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Anordnung zur Spektralanalyse eines Analogsignals
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Spektralanalyse
eines Analogsignals, das einer Anzahl von Kanälen, die je aus einer Reihenschaltung
eines Filters, Gleichrichters und Mittelwertbildners bestehen und die von einem
Multiplexer abgetastet werden, parallel zugeführt wird. Sie befaßt sich insbesondere
mit einer Anordnung zur Echtzeit-Spektralanalyse.
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Eine solche Anordnung ist durch ein Prospekt der Firma RETEN ELECTRONIC,
Idstein/Ta, bekannt geworden, in dem ein Echtzeit-Frequenzanalysator Typ SA 24 beschrieben
ist. Bei diesem Gerät wird das Eingangssignal nach Durchlaufen einer Vorverarbeitungsstufe
einem Filtereinschub zugeführt. Der Filtereinschub enthält eine bestimmte Anzahl
von Bandpaßfiltern, deren Eingänge parallel geschaltet sind. Die Bandbreiten und
die unterschiedlichen Mittenfrequenzen der Filter sind fest eingestellt. Um das
Gerät verschiedenen Aufgabenstellungen anpassen zu können, sind zur Bewertung des
Eingangssignals verschiedene, untereinander austauschbare Filtereinschübe vorgesehen,
die sich in der Anzahl der Filter, deren Bandbreiten und Mittenfrequenzen voreinander
unterscheiden.
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Von den Ausgangssignalen jedes einzelnen Filters wird der Effektivwert
gebildet und nach Logarithmieren als Säulendiagramm auf einem eingebauten Bildschirm
dargestellt.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, bei einer Anordnung zur Spektralanalyse
eines Analogsignals der ein-
gangs genannten Art, diese auf einfache
Weise an die unterschiedlichsten Aufgaben anzupassen und damit ein sehr flexibles
Instrument zur Optimierung der Spektralanalyse zu schaffen.
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Die genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anzahl der Kanäle
und/oder die Abtastfrequenz der Kanalausgänge unabhängig voneinander einstellbar
und das Filter und der Mittelwertbildner durch Mittel zum unabhängig voneinander
Einstellen der Bandbreite, der Mittenfrequenz und der Integrationszeit digital steuerbar
sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Echtzeit-Spektralanalyse
beliebiger Schallquellen, wie z.B. Maschinengeräusche usw. Sie ist insbesondere
für die Sprecherkennung bzw. Spracherkennung geeignet, um eine Sprecherverifizierung
oder Sprecheridentifizierung bzw. Worterkennung durchzuführen.
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Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen Fig.1: ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Spektralanalyse
eines akustischen Signals, Fig.2: die Struktur eines Befehlswortes zur Einstellung
der Parameter einer Filterbank.
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In der Figur 1 ist mit 3 ein Interface bezeichnet, dem von einem nicht
dargestellten Programmeingabegerät oder von einem Prozeßrechner bzw. Mikroprozessor
über seinen Eingang A Adressen- und Operationsbits eines Befehlswortes, dessen Struktur
in Figur 2 dargestellt ist, zugeführt werden. Das Interface 3 enthält einen ersten
Decoder, an dem ein Leitungsbündel k angeschlos-
sen ist. Je eine
Leitung des Leitungsbündels k führt zu ersten Eingängen von UND-Gliedern 77, die
in je einem Kanal 7, 8...n angeordnet sind. Das Interface 3 enthält außerdem einen
zweiten Decoder, an dem ein Leitungsbündel p angeschlossen ist und das zu jedem
Kanal 7, 8...n führt. Jede Leitung des Leitungsbündels p ist mit je einem zweiten
Eingang der UND-Glieder 77 in den Kanälen 7, 8...n verbunden. In jedem Kanal 7,
8...n, der aus den gleichen Bausteinen 71 - 77 aufgebaut ist, ist eine Reihenschaltung
eines Filters 71 mit einem Gleichrichter 72 und mit einem Mittelwertbildner 73 enthalten.
Als Grundbaustein für das Filter wird ein Gyrator verwendet, der z.B. unter der
Bezeichnung N451N2 von der Firma Valvo angeboten wird. Der Gleichrichter 72 ist
ein handelsüblicher Präzisionsgleichrichter; der Mittelwertbildner ist als RC-aktiver
Tiefpaß ausgebildet. Auf das Filter 71 wirken Mittel, z.B. Speicherregister, zum
Einstellen der Bandbreite 74 und der Mittenfrequenz 75. An sie ist jeweils über
einen Eingang D ein Datenbus angeschlossen, der zum Prozeßrechner bzw. Mikrocomputer
und Programmeingabegerät führt, und sie werden über Leitungen, die an den Ausgang
je eines der UND-Glieder 77 angeschlossen sind, gesteuert. Der Mittelwertbildner
73 steht mit einem Baustein zum Einstellen der Integrationszeit 16 in Verbindung,
der auch an den Datenbus D und mit einem anderen Eingang an den Ausgang eines UND-Gliedes
77 angeschlossen ist.
