DE2045347A1 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der wahren Grundfrequenz eines aus harmo mschen Komponenten zusammengesetzten Signals - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Mro-MascJiinen Gesellschaft mbH

Böblingen, den 9. September 1970 bt-sp

Anmelder in: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FR 9-69-015

Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der wahren Grundfrequenz eines ■

aus harmonischen Komponenten zusammengesetzten Signals.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der wahren Grundfrequenz eines aus harmonischen Komponenten zusammengesetzten ersten Signals nach dessen Verarbeitung durch einen Grundfrequenz detektor, der zuerst statt der Grundfrequenz eine Harmonische der n-ten Ordnung eruiert haben kann. Zugleich

wird eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen ä

Verfahrens vorgeschlagen.

Die Ermittlung der Grundfrequenz stellt ein schwieriges Problem im Rahmen der Stimmanalyse und -synthese dar, zu dessen Lösung schon zahlre.iche Vorrichtungen vorgeschlagen worden sind. Ein-

-Z-

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klassischer Lösungsversuch besteht darin, das Signal durch ein Bandpassfilter zu leiten, das den Frequenzbereich der möglichen Grundfrequenz erfasst, z.B. 70-300Hz. Mit einem Spitzendetektor werden sodann die höchsten einander folgenden Amplitudenspitzen ermittelt und deren Abstand als Dauer der Grundfrequenzperiode betrachtet. Das Verfahren ist dadurch verbessert worden, dass gesteuert von einer monostabilen ~ Kippschaltung am Ausgang des Spitzendetektors eine Sperrzeit

eingeführt wird, während welcher kleinere Amplitudenspitzen basierend auf Störgeräusch', Harmonischen, etc , von der Ermittlung ausgeschlossen bleiben. Eine solche Anordnung ist im "IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 11, No. 5, October 1968" auf den Seiten 489 und 490 unter dem Titel "Fundamental Frequency

Detector" beschrieben worden.

^ Die genannte Anoixlnung weist aber einige Nachteile auf. So ermittelt sie nicht selten, y/enn die Messung am Anfang eines Stimmenint ei" ν all s beginnt, die erste Harmonische statt der Grund-. frequenz. Der Steuermechanismus mit der monostabilen Kippschaltung bewirkt dann, dass die Anordnung auf diese Harmonische festgelegt bleibt. Ausserc'em gibt es immer wieder Stimmen, deren Grundfrequenzamplitude eindeutig kleiner ist als die

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Amplitude der ersten Harmonischen. Auch in dieser Lage würde die genannte Anordnung die Grundfrequenz mit der ersten Harmonischen verwechseln.

Die vorliegende { Erfindung bezweckt daher vor allem, ein Verfahren und eine Anordnung zu dessen Ausführung aufzuzeigen, welche die Ermittlung der wahren Grundfrequenz erlauben, wenn die erste Messung statt der
Grund frequenz eine Harmonische derselben erfasst, ja sogar wenn die ^T Grundfrequenz im Messintervall gar nicht enthalten ist.

Die Lösung diesei-Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet; dass durch
das vom Gruridfrequenzdetektor erarbeitete Signal eine Frequenz —
erzeugt wird, dass das zusammengesetzte erste Signal und wenigstens

ein zweites Signal je einem.Eingang eines Modulators zur Erzeugung des Produktes derselben zugeführt werden, dass ferner das Vorhandensein von Komponenten gleicher harmonischer Frequenzen im ersten Signal wie auch im Modulätionsprodukt geprüft wird, wobei zutreffendenfalls die
vom Grundfrequenzdetektor eruierte Frequenz durch η geteilt die wahre Grundfrequenz ist oder andernfalls die zuerst eruierte Frequenz der
wahren.. Grundfrequenz entspricht.

Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist ausgezeichnet durch einen Grundfrequenzdetektor durch wenigstens einen Generator zur Erzeugung eines zweiten Signals der Frequenz — , ferner

durch wenigstens einen Modulator zur Erzeugung des Produktes des

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zusammengesetzten ersteh Signals und des zweiten Signals und schliesslich durch weitere Schaltmittel zur Ermittlung , ob das erste Signal und das Modulationsprodukt gleicher Frequenzkom-"ponenten aufweisen oder nicht.

