JP6183067B2 - Data analysis apparatus and method, program, and recording medium - Google Patents

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本発明は、データ解析装置及び方法、並びにプログラム及び記録媒体に関し、特に時系列データの非ガウス性又は非線形性の検出に関する。   The present invention relates to a data analysis apparatus and method, a program, and a recording medium, and more particularly to detection of non-Gaussian or non-linearity of time series data.

時系列データの非ガウス性とは、時系列データの振幅分布が、平均値を中心として左右対称でないことを意味する。一方時系列データの非線形性とは、時系列データの生成過程に、非線形項が含まれていることを意味する。非線形性のデータは、非ガウス性を有する。
取得したデータ(観測データ)の非ガウス性及び非線形性を確認するためのデータ解析方法として、データの歪度に関係する規格化バイスペクトルを用いることが提案されている(非特許文献1〜3)。
The non-Gaussian property of time series data means that the amplitude distribution of the time series data is not symmetrical with respect to the average value. On the other hand, the non-linearity of time series data means that a non-linear term is included in the generation process of time series data. Nonlinear data has non-Gaussian properties.
As a data analysis method for confirming non-Gaussianity and nonlinearity of acquired data (observation data), it has been proposed to use a normalized bispectrum related to the skewness of the data (Non-Patent Documents 1 to 3). ).

従来の方法の問題点は、観測データがガウス性であっても有限のデータを抽出すると、抽出の仕方によってデータが非ガウス性又は非線形性を有するように見え、誤判定が生じる可能性があることである。   The problem with the conventional method is that even if the observation data is Gaussian, if finite data is extracted, the data may appear to have non-Gaussian or non-linearity depending on the extraction method, and erroneous determination may occur. That is.

以下、従来の方法について図1を参照して説明する。図1において、観測の結果得られた時系列データをx(t)と表し、このx(t)の離散化されたものをx[n]と表す。ここで、nは時刻を表すインデックスである。
時系列データx[n]から図2に示すように、複数個即ちP個のデータブロックDB〜DBを生成する。データブロックの各々DB(iは1乃至Pのいずれか)はN個のサンプル値を含む。
各データブロックDBに対して、フーリエ変換部14でNサンプル離散フーリエ変換を行って、各周波数の成分X[k]を求める。フーリエ変換は、下記の式(1)で表される。
Hereinafter, a conventional method will be described with reference to FIG. In FIG. 1, time series data obtained as a result of observation is represented as x (t), and a discretized version of x (t) is represented as x [n]. Here, n is an index representing time.
As shown in FIG. 2, a plurality of data blocks DB 1 to DB P are generated from the time series data x [n]. Each of the data blocks DB i (i is any one of 1 to P) includes N sample values.
N-sample discrete Fourier transform is performed on each data block DB i by the Fourier transform unit 14 to obtain a component X i [k] of each frequency. The Fourier transform is represented by the following formula (1).

Figure 0006183067
ここで、kは周波数を表すインデックスである。
Figure 0006183067
Here, k is an index representing a frequency.

バイスペクトル計算部22及びパワースペクトル計算部24には、複数個即ちQ個の周波数ペアを構成する周波数についての周波数成分X[k]が供給される。例えば、Qは49であり、49個の周波数ペアの2次元周波数平面上における配置は図3に「○」印で示される通りである。 The bispectrum calculation unit 22 and the power spectrum calculation unit 24 are supplied with frequency components X i [k] for a plurality of frequencies constituting Q frequency pairs. For example, Q is 49, and the arrangement of the 49 frequency pairs on the two-dimensional frequency plane is as indicated by “◯” in FIG.

バイスペクトル計算部22では、データブロックDB〜DBの各々について周波数成分X[k]を用いて、バイスペクトルBa[k,k]を計算する。
そのために、まず各データブロック(i番目のデータブロック)DBについてのバイスペクトルB[k,k]を、次式(2)によって計算する。

Figure 0006183067
但し、X [k+k]はX[k+k]の複素共役を表す。 The bispectrum calculation unit 22 calculates the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] using the frequency component X i [k] for each of the data blocks DB 1 to DB P.
For this purpose, first, a bispectrum B i [k 1 , k 2 ] for each data block (i-th data block) DB i is calculated by the following equation (2).
Figure 0006183067
However, X i * [k 1 + k 2] represents the complex conjugate of X i [k 1 + k 2 ].

式(2)で得られるバイスペクトルB[k,k]は、観測データx[n]の周波数間の相関の程度を示す指標である。 The bispectrum B i [k 1 , k 2 ] obtained by Expression (2) is an index indicating the degree of correlation between the frequencies of the observation data x [n].

バイスペクトル計算部22は、式(2)の計算を、P個のデータブロックDB〜DBの各々に対して行い、計算の結果得られたバイスペクトルB[k,k]を平均することによって、P個のデータブロックから成る時系列データDSについてのバイスペクトルBa[k,k]を得る。バイスペクトルBa[k,k]を求めるための計算は、次式(3)で表される。 The bispectrum calculation unit 22 performs the calculation of Expression (2) for each of the P data blocks DB 1 to DB P , and calculates the bispectrum B i [k 1 , k 2 ] obtained as a result of the calculation. By averaging, the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] for the time-series data DS composed of P data blocks is obtained. The calculation for obtaining the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] is expressed by the following equation (3).

Figure 0006183067
Figure 0006183067

観測データに白色雑音しか含まれていなければ、観測データの周波数間に相関関係はないので、バイスペクトルは小さな値となる。一方、観測データに非定常成分が含まれていれば、観測データの周波数間に相関関係が現れ、式(3)で示されるバイスペクトルが大きな値を持つ。   If the observation data contains only white noise, the bispectrum has a small value because there is no correlation between the frequencies of the observation data. On the other hand, if the observation data includes a non-stationary component, a correlation appears between the frequencies of the observation data, and the bispectrum expressed by Equation (3) has a large value.

式(3)で示されたバイスペクトルは、観測データに含まれる各周波数の成分の大きさ(パワー)に依存した値を持つ。そのため、このバイスペクトルそのものでは、周波数間の相関関係の大きさが判断しにくい。そこで通常は、バイスペクトルの大きさが観測データの各周波数の成分の大きさに依存しない、規格化した値が用いられる。   The bispectrum represented by Expression (3) has a value depending on the magnitude (power) of each frequency component included in the observation data. For this reason, it is difficult to determine the magnitude of correlation between frequencies in the bispectrum itself. Therefore, normally, a normalized value is used in which the magnitude of the bispectrum does not depend on the magnitude of each frequency component of the observation data.

規格化のため、パワースペクトル計算部24では、観測データのパワースペクトルSa[k]を、次のように計算する。

Figure 0006183067
ここで、
[k]は、X[k]の複素共役である。
式(4)の計算は、周波数k、k、k(=k+k)の各々について行われ、従って、パワースペクトル計算部24からは、Sa[k]、Sa[k]、Sa[k+k]が出力される。 For normalization, the power spectrum calculation unit 24 calculates the power spectrum Sa [k] of the observation data as follows.
Figure 0006183067
here,
X i * [k] is a complex conjugate of X i [k].
The calculation of Expression (4) is performed for each of the frequencies k 1 , k 2 , and k 3 (= k 1 + k 2 ). Therefore, the power spectrum calculation unit 24 receives Sa [k 1 ] and Sa [k 2 ], Sa [k 1 + k 2 ] are output.

規格化部27は、バイスペクトル計算部22で計算されたバイスペクトルBa[k,k]と、パワースペクトル計算部24で計算されたパワースペクトルSa[k]、Sa[k]及びSa[k+k]を用いて、規格化バイスペクトルBn[k,k]を、次式(5)により、計算する。

Figure 0006183067
The normalization unit 27 includes the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] calculated by the bispectrum calculation unit 22, the power spectra Sa [k 1 ] and Sa [k 2 ] calculated by the power spectrum calculation unit 24, and Using Sa [k 1 + k 2 ], a normalized bispectrum Bn [k 1 , k 2 ] is calculated by the following equation (5).
Figure 0006183067

分母にパワースペクトルの項があることによって、観測データの各周波数の成分の大きさが規格化される。従って、式(5)の規格化バイスペクトルBn[k,k]は観測データの大きさ(パワー)に依存せず、周波数間の相関に応じた値を示すものとなる。
但し、実際の計算では、式(5)のバイスペクトルBn[k,k]の分散を1にするために、次式(6)のように補正することで得られる、補正された規格化バイスペクトルBnc[k,k]を用いる。

Figure 0006183067
By having a power spectrum term in the denominator, the size of each frequency component of the observation data is normalized. Therefore, the normalized bispectrum Bn [k 1 , k 2 ] in Expression (5) does not depend on the size (power) of the observation data, and shows a value corresponding to the correlation between the frequencies.
However, in the actual calculation, the corrected standard obtained by correcting as in the following equation (6) in order to set the variance of the bispectrum Bn [k 1 , k 2 ] in the equation (5) to 1. Bispectrum Bnc [k 1 , k 2 ] is used.
Figure 0006183067

式(6)で表される規格化バイスペクトルBnc[k,k]は、特定の周波数ペア(k,k)について計算された値であり、Q個の周波数ペアについて上記した処理が繰り返されて、Q個の周波数ペアの各々について式(6)で表される規格化バイスペクトルBnc[k,k]が求められる。 The normalized bispectrum Bnc [k 1 , k 2 ] represented by the equation (6) is a value calculated for a specific frequency pair (k 1 , k 2 ), and the processing described above for Q frequency pairs. Is repeated to obtain the normalized bispectrum Bnc [k 1 , k 2 ] expressed by the equation (6) for each of the Q frequency pairs.

検定量計算部29は、上記のようにしてQ個の周波数ペアについて求められた規格化バイスペクトルBnc[k,k]を用いて、観測データの非ガウス性及び非線形性を検出する。 The verification amount calculation unit 29 detects non-Gaussianity and nonlinearity of the observation data by using the normalized bispectrum Bnc [k 1 , k 2 ] obtained for the Q frequency pairs as described above.

観測データが白色雑音であれば、それぞれQ個の周波数ペア(k,k)について求められた規格化バイスペクトルBnc[k,k]は、平均0、分散1の正規分布に従う。この性質を利用して、観測データの非定常性を検出するために、次に示す検定量zを計算する。 If the observation data is white noise, the normalized bispectrum Bnc [k 1 , k 2 ] obtained for each of Q frequency pairs (k 1 , k 2 ) follows a normal distribution with an average of 0 and a variance of 1. In order to detect non-stationarity of the observation data using this property, the following test amount z is calculated.

