DE102021207339B3 - Method and device for analyzing a time signal with periodic signal components and computer program product and computer program - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines Zeitsignals ((x(t)) mit periodischen Signalanteilen, bei dem für aufeinander folgende Zeitpunkte jeweils mittels einer oder mehrerer Iterationen jeweils Frequenzen und den Frequenzen zugeordnete Signalparameter (HNR) aus dem Zeitsignal ((x(t)) extrahiert werden, wobei für eine aktuelle Frequenz (ƒc) in einer aktuellen Iterationsschleife einer jeweiligen Iteration für einen aktuellen Zeitpunkt folgende Schritte durchgeführt werdena) Ermitteln eines ersten Filtersignals (yp) und eines zweiten Filtersignals (ym) basierend auf dem Zeitsignal ((x(t)) über eine Summen- und Differenzbildung im Zeitsignal ((x(t)) zu Zeitpunkten, die um eine Periode gemäß der aktuellen Frequenz (ƒc) versetzt sind;b) Ermitteln des Signalparameters (HNR) für die aktuelle Frequenz (ƒc) als eine Größe, die das Verhältnis eines Signalstärkemaßes des ersten Filtersignals (yp) zu einem Signalstärkemaß des zweiten Filtersignals (ym) anzeigt;c) Ermitteln eines Steuersignals (cs(n)), das anzeigt, ob eine Phasendifferenz zwischen dem ersten Filtersignal (yp) und dem zweiten Filtersignals (ym) positiv oder negativ ist,d) Modifikation der aktuellen Frequenz (ƒc), indem sie vergrößert wird, wenn das Steuersignal (cs(n)) eine negative Phasendifferenz anzeigt, und indem sie verkleinert wird, wenn das Steuersignal (cs(n)) eine positive Phasendifferenz anzeigt, wobei die modifizierte Frequenz als die aktuelle Frequenz (ƒc) in der nächsten Iterationsschleife verwendet wird.The invention relates to a method for analyzing a time signal ((x(t)) with periodic signal components, in which frequencies and signal parameters (HNR) assigned to the frequencies are determined from the time signal ((x(t ). (t)) via a sum and difference formation in the time signal ((x(t)) at points in time that are offset by one period according to the current frequency (ƒc); b) determination of the signal parameter (HNR) for the current frequency (ƒc ) as a quantity indicating the ratio of a signal strength measure of the first filter signal (yp) to a signal strength measure of the second filter signal (ym);c) determining a control rsignals (cs(n)) indicating whether a phase difference between the first filter signal (yp) and the second filter signal (ym) is positive or negative,d) modification of the current frequency (ƒc) by increasing it if the Control signal (cs(n)) indicates a negative phase difference, and by decreasing it when the control signal (cs(n)) indicates a positive phase difference, using the modified frequency as the current frequency (ƒc) in the next iteration loop.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse eines Zeitsignals mit periodischen Signalanteilen sowie ein Computerprogrammprodukt und ein Computerprogramm.The invention relates to a method and a device for analyzing a time signal with periodic signal components, as well as a computer program product and a computer program.
Zeitsignale mit periodischen Signalanteilen kommen sowohl in der Natur als auch in einer Vielzahl von technischen Anwendungen vor. Im Rahmen einer Verarbeitung solcher Signale stellt die Periodizität eine wichtige Information dar, so dass das Bedürfnis besteht, entsprechende Grundfrequenzen aus diesen Signalen zu extrahieren. Beispiele für natürliche Signale mit periodischen Signalanteilen sind akustische Signale, wie Sprachsignale, Musik und dergleichen. Technische Beispiele für solche Signale sind Zeitsignale in mechanischen oder elektrodynamischen Systemen, wie z.B. Hochfrequenzwellen.Time signals with periodic signal components occur both in nature and in a variety of technical applications. In the context of processing such signals, the periodicity represents important information, so there is a need to extract corresponding fundamental frequencies from these signals. Examples of natural signals with periodic signal components are acoustic signals such as speech signals, music and the like. Technical examples of such signals are time signals in mechanical or electrodynamic systems, such as high-frequency waves.
Aus dem Stand der Technik sind sog. PLL-Verfahren (PLL = Phase-Locked Loop) bekannt, um die Periodizität in Zeitsignalen zu detektieren und zu schätzen. PLL-basierte Verfahren sind jedoch nicht für beliebige Signalformen verwendbar. Vor allem eignen sie sich für sinusförmige Signale.So-called PLL methods (PLL=phase-locked loop) are known from the prior art for detecting and estimating the periodicity in time signals. However, PLL-based methods cannot be used for any signal form. Above all, they are suitable for sinusoidal signals.
Aus dem Stand der Technik sind ferner DLL-Verfahren (DLL = Delay-Locked Loop) bekannt, welche interne Verzögerungen zur Detektion und Schätzung von periodischen Signalen nutzen. Auch diese Verfahren eignen sich nicht zur Detektion von periodischen Signalen mit beliebiger Wellenform.Also known from the prior art are DLL methods (DLL=Delay-Locked Loop) which use internal delays for the detection and estimation of periodic signals. These methods are also not suitable for detecting periodic signals with any waveform.