In der nachfolgenden Beschreibung sind das vorgeschlagene Verfahren sowie ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zu dessen Durchführung in allen Einzelheiten dargestellt, wobei die zugehörigen Zeichnungen der Erläuterung dienen .

Es zeigen :

Fig. 1 eine Blockschaltung zur Ausführung des vorliegenden Verfahrens, und

Fig. 2 Frequenzdiagramme und Wellenzüge , die bei der

Ausführung des beschriebenen Verfahrens auftreten.

In der Fig. 1 wird ein Eingangssignal E, dessen Grundfrequenz ermittelt werden soll, einem Grundfrequenzdetektor D zugeführt. Dieser Detektor kann beliebig ausgeführt sein und es wird beispielsweise angenommen,

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dass er Impulse abgibt, die unter sich einen zeitlichen Abstand von der-Länge einer Grundperiode bzw. gleich dem Inversen der zu ermittelnden "Grundfrequenz aufweisen. Der in der oben genannten Veröffentlichung beschriebene Detektor würde diese Anforderungen erfüllen. Wie bereits erwähnt, kommt es gelegentlich oder auch regelmässig vor,, dass dieser Detektor statt der Grundfrequenz die zugehörige erste Harmonische ermittelt. Die Grundfrequenz des Eingangssignales E sei mit f„ und die Frequenz der Detektorausgangsimpulse mit f bezeichnet, tint ei· umständen ergibt sich also f - f-j wenn die Detektormessung korrekt die Grundfrequenz ergeben hat oder auch f = 2 f,, wenn die erste Harmonische erfasst worden ist.

Das Ausgangssignal des Detektors D wird gleichzeitig zwei Generatoren Gl und G2 zugeführt, die beide je eine Trägerwelle von der

Frequenz 1/2 f erzeugen. Das Ausgangssignal des Generators G2 "

weist aber gegenüber jenem des Generators Gl eine Phasenver-Schiebung um 90 auf. Diese beiden Signale werden einzeln je einem Modulator Ml bzw. M2 zugeleitet. Jeder Modulator empfängt ausserdem über einen anderen Eingang auch noch das Eingangssignal E und bewirkt nun die Modulation dieses Signals E mit der

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ihm zugeführten Trägerwelle. Der Ausgang jedes Modulators ist an ein Tiefpassfilter LPFl bzw. LPF2 geführt, das von einem Zweiweggleichrichter Rl bzw. 112 gefolgt ist. Die Ausgänge der zwei Gleichrichter werden in einer Summierschaltung 2£ zusammengefasst, deren Ausgangssignal in einer Vergleichsschaltung C mit einem Schwellenwert verglichen wird. Das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung steuert einen Umschalter K, der die Ausgangsleitung S der gesamten Anordnung entweder mit dem Ausgangsanschluss des Detektors D verbindet (gestrichelt.dargestellt) oder mit dem Ausgang des Signalgenerators Gl unter Zwischenschaltung einer monostabilen Kippschaltung Mcp (voll gezeichnet).

Anhand der Fig. 2 soll nun das Funktionieren der eben beschriebenen Anordnung erklärt' werden. Das Ausgangssignal des Detektors D ist in Fig. 2D abgebildet und besteht aus einer Impuls reihe mit der ermittelten Frequenz f. In Fig. 2E ist das Ausgangssignal des Generators Gl dargestellt, "während die Fig. 2I¹"¹ das vom Generator G2 mit 90 Phasenverschiebung gegenüber Generator Gl erzeugte Signal wiedergibt. Abschliessend zeigt die Fig. 2G das Ausgangssignal der monostabilen Kippschaltung Mcp, die vom Generator Gl gespeist. ·'. wird. Im übrigen werden in der Fig.· 2 verschiedene

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Frequenz-spektroii, d.h. Amplituden»als Funktion der Frequenz der einzelnen Komponenten eines Signals dargestellt : in 2A für das Eingangssignal E, in 2-B für die Signale der Generatoren Gl und G2, wenn die. vom Detektor ermittelte Frequenz f der wirklichen Grundfrequenz f_ entspricht, und schliesslich in 2C für Signale derselben Generatoren, wenn die vom Detektor ermittelte Frequenz, f der Frequenz der ersten Harmonischen 2f_n entspricht.

