JP3263091B2 - 周波数分析装置 - Google Patents
周波数分析装置Info
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- JP3263091B2 JP3263091B2 JP40447190A JP40447190A JP3263091B2 JP 3263091 B2 JP3263091 B2 JP 3263091B2 JP 40447190 A JP40447190 A JP 40447190A JP 40447190 A JP40447190 A JP 40447190A JP 3263091 B2 JP3263091 B2 JP 3263091B2
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- Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、音声信号や音響信号等
の時系列信号の認識を行う前処理等において、その時系
列信号の周波数を抽出する周波数分析装置に関するもの
である。
の時系列信号の認識を行う前処理等において、その時系
列信号の周波数を抽出する周波数分析装置に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の分野の技術としては、安
居院・中嶋著「コンピュータ音声処理」(1986−1
−10)秋葉出版、P.114−127に記載されるも
のがあった。以下、その構成を図を用いて説明する。
居院・中嶋著「コンピュータ音声処理」(1986−1
−10)秋葉出版、P.114−127に記載されるも
のがあった。以下、その構成を図を用いて説明する。
【0003】図2は従来の周波数分析装置の一構成例を
示す構成ブロック図、及び図3及び図4は図2の信号波
形図である。なお、図3は入力時系列信号x(t)、及
び図4は入力時系列信号x(t)の周波数特性x(t)
を示す図である。
示す構成ブロック図、及び図3及び図4は図2の信号波
形図である。なお、図3は入力時系列信号x(t)、及
び図4は入力時系列信号x(t)の周波数特性x(t)
を示す図である。
【0004】図3に示す入力時系列信号x(t)の周波
数fo を分析して抽出する場合、該入力時系列信号x
(t)をアナログ/ディジタル変換器(以下、A/D変
換器という)1によりディジタル信号に変換した後、フ
ーリエ変換器2へ与える。フーリエ変換器2では、A/
D変換器1の出力に対して高速フーリエ変換(以下、F
FTという)等のアルゴリリズムを適用し、図4に示す
ような入力時系列信号x(t)に対する周波数特性X
(f)を求め、ピーク検出器3へ送る。ピーク検出器3
では、周波数特性X(f)のピークを検出することによ
り、そのピークに対応する周波数fo を入力時系列信号
x(t)の周波数として出力する。
数fo を分析して抽出する場合、該入力時系列信号x
(t)をアナログ/ディジタル変換器(以下、A/D変
換器という)1によりディジタル信号に変換した後、フ
ーリエ変換器2へ与える。フーリエ変換器2では、A/
D変換器1の出力に対して高速フーリエ変換(以下、F
FTという)等のアルゴリリズムを適用し、図4に示す
ような入力時系列信号x(t)に対する周波数特性X
(f)を求め、ピーク検出器3へ送る。ピーク検出器3
では、周波数特性X(f)のピークを検出することによ
り、そのピークに対応する周波数fo を入力時系列信号
x(t)の周波数として出力する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の周波数分析装置では、次のような課題があった。従
来の装置では、まず、フーリエ変換器2によって入力時
系列信号X(t)を求めた後、ピーク検出器3で周波数
fo を求めている。ここで、フーリエ変換器2では、離
散的な信号値からフーリエ係数を求める離散的フーリエ
変換(以下、DFTという)を用いて周波数特性Xを求
めても良い。しかし、DFTを用いると、データ数N=
2L (但し、L;パラメータ)の場合、N2 回の乗算回
数を必要とし、演算時間が長くなる。そこで、演算時間
を大幅に減少させるために、FFTを用いると、(N/
2)・Lの乗算回数でスペクトルが求まる。
成の周波数分析装置では、次のような課題があった。従
来の装置では、まず、フーリエ変換器2によって入力時
系列信号X(t)を求めた後、ピーク検出器3で周波数
fo を求めている。ここで、フーリエ変換器2では、離
散的な信号値からフーリエ係数を求める離散的フーリエ
変換(以下、DFTという)を用いて周波数特性Xを求
めても良い。しかし、DFTを用いると、データ数N=
2L (但し、L;パラメータ)の場合、N2 回の乗算回
数を必要とし、演算時間が長くなる。そこで、演算時間
を大幅に減少させるために、FFTを用いると、(N/
2)・Lの乗算回数でスペクトルが求まる。
【0006】ところが、この様なFFTを用いた周波数
分析装置において、高精度に周波数fo を求めるために
は、周波数特性X(f)をFFTを用いて高精度に求め
