JPS606878A - 波形分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、波形の分析を行う装置、特に、波形の時間的
周波数的特徴を分析する装置に関する。

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）　帯域フィルタ群による方式 （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（ＦＦＴ　）方式（４）線形予測（ＬＰＧ）手法
を用いる方式（６）　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゛とってもうまくいき、
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ＦＦＴ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７
かし、音声波形は通信系の信号のように定常的々搬送波
をもたない。寸だ弦楽器や、管楽器のような準周期波形
でもない。音声は子音部とｆＵ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声帯の発
するインパルス波形をもとにした過渡波形からなる。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、充分な精度で分析することのできる波形分析
装置を提供することにある。

発明の構成 本発明の波形分析装置は、通過帯域中がΔｆ　（ｉ）、
中心周波数がｆｏ（ｊ）で、相互の中心周波数間隔が通
過帯域［１］Δｆ　（ｉ）程度もしくは、それよシも小
さく配列された。Ｌ＝１〜ｎのｎ個の畦−共振特性をも
つ複数個の周波数選択フィルタを含む第１ブロツクと、
上記各周波数選択フィ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ブロツクを具備したもの、な
らびに、上記第１および第２ブロツクに加えて、上記各
周波数選択フィ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ャネルに対応させる第３ブロ
ツクと、上記各周波数選択フィ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「１」をその波形の所属する周波数チャネルに登算
する第５ブロツクを具備したものであり、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。なおここでの実施例は音声波形として説明をお
こなうが、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を示すブロック図である。

第１図に於いて、入力１ｏ１から信号が入力さｉする。

フィルタブロック１０２の各フィルタａ１゜ａ２１ａ３
１　・・　、　２．ｏは、第２図のような周波数特性を
もつフィルタである。もっとも代表的な伝達関数表現は
ラプラス変換形式では、（１）式において、この値は１
以下とする。この時、右辺の第１項は共振特性を示す。

第２項は共振性をもだ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＝□　・・−・（２） Ｑ Ｑ−□　・・・・（３） ２ζ 分析対象が音声の場合、Ｑ値はＩＫＨ，以下では１〜２
ｏ、１Ｋｌし以上では３〜１００が選ばれる。

これらのフィルタは、アナログフィルタであ−〕でもよ
いし、ディジタルフィルタであってもよい。

ディジタルフィルタを用いる時は入力はアナログディジ
タル変換器を用い、まだフィルタも（１）式に対応した
２変換形式が用いられる。フィルタ群はノイルタの中心
周波数をｆＯα）、バンド巾をΔｆα）とするとき、ｆ
ｏ（ｊ＋１　）−ｆｏ（ｊ）≦Δｆ（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動的配列を示
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。フィルタブロック１０２の
各フィルタ出力は、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ック１０３にて飽
和値±１、無限大利得をもつ波形整形部ｂｂｂ　・・・
・・・ｂ。

１Ｔ　２　＋　３１　＋ ・・ｂ２．。で整形され矩形波となる。この様相は第３
図に示される。このブロック１０３の出力の矩形波は、
周期計測ブロック１０６に入力され、そこで第３図のグ
ラフＩＣ２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。信号処理がディ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寸たは適当個数の測定値の平均値
が次のチャネル番号判別ブロック１０６に周期計測ブロ
ック１０６の出力として入力される。

チャネルとは、第４図に示すような測定すべき周波数領
域の充分に細かい分割区間のことを言い、フィルタブロ
ック１０２の各フィ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。寸だ、チャ
ネルは中心周波数ｆＯ（ｉ）が成るチャネルの中央にな
るように構成する。

ｆｏ（ん）の所属するチャネルは中心チャネルと名句け
る。また、中心チャネル以外を側帯チャネルと名付ける
。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、ＦＦＴ、自己相関関数等の
手法が用いられる。周期計測ブロック１０５の周期計測
部ｄ１．ｄ２．ｄ３．　・ｄ。

・・ｄ　の出力はチャネル番号判別ブロック５０ １０６のチャネル番号判別部ｅ　１．　ｅ　２１　ｅ　
ｓ　、・−・・ｅ、・・・・・ｅ２５０によシ上記のチ
ャネル即ち第４図】 の各チャネルのいずれに属するかを判定する。

一方、フィルタブロック１０２の各フィルタの出力は、
振巾検出ブロック、１０４の各振巾検出部ＣＣＣ・・Ｃ
・・・・・Ｃ２，。に入力され、１１　２’　３２　ノ 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１Ｊ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、チャネルへの登算ブロック１０７の登
算部ｑ１　＋　’１２　ｒ　Ｃ３＋　・・・ｇｊ　・・
・Ｃ２，。に入力されて登算される。

