DE102004045097B3

DE102004045097B3 - Verfahren zur Extraktion periodischer Signalkomponenten und Vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE102004045097B3
Application number: DE102004045097A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. rer. nat. Hohmann
Original assignee: Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
Current assignee: Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-09-18
Also published as: US20060074694A1

Abstract

Ein Verfahren zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus mindestens einem überlagerten Signal hat die Schritte: DOLLAR A - Aufteilen des überlagerten Signals in Teilsegmente gleicher Periodenlängen (T¶1¶, T¶2¶, ..., T¶n¶) jeweils für eine Menge vordefinierter Periodenlängen (T¶1¶, T¶2¶, ..., T¶n¶), und DOLLAR A - für jede Periodenlänge (T¶1¶, T¶2¶, ..., T¶n¶) Bilden einer Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegemente.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus mindestens einem überlagerten Signal, sowie eine Vorrichtung hierzu.
Beispielsweise für die automatische Spracherkennung oder zur Sprachverarbeitung in Hörgeräten zur Störgeräuschunterdrückung und Signalverbesserung ist eine Extraktion periodischer Signalkomponenten aus einem überlagerten Signal hilfreich. Periodische Signalkomponenten tragen nämlich wichtige Informationen in vielen natürlichen und künstlichen Signalen. In Sprachsignalen sind die Vokale und stimmhafte Konsonanten quasi-periodische Signalkomponenten. Ihre Wahrnehmung ist für das Sprachverständnis entscheidend. In Musiksignalen ist die durch ein spezifisches Musikinstrument gespielte Note durch die Periodenlänge des von dem Instrument erzeugten periodischen Signals definiert, wohingegen die Klangfarbe (Timbre) durch eine Periode des Signals im Zeitbereich definiert ist.

Herkömmliche Verfahren zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus überlagerten Signalen im Zeitbereich arbeiten weitgehend auf der Basis von Autokorrelationsfunktionen. Verfahren im Frequenzbereich verwenden hingegen Kammfilter zur Extraktion einer Mehrzahl von Grundharmonischer aus dem Frequenzspektrum.

Da Sprache und Musik nicht stationäre Signale mit variierenden überlagerten Komponenten sind, muss die Analyse in Zeitsegmenten mit einer an das jeweilige Problem und der zu extrahierenden Periodenlänge angepassten Länge des Analysefensters erfolgen.

In R. J. McAulay und T. F. Quatieri, „Sinusoidal coding", in: Speech Coding and Synthesis (W. B. Kleijn und K. K. Paliwal, hrsg.), Elsevier, 1998, Abschnitt 4, Seite 135, ist ein Verfahren zur adaptiven Selektion der Auflösung hierfür beschrieben.

Aus der US 2003-0088401 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine feste Fensterlänge durch Verwendung von aus der Analyse von hochdimensionalen chaotischen Signalen bekannten Phasenraum-Rekonstruktionsverfahren vermieden wird. Jedes Fenster von Abtastwerten wird an eine Sequenz von n-dimensionalen Vektoren transformiert, die eine Trajektorie im n-dimensionalen Zustandsraum beschreiben. Die benachbarten Paare von Vektoren werden anschließend ausgewählt und akkumuliert, um ein Periodizitätshistogramm zu bestimmen.

In Roy Patterson et al.: „Time-domain modeling of peripheral auditory processing: A modular architecture and a software platform", in: J. Acoustic Society Am. 98 (4), Oktober 1995, Seiten 1890 bis 1894 ist ein Verfahren zur funktionalen Simulation einer auditorischen Spektralanalyse beschrieben.

Aus Xiaoshu Qian und Ramdas Kumaresan: „Joint Estimation of Time Delay and Pitch of Voiced Speech Signals", in: Conference Record of the Twenty-Ninth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers. IEEE. 1996, (1), Seiten 735 bis 739 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Zeitverzögerung für ein Audiosignal beschrieben.

In der DD 264 357 A3 ist ein Verfahren zur Bestimmung von zeitlichen Verläufen der Perioden in Signalen zu entnehmen. Hierbei wird aus Messwerten eines Zeitabschnitts eines Signals und eines zeitlich verschobenen Signalabschnitts für unterschiedliche Verschiebungen eine Vektordistanz ermittelt.

In der DE 692 31 266 T2 ist ein Verfahren zur Manipulation von audioäquivalenten Signalen offenbart, bei dem die Dauer eines Ausgangssignals durch Wiederholen, Beibehalten und/oder Unterdrücken von Segmentsignalen manipuliert wird. Die Segmentsignale werden durch Gewichtung von Fensterfunktionen für sich gegenseitig überlappende Zeitfenster des ursprünglichen Signals gebildet.

Die aus einem überlagerten Signal extrahierten sich überlappenden Zeitfenster haben unterschiedlich lange Segmente, die miteinander überlagert werden.

