JPS607370A

JPS607370A - 波形分析装置

Info

Publication number: JPS607370A
Application number: JP58116323A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Kobayashi; 一二小林; Tomoaki Irimichi; 入路　友明; Kazuhiro Tsuga; 一宏津賀
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1983-06-27
Filing date: 1983-06-27
Publication date: 1985-01-16
Also published as: JPS6310395B2

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、波形の分析を行なう装置９％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、イレパルス的なもの、減衷正弦波
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個の帯域フィ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（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シ、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。捷だ弦楽器や、管楽器のような単周期波形で
もない。音声は子音部とｍ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
ンパルス波、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
を捺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ｒｊｊがｌ　ｆ　（
Ｌ）、中心周波数がｆ。（＾）で、相互の中上・周波数
間隔が通過帯域中Δｆ　（ｉ）程度もしくは、それより
も小さく配列されたん＝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、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１〕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チャ
ネルレジスタブロックと、周波数チャネルに対応して各
フィルタの中心周波数応答を登算する自己チャネルレジ
スタブロックと、それ以外の応答を登算する他励チャネ
ルレジスタブロッ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ック図を示す。第１図に於いて
、入力１０１から信号が入力される。フィルタブロック
１０２の各フィルタａ　１　ｒ　ａ　２　＋　ａ　３・
・・・・・ａ、・・・・・・”２５０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（１）式において、こ
の値は１以下とする。この時、右辺の第１項は共撮性を
もだないバントパス特性を示す。ζはいわゆるＱとの間
に次の関係を持つ。

Ｑ−・・・・・・・・・（３）分析対象が音声の場合、Ｑ値は１ＫＨｚ以下では１〜１
０、ＩＫＨｚ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ってもよい
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、またフィルタも（１）式に対応した
２変換形式が用いられる。フィルタ群はフィルタの中心
周波数をｆｏ（Ｌ）、バンド巾を１ｆ（ｊ）とするとき
、ｆｏ（Ｌ＋１　）−ｆｏ（ル）≦Δｆ（ん）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１０
３にて飽和値±１、無限大利得をもつ波形整形部ｂ１゜
ｂ２．ｂ３・・・・・・ｂ、・・・・・・ｂ２６ｏ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
の波形整形ブロック１０３の出力の矩形波は、周期ａ１
測ブロック１０５の周期計測部ｄ１．ｄ２．ｄ３・・・
・ｄｌ・・・・・・ｄ２６゜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尚個数の測定値
の平均値が次のチャネル番号判別部１０６のチャネル番
号判別部ｅ　１　、　ｅ　２　、　ｅ　３゜・・・・・
・ｅ　］・・・・・・ｅ２５゜に周期側４［］ブロック
ｊ０５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シも数分の１ないし１０分の１程度
に細かいものである。また、チャネルは中心周波数ｆ。

（ｌが境界でなく成るチャネルの中火になるように構成
する。ｆｏ（↓）の所属するチャネルは中心チャネルと
名付ける。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、ＦＥＴ、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の出
力はチャネル番号判別ブロック１０６により上記のチャ
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、フィルタ群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Ｃ１，Ｃ２゜Ｃ３・・
・・・・Ｃ，・・・・・・Ｃ２５゜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
ック１０７に入力されて登算部ｑ１．’Ｊ２Ｔｑ３°°
゛２°”Ｊ　ｊ””’“”２５０に登算される０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。登算ブロック１０７は、各種チャネ
ルレジスタブロック１０８と１０９より成る。チャネル
レジスタブロック１０８は中心チャネルレジスタ群と側
帯チャネルレジスタ群よりなる。該チャネルへの登算部
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かも入力されている。それゆえ、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
時間に対応した周波数のチャネルレジスタに加算される
。更にチャネルレジスタブロック１０９は中心チャネル
レジスタに対応して自己チャネルレジスタブロック１１
１、また全チャネルレジスタに対応して他励チャネルレ
ジスタブロック１１２をもつ。あるフィルタに対応した
周期計測ブロックの出力が自らの中心チャネルの周波数
領域に入る場合、その振巾検出部出力は当該自己チャネ
ルレジスタに登算される。寸だ、その周期計測ブロック
の出力が側帯チャネルの周波数領域に入った場合および
他のフィルタの中心チャネルに入った場合はその振巾検
出部出力は対応した他励チャネルレジスタに登算される
。第４図内の各レジスタは、適切な周期でリセットされ
る。たとえば音声の場合は、各フィルタ出力の該ピーク
値が更新される時点や、ピンチ周期とか数ｍ５ｅｃ〜数
１Ｑｍｓｅｃのフレーム周期などが用いられる。チャネ
ルレジスタブロック１０９内にある自己チャネル和レジ
スタ１１４は全自己チャネルレジスタ１１１の和あるい
はｒｍｓ和を計算して持ち、また、他励チャネル和レジ
スタ１１５は、全他励チャネルレジスタ１１２の和ある
いはｒ　ｍ　ｓ和を計算して持つ。

全チャネル和レジスタ１１３は、自己チャネル和レジス
タ１１４の値と、他励チャネル和レジスタ１１５の値と
の和あるいはｒ　ｍ　ｓ和を計算して持つＯ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
号をアナログデジタル変換した後、全ブロックをデジタ
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
ことはいう丑でもない。

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
の各周期を開側して周波数を得、（ｉｉｉｌその周波数
を分析周波数チャネル列の該当部に割当て、（ｉｖ）各
々のフィルタ出力をＩＩＪ当てら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の各フィルタに、すべて各々のイン
パルスレスポンスヲ行つ。インパルスレスポンスは、は
とんど各々のフィルり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１０５で周期計測され、チャネル番号判別ブ
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、即ち自己チャネルとなる。

ゆえにイソパルスに対しては、ｎ個の自己チャネルが一
斉に出力を出し、他励チャネルは出力を出さない。従っ
て自己チャネル和レジスタ１１４が大きい値を出し、他
励チャネル和レジスタ１１５の値は零となる。

（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
、入力が正弦波であれば出力も同一周波数を持つ正弦波
となる。即ち、フィルり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
ル番号判別をおこなった結果は、各チャネル判別ブロッ
クはすべて同一のチャネル番号を指定する。従って、た
とえば今周波数が４４　Ｈｚであれば、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。ピン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ャ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
対応した他励チャネルに出力が現われる。つまり、声帯
のピ・ンチ周期成分と、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、
狭いチャネルに絞り込１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、持続市弦波的なも
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廂１ｈ間の現象を周波数精度高
く測定することが離しかった。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。本発明では相当なとこ
ろ１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・・・・・・振巾検出ブ
ロック、１０５・・・・・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、１１１・・・・・・自己チャネルレジスタ、１１２
・・・・・・他励チャネルレジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

通過帯域中がｄ　ｆ　ｌ）　、中心周波数がｆ。（ｉ）
で、相互の中心周波数間隔が通過帯域１〕Δｆ（１）程
度もしくはそれよりも小さく配列されたＬ　＝　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、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ン゛ロツクと、上記各周波数選択フィルり
の出力波形の振巾を検出する第４ブロツクと、上記第４
のフ゛ロッ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チャネルレジスタブロックと、
周波数チ、ヤネルに対応して上記各周波数選択フィルタ
の中心周波数応答を登算する自己チャネルレジスタブロ
ックと、それ以外の応答を登算する他励チャネルレジス
タブロックとを具備し、入力信号の周波数を分析するよ
りに構成したことを特徴とする波形分析装置。