Die Druckschrift
Die Druckschrift BITTNER, Rachel M.; WANG, Avery; BELLO, Juan P.: Pitch contour tracking in music using Harmonic Locked Loops. In: Proc. of the 2017 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). 5.-9. März 2017, S. 191-195 offenbart ein Verfahren zur Tonhöhenverfolgung in einem Musiksignal unter Verwendung einer HLL-Regelschleife (HLL = Harmonic Locked Loop).The pamphlet BITTNER, Rachel M.; WANG, Avery; BELLO, Juan P.: Pitch contour tracking in music using Harmonic Locked Loops. In: Proc. of the 2017 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). 5th-9th March 2017, pp. 191-195 discloses a method for pitch tracking in a music signal using an HLL control loop (HLL = Harmonic Locked Loop).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Analyse eines Zeitsignals zu schaffen, mit dem einfach und zuverlässig die Grundfrequenzen von periodischen Signalanteilen in einem Zeitsignal geschätzt werden können.The object of the invention is to create a method for analyzing a time signal, with which the fundamental frequencies of periodic signal components in a time signal can be estimated easily and reliably.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by the method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren analysiert ein Zeitsignal mit periodischen Signalanteilen. Das Zeitsignal stellt somit das im erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitete Signal dar. Vorzugsweise ist das Verfahren digital als rechnergestütztes bzw. computer-implementiertes Verfahren umgesetzt. In diesem Fall ist das Zeitsignal ein digitales bzw. ein aus einem analogen Signal digitalisiertes Signal, das zu entsprechenden Abtastzeitpunkten einen Signalwert liefert. Nichtsdestotrotz kann das Verfahren gegebenenfalls auch zumindest zum Teil als analoges Verfahren implementiert werden. Insbesondere sind analoge Filter bekannt, mit denen die weiter unten beschriebene Ermittlung der ersten und zweiten Filtersignale durchgeführt werden kann.The method according to the invention analyzes a time signal with periodic signal components. The time signal thus represents the signal processed in the method according to the invention. The method is preferably implemented digitally as a computer-aided or computer-implemented method. In this case, the time signal is a digital signal or a signal digitized from an analog signal, which supplies a signal value at corresponding sampling times. Nevertheless, the method can also be implemented, at least in part, as an analog method if necessary. In particular, analog filters are known with which the determination of the first and second filter signals described further below can be carried out.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für aufeinander folgende Zeitpunkte im Zeitsignal jeweils mittels einer oder mehrerer Iterationen jeweils Frequenzen und den Frequenzen zugeordnete Signalparameter ausgehend von einer initialen Frequenz aus dem Zeitsignal extrahiert. Für eine aktuelle Frequenz in einer aktuellen Iterationsschleife einer jeweiligen Iteration werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen aktuellen Zeitpunkt der aufeinander folgenden Zeitpunkte die nachfolgend erläuterten Schritte a) bis d) durchgeführt. Die Reihenfolge der Schritte kann beliebig festgelegt sein, sofern ein Schritt nicht das Ergebnis eines anderen Schritts verwendet.As part of the method according to the invention, frequencies and signal parameters assigned to the frequencies are extracted from the time signal for successive points in time in the time signal by means of one or more iterations, starting from an initial frequency. For a current frequency in a current iteration loop of a respective iteration, the steps a) to d) explained below are carried out within the scope of the method according to the invention for a current point in time of the successive points in time. The order of the steps can be arbitrary, as long as one step does not use the result of another step.
In Schritt a) wird ein erstes Filtersignal und ein zweites Filtersignal basierend auf einem Eingangssignal ermittelt. Das Eingangssignal kann dabei das ursprüngliche Zeitsignal oder ein geglättetes Zeitsignal sein. Im Falle eines geglätteten Zeitsignals beinhaltet das Verfahren somit auch einen entsprechenden Glättungsschritt. Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt, können im erfindungsgemäßen Verfahren auch noch andere geglättete Größen bzw. Signale verarbeitet werden. Sofern im Folgenden auf entsprechende geglättete Signale bzw. Größen verwiesen wird, ist dies immer dahingehend zu verstehen, dass im erfindungsgemäßen Verfahren ein entsprechender Glättungsschritt für diese Signale bzw. Größen durchgeführt wird. Die Glättung kann dabei auf unterschiedliche Weise implementiert werden. Vorzugsweise wird ein Tiefpass-IIR-Filter oder ein Tiefpass-FIR-Filter genutzt, wie weiter unten näher beschrieben wird. Nichtsdestotrotz können auch andere Glättungsverfahren (z.B. arithmetische Mittelwertbildung) verwendet werden.In step a), a first filter signal and a second filter signal are determined based on an input signal. The input signal can be the original time signal or a smoothed time signal. In the case of a smoothed time signal, the method thus also includes a corresponding smoothing step. As can be seen from the following description, other smoothed quantities or signals can also be processed in the method according to the invention. If reference is made below to corresponding smoothed signals or variables, this should always be understood to mean that a corresponding smoothing step is carried out for these signals or variables in the method according to the invention will lead. The smoothing can be implemented in different ways. A low-pass IIR filter or a low-pass FIR filter is preferably used, as will be described in more detail below. Nevertheless, other smoothing methods (eg arithmetic averaging) can also be used.
Das in Schritt a) ermittelte erste Filtersignal stellt die Summe aus dem Eingangssignal zum aktuellen Zeitpunkt und dem Eingangssignal zu dem (früheren) Zeitpunkt dar, der eine Periode gemäß der aktuellen Frequenz vor dem aktuellen Zeitpunkt liegt. Demgegenüber stellt das zweite Filtersignal die Differenz zwischen dem Eingangssignal zum aktuellen Zeitpunkt und dem Eingangssignal zu dem (früheren) Zeitpunkt dar, der eine Periode gemäß der aktuellen Frequenz vor dem aktuellen Zeitpunkt liegt.The first filter signal determined in step a) represents the sum of the input signal at the current point in time and the input signal at the (earlier) point in time, which is one period according to the current frequency before the current point in time. In contrast, the second filter signal represents the difference between the input signal at the current point in time and the input signal at the (earlier) point in time, which is one period according to the current frequency before the current point in time.
