JPH0670751B2 - 位相特性の推定を伴う極零分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、音声などの信号のスペクトルを近似する際
に、振幅特性だけでなく位相特性の推定をもおこなう極
零分析装置に関するものである。

（従来の技術） 音声合成や音声認識の分野では、音声のスペクトルを近
似するパラメータの値を抽出することが重要である。さ
らに、一般の信号についても、そのスペクトルを近似す
るパラメータの値を抽出することが必要になる場合があ
る。

音声等の信号（以下では、単に信号と呼ぶ）のスペクト
ルを近似するパラメータとしては、極あるいは極零がし
ばしば用いられる。これは、極や零はその物理的意味が
明確である等の特徴があり、応用上有利であるためであ
る。このうち、極パラメータのみによるモデル（全極モ
デル）による分析は、線形予測法などによって容易にお
こなえることが知られているが、比較的少ないパラメー
タでより正確にスペクトルを近似するためには極零パラ
メータによる分析が必要である。

この極零分析の第１の従来例は、例えばジェイ．ディ
ー．マーケルとエイ．エイチ．グレイ（J.D.Markel and
A.H.Gray）の著書「音声の線形予測（鈴木訳）」（Lin
ear Predic-tion of Speech）の第11. 4節に示されてい
る。これは、ホモモルフィックデコンボリューションを
用いるものである。即ち、音声セグメントのケプストラ
ムの低時間成分からモデルのインパルス応答の最小位相
近似を求め、この値から極零パラメータ値を求めるもの
である。

一方、極零パラメータの値を抽出するものの第２の例と
して、シー．ティー．マリスとアール．エイ．ロバーツ
（C.T.Mullis and R.A.Roberts）によるアイイーイーイ
ートランザクション（IEEE Transaction）エイエスエス
ピー24（ASSP−24）,No.3のページ226から238に掲載の
論文、「ザ ユース オブ セカンドオーダ インフォ
メーション イン ザ アプロクシメイション オブ
ディスクリートタイム リニアー システムズ（The Us
e of Second-Order Infor-mation in the Approximatio
n of Discrete-Time Linear Systems）」に示されたも
のがある。

この方法は信号とモデルの振幅スペクトルの差の二乗積
分の値を最小にする極零パラメータ値が最適な近似を与
えるという原理に基づいている。

これは、入力信号の自己相関値と、それに関連したイン
パルス応答から決定される値を方程式の係数とし、極零
モデルの伝達関数の係数を未知数とする連立方程式を解
くことによって得られる。

自己相関値およびインパルス応答の値は例えば、高い次
数の線形予測法によって容易に求めることができる。あ
るいは、第１の従来例と同様に、ホモモルフィックデコ
ンボリューションによって求めることも可能である。

（発明が解決しようとする問題点） これらの極零分析によれば、少ないパラメータで音声な
どの信号の振幅スペクトルを精度良く近似できる。しか
し、何れもモデルとしては最小位相システムを仮定して
いるため、スペクトルの位相成分の近似はおこなわれな
い。音声の生成過程は必ずしも最小位相システムとして
は促えられないため、音声合成などに応用する場合には
この点が問題になることがあった。

第１の従来例において、ケプストラムの代わりに複素ケ
プストラムと呼ばれるパラメータを用いれば、位相特性
も含めた近似が可能であるが、このパラメータ値の抽出
に要する演算量が、単なるケプストラムの分析に必要な
演算量に比べて膨大なものになる上に、複素ケプストラ
ムから極零パラメータ値を得ることも容易ではない。

本発明の目的は、音声合成などに応用する際に合成音の
品質に影響を及ぼすと考えられる位相特性をも精度良く
近似する極零パラメータ値を、比較的少ない演算量で安
定に求められる極零分析装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明における位相特性の推定を伴う極零分析装置は、
音声などの信号のスペクトルを、最小位相システムの極
零モデルで近似する型の極零分析をおこなう手段を有
し、更にその極零分析をおこなう手段によって抽出され
た極零パラメータ値を用いて前記音声などの信号を逆フ
ィルタリングして残差信号を算出する手段と、前記抽出
された零パラメータの示す零点の付近における前記残差
信号のｚ変換の値を算出する手段と、そのｚ変換の値に
基づいて前記零パラメータの絶対値をその逆数に変換す
る手段とから構成される。