Bei diesem Stand der Technik enthält das zu analysierende Signal zu einer Zeit nur eine Periodenlänge und ist nicht mit Rauschen überlagert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus mindestens einem überlagerten Signal zu schaffen, das insbesondere einfach und stabil ist und eine weitere Analyse der periodischen Signalkomponente im Zeit- oder Frequenzbereich erlaubt.

Die Aufgabe wird dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch Aufteilen des überlagerten Signals in jeweils zeitlich hintereinander liegende Teilsegmente gleicher Länge, wobei die Länge einer bestimmten Periodenlänge der zu extrahierenden periodischen Signalkomponente entspricht, jeweils für eine Menge vordefinierter Periodenlängen und für jede Periodenlänge Bilden einer Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente gleicher Länge.

Damit ist es möglich, die Anzahl der periodischen Komponenten, ihre entsprechenden Signalspitzen, die Grundharmonischen und das Zeitverhalten eines zu beobachtenden überlagerten Signals zu bestimmen.

Hierzu wird eine Menge von möglichen Periodenlängen definiert und nachfolgend perioden-synchron gemittelt. Damit ist es prinzipiell möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis SNR einer periodischen Signalkomponente bei einer jeweiligen hypothetischen Periodenlänge um 3dB durch Verdopplung der Anzahl von Überlagerungen von Teilsegmenten zu verbessern. Die Mittelung zum Beispiel von 8 Teilsegmenten führt zu einer SNR-Verbesserung von ungefähr 9dB. Dies bedeutet eine erhebliche Trennung jeder periodischen Komponente von periodischen Komponenten mit anderen Periodenlängen und Rauschsignalkomponenten.

Die Überlagerung der Signalwerte aller Teilsegmente für jede Periodenlänge wird vorzugsweise durch Berechnen des Mittelwertes oder Medians der Signalwerte aller Teilsegmente gebildet. Optional kann die Überlagerung der Signalwerte der Teilsegmente auch durch Tiefpassfiltern der Signalwerte aller Teilsegmente jeweils getrennt für jede Position innerhalb des Teilsegmentes gebildet werden.

Die Menge der Periodenlängen kann unverändert fest definiert sein oder adaptiv selektiert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Extraktion an einem überlagerten Breitbandsignal erfolgt. Es kann auch eine parallele Extraktion der periodischen Signalkomponenten aus Signalen an Ausgängen einer Mehrzahl von Bandpassfiltern für das überlagerte Signal durchgeführt werden. Optional kann die Extraktion der periodischen Signalkomponenten aus einem vollständigen überlagerten Signal oder aus Sequenzen von Segmenten des überlagerten Signals durchgeführt werden.

Somit kann die Signalverarbeitung aufeinanderfolgend für eine Sequenz von Segmenten des Signals oder parallel beispielsweise des Signals an den Ausgängen einer Vielzahl von Bandpassfiltern und/oder einer Vielzahl von Empfängern erfolgen.

Die Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente kann im Zeitbereich oder im Frequenzbereich gebildet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Frequenzanalyse der gebildeten Überlagerung der Teilsegmente beispielsweise mittels Fast-Fourier-Transformation, Wavelet-Transformation oder linearer Prädiktion (LPC) durchgeführt wird.

Aus einer Teilmenge der gebildeten Überlagerungen kann auch eine Rekonstruktion eines Signals im Zeitbereich erfolgen.

Wesentlich für das Verständnis der Signalweiterverarbeitung ist, dass die gebildeten Überlagerungen die Basisfunktionen bilden, d. h. den Zeitverlauf der Signalkomponenten bei den jeweiligen Periodenlängen.

Die gebildeten Überlagerungen können für verschiedene Signalkanäle eines Mehrkanalsystems verglichen werden. Es kann auch ein Vergleich der für die verschiedenen Frequenzbänder eines Mehrfrequenzbandsystems gebildeten Überlagerungen erfolgen. Dies ist abhängig von der jeweiligen Signalnachbearbeitungsstrategie. Beispielsweise kann eine automatische Spracherkennung mittels der gebildeten Überlagerungen unter Ausnutzung der oben genannten Nachbearbeitungsverfahren durchgeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Vorrichtung zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus einem überlagerten Signal mit einem solchen Verfahren zu schaffen. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die einen Signalteiler zur Aufteilung des überlagerten Signals in Teilsegmente, ein an den Ausgang des Signalteilers angeschlossenes Mittel zur Bildung der Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente und Zwischenspeicher für jede Periodenlänge zur Speicherung der überlagerten Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente hat.