In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Signalparameter für die aktuelle Frequenz als eine Größe ermittelt, die das Verhältnis oder das geglättete Verhältnis eines Signalstärkemaßes oder eines geglätteten Signalstärkemaßes des ersten Filtersignals oder eines geglätteten ersten Filtersignals zu einem Signalstärkemaß oder einem geglätteten Signalstärkemaß des zweiten Filtersignals oder eines geglätteten zweiten Filtersignals anzeigt. Das Signalstärkemaß kann je nach Ausgestaltung unterschiedlich definiert werden. Beispielsweise kann das Signalstärkemaß den Betrag oder das Quadrat des entsprechenden ersten bzw. zweiten (gegebenenfalls geglätteten) Filtersignals darstellen. Der Signalparameter basierend auf dem oben definierten Verhältnis der Signalstärkemaße zeigt an, wie stark der Anteil einer periodischen Komponente in dem Zeitsignal bei der aktuellen Frequenz ist.In step b) of the method according to the invention, the signal parameter for the current frequency is determined as a variable which is the ratio or the smoothed ratio of a signal strength measure or a smoothed signal strength measure of the first filter signal or a smoothed first filter signal to a signal strength measure or a smoothed signal strength measure of the second filter signal or a smoothed second filter signal. The signal strength measure can be defined differently depending on the configuration. For example, the signal strength measure can represent the absolute value or the square of the corresponding first or second (possibly smoothed) filter signal. The signal parameter based on the ratio of signal strength measures defined above indicates how strong the proportion of a periodic component in the time signal is at the current frequency.
In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Steuersignal ermittelt, das anzeigt, ob eine Phasendifferenz positiv oder negativ ist, wobei die Phasendifferenz die Phasendifferenz zwischen dem ersten Filtersignal oder dem geglätteten ersten Filtersignal und dem zweiten Filtersignal oder dem geglätteten zweiten Filtersignal ist. Alternativ kann diese Phasendifferenz auch eine geglättete Phasendifferenz, d.h. die entsprechende Phasendifferenz nach der Durchführung einer Glättung, sein.In step c) of the method according to the invention, a control signal is determined which indicates whether a phase difference is positive or negative, the phase difference being the phase difference between the first filter signal or the smoothed first filter signal and the second filter signal or the smoothed second filter signal. Alternatively, this phase difference can also be a smoothed phase difference, i.e. the corresponding phase difference after smoothing has been carried out.
Schließlich wird im Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens die aktuelle Frequenz modifiziert, indem sie vergrößert wird, wenn das Steuersignal eine negative Phasendifferenz anzeigt, und indem sie verkleinert wird, wenn das Steuersignal eine positive Phasendifferenz anzeigt, wobei die modifizierte Frequenz als die aktuelle Frequenz in der nächsten Iterationsschleife der jeweiligen Iteration verwendet wird.Finally, in step d) of the method according to the invention, the current frequency is modified by being increased if the control signal indicates a negative phase difference and by being reduced if the control signal indicates a positive phase difference, the modified frequency being used as the current frequency in the next iteration loop of the respective iteration is used.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Frequenzen und Signalparameter können in geeigneter Weise (vorzugsweise digital) gespeichert werden und gegebenenfalls über eine Benutzerschnittstelle als Information ausgegeben werdenThe frequencies and signal parameters obtained using the method according to the invention can be stored in a suitable manner (preferably digitally) and optionally output as information via a user interface
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise mit einem neuartigen Steuersignal eine Regelschleife, die sich schnell und zuverlässig auf eine Grundfrequenz im verarbeiteten Zeitsignal einregelt. Insbesondere liefert das erfindungsgemäße Verfahren auch gute Ergebnisse bei stark verrauschten Signalen, wie der Erfinder basierend auf simulierten Signalen nachweisen konnte.The method according to the invention makes it possible to use a novel control signal in a simple manner to create a control loop which is quickly and reliably adjusted to a fundamental frequency in the processed time signal. In particular, the method according to the invention also delivers good results in the case of heavily noisy signals, as the inventor was able to demonstrate based on simulated signals.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird im Falle, dass der Signalparameter in der aktuellen Iterationsschleife oder über mehrere Iterationsschleifen umfassend die aktuelle Iterationsschleife und eine vorbestimmte Anzahl von früheren Iterationsschleifen hinweg oder der über die mehreren Iterationsschleifen gemittelte Signalparameter einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, die aktuelle Frequenz als eine Grundfrequenz im Zeitsignal identifiziert wird. Diese Grundfrequenz kann in geeigneter Weise (vorzugsweise digital) gespeichert werden und gegebenenfalls über eine Benutzerschnittstelle als Information ausgegeben werden. Die geeignete Festlegung der Höhe des Schwellwerts liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln. Beispielsweise hat sich ein Schwellwert von 6 dB als praktikabel erwiesen.In a particularly preferred embodiment, in the event that the signal parameter in the current iteration loop or over a plurality of iteration loops comprising the current iteration loop and a predetermined number of previous iteration loops, or the signal parameter averaged over the plurality of iteration loops exceeds a predetermined threshold value, the current frequency as one Fundamental frequency is identified in the time signal. This fundamental frequency can be stored in a suitable manner (preferably digitally) and optionally output as information via a user interface. The appropriate determination of the level of the threshold is within the scope of professional action. For example, a threshold of 6 dB has proven to be practical.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden das geglättete Zeitsignal und/oder das geglättete erste Filtersignal und/oder das geglättete zweite Filtersignal und/oder das geglättete Verhältnis und/oder das geglättete Signalstärkemaß des ersten Filtersignals oder des geglätteten ersten Filtersignals und/oder das geglättete Signalstärkemaß des zweiten Filtersignals oder des geglätteten zweiten Filtersignals und/oder die geglättete Phasendifferenz mittels einer Glättung basierend auf einem Tiefpass-IIR-Filter (IIR = Infinite Impulse Response) ermittelt, vorzugsweise mit einem Tiefpass-IIR-Filter erster Ordnung.In a further preferred embodiment, the smoothed time signal and/or the smoothed first filter signal and/or the smoothed second filter signal and/or the smoothed ratio and/or the smoothed signal strength measure of the first filter signal or of the smoothed first filter signal and/or the smoothed signal strength measure of the second filter signal or the smoothed second filter signal and/or the smoothed phase difference is determined by smoothing based on a low-pass IIR filter (IIR=infinite impulse response), preferably with a first-order low-pass IIR filter.