なければならない。しかし、周波数特性X(f)を高精
度に求めるためには、パラメータLを大きくしなければ
ならないが、それによって演算量が大きくなり、処理時
間が長くなるという問題があり、それを解決することが
困難であった。本発明は前記従来技術の持っていた課題
として、精度の高い周波数を求めるためには演算量が大
きくなって処理時間が長くなるという点について解決し
た周波数分析装置を提供するものである。
分析装置において、高精度に周波数fo を求めるために
は、周波数特性X(f)をFFTを用いて高精度に求め
なければならない。しかし、周波数特性X(f)を高精
度に求めるためには、パラメータLを大きくしなければ
ならないが、それによって演算量が大きくなり、処理時
間が長くなるという問題があり、それを解決することが
困難であった。本発明は前記従来技術の持っていた課題
として、精度の高い周波数を求めるためには演算量が大
きくなって処理時間が長くなるという点について解決し
た周波数分析装置を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のうちの第1の発明は、所定の時間間隔Ts
で離散化された時系列信号である入力信号列X n (但
し、nは時刻、n=0,1,2,…)の周波数f n を抽
出する周波数分析装置において、前記入力信号列X n の
振幅値を2乗して瞬時パワーP n (=X n 2 )を求める
瞬時パワー演算手段と、前記入力信号列X n を前記1時
間間隔Tsだけ遅延させ、この遅延した信号X n-1 の振
幅値と該入力信号列X n の振幅値とを乗算して瞬時1次
相関関数C n (=X n ・X n-1 )を求める瞬時1次相関
演算手段と、前記瞬時パワーP n の高周波成分を除去し
て除去後の信号P na を出力する第1の高周波除去手段
と、前記瞬時1次相関関数C n の高周波成分を除去して
除去後の信号C na を出力する第2の高周波除去手段と、
前記信号C na を前記信号P na で除算することにより正規
化して1次相関係数γ n (=C na /P na )を求める正規
化手段と、前記1次相関係数γ n の逆余弦を演算して前
記入力信号列X n の周波数f n (=(1/2πTs)・
arccos・γ n 、但しarccosは逆余弦関数)を求める周波
数演算手段と、を有している。
に、本発明のうちの第1の発明は、所定の時間間隔Ts
で離散化された時系列信号である入力信号列X n (但
し、nは時刻、n=0,1,2,…)の周波数f n を抽
出する周波数分析装置において、前記入力信号列X n の
振幅値を2乗して瞬時パワーP n (=X n 2 )を求める
瞬時パワー演算手段と、前記入力信号列X n を前記1時
間間隔Tsだけ遅延させ、この遅延した信号X n-1 の振
幅値と該入力信号列X n の振幅値とを乗算して瞬時1次
相関関数C n (=X n ・X n-1 )を求める瞬時1次相関
演算手段と、前記瞬時パワーP n の高周波成分を除去し
て除去後の信号P na を出力する第1の高周波除去手段
と、前記瞬時1次相関関数C n の高周波成分を除去して
除去後の信号C na を出力する第2の高周波除去手段と、
前記信号C na を前記信号P na で除算することにより正規
化して1次相関係数γ n (=C na /P na )を求める正規
化手段と、前記1次相関係数γ n の逆余弦を演算して前
記入力信号列X n の周波数f n (=(1/2πTs)・
arccos・γ n 、但しarccosは逆余弦関数)を求める周波
数演算手段と、を有している。
【0008】第2の発明は、第1の発明の周波数分析装
置において、前記第1の高周波除去手段は、インパルス
応答W n により前記瞬時パワーP n を畳み込み演算して
前記 信号P na を出力し、前記第2の高周波除去手段は、
インパルス応答W n により前記瞬時1次相関関数C n を
畳み込み演算して前記信号C na を出力する構成にしてい
る。
置において、前記第1の高周波除去手段は、インパルス
応答W n により前記瞬時パワーP n を畳み込み演算して
前記 信号P na を出力し、前記第2の高周波除去手段は、
インパルス応答W n により前記瞬時1次相関関数C n を
畳み込み演算して前記信号C na を出力する構成にしてい
る。
【0009】
【作用】第1及び第2の発明は、以上のように周波数分
析装置を構成したので、時系列信号である入力信号列X
n が入力されると、瞬時パワー演算手段及び瞬時1次相
関演算手段により、その入力信号列X n から瞬時パワー
P n 及び瞬時1次相関関数C n が求められる。さらに、
その瞬時パワーP n 及び瞬時1次相関関数C n の高周波
成分が第1及び第2の高周波除去手段によってそれぞれ
除去され、この第1及び第2の高周波除去手段の各出力
信号P na ,C na から、正規化手段によって1次相関係数
γ n が求められる。その後、1次相関係数γ n から、周
波数演算手段によって入力信号列X n の周波数f n が求
められる。これにより、従来装置のように、フーリエ変
