DD264357A3 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung von zeitlichen Verläufen der Perioden in Signalen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Periodenlaengen in Signalen und deren zeitlichen Veraenderungen. Ziel der Erfindung ist es, mit geringerem Aufwand als bisher die Bestimmung von Einzelperioden und der zeitlichen Verlaeufe der Perioden zu ermoeglichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Verwendung eines Rechners die notwendige Zahl von Rechenoperationen zu verringern. Erfindungsgemaess wird das bei einem Verfahren, bei dem aus Messwerten eines Zeitabschnittes eines Signals und eines zeitlich verschobenen Signalabschnittes fuer unterschiedliche Verschiebungen eine Vektordistanz (City-Block-Distanz) ermittelt wird, wobei die Verschiebung ermittelt wird, bei der eine maximale Aehnlichkeit zwischen verschobenen und unverschobenen Signalabschnitt besteht, dadurch erreicht, dass bei der Bestimmung einer Periode die zeitkritischen Operationen zur Ermittlung der City-Block-Distanz hardwaremaessig verarbeitet werden und die Anzahl der Operationen softwaremaessig festgelegt wird. Anwendungsgebiet ist die technische Diagnostik und Medizin. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Periodenlängen in Signalen und deren zeitlichen Veränderungen. Die Anwendung ist in der technischen Diagnostik möglich, um z. B. bei Rotationsteilen Unwuchten festzustellen. Bevorzugt kann die Erfindung zur Bestimmung der Grundperiode im Sprachsignal eingesetzt werden un>.^! ist insbesondere in Teilbereichen der Medizin anwendbar, z. B. bei der Rehabilition von Stimm- und Sprachgeschädigten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es rind Lösungen bekannt, die von der analogen Zeitfunktion eines Signals ausgehen. Ein Maximumdetektor lokalisiert die Amplitudenmaxima im Signal und die Perioden werden durch Messung der Zeitabstände zwischen den Amplitudenmaxima bestimmt. Diese Vorrichtungen sind zwar sehr schnell und es kann jede einzelne Periode bestimmt werden, jedoch haben sie den Nachteil, daß die Periodenbestimmung empfindlich gegen Störimpulse im Signal und bei bandbegrenzten Signalen nur bedingt einsetzbar ist. (FREQUENZ 27 [1973] H. δ S. 120 ff) Verfahren, die die Periode aus der kollektiven Schwingungsform des Signals bestimmen, schließen den genannten Nachteil aus.

Bekannt ist ein Verfahren, das den Verlauf der Grundperiode eines Sprachsignals ermittelt (IEEE Transactions on acoustics, speech and signal processing, VoI, ASSP-25, Nr. 1, Febr. 1977 S. 24-33). Dieses Verfahren basiert auf der Autokorrelationsanalyse. Bei einem anderen bekannten Verfahren wird die sogenannte Average Magnitude Deference Funktion angewendet (IEEE Transactions, ASSP-22,1974, S. 353-362).

Obwohl insbesondere das letztgenannte Verfahren rechentechnisch einfach iu implementieren ist, und keine aufwendigen Operation jn erfordert, ist wegen dergroßen Zahl von Rechenoperationen während der Messung zwischen zwei Meßpunkten ein Rechner mit höherer Operationsgeschwindigkeit erforderlich, um eine Echtzeitverarbeitung zu erreichen.

Aus der DE OS 2939330 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen der Stimmbandgruncfrequenz eines Sprachsignals bekannt. Hierbei \*;ird ein Zeitabschnitt des Sprachsignals gegenüber dem Sprachsignal verschoben und für unterschiedliche Verschiebungen werden die Beträge der Differenzen zwischen dem Sprachsignal und dem verschobenen Sprachsignal über den Zeitabschnitt aufsummiert. Es wird die Verschiebung bestimmt, bei der die Folge der so gebildeten Summen ein Minimum hat. Diese Verschiebung gibt die Periodendauer der Stimmbandgrundfrequenz an. Die Verfahrensschritte werden hardwaremäßig realisiert, indem entsprechende Zähler, Speicher, Addierer, Multiplizierer, Vergleicher und Register angeordnet sind.

Bei diesem Verfahren sind zwar wesentlich weniger Rechenoperationen erforderlich. Es besteht aber der Nachteil, daß die Bestimmung von Einzelperioden bei höheren Grundfrequenzen nicht möglich ist.