Figure 0006183067
Figure 0006183067

式(7)でBnc(但しqは1乃至Qのいずれか)は、Q個の周波数ペア(k,k)の各々についてのBnc[k,k]と同じものを表す。
式(7)の分子はQ個の規格化バイスペクトルの値を加算することを表している。式(7)の分母は、検定量zの分散を規格化するための項である。
観測データに白色雑音のみが含まれており、Qが十分に大きい値であれば、検定量zは平均0、分散1の正規分布に従う。もし、観測データに非ガウス性又は非線形性の成分が含まれていれば、規格化バイスペクトルの値が大きくなり、その結果、検定量zは平均0、分散1の正規分布には従わずに大きな値となる。このことを利用して、観測データの非ガウス性又は非線形性が検出できる。
以上が規格化バイスペクトルを用いて観測データから非ガウス性及又は非線形性を検出するための従来の方法である。
In Equation (7), Bnc q (where q is any one of 1 to Q) represents the same as Bnc [k 1 , k 2 ] for each of the Q frequency pairs (k 1 , k 2 ).
The numerator of Equation (7) represents adding Q normalized bispectral values. The denominator of Equation (7) is a term for normalizing the variance of the test amount z.
If the observation data contains only white noise and Q is a sufficiently large value, the test amount z follows a normal distribution with an average of 0 and a variance of 1. If the observed data contains non-Gaussian or non-linear components, the value of the normalized bispectrum increases, and as a result, the test quantity z does not follow a normal distribution with mean 0 and variance 1. Large value. By utilizing this fact, non-Gaussian or non-linearity of the observation data can be detected.
The above is a conventional method for detecting non-Gaussianity or non-linearity from observation data using a normalized bispectrum.

Melvin J. Hinich, “Bispectrum of ship−raddiated noise”, J. Acoust. Soc. Am. 85(4), April 1989Melvin J.M. Hinich, “Bisspectrum of ship-radiated noise”, J. Am. Acoustic. Soc. Am. 85 (4), April 1989 Melvin J. Hinich, “Detecting a Transient Signal by Bispectral Analysis”, IEEE Trans. On Acoustics, Speech and Signal Processing, Vol.36, No.7, July 1990Melvin J.M. Hinich, “Detecting a Transient Signal by Bidirectional Analysis”, IEEE Trans. On Acoustics, Speech and Signal Processing, Vol. 36, no. 7, July 1990 Melvin J. Hinich et. al, “On the Principal Domain of the Discrete Bispectrum of a Stationary Signal”, IEEE Trans. On Signal Processing, Vol.43, No.9, September 1995Melvin J.M. Hinich et. al, “On the Principal Domain of the Discrete Biscopy of a Stationary Signal”, IEEE Trans. On Signal Processing, Vol. 43, no. 9, September 1995

上記した従来の方法は、観測データが非ガウス性又は非線形性を有すれば、観測データがある程度の歪度を有しているということに着目した処理である。しかしながら、観測データにガウス性又は線形性があっても、有限のデータを抽出すると、抽出の仕方によっては非ガウス性又は非線形性を有するように見え、そのため判定に誤りが生じる可能性がある。   The above-described conventional method is processing focusing on the fact that the observation data has a certain degree of distortion if the observation data has non-Gaussian or non-linearity. However, even if the observation data has Gaussian or linearity, if finite data is extracted, it may appear to have non-Gaussian or non-linearity depending on how it is extracted, and therefore an error may occur in the determination.

本発明は、上記の課題の解決のためのものであり、その目的は、観測データの大きさ、歪度の影響が抑制された処理結果を得ることを可能にすることにある。   The present invention is for solving the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to obtain a processing result in which the influence of the size and distortion of observation data is suppressed.

本発明の第1の態様のデータ解析装置は、
観測値を表す時系列データ中の、各々相連続するサンプル値で構成される複数個のデータブロックをフーリエ変換して、各データブロックについて複数の周波数成分を計算するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部で計算された各データブロックについての周波数成分のうちの2つの周波数からなる周波数ペアの各々のバイコヒーレンスを計算するバイコヒーレンス計算部と、
前記周波数ペアの各々についての前記バイコヒーレンスに基づいて、前記時系列データについての検定量を計算する検定量計算部と、
前記検定量計算部で計算された前記検定量が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断する比較部とを有し、
前記比較部による判断結果が、解析の結果として出力され
前記検定量計算部は、前記検定量の平均値及び分散が、各データブロックを構成するサンプル値の数、前記時系列データを構成するデータブロックの数、及び
前記データブロックのオーバーラップ率によらずに一定に保たれるようにするための調整量を用いて、前記検定量の計算を行うものである。
本発明の第2の態様のデータ解析装置は、
観測値を表す時系列データ中の、各々相連続するサンプル値で構成される複数個のデータブロックをフーリエ変換して、各データブロックについて複数の周波数成分を計算するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部で計算された各データブロックについての周波数成分のうちの2つの周波数からなる周波数ペアの各々のバイコヒーレンスを計算するバイコヒーレンス計算部と、
前記周波数ペアの各々についての前記バイコヒーレンスに基づいて、前記時系列データについての検定量を計算する検定量計算部と、
前記検定量計算部で計算された前記検定量が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断する比較部とを有し、
前記比較部による判断結果が、解析の結果として出力され、
前記検定量計算部は、前記検定量をz γ で表すとき、

Figure 0006183067
(但し、
Qは前記周波数ペアの数、
γ は、前記周波数ペアの各々について、前記バイコヒーレンス計算部で計算されたバイコヒーレンス、
biasは、前記検定量の平均を0とするための調整量、
σ は、前記検定量の分散を補正するための調整量)
により前記検定量z γ を計算するものである。 The data analysis device according to the first aspect of the present invention includes:
A Fourier transform unit that Fourier-transforms a plurality of data blocks each composed of successive sample values in time-series data representing observation values, and calculates a plurality of frequency components for each data block;
A bicoherence calculator that calculates the bicoherence of each frequency pair consisting of two frequencies of the frequency components for each data block calculated by the Fourier transform unit;
A test amount calculator for calculating a test amount for the time series data based on the bicoherence for each of the frequency pairs;
A comparison unit that determines whether or not the verification amount calculated by the verification amount calculation unit is greater than a predetermined threshold;
The determination result by the comparison unit is output as the analysis result ,
The test amount calculation unit, the average value and variance of the test amount, the number of sample values constituting each data block, the number of data blocks constituting the time series data, and
The verification amount is calculated using an adjustment amount for keeping the data block constant regardless of the overlap ratio of the data block .
The data analysis apparatus according to the second aspect of the present invention includes:
A Fourier transform unit that Fourier-transforms a plurality of data blocks each composed of successive sample values in time-series data representing observation values, and calculates a plurality of frequency components for each data block;
A bicoherence calculator that calculates the bicoherence of each frequency pair consisting of two frequencies of the frequency components for each data block calculated by the Fourier transform unit;
A test amount calculator for calculating a test amount for the time series data based on the bicoherence for each of the frequency pairs;
A comparison unit that determines whether or not the verification amount calculated by the verification amount calculation unit is greater than a predetermined threshold;
The determination result by the comparison unit is output as the analysis result,
The test statistic calculation unit, when representing the test amount z gamma,
Figure 0006183067
(However,
Q is the number of frequency pairs,
γ q is the bicoherence calculated by the bicoherence calculator for each of the frequency pairs,
bias is an adjustment amount for setting the average of the test amount to 0,
σ 2 is an adjustment amount for correcting the variance of the test amount)
Is used to calculate the test amount zγ .

本発明によれば、観測データの周波数間の位相的な相関関係を表す指標であるバイコヒーレンスを用い、バイコヒーレンスに基づいた検定量を用いて、観測データの非ガウス性及び非線形性を検出するので、観測データの大きさ、歪度の影響を抑制しつつ、非ガウス性又は非線形性の判定を正確に行うことができる。   According to the present invention, non-Gaussianity and nonlinearity of observation data are detected using bicoherence, which is an index representing the phase-wise correlation between frequencies of observation data, and using a test quantity based on bicoherence. Therefore, it is possible to accurately determine non-Gaussian or non-linearity while suppressing the influence of the size and skewness of the observation data.

従来のデータ解析方法を実施するための装置の概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of the apparatus for enforcing the conventional data analysis method. 時系列データからのデータブロックの生成方法を示す図である。It is a figure which shows the production | generation method of the data block from time series data. データ解析に用いられる周波数ペアの2次元周波数平面上での配置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of arrangement | positioning on the two-dimensional frequency plane of the frequency pair used for a data analysis. 本発明のデータ解析装置の概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of the data analyzer of this invention. 図4のデータ解析装置の検出処理部の構成例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of a detection processing unit of the data analysis apparatus in FIG. 4. 図5の検出処理部のコヒーレンス計算部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the coherence calculation part of the detection process part of FIG. 図5の検出処理部で用いられるパラメータを生成する装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the apparatus which produces | generates the parameter used by the detection process part of FIG. (a)及び(b)は、模擬した過渡的信号、及びその模擬信号に白色雑音を付加した波形を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the waveform which added the white noise to the simulated transient signal and the simulation signal. (a)及び(b)は、図8(b)に示される信号に対して、従来の方法及び本発明の方法を適用した結果を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the result of having applied the conventional method and the method of this invention with respect to the signal shown by FIG.8 (b).

図4は、本発明の時系列データ解析装置を示す。以下では、一例として、可聴域の音響信号を受信して、解析を行う場合について説明する。図示の時系列データ解析装置は、入力信号処理部2と、時系列データメモリ4と、検出処理部6とを有する。   FIG. 4 shows a time-series data analysis apparatus according to the present invention. Hereinafter, as an example, a case where an acoustic signal in an audible range is received and analyzed will be described. The illustrated time-series data analysis apparatus includes an input signal processing unit 2, a time-series data memory 4, and a detection processing unit 6.

入力信号処理部2は、A/D変換器3を有し、音響信号を電気信号に変換するマイクロフォン1に接続され、該マイクロフォン1から与えられるアナログ信号x(t)をサンプリングして、ディジタル化して、時系列データ(観測値を表す時系列データ)x[n]を生成する。A/D変換器3のサンプリング周波数は、例えば50kHzであり、A/D変換器3から出力される時系列データはx[n]で表される。nは、時刻を示すインデックスである。   The input signal processing unit 2 includes an A / D converter 3 and is connected to a microphone 1 that converts an acoustic signal into an electric signal. The analog signal x (t) given from the microphone 1 is sampled and digitized. Thus, time-series data (time-series data representing observation values) x [n] is generated. The sampling frequency of the A / D converter 3 is, for example, 50 kHz, and the time series data output from the A / D converter 3 is represented by x [n]. n is an index indicating time.

