DE4123749C2 - Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Grundfrequenz aus einem nicht bandbegrenzten, oberwellen- und störsignalhaltigen Signal, vorzugsweise zur Ermittlung der Stimmgrundfrequenz aus dem Stimmsignal zur stimmgrundfrequenzsynchronen Triggerung der Blitzröhre eines Laryngostroboskops - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Er­ mittlung der Grundfrequenz in Echtzeit aus einem Signal, das außer der Grundwelle eine oder mehrere Oberwellen und einen Störsignalanteil enthält. Vorzugsweise wird die er­ findungsgemäße Anordnung zur Ermittlung der Grundschwingung aus dem Stimmsignal eingesetzt. Aus der ermittelten Stimm­ grundfrequenzschwingung wird z. B. ein Signal zur stimm­ grundfrequenzsynchronen Steuerung der Zündung der Blitzröh­ re eines Laryngostroboskops abgeleitet. Das Laryngostrobo­ skop ermöglicht die Beobachtung der schwingenden Stimmlip­ pen im stehenden Bild bzw. bei langsamer Phasenschiebung des Steuersignals der Blitzröhre, in quasi-Zeitlupe.

Bei der Beschreibung des Standes der Technik werden jene Verfahren, bei denen die Stimmgrundfrequenz mittels einer Kurzzeit-Spektraltransformation ermittelt wird, nicht mit einbezogen, sondern es werden nur wirkliche Echtzeit-Ver­ fahren betrachtet, die allein für die vorgesehene Anwendung in Betracht kommen.

Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung der Stimmgrundwelle aus dem oberwellen- und störsignalbehafte­ ten Stimmsignal bekannt:
Handverstellung der oberen Grenzfrequenz eines ein­ stellbaren Tiefpasse so, daß nur noch die Grundwelle im Durchlaßbereich des Filter liegt.

Nachteil: stets notwendiges Nachsteilen des Filters von Hand bei Veränderung der Stimmgrundfrequenz.

In den DE 28 49 412 C2 und DE 35 36 972 C2 werden Schal­ tungsanordnungen zur Ermittlung der Stimmgrundschwingung für die Stroboskopsteuerung angegeben, die mit parallelge­ schalteten Bandpässen mit abgestuften Grenzfrequenzen ar­ beiten. Mittels Komparatoren werden die Ausgangsspannungen der Filter überwacht und jeweils das Filter mit der größten Ausgangsspannung auf den Schaltungsteil zur Triggerung der Blitzröhrenzündung durchgeschaltet.
Nachteile:

• - hoher Filteraufwand
• - Dämpfung der 1. Oberwelle ist abhängig vom Abstand der Grundfrequenz zur oberen Grenzfrequenz des jeweiligen Band­ passes
• - infolge des Amplitudenkriteriums besteht die Gefahr des "Einrastens" der Schaltung auf die 2. Harmonische (1. Ober­ welle)

In der DE 31 04 558 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur on-line-Ermittlung der Sprachgrundfrequenz als Grundlage für Vocoderschaltungen und für Sprach- und Sprechererken­ nungssysteme angegeben. Das Sprachsignal wird amplituden­ normalisiert, hochpaßgefiltert, erneut amplitudennormali­ siert, anschließend quadriert, dann tiefpaßgefiltert (feste Grenzfrequenz) und wiederum amplitudennormalisiert. Es folgt ein in seiner oberen Grenzfrequenz gesteuertes Tief­ paßfilter. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit von der in einer Auswertestufe ermittelten Grundfrequenz f_o über einen Frequenzwandler so, daß die Grenzfrequenz des Filters im Bereich (1,4 . . . 3)f_o liegt. Ein nachfolgender Kodierer er­ faßt die positiven und negativen Maxima des Signals, aus denen die Auswertestufe die Grundfrequenz ermittelt.
Nachteile:

• - In dem beanspruchten Steuerbereich (1,4 . . . 3)f_o für die einzustellende Grenzfrequenz des steuerbaren Filters wird bei einer Filtersteilheit von 12 dB/Oktave die 1. Oberwelle im günstigsten Fall nur um 6 dB gegenüber der Grundwelle gedämpft.
• - Es ist ein sehr hoher zusätzlicher Schaltungsaufwand not­ wendig, um die erforderliche weitere Dämpfung der Oberwel­ len zu erreichen.
• - Die gewählte Detektion der Grundwelle aus den negativen und positiven Maxima des Signals ist ungünstig, da reale, bei der vorgenommenen Filterung annähernd sinusförmige Si­ gnale im Bereich des Maximums die geringste Steilheit auf­ weisen. Amplitudenschwankungen (z. B. infolge von tieffre­ quenten Störsignalen) führen dann zwangsläufig zu einem Jitter der ermittelten Grundfrequenz.
• - Es ist nicht auszuschließen, daß die Schaltung auf die 1. Oberwelle einrastet.
• - Die Begrenzung der Schaltungsfunktion auf den Sprachfre­ quenzbereich erlaubt keine Anwendung für die Steuerung ei­ nes Laryngostroboskops, da hierbei die obere Frequenzgrenze auf 1000 Hz ausgedehnt ist.

