なも
の、周期的かつ定常的なもの、およびこれらの組
合せをも含むあらゆる波形である。

従来例の構成とその問題点これまで、音響、通信等の分野で、波形の分析
を行う方法として、次の方法がある。

(1) 帯域フイルタ群による方式 (2) １個の帯域フイルタと可変の基準周波数発振
器によりヘテロダイン検波を行う方式 (3) 高速フーリエ変換（FET）方式 (4) 線形予測（LPC）手法を用いる方式 (5) 自己相関関数を用いる方式 (6) ゼロ交叉波を用いる方式これらの方式は、非定常性の強い波形に対し
て、充分な分析力をもたない。そのような波形の
一つが音声である。

通信系において、信号波形の周波数分析は、ス
ペクトラムアナライザで足りている。通信系では
搬送波なる定常信号に対して、非定常的な変調波
を作用させる。一般に周波数分析を行うのは通信
系の設計製作時の段階であり、この時には変調波
も定常信号とすることにより、信号は搬送波と定
常的側帯波となる。これは定常信号となる為、前
記の分析方式のいずれをとつてもうまくいき、と
くに、市販されているスペクトラムアナライザで
充分なる精度の測定が行い得る。

楽器音の波形分析には近年さかんにFETが用
いられ、基音とその倍音という形で記述される
が、楽器の種類により、音が定常的なものは満足
な結果を与えているが、打楽器等の非定常音には
良い結果が得られない。良い結果を得るとは音の
特徴が数少ないパラメータで充分記述し得るとい
うことを意味する。

音声波形の分析にも前記の方式が用いられてい
る。しかし、音声波形は通信系の信号のように定
常的な搬送波をもたない。また弦楽器や、管楽器
のような準周期波形でもない。音声は子音部と母
音部からなるが、子音部は全く非定常的である
し、母音部においてすら音帯の発するインパルス
波形をもとにした過渡波形の列からなる。その列
も変化が大きいので、定常列とみなした分析では
早い変化と、微妙な変化の分析ができない。

発明の目的本発明の目的は、上記の音声波形や打楽器等の
如き非定常波形を、充分な精度で分析し、分析結
果から波形のインパルス性、減衰正弦波の振動周
波数と減衰率などのパラメータを導き、波形の特
徴を得んとする波形分析装置を提供しようとする
ものである。

発明の構成本発明の波形分析装置は、通常帯域巾がΔ(i)、
中心周波数が₀(i)で、相互の中心周波数間隔が通
過帯域巾Δ(i)程度もしくは、それよりも小さく
配列されたｉ＝１〜ｎのｎ個の単一共振特性をも
つ複数個の周波数選択フイルタを含む第１ブロツ
クと、上記各周波数選択フイルタの出力波形から
各周期に対応した周波数を計測する第２ブロツク
と、上記各周波数選択フイルタの出力波形の周波
数計測された周波数を量子化された周波数チヤネ
ルに対応させる第３ブロツクと、上記各周波数選
択フイルタの出力波形の振巾を検出する第４ブロ
ツクと、上記第４ブロツクの各出力波形振巾をそ
の波形の所属する周波数チヤネルに登算するチヤ
ネルレジスタブロツクと、周波数チヤネルに対応
して各フイルタの中心周波数応答を登算する自己
チヤネルレジスタブロツクと、それ以外の応答を
登算する他励チヤネルレジスタブロツクを用いて
構成したものであり、これにより入力信号を高い
精度で周波数分析し得るものである。

実施例の説明以下、本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。ここでは実施例を音声波形とし
て説明を行うが、音声波形のみを対象と限定する
ものではない。第１図は本発明の実施例のブロツ
ク図を示す。第１図に於いて、入力１０１から信
号が入力される。フイルタブロツク１０２の各フ
イルタa₁，a₂，a₃……a_j……a₂₅₀は、第２図のよ
うな周波数特性をもつフイルタである。もつとも
代表的な伝達関数表現はラプラス変換形式では、 Gj（ｓ）＝2ζ（TS）／１＋2ζ（TS）＋（TS）² ×［2TS／（１＋TS）²］² ……(1) (1)式において、ζの値は１以下とする。この
時、右辺の第１項は共振性をもたないバンドパス
特性を示す。ζはいわゆるＱとの間に次の関係を
持つ。

