JPH0139056B2 - - Google Patents
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- JPH0139056B2 JPH0139056B2 JP9942383A JP9942383A JPH0139056B2 JP H0139056 B2 JPH0139056 B2 JP H0139056B2 JP 9942383 A JP9942383 A JP 9942383A JP 9942383 A JP9942383 A JP 9942383A JP H0139056 B2 JPH0139056 B2 JP H0139056B2
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- signal analysis
- analysis device
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- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims 1
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- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 9
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Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、音響等の連続信号から帯域幅、共振
周波数等を抽出して出力する信号分析装置に関
し、主として船舶の航走音などの、機械音から対
象に特有の帯域幅、共振周波数、インパルス応答
等を特徴として捕えることを目的とする信号分析
装置に関するものである。
周波数等を抽出して出力する信号分析装置に関
し、主として船舶の航走音などの、機械音から対
象に特有の帯域幅、共振周波数、インパルス応答
等を特徴として捕えることを目的とする信号分析
装置に関するものである。
この種の信号分析装置として、線形予測係数を
用いるものが提案（特開昭51−112377参照）され
ているが、その場合、時間差零付近の自己相関関
数から線形予測係数を求めていたので、雑音除去
が不充分で、抽出精度が悪かつた。
用いるものが提案（特開昭51−112377参照）され
ているが、その場合、時間差零付近の自己相関関
数から線形予測係数を求めていたので、雑音除去
が不充分で、抽出精度が悪かつた。
本発明は、時間差零付近の自己相関関数を用い
る代りに、時間差が信号ピークの１ピツチだけ離
れた時点を中心とするある領域内の自己相関関数
を用いて線形予測係数を求めることで、雑音除去
を可能にし、抽出精度の向上化を図ろうとするも
のである。
る代りに、時間差が信号ピークの１ピツチだけ離
れた時点を中心とするある領域内の自己相関関数
を用いて線形予測係数を求めることで、雑音除去
を可能にし、抽出精度の向上化を図ろうとするも
のである。
本発明の特徴は、上記目的を達成するために、
入力信号をサンプリングして得られるデジタル信
号から一定時間間隔ごとに自己相関関数を求める
自己相関計と、この自己相関関数をある所定数だ
け累加する累加装置と、この累加自己相関関数か
ら入力信号のピークのピツチ概略値を抽出するピ
ツチ抽出装置と、時間差が時間零時点から上記ピ
ツチ概略値だけ離れた点を中心とする前後の、あ
る一定時間領域内の自己相関関数を補間で求める
補間装置と、補間された自己相関関数から時間差
が正確に１ピツチ離れた点の自己相関関数を再生
する再生装置と、この再生自己相関関数からAIC
（情報量規準）による最適次数の線形予測係数を
求める線形予測係数抽出装置と、この線形予測係
数を用いてスペクトル上で意味のある帯域幅、共
振周波数あるいはインパルス応答を求めてこれを
スペクトル表示装置、インパルス応答聴音器にそ
れぞれ出力する回路手段とを備えた構成とするに
ある。
入力信号をサンプリングして得られるデジタル信
号から一定時間間隔ごとに自己相関関数を求める
自己相関計と、この自己相関関数をある所定数だ
け累加する累加装置と、この累加自己相関関数か
ら入力信号のピークのピツチ概略値を抽出するピ
ツチ抽出装置と、時間差が時間零時点から上記ピ
ツチ概略値だけ離れた点を中心とする前後の、あ
る一定時間領域内の自己相関関数を補間で求める
補間装置と、補間された自己相関関数から時間差
が正確に１ピツチ離れた点の自己相関関数を再生
する再生装置と、この再生自己相関関数からAIC