In der DE 33 05 045 A1 ist ein Verfahren angegeben, das eben­ falls mit einem gesteuerten Tiefpaßfilter arbeitet: Einem Bandpaß (80-300 Hz) ist ein Tiefpaß mit fester Grenzfre­ quenz von 80 Hz und einer Dämpfung von 12 dB/Oktave im Sperrbereich (als Dämpfungsglied) nachgeschaltet. Am Aus­ gang des Tiefpaßfilters liegen parallel ein in seiner obe­ ren Grenzfrequenz steuerbares Tiefpaßfilter und die Steuer­ einrichtung für dieses Filter. Am Ausgang des steuerbaren Filters ist die Auswerteschaltung für die Grundwellener­ mittlung angeschlossen.
Nachteile:

• - Das Eingangssignal der Filtersteuereinrichtung (Ausgangs­ signal des Dämpfungsgliedes) enthält noch einen erheblichen Oberwellenanteil. Die Grundfrequenz, die die Voraussetzung für die Steuerung des Filters ist, kann aus diesem Signal durch die Steuereinrichtung nicht sicher ermittelt werden. Ein Einrasten der Steuerung auf die 1. Oberwelle ist des­ halb nicht auszuschließen.
• - Es wird für die über die Steuerung einzustellende Filter­ grenzfrequenz ein Bereich zwischen dem 1,4- bis 1,7fachen der Grundfrequenz beansprucht. In diesem Bereich wird die Dämpfungswirkung des Filters auf die 1. Oberwelle nicht optimal ausgenutzt (s. o.). Eine Steuerung der Filtergrenz­ frequenz hart an der Grundfrequenz ist wegen der nicht sicheren Ermittlung der Grundfrequenz durch die Steuerein­ richtung nicht möglich.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die bekannten Lösun­ gen, abgesehen von der nicht diskutablen Handverstellung eines Tiefpaßfilters, nicht für jede beliebige Stimmgrund­ frequenz die maximale Dämpfung des Filters für die 1. Ober­ welle ausnutzen. Bei den Lösungen mit parallelgeschalteten Filtern liegt das daran, daß der Durchlaßbereich jedes Fil­ ters relativ breit ist, um den Filteraufwand in Grenzen zu halten, und bei den Lösungen mit einem steuerbaren Filter wird wegen der Unsicherheit bei der Gewinnung des Steuer­ signals die Filtergrenzfrequenz so gesteuert, daß sie min­ destens um den Faktor 1, 4 über der Grundfrequenz liegt. Damit ist selbst bei einem vom Kehlkopf mittels eines Kör­ perschallmikrofons abgegriffenen Stimmsignal, das von vorn­ herein nur einen geringen Oberwellen- und Störsignalanteil enthält, eine sichere stimmgrundfrequenzsynchrone Trigge­ rung der Stroboskop-Blitzröhre nicht gewährleistet, und es besteht die Gefahr des Einrastens auf die 1. Oberwelle. Diese Einschränkung gilt erst recht bei einer für die Kehl­ kopfuntersuchung wesentlich günstigeren berührungslosen Aufnahme des Stimmsignals über ein Luftschallmikrofon, des­ sen Ausgangssignal einen erheblich höheren Oberwellen- und Störsignalanteil enthält als das Ausgangssignal des bei allen bekannten Lösungen am Kehlkopf angesetzten Körper­ schallmikrofons.

Allen bekannten Lösungen ist weiterhin gemeinsam, daß sie keinen wirksamen Schutz gegen die bei Stroboskopbetrieb unvermeidlichen, durch die Zündung der Blitzröhre verur­ sachten Störnadelimpulse aufweisen. Diese Störimpulse kön­ nen insbesondere beim Phasenlauf-Betrieb zu einer Fehlfunk­ tion der Schaltung zur Bestimmung der Stimmgrundfrequenz führen (Aussetzer, hoher Jitter). Weist der Schaltungsteil für die Grundfrequenzbestimmung keinen eigenen Schutz gegen die Störnadelimpulse auf, ist ein relativ hoher technischer Aufwand zum Verhindern der Einkopplung der Störimpulse aus dem Blitzteil in den im Stroboskop meist eng benachbarten Schaltungsteil zur Stimmgrundfrequenzbestimmung notwendig.