ζ＝１／2Q ……(2) Ｑ＝１／2ζ ……(3) 分析対象が音声の場合、Ｑ値は1KHz以下では
１〜10、1KHz以上では３〜100が選ばれる。これ
らのフイルタは、アナログフイルタであつてもよ
いし、デイジタルフイルタであつてもよい。デイ
ジタルフイルタを用いる時は入力はアナログデイ
ジタル変換器を用い、またフイルタも(1)式に対応
したＺ変換形式が用いられる。フイルタ群はフイ
ルタの中心周波数を₀(i)、バンド巾をΔ(i)とす
るとき、₀（ｉ＋１）−₀(i)≦Δ(i)程度に密に設
ける。中心周波数の配列は、本実施例では等差数
列的配列を示しているが、場合に応じて等比数列
的配列や、それらの組み合わせが用いられる。フ
イルタブロツク１０２の各フイルタ出力は、時間
的に波動的に変化する信号波形となる。この出力
波形は波形整形ブロツク１０３にて飽和値±１、
無限大利得をもつ波形整形部b₁，b₂，b₃……b_j…
…b₂₅₀で整形され矩形波となる。この様相は第３
図に示される。この波形整形ブロツク１０３の出
力の矩形波は、周期計測ブロツク１０５の周期計
測部d₁，d₂，d₃……d_j……d₂₅₀に入力され、そこ
で第３図のグラフ１C₂の立ち上がりから立ち上
がり迄の時間間隔が測定される。信号処理がデジ
タル方式の場合には、サンプリング時間間隔によ
りゼロ交叉時刻の精度が不充分となる場合も生じ
るが、この場合は内挿法によりこれを補う。個々
の測定値は単独値または適当個数の測定値の平均
値が次のチヤネル番号判別部１０６のチヤネル番
号判別部e₁，e₂，e₃，……e_j……e₂₅₀に周期計測
ブロツク１０５の出力として入力される。チヤネ
ルとは、第４図に示すような測定すべき周波数領
域の充分細かい分割区間のことを言い、フイルタ
ブロツク１０２の各フイルタ中心周波数間隔より
も数分の１ないし10分の１程度に細かいものであ
る。また、チヤネルは中心周波数₀(i)が境界でな
く或るチヤネルの中央になるように構成する。₀
(i)の所属するチヤネルは中心チヤネルと名付け
る。また中心チヤネル以外を側帯チヤネルと名付
ける。本実施例では周期計測の例として、ゼロ交
叉時間を採用する場合を示したが、他に、FET、
自己相関関数等の手法が用いられる。周期計測ブ
ロツク１０５の出力はチヤネル番号判別ブロツク
１０６により上記のチヤネル即ち第４図の各チヤ
ネルのいずれに属するかを判定する。