Es wird beispielsweise angenommen, das Eingangssignal E entspreche einer Stimme und sei folgendermassen ausgedrückt :

ε {ti = σ: _&i sinti ft>_ot+■■?,)·". ' ■..■■;'.-.,

Darin sind : a. Koeffizienten,

W_n = 21Tf die Kreisfrequenz und (P. Phasenwinkel.

Andererseits geben die Generatoren Gl und Q2, wie oben bereits erwähnt, Signale der Frequenz f/2 ab/wobei f die vom Detektor D ermittelte Frequenz ist. Diese Signale entsprechen den Ausdrücken ;

G2(t) = cos ^r-1 - -reos -^-1 + — cos —~- t und dabei gilt : tO = 2 {/ f.

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Aus den Darstellungen der.Fig. 2 Λ, B und C ist zu ersehen, dass die Trägerwellen und das Eingangssignal : dieselben harmonischen Frequenzen f , 3f , 5f . . . aufweisen, wenn der Detektor die Frequenz f = 2f der . ersten Harmonischen ermittelt hat, , keine Komponenten derselben harmonischen Frequenzen aufweisen, wenn der Detektor die wahre Grundfrequenz f = f ermittelt hat. . . "

• Es kann mathematisch nachgewiesen werden, dass im Fall f = 2f die Modulationspi'odukte eine Gleichstromkomponente enthalten,

die sich folgendermassen ausdrückt :

^a3 ^a5

Al = a. cos CP + —— cos Q_n+ -r- cos Φ _ -l· ... . . bzw. 1 »13 '35 ι 5

sin ^ j--/- sin ^f₃-H³I sin

Der erste Ausdruck gilt für das Produkt E(t) χ Gl(t) und der zweite für E(t) χ G2(t). Ist jedoch f = f" so enthalten die Modulationsprodukte keine Gleichstromkomponente und die Komponente mit der niedrigsten Frequenz ist f /2. .

Die Unterscheidung zwischen den zwei möglichen Fällen .kann demnach dadurch erzielt werden, .dass die Modulationsprodukte durch einen Tiefpass ausgefiltert werden, dessen Grenzfrequenz

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die Hälfte der niedrigsten zu erwartenden Grundfrequenz beträgt. Wenn das Tiefpassfilter Energie durchlässt, so ist dies die Gleichstromkomponente des Modulationsproduktes, -woraus geschlossen werden kann, dass f = 2L· ist. Besteht kein eigentlicher Energiefluss, so fehlt die genannte Gleichstromkomponente und

Die Grenzfrequenz der Tiefpassfilter LPFl und LPF2 wird bei- j

spielsweise auf 30 Hz festgelegt/ was. von^der Annahme einer niedrigsten Grundfrequenz'mit GO Hz ausgeht. Nach Durchlaufen der Filter sowie der Gleichrichter Rl und R2 werden die zwei Energielcomponenten in de*¹ Summierschaltung 'Σ. zusammengefasst und an die Vergleicherschaltung C weitergeleitet. Theoretisch

ermittelt die Vergleicherschaltuijg ob Signalenergie da ist oder nicht.

In der Praxis können jedocli parasitäre Modulationsprodukte auf-.

tauchen, so dass die Signalcnergie kaum je auf Null absinken kann, wenn |

f = f ist. Aus diesem Grund wird ein Schwellenwert gebraucht, wobei die Vergleichersehaltung es übernimmt zu entscheiden;, dass* ' ein ankommendes Signal über dem Schwellenwert liegt und damit nutzbringend den Energiefluss durch die Filter LPFl und LPF2 anzeigt. Der geeignete Schwellenwert hierzu wird "experimentell -,,. festgelegt und hängt'unter anderem auch von den Bauelementen ab, die zur Ausführung der Schaltungsanordnung voj'wendet werden..

