JPH043100A - スペクトル分析方法及びその装置 - Google Patents

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・音響等の時系列信号の符号化伝送や、
合成もしくは認識などのための信号処理において、複合
構造を持つ時系列信号の各々の構造の周波数スペクトル
を求めるスペクトル分析方法及びその装置に関するもの
である。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術とし、では、中田和男著「
ディジタル情報圧縮Ｊ　　（１９８４−８−３０）産報
出版Ｐ、９０−９７に記載されるものがあった。

第２図は、従来のスペクトル分析装置の一構成を示す機
能ブロック図である。

このスペクトル分析装置では、線形予測分析部１により
、時系列信号ｘ　（ｎ＞を入力し、フレーム処理を用い
た線形予測によって第１のスペクトル構造の線形予測係
数（スペクトル情報を持つ）γ、ｉ（ｎ、）を求める。

その後、相関計算部２により、前記第１のスペクトル構
造のフレーム（分析範囲）に対する線形予測残差信号（
以下、「予測残差」という）ε（ｎ）の相関を求めるこ
とにより、第２のスペクトルＢ　（ｎ）、Ｔｏ　（ｎ）
を算出するようになっていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成のスペクトル分析方法及びその
装置では、次のような課題があった。

（ｉ）　　音声等のスペクトル分析では、第１のスペク
トル構造を求める際に、複合的に存在する他のスペクト
ル構造の影響を受けるため、第１のスベクＩ・ル構造の
分析結果に誤差を含む。

（ｉｉ）　　第１のスペクトル構造の分析結果に誤差を
含むため、正確な予測残差が得られず、第２のスペクト
ル構造を求める際にも誤差を含む。

（ｉｉｉ　）　　第２のスペクトル構造を求める際に、
第１のスペクトル分析がフレーム処理であるため、予測
残差しこのフレーム毎に得られ、フレームより長い周期
の成分（低周波数成分〉は求められない 本発明は前記従来技術が持っていた課題として、第１の
スペクトル構造の分析における他のスペクトル構造の影
響と、予測残差がフレームでしか得られないという点に
ついて解決したスペクトル分析方法及びその装置を提供
するものである。

（問題点を解決するための手段） 前記課題を解決するために、第１の発明は、複合構造を
持つ時系列信号の周波数スペクトルを求めるスペクトル
分析方法において、前記時系列信号の信号積をフィルタ
リングして瞬時共分散を求め、前記瞬時共分散より第１
のスペクトル構造に対応した第１の線形予測係数を算出
する。そして、前記時系列信号より前記第１のスペクト
ル構造を差し引き、フレーム毎に切られていない連続し
た予測残差を求め、前記予測残差に基づき、線形予測に
よるスペクトル分析を行って第２のスペクトル構造に対
応した第２の線形予測係数を求めるようにしている。

第２の発明では、第１の発明において、前記予測残差に
間引き処理を施した後、その処理結果に基づき、前記線
形予測によるスペクトル分析を行って第２のスペクトル
構造に対応した第２の線形予測係数を求めるようにして
いる。

第３の発明は、複合構造を持つ時系列信号の周波数スペ
クトルを求めるスペクトル分析装置において、前記時系
列信号の信号積を算出する信号積計算部と、 前記信号積をフィルタリングして瞬時共分散を求めるフ
ィルタ部と、前記瞬時共分散より第１のスペクトル構造
に対応した第１の線形予測係数を算出する予測係数計算
部と、前記時系列信号より前記第１のスペクトル構造を
差し引いてフレーム毎に切られていない連続した予測残
差を算出する予測残差算出手段と、前記予測残差を入力
し、線形予測によるスペクトル分析を行って第２のスぺ
クトル構造に対応した第２の線形予測係数を求めるスペ
クトル分析部とを、備えたものである。

第４の発明は、第３の発明において、前記予測残差算出
手段で算出された予測残差を間引き処理し、その処理結
果を前記スペクトル分析部へ入力する間引き手段を、設
けたものである。

（作用） 第１及び第３の発明によれば、以上のようにスペクトル
分析方法及びその装置を構成したので、第１のスペクト
ル構造を求める際に、時系列信号の信号積を求め、その
信号積をフィルタリングすることにより、該信号積の中
に含まれる他のスペクトル構造の影響が除去される。さ
らに、第２のスペクトル構造を求める際に、先に求めた
第１のスペクトル構造を時系列信号より差し引くので、
連続した（フレーム毎に切られていない）予測残差が得
られ、第２のスペクトル構造の低い周波数成分が正確に
求められる。

第２及び第４の発明によれば、予測残差に間引き処理を
施して第２の線形予測係数を求めるので、第２のスペク
トル構造の低い周波数を効率良く。

正確に求められるようになる。

従って、前記課題を解決できるのである。

（実施例） 第１図は、本発明の第１の実施例を示すスペクトル分析
装置の機能ブロック図である。

このスペクトル分析装置は、音声・音響等のディジタル
化された時系列信号ｘ（ｎ）（但し、ｎは整数で時刻を
表わす）よりその２つの第１．のスペクＩ・ルＡ（ｆ、
ｎ＞と第２のスペクトルＢ（ｆｎ）（但し、ｆ；周波数
）を求めるものである。