一方、フイルタ群１０２の各フイルタの出力
は、振巾検出ブロツク１０４の各振巾検出部C₁，
C₂，C₃……C_j……C₂₅₀に入力され、各波形の各サ
イクルのプラス側波形そのもの、あるいは振巾値
例えばピーク値などが計測される。その値は、そ
のサイクルの間保持されつづける。そしてその値
は、登算ブロツク１０７に入力されて登算部g₁，
g₂，g₃……g_j……g₂₅₀に登算される。ここで登算
部とは、演算結果値を登録するチヤネルレジスタ
とすでにチヤネルレジスタにある値と入力値とを
演算（例えば加算）する演算回路とからなる。ま
た登算とは上に登算部にて行われる演算処理と登
録処理を意味する。さらに高度な、例えば位相を
考慮したベクトル加算による登算も用いられる。
登算ブロツク１０７は、各種チヤネルレジスタブ
ロツク１０８と１０９より成る。チヤネルレジス
タブロツク１０８は中心チヤネルレジスタ群と側
帯チヤネルレジスタ群よりなる。該チヤネルへの
登算部はすでに登算さるべきチヤネル番号が、チ
ヤネル番号判別ブロツク１０６から入力されてい
る。それゆえ、フイルタ出力のたとえば、ピーク
値は、その波形のゼロ交叉時間に対応した周波数
のチヤネルレジスタに加算される。更にチヤネル
レジスタブロツク１０９は中心チヤネルレジスタ
に対応して自己チヤネルレジスタブロツク１１
１、また全チヤネルレジスタに対応して他励チヤ
ネルレジスタブロツク１１２をもつ。あるフイル
タに対応した周期計測ブロツクの出力が自らの中
心チヤネルの周波数領域に入る場合、その振巾検
出部出力は当該自己チヤネルレジスタに登算され
る。また、その周期計測ブロツクの出力が側帯チ
ヤネルの周波数領域に入つた場合および他のフイ
ルタの中心チヤネルに入つた場合はその振巾検出
部出力は対応した他励チヤネルレジスタに登算さ
れる。第４図内の各レジスタは、適切な周期でリ
セツトされる。たとえば音声の場合は、各フイル
タ出力の該ピーク値が更新される時点や、ピツチ
周期とか数msec〜数10msecのフレーム周期など
が用いられる。チヤネルレジスタブロツク１０９
内にある自己チヤネル和レジスタ１１４は全自己
チヤネルレジスタ１１１の和あるいはrms和を計
算して持ち、また、他励チヤネル和レジスタ１１
５は、全他励チヤネルレジスタ１１２の和あるい
はrms和を計算して持つ。

全チヤネル和レジスタ１１３は、自己チヤネル
和レジスタ１１４の値と、他励チヤネル和レジス
タ１１５の値との和あるいはrms和を計算して持
つ。

上記のような本発明の構成は、基本概念を表わ
したものであり、各ブロツクの実現手段はこの実
施例により制限されるものではない。たとえば、
本システムは、入力信号をアナログデジタル変換
した後、全ブロツクをデジタルコンピユータのソ
フトウエアで実現することの出来ることはいうま
でもよい。

本発明の骨子は、(i)相当密に配置された低Ｑの
単同調フイルタ群を設け、(ii)そのフイルタ群の出
力波の各周期を計測して周波数を得、(iii)その周波
数を分析周波数チヤネル列の該当部に割当て、(iv)
各々のフイルタ出力を割当てられたチヤネルに登
算することにより、周波数分解力を上げることを
骨子とするとともに、該分析周波数チヤネル列を
適切にすることにより、各フイルタの自励振動と
他励振動を識別し得るようにして非振動性インパ
ルス信号と、振動性信号を分離し特徴を抽出する
ことにより、信号波形の特徴を抽出するものであ
る。このような構成においての動作を典型的な３
つの例で説明する。

(1) 入力が理想インパルスの場合。

過去の値が零であるので、フイルタ群の出力の
初期値が零であり、インパルス入力の時点を出発
点として、フイルタブロツク１０２の各フイルタ
はすべて各々のインパルスレスポンスを行う。イ
ンパルスレスポンスは、ほとんど各々のフイルタ
の中心周波数での減衰振動となる。故に波形整形
ブロツク１０３で波形整形され、周期計測ブロツ
ク１０５で周期計測され、チヤネル番号判別ブロ
ツク１０６で判別された結果のチヤネルは、各フ
イルタの中心チヤネル、即ち自己チヤネルとな
る。ゆえにイソパルスに対しては、ｎ個の自己チ
ヤネルが一斉に出力を出し、他励チヤネルは出力
を出さない。従つて自己チヤネル和レジスタ１１
４が大きい値を出し、他励チヤネル和レジスタ１
１５の値は零となる。

