DE4315677C2

DE4315677C2 - Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Grundfrequenz aus einem nicht bandbegrenzten, oberwellen- und störsignalhaltigen Signal, insbesondere zur Ermittlung der Stimmgrundfrequenz aus dem Stimm- und Sprechsignal

Info

Publication number: DE4315677C2
Application number: DE19934315677
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr Ing Stuerzebecher; Hermann Dr Ing Wagner; Mario Dipl Ing Cebulla; Martin Bischoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-06
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2013-05-07
Also published as: DE4315677A1

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.

Nachteile

- 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 f_o über einen Frequenzwandler so, daß die Grenzfrequenz des Filters im Bereich (1,4 . . . 3) f_o liegt. Ein nachfolgender Kodierer erfaßt 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 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.

Nachteile

- 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 T_FS1 und T_FS2 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 T_o (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 (T_on = 0,75 . . . 1,25 T_on+1), so sendet AS ein entsprechendes Taktsignal T_FS1 an FI1. Es beginnt die Steuerphase in Kanal 1. Dabei wird die obere Grenzfrequenz f_g1 von FI1 auf einen Wert f_g1 < 1,4 f_o, vorzugsweise auf f_g1 = 1,0 f_o eingestellt, wodurch die volle Dämpfung von FI1 für die 1. Oberwelle wirksam wird. Die Grenzfrequenz f_g2 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 T_FS1 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 f_g1 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
T_FS1 - Steuertakt zur Steuerung der Grenzfrequenz von FI1
T_FS2 - Steuertakt zur Steuerung der Grenzfrequenz von FI2

Fig. 2
T_on - n-te Grundwellenperiode
T_on+1 - (n+1)-te Grundwellenperiode

Claims

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 (T_FS1, T_FS2), 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.