Solche Tiefpass-IIR-Filter sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Diese Filter arbeiten rekursiv, wobei das geglättete Signal zum aktuellen Zeitpunkt (d.h. zum aktuellen Abtastzeitpunkt) aus dem eingehenden Signal (d.h. dem zu glättenden Signal) zum aktuellen Zeitpunkt und gegebenenfalls eingehenden Signalen zu einem oder mehreren früheren Zeitpunkten unter Verwendung von einem oder mehreren geglätteten Signalen bestimmt wird, die in früheren Rekursionsschleifen ermittelt wurden. In an sich bekannter Weise ist ein Tiefpass-IIR-Filter erster Ordnung basierend auf folgender Vorschrift definiert:
wobei sg (n) das geglättete Signal zum aktuellen Zeitpunkt ist;
wobei sg (n - 1) das zum vorhergehenden Zeitpunkt bestimmte geglättete Signal ist; wobei α = e-T/τ ist und T die Abtastperiode der Zeitpunkte ist und τ die Zeitkonstante des Filters ist.Such low-pass IIR filters are well known to those skilled in the art. These filters work recursively, whereby the smoothed signal at the current time (i.e. the current sampling time) consists of the incoming signal (i.e. the signal to be smoothed) at the current time and possibly incoming signals at one or more earlier times using one or more smoothed signals is determined, which were determined in previous recursion loops. In a manner known per se, a first-order low-pass IIR filter is defined based on the following rule:
where s g (n) is the smoothed signal at the current time;
where s g (n-1) is the smoothed signal determined at the previous instant; where α = e -T/τ and T is the sampling period of the instants and τ is the time constant of the filter.
Über die Zeitkonstante τ wird die Stärke der Glättung bzw. Filterung definiert. Die geeignete Wahl dieser Zeitkonstante liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln. Insbesondere kann die Zeitkonstante im erfindungsgemäßen Verfahren für die Glättung unterschiedlicher Signalarten bzw. Größen auch verschieden festgelegt werden. Die Zeitkonstante liegt vorzugsweise in der Größenordnung der Periode der aktuellen Frequenz.The strength of the smoothing or filtering is defined via the time constant τ. The appropriate choice of this time constant is within the scope of professional action. In particular, the time constant in the method according to the invention for the smoothing of different signal types or sizes can also be defined differently. The time constant is preferably of the order of the period of the current frequency.
Analog sind entsprechende Rechenvorschriften für Tiefpass-IIR-Filter höherer Ordnung bekannt. Diese Filter sind ebenfalls durch eine Zeitkonstante charakterisiert. Sie berücksichtigen bei der Glättung jedoch nicht nur das eingehende Signal zum aktuellen Zeitpunkt, sondern auch frühere eingehende Signale. Vorzugsweise werden dabei frühere eingehende Signale mit einem festen zeitlichen Abstand zu jeweiligen Referenzzeitpunkten berücksichtigt, welche in der detaillierten Beschreibung anhand von
Die im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Modifikation der aktuellen Frequenz in Schritt d) kann unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer bevorzugten Variante erfolgt die Modifikation mittels eines Faktors größer Eins, wobei zur Vergrößerung der aktuellen Frequenz diese mit dem Faktor multipliziert wird und wobei zur Verkleinerung der aktuellen Frequenz diese durch den Faktor geteilt wird. Vorzugsweise hängt der Faktor dabei von der aktuellen Frequenz ab und wird umso größer, je größer die aktuelle Frequenz ist.The modification of the current frequency in step d) carried out in the method according to the invention can be designed in different ways. In a preferred variant, the modification is carried out using a factor greater than one, with the current frequency being multiplied by the factor to increase it and the current frequency being divided by the factor to reduce it. The factor preferably depends on the current frequency and becomes greater the greater the current frequency.
