JPH02132500A

JPH02132500A - ピッチ抽出装置および遮断周波数最適化装置

Info

Publication number: JPH02132500A
Application number: JP28710288A
Authority: JP
Inventors: Nobuhide Yamazaki; 山崎　信英; Hiroki Uchiyama; 博喜内山; Hiroo Kitagawa; 博雄北川
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-07-25
Filing date: 1988-11-14
Publication date: 1990-05-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、音声信号のピッチ周期もしくは周波数を抽出
するピッチ抽出装置に関する。

〔従来の技術と解決すべき問題点〕

音声認識、話者認識、音声応答などの分野における重要
な技術的課題の一つに、入力信号の音声区間のピッチ周
期もしくは周波数の抽出がある。

従来、この種のピッチ抽出技術としては、自己相関を用
いる方式、ケプストラムを用いる方式、あるいは零交差
数などを用いる方式がある。

しかし、自己相関またはケプスドラムを用いる方式は、
所定時間長の音声サンプル系列を用いて繰返し演算を行
うものであり、その演算に必要なメモリ容量と演算回数
は膨大であるため、簡易なハードウェア構成でしかも実
時間処理によるピッチ抽出の実現は難しい。

零交差数を用いる方式は演算量は少なく処理が簡単であ
るので、小規模なハードウェア構成で実時間のピッチ抽
出が可能であるが、雑音などの影響を受けやすく倍ピッ
チなどの抽出誤差が多い。

また、ピッチ抽出処理の前に、遮断周波数が９００Ｈｚ
の低域フィルタ（ｌｏｗ−ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ）に
音声信号を通して、音声信号のピッチ周波数以外の高周
波成分を除くことにより、ピッチ抽出精度を高める技術
が、ゾーンディヒ（　Ｓ　ｏｎｄｉｈｉ）により報告さ
れている［書籍″スピーチ信号のデジタル処理”　（Ｄ
ｉｇｉｔａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｐｅｅ
ｃｈ　Ｓｉｇｎａｌｓ）　．エル・アール・ラビネール
（ＬＲ．Ｒａｂｉｎｅｒ　）ほか，プレンティス・ホー
ル（　ｐ　ｒ６ｎｔｉｃｅ−ｈａｌｌ）社，１９８７年
＋　Ｐｐ．１５０　　１５８コ。

この低域フィルタの遮断周波数は、入力音声信号のピッ
チ周波数の付近に定めることが適当である。しかし、入
力音声信号のピッチ周波数は，時々刻々変化するもので
あり、また発声者が男性であるか女性であるかによって
大きく異なることから、最適な遮断周波数を一意に決定
することは宛しい。特に低域フィルタの遮断周波数の影
響を大きく受ける零交差数などを用いるピッチ抽出方式
では、遮断周波数が不適切であると倍ピッチ、半ピッチ
などの抽出誤りが多い。

他方、音声信号を低域フィルタに通すと無声を有声とす
る誤りが増加したり、非線形クリッピングによる処理の
過程での信号レベル変化によりピッチの大きな誤りも増
加するとの観点から低域フィルタを削除したピッチ抽出
方法も報告されている（論文′゛改良した自己相関形ピ
ッチ抽出器とその評価″、高学明ほか、日本音響学会講
演論文集，−３＝１９８５年３月，ｐｐ．１．５７−１５８）。

本発明の目的は、簡単なハードウェア構成で実時間にて
音声信号のピッチ抽出を行うピッチ抽出装置を提供する
ことである。

本発明のもう一つの目的は、音声信号を通す低域フィル
タの遮断周波数を動的に最適化することにより、倍ピッ
チ、半ピッチなどの抽出誤りを減らしたピッチ抽出装置
を提出することにある。

本発明の別の目的は、音声信号の高周波成分をピッチ抽
出処理の前に除去するための低域フィルタの遮断周波数
を動的に最適化するための装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明による
ピッチ抽出装置は、音声信号（音声波形）のピッチ周期
もしくは周波数を所定の区間毎に抽出するものであり、
その構成は、低域渡波手段によって高周波成分を除去し
た音声信号（音声波形）を２値化手段による複数の閾値
によってそれぞれ２値化し、各閾値による２値化信号の
特定の方向の遷移点の時間間隔を計測手段によりそれぞ
れ計測し、計測した各時間間隔より推定手段によってピ
ッチ周期もしくは周波数を推定するというものである。