（情報量規準）による最適次数の線形予測係数を
求める線形予測係数抽出装置と、この線形予測係
数を用いてスペクトル上で意味のある帯域幅、共
振周波数あるいはインパルス応答を求めてこれを
スペクトル表示装置、インパルス応答聴音器にそ
れぞれ出力する回路手段とを備えた構成とするに
ある。
まず、本発明の原理について説明する。
上述のように、本発明においては、時間差が１
ピツチだけ離れた時点付近の自己相関関数から線
形予測係数を求める。そのために、シヤノンのサ
ンプリング定理により、ピツチ非同期の自己相関
関数から、補間により、ピツチに同期した自己相
関関数を再生する。即ち、ピツチ非同期の相関関
数Vsが、時間軸上での信号波形をfi， ｉ＝０，１，２，…Ｎとして Vs＝N 〓i=0 fifi+s，ｓ＝０，１，２，… で与えられるとき、再生自己相関関数Roは となる。ただし、Δは信号のサンプリング時間間
隔〔第１図ｂ参照〕、N1は１ピツチ当りのデータ
数であり、予め求めた概略ピツチをPt′〔第１図
ａ参照〕とすれば N1＝Pt′／Δ の関係があり、また再生自己相関関数におけるサ
ンプリング時間Ｔ（ピツチ分解能とも呼ばれる）
は Ｔ＝Δ／（NH＋１） となる。
ピツチだけ離れた時点付近の自己相関関数から線
形予測係数を求める。そのために、シヤノンのサ
ンプリング定理により、ピツチ非同期の自己相関
関数から、補間により、ピツチに同期した自己相
関関数を再生する。即ち、ピツチ非同期の相関関
数Vsが、時間軸上での信号波形をfi， ｉ＝０，１，２，…Ｎとして Vs＝N 〓i=0 fifi+s，ｓ＝０，１，２，… で与えられるとき、再生自己相関関数Roは となる。ただし、Δは信号のサンプリング時間間
隔〔第１図ｂ参照〕、N1は１ピツチ当りのデータ
数であり、予め求めた概略ピツチをPt′〔第１図
ａ参照〕とすれば N1＝Pt′／Δ の関係があり、また再生自己相関関数におけるサ
ンプリング時間Ｔ（ピツチ分解能とも呼ばれる）
は Ｔ＝Δ／（NH＋１） となる。
このとき、再生自己相関関数列Roのピークの
存在する時刻をnnaxとすれば、推定ピツチPtは Pt＝１／２N1・Δ＋（nnax−１）Ｔ であり、補間再生された自己相関関数Vs *は Vs *＝Ｒ（（nnax−１）Ｔ＋sΔ），ｓ＝０，１，
…，Ｐで与えられる。ただし、Ｒ（nT）＝Roであ
る。
存在する時刻をnnaxとすれば、推定ピツチPtは Pt＝１／２N1・Δ＋（nnax−１）Ｔ であり、補間再生された自己相関関数Vs *は Vs *＝Ｒ（（nnax−１）Ｔ＋sΔ），ｓ＝０，１，
…，Ｐで与えられる。ただし、Ｒ（nT）＝Roであ
る。
従つて、正規方程式を解いて線形予測係数を求
める際には、第１図ａに示すように１ピツチ付近
の雑音に乱されない、信号だけの自己相関関数
Vs *を用いることにより、雑音の影響のない線形
予測係数が得られる。
める際には、第１図ａに示すように１ピツチ付近
の雑音に乱されない、信号だけの自己相関関数
Vs *を用いることにより、雑音の影響のない線形
予測係数が得られる。
予測次数の決定に際しては、AIC（情報量規準）
を用いる。即ち AIC＝Nlog eσ2 p２（ｐ＋１） で定義され、ｐは予測次数、Ｎは全データ数、σ2
は残差自乗平均である。各次数について正規方程
式を解き、線形予測係数 ｛A1 1｝，ｐ＝１ ｛A2 1，A2 2｝ ……………… …… ｛Ap 1，Ap 2，…，Ap p｝，ｐ＝ｐ を求め、そのときのAICの値が最小となる予測次
数を最適パラメータ数とする。
を用いる。即ち AIC＝Nlog eσ2 p２（ｐ＋１） で定義され、ｐは予測次数、Ｎは全データ数、σ2
は残差自乗平均である。各次数について正規方程
式を解き、線形予測係数 ｛A1 1｝，ｐ＝１ ｛A2 1，A2 2｝ ……………… …… ｛Ap 1，Ap 2，…，Ap p｝，ｐ＝ｐ を求め、そのときのAICの値が最小となる予測次
数を最適パラメータ数とする。
最適パラメータ数をp0とすれば、p0次の線形予
測係数｛Ap0 1，Ap0 2，…，Ap0 p0｝を係数とする代数
方程式を解くことにより、p0個の｛共振周波数fi，
帯域幅Bi｝の組｛f1，B1｝，｛f2，B2｝，……，
｛fp0，Bp0｝が得られる。このとき、対象となる
物理系の極の数が既知であれば、帯域幅の小さい
方から、その次数分だけの共振周波数、帯域幅を
残し、残りは捨て去る。あるいは、帯域幅の極端
に大きいものは、雑音や計算誤差を近似している
次数であるとみなせるので、取り込む必要はな
い。
測係数｛Ap0 1，Ap0 2，…，Ap0 p0｝を係数とする代数
