DE4315677C2 - Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Grundfrequenz aus einem nicht bandbegrenzten, oberwellen- und störsignalhaltigen Signal, insbesondere zur Ermittlung der Stimmgrundfrequenz aus dem Stimm- und Sprechsignal - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Grundfrequenz aus einem nicht bandbegrenzten, oberwellen- und störsignalhaltigen Signal, insbesondere zur Ermittlung der Stimmgrundfrequenz aus dem Stimm- und SprechsignalInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Be
stimmung der Grundfrequenz aus einem nicht bandbegrenzten,
oberwellen- und störsignalhaltigen Signal in Echtzeit
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der ermittelten Stimmgrundfrequenzschwingung wird z. B.
ein Signal zur stimmgrundfrequenzsynchronen Steuerung der
Zündung der Blitzröhre eines Laryngostroboskops abgelei
tet. Das Laryngostroboskop ermöglicht die Beobachtung der
schwingenden Stimmlippen im stehenden Bild bzw., bei
langsamer Phasenschiebung des Steuersignals der Blitzröh
re, in quasi-Zeitlupe. Die Sprechgrundfrequenz ist außer
dem ein wichtiger diagnostischer Parameter für die Stimm
diagnostik. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Voco
dertechnik. Die Sprechgrundfrequenz dient hier bei der
Sprechsynthese zur Steuerung des Anregungssignals.
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.
Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung der
Stimmgrundwelle aus dem oberwellen- und störsignalbehaf
teten Stimmsignal bekannt:
In den DE-PS 28 49 412 und DE-PS 35 36 972 werden Schaltungs
anordnungen zur Ermittlung der Stimmgrundschwingung für
die Stroboskopsteuerung angegeben, die mit parallel
geschalteten Bandpässen mit abgestuften festen Grenzfre
quenzen arbeiten. Mittels Komparatoren werden die Aus
gangsspannungen der Filter überwacht und jeweils das Fil
ter mit der größten Ausgangsspannung auf den Schaltungs
teil zur Triggerung der Blitzröhrenzündung durchgeschaltet.
- - hoher Filteraufwand,
- - Dämpfung der 1. Oberwelle ist abhängig vom Abstand der Grundfrequenz zur oberen Grenzfrequenz des jeweiligen Bandpasses,
- - infolge des Amplitudenkriteriums besteht die Gefahr des "Einrastens" der Schaltung auf die 2. Harmonische (1. Oberwelle).
In der DE-OS 31 04 558 ist eine Schaltungsanordnung zur on
line-Ermittlung der Sprechgrundfrequenz als Grundlage für
Vocoderschaltungen und für Sprech- und Sprechererken
nungssysteme angegeben. Das Sprechsignal wird amplituden
normalisiert, hochpaßgefiltert, erneut amplitudennormali
siert, anschließend quadriert, dann tiefpaßgefiltert (fe
ste Grenzfrequenz) und wiederum amplitudennormalisiert.
Es folgt ein in seiner oberen Grenzfrequenz gesteuertes
Tiefpaßfilter. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit von
der in einer Auswertestufe ermittelten Grundfrequenz fo
über einen Frequenzwandler so, daß die Grenzfrequenz des
Filters im Bereich (1,4 . . . 3) fo liegt. Ein nachfolgender
Kodierer erfaßt die positiven und negativen Maxima des
Signals, aus denen die Auswertestufe die Grundfrequenz
ermittelt.
- - In dem beanspruchten Steuerbereich (1,4 . . . 3) fo 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 notwendig, um die erforderliche weitere Dämpfung der Ober wellen 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 Signale im Bereich des Maximums die geringste Steilheit aufweisen. Amplitudenschwankungen (z. B. infolge von tief frequenten Störsignalen) führen dann zwangsläufig zu ei nem Jitter der ermittelten Grundfrequenz.
- - Es ist nicht auszuschließen, daß die Schaltung auf die 1. Oberwelle einrastet.
- - Die Begrenzung der Schaltungsfunktion auf den Sprech frequenzbereich erlaubt keine Anwendung für die Steuerung eines Laryngostroboskops, da hierbei die obere Frequenz grenze auf 1000 Hz ausgedehnt ist.
In der DE-OS 33 05 045 ist ein Verfahren angegeben, das
ebenfalls mit einem gesteuerten Tiefpaßfilter arbeitet:
Einem Bandpaß (80-300 Hz) ist ein Tiefpaß mit fester
Grenzfrequenz von 80 Hz und einer Dämpfung von 12 dB/Ok
tave im Sperrbereich (als Dämpfungsglied) nachgeschaltet.