. - lose U/15 16 ■

•Η <: f

i» S . C

Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung steuert den Umschalter K. Liegt das Signal der Summierschaltung Z_ unter dem Schwellenwert (der Fall, wenn f = f ist), dann liegt am Ausgang dei- Vei-gleicherschaltung ein niedriger Signalpegel vor und der Umschalter K nimmt die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Lage ein. Die Ausgangsleitung S der gesamten Anordnung wird dann direkt vom Grundfrequenzdetektor D gespeist.

■■■■" · ■- " . ■ . .

Wenn im Gegensatz hierzu das Ausgangs signal der Summierschaltung Σ den Schwellenwert übersteigt (im Fall, wenn f = 2f ist),

ι U

dann liegt am Ausgang der Vergleicherschaltung ein hoher Signalpegel voi* und der Umschalter K steht in der in Fig. 1 voll gezeichneten Stellung. Die Ausgangsleitung S wird dann von der monostabilen Kippschaltung Mcp mit den in Fig. 3G dargestellten Impulsen ι gespeist. Diese Kippschaltung hat hier die Funktion eines Fre quenzteilers. Sie erzeugt bei jedem Spannungsanstieg des Signals des Generators Gl (Fig. 2E) einen Impuls. Damit erscheint am Ausgang S der gesamten Anordnung eine Impulsreihe der Frequenz, die der .

wahren Grundfrequenz des Eingangssignals E entspricht, ob nun der Detektor D die Grundfrequenz oder die erste Harmonische derselben ermittelt hat. ■

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ff

Es verbleibt noch zu erklären, weshalb zwei Trägerwellen mit 90 Phasendifferenz verwendet werden und nicht nur eine. Für bestimmte Werte der Koeffizienten a. und CP. kann der weiter oben . ängefünrte Ausdruck Al, der die Gleichstromkomponente des Produktes E(t) χ Gl(t) darstellt, zu Null werden, wenn auch jeder einzelne Ausdruck a. sin Φ. von Null verschieden ist. Dies würde

ι . 11

zu einer Fehlanzeige der Anordnung führen. Daher werden zwei Trägerwellen mit der genannten Phasendifferenz verwendet, um die Möglichkeit einer Fehlanzeige zu vermeiden. Wenn nämlich für bestimmte Werte der Koeffizienten a. und der Phasenwinkel ^P.

ι »ι

der Ausdruck Al gleich Null> wird, so ist der'andere Ausdruck A2 für die Gleichstromkomponente des Produktes E(t) χ G2(t) zwingenderweise verschieden von Null. Eine Fehlanzeige der Anordnung tritt-,: unter diesen Umständen nicht ein. -

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Claims (1)

P Λ T ENTANS P R U C H E

1. \ Verfahren zur Ermittlung der wahren. Gruiidfreqaenz eines s. aus harmonischen: Kornponente'tta zusammengesetzten ersten Signals nach dessen Verarbeitung durch einen. Gr undfrequ eisdetektor, der zuerst statt der Grundfrequenz; eine Harmonische der η-ten Ordnung eruiert haben kann» dadurch gekennzeichnet, dass durch das vom Grundfrequenzdetektor erarbeitete Signal '-" eine ■■·.Frequenz -— erzeugt wird, dass das zusammengesetzte ci-ste Signal und wenigstens ein .zweites Signal je einem Eingang eines Modulators zur Erzeugung des Produktes derselben zugeführt werden, dass ferner das Vorhandensein von

·"."■':'.·. .'· Komponghteri.gleieher härmöniächer .Prequenzen irrn'er stenl Signal wie auch im Modulationsprodukt geprüft wird, wobei zutreffendenfalls die vom Grundfrequenzdetektor eruierte Frequenz durch η geteilt die wahre Grundfr equenz ist oder andernfalls die zuerst eruierte Frequenz der wahren Grundfrequenz entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung des Vorhandenseins gleicher Frequcn.zkompono.nlcn im ersten Signal wie auch im Modulation.sprodukt das letztere auf Vorkommen einer Gleichstromkomponente untersucht wird,

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wobei das Vorkommen einer die solchen Existenz gleicher Frequenzkomponenten in den geprüften Signalen bestätigt, - ^J und dass die Feststellung über das Vorkommen der;genann- * ten Gleichstromkomponente zur Anzeige der gesuchten wahren Grundfrequenz ausgewertet wird. .