時系列データメモリ4は、入力信号処理部2から出力される時系列データx[n]を記憶する。   The time series data memory 4 stores time series data x [n] output from the input signal processing unit 2.

検出処理部6は、図5に示すように、データブロック生成部12と、フーリエ変換部14と、周波数成分メモリ16と、周波数成分選択部18と、バイコヒーレンス計算部20と、検定量計算部32と、比較部34と、パラメータメモリ36と、調整量計算部38とを有する。図1と同じ符号は同様のブロックを示す。データブロック生成部12、周波数成分メモリ16及び周波数成分選択部18は図1には示されていないが、従来の方法でも実際には同様のものが用いられる。 As shown in FIG. 5, the detection processing unit 6 includes a data block generation unit 12, a Fourier transform unit 14, a frequency component memory 16, a frequency component selection unit 18, a bicoherence calculation unit 20, and a test amount calculation unit. 32, a comparison unit 34, a parameter memory 36, and an adjustment amount calculation unit 38. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote similar blocks. Although the data block generation unit 12, the frequency component memory 16, and the frequency component selection unit 18 are not shown in FIG. 1, the same methods are actually used in the conventional method.

データブロック生成部12は、時系列データメモリ4に記憶された時系列データx[n]から、各々複数のサンプル値で構成される、複数個即ちP個のデータブロックDB(i=1〜P)を生成して、フーリエ変換部14に供給する。
データブロックDBは、例えば、図2に示されるように、各々相連続するN個のサンプル値から成り、オーバーラップ率Lが50%である。即ち、各データブロック(第i番目のデータブロック)の後半のN/2個のサンプル値と、次のデータブロック(第i+1番目のデータブロック)の前半のN/2個のサンプル値とは同じものである。
The data block generation unit 12 includes a plurality of data blocks DB i (i = 1 to 1) each composed of a plurality of sample values from the time series data x [n] stored in the time series data memory 4. P) is generated and supplied to the Fourier transform unit 14.
For example, as shown in FIG. 2 , the data block DB i is composed of N sample values that are continuous with each other, and the overlap rate L is 50%. That is, the N / 2 sample values in the second half of each data block (i-th data block) and the N / 2 sample values in the first half of the next data block (i + 1-th data block) are the same. Is.

フーリエ変換部14は、P個のデータブロックDB〜DBの各々のN個のサンプル値(観測データ)x[0]〜x[N−1]に対して離散フーリエ変換を行い、変換の結果として得られる周波数成分X[k]〜X[k]を出力する。kは周波数を表すインデックスである。各データブロック(i番目のデータブロック)DB(iは、1乃至Pのいずれか)についてのフーリエ変換の結果(周波数kの成分)をX[k]で表す。 The Fourier transform unit 14 performs a discrete Fourier transform on the N sample values (observation data) x [0] to x [N−1] of each of the P data blocks DB 1 to DB P , and performs transformation. The resulting frequency components X 1 [k] to X P [k] are output. k is an index representing a frequency. The result (Frequency k component) of the Fourier transform for each data block (i-th data block) DB i (i is any one of 1 to P) is represented by X i [k].

フーリエ変換の結果得られる周波数成分X[k]は、下記の式(1)で表される。式(1)は従来の方法に関して先に記載した式(1)と同じであるが、再度記載する。以下他の数式についても同様である。 The frequency component X i [k] obtained as a result of the Fourier transform is represented by the following equation (1). Equation (1) is the same as equation (1) described above with respect to the conventional method, but will be described again. The same applies to other mathematical expressions below.

Figure 0006183067
Figure 0006183067

ここで、kはM個の周波数の値f、f、…fのいずれかを表すインデックスである。f〜fを一般化してf(mは1〜M)で表す。
周波数fは、以下の値を有する。
m=1のとき、f=0 (8A)
2≦m<Mのとき、f=f(m−1)+ΔF (8B)
但し、ΔF=1562.5Hzであり、これは50kHz(サンプリング周波数)をN=32(各データブロック中のサンプル値の数)で割った値に等しい。
Mは例えば21である。
Here, k is an index representing one of M frequency values f 1 , f 2 ,... F M. f 1 to f M are generalized and represented by f m (m is 1 to M ).
Frequency f m has the following values.
When m = 1, f m = 0 (8A)
When 2 ≦ m <M, f m = f (m−1) + ΔF (8B)
However, ΔF = 1562.5 Hz, which is equal to 50 kHz (sampling frequency) divided by N = 32 (number of sample values in each data block).
For example, M is 21.

フーリエ変換部14で算出された、複数のデータブロックDB(i=1〜P)の各々についての周波数成分X[k](k=f〜f)は、周波数成分メモリ16に記憶される。 The frequency component X i [k] (k = f 1 to f M ) for each of the plurality of data blocks DB i (i = 1 to P) calculated by the Fourier transform unit 14 is stored in the frequency component memory 16. Is done.

周波数成分選択部18は、周波数成分メモリ16に記憶された複数のデータブロックDB(i=1〜P)の各々についての周波数成分X[k](i=1〜P、k=f〜f)のうち、バイコヒーレンスの計算に用いられるものを逐次読み出して、バイコヒーレンス計算部20に供給する。 The frequency component selection unit 18 uses a frequency component X i [k] (i = 1 to P, k = f 1 ) for each of the plurality of data blocks DB i (i = 1 to P) stored in the frequency component memory 16. ˜F M ) that are used for bicoherence calculation are sequentially read out and supplied to the bicoherence calculation unit 20.

バイコヒーレンス計算部20におけるバイコヒーレンスの計算は、複数個即ちQ個の周波数ペアについて順に行われる。Qは例えば49であり、49個の周波数ペアの2次元周波数平面上における配置は例えば図3に「○」印で示される如くである。   The bicoherence calculation in the bicoherence calculation unit 20 is sequentially performed for a plurality of, that is, Q frequency pairs. Q is 49, for example, and the arrangement of the 49 frequency pairs on the two-dimensional frequency plane is, for example, as shown by “◯” in FIG.

周波数ペア(k,k)についてバイコヒーレンスを計算する際、複数個即ちP個のデータブロックの各々DBについての、周波数k、kの周波数成分X[k]、X[k]のみならず、kとkの和に等しい周波数kの周波数成分X[k]も用いられる。そこで周波数成分選択部18は、各データブロックDBについての周波数k、k、kの周波数成分X[k]、X[k]、X[k]をバイコヒーレンス計算部20に供給する。
上記のように、
=k+k
の関係があるので、以下では、「k」を、「k+k」と表記する。
一方、任意の周波数についての説明、或いはk、k、kのすべてに当てはまる説明の際は、符号「k」を用いる。
When calculating the bicoherence for the frequency pair (k 1 , k 2 ), the frequency components X i [k 1 ], X i of the frequencies k 1 , k 2 for each DB i of a plurality, that is, P data blocks. Not only [k 2 ] but also a frequency component X i [k 3 ] having a frequency k 3 equal to the sum of k 1 and k 2 is used. Therefore, the frequency component selection unit 18 bicoherences the frequency components X i [k 1 ], X i [k 2 ], and X i [k 3 ] of the frequencies k 1 , k 2 , and k 3 for each data block DB i. This is supplied to the calculation unit 20.
As described above,
k 3 = k 1 + k 2
In the following, “k 3 ” is expressed as “k 1 + k 2 ”.
On the other hand, the symbol “k” is used in the description of an arbitrary frequency or the description applicable to all of k 1 , k 2 , and k 3 .

バイコヒーレンス計算部20は、各周波数ペア(k,k)について周波数成分選択部18から供給された周波数成分X[k]、X[k]、X[k+k]を用いて、当該周波数ペア(k,k)のバイコヒーレンスγ[k,k]を計算する。以下に詳しく述べるように、P個のデータブロックから成る時系列データDSについて、Q個のバイコヒーレンスの値が求められる。検定量計算部32では、Q個のバイコヒーレンスの値に基づいて時系列データDSについての検定量zγを求める。比較部34では、求められた検定量zγを予め定められた閾値zthと比較する。 The bicoherence calculation unit 20 uses the frequency components X i [k 1 ], X i [k 2 ], and X i [k 1 + k 2 ] supplied from the frequency component selection unit 18 for each frequency pair (k 1 , k 2 ). ] Is used to calculate the bicoherence γ [k 1 , k 2 ] of the frequency pair (k 1 , k 2 ). As will be described in detail below, Q bicoherence values are obtained for time-series data DS composed of P data blocks. The verification amount calculation unit 32 obtains a verification amount z γ for the time series data DS based on Q bicoherence values. The comparison unit 34 compares the obtained test amount z γ with a predetermined threshold value zth.

バイコヒーレンス計算部20は、例えば図6に示すように、バイスペクトル計算部22、パワースペクトル計算部24、積自乗平均計算部26、及び規格化部28を有する。   As shown in FIG. 6, for example, the bicoherence calculation unit 20 includes a bispectrum calculation unit 22, a power spectrum calculation unit 24, a product root mean square calculation unit 26, and a normalization unit 28.

バイスペクトル計算部22、パワースペクトル計算部24、及び積自乗平均計算部26は、周波数成分選択部18から供給された周波数成分を受けて、それぞれバイスペクトル、パワースペクトル、及び積自乗平均を計算する。   The bispectrum calculation unit 22, the power spectrum calculation unit 24, and the product root mean square calculation unit 26 receive the frequency component supplied from the frequency component selection unit 18 and calculate the bispectrum, power spectrum, and product square mean, respectively. .

周波数ペア(k,k)のバイコヒーレンスを計算する際は、バイスペクトル計算部22には、周波数成分X[k]、X[k]、X[k+k](i=1〜P)が供給され、パワースペクトル計算部24には、周波数成分X[k+k](i=1〜P)が供給され、積自乗平均計算部26には、周波数成分X[k]、X[k](i=1〜P)が供給される。 When calculating the bicoherence of the frequency pair (k 1 , k 2 ), the bispectrum calculation unit 22 includes frequency components X i [k 1 ], X i [k 2 ], and X i [k 1 + k 2 ]. (I = 1 to P) is supplied, the frequency component X i [k 1 + k 2 ] (i = 1 to P) is supplied to the power spectrum calculation unit 24, and the frequency square mean calculation unit 26 has a frequency Components X i [k 1 ], X i [k 2 ] (i = 1 to P) are supplied.