換を用いずに周波数f n を抽出でき、少ない演算量で高
精度に入力信号列X n の周波数f n を抽出することがで
きる。従って、前記課題を解決できるのである。
析装置を構成したので、時系列信号である入力信号列X
n が入力されると、瞬時パワー演算手段及び瞬時1次相
関演算手段により、その入力信号列X n から瞬時パワー
P n 及び瞬時1次相関関数C n が求められる。さらに、
その瞬時パワーP n 及び瞬時1次相関関数C n の高周波
成分が第1及び第2の高周波除去手段によってそれぞれ
除去され、この第1及び第2の高周波除去手段の各出力
信号P na ,C na から、正規化手段によって1次相関係数
γ n が求められる。その後、1次相関係数γ n から、周
波数演算手段によって入力信号列X n の周波数f n が求
められる。これにより、従来装置のように、フーリエ変
換を用いずに周波数f n を抽出でき、少ない演算量で高
精度に入力信号列X n の周波数f n を抽出することがで
きる。従って、前記課題を解決できるのである。
【0010】
【実施例】図1は、本発明の実施例を示す周波数分析装
置の構成ブロック図である。この周波数分析装置は、音
声信号や音響信号等のアナログ信号である時系列信号x
(t)を入力するための入力端子51を有し、その入力
端子51がアナログ/ディジタル変換用のA/D変換器
52に接続されている。さらに、A/D変換器52の出
力側には、瞬時パワー演算手段である瞬時パワー演算回
路53と、瞬時1次相関演算手段である瞬時1次相関演
算回路54が接続されている。
置の構成ブロック図である。この周波数分析装置は、音
声信号や音響信号等のアナログ信号である時系列信号x
(t)を入力するための入力端子51を有し、その入力
端子51がアナログ/ディジタル変換用のA/D変換器
52に接続されている。さらに、A/D変換器52の出
力側には、瞬時パワー演算手段である瞬時パワー演算回
路53と、瞬時1次相関演算手段である瞬時1次相関演
算回路54が接続されている。
【0011】瞬時パワー演算回路53は、A/D変換器
52の出力から瞬時パワーを求める回路であり、A/D
変換器52の出力の2乗を演算して出力する乗算器53
aで構成されている。瞬時1次相関演算回路54は、A
/D変換器52の出力から瞬時1次相関関数を求める回
路であり、A/D変換器52の出力を1サンプル遅延さ
せる遅延器54aと、A/D変換器52の出力及び遅延
器54aの出力の乗算を演算する乗算器54bとで構成
されている。乗算器53a,54bの出力側には、同一
のフィルタ特性を有する第1の高周波除去手段であるロ
ーパスフィルタ55と第2の高周波除去手段であるロー
パスフィルタ56がそれぞれ接続されている。
52の出力から瞬時パワーを求める回路であり、A/D
変換器52の出力の2乗を演算して出力する乗算器53
aで構成されている。瞬時1次相関演算回路54は、A
/D変換器52の出力から瞬時1次相関関数を求める回
路であり、A/D変換器52の出力を1サンプル遅延さ
せる遅延器54aと、A/D変換器52の出力及び遅延
器54aの出力の乗算を演算する乗算器54bとで構成
されている。乗算器53a,54bの出力側には、同一
のフィルタ特性を有する第1の高周波除去手段であるロ
ーパスフィルタ55と第2の高周波除去手段であるロー
パスフィルタ56がそれぞれ接続されている。
【0012】ローパスフィルタ55,56は、それぞれ
乗算器53a,54bの出力の高周波成分を除去して出
力する機能を有し、その出力側には正規化手段である正
規化回路57と周波数演算手段である周波数演算回路5
8が接続されている。正規化回路57は、除算器等で構
成され、ローパスフィルタ55,56の出力から1次相
関係数を演算する機能を有し、周波数演算回路58は、
逆余弦関数演算回路等で構成され、正規化回路57の出
力から入力信号列X n の周波数f n を演算する回路であ
る。
乗算器53a,54bの出力の高周波成分を除去して出
力する機能を有し、その出力側には正規化手段である正
規化回路57と周波数演算手段である周波数演算回路5
8が接続されている。正規化回路57は、除算器等で構
成され、ローパスフィルタ55,56の出力から1次相
関係数を演算する機能を有し、周波数演算回路58は、
逆余弦関数演算回路等で構成され、正規化回路57の出
力から入力信号列X n の周波数f n を演算する回路であ
る。
【0013】以上のように構成される周波数分析装置の
動作について説明する。入力端子51から入力された時
系列信号x(t)は、A/D変換器52により予め定め
られたサンプリング時間間隔Ts毎に離散化され、入力
信号列Xn (n=0,1,2,……)に変換される。乗
算器53aは、A/D変換器52の出力Xn により、時
刻nの瞬時パワーPn を、 Pn =Xn 2 ・・・(1) により演算する。
動作について説明する。入力端子51から入力された時
系列信号x(t)は、A/D変換器52により予め定め
られたサンプリング時間間隔Ts毎に離散化され、入力
信号列Xn (n=0,1,2,……)に変換される。乗