(2) 入力が単一の連続正弦波の場合。

フイルタブロツク１０２の各フイルタは線形で
あるので、入力が正弦波であれば出力も同一周波
数を持つ正弦波となる。即ち、フイルタ出力はす
べて同一周波数の正弦波となる。故に、波形整形
され、周期計測され、チヤネル番号判別をおこな
つた結果は、各チヤネル判別ブロツクはすべて同
一のチヤネル番号を指定する。従つて、たとえば
今周波数が44Hzであれば、チヤネル番号は、13番
となり、チヤネルレジスタの第13チヤネルのみが
零でない値を示し、他は零となる。すなわち鋭い
単一の線スペクトラムが得られる。

(3) 母音の場合。

母音は声帯振動パルスにより声道で構成される
共鳴部が励振されて形成される。ピツチ周波数の
低いある種の母音例えば「ア」の波形をこのシス
テムで分析すると、数百Hzの領域において自己チ
ヤネルに出力が現われ、数百Hz以上の領域で声道
共鳴によるホルマント周波数に対応した他励チヤ
ネルに出力が現われる。つまり、声帯のピツチ周
期成分と、声道共鳴成分とがよく分離されるとと
もに、声道共鳴成分は持続正弦波の場合に似て、
狭いチヤネルに絞り込まれ、明瞭にホルマントが
検出される。

発明の効果波形の成分は、インパルス的なもの、持続正弦
波的なもの、減衰正弦波的なもの、ホワイトノイ
ズ的なものなどに表現されるが、従来の方法で
は、インパルス的なものや単一の減衰正弦波など
短時間の現象を周波数精度高く測定することが難
しかつた。時間と周波数の間の不確定性原理とよ
ばれるものである。本発明では相当なところまで
改善がはかられた。とくに音声の分析には適して
いる。母音発声時の声帯の初振動〜３振動程度の
間は、これまでそこが重要であるといわれながら
も、分析法が存在しないために情報構造が解明さ
れなかつたが、本発明によれば、明瞭に解明され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図はフイルタの周波数特性の一例を示す図、
第３図は波形整形部での処理過程を示す図、第４
図は各種チヤネルのレジスタの一例を示す図であ
る。１０２……フイルタブロツク、１０３……波形
整形ブロツク、１０４……振巾検出ブロツク、１
０５……周期計測ブロツク、１０６……チヤネル
番号判別ブロツク、１０７……登算ブロツク、１
０８……チヤネルレジスタ、１１１……自己チヤ
ネルレジスタ、１１２……他励チヤネルレジス
タ。

Claims

【特許請求の範囲】

１通過帯域巾がΔ(i)、中心周波数が₀(i)で、
相互の中心周波数間隔が通過帯域巾Δ(i)程度も
しくはそれよりも小さく配列されたｉ＝１〜ｎの
ｎ個の単一共振特性をもつ複数個の周波数選択フ
イルタを含む第１ブロツクと、上記各周波数選択
フイルタの出力波形から各周期に対応した周波数
を計測する第２ブロツクと、上記各周波数選択フ
イルタの出力波形の周波数計測された周波数を量
子化された周波数チヤネルに対応させる第３ブロ
ツクと、上記各周波数選択フイルタの出力波形の
振巾を検出する第４ブロツクと、上記第４のブロ
ツクの各出力波形振巾をその波形の所属する周波
数チヤネルに登算するチヤネルレジスタブロツク
と、周波数チヤネルに対応して上記各周波数選択
フイルタの中心周波数応答を登算する自己チヤネ
ルレジスタブロツクと、それ以外の応答を登算す
る他励チヤネルレジスタブロツクとを具備し、入
力信号の周波数を分析するように構成したことを
特徴とする波形分析装置。