方程式を解くことにより、p0個の｛共振周波数fi，
帯域幅Bi｝の組｛f1，B1｝，｛f2，B2｝，……，
｛fp0，Bp0｝が得られる。このとき、対象となる
物理系の極の数が既知であれば、帯域幅の小さい
方から、その次数分だけの共振周波数、帯域幅を
残し、残りは捨て去る。あるいは、帯域幅の極端
に大きいものは、雑音や計算誤差を近似している
次数であるとみなせるので、取り込む必要はな
い。
なお、第１図ａは時間差零付近に雑音の相関が
加わつて本来の自己相関関数波形が損なわれる
が、１ピツチ付近では雑音の影響のない、信号だ
けの自己相関関数が現われることを示す図であ
る。図中の“Δ”印はピツチ非同期のサンプリン
グ点を示し、“。”印はそれから補間再生されたピ
ツチ同期のサンプリング点を示している。第１図
ｂはサンプリング時間間隔ΔにNH個の補間点を
とることを示す図である。
加わつて本来の自己相関関数波形が損なわれる
が、１ピツチ付近では雑音の影響のない、信号だ
けの自己相関関数が現われることを示す図であ
る。図中の“Δ”印はピツチ非同期のサンプリン
グ点を示し、“。”印はそれから補間再生されたピ
ツチ同期のサンプリング点を示している。第１図
ｂはサンプリング時間間隔ΔにNH個の補間点を
とることを示す図である。
以下、本発明の一実施例を、第２図に示すブロ
ツク構成図に従つて説明する。入力された連続信
号をＡ／Ｄ変換器１でデジタル符号列に変換し、
自己相関計２で、制御装置１２の制御により、一
定時間間隔ごとに自己相関関数を求める。この自
己相関関数は、累加装置３で累加される。累加装
置３において累加される自己相関関数の個数は制
御装置１２により制御される。累加された自己相
関関数はピツチ抽出装置４に送られ、ここで、ピ
ツチ概略値が抽出され、1/2ピツチから3/2ピツチ
までの時間領域内における自己相関関数が、補間
装置５により補間で求められる。このときの補間
の個数は制御装置１２で制御される。次の自己相
関関数再生装置６において、上記の補間された自
己相関関数から、１ピツチ目のピークを正確に求
め、それを推定ピツチとし、この推定ピツチを中
心にして、自己相関関数を元のサンプリング時間
でサンプリングすることにより、ピツチに同期し
た自己相関関数が再生される。この再生自己相関
関数をAICによる最適次数の線形予測係数抽出装
置７に加え、得られた最適次数の線形予測係数か
ら帯域幅、共振周波数を求めるが、帯域幅、共振
周波数選択装置８において、スペクトル上で意味
のある帯域幅、共振周波数をより分ける。選択さ
れた帯域幅、共振周波数はスペクトル波形として
スペクトル装置９で表示される。また、最適次数
の線形予測係数はインパルス応答装置１０にも印
加され、ここでインパルス応答が求められ、これ
をインパルス応答聴音器１１で聴くことも可能で
ある。これらの全体の動作は制御装置１２により
制御される。制御装置１２は、操作パネル１３を
介して、使用者からの指示により、動作モードを
変更する。
ツク構成図に従つて説明する。入力された連続信
号をＡ／Ｄ変換器１でデジタル符号列に変換し、
自己相関計２で、制御装置１２の制御により、一
定時間間隔ごとに自己相関関数を求める。この自
己相関関数は、累加装置３で累加される。累加装
置３において累加される自己相関関数の個数は制
御装置１２により制御される。累加された自己相
関関数はピツチ抽出装置４に送られ、ここで、ピ
ツチ概略値が抽出され、1/2ピツチから3/2ピツチ
までの時間領域内における自己相関関数が、補間
装置５により補間で求められる。このときの補間
の個数は制御装置１２で制御される。次の自己相
関関数再生装置６において、上記の補間された自
己相関関数から、１ピツチ目のピークを正確に求
め、それを推定ピツチとし、この推定ピツチを中
心にして、自己相関関数を元のサンプリング時間
でサンプリングすることにより、ピツチに同期し
た自己相関関数が再生される。この再生自己相関
関数をAICによる最適次数の線形予測係数抽出装
置７に加え、得られた最適次数の線形予測係数か
ら帯域幅、共振周波数を求めるが、帯域幅、共振
周波数選択装置８において、スペクトル上で意味
のある帯域幅、共振周波数をより分ける。選択さ
れた帯域幅、共振周波数はスペクトル波形として
スペクトル装置９で表示される。また、最適次数
の線形予測係数はインパルス応答装置１０にも印
加され、ここでインパルス応答が求められ、これ
をインパルス応答聴音器１１で聴くことも可能で
ある。これらの全体の動作は制御装置１２により
制御される。制御装置１２は、操作パネル１３を
介して、使用者からの指示により、動作モードを
変更する。
以下、本発明の効果を、シミユレーシヨン実験