バイスペクトル計算部22は、P個のデータブロックの各々についての、周波数ペア(k,k)のバイスペクトルを計算し、さらに該バイスペクトルの、P個のデータブロックについての平均を求め、該平均を、P個のデータブロックから成る時系列データDSについてのバイスペクトルとして出力する。即ち、まず各データブロック(i番目のデータブロック)DBについてのバイスペクトルB[k,k]を、次式(2)によって計算する。

Figure 0006183067
ここで、
[k]はi番目のデータブロックの周波数kの周波数成分であり、
[k]はi番目のデータブロックの周波数kの周波数成分であり、
[k+k]はX[k+k]の複素共役を表し、
[k+k]はi番目のデータブロックの周波数k+kの周波数成分である。 The bispectrum calculation unit 22 calculates the bispectrum of the frequency pair (k 1 , k 2 ) for each of the P data blocks, and further obtains an average of the bispectrum for the P data blocks, The average is output as a bispectrum for time-series data DS composed of P data blocks. That is, first, a bispectrum B i [k 1 , k 2 ] for each data block (i-th data block) DB i is calculated by the following equation (2).
Figure 0006183067
here,
X i [k 1 ] is a frequency component of the frequency k 1 of the i-th data block,
X i [k 2 ] is a frequency component of the frequency k 2 of the i-th data block,
X i * [k 1 + k 2 ] represents the complex conjugate of X i [k 1 + k 2 ],
X i [k 1 + k 2 ] is a frequency component of the frequency k 1 + k 2 of the i-th data block.

式(2)で得られるバイスペクトルB[k,k]は、観測データx[n]の周波数間の相関の程度を示す指標である。 The bispectrum B i [k 1 , k 2 ] obtained by Expression (2) is an index indicating the degree of correlation between the frequencies of the observation data x [n].

バイスペクトル計算部22は、式(2)の計算をP個のデータブロックDB(i=1〜P)の各々に対して行い、計算の結果得られたP個のバイスペクトルB[k,k]の値を平均することによって、P個のデータブロックから成る時系列データDSについてのバイスペクトルBa[k,k]を得る。バイスペクトルBa[k,k]を求めるための計算式は、次式(3)で表される。

Figure 0006183067
The bispectrum calculation unit 22 performs the calculation of Expression (2) for each of the P data blocks DB i (i = 1 to P), and the P bispectrum B i [k] obtained as a result of the calculation. 1 , k 2 ] is averaged to obtain a bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] for time-series data DS composed of P data blocks. A calculation formula for obtaining the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] is expressed by the following formula (3).
Figure 0006183067

式(2)と式(3)を組合せて書き直すと、次の式(9)となる。

Figure 0006183067
When the formula (2) and the formula (3) are combined and rewritten, the following formula (9) is obtained.
Figure 0006183067

パワースペクトル計算部24は、P個のデータブロックの各々についての、各周波数ペア(k,k)を構成する2つの周波数k、kの和に等しい周波数(k+k)の周波数成分X[k+k]のパワースペクトルを計算し、さらに該パワースペクトルの、P個のデータブロックについての平均を求めることによって、P個のデータブロックから成る時系列データDSについてのパワースペクトルSa[k+k]を得る。即ち、時系列データDSについてのパワースペクトルSa[k+k]を求めるための計算は、次の式(10)で表される。

Figure 0006183067
ここで、
[k+k]はi番目のデータブロックの、周波数k+kの周波数成分であり、
[k+k]は、X[k+k]の複素共役である。 The power spectrum calculation unit 24 has a frequency (k 1 + k 2 ) equal to the sum of two frequencies k 1 and k 2 constituting each frequency pair (k 1 , k 2 ) for each of the P data blocks. By calculating the power spectrum of the frequency component X i [k 1 + k 2 ] and obtaining the average of the power spectrum for P data blocks, the power for time-series data DS composed of P data blocks is calculated. A spectrum Sa [k 1 + k 2 ] is obtained. That is, the calculation for obtaining the power spectrum Sa [k 1 + k 2 ] for the time series data DS is expressed by the following equation (10).
Figure 0006183067
here,
X i [k 1 + k 2 ] is a frequency component of the frequency k 1 + k 2 of the i-th data block,
X i * [k 1 + k 2 ] is a complex conjugate of X i [k 1 + k 2 ].

積自乗平均計算部26は、P個のデータブロックの各々についての、各周波数ペア(k,k)を構成する2つの周波数k、kの周波数成分X[k]、X[k]の積の絶対値の自乗を求め、該自乗の、P個のデータブロックについての平均を求め、該平均をP個のデータブロックから成る時系列データDSについての積自乗平均Ca[k,k]として出力する。積自乗平均Ca[k,k]を求めるための計算は、次の式(11)で表される。

Figure 0006183067
ここで、
[k]はi番目のデータブロックの周波数kの周波数成分であり、
[k]はi番目のデータブロックの周波数kの周波数成分である。 The product root mean square calculation unit 26, for each of the P data blocks, frequency components X i [k 1 ], X of the two frequencies k 1 , k 2 constituting each frequency pair (k 1 , k 2 ). The square of the absolute value of the product of i [k 2 ] is obtained, the mean of the square is obtained for P data blocks, and the mean is the product square mean Ca for time-series data DS composed of P data blocks. Output as [k 1 , k 2 ]. The calculation for obtaining the product root mean square Ca [k 1 , k 2 ] is expressed by the following equation (11).
Figure 0006183067
here,
X i [k 1 ] is a frequency component of the frequency k 1 of the i-th data block,
X i [k 2 ] is a frequency component of the frequency k 2 of the i-th data block.

規格化部28は、バイスペクトル計算部22で計算されたバイスペクトルBa[k,k]と、パワースペクトル計算部24で計算されたパワースペクトルSa[k+k]と、積自乗平均計算部26で計算された積自乗平均Ca[k,k]に基づいて、バイコヒーレンスγ[k,k]を計算する。その計算は次の式(12)で表される。

Figure 0006183067
この計算は、バイスペクトルBa[k,k]を、積自乗平均Ca[k,k]とパワースペクトルSa[k+k]の積の平方根で割ることで規格化することを意味する。
規格化部28で算出されたバイコヒーレンスγ[k,k]は、バイコヒーレンス計算部20の出力となる。
式(12)で求められるバイコヒーレンスγ[k,k]は、周波数ペアごとに計算され、周波数ペアを構成する2つの周波数k及びkの成分間の位相的な相関関係を表す複素数であり、その振幅が0〜1の間になるように規格化されており、周波数kとkの関数である。式(5)または(6)で求められる規格化バイスペクトルは、振幅の大きさが観測データの歪度に依存している。歪度は、観測データの抽出の仕方によって大きさが変化する場合があるので、結果的に検定量の大きさに影響を及ぼす。
一方、式(12)で求められるバイコヒーレンスは、周波数k及びkの成分間の位相的な相関関係のみを抽出し、観測データの抽出の仕方によって大きさが変化する可能性のある歪度の影響を抑制している。 The normalization unit 28 includes the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] calculated by the bispectrum calculation unit 22, the power spectrum Sa [k 1 + k 2 ] calculated by the power spectrum calculation unit 24, and the product root mean square. Bicoherence γ [k 1 , k 2 ] is calculated based on the product root mean square Ca [k 1 , k 2 ] calculated by the calculation unit 26. The calculation is represented by the following equation (12).
Figure 0006183067
This calculation normalizes the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] by dividing it by the square root of the product of the product square mean Ca [k 1 , k 2 ] and the power spectrum Sa [k 1 + k 2 ]. means.
The bicoherence γ [k 1 , k 2 ] calculated by the normalization unit 28 becomes the output of the bicoherence calculation unit 20.
The bicoherence γ [k 1 , k 2 ] obtained by the equation (12) is calculated for each frequency pair, and represents a phase correlation between the components of the two frequencies k 1 and k 2 constituting the frequency pair. It is a complex number, normalized so that its amplitude is between 0 and 1, and is a function of the frequencies k 1 and k 2 . In the normalized bispectrum obtained by the equation (5) or (6), the magnitude of the amplitude depends on the skewness of the observation data. Since the magnitude of the skewness may vary depending on how the observation data is extracted, the result affects the magnitude of the test amount.
On the other hand, the bicoherence obtained by Equation (12) is a distortion that extracts only the topological correlation between the components of the frequencies k 1 and k 2 , and the magnitude of which may change depending on how the observation data is extracted. The influence of the degree is suppressed.

検定量計算部32は、Q個の周波数ペア(k,k)の各々についてバイコヒーレンス計算部20で計算される、P個のデータブロックから成る時系列データDSについてのバイコヒーレンスγ[k,k]を、Q個の周波数ペアのすべてについて積算することで、検定量zγを計算する。この計算は、算出される検定量zγの平均値及び分散が、各データブロックを構成するサンプル値の数N、時系列データDSを構成するデータブロックの数P、及びデータブロックのオーバーラップ率Lによらずに一定に保たれるようにするための調整量(下記のbias、σ)を用いて行われるものであり、次の式(13)で表される。

Figure 0006183067
The verification amount calculation unit 32 calculates the bicoherence γ [k] for the time series data DS composed of P data blocks calculated by the bicoherence calculation unit 20 for each of the Q frequency pairs (k 1 , k 2 ). 1 , k 2 ] is integrated for all of the Q frequency pairs to calculate the test amount z γ . In this calculation, the average value and variance of the calculated test amount z γ are the number N of sample values constituting each data block, the number P of data blocks constituting the time series data DS, and the overlap ratio of the data blocks. This is performed using an adjustment amount (bias, σ 2 below) for keeping constant regardless of L, and is expressed by the following equation (13).
Figure 0006183067

式(13)で、γ(但しqは1乃至Qのいずれか)は、Q個の周波数ペア(k,k)の各々についてのγ[k,k]と同じものを表す。
式(13)の分子のbias項は分子の平均値を0とする。従って、zγの平均値を0とするための調整項、分母のσは検定量zγの分散を補正するための調整項であり、調整量計算部38で、それぞれ以下の式(14)、式(15)によって求められる。
In Expression (13), γ q (where q is any one of 1 to Q) represents the same as γ [k 1 , k 2 ] for each of the Q frequency pairs (k 1 , k 2 ). .
In the bias term of the numerator of formula (13), the average value of the numerator is zero. Therefore, an adjustment term for setting the average value of z γ to 0, and σ 2 of the denominator are adjustment terms for correcting the variance of the test amount z γ , and the adjustment amount calculation unit 38 uses the following formulas (14 ) And Equation (15).