（作用） 本発明では、まず従来の極零分析と同様に最小位相を仮
定したモデルに基づいて信号の極零分析をおこない、そ
の結果の後処理として信号を逆フィルタリングし、ｚ変
換を求めることによって真の零点の位置を判定するもの
である。

最小位相を仮定して得られた極零パラメータによれば、
信号の振幅スペクトル特性は良好に近似されているはず
であるから、位相特性さえ分析しなおせば、振幅位相と
もに精度良く近似する極零パラメータが抽出できること
になる。この場合、モデルの極は安定性と因果性の条件
からその絶対値は１以下でなければならないから、信号
の位相特性が最小位相で近似できないとすれば、零点の
位置のみが最適でないということになる。

振幅特性が同一で位相特性が異なるようなシステム相互
の零点は、偏角が同一でその絶対値が互いに逆数の関係
にあるという性質がある。従って、最小位相を仮定して
振幅特性を近似した極零モデルの位相特性を分析しなお
す問題は、単位円の内部に存在するとして得られた零点
が、実際には単位円の外部に存在するのか否かを判定
し、外部に存在すると判定された場合には、その零点を
偏角が同一で絶対値が逆数であるもので置き換えるとい
うことで解決される。

ところで、はじめに最小位相を仮定したモデルに基づい
て分析しているので、ここで得られたパラメータは極も
零点もｚ平面の単位円の内部に存在する。従って、この
モデルの逆システム、即ち、モデルの極を零点で、零点
を極で置き換えた安定で因果的なシステムが必ず存在し
得る。この逆システムによって前記の信号を逆フィルタ
リングすると、本来の信号の有する極の成分は逆システ
ムの零点で打ち消され、単位円の内部に存在した零点の
成分は逆システムの極によって打ち消される。しかし、
もし本来の信号に単位円の外部の零点の成分が存在して
いたとすると、逆システムの極で打ち消されることはな
く、逆フィルタリングされた信号（いわゆる残差信号）
は、単位円の内部の最小位相のモデルの零点が存在した
位置に極を持ち、それと偏角が同一で絶対値が逆数であ
る位置に零点を持つ。

そこで、最小位相のモデルで得られた零点の付近におい
てこの残差信号のｚ変換を求めれば、もし本来の信号の
零点の位置が単位円の内部ならば、前述のように逆フィ
ルタリングによって打ち消されるのでその近辺での残差
信号のｚ変換は滑らかな特性を有し、単位円の外部なら
ば逆システムの極が残るためその近辺での残差信号のｚ
変換は鋭いピークを持つ。このことから本来の信号の零
点の位置が単位円の内部にあるか外部にあるかを決定す
ることが出来る。このときｚ変換をおこなうｚの値は単
位円の内側で零点の存在する位置とは異なる値である必
要がある。

こうして単位円の外部に存在すると判定された零点を、
偏角はそのままで絶対値が逆数であるものに置き換えれ
ば、位相特性をも精度良く近似する極零パラメータの値
が得られる。

（実施例） 次に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例のブロック図である。まず、
主要な構成部個々の動作を説明する。図において、２は
極零分析回路であり、従来と同様にして最小位相を仮定
したモデルに基づいて極零分析をおこなう。

３は逆フィルタであり、最小位相を仮定して得られた極
零パラメータ値の極を零点とし零点を極とする伝達関数
の係数を算出し、入力信号をフィルタリングして残差信
号を生成する。

４はｚ変換回路であり、最小位相モデルで抽出された零
点の付近において残差信号のｚ変換をおこなう。この変
換の際のｚの値は、絶対値が零点の絶対値と１の中間の
値であって、偏角が零点と同一のものとある微少な角度
だけ異なるものの２種類が各零点の候補ごとに必要であ
る。２種類のｚの値の偏角の違いは、共振点での値から
例えば3dB変化することが予想される周波数幅（バンド
幅の半分）に相当するものが考えられる。