Der Einsatz eines Nulldurchgangsdetektors bei der Auswertung von Schwingsignalen ist z. B. aus der DE 22 54 019 C2 bekannt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gewährleistet, daß zwischen dem Stimmeinsatz und dem Beginn der grundfrequenzsynchronen Zündung der Blitzröhre keine für den Untersucher merkliche Zeitspanne liegt. Bei einer Stimmgrundfrequenzbestimmung ist sie ferner weitgehend unempfindlich gegen Störnadelimpulse, wie sie beim Betrieb der Stroboskop-Blitzröhre entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei extrem ungünstigem Verhältnis von Grundwellenanteil zum Oberwellen- und Störsignalanteil im Signal am Eingang der Schaltungsanordnung ein zuverlässig mit der Grundwelle kohärentes Triggersignal zu gewinnen. Dies ist z. B. eine Voraussetzung dafür, daß auch bei Schallaufnahme über ein Luftschallmikrofon und bei stark pathologischen Stimmen (hoher Rauschanteil, geringer periodischer Anteil) eine scharfe Darstellung der schwingenden Stimmlippen gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Am Signaleingang des steuerbaren Tiefpaßfilters liegt also z. B. das über das Luftschallmikrofon aufgenommene und geeignet verstärkte oberwellen- und störsignalhaltige Stimmsignal. An einem weiteren Ausgang der Auswerte- und Steuerschaltung kann die mit der ermitttelten Stimmgrundfrequenz kohärente Impulsfolge z. B. zur Triggerung einer Stroboskop-Blitzröhre ausgegeben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung zur Bestimmung der Stimmgrundfrequenz,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Komparators mit unsymmetrischer frequenzabhängiger Hysterese als Teil die­ ser Anordnung,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Grundwellenver­ laufs und der zugeordneten Komparator-Umschaltungen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird das über Luftschallmikrofon aufgenommene und verstärkte, oberwellen- und störsignalhaltige Stimmsignal 55 an den Signaleingang des in seiner oberen Grenzfrequenz steuerbaren Filters FI gelegt. Das Filter sollte eine Dämpfung von mindestens 24 dB/Oktave aufweisen. Vorzugsweise einsetzbar sind hierfür monolithische geschaltete Kapazitätsfilter (z. B. MF5, MF6, MF10). Dem Filter ist ein auf konstante Ausgangsspannung geregelter Verstärker GV nachgeschaltet, der die Filterausgangsspannung in einem Pegelbereich von 60 dB verzerrungsfrei auf eine Spitzenamplitude regelt, die etwas unterhalb der Aussteuergrenze von GV liegt. Der nach­ folgende, als Komparator mit unsymmetrischer, frequenzab­ hängiger Hysterese ausgeführte Nulldurchgangsdetektor ND (Fig. 2) ermittelt die Nulldurchgänge des Ausgangssignals von GV beim Übergang von positiver zu negativer Signalam­ plitude. Das Zurückschalten des Komparators erfolgt für Signale, die im Frequenzbereich kleiner 1 kHz liegen, bei einer Signalamplitude von ca. +400 mV. Damit werden Null­ durchgänge, die auf eine eventuelle Restamplitude der 1. Oberwelle zurückzuführen sind, wirksam unterdrückt. Für höherfrequente Signale erhöht sich die Hysterese, wodurch auch steile Störspitzen hoher Amplitude, die z. B. beim Zünden der Blitzröhre entstehen, nicht zum Schalten des Komparators führen können.

Die unsymmetrische frequenzabhängige Hysterese hat im vor­ liegenden Anwendungsfall folgenden Vorteil gegenüber einer symmetrischen frequenzabhängigen Hysterese, mit der die beschriebene Unterdrückung der Restamplitude der 1. Ober­ welle und der Störspitzen ebenfalls gelänge: Das Ausgangs­ signal von GV hat, da bereits annähernd sinusförmig, im Nulldurchgang seine größte Steilheit. Hier wirken sich im Durchlaßbereich des Filters FI liegende Störsignale am we­ nigsten auf den Triggerzeitpunkt aus. Ein durch Störungen verursachter Jitter der aus den Schaltzeitpunkten des Kom­ parators ermittelten Grundfrequenz wird dadurch minimiert. Der eingesetzte Komparator hat den weiteren Vorteil, daß mit seinem Ausgangssignal direkt Digitalschaltungen ange­ steuert werden können, da die Ausgangsspannung nur zwischen Null und +U_max springt.