Erfindungsgemäß kann das Steuersignal, das das Vorzeichen der Phasendifferenz bzw. der geglätteten Phasendifferenz anzeigt, auf unterschiedliche Weise definiert werden. In einer besonders bevorzugten Variante wird das Steuersignal wie folgt ermittelt:
wobei y1 (n) das erste Filtersignal oder das geglättete erste Filtersignal in der aktuellen Iterationsschleife ist;
wobei y2 (n) das zweite Filtersignal oder das geglättete zweite Filtersignal in der aktuellen Iterationsschleife ist;
wobei cs(n) das Steuersignal in der aktuellen Iterationsschleife ist;
wobei 〈adc(n)〉 ein geglätteter Wert von adc(n) ist, wobei die Glättung vorzugsweise mittels eines Tiefpass-IIR-Filters oder eines Tiefpass-FIR-Filters durchgeführt wird.According to the invention, the control signal, which indicates the sign of the phase difference or the smoothed phase difference, can be defined in different ways. In a particularly preferred variant, the control signal is determined as follows:
where y 1 (n) is the first filter signal or the smoothed first filter signal in the current iteration loop;
where y 2 (n) is the second filter signal or the smoothed second filter signal in the current iteration loop;
where cs(n) is the control signal in the current iteration loop;
where 〈adc(n)〉 is a smoothed value of adc(n), the smoothing preferably being performed using a low-pass IIR filter or a low-pass FIR filter.
Es sind jedoch auch andere Varianten zur Ermittlung des Steuersignals denkbar, sofern das Steuersignal anzeigt, ob die entsprechende Phasendifferenz bzw. geglättete Phasendifferenz positiv oder negativ ist.However, other variants for determining the control signal are also conceivable, provided the control signal indicates whether the corresponding phase difference or smoothed phase difference is positive or negative.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden aus dem entsprechenden Zeitsignal gleichzeitig mehrere darin enthaltene periodische Signalanteile extrahiert. In diesem Fall werden mehrere der obigen Iterationen gleichzeitig durchgeführt, wobei jede Iteration eine andere initiale Frequenz hat.In a further preferred embodiment, a number of periodic signal components contained therein are extracted simultaneously from the corresponding time signal. In this case, several of the above iterations are performed simultaneously, with each iteration having a different initial frequency.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Analyse von beliebigen Zeitsignalen genutzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein akustisches Signal und insbesondere ein Sprachsignal als Zeitsignal verarbeitet, wobei in diesem Fall die initiale Frequenz einer jeweiligen Iteration zwischen 80 Hz und 400 Hz liegt.The method according to the invention can be used to analyze any time signals. In a particularly preferred embodiment, the inventive method is an acoustic Signal and in particular a voice signal processed as a time signal, in which case the initial frequency of each iteration is between 80 Hz and 400 Hz.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Analyse eines Zeitsignals mit periodischen Signalanteilen, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Mit anderen Worten enthält die Vorrichtung entsprechende Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bevorzugter Ausführungsformen dieses Verfahrens. Diese Mittel werden vorzugsweise durch geeigneten Programmcode auf einem Rechner realisiert.In addition to the method described above, the invention relates to a device for analyzing a time signal with periodic signal components, the device being set up to carry out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention. In other words, the device contains appropriate means for carrying out the method according to the invention or preferred embodiments of this method. These means are preferably implemented using suitable program code on a computer.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Erfindung ferner ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.In addition to the method described above, the invention also includes a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention when the program code is executed on a computer. The invention also relates to a computer program with a program code for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention when the program code is executed on a computer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the attached figures.
Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm, das die Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt; -
2 ein Diagramm, welches die Integration eines Phasensignals zur Bestimmung von Zeitpunkten offenbart, die bei der Glättung verschiedener Größen in dem Verfahren der1 berücksichtigt werden können; -
3 ein Diagramm, das die Filterung verdeutlicht, dieim Verfahren der 1 zur Erzeugung entsprechender Filtersignale genutzt wird; und -
4 eine Darstellung, die mit dem Verfahren der1 erzielte Ergebnisse für verschiedene simulierte Signale verdeutlicht.
-
1 a flow chart showing the steps of an embodiment of the method according to the invention; -
2 a diagram which discloses the integration of a phase signal for determining points in time which are used in the smoothing of various variables in the method of FIG1 can be taken into account; -
3 a diagram showing the filtering used in the method of1 is used to generate corresponding filter signals; and -
4 a representation made with the method of1 obtained results for various simulated signals.
Die hier beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat das Ziel, in einem Zeitsignal, das durch Signalwerte entlang der Zeitachse repräsentiert wird und periodische Anteile enthält, die Grundfrequenzen dieser Anteile aufzufinden, wobei sich die Grundfrequenzen über die Zeit hinweg verändern können. Das Verfahren kann dabei für beliebige Zeitsignale in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren für akustische Signale in einem Frequenzbereich zwischen 80 Hz und 400 Hz genutzt, jedoch kann das Verfahren auch für andere Signalarten, wie z.B. Hochfrequenzsignale, verwendet werden.The aim of the embodiment of the method according to the invention described here is to find the fundamental frequencies of these components in a time signal which is represented by signal values along the time axis and contains periodic components, with the fundamental frequencies being able to change over time. The method can be used for any time signals in a wide variety of application areas. In a preferred embodiment, the method is used for acoustic signals in a frequency range between 80 Hz and 400 Hz, but the method can also be used for other types of signals, such as high-frequency signals.