結果により説明する。従来の信号分析装置におい
ては、SN比が悪いとき、帯域幅が真値よりかな
り広くなる傾向がある。即ち、単一共振モデルの
信号として5exp（−ｔ）sin2πtの減衰正弦波をピ
ツチ周期５秒で繰り返した第３図波形を、サンプ
リング時間0.2秒でサンプリングし、それに雑音
として正規乱数を加法的に加えることで第４図波
形が得られる。この場合、ピツチに同期したサン
プリング時間なので、補間数を零とした。そのと
き、 SN比＝信号の標準偏差／雑音の標準偏差 でSN比を定義すれば、SN比＝−2.75dBの減衰
正弦波信号である。この第４図の波形信号を、従
来の信号分析装置を用いて、予測次数は単共振で
あるので２とし、自己相関関数の累加数を500回、
積分区間は75データ数として、分析した。その結
果、帯域幅は1.29Hz、共振周波数は1.14Hzと求め
られた。この結果は、自己相関関数の累加数及び
積分区間をさらに増大させても、ほとんど変化し
なかつた。
結果により説明する。従来の信号分析装置におい
ては、SN比が悪いとき、帯域幅が真値よりかな
り広くなる傾向がある。即ち、単一共振モデルの
信号として5exp（−ｔ）sin2πtの減衰正弦波をピ
ツチ周期５秒で繰り返した第３図波形を、サンプ
リング時間0.2秒でサンプリングし、それに雑音
として正規乱数を加法的に加えることで第４図波
形が得られる。この場合、ピツチに同期したサン
プリング時間なので、補間数を零とした。そのと
き、 SN比＝信号の標準偏差／雑音の標準偏差 でSN比を定義すれば、SN比＝−2.75dBの減衰
正弦波信号である。この第４図の波形信号を、従
来の信号分析装置を用いて、予測次数は単共振で
あるので２とし、自己相関関数の累加数を500回、
積分区間は75データ数として、分析した。その結
果、帯域幅は1.29Hz、共振周波数は1.14Hzと求め
られた。この結果は、自己相関関数の累加数及び
積分区間をさらに増大させても、ほとんど変化し
なかつた。
上記の減衰正弦波から得られる帯域幅、共振周
波数の真値は、それぞれ0.318Hz，1.00Hzである。
従つて、従来方式での分析結果は、帯域幅では真
値の約４倍となる過大推定であり、共振周波数で
10％以上の誤差となる。これに対し、本考案の方
式によるときは、帯域幅及び共振周波数がそれぞ
れ0.310Hz、1.01Hzと求められ、抽出精度が著し
く改善されることが確認された。
波数の真値は、それぞれ0.318Hz，1.00Hzである。
従つて、従来方式での分析結果は、帯域幅では真
値の約４倍となる過大推定であり、共振周波数で
10％以上の誤差となる。これに対し、本考案の方
式によるときは、帯域幅及び共振周波数がそれぞ
れ0.310Hz、1.01Hzと求められ、抽出精度が著し
く改善されることが確認された。
なお、第２図実施例回路において自己相関関数
を求める積分時間が雑音に比較して長いときは、
累加装置３の設置は省略しても差支えない。ま
た、インパルス応答聴音器１１とスペクトル表示
装置９とは、必要に応じてその一方を省略するこ
とも、あるいはその機能の一部のみを使用するこ
とも可能である。
を求める積分時間が雑音に比較して長いときは、
累加装置３の設置は省略しても差支えない。ま
た、インパルス応答聴音器１１とスペクトル表示
装置９とは、必要に応じてその一方を省略するこ
とも、あるいはその機能の一部のみを使用するこ
とも可能である。
第１図ａは自己相関関数と時間差との関係を説
明する図、第１図ｂはサンプリング時間間隔Δ内
にNH個の補間点をとることを示す図、第２図は
本発明の一実施例のブロツク構成図、第３図は効
果の比較実験用に想定した物理系から得られる信
号波形図、第４図は第３図の信号に雑音を加法的
に加えて得られる信号波形図である。 符号の説明、１……Ａ／Ｄ変換器、２……自己
相関計、３……累加装置、４……ピツチ抽出装
置、５……補間装置、６……自己相関関数再生装
置、７……線形予測係数抽出装置、８……帯域
幅、共振周波数選択装置、９……スペクトル表示
装置、１０……インパルス応答装置、１１……イ
ンパルス応答聴音器、１２……制御装置、１３…
…操作パネル。
明する図、第１図ｂはサンプリング時間間隔Δ内
にNH個の補間点をとることを示す図、第２図は
本発明の一実施例のブロツク構成図、第３図は効
果の比較実験用に想定した物理系から得られる信
号波形図、第４図は第３図の信号に雑音を加法的
に加えて得られる信号波形図である。 符号の説明、１……Ａ／Ｄ変換器、２……自己
相関計、３……累加装置、４……ピツチ抽出装
置、５……補間装置、６……自己相関関数再生装