Am Ausgang des Tiefpaßfilters liegen parallel ein in sei
ner oberen Grenzfrequenz steuerbares Tiefpaßfilter und
die Steuereinrichtung für dieses Filter. Am Ausgang des
steuerbaren Filters ist die Auswerteschaltung für die
Grundwellenermittlung angeschlossen.
- - Das Eingangssignal der Filtersteuereinrichtung (Aus gangssignal des Dämpfungsgliedes) enthält noch einen er heblichen 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 deshalb 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 Steuer einrichtung nicht möglich.
In der DE 41 23 749 A1 wird ein Verfahren beschrieben, das
mit einer Schaltungsanordnung, bestehend aus der Ketten
schaltung eines in seiner Grenzfrequenz steuerbaren Tief
paßfilters, eines regelbaren Verstärkers, eines Null
durchgangsdetektors und einer als Mikrorechner mit imple
mentiertem Auswerte- und Steueralgorithmus ausgeführten
Auswerte- und Steuerschaltung, deren Steuersignal-Ausgang
mit dem Steuereingang des steuerbaren Tiefpaßfilters ver
bunden ist, arbeitet. Die Steuerung der Tiefpaßgrenzfre
quenz erfolgt in 2 Phasen, einer Suchphase und der ei
gentlichen Steuerphase, in der die Filtergrenzfrequenz
jeder Änderung der Stimmgrundfrequenz unmittelbar folgt.
Nach einer Unterbrechung des Stimmsignals wiederholt sich
diese Folge von Such- und Steuerphase.
Für die Gewinnung der stimmgrundfrequenzsynchronen Trigger-Impulse
für die Zündung der Blitzröhre eines Laryngo
stroboskops ist dieses Verfahren vorteilhaft. Da mit aus
gehaltenen Tönen gearbeitet wird, läuft nur zu Beginn der
Phonation eine Suchphase ab. Sie wird vom Untersucher
nicht wahrgenommen, da der Zeitbedarf für eine Suchphase
unter 100 ms liegt.
Weniger gut geeignet ist das Verfahren für die Ermittlung
der Stimmgrundfrequenz beim fortlaufenden Sprechen, da
bei jeder Stimmunterbrechung, die länger ist als z. B. die
Zeit für 3 Perioden der Stimmgrundfrequenz, (z. B. Wort- und
Satzpausen) eine neue Suchphase startet. Die Ausgang
simpulse der Schaltung während der Suchphasen führen zu
einer Verfälschung des Meßergebnisses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell einsetz
bare Schaltungsanordnung für die on-line-Stimmgrundfrequenzermitt
lung zu erhalten.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Am Signal-Ausgang der Auswerte- und Steuerschaltung wird
eine mit der ermittelten Stimmgrundschwingung kohärente
Impulsfolge ausgegeben, z. B. zur Triggerung der Blitzröh
re eines Stroboskops. Von der als Mikrorechner ausgeführ
ten Auswerte- und Steuerschaltung können außerdem die der
jeweils aktuellen Periodendauer entsprechende Momentan-
Grundfrequenz, die mittlere Grundfrequenz sowie statisti
sche Angaben zur Variation der Grundfrequenz berechnet
und in geeigneter Weise ausgegeben werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung zur Bestimmung
der Stimmgrundfrequenz,
Fig. 2 die schematische Darstellung des Grundwellenver
laufs und des zugeordneten Komparator-Ausgangssignals.
Erfindungsgemäß wird die aus der DE 41 23 749 A1 bekannte
Schaltung, bestehend aus einem in seiner Grenzfrequenz
steuerbaren Tiefpaßfilter FI1, einem Verstärker mit au
tomatischer Verstärkungsregelung GV1, einem Nulldurch
gangsdetektor mit Hysterese ND1 und einer Auswerte- und
Steuerschaltung AS durch die Kettenschaltung, bestehend
aus FI2, GV2 und ND2 (Fig. 1, Kanal 2), ergänzt, wobei
die hinzugefügte Kettenschaltung die gleiche ist wie die
aus FI1, GV1 und ND1 (Kanal 1) bestehende Kettenschal
tung. Die Steuertakte TFS1 und TFS2 für die Tiefpaßfil
ter FI1 und FI2 sind dagegen nicht gleich. Im Ausfüh
rungsbeispiel ist dem Kanal 2 die Suchfunktion zugeord
net, während aus dem Ausgangssignal von Kanal 1 durch die
Auswerte- und Steuerschaltung die Stimmgrundfrequenz er
mittelt wird. Für die Realisierung von FI1 und FI2 wer
den vorzugsweise monolithische geschaltete Kapazitätsfil
ter, die keine zusätzliche Außenbeschaltung erfordern und
eine Sperrdämpfung von mindestens 24 dB/Oktave aufweisen,
eingesetzt.