Figure 0006183067
Figure 0006183067

式(14)、式(15)で、α及びβは定数であり、パラメータメモリ36に記憶されている。
例えば、オーバーラップ率Lを50%として、P=32個のデータブロックのN=32サンプル離散フーリエ変換を計算する場合には、α=2、β=6と設定すれば、観測データがガウス性を有し、且つ線形性を有する場合に、検定量zγは、平均0、分散1の正規分布に従う。
これによって検定量zγに対してある閾値を設定し、検定量zγが閾値よりも大きくなったときに、観測データが非ガウス性を有する、又は観測データが非線形性を有すると判断することが可能となる。
In the equations (14) and (15), α and β are constants and are stored in the parameter memory 36.
For example, when calculating the N = 32 sample discrete Fourier transform of P = 32 data blocks with an overlap rate L of 50%, setting α = 2 and β = 6 will make the observed data Gaussian. And having a linearity, the test amount z γ follows a normal distribution with a mean of 0 and a variance of 1.
This sets the threshold value with respect to test statistic z gamma, when test statistic z gamma is greater than the threshold, the observed data has a non-Gaussian, or observed data is determined to have a nonlinearity that Is possible.

比較部34は、検定量計算部32で計算された検定量zγが予め定められた閾値zthよりも大きいか否かを判定し、判定結果DJを出力する。即ち閾値zthよりも大きければ、非ガウス性又は非線形性があるとの判断結果を出力し、閾値zth以下であれば、非ガウス性も非線形性もないとの判断結果を出力する。判定結果DJは、データ解析装置による解析の結果として出力され、例えば図4に示される表示部8に解析の結果が表示される。 The comparison unit 34 determines whether or not the verification amount z γ calculated by the verification amount calculation unit 32 is larger than a predetermined threshold value zth, and outputs a determination result DJ. That is, if it is larger than the threshold value zth, a determination result indicating that there is non-Gaussianity or non-linearity is output, and if it is equal to or less than the threshold value zth, a determination result indicating that there is no non-Gaussian property or non-linearity is output. The determination result DJ is output as a result of analysis by the data analysis apparatus, and the result of analysis is displayed on the display unit 8 shown in FIG. 4, for example.

上記のように、式(13)の分子のbias項は分子の平均値を0とするための調整項、分母のσは検定量zγの分散を補正するための調整項であり、この2つの調整項は、N(時間方向のサンプル数)及びP(データブロック数)を変えた場合でも、ガウス性及び線形性の信号に対する検定量zγの大きさを一定に保つためのものであり、上記の式(14)、式(15)によって求められる。
即ち、パラメータα及びβは、P、N、Lに応じて定める必要がある。
As described above, the bias term of the numerator of Equation (13) is an adjustment term for setting the average value of the numerator to 0, and σ 2 of the denominator is an adjustment term for correcting the variance of the test amount z γ. The two adjustment terms are used to keep the magnitude of the test quantity z γ constant for Gaussian and linear signals even when N (number of samples in the time direction) and P (number of data blocks) are changed. Yes, it is obtained by the above equations (14) and (15).
That is, the parameters α and β need to be determined according to P, N, and L.

式(14)、式(15)中のα、βは、以下のようにして定められる。即ち、パラメータα、βは、疑似的な白色雑音を用いることによって、実験的に求め、パラメータメモリ36に記憶させておく。   Α and β in the equations (14) and (15) are determined as follows. That is, the parameters α and β are obtained experimentally by using pseudo white noise and stored in the parameter memory 36.

具体的には、疑似白色雑音に対して式(12)でバイコヒーレンスγw[k,k]を計算し、これを用いて式(13)と同様の計算式で計算した検定量(試験的検定量)zwの平均値zwaと分散zwvからパラメータα、βを求める。 Specifically, bicoherence γw [k 1 , k 2 ] is calculated with respect to pseudo white noise using equation (12), and a test amount (test) calculated using the same equation as equation (13) using this is calculated. Test amount) Parameters α and β are determined from the average value zwa and variance zwv of zw.

パラメータα、βの決定には、図7に示すパラメータ生成装置を用いる。このパラメータ生成装置のうち、図4、図5と同じ符号は、同じ機能を有するものであり、図4、図5の装置と共用することができる。   The parameter generator shown in FIG. 7 is used for determining the parameters α and β. Among the parameter generation devices, the same reference numerals as those in FIGS. 4 and 5 have the same functions, and can be shared with the devices in FIGS. 4 and 5.

(a) まず、白色雑音生成部42により、疑似的な白色雑音を表す時系列データ(観測データと同じ符号x[n]で表す)を生成する。白色雑音の生成は、例えばソフトウェアにより行うことができる。生成された白色雑音を表す時系列データx[n]を、図4に関連して説明した観測データ(観測値を表す時系列データ)の代わりに、時系列データメモリ4に記憶する。 (A) First, the white noise generation unit 42 generates time-series data representing the pseudo white noise (represented by the same code x [n] as the observation data). The generation of white noise can be performed by software, for example. The generated time-series data x [n] representing white noise is stored in the time-series data memory 4 instead of the observation data (time-series data representing observation values) described with reference to FIG.

(b) データブロック生成部12により、時系列データメモリ4に記憶されている時系列データx[n]を、各々Nサンプル値から成るP個のデータブロックを、オーバーラップ率Lで読み出し、フーリエ変換部14に供給する。
フーリエ変換部14、及びバイコヒーレンス計算部20は、時系列データメモリ4から読み出された白色雑音を表すデータx[n]に対して、図4を参照して説明した観測データに対する処理と同様の処理を行い、バイコヒーレンス計算部20からは、計算されたバイコヒーレンスが出力される。出力されるバイコヒーレンスを、観測データに対する処理の場合と異なる記号γw[k,k]で表す。
(B) The data block generator 12 reads out the P data blocks each having N sample values from the time series data x [n] stored in the time series data memory 4 with the overlap ratio L, and Fourier This is supplied to the conversion unit 14.
The Fourier transform unit 14 and the bicoherence calculation unit 20 perform the same processing as the observation data described with reference to FIG. 4 on the data x [n] representing the white noise read from the time series data memory 4. The bicoherence calculation unit 20 outputs the calculated bicoherence. The output bicoherence is represented by a symbol γw [k 1 , k 2 ] different from that in the case of processing the observation data.

(c) 検定量計算部32は、バイコヒーレンスγw[k,k]に基づいて検定量(試験的検定量)zwを計算する。この計算は次の式(16)で表される。

Figure 0006183067
式(16)でγwの添え字qは、それぞれ異なる周波数ペア(k,k)に対応するものであり、Q個の周波数ペアを用いる場合、qは1からQまでの値を取る。例えば、図3に示されるのと同じ配置の周波数ペアを用いる場合、Qは例えば49である。 (C) The verification amount calculation unit 32 calculates a verification amount (experimental verification amount) zw based on the bicoherence γw [k 1 , k 2 ]. This calculation is expressed by the following equation (16).
Figure 0006183067
In Expression (16), the suffixes q of γw q correspond to different frequency pairs (k 1 , k 2 ). When Q frequency pairs are used, q takes a value from 1 to Q. . For example, when using frequency pairs with the same arrangement as shown in FIG.

(d) 上記(a)〜(c)の処理を複数回繰り返し、複数回、即ちR回の試行で得られた検定量zw(rは1〜Rのいずれか)の平均及び分散を平均分散計算部44に供給する。平均分散計算部44は、複数回の試行で得られた検定量zwの平均zwa、分散zwvを計算する。この計算は、次の式(17)、(18)で表される。 (D) Repeat the processes (a) to (c) a plurality of times, and average the mean and variance of the test amount zw r (r is any one of 1 to R) obtained a plurality of times, that is, R times. This is supplied to the variance calculation unit 44. The average variance calculator 44, the average of multiple tests amount zw r obtained in trials Zwa, calculating the variance Zwv. This calculation is expressed by the following equations (17) and (18).

Figure 0006183067
Figure 0006183067

平均分散計算部44は、このようにして求めた平均値zwa、分散zwvをパラメータ計算部46に供給する。パラメータ計算部46では、平均値zwa、分散zwvに基づいてパラメータα、βを計算する。この計算は下記の式(19)、(20)で表される。

Figure 0006183067
The average variance calculation unit 44 supplies the average value zwa and the variance zwv thus obtained to the parameter calculation unit 46. The parameter calculation unit 46 calculates the parameters α and β based on the average value zwa and the variance zwv. This calculation is expressed by the following equations (19) and (20).
Figure 0006183067

ここで、N、Pはそれぞれ白色雑音を表す時系列データを読み出して検出処理部6に供給する際のデータブロック数及びサンプル数である。   Here, N and P are the number of data blocks and the number of samples when time series data representing white noise is read and supplied to the detection processing unit 6, respectively.

(e) 手順(a)〜(d)までの計算を、データブロック数P、サンプル数N及びオーバーラップ率Lの異なる値について行って、それぞれα、βの値を求め、パラメータメモリ36に記憶する。例えば、P、N、Lに対応付けて、例えばルックアップテーブルの形式で記憶する。 (E) The calculations from steps (a) to (d) are performed for different values of the number of data blocks P, the number of samples N, and the overlap rate L, and values of α and β are obtained and stored in the parameter memory 36. To do. For example, it is stored in association with P, N, and L, for example, in the form of a lookup table.

観測データに対する解析を行う際には、その時のP、N、Lに対応するα、βを読み出して、式(14)、式(15)の計算に用いる。   When analysis is performed on the observation data, α and β corresponding to P, N, and L at that time are read out and used for calculation of Expressions (14) and (15).

なお、上記のように、それぞれの設定条件(P、N、L)に対して、α及びβをテーブル形式で記憶しておく代わりに、設定条件P、N、Lごとにbias、σを計算してメモリに記憶させておくこととしても良い。その場合には、図5の調整量計算部38は不要となる。 As described above, for each setting condition (P, N, L), instead of storing α and β in a table format, bias, σ 2 is set for each setting condition P, N, L. It may be calculated and stored in a memory. In that case, the adjustment amount calculation unit 38 of FIG. 5 is not necessary.