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Der Ausgang eines elektro-akustischen Wandlers 1 fün@t zu einem Baustein
2, der einen Mikrofonverstärker, eine Höhenanhebung und eine automatische Verstärkerregelung
enthält. Der Ausgang des Bausteins 2 ist mit dem Eingang des Filters 71 im Kanal
7 und mit
den entsprechenden Filtern in den Kanälen 8...n verbunden.
An die Ausgänge der Filter 7, 8...n ist ein Multiplexer 5 angeschlossen, dessen
Ausgang mit einem Analog-/Digitalwandler G verbunden ist. Multiplexer 5 und A/D-Wandler
6 werden von einer Ablaufsteuerung 4, die an das Interface 3 und den Datenbus D
angeschlossen ist, gesteuert. An den Ausgang des A/D-Wandlers 6 sind weitere Einheiten
des Sprecher- und Spracherkennungssystems angeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet auf folgende Weise: Das vom
elektro-akustischen Wandler 1 abgegebene Signal wird im Baustein 2 vorverarbeitet
und liegt parallel an sämtlichen Eingängen der Filter 71 in den Kanälen 7, 8...n
an. Nach Durchlaufen der Reihenschaltung Filter 71, Gleichrichter 72, Mittelwertbildner
73 in allen oder nur in einer bestimmten Anzahl N ausgewählter Kanäle 7,8...n werden
die Ausgangssignale über den Multiplexer 5 seriell dem A/D-Wandler 6 zugeführt.
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Mit einem 16-bit-Befehlswort, dessen Struktur in Fig.2 angegeben ist,
können die Anzahl N, die Bandbreite # f und die Mittenfrequenz f der Filter 71,
die Integrationszeit # der Mittelwertbildner 73 und die Abtastfrequenz ft des Multiplexers
5 unabhängig voneinander eingestellt werden. Die genannten Parameter werden dazu
in das Prog@ammeingabegerät eingegeben oder vom Rechner bereitgestellt.
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Die Bits b@-b7 des Befeblswortes enthalten den einzustellenden Parameterwert.
Die Bits b8-b10 bestimmen den Parametertyp und mit den Bits b11-b15 wird ein bestimmter
Kanal angesprochen.
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Damit können die Parameter in folgenden Bereichen eingestellt werden:
N : 1 - 20 # f : 10 - 600 (Hz) fo : 100 - 6000 (Hz) : : 5 - 85 (ms) ft ' 1 - 10
(kHz) Der Parameterwert, d.h. die Bits bo-b7 des Befehlswortes gelangen über den
Datenbus an die Eingänge D der Mittel zum Einstellen der Bandbreite 74, der Mittenfrequenz
75, an den Baustein zum Einstellen der Integrationszeit 76 und an die Ablaufsteuerung
4.
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Die Bits b8-b15, die die Kanaladressen und den Operationscode eines
Befehlswortes enthalten, gelangen über den Eingang A zum Interface 3. Der erste
Decodierer im Interface 3 ermittelt aus den Bits b11-b15 die Kanaladresse und steuert
über eine Leitung des Leitungsbündels k den Kanal an, dessen Parameterwerte eingestellt
werden sollen.
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Der zweite Decodierer im Interface 3 ermittelt aus den Bits b8-b1o
den Parametertyp und steuert über eine Leitung des Leitungsbündels p alle Kanäle
an.
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In einer der Anzahl N der Filter entsprechenden Zahl von Kanälen wird
die logische Verknüpfung jeweils eines der UND-Glieder erfüllt und die bei D anliegenden
Parameterwerte den Mitteln 74, 75, 76 zugeführt.
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Diese bewirlcen ein Einstellen der Bandbreite und Mittenfrequenz des
Filters 71 und der Integrationszeit des Mittelwertbildners 76 in den angesteuerten
Kanälen.
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Die Ausgangssignale dieser Kanäle werden über den Multiplexer 5 mit
einer von der Ablaufsteuerung 4 vorgegebenen Abtastfrequenz ft zum A/D-Wandler 6
durchgeschaltet.
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Die-Ablaufsteuerung 4 enthält als wichtigste Bausteine einen Taktgenerator,
einen programmierbaren Frequenzteiler, wodurch die Abtastfrequenz in einem großen
Bereich variiert werden kann, einen Zähler, eine Vergleichsschaltung und ein Monoflop.
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Die Impulse des Taktgenerators werden über den programmierbaren Frequenzteiler
dem Zähler zugeführt.
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Mit dem Vergleicher wird die Kanalzahl N mit dem aktuellen Stand des
Zählers verglichen. Stimmen beide überein, wird der Zähler auf Null gesetzt. Außerdem
wird ein Triggerimpuls erzeugt, dessen Länge von der eingestellten Kanalzahl abhängt
und der zur Markierung für den Anfang und das Ende eines Kurzzeitspektrums dient.