Erreicht wird dieses Verhalten durch Einfügung der Diode D, die die unsymmetri­ sche Hysterese bewirkt, und des Kondensators C, der die Frequenzabhängigkeit der Hysterese bewirkt, in den Mitkop­ plungspfad des Komparators (Fig. 2).

Durch die Regelung der Ausgangsspannung des dem Nulldurch­ gangsdetektor ND vorgeschalteten geregelten Verstärkers GV in der beschriebenen Weise wird gewährleistet, daß die Ein­ gangsspannung von ND in den Nulldurchgängen immer die größtmögliche Steilheit aufweist. Dadurch wird zum einen der Jitter minimiert, es wird durch die Regelung aber auch sichergestellt, daß die Amplitude der Signalspannung am Eingang von ND immer größer als die Schalthysterese von ND ist.

Die von ND erzeugte Impulsfolge liegt am Eingang der Aus­ werte- und Steuerschaltung AS, die als Mikro­ rechner ausgeführt ist.

Die Steuerung des Filters FI durch AS erfolgt in zwei Pha­ sen:

• 1. Suchphase zu Beginn jeder Messung
• 2. Steuerphase im "eingerasteten" Zustand.

Der Suchvorgang in der Suchphase erstreckt sich über den gesamten Stimmgrundfrequenzbereich (60-1000 Hz), begin­ nend bei einer beliebigen Frequenz innerhalb dieses Be­ reichs, vorzugsweise aber an der unteren Grenze dem Stimm­ grundfrequenzbereichs, da die Wahrscheinlichkeit zur eine tiefe Stimmgrundfrequenz größer als für eine hohe ist. Wäh­ rend des Suchvorgangs wird die Filtergrenzfrequenz in Ok­ tavschritten verstellt. Die Auswerte- und Steuerschaltung mißt den Abstand T_o (Fig. 3) zwischen den positiven Flanken von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Eingangsimpulsen aus. Stimmen zwei aufeinanderfolgende Impulsintervalle annähernd überein (T_on = 0,75 . . 1,25 T_on+1), so schaltet AS auf die Steuerphase um. Dabei wird die obere Grenzfrequenz f_g von FI auf einen Wert f_g < 1,4 f_o, vorzugsweise auf f_g = 1,0 f_o eingestellt, wodurch die volle Dämpfung von FI (24 dB) für die 1. Oberwelle wirksam wird.

Da jede Periode der Grundwelle ausgemessen wird und eine Änderung der Periodendauer sofort zu einer Änderung der Folgefrequenz der Steuerimpulse führt, folgt die obere Grenzfrequenz von FI jeder Änderung der Stimmgrundfrequenz. Dabei wird die aktuelle Periodendauer ständig mit der Dauer von mehreren vorhergehenden Perioden (vorzugsweise 6 Perio­ den) verglichen. Bei großer Abweichung bzw. beim Ausfall der Eingangsimpulse von AS wird die letzte reguläre Steuer­ frequenz für weitere n Perioden (vorzugsweise 3 Perioden) beibehalten. Bei Wiedereinsetzen der regelmäßigen Eingangs­ impulsfolge verbleibt AS im Steuermodus. Damit ist gewähr­ leistet, daß z. B. kurzzeitige Stimmaussetzer über wenige Perioden nicht zu Unterbrechungen in der Blitzfolge führen. Erst bei Unregelmäßigkeiten bzw. Ausfällen, die sich über n+1 Perioden erstrecken, wird eine erneute Suchphase ge­ startet.

Da in der Suchphase nach jedem Oktavsprung der Filtergrenz­ frequenz nur 2 Perioden berücksichtigt werden, ist der Zeitbedarf für die Suchphase stets < 100 ms. Die durch die Suchphase verursachte Zeitverzögerung vom Start der Phona­ tion bis zum Einsetzen der stimmgrundfrequenzsynchronen Blitzfolge des Stroboskops ist damit sehr kurz und wird vom Untersucher nicht wahrgenommen.

