JP3346524B2

JP3346524B2 - 非線形歪測定方法

Info

Publication number: JP3346524B2
Application number: JP06557896A
Authority: JP
Inventors: 豊金田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 2002-11-18
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: JPH09261799A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スピーカ出力などに含
まれる非線形歪の歪量を測定する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】スピーカから大きな音を発生させた時、
非線形歪が発生する。この非線形歪は、聴感上の音色劣
化や、音響信号処理系の性能（例えば、音響エコーキャ
ンセラのエコー消去性能）劣化などの原因となる。従っ
て、使用するスピーカから発生している歪の大きさを定
量的に把握しておくことは重要である。

【０００３】正弦波入力に対する高調波歪は測定法が確
立されている。しかし、広帯域信号入力に対する非線形
歪は、これを直接的に測定することはできない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで従来、広帯域信
号入力に対する非線形歪は、コヒーレンス関数などの統
計的手法を用いて推定を行ってきた。しかし、統計的手
法では、精度向上のために多数回の平均計算が必要とな
り、演算量が多大となるという問題点があった。

【０００５】本発明は、上記の問題点、即ち、被測定系
の出力に含まれる非線形歪を精度良く測定するために、
多大な演算量が必要となる、という従来の問題を解決す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、確定的な擬
似ランダム信号であるＭ系列信号を用いた非線形歪の測
定方法を案出することで、上記問題点の解決を図った。
以下に、その方法の基本原理を説明する。

【０００７】まず最初に、測定すべき歪量の定義を行
う。非線形性を含む線形系に、信号ｘ（ｋ）を入力した
時の出力信号ｙ（ｋ）は、次式のように表すことができ
る。

【０００８】

【数１】ただし、ｈ（ｋ）はインパルス応答、＊は畳み込みを表
す。また、右辺のｈ（ｋ）＊ｘ（ｋ）は線形な応答を、
ｄ（ｋ）は非線形応答成分を、ｎ（ｋ）は定常な背景雑
音を表し、それぞれは無相関な信号であるものとする。

【０００９】この時、‘雑音・歪量’Ｄ_N 、および、歪
量Ｄを次のように定義する。

【００１０】

【数２】

【００１１】

【数３】ただし、Ｅ_s ，Ｅ_d ，Ｅ_n はそれぞれ、式（１）の右辺
各項、ｈ（ｋ）＊ｘ（ｋ），ｄ（ｋ），ｎ（ｋ）のエネ
ルギー（２乗和）を表す。

【００１２】さて、Ｄ_N およびＤの値を測定するために
は、Ｅ_s ，Ｅ_d ，Ｅ_n の値を別個に測定することが必要
である。Ｍ系列信号を入力とすれば、このことが可能と
なることを以下に説明する。

【００１３】ここで、Ｍ系列信号とは二値疑似不規則信
号（Binary pseudo-random signal）の中の一つである
最大周期列信号（Maximum period sequence）のことで
ある。このＭ系列信号を測定に使用する場合には、値は
１か−１の二値をとる信号とする。Ｍ系列信号の周期Ｌ
は、２^p−１（ただし、ｐは整数）とする。Ｍ系列信号
はその周波数スペクトルが白色であるという性質を持
ち、発生に再現性があって発生方法も簡単なため、各種
のシミュレーションや測定用信号として広く利用されて
いる。

【００１４】式（１）の入力信号ｘ（ｋ）として、周期
的に発生させたＭ系列信号ｍ（ｋ）を用いる。そして、
その時の出力信号ｙ（ｋ）に、ｍ（ｋ）の時間軸を反転
させた信号ｍ（−ｋ）を畳み込む。この手順はインパル
ス応答測定手順と同一である。畳み込みの結果を、時刻
０から一周期Ｌまでの区間で切り出した信号をｈ’
（ｋ）（０≦ｋ＜Ｌ）と表すと、式（１）より、

【００１５】

【数４】となる。但し、ｘ（ｋ）（＝ｍ（ｋ））とｍ（−ｋ）の
畳み込みは単位パルスになることを利用した。また、
ｈ’（ｋ）は、長さがＬの信号として得られるので、以
降、Ｌを測定区間長と呼ぶ。