梓通、人の音声のピッチ周期はほゾｌｏ０１１ｚから２
５０Ｈｚまでの範囲であるから、低域渡波手段の遮断周
波数を例えば３００Ｈｚ程度に設定すれば、ピッチ周期
範囲より高周波の雑音成分などを排除した音声信号の２
値化信号を得られる。そして、この各閾値による２値化
信号の特定方向の遷移点の時間間隔は，音声信号の本来
の波形をほゾ忠実に反映している。

したがって、例えば、測定されるべき時間間隔の妥当な
範囲は当然決まってくるので、計測された各時間間隔の
中で予め設定した範囲内の値だけを選択し、あるいは計
測された時間間隔の間の差を求め、その差が所定値以下
である時間間隔だけを選択し、その選択した時間間隔の
集合の平均値または最小値をピッチ周期とするというよ
うな推定方法を採用することにより、雑音などによる影
響を受けにく＼、倍ピッチの誤抽出などのない高精度の
ピッチ抽出が可能である。

また、膨大なメモリ容量を要する繰返し演算などの処理
を伴わないので、実時間のピッチ抽出が可能であると＼
もに、装置のハードウエア構成を簡略化ずることができ
る。

また本発明によれば、低域渡波手段の遮断周波数は可変
とされ、パワー検出手段によって低域濾波手段に通され
る前の音声信号の短時間平均パワーおよび低域渡波手段
に通された後の音声信号の短時間平均パワーが検出され
、この二つの短時間平均パワーの比が一定になるように
制御手段によって低域渡波手段の遮断周波数が制御され
ることにより、遮断周波数はピッチ抽出に最適な周波数
に動的に調整される。

〔実施例〕

以下、図面を用い、本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例の概略ブロック図である。マ
イクロホンなどから入力した音声信号は、遮断周波数が
３００｝｛ｚ程瓜の低域フィルタ１０１？より高周波成
分を除去されたのち、複数のコンパレータｌ　Ｏ　２１
，１　０　２２，”’−　　１　０　２ｎに入力し、そ
れぞれ異なった閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２，・・・，Ｔｈ．に
よって２値化される。

これらのコンバレータ１０２の半数のもの（図の上半分
のもの）は信号波形の振幅の正側で働くもので、残りの
半数のもの（図の下半分のもの）は振幅の負側で働くも
のである。正側のコンパレータによる２値化信号は、振
幅が閾値を正方向へ越えたときに“１”となる。負側の
コンパレー夕による２値化信号は、振幅が閾値を負方向
へ越えたときに“１″となる。

各コンパレータ１０２の出力信号、ずなわち各閾値によ
る２値化信号は、それぞれ同期回路１０３■，１０３■
，・・・，１０３ｎに入力し、クロック生成回路１０４
で生成された基準クロックと同期化され、この同期化後
の２値化信号は計数回路１０５１，１０５■，・・・，
１０５ｎに入力する。各計数回路１０５は、同期化回路
１０３から人力ずる２値化信号の“０″からｔｔ　Ｉ　
Ｉ＋への遷移点でゼロク？ア後に基準夕ロックの計数を
開始し、その２値化信号がｌ（　Ｏ　Ｉ＋から１１　１
　＋＋へ遷移すると計数を停止する。すなわち、同期化
後の各２値化信号の“０″から″１′″への遷移点の時
間間隔を計測している。

各計数回路１０５の計数値は、判断回路１０６■，１０
６■，・・・，１０６，を介して推定回路１０７へ入力
する。各判断回路１０６では、対応する計数回路１０５
の計数値が妥当な範囲内であるか否かを判断し、判断結
果を推定回路１０７へ通知ずる。例えば、人の音声のピ
ッチ周期は大体１００■から２５０Ｈｚであり、基準ク
ロックの周波数を１６ＫＨｚとすると、妥当な計数値は
６４から１６０の間であるので、その範囲内のｎ」数値
を妥当と判断することができる。あるいは、計数値間の
差を求め、それらの差が所定の閾値以下の計数値を妥尚
と判断することができる。判断の基準はこれに限らない
が、いずれにしても計数値の妥当な範囲は前もって予想
可能であるので、面倒な演算を行わず容易に妥当性の判
断が可能である。