以上のように、本発明では、従来の方法と同様に、観測データからNサンプル×Pデータブロックのデータを抽出し、P個のNサンプル離散フーリエ変換を計算する。その後、P個のデータブロックの各々のフーリエ変換の出力を用いて、パワースペクトル、バイスペクトルを計算するところまでは、従来の方法と同じである。   As described above, in the present invention, as in the conventional method, data of N samples × P data blocks are extracted from observation data, and P N sample discrete Fourier transforms are calculated. Thereafter, the processing up to the calculation of the power spectrum and the bispectrum using the output of the Fourier transform of each of the P data blocks is the same as the conventional method.

バイコヒーレンスγ[k,k](式(12))と、従来の規格化バイスペクトルBn[k,k](式(6))との違いは、式中の分母にある。従来の規格化バイスペクトルBn[k,k]の分母が

Figure 0006183067
であるのに対し、バイコヒーレンスγ[k,k]の分母は
Figure 0006183067
であり、両者の違いは、Sa[k]Sa[k]と、Ca[k,k]の部分にある。この違いによって、バイコヒーレンスγ[k,k]は、式の上では信号X[k]X[k]と信号X[k+k]間のコヒーレンスを求めているが、結果的には観測データの周波数k及びkの成分間の位相的な相関関係を評価していることになる。 The difference between the bicoherence γ [k 1 , k 2 ] (formula (12)) and the conventional normalized bispectrum Bn [k 1 , k 2 ] (formula (6)) is in the denominator in the formula. The denominator of the conventional normalized bispectrum Bn [k 1 , k 2 ] is
Figure 0006183067
Whereas the denominator of bicoherence γ [k 1 , k 2 ] is
Figure 0006183067
The difference between the two is in the portions of Sa [k 1 ] Sa [k 2 ] and Ca [k 1 , k 2 ]. Due to this difference, the bicoherence γ [k 1 , k 2 ] obtains the coherence between the signal X [k 1 ] X [k 2 ] and the signal X [k 1 + k 2 ] in the equation. In other words, the phase correlation between the components of the frequencies k 1 and k 2 of the observation data is evaluated.

なお、バイスペクトル自体も、周波数間の位相関係を表すが、バイスペクトルは、これとともに、観測データの振幅にも依存する。これに対して、本発明で用いるバイコヒーレンスは、式(12)に示すように規格化を行うことで、振幅の大きさを0〜1の間になるようにして、2つの周波数成分間の位相に関する情報のみを抽出するようにしたものである。   The bispectrum itself also represents the phase relationship between the frequencies, but the bispectrum also depends on the amplitude of the observation data. On the other hand, the bicoherence used in the present invention is normalized as shown in Equation (12) so that the amplitude is between 0 and 1, and the two frequency components are Only the information about the phase is extracted.

観測データが非ガウス性及び非線形性を有していれば、周波数kとkの信号間に位相的なつながりがあるので、バイコヒーレンスは高い値を有することとなる。以上から、バイコヒーレンスによって観測データが非ガウス性を有し、かつ非線形性を有するか否かを確認することが可能となる。 If the observation data is non-Gaussian and non-linear, there is a phase connection between the signals of the frequencies k 1 and k 2 , so that the bicoherence has a high value. From the above, it is possible to confirm whether or not the observation data has non-Gaussian and non-linearity by bicoherence.

本発明の方法の効果を確認するため、模擬的に生成した過渡的信号を用いて実験を行った。過渡的な信号は、非ガウス性及び非線形性を有している。図8(a)及び(b)に、模擬した過渡的信号Str、及び該過渡的信号Strに白色雑音Nwtを付加した波形を示す。図8(a)は生成した過渡的信号であり、過渡的信号はある起点からの経過時間5、10、15、20秒の時刻に現れている。図8(b)は、生成した過渡的信号Strに白色雑音Nwtを付加した波形であり、この波形に対して従来の方法及び本発明の方法を適用した。   In order to confirm the effect of the method of the present invention, an experiment was performed using a transient signal generated in a simulated manner. Transient signals are non-Gaussian and non-linear. 8A and 8B show a simulated transient signal Str and a waveform obtained by adding white noise Nwt to the transient signal Str. FIG. 8A shows the generated transient signal, which appears at times of 5, 10, 15, and 20 seconds elapsed from a certain starting point. FIG. 8B shows a waveform obtained by adding white noise Nwt to the generated transient signal Str, and the conventional method and the method of the present invention were applied to this waveform.

図9(a)及び(b)は、生成した信号(図8(b)に示す信号)に対して、従来の方法及び本発明の方法を適用した結果を示す図である。図9(a)は、従来の方法を適用した結果を示し、図9(b)は、本発明の方法を適用した結果を示す。なお、計算パラメータは以下のように設定した。
・1データブロックあたりのサンプル数N=32
・データブロック数P=32
・オーバーラップ率L=50%
・周波数ペア数Q=49
・検定量zγの計算に用いられる調整量bias=0.0625
・検定量zγの計算に用いられる調整量σ=0.1875
なお、サンプリング周波数は50kHzであり、
周波数ペアの2次元平面上の配置は、図3に示す如くであり、図3に示される周波数f(m=1〜14)はそれぞれ以下の値を有する。
m=1のとき、f=0
1<m<14のとき、f=f(m−1)+ΔF
但し、ΔF=1562.5Hzである。
FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the results of applying the conventional method and the method of the present invention to the generated signal (the signal shown in FIG. 8B). FIG. 9A shows the result of applying the conventional method, and FIG. 9B shows the result of applying the method of the present invention. Calculation parameters were set as follows.
-Number of samples per data block N = 32
-Number of data blocks P = 32
・ Overlap ratio L = 50%
・ Number of frequency pairs Q = 49
-Adjustment amount bias used for calculation of test amount z γ = 0.0625
Adjustment amount σ 2 = 0.1875 used to calculate the verification amount z γ
The sampling frequency is 50 kHz,
Arranged on a two-dimensional plane of the pair of frequencies is as listed in FIG. 3, the frequency f m (m = 1~14) shown in FIG. 3 respectively have the following values.
When m = 1, f m = 0
When 1 <m <14, f m = f (m−1) + ΔF
However, ΔF = 1562.5 Hz.

図9(a)及び(b)の2つの処理の結果を比べると、白色雑音のみを観測しているときのレベルは同等である。一方、過渡的信号を観測しているときの応答レベルを見ると、本発明の方法は、従来の方法の概ね2倍以上の大きさである。したがって、本発明の方法は、従来の方法よりも出力SNRが高く、観測データの非ガウス性及び非線形性の検出能力が高いことが確認できる。   Comparing the results of the two processes in FIGS. 9A and 9B, the level when only white noise is observed is the same. On the other hand, looking at the response level when observing a transient signal, the method of the present invention is approximately twice as large as the conventional method. Therefore, it can be confirmed that the method of the present invention has an output SNR higher than that of the conventional method and has a high ability to detect non-Gaussian and non-linearity of observation data.

以上本発明を、データ解析装置として説明したが、データ解析装置で実施されるデータ解析方法もまた本発明の一部を成す。さらに、データ解析装置における各部の処理、又はデータ解析方法における各処理をコンピュータに実行させるためのプログラム、及びそのようなプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体もまた本発明の一部を成す。   Although the present invention has been described above as a data analysis apparatus, a data analysis method implemented by the data analysis apparatus also forms part of the present invention. Furthermore, a program for causing a computer to execute the processing of each unit in the data analysis device or each processing in the data analysis method, and a computer-readable recording medium recording such a program also form part of the present invention. .

以上観測データが可聴域の音響信号である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、超音波信号の解析、機械振動の解析、脳波の解析にも適用できる。   The case where the observation data is an audio signal in the audible range has been described above, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to analysis of ultrasonic signals, analysis of mechanical vibrations, and analysis of brain waves.

2 入力信号処理部、 4 時系列データメモリ、 6 検出処理部、 12 データブロック生成部、 14 フーリエ変換部、 16 周波数成分メモリ、 18 周波数成分選択部、 20 バイコヒーレンス計算部、 22 バイスペクトル計算部、 24 パワースペクトル計算部、 26 積自乗平均計算部、 28 規格化部、 32 検定量計算部、 34 比較部、 36 パラメータメモリ、 38 調整量計算部、 42 白色雑音生成部、 44 平均分散計算部、 46 パラメータ計算部。 2 input signal processing unit, 4 time series data memory, 6 detection processing unit, 12 data block generation unit, 14 Fourier transform unit, 16 frequency component memory, 18 frequency component selection unit, 20 bicoherence calculation unit, 22 bispectral calculation unit , 24 power spectrum calculation unit, 26 product square average calculation unit, 28 normalization unit, 32 test amount calculation unit, 34 comparison unit, 36 parameter memory, 38 adjustment amount calculation unit, 42 white noise generation unit, 44 average variance calculation unit 46 Parameter calculation unit.

Claims (20)