【００１６】ここで、式（４）の右辺各項のエネルギー
をそれぞれＥ’_s ，Ｅ’_d ，Ｅ’_nと表す。ｍ（−ｋ）
の畳み込み演算は各項の持つエネルギーの比を変化させ
ない。従って、式（２），（３）は次のように表され
る。

【００１７】

【数５】

【００１８】

【数６】〔Ｅ’_s の測定〕Ｅ’_s はＥ’_d ＋Ｅ’_n より十分に
（例えば２０ｄＢ程度）大きな量であって、

【００１９】

【数７】が成立するものと仮定する。この式の右辺は、式（４）
のｈ’（ｋ）のエネルギーであるので、Ｅ’_s は次式に
よって測定される。

【００２０】

【数８】〔Ｅ’_d ＋Ｅ’_n およびＤ_N 測定〕通常の線形系のイン
パルス応答は減衰波形となっているため、ある程度の継
続時間以降は、その値がほぼ零であるとみなすことがで
きる。そこで、インパルス応答ｈ（ｋ）の継続長に比べ
てＭ系列の周期Ｌを十分に長く選べば、式（４）のｈ’
（ｋ）の波形は図１のようになる。図１において、横軸
は時間、縦軸は振幅を表わす。図１に示すようにインパ
ルス応答ｈ（ｋ）のエネルギーＥ’_s は時間軸の原点近
くに集中し、測定結果の後半部においては、Ｅ’_s の値
は十分に減衰しているため無視できる。一方、式（４）
の右辺第２，３項のエネルギーは全時間区間にほぼ一様
に分布したものとなる［参考文献：C.Dunn et.al.,J.Au
dio Eng.Soc. 41,5,pp.314-335,1993 May.］。従って、
測定結果の後半部には非線形項と雑音項のみが現れてお
り、次式により、Ｅ’_d ＋Ｅ’_n の値が測定できる。

【００２１】

【数９】式（５），（８），（９）よりＤ_N の測定値が得られ
る。

【００２２】なお、式（９）では、後ろ半分の区間のエ
ネルギーを２倍してＥ’_d ＋Ｅ’_nの値を求めたが、こ
のエネルギー計算区間は、後ろ半分に限定されるもので
はなく、「インパルス応答のエネルギーＥ’_s の値が無
視できる区間」であればよい。即ち、「Ｅ’_s の値が無
視できる区間」において、波形の２乗平均値を求めて、
測定区間長Ｌを乗ずれば、Ｅ’_d ＋Ｅ’_n の測定値が得
られる。

【００２３】さて、式（２），（３）からわかるよう
に、背景雑音が十分に小さく（即ち、Ｅ_d 》Ｅ_n ）、Ｅ
_d ＋Ｅ_n ≒Ｅ_d とみなせるという条件下では、‘雑音・
歪量’Ｄ_N は歪量Ｄと一致する。一般には、測定結果に
含まれる非線形歪成分と雑音成分を分離することは困難
なので、この条件を仮定し、‘雑音・歪量’Ｄ_N を歪量
Ｄとみなすことが、通例である。従って、本発明の目的
もＤ_N が測定できれば達成できる。

【００２４】また、Ｍ系列信号として、音声の平均的な
スペクトルを有するフィルタを通したものを用いるもの
である。

【００２５】

【作用】本発明においては、Ｍ系列信号ｍ（ｋ）を被測
定系に入力信号として入力し、そのとき出力ｙ（ｋ）に
対して、Ｍ系列信号ｍ（−ｋ）を畳み込み、この結果得
られた信号ｈ´（ｋ）の測定区間長ＬのエネルギーＥ１
と、畳み込み出力ｈ´（ｋ）における被測定系のインパ
ルス応答の存在が無視できる時間区間のパワーを求め、
このパワーにｈ´（ｋ）の測定区間長Ｌを乗じてエネル
ギーＥ２を求め、Ｄ＝Ｅ２／Ｅ１から歪量Ｄを測定す
る。

【００２６】また、Ｍ系列信号として、音声の平均的な
スペクトルを有するフィルタを通すことにより、音声信
号に対して正しい歪量の測定を可能とする。

【００２７】

【実施例】図２は、本発明の測定方法を実施する装置の
一実施例を示したブロック図である。この図において、
２１は被測定系、２２はこの被測定系２１の入力端子、
２３は同じく出力端子、２４はＭ系列信号発生部、２５
はＡＤ変換器、２６は畳み込み部、２７は信号エネルギ
ー計算部、２８は雑音・歪エネルギー計算部、２９は雑
音・歪量計算部を表す。