Die Ursache hierfür ist der konstante Zeitabschnitt (Fenster), des Signals aus dem die Periode bestimmt wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit geringerem Aufwand als bisher die Bestimmung von Einzelperioden und der zeitlichen Verläufe der Perioden in der technischen Diagnostik und in der Sprachanalyse für nichtbandbegrenzte und bandbegrenzte Signale zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde₍bei Verwendung eines Rechners die notwendige Zahl von Rechenoperationen zu verringern, wobei eine automatische Anpassung des betrachteten Zeitabschnittes (Fensters) an unterschiedliche Periodenlängen zur effektiven und genauen Erfassung einer Periode erhalten bleiben SO¹I.

Erfindungsgemäß wird das bei einem v/erfahren zum Bestimmen der zeitlichen Verläufe der Perioden in technischen Signalen, bei dem zwischen einem n-dimensionalen Vektor 7. der aus η digitalisierten Meßwerten eines Zeitabschnittes eines Signals gebildet wird, und einem n-dimensionalen Vektor "7. der aus η digitalisierten Meßwerten eines zeitlich verschobenen Signalabschnittes gebildet wird, für unterschiedliche Verschiebungen eine Vektordistan (City-Block-Pistanz) ermittelt wird, wobei die Verschiebung ermittelt wird, bei der die Folge der gebildeten City-Block-Distanzen ein Minimum hat, d.h. bei der eine

maximale Ähnlichkeit zwischen dem verschobenen und unverschobenen Signalabschnitt besteht, dadurch erreicht, daß bei der Bestimmung einer Periode die zeitkritischen Operationen zur Ermittlung der City-Block-Distanz

g CBD(x.y)= E /X₁-Y,/

i 1

dio in η Subtraktionen, η Betragsbildungen und η Additionen bestehen, hardwaremäßig vert rheitet werden und die Anzahl der Operationen softwaremäßig festgelegt wird, indem parallel oder zeitlich verschachtelt zu dei in bekannter Weise ablaufenden Meßwerterfassung von Signalverläufen die digitalisierten Meßwerte eines Zeitabschnittes des Signals und des zeitlich verschobenen Zeitabschnittes hardwaremäßig in wechselnder Folge angewählt, zwischengespeichert und subtrahiert werden, daß anschließend für den Fall des positiv, η Subtraktionsergebnisses eine saldierende Addition zum vorigen Meßwert erfolgt bzw. für den Fall eines negativen Subtrakt onsergebnisses eine saldierende Subtraktion vom vorherigen Meßwert erfolgt, daß die Anzahl der Meßwerte mit einer vorgegauenen Anfangsadresse und einem Datenumfang (Voktordimension) festgelegt wird und nach Ablauf des wechselnden Datenzugriffs das Summationsergebnis (City-Block-Distanz) von einer übergeordneten Steuerung abgefragt wird, daß diese im falle eines Minimums in der Folge der bisher gebildeten Distanzen die aktuelle Verschiebung speichert und die Anfangsadresse des zeitlich verschobenen Signalabschnittes solange verändert, bis die Grenze des zu untersuchenden Bereiches von Verschiebungen erreicht ist, wobei die zuletzt gespeicherte Verschiebung die Periode des untersuchten Signalabschnittes darstellt, daß die übergeordnete Steuerung die Anfangsadresse für die Ermittlung der nächsten Periode gerade eine Periode nach der noch aktuellen Anfangsadresse festlegt und in Abhängigkeit der soeben ermittelten Periode den zu erwartenden Bereich der Verschiebungen des folgenden Zeitabschnittes bestimmt, sowie die neue Vektordimension der Vektoren "„* u nd 7 gleich der größten zu erwartenden Periode setzt.