3. Verfahren nach Anspruch E, dadurch gekennzeichnet, dass

• zur Vermeidung falscher Anzeigen beim Fehlen einer Gleich stromkomponente im Modulationsprodukt ein weiteres drittes Signal der Frequenz ·■—■■ erzeugt wird, das bezogen auf das

zweite Signal eine Phasenverschiebung um 90 aufweist, dass auch das dritte Signal und das erste je einem Eingang eines weiteren Modultafors zur Erzeugung des Produktes derselben zugeführt werden, dass ferner auch dieses Modulationsprodukt auf Vorkommen einer Gleichstromkompo-

'«■■■--■ .

nente untersucht wird, wobei im Falle des Vorhandenseins . gleicher Frequenzkomppiienten im ersten Signal wie auch in beiden Modulationsprodukten wenigstens eines der letzteren eine Gleichstromkomponente enthält, und dass schliess-Iieh. beide genannten Glcichstrornkomponenten zu einer Anzeige summiert werden, ■

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4# Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass die Produkte der beiden Modulationsvorgänge in einem Tiefpass von jeder Frequenzkomponente bis ■» zur —ten· Frequenz der niedrigsten zu erwartenden .Grundfrequenz· hinab befreit werden»

5. ' Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass daB Gläichstromkomponenten anzeigende Signal»

mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird

WF - -

-■' und dass beim Unterschreiten des genannten Sehwellenwertes die vom Grundfrequenzdetektor zuerst eruierte "Frequenz der wahren Grundfrequenz entspricht und • dessen Signal deshalb einem Ausgang der Anordnung

zugeführt wird.

t- ·

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach

^! Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Grundfr.e> W . - " " ' . '

■quenzdetektor (D), durch wenigstens einen Gen.er.at.or (Gl)

'f zur Erzeugung eines zweiten Signals der Frequenz—,

ferner durch wenigstens einen Modulator (Ml) zur Erzeugung des Produktes des zusammengesetzten ersten Signals und des zweiten Signals und schliesslich durch weitere Schaltmitfel (LPFl, R},"£,. C) zur Ermittlung, . bb das erste Signal "und das.Modulationsprödukt gleiche

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Frequenzkomponenten aufweisen oder nicht. ;·

7'. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

dass ein weiter er. Generator (G2) zur Erzeugung eines dritten Signals der Frequenz — mit 90 Phasenverßchiebung gegenüber dem zweiten Signal sowie ein . . weiterer Modulator (M2) zur Erzeugung des Produktes ■ des ersten Signals und des dritten Signals vorgesehen "'ist, ferner dass die Modulatorausgänge je über ein ^

Tiefpassfilter (LPFl bzw. LPF2) und einen Gleichrichter (Rl bzw; R2) an einen Eingang einer gemeinsamen Summier schaltung (Σ!) angeschlossen sind.

• 8." Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

.. dass die Schaltmittel eine Vef gleicher schaltung· (C) umfassen, welche an den Ausgang der Summier schaltung

[Έ.) angeschlossen ist, dass die Vergleicherschaltung mit g

einem Anschluss für einen Schwellenwert ausgerüstet

und derart ausgelegt ist, dass sie die Auswahl der wahren . Grundfrequenz am Ausgang (S) der Anordnung steuert.

9. · Anordnungen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeiclmet,

dass -der. Ausgang (S) der gesamten Anordnungjmit einem Umschalter (Ii) verbunden ist und dass der genannte Um-

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schalter gesteuert von der Vergleicherschaltung (C)

zur Verbindung des Ausgangs der Anordnung (S) mit dem Signalausgang· des einen Generators (Gl) oder mit jenem des Grundfrequenzdetektors (D) vorbereitet . ist, je nachdem ob der genannte Generator oder der Detektor die wahre Grundfreqnenz liefert.

_ 10. Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet,

dass in die Leitung zwischen deniUmschalter (K) und dem Signalausgang des einen Generators (Gl) eine monostabile Kippschaltung (Mcp) gelegt £st.

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