５は共振判定回路であり、ｚ変換回路における２種類の
ｚ変換の結果に基づいて、残差信号中に極の成分が存在
するか否かを判定するものである。ｚ変換の値が（前記
の例に対応させれば）3dB相当だけ異なっていれば残差
信号に極の成分が含まれていると判定し、それより小さ
ければ極の成分が含まれていないと判定する。

６は極零決定回路であり、共振判定回路５の判定結果に
基づいて、残差信号中に極の成分が存在すると判定され
たときは、最小位相モデルで得られた零点の対応するも
のの絶対値を逆数で置き換えて最終的な極零パラメータ
値として出力する。なお、極パラメータ値は最小位相モ
デルで得られたものがそのまま出力される。

次に、信号の流れに沿って全体の動作を説明する。

信号線11から入力バッファ７に信号が入力され、予め設
定された時間長分の信号データ（いわゆる分析フレーム
内のデータ）が信号線12を介して極零分析回路２に送ら
れ最小位相モデルに基づいた極零分析がおこなわれる。
分析の結果得られた極零パラメータ値の候補は信号線14
を介して極零バッファ８に送られ記憶される。

極零バッファ８から信号線15を介して逆フィルタ３に最
小位相モデルに基づく極零パラメータの候補値が送られ
ると、前述のように逆フィルタの係数が算出され、入力
バッファ７から信号線13を介して送られる分析フレーム
内の信号が逆フィルタリングされ信号線18を介して残差
バッファ９に送られ記憶される。

次に、極零バッファ８から信号線16を介してｚ変換回路
４に最小位相モデルに基づいて得られた零パラメータの
候補値が送られ、残差バッファ９から信号線19を介して
送られる残差信号のｚ変換の値が前述のように算出さ
れ、信号線20を介して共振判定回路５へ送られる。

共振判定回路５ではそのｚ変換の値に基づいて前述のよ
うに残差信号中に極の成分が存在するか否かが判定さ
れ、判定結果が信号線21を介して極零決定回路６に送ら
れる。

極零決定回路６では、極零バッファ８から信号線17を介
して送られる極零パラメータの候補値のうち、極パラメ
ータ値についてはそのまま信号線22へと出力される。一
方、零パラメータ値については共振判定回路５からの判
定結果に基づいて、残差信号中に極成分が検出された場
合は、前述のように対応する零パラメータ値の絶対値デ
ータを逆数で置き換えたものが正しい零パラメータ値と
して出力される。もし、判定結果が残差信号中に極成分
の存在を示していない場合は極零バッファから送られる
候補値がそのまま出力される。

１は制御回路であり、信号線23,24,25,26,27,28,29及び
30を介してそれぞれ入力バッファ７、逆フィルタ３、極
零分析回路２、極零バッファ８、残差バッファ９、ｚ変
換回路４、極零決定回路６及び共振判定回路５に制御信
号を送り、フレーム周期ごとに各部の初期化を指示する
とともに、データの授受のための同期信号を送って同期
を取る。

（発明の効果） 以上に説明したように本発明によれば、従来の極零分析
に比べて、逆フィルタリングとｚ変換の計算程度の演算
量の増加で、位相特性をも含み、より精度よくスペクト
ルを近似することができる極零パラメータ値が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図である。 図において、１は制御回路、２は極零分析回路、３は逆
フィルタ、４はｚ変換回路、５は共振判定回路、６は極
零決定回路、７は入力バッファ、８は極零バッファ、９
は残差バッファをそれぞれ表す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】音声などの信号のスペクトルを、最小位相
   システムの極零モデルで近似する手段を有する型の極零
   分析装置において、前記極零分析をおこなう手段によっ
   て抽出された極零パラメータ値を用いて前記音声などの
   信号を逆フィルタリングして残差信号を算出する手段
   と、前記抽出された零パラメータの示す零点の付近にお
   ける前記残差信号のｚ変換の値を算出する手段と、その
   ｚ変換の値に基づいて前記零パラメータの絶対値をその
   逆数で置き換える手段とから構成されることを特徴とす
   る位相特性の推定を伴う極零分析装置。