Das Verfahren kann zweckmäßig so dusgestaltet sein, daß über einen Mikrorechner als übergeordnete Steuerung die Vektordimension der Vektoren 7. und 7 und die Anfangsadressen des vorgewählten Zeitabschnittes des Signals sowie des zeitlich dazu vei schoberten Zeitabschnittes Zählern zugeführt werden, daß die in Abhängigkeit von den Taktimpulsen erzielten Zählerergebnisse entsprechend ihrem Phasenversatz den Mikrorechner adressieren, daß als Ergebnis dieser Adressierung vom Mikrorechner die den Adressen zugehörigen Daten des vorgewählten Zeitabschnittes des Signals sowie des zeitlich dazu verschobenen Signals mit Hilfe von Steuersignalen zur Differenzbildung in einem Arithmetikmodul gegeben werden, daß danach die Betragsbildung in einam weiteren Arithmetikmodul in Verbindung mit einem weiteren Steuersignal derart durchgeführt wird, daß in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz entweder eine saldierende Addition oder eine saldierende Subtraktion erfolgt und daß nach Ablauf d6r Taktimpulse das Ergebnis über den Datenbus vom Mikrorechner abgefragt wird. Eine Anordnung zum Bestimmen der zeitlichen Verläufe der Perioden in Signalverläufen durch Auswertung von City-Block-Distanzen eines Zeitabschnittes des Signals sowie eines zeitlich verschobenen Signalabschnittes unter Verwendung von Zählern, Registern und Arithmetikmoduln ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Zähler für die Übernahme der vorbestimmten Anzahl von Meßwerten für eine Verschiebung (Vektordimension der Vektoren 7. und 7) angeordnet ist, dem ein zweiter und dritter Zähler nachgeordnet sind, die parallel zueinander liegen, daß ein bidirektionaler Bustreiber mit den Eingängen und mit den Ausgängen des zweiten und dritten Zählers verbunden ist, daß dieser Bustreiber über einen Adreßbus mit einer übergeordneten Steuerung zu deren Adressierung verbunden ist, daß für die Aufnahme der Daten, die zu diesen Adressen gehören, ein erstes und ein zweites Register angeordnet ist, deren Ausgänge mit einem Arithmetikmodul zur Differenzbildung verbunden sind, daß diesem ersten Arithmetikmodul ein zweiter Arithmetikmodul zur saldierenden Betragsbildung nachgeordnet Ist, dem sich ein drittes Register zur Aufsummierung der Werte anschließt, dessen Ausgang auf den Eingang des zweiten Arithmetikmoduls rückgekoppelt ist und zur Ausgabe des Ergebnisses über einen zweiten bidirektionalen Bustreiber mit dem Datenbus verbunden ist, wobei eine Baugruppe zur Taktsteuerung mit der übergeordneten Steuerung, mit den Zählern, mit dem ersten und zweiten Register sowie mit dem zweiten Arithmetikmodul verbunden ist

Der Vorteil des Verfahrens und der Anordnung besteht darin, daß mit weniger Rechenaufwand als bisher die Bestimmung der Periodenlängen und zeitl^! ;hsn Verläufe der Perioden in Echtzeit möglich ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden

Durch eine übergeordnete Steuerung, z. B. mit einem Mikrorechner wird über Datenleitungen DB0 bis DBMSB die Vektordimension N der Vektoren 7 und 7 an einen Zähler CT1 übergeben. In gleicher Weise erfolgt die Übergabe der Anfangsadressen ADA und ADB über einen bidirektionalen Bustreiber V1 an zwei Zähler CT2 und CT3. Ein von der übergeordneten Steuerung abgegebenes Signal SA bewirkt, daß eine Baugruppe zur Taktsteuerung TS in Verbindung mit den Zählern CT1 NT-Impulse abgibt. Diese NT-Impulse werden phasenversetzt auf die Zähleingänge CTI2 und CTI3 der Zähler CT2 und CT3 gegeben. Die an den Ausgängen der Zähler CT2 und CT3 sich einsiedenden Zählergebnisse werden abwechselnd entsprechend dem Phasenversatz auf den bidirektionalen Bustreiber V1 gegeben, der somit die übergeordnete Steuerung über den Adreßbus ABO bis ABMSB 'adressiert, z. B. über DMA-Zugriff. Als Ergebnis dieser Adressierung werden von der übergeordneten Steuerung die den Adressen zugehörigen Daten DATA und DATB mit dem vorher angegebenen Phasenversatz auf den Datenbus DB0 bis DBMSB gelegt. Mit Hilfe der Steuerimpulse S1 und S 2 werden diese Daten in die Register RG1 und RG 2 geschrieben und über die Ausgänge der zuvor genannten Register dem Arithmetikmodul ARM 1 zur Differenzbildung angeboten. Das Steuersignal S3 garantiert, daß nach Ablauf der notwendigen Rechenzeit zur Differenzbildung die Betragsbildung (BET) mit Hilfe des Arithmetikmoduls A RM 2 erfolgt, wobei die Betragsbildung derart durchgeführt wird, daß in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz DIFF über das Steuersignal S 4 entweder im Arithmetikmodul ARM 2 addiert (positive Differenz) oder subtrahiert (negative Differenz) wird. Durch Ruckkopplung der im Register RG3 aufsummierten Werte auf den Eingang des Arithmetikmoduls ARM 2 erhält man die saldierende Betragsbildung, wobei der Unfang durch die Anzahl der impulse NT bestimmt wird. Nach Abschluß der NT-Impulse kann das Ergebnis CBD über den bidirektionalen Bustreiber V2 durch die übergeordnete Steuerung vom Datenbus abgefragt werden.