観測値を表す時系列データ中の、各々相連続するサンプル値で構成される複数個のデータブロックをフーリエ変換して、各データブロックについて複数の周波数成分を計算するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部で計算された各データブロックについての周波数成分のうちの2つの周波数からなる周波数ペアの各々のバイコヒーレンスを計算するバイコヒーレンス計算部と、
前記周波数ペアの各々についての前記バイコヒーレンスに基づいて、前記時系列データについての検定量を計算する検定量計算部と、
前記検定量計算部で計算された前記検定量が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断する比較部とを有し、
前記比較部による判断結果が、解析の結果として出力され、
前記検定量計算部は、前記検定量の平均値及び分散が、各データブロックを構成するサンプル値の数、前記時系列データを構成するデータブロックの数、及び
前記データブロックのオーバーラップ率によらずに一定に保たれるようにするための調整量を用いて、前記検定量の計算を行
ータ解析装置。
A Fourier transform unit that Fourier-transforms a plurality of data blocks each composed of successive sample values in time-series data representing observation values, and calculates a plurality of frequency components for each data block;
A bicoherence calculator that calculates the bicoherence of each frequency pair consisting of two frequencies of the frequency components for each data block calculated by the Fourier transform unit;
A test amount calculator for calculating a test amount for the time series data based on the bicoherence for each of the frequency pairs;
A comparison unit that determines whether or not the verification amount calculated by the verification amount calculation unit is greater than a predetermined threshold;
The determination result by the comparison unit is output as the analysis result,
The test amount calculation unit determines whether the average value and variance of the test amount are based on the number of sample values constituting each data block, the number of data blocks constituting the time series data, and the overlap ratio of the data blocks. using the adjustment amount of order to be kept constant without, intends line calculation of the test statistic
Data analysis device.
観測値を表す時系列データ中の、各々相連続するサンプル値で構成される複数個のデータブロックをフーリエ変換して、各データブロックについて複数の周波数成分を計算するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部で計算された各データブロックについての周波数成分のうちの2つの周波数からなる周波数ペアの各々のバイコヒーレンスを計算するバイコヒーレンス計算部と、
前記周波数ペアの各々についての前記バイコヒーレンスに基づいて、前記時系列データについての検定量を計算する検定量計算部と、
前記検定量計算部で計算された前記検定量が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断する比較部とを有し、
前記比較部による判断結果が、解析の結果として出力され、
前記検定量計算部は、前記検定量をzγで表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
Qは前記周波数ペアの数、
γは、前記周波数ペアの各々について、前記バイコヒーレンス計算部で計算されたバイコヒーレンス、
biasは、前記検定量の平均を0とするための調整量
σは、前記検定量の分散を補正するための調整量
により前記検定量zγを計算す
ータ解析装置。
A Fourier transform unit that Fourier-transforms a plurality of data blocks each composed of successive sample values in time-series data representing observation values, and calculates a plurality of frequency components for each data block;
A bicoherence calculator that calculates the bicoherence of each frequency pair consisting of two frequencies of the frequency components for each data block calculated by the Fourier transform unit;
A test amount calculator for calculating a test amount for the time series data based on the bicoherence for each of the frequency pairs;
A comparison unit that determines whether or not the verification amount calculated by the verification amount calculation unit is greater than a predetermined threshold;
The determination result by the comparison unit is output as the analysis result,
The test statistic calculation unit, when representing the test amount z gamma,
Figure 0006183067
(However,
Q is the number of frequency pairs,
γ q is the bicoherence calculated by the bicoherence calculator for each of the frequency pairs,
bias is an adjustment amount for setting the average of the test amount to 0,
σ 2 is an adjustment amount for correcting the variance of the test amount )
Calculate the test statistic z gamma by
Data analysis device.
前記調整量bias及びσを、
Figure 0006183067
(但し、
Pは、前記時系列データを構成するデータブロックの数、
Nは各データブロックを構成するサンプル値の数、
α及びβはパラメータ)
により計算する調整量計算部をさらに有する
ことを特徴とする請求項に記載のデータ解析装置。
The adjustment amounts bias and σ 2 are
Figure 0006183067
(However,
P is the number of data blocks constituting the time series data,
N is the number of sample values that make up each data block,
α and β are parameters)
The data analysis apparatus according to claim 2 , further comprising an adjustment amount calculation unit that calculates by the following.
白色雑音を表す時系列データを、前記観測値を表す時系列データの代わりに用いて、
前記フーリエ変換及び前記バイコヒーレンスの計算を行い、
該計算により求められたバイコヒーレンスに基づいて試験的検定量を計算し、
複数回の試行についての前記試験的検定量の平均zwa及び分散zwvを計算し、
該計算により求められた平均zwa及び分散zwvに基づいて、
Figure 0006183067
により、前記パラメータα及びβを生成するパラメータ生成装置と、
前記パラメータ生成装置で生成された前記パラメータα及びβを記憶するパラメータメモリと
をさらに有することを特徴とする請求項に記載のデータ解析装置。
Using time series data representing white noise instead of time series data representing the observed value,
Performing the Fourier transform and the bicoherence calculation;
Calculate a test verification amount based on the bicoherence obtained by the calculation,
Calculating the mean zwa and variance zwv of the test calibrate for multiple trials;
Based on the average zwa and variance zwv determined by the calculation,
Figure 0006183067
A parameter generating device for generating the parameters α and β,
The data analysis apparatus according to claim 3 , further comprising: a parameter memory that stores the parameters α and β generated by the parameter generation apparatus.
前記バイコヒーレンス計算部は、
前記各データブロックについての前記周波数ペアの各々のバイスペクトルの、前記複数のデータブロックについての平均を計算し、前記時系列データについてのバイスペクトルとして出力するバイスペクトル計算部と、
前記各データブロックについての前記周波数ペアの各々を構成する周波数の和に等しい周波数の成分のパワースペクトルの、前記複数のデータブロックについての平均を計算して、前記時系列データについてのパワースペクトルとして出力するパワースペクトル計算部と、
前記各データブロックについての前記周波数ペアの各々を構成する周波数の成分の積の絶対値の自乗の、前記複数のデータブロックについての平均を計算し、前記時系列データについての積自乗平均として出力する積自乗平均計算部と、
前記バイスペクトル計算部から出力された前記時系列データについての前記バイスペクトル、前記パワースペクトル計算部から出力された前記時系列データについての前記パワースペクトル、及び前記積自乗平均計算部から出力された前記時系列データについての前記積自乗平均に基づいて、前記バイコヒーレンスを計算する規格化部とを有する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のデータ解析装置。
The bicoherence calculator is
A bispectrum calculation unit that calculates an average for each of the plurality of data blocks of each of the frequency pairs for each data block and outputs the bispectrum for the time-series data;
An average of the power spectrum of the frequency component equal to the sum of the frequencies constituting each of the frequency pairs for each data block is calculated for the plurality of data blocks and output as a power spectrum for the time series data A power spectrum calculation unit,
The average of the square of the absolute value of the product of the frequency components constituting each of the frequency pairs for each data block is calculated for the plurality of data blocks and output as the product square average for the time series data Product square average calculator,
The bispectrum for the time-series data output from the bispectrum calculation unit, the power spectrum for the time-series data output from the power spectrum calculation unit, and the product square average calculation unit based on the product mean square of the time-series data, the data analyzing apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it has a normalized unit for calculating the bicoherence.
前記バイスペクトル計算部は、前記各データブロックについての前記バイスペクトルをB[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
、kはそれぞれ前記周波数ペアを構成する周波数、
[k]、X[k]、X[k+k]はそれぞれ、i番目のデータブロック(iは1乃至Pのいずれか)の、周波数k、k、k+kの周波数成分)
により、前記各データブロックについての前記バイスペクトルB[k,k]を計算し、
前記時系列データについての前記バイスペクトルをBa[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、Pは前記時系列データを構成するデータブロックの数)
により、前記時系列データについての前記バイスペクトルBa[k,k]を計算する
ことを特徴とする請求項に記載のデータ解析装置。
When the bispectrum calculation unit represents the bispectrum for each data block as B i [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
(However,
k 1 and k 2 are frequencies constituting the frequency pair,
X i [k 1 ], X i [k 2 ], and X i [k 1 + k 2 ] are the frequencies k 1 , k 2 , k of the i-th data block (i is any one of 1 to P), respectively. 1 + k 2 frequency component)
To calculate the bispectrum B i [k 1 , k 2 ] for each data block,
When the bispectrum for the time series data is represented by Ba [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
(Where P is the number of data blocks constituting the time series data)
The data analysis apparatus according to claim 5 , wherein the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] for the time series data is calculated by:
前記積自乗平均計算部は、前記時系列データについての積自乗平均をCa[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
、kはそれぞれ前記周波数ペアを構成する周波数、
[k]、X[k]はそれぞれ、i番目のデータブロック(iは1乃至Pのいずれか)の、周波数k、kの周波数成分、
Pは前記時系列データを構成するデータブロックの数)
により、前記時系列データについての前記積自乗平均Ca[k,k]を計算する
ことを特徴とする請求項5又は6に記載のデータ解析装置。
When the product square average calculation unit represents the product square average of the time series data as Ca [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
(However,
k 1 and k 2 are frequencies constituting the frequency pair,
X i [k 1 ] and X i [k 2 ] are the frequency components of the frequencies k 1 and k 2 of the i-th data block (i is any one of 1 to P),
P is the number of data blocks constituting the time series data)
7. The data analysis apparatus according to claim 5 , wherein the product root mean square Ca [k 1 , k 2 ] for the time series data is calculated by:
前記パワースペクトル計算部は、前記時系列データについてのパワースペクトルをSa[k+k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
、kはそれぞれ前記周波数ペアを構成する周波数、
[k+k]はi番目のデータブロック(iは1乃至Pのいずれか)の、周波数k+kの周波数成分であり、
[k+k]は、X[k+k]の複素共役であり、
Pはデータブロックの数である。)
により、前記時系列データについての前記パワースペクトルSa[k+k]を計算する
ことを特徴とする請求項5、6又は7に記載のデータ解析装置。
When the power spectrum of the time series data is represented by Sa [k 1 + k 2 ],
Figure 0006183067
(However,
k 1 and k 2 are frequencies constituting the frequency pair,
X i [k 1 + k 2 ] is a frequency component of the frequency k 1 + k 2 of the i-th data block (i is any one of 1 to P),
X i * [k 1 + k 2 ] is a complex conjugate of X i [k 1 + k 2 ],
P is the number of data blocks. )
The data analysis apparatus according to claim 5 , wherein the power spectrum Sa [k 1 + k 2 ] for the time series data is calculated by:
前記規格化部は、前記バイコヒーレンスをγ[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
により、前記バイコヒーレンスγ[k,k]を計算する
ことを特徴とする請求項5乃至8のいずれかに記載のデータ解析装置。
When the normalization unit represents the bicoherence as γ [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
The data analysis apparatus according to claim 5 , wherein the bicoherence γ [k 1 , k 2 ] is calculated by:
観測値を表す時系列データ中の、各々相連続するサンプル値で構成される複数個のデータブロックをフーリエ変換して、各データブロックについて複数の周波数成分を計算するフーリエ変換ステップと、
前記フーリエ変換ステップで計算された各データブロックについての周波数成分のうちの2つの周波数からなる周波数ペアの各々のバイコヒーレンスを計算するバイコヒーレンス計算ステップと、
前記周波数ペアの各々についての前記バイコヒーレンスに基づいて、前記時系列データについての検定量を計算する検定量計算ステップと、