Bei Beginn des Sprechsignals startet die erste Suchphase.
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 an der unteren Grenze des Stimm
grundfrequenzbereichs, da die Wahrscheinlichkeit für eine
tiefe Stimmgrundfrequenz größer als für eine hohe ist.
Während des Suchvorgangs wird die Filtergrenzfrequenz von
FI2 in Oktavschritten verstellt. Die Auswerte- und Steu
erschaltung mißt ständig den Abstand To (Fig. 2) zwischen
den positiven Flanken von jeweils zwei aufeinanderfolgen
den Impulsen am Eingang E2 von AS aus. Stimmen zwei auf
einanderfolgende Impulsintervalle annähernd überein (Ton
= 0,75 . . . 1,25 Ton+1), so sendet AS ein entsprechendes
Taktsignal TFS1 an FI1. Es beginnt die Steuerphase in
Kanal 1. Dabei wird die obere Grenzfrequenz fg1 von FI1
auf einen Wert fg1 < 1,4 fo, vorzugsweise auf fg1 = 1,0
fo eingestellt, wodurch die volle Dämpfung von FI1 für
die 1. Oberwelle wirksam wird. Die Grenzfrequenz fg2 von
FI2 wird während dieser Zeit um eine Oktave tiefer ein
gestellt, um sicherzustellen, daß FI1 nicht auf eine
Oberwelle der Stimmsignale "eingerastet" ist.
Da jede Periode der Grundwelle ausgemessen wird und eine
Änderung der Periodendauer sofort zu einer entsprechenden
Änderung der Steuertakte TFS1 führt, folgt die
obere Grenzfrequenz von FI1 jeder Änderung der Stimm
grundfrequenz. Dabei wird die aktuelle Periodendauer
ständig mit der Dauer von mehreren vorhergehenden Peri
oden (vorzugsweise 6 Perioden) verglichen. Bei einer grö
ßeren Abweichung bzw. beim Ausfall der Eingangsimpulse an
E1 von AS wird die letzte reguläre Steuerimpulsfrequenz
für FI1 weiterhin beibehalten. Gleichzeitig wird im Ka
nal 2 eine neue Suchphase gestartet.
In der Regel ist die Unterbrechung nur durch eine stimm
lose Wortphase oder eine kurze Sprechpause zwischen zwei
Wörtern bedingt. In diesen Fällen wird die Stimmgrundfre
quenz nach der Unterbrechung nur geringfügig von der
Stimmgrundfrequenz vor der Pause abweichen. Da die vor
der Unterbrechung eingestellte Grenzfrequenz von FI1
nicht verändert wurde, kann sofort mit dem Einsetzen ei
ner neuen stimmhaften Phonation die Stimmgrundfrequenz
ohne Verzögerung und Beeinträchtigung durch eine Suchpha
se richtig erfaßt werden.