In der hier beschriebenen Ausführungsform werden die Schritte des Verfahrens digital durchgeführt, so dass das Zeitsignal ein digitales bzw. digitalisiertes Signal darstellt. Dieses Zeitsignal, das das Eingangssignal des hier beschriebenen Verfahrens ist, wird in dem Ablaufdiagramm der
Dem Verfahren liegt ein Modell für einen entsprechenden periodischen Signalanteil im Zeitsignal zugrunde, wobei das Modell von einer zeitveränderlichen Grundfrequenz ƒ0(t) des Signalanteils ausgeht. Der entsprechende Signalanteil wird dabei durch folgende Summe beschrieben:
Dabei ist ƒ0(t) die entsprechende Grundfrequenz, die als Ableitung der instantanen Phase φ(t) berechnet wird. In dem Signalanteil sind neben der Grundfrequenz (n=1) mehrere Harmonische (n = 2, ..., Np) der Grundfrequenz enthalten. Die entsprechenden Amplituden für die Grundfrequenz und die Harmonischen sind in der Gleichung (1) mit an bezeichnet, wohingegen die Phasen mit φ0,n benannt sind.Here ƒ 0 (t) is the corresponding fundamental frequency, which is calculated as a derivative of the instantaneous phase φ(t). In addition to the fundamental frequency (n=1), the signal component contains several harmonics (n=2, . . . , Np) of the fundamental frequency. The corresponding amplitudes for the fundamental frequency and the harmonics are denoted by a n in equation (1), whereas the phases are denoted by φ 0,n .
Im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens wird eine Frequenz kontinuierlich verändert, so dass sie sich auf die Grundfrequenz ƒ0(t) bzw. die entsprechende Periode T0 = 1/ƒ0 einregelt. Im Unterschied zu bekannten PLL-Verfahren wird kein Referenzsignal als ein Modulator zum Ableiten eines Regelsignals benötigt. Stattdessen wird das obige Signalmodell explizit verwendet, um einen perioden-synchronen Modulationsfilter zu definieren, der bei Anwendung auf das Zeitsignal x(t) ein phasenbasiertes Steuersignal liefert, mit dem eine Regelschleife geeignet angepasst wird. Das Verfahren regelt sich dabei sehr schnell auf eine Schätzung der Grundfrequenz ƒ0(t) ein. Mit anderen Worten werden im nachfolgend erläuterten Verfahren iterativ entsprechende Frequenzschätzungen ƒc(t)=ƒ̂0(t) für die Grundfrequenz ermittelt, wobei das Verfahren nach kurzer Zeit auch die tatsächliche Grundfrequenz des entsprechenden Signalanteils liefert.As part of the method described here, a frequency is continuously changed so that it adjusts to the basic frequency ƒ 0 (t) or the corresponding period T 0 = 1/ƒ 0 . In contrast to known PLL methods, no reference signal is required as a modulator for deriving a control signal. Instead, the signal model above is used explicitly to define a period-synchronous modulation filter which, when applied to the time signal x(t), provides a phase-based control signal with which a control loop is suitably adjusted. The method adjusts very quickly to an estimate of the fundamental frequency ƒ 0 (t). In other words, corresponding frequency estimates ƒ c (t)=ƒ̂ 0 (t) for the fundamental frequency are determined iteratively in the method explained below, with the method also delivering the actual fundamental frequency of the corresponding signal component after a short time.
Vor der Beschreibung der einzelnen Schritte des Verfahrens der
Die perioden-synchrone Integration hat das Ziel, dass Abtastwerte bzw. Abtastzeitpunkte für die Glättung eines entsprechenden Signals synchron an die sich verändernde Frequenz ƒc angepasst werden. Dabei wird folgende Phasenfunktion Φ(t) durch numerische Integration bestimmt:
Ein Beispiel einer solchen Phasenfunktion, normalisiert über 2π und Modulo 1, ist in dem Diagramm der
Dabei bezeichnet ts,1 den ersten Referenzzeitpunkt und ts,n den letzten Referenzzeitpunkt, bevor der gerade betrachtete aktuelle Zeitpunkt t auftritt. Mit den obigen Referenzzeitpunkten kann allgemein eine perioden-synchrone Glättung eines zeitlich veränderlichen Signals s(t) wie folgt durchgeführt werden:
In den obigen Gleichungen bezeichnet t den aktuellen Zeitpunkt, wohingegen t' die Zeitspanne darstellt, die seit dem Auftreten des letzten Referenzzeitpunkts ts,n abgelaufen ist. lp
Demzufolge sind vor dem aktuellen Zeitpunkt liegende Referenzzeitpunkte nur relevant, wenn die Ordnung des Tiefpass-IIR-Filters größer als Eins ist. In der hier beschriebenen Ausführungsform wurde ein Tiefpass-IIR-Filter erster Ordnung genutzt. Das Verfahren ist jedoch problemlos auch mit Tiefpass-IIR-Filtern höherer Ordnung verwendbar, wobei in solche Filter dann mehrere Signale entsprechend Gleichung (4b) einfließen.As a result, reference times before the current time are only relevant if the order of the low-pass IIR filter is greater than one. In the embodiment described here, a first-order low-pass IIR filter was used. However, the method can also be used with higher-order low-pass IIR filters without any problems, with a number of signals corresponding to equation (4b) then flowing into such filters.