前記検定量計算ステップで計算された前記検定量が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断する比較ステップとを有し、
前記比較ステップによる判断結果が、解析の結果として出力され、
前記検定量計算ステップは、前記検定量の平均値及び分散が、各データブロックを構成するサンプル値の数、前記時系列データを構成するデータブロックの数、及び
前記データブロックのオーバーラップ率によらずに一定に保たれるようにするための調整量を用いて、前記検定量の計算を行
ータ解析方法。
A Fourier transform step of Fourier transforming a plurality of data blocks each composed of successive sample values in time-series data representing observation values, and calculating a plurality of frequency components for each data block;
A bicoherence calculation step of calculating the bicoherence of each frequency pair consisting of two frequencies of the frequency components for each data block calculated in the Fourier transform step;
A test amount calculation step of calculating a test amount for the time-series data based on the bicoherence for each of the frequency pairs;
A comparison step for determining whether or not the test amount calculated in the test amount calculation step is larger than a predetermined threshold,
The determination result by the comparison step is output as the analysis result,
In the test amount calculation step, the mean value and variance of the test amount are determined by the number of sample values constituting each data block, the number of data blocks constituting the time series data, and the overlap ratio of the data blocks. using the adjustment amount of order to be kept constant without, intends line calculation of the test statistic
Data analysis method.
観測値を表す時系列データ中の、各々相連続するサンプル値で構成される複数個のデータブロックをフーリエ変換して、各データブロックについて複数の周波数成分を計算するフーリエ変換ステップと、
前記フーリエ変換ステップで計算された各データブロックについての周波数成分のうちの2つの周波数からなる周波数ペアの各々のバイコヒーレンスを計算するバイコヒーレンス計算ステップと、
前記周波数ペアの各々についての前記バイコヒーレンスに基づいて、前記時系列データについての検定量を計算する検定量計算ステップと、
前記検定量計算ステップで計算された前記検定量が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断する比較ステップとを有し、
前記比較ステップによる判断結果が、解析の結果として出力され、
前記検定量計算ステップは、前記検定量をzγで表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
Qは前記周波数ペアの数、
γは、前記周波数ペアの各々について、前記バイコヒーレンス計算ステップで計算されたバイコヒーレンス、
biasは、前記検定量の平均を0とするための調整量
σは、前記検定量の分散を補正するための調整量
により前記検定量zγを計算す
ータ解析方法。
A Fourier transform step of Fourier transforming a plurality of data blocks each composed of successive sample values in time-series data representing observation values, and calculating a plurality of frequency components for each data block;
A bicoherence calculation step of calculating the bicoherence of each frequency pair consisting of two frequencies of the frequency components for each data block calculated in the Fourier transform step;
A test amount calculation step of calculating a test amount for the time-series data based on the bicoherence for each of the frequency pairs;
A comparison step for determining whether or not the test amount calculated in the test amount calculation step is larger than a predetermined threshold,
The determination result by the comparison step is output as the analysis result,
In the test amount calculation step, when the test amount is represented by z γ ,
Figure 0006183067
(However,
Q is the number of frequency pairs,
γ q is the bicoherence calculated in the bicoherence calculation step for each of the frequency pairs,
bias is an adjustment amount for setting the average of the test amount to 0,
σ 2 is an adjustment amount for correcting the variance of the test amount )
Calculate the test statistic z gamma by
Data analysis method.
前記調整量bias及びσを、
Figure 0006183067
(但し、
Pは、前記時系列データを構成するデータブロックの数、
Nは各データブロックを構成するサンプル値の数、
α及びβはパラメータ)
により計算する調整量計算ステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項11に記載のデータ解析方法。
The adjustment amounts bias and σ 2 are
Figure 0006183067
(However,
P is the number of data blocks constituting the time series data,
N is the number of sample values that make up each data block,
α and β are parameters)
The data analysis method according to claim 11 , further comprising an adjustment amount calculation step of calculating by the following.
白色雑音を表す時系列データを、前記観測値を表す時系列データの代わりに用いて、
前記フーリエ変換及び前記バイコヒーレンスの計算を行い、
該計算により求められたバイコヒーレンスに基づいて試験的検定量を計算し、
複数回の試行についての前記試験的検定量の平均zwa及び分散zwvを計算し、
該計算により求められた平均zwa及び分散zwvに基づいて、
Figure 0006183067
により、前記パラメータα及びβを生成するパラメータ生成ステップと、
前記パラメータ生成ステップで生成された前記パラメータα及びβをパラメータメモリに記憶させる記憶ステップと
をさらに有することを特徴とする請求項12に記載のデータ解析方法。
Using time series data representing white noise instead of time series data representing the observed value,
Performing the Fourier transform and the bicoherence calculation;
Calculate a test verification amount based on the bicoherence obtained by the calculation,
Calculating the mean zwa and variance zwv of the test calibrate for multiple trials;
Based on the average zwa and variance zwv determined by the calculation,
Figure 0006183067
A parameter generating step for generating the parameters α and β,
The data analysis method according to claim 12 , further comprising a storage step of storing the parameters α and β generated in the parameter generation step in a parameter memory.
前記バイコヒーレンス計算ステップは、
前記各データブロックについての前記周波数ペアの各々のバイスペクトルの、前記複数のデータブロックについての平均を計算し、前記時系列データについてのバイスペクトルとして出力するバイスペクトル計算ステップと、
前記各データブロックについての前記周波数ペアの各々を構成する周波数の和に等しい周波数の成分のパワースペクトルの、前記複数のデータブロックについての平均を計算して、前記時系列データについてのパワースペクトルとして出力するパワースペクトル計算ステップと、
前記各データブロックについての前記周波数ペアの各々を構成する周波数の成分の積の絶対値の自乗の、前記複数のデータブロックについての平均を計算し、前記時系列データについての積自乗平均として出力する積自乗平均計算ステップと、
前記バイスペクトル計算ステップから出力された前記時系列データについての前記バイスペクトル、前記パワースペクトル計算ステップから出力された前記時系列データについての前記パワースペクトル、及び前記積自乗平均計算ステップから出力された前記時系列データについての前記積自乗平均に基づいて、前記バイコヒーレンスを計算する規格化ステップとを有する
ことを特徴とする請求項10乃至13のいずれかに記載のデータ解析方法。
The bicoherence calculation step includes:
A bispectrum calculation step of calculating an average for each of the plurality of data blocks of each of the frequency pairs for each data block and outputting the bispectrum for the time-series data; and
An average of the power spectrum of the frequency component equal to the sum of the frequencies constituting each of the frequency pairs for each data block is calculated for the plurality of data blocks and output as a power spectrum for the time series data Power spectrum calculation step to perform,
The average of the square of the absolute value of the product of the frequency components constituting each of the frequency pairs for each data block is calculated for the plurality of data blocks and output as the product square average for the time series data Product square average calculation step;
The bispectrum for the time series data output from the bispectrum calculation step, the power spectrum for the time series data output from the power spectrum calculation step, and the product root mean square calculation step. The data analysis method according to claim 10 , further comprising a normalization step of calculating the bicoherence based on the product root mean square of time series data.
前記バイスペクトル計算ステップは、前記各データブロックについての前記バイスペクトルをB[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
、kはそれぞれ前記周波数ペアを構成する周波数、
[k]、X[k]、X[k+k]はそれぞれ、i番目のデータブロック(iは1乃至Pのいずれか)の、周波数k、k、k+kの周波数成分)
により、前記各データブロックについての前記バイスペクトルB[k,k]を計算し、
前記時系列データについての前記バイスペクトルをBa[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、Pは前記時系列データを構成するデータブロックの数)
により、前記時系列データについての前記バイスペクトルBa[k,k]を計算する
ことを特徴とする請求項14に記載のデータ解析方法。
The bispectrum calculation step represents the bispectrum for each data block as B i [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
(However,
k 1 and k 2 are frequencies constituting the frequency pair,
X i [k 1 ], X i [k 2 ], and X i [k 1 + k 2 ] are the frequencies k 1 , k 2 , k of the i-th data block (i is any one of 1 to P), respectively. 1 + k 2 frequency component)
To calculate the bispectrum B i [k 1 , k 2 ] for each data block,
When the bispectrum for the time series data is represented by Ba [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
(Where P is the number of data blocks constituting the time series data)
The data analysis method according to claim 14 , wherein the bispectrum Ba [k 1 , k 2 ] for the time series data is calculated by:
前記積自乗平均計算ステップは、前記時系列データについての積自乗平均をCa[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
、kはそれぞれ前記周波数ペアを構成する周波数、
[k]、X[k]はそれぞれ、i番目のデータブロック(iは1乃至Pのいずれか)の、周波数k、kの周波数成分、
Pは前記時系列データを構成するデータブロックの数)
により、前記時系列データについての前記積自乗平均Ca[k,k]を計算する
ことを特徴とする請求項14又は15に記載のデータ解析方法。
When the product root mean square calculation step expresses the product root mean square for the time series data as Ca [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
(However,
k 1 and k 2 are frequencies constituting the frequency pair,
X i [k 1 ] and X i [k 2 ] are the frequency components of the frequencies k 1 and k 2 of the i-th data block (i is any one of 1 to P),
P is the number of data blocks constituting the time series data)
The data analysis method according to claim 14 or 15 , wherein the product root mean square Ca [k 1 , k 2 ] for the time series data is calculated by:
前記パワースペクトル計算ステップは、前記時系列データについてのパワースペクトルをSa[k+k]で表すとき、
Figure 0006183067
(但し、
、kはそれぞれ前記周波数ペアを構成する周波数、
[k+k]はi番目のデータブロック(iは1乃至Pのいずれか)の、周波数k+kの周波数成分であり、
[k+k]は、X[k+k]の複素共役であり、
Pはデータブロックの数である。)
により、前記時系列データについての前記パワースペクトルSa[k+k]を計算する
ことを特徴とする請求項14、15又は16に記載のデータ解析方法。
In the power spectrum calculation step, when the power spectrum for the time series data is represented by Sa [k 1 + k 2 ],
Figure 0006183067
(However,
k 1 and k 2 are frequencies constituting the frequency pair,
X i [k 1 + k 2 ] is a frequency component of the frequency k 1 + k 2 of the i-th data block (i is any one of 1 to P),
X i * [k 1 + k 2 ] is a complex conjugate of X i [k 1 + k 2 ],
P is the number of data blocks. )
The data analysis method according to claim 14, 15, or 16 , wherein the power spectrum Sa [k 1 + k 2 ] for the time series data is calculated by:
前記規格化ステップは、前記バイコヒーレンスをγ[k,k]で表すとき、
Figure 0006183067
により、前記バイコヒーレンスγ[k,k]を計算する
ことを特徴とする請求項14乃至17のいずれかに記載のデータ解析方法。
In the normalization step, when the bicoherence is represented by γ [k 1 , k 2 ],
Figure 0006183067
The data analysis method according to claim 14 , wherein the bicoherence γ [k 1 , k 2 ] is calculated by:
請求項10乃至18のいずれかに記載のデータ解析方法の各処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。 The program for making a computer perform each process of the data analysis method in any one of Claims 10 thru | or 18 . 請求項19に記載のプログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。 A computer-readable recording medium on which the program according to claim 19 is recorded.
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