【００２８】この実施例の動作は以下のようである。ま
ず、Ｍ系列信号発生部２４から発生させたＭ系列信号ｍ
（ｋ）を被測定系２１の入力端子２２に供給する。そし
て、被測定系２１の出力端子２３から出た信号は、ＡＤ
変換器２５によって、ディジタル化され、信号ｙ（ｋ）
を得る。次に、畳み込み部２６において、ｙ（ｋ）と、
時間軸を反転させたＭ系列信号ｍ（−ｋ）を、式（４）
に示すように、畳み込んで、信号ｈ’（ｋ）を得る。次
に、信号エネルギー計算部２７において、式（８）に基
づいて、信号エネルギーＥ’_s を計算する。また、同時
に雑音・歪エネルギー計算部２８において、式（９）に
基づいて、雑音・歪エネルギー（Ｅ’_d＋Ｅ’_n ）を計
算する。最後に、雑音・歪量計算部２９において、式
（５）に基づいて雑音・歪量Ｄ_N を計算する。以上の操
作によって、本発明が実行される。

【００２９】以上説明した本測定方法で用いるＭ系列信
号は確定的信号であるので、白色雑音などのような統計
的信号を用いる従来の測定法とは異なり、測定値を得る
ための平均化操作を行う必要がない。従って、以上の演
算操作を１回行うだけで求める非線形歪量が計算でき
る。その結果、複数回の演算結果を平均化する必要のあ
る従来法と比べて、演算量が大幅に低減できる。

【００３０】次に本発明の他の実施例について説明す
る。非線形歪は入力信号に対する周波数成分依存性があ
るものと考えられる。一方、上記した方法は、スペクト
ルが白色信号であるＭ系列信号に対する歪量であった。
従って、音声信号などの有色入力信号に対する歪量が多
少異なってくるものと考えられる。しかし、この問題は
次のように解決が可能である。即ち、音声信号など、あ
る特定の有色入力信号に対する歪量は、その有色スペク
トルを持つフィルタ、つまり、音声の平均的なスペクト
ルを有するフィルタでＭ系列信号を有色化した後、歪の
評価を行えばよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、確定的
信号であるＭ系列信号を用いて、非線形歪量の測定を行
う方法である。確定的信号を用いた場合は、白色雑音な
どのような統計的信号を用いる従来の測定法とな異な
り、測定値を得るための平均化操作を行う必要がない。
その結果、複数回の演算結果を平均化する必要のある従
来法と比べて、演算量が大幅に低減できるという長所を
有する。

【００３２】また、Ｍ系列信号を音声の平均的なスペク
トルを有するフィルタを通すようにしたので、音声信号
に対しても正確な歪量の測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】式（４）のｈ’（ｋ）の波形を示す図である。

【図２】本発明の実施例を示すブロック図である。

【符号の説明】

２１被測定系２２入力端子２３出力端子２４Ｍ系列信号発生部２５ＡＤ変換器２６畳み込み部２７信号エネルギー計算部２８雑音・歪エネルギー計算部２９雑音・歪量計算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 29/00 310 G01H 17/00 G01R 23/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定系に含まれる非線形歪の歪量を測
定する方法であって、前記被測定系にＭ系列信号ｍ
（ｋ）を入力し、そのときの出力ｙ（ｋ）に対して時間
軸を反転したＭ系列信号ｍ（−ｋ）を畳み込み、畳み込
みの結果として得られた信号ｈ’（ｋ）の測定区間長Ｌ
のエネルギーＥ１を計算し、前記畳み込み信号ｈ’
（ｋ）において被測定系のインパルス応答の存在が無視
できる時間区間のパワーを計算し、計算したパワーに畳
み込み信号ｈ’（ｋ）の測定区間長Ｌを乗じてエネルギ
ーＥ２を計算し、Ｄ＝Ｅ２／Ｅ１として歪量Ｄを測定す
ることを特徴とする非線形歪測定方法。
【請求項２】請求項１の非線形歪測定方法において、
前記Ｍ系列信号ｍ（ｋ）は、音声の平均的なスペクトル
を有するフィルタを通したものであることを特徴とする
非線形歪測定方法。