算器53aは、A/D変換器52の出力Xn により、時
刻nの瞬時パワーPn を、 Pn =Xn 2 ・・・(1) により演算する。
【0014】遅延器54aは、A/D変換器52の出力
Xn を入力し、1サンプル遅延させて出力Xn-1 を出力
する。乗算器54bは、A/D変換器52の出力Xn 及
び遅延器54aの出力Xn-1 から、瞬時1次相関関数C
n を、 Cn =Xn ・Xn-1 ・・・(2) により演算する。
Xn を入力し、1サンプル遅延させて出力Xn-1 を出力
する。乗算器54bは、A/D変換器52の出力Xn 及
び遅延器54aの出力Xn-1 から、瞬時1次相関関数C
n を、 Cn =Xn ・Xn-1 ・・・(2) により演算する。
【0015】ローパスフィルタ55,56は、各乗算器
53a,54bの出力である瞬時パワーPn 及び瞬時1
次相関関数Cn をそれぞれ入力し、瞬時パワーPn 及び
瞬時1次相関関数Cn の高周波成分を除去する。即ち、
ローパスフィルタ55,56のインパルス応答をWn と
すると、ローパスフィルタ55,56は、次式(3)の
演算により、Pna,Cnaを演算して出力する。
53a,54bの出力である瞬時パワーPn 及び瞬時1
次相関関数Cn をそれぞれ入力し、瞬時パワーPn 及び
瞬時1次相関関数Cn の高周波成分を除去する。即ち、
ローパスフィルタ55,56のインパルス応答をWn と
すると、ローパスフィルタ55,56は、次式(3)の
演算により、Pna,Cnaを演算して出力する。
【0016】
【数1】 正規化回路57は、ローパスフィルタ55,56の各出
力であるPna,Cnaから1次相関係数γn を次式(4)
により演算して出力する。 γn =Cna/Pna ・・・(4) 1次相関係数γn は出力Cnaを出力Pnaで正規化したも
のに相当する。周波数演算回路58は、正規化回路57
で演算された1次相関係数γn により、周波数fn を次
式(5)により演算する。
力であるPna,Cnaから1次相関係数γn を次式(4)
により演算して出力する。 γn =Cna/Pna ・・・(4) 1次相関係数γn は出力Cnaを出力Pnaで正規化したも
のに相当する。周波数演算回路58は、正規化回路57
で演算された1次相関係数γn により、周波数fn を次
式(5)により演算する。
【0017】
【数2】 arccosは逆余弦関数であり、TsはA/D変換器52に
おける予め定めたサンプリング時間間隔である。周波数
演算回路58で演算周波数fn を時刻nの周波数として
出力する。
おける予め定めたサンプリング時間間隔である。周波数
演算回路58で演算周波数fn を時刻nの周波数として
出力する。
【0018】本実施例は、次のような利点を有してい
る。図5は、本実施例による周波数分析結果の一例であ
る。信号として、100Hzから300Hzまで、直線
的に周波数が変化する信号を入力し、サンプリング時間
間隔1/800秒で離散化した後、上述の方法により求
めた周波数をプロットしたものである。横軸はサンプル
番号であり、サンプリング時間間隔1/800秒をかけ
ることにより、実際の時刻(秒)となる。縦軸は周波数
(Hz)である。同図より、本実施例によれば、高精度
に周波数を求められることが分かる。なお、本発明は、
図示の実施例に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、図1の周波数分析装置をプロセッサを用いたプ
ログラム制御等により実行するようにすることも可能で
ある。
る。図5は、本実施例による周波数分析結果の一例であ
る。信号として、100Hzから300Hzまで、直線
的に周波数が変化する信号を入力し、サンプリング時間
間隔1/800秒で離散化した後、上述の方法により求
めた周波数をプロットしたものである。横軸はサンプル
番号であり、サンプリング時間間隔1/800秒をかけ
ることにより、実際の時刻(秒)となる。縦軸は周波数
(Hz)である。同図より、本実施例によれば、高精度
に周波数を求められることが分かる。なお、本発明は、
図示の実施例に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、図1の周波数分析装置をプロセッサを用いたプ
ログラム制御等により実行するようにすることも可能で
ある。
【0019】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、第1及び第
2の発明によれば、入力信号列X n から瞬時パワーP n
及び瞬時1次相関関数C n を求め、その瞬時パワーP n
と瞬時1次相関関数C n との高周波成分を除去して1次
相関係数γ n を求めた後、入力信号列X n の周波数f n
を求めるようにしたので、フーリエ変換を用いずに入力
信号列X n の周波数f n を抽出できる。これにより、少
ない演算量で高速処理が可能となると共に、単純な演算
方法にもかかわらず、高精度に入力信号列X n の周波数
f n を抽出することができる。
2の発明によれば、入力信号列X n から瞬時パワーP n