ここで登算部とは、演算結果値を登録するチャネルレジ
スタとすでにチャ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、上記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、たとえば位相を考慮したベクトル加算に
よる登算ももちｂられる。登算ブロック１０７にはすで
に、登算さるべきチャネル番号がチャネル番号判別ブロ
ック１０６から入力されている。それ故、フィルタ出力
のたとえば、ピーク値は、その波形のゼロ交叉時間間隔
に応じた周波数チャネルに加算される。各チャネルのレ
ジスタ１０８（アナログでもディジタルでもよい）は、
適切な周期でリセｙトされる。たとえは音声の場合は、
各フィルタ出力の該ピーク値が更新さ′Ｉする時点や、
ピッチ周期とか数ｍ　ｓｅｃ〜数１Ｑｍｓｅｃのフレー
ム周期などが用いられる。

上記のような本発明の構成は、基本概念をあられしたも
のであり、各ブロッ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
信号をアナログディジタル変換した後、全ブロックをデ
ィジタルコンピュータのソフトウェアで実現することの
出来ることはいうまでもない。

本発明の骨子は、（１）相当密に配置された低Ｑの単同
調フィルタ群を設け、（１１）そのフィルタ群の出力波
の各周期を計測して周波数を得、（面その周波数を分析
周波数チャネル列の該当部に割当て、（１＼ｌ）各々の
フィルタ出力を割当て餉れたチャ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
、該分析周波数チャネル列を適切にすることにより、各
フィルタの自励振動と他励振動を識別し得るようにした
ものである。

このような構成においての動作を開型的′／ｉ：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、フィ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、フィ
ルタブロック１０２の各フィルタへ はすべて各々のインパルスレスポンスを行う。インパル
スレスポンスハ、ホトント各々のフィルタの中心周波数
での減衰振動となる。故に波形整形ブロック１０３で波
形整形され、周期計測ブロック１０６で周期計測され、
チャネルブロック１０６で判別された結果のチャネルは
、各フィルタの中心チャネルとなる。

従ってインパルスに対するスペクトラムは、ｎ個の中心
チャネルが一斉に出力を出し、他のヂャネル即ち側帯チ
ャネルは、出力を出さない線スペクトル列となる。

（２）　入力が単一の連続正弦波の場合。

フィルタブロック１０２の各フィルタは線形であるので
、入力が正弦波であ、ｆＬは出力も同一周波数を持つ正
弦波となる。即ち、フィ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
ャネル番号判別を」っ・こなった結果は、各チャネル番
号判別ブロックはすべて同一のチャネル番号を指定する
。従って、ノことえば介層波数が４４１１□であれは、
チャネル番号は、１３番となり、チャネルレジスタの第
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。

母音は音声振動パルスにより声道で構成さノシる共鳴部
が励振されて形成される。ピッチ周波数の低いある種の
母音、例えｄ：「ア−ｊの波形をこのシステムで分析す
ると、数１７１１ｚの領域において中心チャネルに出力
があられれ、数百１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チャネルに出力か　われる。つま
り、声帯のビッタ周期成分と、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、狭いチャネルに絞り込まれ、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った。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。本発明によれば相当なと
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
が存在しないだめに情報構造が解明されなかったが、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ック図、第２図は
フィルタの周波数特性の一例を示す肉、第３図は波形整
形部での処理過程を示す波形１〉′］、第４図はチャネ
ルのレジスタの一例を示す図である。 １０２・・・・フィルタブロック、１０３　・・波形整
形ブロック、１０４・・・・振１１ｊ検出ブロック、１
０５・・周期計測ブロック、１０６　・・チャネル番号
判別ブロック、１０７　・・・登算ブロック、１０８・
・・チャネルレジスタ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）通過帯域ｌ〕がΔｆ　（ｉ）、中心周波数がｔｏ
   （Ｌ）で、相互の中心周波数間隔が通過帯域中Δｆ（１
   ）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ィ
   ルタを含む第１ブロツクと、上記各周波数選択フィルタ
   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。
2. （２）通過帯域中がΔｆｌ）＞中心周波数がｆｏ（Ｌ）
   で、相互の中心周波数間隔が通過帯域１コΔｆ（Ｄ程度
   もしくは、それよりも小さく配列されだ１＝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ィルタを
   含む第１ブロツクと、上記各周波数選択フィルタの出力
   波形から各周期に対応した周波数を泪測する第２ブロツ
   クと、上記各周波数選択フィ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ャネルに対応さ
   せる第３ブロツクと、上記各周波数選択フィルタの出力
   波形の振ｄ〕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ャ
   ネルに登算する第６ブロツクとを具備］−２、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。