Die Ausführung der Auswerte- und Steuerschaltung als Mikro­ rechner führt zu sehr einfachen technischen Lösungen für die Funktionen, die diese Schaltung erfüllen muß. Das be­ trifft in erster Linie folgende Funktionen:

• - Ausmessung der Periodendauer jeder Grundwellenperiode
• - 2-Phasen-Steuerung von FI (Such- und Steuerphase)
• - Bereitstellung einer Impulsfolge mit einer Impulsfolgefre­ quenz von 100(50)xf_g zur Steuerung der Grenzfrequenz f_g von FI
• - Überbrückung von Stimmaussetzern über wenige Perioden durch Aussenden einer Steuerimpulsfolge, deren Periodendau­ er der letzten gemessenen Periodendauer entspricht.
• - Realisierung der Phasenschiebung bis 360 Grad.

Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß aus der Periodendauer nicht nur die Stimmgrundfrequenz und die entsprechende, dem Phoniater geläufigere musikalische Tonhöhe berechnet und angezeigt werden können, sondern als zusätzliche diagnosti­ sche Werte können der Jitter als Maß für die Kurzzeit­ schwankung der Stimmgrundfrequenz und die mittlere Sprech­ stimmlage als Mittelwert der Stimmgrundfrequenz bei fort­ laufendem Sprechen berechnet und angezeigt werden.

Bezugszeichenliste

Fig. 1
SS - Stimmsignal
FI - Tiefpaßfilter mit steuerbarer Grenzfrequenz
GV - geregelter Verstärker
ND - als Komparator mit unsymmetrischer frequenzabhängiger Hy­ sterese ausgeführter Nulldurchgangsdetektor
AS - als Mikrorechner ausgeführte Auswerte- und Steuerschaltung
TS - Triggersignal für Stroboskop-Blitzröhre
Fig. 2
C - Kondensator
D - Diode
R1 - Widerstand
R2 - Widerstand
Fig. 3
T_on - n-te Grundwellenperiode
T_on+1 - (n+1)-te Grundwellenperiode

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Grundfrequenz aus ei­ nem nicht bandbegrenzten, oberwellen- und störsignalhaltigen Signal in Echtzeit, vorzugsweise zur Ermittlung der Stimmgrund­ frequenz aus dem über einen elektroakustischen Wandler in ein elektrisches Signal gewandelten Stimmsignal zum Zwecke der grundfrequenzsynchronen Triggerung einer Stroboskop-Blitzröhre eines Laryngostroboskops, bestehend aus der Kettenschaltung
eines Tiefpaßfilters (FI) mit einer in einem Grundfrequenzbe­ reich steuerbaren Grenzfrequenz, an dessen Signaleingang das elektrische Signal anlegbar ist,
eines dem Tiefpaßfilter (FI) nachgeordneten, auf konstante Aus­ gangsspannung geregelten Verstärkers (GV),
eines dem Verstärker (GV) nachgeordneten Nulldurchgangsdetektors (ND) und
einer von dem Nulldurchgangsdetektor (ND) mit Eingangsimpulsen beaufschlagbaren Auswerte- und Steuerschaltung (AS), wobei
ein Ausgang der Auswerte- und Steuerschaltung (AS) mit dem Steuereingang des steuerbaren Filters (FI) verbunden ist,
ein zweiter Ausgang der Auswerte- und Steuerschaltung (AS) zur Abgabe einer der ermittelten Grundfrequenz entsprechenden Im­ pulsfolge ausgelegt ist und
die Auswerte- und Steuerschaltung (AS) als Mikrorechner mit ei­ nem implementierten Auswerte- und Steueralgorithmus derart aus­ gebildet ist, daß die Steuerung in zwei Phasen, nämlich einer Suchphase und einer Steuerphase, erfolgt und
die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters (FI) in der Steuerphase durch die Auswerte- und Steuerschaltung so gesteuert ist, daß der Quotient Q aus der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters (FI) und der Grundfrequenz die Bedingung 1 Q < 1,4 erfüllt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Suchphase die Grenzfrequenz des steuerbaren Tiefpaß­ filters (FI) in Sprüngen schaltbar ist, beginnend bei einer be­ liebigen Anfangsfrequenz innerhalb des Grundfrequenzbereiches.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Oktavsprünge als Sprünge.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anfangsfrequenz die tiefste Frequenz im Grund­ frequenzbereich ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulldurchgangsdetektor (ND) mit unsymmetrischer und/oder signalfrequenzabhängiger Schalthystere­ se ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beibehaltung der letzten regulären Filtersteuerfrequenz für weitere n Grundfrequenzperioden bei Ausfall der Eingangsimpulse der Auswerte- und Steuerschaltung (AS).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch n=3.