推定回路１０７は、判断回路１０６によって妥当と判断
された計数値を用い、入力音声信号のピッチ周期もしく
は周波数を推定する回路である。

この推定のアルゴリズムは様々のものが可能であるが、
例えば妥当な計数値の集合の平均値あるいは最小値をピ
ッチ周期とする。

第２図に本実施例の信号波形図を示す。（ａ）は基準ク
ロックの波形、（ｂ）は低域フィルタ１０１を通過後の
音声信号の波形である。（ｃ）は正側の一つのコンパレ
ータ１０２による２値化信号の波形、（ｄ）はこの２値
化信号の同期化後の波形である。（ｅ）は負側のコンパ
レータ１０２によると２値化信号の波形、（ｆ）はその
同期化後の波形である。計数回路１０５は、（ｄ）の波
形の（ア）から（イ）の区間、あるいは（ｆ）の波形の
（ウ）から（工）の区間の時間を計測することになる。

第３図は本発明の他の実施例のブロック図である。本実
施例は、２値化閾値を入力振幅に適応化させる点だけが
第１図に示した実施例と違う。ずなわち、低域フィルタ
１０１を通過した音声信号を、半波整流・平滑回路１０
８によって正側および負側に別々に整流・可滑化し、音
声信号の正側と負側の実行値をそれぞれ求める。そして
、閾値設定回路１０９により、正側の実行値を所定数倍
することにより止側用コンパレータ１０２の閾値を設定
し、負側の実行値を所定数倍することにより負側用コン
パレータ１０２の閾値を設定する。

このようにして、入力振幅の変動に対するピッチ抽出の
安定性が高められる。

第４図は本発明の別の実施例のブロック図である。本実
施例は、半波整流・平滑回路１０８によって求められた
正側および負側の実行値が妥当であるか判断するための
実行値検定回路１１０を設け、正側または負側の実行値
が所定の閾値以下となった時に推定回路１０７に対し制
御信号によって推定を禁止する。これ以外は第３図の実
施例と同様である。

なお、前記各実施例において、判断回路１０６を独立し
た回路として設けず、計数回路１０５のａ１数値の妥当
性判断を、推定回路１０７による推定アルゴリズム中に
包含させてもよい。また、コンパレータ１０２がその出
力を直接的に基準クロックに同期化できるものであれば
、独立した同期回路１０３を設ける必要はない。

第５図は本発明の他の実施例を示すブロック図である。

２０１はコントロール信号Ｅ（アナログ信号またはデジ
タル信号）の値によって遮断周波数が可変の低域フィル
タであり、具体的には電圧制御フィルタやクロック可変
のスイッチト・キャパシタ・フィルタなどである。入力
音声信号は、この低域フィルタ２０１に通されることに
よって高周波成分を除去されてからピッチ抽出回路部２
０２に印加される。このピッチ抽出回路部２０２は、第
１図ないし第４図に示されたピッチ抽出装置の低域フィ
ルタ１０１を除いた回路部分に対応する。

２０３は低域フィルタ２０１の遮断周波数を動的に最適
化する遮断周波数最適化装置であり、外部から入力音声
信号の短時間平均パワー（Ａ）を検出するパワー検出回
路２０４、低域フィルタ２０１を通過後の音声信号の短
時間平均パワー（Ｂ）を検出するパワー検出回路２０５
、この二つの短時間平均パワーの比Ｂ／Ａが目標値Ｃよ
り小さいときに遮断周波数を上げ、逆に比Ｂ／Ａが目標
値Ｃより大きくなったときに遮断Ｒｄ波数を下げるよう
なコン１〜ロール信号Ｅを発生する制御回路２０６から
構成されている。このようなコントロール信号Ｅによっ
て低域フィルタ２０１の遮断周波数が動的に最適化され
る結果、入力音声信号のピッチが刻々と変化しても、ま
た、発声者の違いにより入力音声信号のピッチが大幅に
変動しても、ピッチ抽出回路部２０２における倍ピッチ
、半ピッチなどの誤抽出が大幅に削除される。