置、７……線形予測係数抽出装置、８……帯域
幅、共振周波数選択装置、９……スペクトル表示
装置、１０……インパルス応答装置、１１……イ
ンパルス応答聴音器、１２……制御装置、１３…
…操作パネル。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 音響等の連続信号の信号分析装置において、
入力信号から自己相関関数に対応した量を計算す
る計算手段と、該自己相関関数に対応した量から
入力信号のピークのピツチ概略値を算出するピツ
チ算出手段と、時間差が時間零時点から上記ピツ
チ概略値だけ離れた概略時点を基準とする所定時
間領域内の自己相関関数を補間演算により求める
補間演算手段と、補間演算により求められた自己
相関関数にもとづき上記時間零時点から１ピツチ
だけ離れた時点の自己相関関数を再生する再生手
段と、再生された自己相関関数から線形予測係数
を算出する線形予測係数算出手段とを備えたこと
を特徴とする信号分析装置。 ２ 上記自己相関関数に対応した量はフレーム周
期ごとに計算された自己相関関数を累加した量で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項の信
号分析装置。 ３ 上記所定領域は上記概略時点を中心とする前
後を含む所定時間幅の領域であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項または第２項の信号分析
装置。 ４ 上記所定領域は上記概略時点の前または後に
おける所定時間幅の領域であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項または第２項の信号分析装
置。 ５ 上記線形予測係数算出手段は再生された自己
相関関数から情報量規準により最適次数の線形予
測係数を求めることを特徴とする特許請求の範囲
第１項乃至第４項いずれか１項の信号分析装置。 ６ 上記線形予測係数算出手段は線形予測係数か
ら求められた帯域幅と共振周波数とスペクトル包
絡またはインパルス応答とを表示するスペクトル
表示手段と、インパルス応答聴音手段とを含むこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５項
いずれか１項の信号分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9942383A JPS59632A (ja) | 1983-06-06 | 1983-06-06 | 信号分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9942383A JPS59632A (ja) | 1983-06-06 | 1983-06-06 | 信号分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59632A JPS59632A (ja) | 1984-01-05 |
| JPH0139056B2 true JPH0139056B2 (ja) | 1989-08-17 |
Family
ID=14247050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9942383A Granted JPS59632A (ja) | 1983-06-06 | 1983-06-06 | 信号分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59632A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4505589B2 (ja) * | 2005-03-15 | 2010-07-21 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 周期判定装置、周期判定方法および周期判定プログラム |
| JP6173721B2 (ja) * | 2012-09-27 | 2017-08-02 | 株式会社ダイヘン | 周波数解析装置、当該周波数解析装置を用いた信号処理装置、および、当該信号処理装置を用いた高周波測定装置 |
-
1983
- 1983-06-06 JP JP9942383A patent/JPS59632A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59632A (ja) | 1984-01-05 |
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