Die Größe der Zwischenspeicher wird dabei vorzugsweise abhängig von der definierten Periodenlänge gewählt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
1 – Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus einem überlagerten Signal.
Die 1 lässt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus einem überlagerten digitalen Signal 1 erkennen. Dieses wird mit einem Signalteiler 2 in Teilsegmente segmentiert. Die am Ausgang des Signalteilers 2 anliegenden Teilsegmente werden Mitteln 3 zur Bildung der Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente zugeführt und in Zwischenspeicher 4 für jede Periodenlänge T₁, T₂, ..., T_n abgelegt. Die Länge T_i der Zwischenspeicher 4 ist dabei jeweils so gewählt, dass sie mit der Periodenlänge der zugeordneten Teilsegmente korrespondiert.
Die Überlagerung der Signalwerte der Teilsegmente für jede Periodenlänge T₁, T₂, ..., T_n kann beispielsweise durch Berechnen des Mittelwerts oder Medians der Signalwerte aller Teilsegmente berechnet werden. Optional kann aber auch ein Tiefpassfilter zur Bestimmung des Durchschnitts der Signalwerte für jedes Teilsegment vorgesehen werden. Die Überlagerung erfolgt jeweils für jede Position innerhalb des Teilsegments getrennt.
Die Menge der Periodenlängen kann unverändert fest definiert sein. Es kann aber auch eine adaptive Selektion der Periodenlängen T₁, T₂, ..., T_n erfolgen. Die Längen T_i mit i = 1 bis n der jeweiligen Zwischenspeicher 4 werden hierbei adaptiv angepasst, so dass ein entsprechender variabler Zwischenspeicher 4 benutzt werden muss.
Die in den Zwischenspeichern 4 abgelegten perioden-synchron gemittelten Signalwerte sind Basisfunktionen, die das Zeitverhalten der Signalkomponenten bei den jeweiligen Periodenlängen beschreiben und die im Zeit- oder Frequenzbereich beispielsweise zur automatischen Spracherkennung oder zur Signalaufbereitung für Hörgeräte weiterverarbeitet werden können.

Claims

Verfahren zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus mindestens einem von Signalkomponenten mit anderen Periodenlängen als die der extrahierten periodischen Signalkomponenten und/oder von Rauschsignalkomponenten überlagerten Signal (1), gekennzeichnet durch – Aufteilen des überlagerten Signals (1) in jeweils zeitlich hintereinander liegende Teilsegmente gleicher Länge (T), wobei die Länge einer bestimmten Periodenlänge der zu extrahierenden periodischen Signalkomponente entspricht, jeweils für eine Menge vordefinierter Periodenlängen (T₁, T₂, ... ), und – für jede Periodenlänge (T₁, T₂, ... ) Bilden einer Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente gleicher Länge.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Signalwerte für jede Periodenlänge (T₁, T₂, ...) durch Berechnen des Mittelwertes oder Medians der Signalwerte aller Teilsegmente jeweils getrennt für jede Position innerhalb des Teilsegments gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Signalwerte für jede Periodenlänge (T₁, T₂, ...) durch Tiefpassfiltern der Signalwerte aller Teilsegmente und jeweils getrennt für jede Position innerhalb des Teilsegments gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenlängen (T₁, T₂, ...) unverändert fest definiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch adaptive Selektion der Periodenlängen (T₁, T₂, ...).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion aus einem überlagerten Breitbandsignal erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch parallele Extraktion der periodischen Signalkomponenten aus Signalen an Ausgängen einer Mehrzahl von Bandpassfiltern für das überlagerte Signal (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Extraktion der periodischen Signalkomponenten aus einem vollständigen überlagerten Signal (1) oder aus Sequenzen von Segmenten des überlagerten Signals (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch parallele Extraktion der periodischen Signalkomponenten aus einer Mehrzahl von Signalkanälen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bilden der Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente im Zeitbereich oder im Frequenzbereich.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitergehende Signalanalyse der gebildeten Überlagerung der Teilsegmente für alle Periodenlängen (T₁, T₂, ...).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weitergehende Signalanalyse mittels Fast-Fourier-Transformation, Wavelet-Transformation oder linearer Prädiktion (LPC) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rekonstruktion eines Signals im Zeitbereich aus einer Untermenge der gebildeten Überlagerungen der Teilsegmente.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vergleichen der für verschiedene Signalkanäle eines Mehrkanalsystems gebildeten Überlagerungen der Teilsegmente.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vergleichen der für verschiedene Frequenzbänder eines Mehrfrequenzbandsystems gebildeten Überlagerungen der Teilsegmente.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der im überlagerten Signal (1) auftretenden Grundharmonischen und deren Ausprägung aus den Teilsegment-Überlagerungen oder weitergehenden Analysen der Teilsegment-Überlagerungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch automatische Spracherkennung mittels der gebildeten Überlagerungen der Teilsegmente.
Vorrichtung zur Extraktion periodischer Signalkomponenten aus einem überlagerten Signal mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – einen Signalteiler (2) zur Aufteilung des überlagerten Signals (1) in Teilsegmente, – ein an den Ausgang des Signalteilers (2) angeschlossenes Mittel (3) zur Bildung der Überlagerung der Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente, und – Zwischenspeicher (4) für jede Periodenlänge (T₁, T₂, ...) zur Speicherung der überlagerten Signalwerte der jeweiligen Teilsegmente.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Zwischenspeicher (4) abhängig von der definierten Periodenlänge der zugeordneten Teilsegmente sind.