なお、このような遮断周波数の最適化による利益は、ピ
ッチ抽出回路部２０２を、零交差数、相関関数などを利
用してピッチ抽出を行う構成とした場合にも得られる。

第６図に制御回路２０６の一例を示す。この例は、演算
回路２０７によって回標値Ｃと短時間平均パワー比Ｂ／
Ａの差Ｄを計算し、この差Ｄの信号を積分回路２０７に
通した信号をコントロール信号Ｅとする構成である。た
ゾし、コントロール信号Ｅの値が増加すると低域フィル
タ２０１の遮断周波数が上昇する場合を想定している。

第７図に制御回路２０６の他の例を示す，この例は、パ
ワー検出回路２０４，２０５によって検出された短時間
平均パワーＡ，Ｂを対数回路２０９，２１０によって対
数値Ａ’　，Ｂ’に変換し、演算回路２１１によりＤ’　＝Ａ’　−Ｂ’　−Ｃ’ （ｃ’は対数化された目標値）の演算を行い、このＤ′のイｄ号を積分回路２１２に通
してコントロール信Ｅを得るものである。すなわち、数
値を対数化することによって、除算を排除して第６図の
例と同様の演算が行われる。

なお，コン１〜ロール信号Ｅの値が増加すると低域フィ
ルタ２０１の低域遮断周波数が高くなるものとしている
。

〔発明の効果〕以上の説明から明らかなように、本発明によれば、簡単
なハードウェア構成によって、音声信号のピッチ周期も
しくは周波数を実時間にて高精度に抽出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図はその
信号波形図、第３図は本発明の他の実施例の概略ブロッ
ク図、第４図は本発明の別の実施例の概略ブロック図、
第５図は本発明のさらに他の実施例の概略ブロック図、
第６図および第７図はそれぞれ遮断周波数最適化装置の
制御回路の別異の例を示すブロック図である。１０１・・・低域フィルタ、１０２・・・コンパレータ、　　１０３・・・同期回路
，１０４・・・クロック生成回路、１０５・・・計数回路、　１０６・・・判断回路、１０
７・・・推定回路、１０８・・・半波整流・平滑回路、１０９・・・閾値設定回路、１１０・・・実行値検定回路、１・・・低域フィルタ、２・・・ピッチ抽出回路部、３・・・遮断周波数最適化装置、４，２０５・・・パワー検出回路、６・・・制御回路、　２０７・・・演算回路、８・・・
積分回路、９，２１０・・・対数回路、１・・・演算回路、　　２１２・・・積分回路。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）音声信号の高周波成分を除去するための手段と、
この手段によって高周波成分が除去された音声信号を２
以上の閾値によってそれぞれ２値化する手段と、この手
段により得られる各閾値による２値化信号の特定の方向
の遷移点の時間間隔を計測する手段と、この手段により
計測された各時間間隔より音声信号のピッチ周期もしく
は周波数を推定する手段とを有することを特徴とするピ
ッチ抽出装置。
（２）高周波成分除去のための手段は遮断周波数が可変
の低域フィルタであり、さらに前記低域フィルタを通過
前の音声信号の短時間平均パワーと前記低域フィルタを
通過後の音声信号の短時間平均パワーとの比を一定とす
るように前記フィルタの遮断周波数を制御する手段を有
することを特徴とする請求項（１）記載のピッチ抽出装
置。
（３）ピッチ抽出処理の前に音声信号の高周波成分を除
去するための低域フィルタの遮断周波数を動的に最適化
する装置であって、前記低域フィルタの入力音声信号お
よび出力音声信号のそれぞれの短時間平均パワーを検出
する手段と、この手段によって検出された各短時間平均
パワーの比と予め定められた目標値との差を求める手段
と、この手段によって求められた差の時間積分により前
記低域フィルタの遮断周波数のコントロール信号を得る
手段とからなる遮断周波数最適化装置。