Im Folgenden werden anhand von
Im Schritt S1 der Iteration werden für den aktuellen Zeitpunkt t ein erstes Filtersignal yp(t) und ein zweites Filtersignal ym(t) basierend auf folgenden Gleichungen (5a) und (5b) ermittelt:
Wenn die Grundfrequenz ƒ0 im Zeitsignal geringer als die aktuelle Frequenz ƒc ist (angezeigt durch die Frequenz ƒ0,1 in
Erfindungsgemäß wird die obige Phasendifferenz als Steuersignal genutzt, um iterativ die aktuelle Frequenz ƒc an die Grundfrequenz ƒ0 im Signal x(t) anzunähern. Wie weiter unten noch näher beschrieben, wird dabei die aktuelle Frequenz ƒc erniedrigt, wenn die Phasendifferenz positiv ist, wohingegen sie erhöht wird, wenn die Phasendifferenz negativ ist.According to the invention, the above phase difference is used as a control signal in order to iteratively approximate the current frequency ƒ c to the fundamental frequency ƒ 0 in the signal x(t). As described in more detail below, the current frequency ƒ c is reduced when the phase difference is positive, whereas it is increased when the phase difference is negative.
Bevor das Steuersignal berechnet wird, werden in der hier beschriebenen Ausführungsform zunächst die Schritte S2 und S3 der
Dabei bezeichnet 〈·〉τ wiederum eine Glättung mit der Tiefpass-IIR-Filterung gemäß obiger Gleichung (4b), wobei die Zeitkonstante auf τ = 0,5 · Tc gesetzt wurde. In der hier beschriebenen Ausführungsform wurde das HNR-Verhältnis selbst nochmals mit der Tiefpass-IIR-Filterung gemäß obiger Gleichung (4b) geglättet, wobei die Zeitkonstante auf τ = 0,05 · Tc gesetzt wurde.In this case, 〈·〉 τ again designates smoothing with the low-pass IIR filtering according to equation (4b) above, with the time constant being set to τ=0.5·T c . In the embodiment described here, the HNR ratio itself has been smoothed again using the low-pass IIR filtering according to equation (4b) above, with the time constant set to τ=0.05*T c .
Das gemäß Schritt S3 ermittelte HNR-Verhältnis gibt Aufschluss darüber, ob die aktuelle Frequenz ƒc hin zur Grundfrequenz ƒ0 konvergiert. Dies ist dann der Fall, wenn sich das HNR-Verhältnis auf einen konstanten Wert deutlich größer als 0 stabilisiert. Diese Information kann genutzt werden, um die aktuelle Frequenz ƒc als Grundfrequenz ƒ0 zu identifizieren, wie weiter unten noch erläutert wird.The HNR ratio determined according to step S3 provides information as to whether the current frequency ƒ c is converging toward the fundamental frequency ƒ 0 . This is the case when the HNR ratio stabilizes at a constant value significantly greater than 0. This information can be used to identify the current frequency ƒ c as the fundamental frequency ƒ 0 , as will be explained further below.
Nach Ermittlung des HNR-Verhältnisses wird in Schritt S4 der Iteration das Steuersignal cs(n) berechnet. Wesentlich ist dabei, dass das Steuersignal angibt, ob die Phasendifferenz zwischen dem Filtersignal yp,SI (t) und dem Filtersignal ym,SI (t) positiv oder negativ ist. Im Falle einer negativen Phasendifferenz ist die tatsächliche Grundfrequenz ƒ0 größer als ƒc, wohingegen im Falle einer positiven Phasendifferenz die tatsächliche Grundfrequenz ƒ0 kleiner als ƒc ist. Dies bedeutet, dass im Falle einer negativen Phasendifferenz die Frequenz ƒc erhöht werden muss und im Falle einer positiven Phasendifferenz die Frequenz ƒc erniedrigt werden muss, um sich der Grundfrequenz ƒ0 des Signals anzunähern.After the HNR ratio has been determined, the control signal cs(n) is calculated in step S4 of the iteration. It is essential that the control signal indicates whether the phase difference between the filter signal y p,SI (t) and the filter signal y m,SI (t) is positive or negative. In the case of a negative phase difference, the actual fundamental frequency ƒ 0 is larger than ƒ c , whereas in the case of a positive phase difference, the actual fundamental frequency ƒ 0 is smaller than ƒ c . This means that in the case of a negative phase difference the frequency ƒ c must be increased and in the case of a positive phase difference the frequency ƒ c must be decreased in order to approach the fundamental frequency ƒ 0 of the signal.
Die obigen Phasendifferenz bzw. das entsprechende Steuersignal cs(n) wird in der hier beschriebenen Ausführungsform basierend auf folgenden Gleichungen ermittelt:
In den obigen Gleichungen bezeichnet n die aktuelle Iterationsschleife bzw. den aktuellen Zeitpunkt im Zeitsignal und n-1 die vorhergehende Iterationsschleife bzw. den vorhergehenden Zeitpunkt im Zeitsignal. Gemäß der obigen Gleichung (7a) wird eine komplexe Zahl gebildet, die als Realteil das Filtersignal yp,SI (n) und als Imaginärteil das Filtersignal ym,SI (n) umfasst. Die Multiplikation dieser komplexen Zahl mit ihrem Komplex-Konjugierten zum vorhergehenden Zeitpunkt gibt an, ob sich der Vektor der komplexen Zahl gegen den Uhrzeigersinn (positive Phasendifferenz) oder im Uhrzeigersinn (negative Phasendifferenz) bewegt. Demzufolge gibt das Vorzeichen der Größe adc(n) an, ob eine positive Phasendifferenz (positives Vorzeichen) oder eine negative Phasendifferenz (negatives Vorzeichen) vorliegt. Das Steuersignal ist dabei die Größe adc(n) nach der Durchführung einer Glättung mit der Zeitkonstante τ, wobei die Glättung wiederum mit dem oben beschriebenen Tiefpass-IIR-Filter gemäß Gleichung (4b) durchgeführt wurde. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Zeitkonstante τ für die Glättung von adc(n) auf 0,1 · Tc gesetzt.In the above equations, n denotes the current iteration loop or the current point in time in the time signal and n-1 denotes the previous iteration loop or the previous point in time in the time signal. According to the above equation (7a), a complex number is formed which includes the filter signal y p,SI (n) as the real part and the filter signal y m,SI (n) as the imaginary part. Multiplying this complex number by its complex conjugate at the previous time indicates whether the complex number vector is moving counter-clockwise (positive phase difference) or clockwise (negative phase difference). Accordingly, the sign of the variable adc(n) indicates whether there is a positive phase difference (positive sign) or a negative phase difference (negative sign). In this case, the control signal is the variable adc(n) after smoothing has been carried out with the time constant τ, the smoothing in turn being carried out using the low-pass IIR filter described above in accordance with equation (4b). In the exemplary embodiment described here, the time constant τ for smoothing adc(n) was set to 0.1*T c .