Die übergeordnete Steuerung prüft, ob es sich bei der City-Block-Distanz um ein Minimum in dor Folge der bisher gebildeten Distanzen handelt. Ist das der Fall, wird der erhaltene Distanzwert und die dazugehörige Versch ebung ρ in einen Schreib- und Lesespeicher eingeschrieben. Nach dem Minimumtest verändert die übergeordnete Steuerung die Anfangsadresse ADB des verschobenen Signalverlaufes um einen Schritt und übergibt in oben beschriebener Weise die Anfangsadressen ADA, ADB und die Vektordimension N der Vektoren ^ und 7 an die erfindungsgemäße Anordnung.

Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis der Abstand der Anfangsadressen ADA und ADB die Grenze des zu untersuchenden Bereichs von Verschiebungen erreicht hat. Die zuletzt gespeicherte Verschiebung ρ entspricht der Periode in dem betrachteten Zeitabschnitt des Signals. Für die Abarbeitung des folgenden Zeitabschnittes im Signal wird durch die übergeordnete Steuerung zu der Anfangsadresse ADA die Stützstellenzahl einer Periodenlänge addiert und somit die neue Anfangsadresse ADA festgelegt. Damit wird jede Periode erfaßt und Redundanz bei der Berechnung der Periodenlängen vermieden. In Abhängigkeit der ermittelten Periode bestimmt die übergeordnete Steuerung den zu erwartenden Bereich der Verschiebungen. Die zu übergebende Vektordimension entspricht der größten zu erwartenden Periode.

Die übergeordnete Steuerung ermittelt nach jeder Periodenbestimmung den Grad der Periodiziüät, indem das Verhältnis zwischen dem Wert der minimalen City-Block-Distanz und der vorhandenen Intensität in diesen* Zeitabschnitt gebildet wird. In einer bevorzugten Ausführung zur Bestimmung der Grundperiode im Sprachsignal werden Signalabschnitte, in denen dieses Verhältnis den Wert 0,75 übersteigt, als nichtperiodisch klassifiziert.

Claims (3)

1. Verfahren zum Bestimmen der zeitlichen Verläufe der Perioden in Signalen, bei dem zwischen einem n-dimensionalen Vektor 7, der aus η digitalisierten Meßwerten eines Zeitabschnittes des Signals gebildbt wird, und einem n-dimensionalen Vektor 7/ der aus η digitalisierten Meßwerten eines zeitlich verschobenen Signalabschnittes gebildet wird, für unterschiedliche Verschiebungen eine Vektordistanz (City-Block-Distanz) ermittelt wird, wobei die Verschiebung ermittelt wird, bei der die Folge der gebildeten City-Block-Distanzen ein Minimum hat, d. h. bei der eine maximale Ähnlichkeit zwischen dem verschobenen und unverschobenen Signalabschnitt oesteht, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung einer Periode die zeitkritischen Operationen zur Ermittlung der City-Block-Distanz '