Weicht die Stimmgrundfrequenz nach der Pause erheblich
von der vor der Pause ab, so wird nach Abschluß der im
Kanal 2 gestarteten Suchphase die obere Grenzfrequenz fg1 von
FI1 entsprechend verändert. Auch in diesem Fall gelangen
keine irregulären Impulsfolgen, die aus dem sich über den
gesamten Stimmgrundfrequenzbereich erstreckenden Suchvor
gang resultieren, in die Auswertung.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
Fig. 1
SS - Stimmsignal
FI1 - Tiefpaßfilter mit steuerbarer Grenzfrequenz von Kanal 1
SE1 - Steuereingang von FI1
FI2 - Tiefpaßfilter mit steuerbarer Grenzfrequenz von Kanal 2
SE2 - Steuereingang von FI2
GV1 - geregelter Verstärker von Kanal 1
GV2 - geregelter Verstärker von Kanal 2
ND1 - als Komparator mit unsymmetrischer frequenzabhängiger Hysterese ausgeführter Nulldurchgangsdetektor von Kanal 1
ND2 - als Komparator mit unsymmetrischer frequenzabhängiger Hysterese ausgeführter Nulldurchgangsdetektor von Kanal 2
AS - als Mikrorechner ausgeführte Auswerte- und Steuerschal tung
E1 - Eingang 1 von AS
E2 - Eingang 2 von AS
SA1 - Steuerausgang 1 von AS
SA2 - Steuerausgang 2 von AS
TS - Triggersignal für Zündung der Stroboskop-Blitzröhre
TFS1 - Steuertakt zur Steuerung der Grenzfrequenz von FI1
TFS2 - Steuertakt zur Steuerung der Grenzfrequenz von FI2
SS - Stimmsignal
FI1 - Tiefpaßfilter mit steuerbarer Grenzfrequenz von Kanal 1
SE1 - Steuereingang von FI1
FI2 - Tiefpaßfilter mit steuerbarer Grenzfrequenz von Kanal 2
SE2 - Steuereingang von FI2
GV1 - geregelter Verstärker von Kanal 1
GV2 - geregelter Verstärker von Kanal 2
ND1 - als Komparator mit unsymmetrischer frequenzabhängiger Hysterese ausgeführter Nulldurchgangsdetektor von Kanal 1
ND2 - als Komparator mit unsymmetrischer frequenzabhängiger Hysterese ausgeführter Nulldurchgangsdetektor von Kanal 2
AS - als Mikrorechner ausgeführte Auswerte- und Steuerschal tung
E1 - Eingang 1 von AS
E2 - Eingang 2 von AS
SA1 - Steuerausgang 1 von AS
SA2 - Steuerausgang 2 von AS
TS - Triggersignal für Zündung der Stroboskop-Blitzröhre
TFS1 - Steuertakt zur Steuerung der Grenzfrequenz von FI1
TFS2 - Steuertakt zur Steuerung der Grenzfrequenz von FI2
Fig. 2
Ton - n-te Grundwellenperiode
Ton+1 - (n+1)-te Grundwellenperiode
Ton - n-te Grundwellenperiode
Ton+1 - (n+1)-te Grundwellenperiode
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Grundfrequenz aus
einem nicht bandbegrenzten, oberwellen- und störsignal
haltigen Signal in Echtzeit, insbesondere zur Ermittlung
der Grundfrequenz aus dem über einen elektroakustischen
Wandler in ein elektrisches Signal gewandelten
Sprechsignal, bestehend aus Tiefpaßfiltern mit steuerbarer
Grenzfrequenz, auf konstante Ausgangsspannung geregelten
Verstärkern und Nulldurchgangsdetektoren, wobei je ein
Tiefpaßfilter, ein geregelter Verstärker und ein
Nulldurchgangsdetektor in Kette geschaltet sind, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei dieser Ketten vorhanden sind,
deren Eingänge parallelgeschaltet und mit dem geeignet
verstärkten elektrischen Sprechsignal (SS) verbunden sind,
daß der Ausgang jeder der beiden eingangsseitig
parallelgeschalteten Kettenschaltungen mit jeweils einem
von 2 getrennten Eingängen (E1, E2) einer als Mikrorechner
mit implementiertem Auswerte- und Steueralgorithmus
ausgeführten Auswerte- und Steuerschaltung (AS) und der
Steuereingang (SE1, SE2) jedes der beiden Tiefpaßfilter mit
jeweils einem von 2 getrennten Steuer-Ausgängen (SA1, SA2)
der Auswerte- und Steuerschaltung verbunden sind und daß
die Steuersignale (TFS1, TFS2), die von der Auswerte- und
Steuerschaltung (AS) an die Steuereingänge (SE1, SE2) der
steuerbaren Tiefpaßfilter (FI1, FI2) beider
Kettenschaltungen geführt werden, derart unterschiedlich
sind, daß die Suchphase zum Auffinden der Grundfrequenz und
die Steuerphase, in der die Tiefpaßgrenzfrequenz den
Schwankungen der Grundfrequenz folgt, parallel ablaufen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Stimmunterbrechungen oder während
stimmloser Wortabschnitte die Steuerung des für die Steuerphase
zuständigen Tiefpaßfilters entsprechend der unmittelbar
vor der Unterbrechung gefundenen Grundfrequenz
weitergeführt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß während der Steuerphase die Steuerung des
für die Suchphase zuständigen Tiefpaßfilters so erfolgt,
daß seine Grenzfrequenz eine Oktave unter der Grenzfre
quenz des für die Steuerphase zuständigen Tiefpaßfilters
liegt.
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DE4315677A1 DE4315677A1 (de) | 1994-11-17 |
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DE4123749C2 (de) * | 1991-07-15 | 1996-01-25 | Ekkehard Dr Sc T Stuerzebecher | 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 |
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