Die Information über die positive und negativen Phasendifferenz wird in Schritt S4 zur Adaption von ƒc genutzt. Allgemein wird dabei ƒc im Falle einer negativen Phasendifferenz vergrößert und im Falle einer positiven Phasendifferenz verkleinert. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Vergrößerung bzw. Verkleinerung mit Hilfe eines Faktors erreicht, der größer als Eins ist. Im Falle einer negativen Phasendifferenz wird ƒc mit dem Faktor multipliziert, wohingegen ƒc im Falle einer positiven Phasendifferenz durch den Faktor geteilt wird. Die geeignete Wahl dieses Faktors liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln. In einer bevorzugten Variante wird der Faktor wie folgt gewählt:
Nach entsprechender Adaption der Frequenz ƒc in Schritt S4 wird eine neue Iterationsschleife mit Schritt S1 begonnen, wobei nunmehr die zuvor in Schritt S4 ermittelte Frequenz als neue aktuelle Frequenz ƒc verwendet wird.After appropriate adaptation of the frequency ƒ c in step S4, a new iteration loop is started with step S1, the frequency previously determined in step S4 now being used as the new current frequency ƒ c .
Im Falle, dass sich das HNR-Verhältnis auf einen höheren Wert stabilisiert, ist davon auszugehen, dass die aktuelle Frequenz der Grundfrequenz entspricht. Dies kann in einer Ausführungsform der Erfindung derart genutzt werden, dass im Falle, dass das HNR-Verhältnis in der aktuellen Iterationsschleife oder gegebenenfalls in der aktuellen und mehreren vorhergehenden Iterationsschleifen einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, die aktuelle Frequenz ƒc als Grundfrequenz ƒ0 identifiziert wird und beispielsweise über eine entsprechende Benutzerschnittstelle ausgegeben wird.In the event that the HNR ratio stabilizes at a higher value, it can be assumed that the current frequency corresponds to the fundamental frequency. In one embodiment of the invention, this can be used in such a way that if the HNR ratio in the current iteration loop or possibly in the current and several previous iteration loops exceeds a predetermined threshold value, the current frequency ƒ c is identified as the fundamental frequency ƒ 0 and is output, for example, via a corresponding user interface.
Das oben beschriebene Verfahren wurde von dem Erfinder anhand mehrerer simulierter Zeitsignale getestet. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die im entsprechenden Zeitsignal enthaltenen Grundfrequenzen gut erkannt werden. Beispielhaft ist das Ergebnis einer entsprechenden Simulation in
Wie man aus den oberen Diagrammen DI1 bis DI3 sehr gut erkennt, konvergiert das Verfahren sehr schnell zu der im Signal enthaltenen Grundfrequenz von 98,5 Hz (ƒc - ƒ0,min = 2,5 Hz). Ebenso wird der abrupte Frequenzwechsel bei 200 ms auf 101 Hz sehr gut erkannt (ƒc - ƒ0,min = 5 Hz). Ferner wird aus den unteren Diagrammen DI1' bis DI3' gut ersichtlich, dass das HNR-Verhältnis bei dem Wechsel der Frequenz kurz einbricht und sich anschließend schnell wieder auf einem hohen Niveau stabilisiert. Darüber hinaus wird in
Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere nähert sich das Verfahren sehr schnell an die Grundfrequenzen von periodische Signalanteilen in dem verarbeiteten Zeitsignal an. Diskontinuitäten in der Periodizität des Signals werden dabei gut durch einen Abfall des ermittelten HNR-Verhältnisses erkannt. Darüber hinaus ist das Verfahren robust gegen Rauschen im verarbeiteten Zeitsignal, d.h. auch bei schlechtem Signal-Rausch-Verhältnis regelt sich das Verfahren auf entsprechende Grundfrequenzen ein.The embodiment of the method according to the invention described above has a number of advantages. In particular, the method approaches the fundamental frequencies of periodic signal components in the processed time signal very quickly. Discontinuities in the periodicity of the signal are easily recognized by a drop in the determined HNR ratio. In addition, the method is robust against noise in the processed time signal, i.e. even with a poor signal-to-noise ratio, the method adjusts to the corresponding fundamental frequencies.
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US5812737A (en) | 1995-01-09 | 1998-09-22 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Harmonic and frequency-locked loop pitch tracker and sound separation system |
Non-Patent Citations (1)
Title |
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BITTNER, Rachel M.; WANG, Avery; BELLO, Juan P.: Pitch contour tracking in music using Harmonic Locked Loops. In: Proc. of the 2017 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). 5.-9. März 2017, S. 191-195 |
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