gCBD(x,y)= Σ /Xi-Yi/ ,
i = 1

die in η Substrationen, η Betragsbildungen und η Additionen bestehen, hardwaremäßig verarbeitet werden und die Anzahl der Operationen softwa.-emäßig festgelegt wird, indem parallel oder zeitlich verschachtelt zu der in bekannter Weise ablaufenden Meßwerterfassung von Signalverläufen die digitalisierten Meßwerte eines Zeitabschnittes des Signais und des zeitlich verschobenen Zeitabschnittes hardwaremäßig in wechselnder Folge angewählt, zwischengespeichert und subtrahiert werden, daß anschließend für den Fall des positiven Subtraktionsergebnisses eine saldierende Addition zum vorigen Meßwert erfolgt bzw. für den Fall eines negativen Subtraktionsergebnisses eine saldierende Subtraktion vom vorherigen Meßwert erfolgt, daß die Anzahl der Meßwerte mit einer vorgegebenen Anfangsadresse und einem Datenumfang (Vektordimension) festgelegt wird und nach Ablauf des wechselnden Datenzugriffs das Summationsergeb.nis (City-Block-Distanz) von einer übergeordneten Steuerung abgefragt wird, daß diese im Falle eines Minimums in der Folge der bisher gebildeten Distanzen die aktuelle Verschiebung speichert und die Anfangsadresse des zeitlich verschobenen Signalabschnittes solange verändert, bis die Grenze des zu untersuchenden Bereiches von Verschiebungen erreicht ist, wobei die zuletzt gespeicherte Verschiebung die Periode des untersuchten Signalabschnittes darstellt, daß die übergeordnete Steuerung zu der Anfangsadresse die Stützstellenanzahl der soeben ermittelten Periode addiert und somit die Anfangsadresse des nächsten Signalabschnittes festlegt und in Abhängigkeit der soeben ermittelten Periode den zu erwartenden Bereich der Verschiebungen des folgenden Zeitabschnittes bestimmt, sowie die neue Vektordimension der Vektoren 7 und 7 gleich der größten zu erwartenden Periode setzt.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß über einen Mikrorechner als übergeordnete Steuerung die Vektordimension derVektoren^und^und die Anfangsadressen des vorgewählten Zeitabschnittes des Signals sowie des zeitlich dazu verschobenen Zeitabschnittes Zählern zugeführt werden, daß durch den Mikrorechner Taktimpulse ausgelöst werden, daß die in Abhängif keit von den Taktimpulsen erzielten Zählergebnisse entsprechend ihrem Phasenversatz den Mikrorechner adressieren, daß als Ergebnis dieser Adressierung vom Mikrorechner die den Adressen zugehörigen Daten des vorgewählten Zeitabschnittes des Signals sowie des zeitlich dazu verschobenen Signals mit Hilfe von Steuersignalen zur Differenzbildung in einem Arithmetikmodul gegeben werden, daß danach die Betragsbildung in einem weiteren Arithmetikmodul in · Verbindung mit einem weiteren Steuersignal derart durchgeführt wird, daß in Abhängigkeit vom j Vorzeichen der Differenz entweder eine saldierende Addition oder eine saldierende Subtraktion j erfolgt und daß nach Ablauf der Taktimpulse das Ergebnis über den Datenbus vom Mikrorechner i abgefragt wird. i

3. Anordnung zum Bestimmen der zeitlichen Verläufe der Perioden in Signalverläufen durch j Auswertung von City-Block-Distanzen eines Zeitabschnittes des Signals sowie eines zeitlich | verschobenen Signalabschnittes unter Verwendung von Zählern, Registern und Arithmetikmoduln, j gekennzeichnet dadurch, daß ein erster Zähler (CT I) für die Übernahme der vorbestimmten Anzahl von Meßwerten für eine Verschiebung (Vektordimension der Vektoren 7 und 7) angeordnet ist, dem

ein zweiter und dritter Zähler (CT2, CT3) nachgeordnet ist, die parallel zueinander liegen, daß ein j

bidirektionaler Bustreiber (V 1) mit den Eingängen und mit den Ausgängen des zweiten und dritten j

Zählers (CT2, CT3) verbunden sind, daß dieser Bustreiber (V 1) über einen Adreßbuo mit einer übergeordneten Steuerung zu deren Adressierung verbunden ist, daß für die Aufnahme der Daten die zu diesen Adressen gehören, ein erstes und ein zweites Register (RG 1, RG 2) angeordnet ist, deren Ausgänge mit einem Arithmetikmodul (ARM 1) zur Differenzbildung verbunden sind, daß diesem ersten Arithmetikmodul ein zweiter Arithmetikmodul (ARM 2) zur saldierenden Betragsbildung nachgeordnet ist, dem sich ein drittersRegister (RG 3) zur Aufsummierung der Werte anschließt, dessen Ausgang auf den Eingang des zweiten Arithmetikmoduls (ARM 2) rückgekoppelt ist und zur Ausgabo des Ergebnisses über einen zweiten bidirektionalen Bustreiber (V2) mit dem Datenbus verbunden ist, wobei eine Baugruppe zur Taktsteuerung (S) mit der übergeordneten Steuerung, mit den Zählern (CT 1, CT2, CT3) mit dem ersten und zweiten Register (RG 1, RG 2) sowie mit dem zweiten Arithmetikmodul (ARM 2) verbunden ist. ,