及び瞬時1次相関関数C n を求め、その瞬時パワーP n
と瞬時1次相関関数C n との高周波成分を除去して1次
相関係数γ n を求めた後、入力信号列X n の周波数f n
を求めるようにしたので、フーリエ変換を用いずに入力
信号列X n の周波数f n を抽出できる。これにより、少
ない演算量で高速処理が可能となると共に、単純な演算
方法にもかかわらず、高精度に入力信号列X n の周波数
f n を抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の周波数分析装置の構成ブロッ
ク図である。
ク図である。
【図2】従来の周波数分析装置の構成ブロック図であ
る。
る。
【図3】図2の信号波形図である。
【図4】図2の信号波形図である。
【図5】本実施例による周波数分析結果の一例を示す図
である。
である。
53 瞬時パワー演算回路 54 瞬時1次相関演算回路 55 第1のローパスフィルタ 56 第2のローパスフィルタ 57 正規化回路 58 周波数演算回路 x(t) 時系列信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−143394(JP,A) 特開 昭58−220200(JP,A) 特開 昭59−212898(JP,A) 特開 昭61−32097(JP,A) 特開 昭61−32098(JP,A) 特開 昭61−32099(JP,A) 特開 昭62−180398(JP,A) 特開 昭63−261180(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G10L 11/00 - 11/04
Claims (2)
- 【請求項1】 所定の時間間隔Tsで離散化された時系
列信号である入力信号列X n (但し、nは時刻、n=
0,1,2,…)の周波数f n を抽出する周波数分析装
置において、 前記入力信号列X n の振幅値を2乗して瞬時パワーP n
(=X n 2 )を求める瞬時パワー演算手段と、 前記入力信号列X n を前記1時間間隔Tsだけ遅延さ
せ、この遅延した信号X n-1 の振幅値と該入力信号列X
n の振幅値とを乗算して瞬時1次相関関数C n (=X n
・X n-1 )を求める瞬時1次相関演算手段と、 前記瞬時パワーP n の高周波成分を除去して除去後の信
号P na を出力する第1の高周波除去手段と、 前記瞬時1次相関関数C n の高周波成分を除去して除去
後の信号C na を出力する第2の高周波除去手段と、 前記信号C na を前記信号P na で除算することにより正規
化して1次相関係数γ n (=C na /P na )を求める正規
化手段と、 前記1次相関係数γ n の逆余弦を演算して前記入力信号
列X n の周波数f n (=(1/2πTs)・arccos・γ
n 、但しarccosは逆余弦関数)を求める周波数演算手段
と、 を有することを特徴とする周波数分析装置。 - 【請求項2】 前記第1の高周波除去手段は、インパル
ス応答W n により前記瞬時パワーP n を畳み込み演算し
て前記信号P na を出力し、前記第2の高周波除去手段
は、インパルス応答W n により前記瞬時1次相関関数C
n を畳み込み演算して前記信号C na を出力する構成にし
たことを特徴とする請求項1記載の周波数分析装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP40447190A JP3263091B2 (ja) | 1990-12-20 | 1990-12-20 | 周波数分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP40447190A JP3263091B2 (ja) | 1990-12-20 | 1990-12-20 | 周波数分析装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04219800A JPH04219800A (ja) | 1992-08-10 |
JP3263091B2 true JP3263091B2 (ja) | 2002-03-04 |
Family
ID=18514141
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP40447190A Expired - Fee Related JP3263091B2 (ja) | 1990-12-20 | 1990-12-20 | 周波数分析装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3263091B2 (ja) |
-
1990
- 1990-12-20 JP JP40447190A patent/JP3263091B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04219800A (ja) | 1992-08-10 |
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