二のスペクトル分析装置は、入力された時系列信号ｘ　
（ｎ）より第１のスペクトルＡ（ｆ、ｎ）に対応した第
１の線形予測係数（以下、［第１の予測係数Ｊという）
γ　　、（ｎ）を求める第１ｐ、１ スペクトル分析部］−〇を有している。この第１スペク
トル分析部１０は、時系列信号ｘ（ｎ）の信号積■（τ
、ｎ）を計算する信号積計算部］１と、信号積■（乙ｎ
）をフィルタリングして瞬時共分散ψ（、−：ｎ＞を求
めるフィルタ部１２と、１、Ｊ 瞬時共分散ψ（・　　・：ｎ）より第１の予測係数１、
Ｊ γｐ、、（ｎ＞を求める予測係数計算部１３とで、構成
されている。フィルタ部１２は、非巡回型フィルタ（Ｆ
ＩＲ）や巡回型フィルタ（ＩＩＲ）等で構成されている
。

また、時系列信号ｘ　（ｎ）を遅らせる遅延部１４が設
けられ、この出力側に予測残差計算部１５が接続されて
いる。予測残差計算部１５は、時系列信号ｘ　（ｎ＞と
第１の予測係数γ　　　（ｎ）ｍ、　ｍ より予測残差ｅ　（ｎ）を計算する機能を有し、この予
測残差計算部１５と遅延部１４とで、予測残差算出手段
が構成される。

予測残差計算部１５の出力には、第２スペクトル分析部
１６が接続され、さらに予測係数計算部１３及び第２ス
ペクトル分析部１６の出力側に、それぞれスペクトル計
算部１７．１８が接続されている。第２スペクトル分析
部１６は、予測残差ｅ　（ｎ）より、第２のスペクトル
Ｂ（ｆ、ｎ＞に対応した第２の線形予測係数（以下、「
第２の予測係数」という）β　　、（ｎ）を計算する機
能９．１ を有している。スペクトル計算部１７は、第１の予測係
数γ　　、（ｎ）より第１のスペクトルＡＰ、１ （ｆ、ｎ、）を、スペクトル計算部１８は、第２の予測
係数β　　、（ｎ）より第２のスペクトルＢｑ、１ （ｆ、ｎ）を、それぞれ算出する機能を有している。

以上のように構成されるスペクトル分析装置を用いた分
析方法の処理（１）〜（４）を以下説明する。

（１−）第１のスペクトル構造の分析 時系列信号ｘ（ｎ）が第１スペクトル分析部１０に入力
されると、信号積計算部１１では、時系列信号ｘ（ｎ）
より信号積■（τ、ｎ〉　（τは整数でラグ（ｌａｇ：
時間すれ）を示す）を次式に従って計算する。

ｖ　（ｒ、　ｎ）　−ｘ　（ｎ）　ｘ　（ｎ−ｒ）　・
−＝　（１）但し、τ−０，・・・、ｐ（例えば、ｐ−
＝１０）次に、 フィルタ部１２において、信号積■（τｎ）より他のス
ペクトル構造の影響を除き、瞬時共分散ψ（ｉ、ｊ　：
ｎ）（ｉ、ｊは整数でラグτ＝ｊ−ｉに対応する）を得
る。フィルタ部１２を例えば、非巡回型フィルタで構成
した場合、そのフィルタは次式の畳み込み演算を行って
、信号積■ （τ。

ｎ）より、瞬時共分散ψ（ｉ。

、） ｎ） を出力する。

ψ（ｉ 」　； ｎ）・ ψ（ｊ、ｉ：ｎ） ：　ｊ＜ｉ ・・・・・・（２） 但し、 ｈ（１） ；フィルタのインパルス応答、 ▽ フィルタのタップ数 次に、予測係数計算部１３は、次式に基づき、瞬時共分
散ψ（ｉ ｊ：ｎ＞より第１の予測係数 γ　　＝　　（ｎ＞　　（時刻Ｈにおける９次のｉ番目
のｐ、１ 予測係数）を求める。

γ− （ｎ）＝ ▽ｍ−１ （▽ｎ　＞　十Ｂ　ｍ　　１ （ｎ−１） 但し、 Ｃ▽▽▽▽▽（ｎ＞＝ ▽−１ ψ（ｉ、ｍ−ｊ；ｎ＞ Ｆ　　　　　（ｎ）＝ ▽−１ ▽−１ Σ　１ｍ−１ｉ ｉ＝０ （ｎ） １ｍ−１゜ （ｎ） ψ（ｉ、ｊ＋ｎ＞ Ｂ（ｎ−１） ▽−１ ▽−１ Σ　１ｍ　　ｌ、　ｉ　（ｎ＞１ｍ−１°＝０ ▽ （ｎ） ψ（ｍ−ｉ、ｍ−ｊ； ｎ） ▽ ▽ （ｎ）＝ｉであるから、 ・　（ｎ）＝γ　　　　　・　（ｎ） １ｍ−１，１ ＋γ　　　（ｎ）１ｍｍ−１ｍ−１（ｎ）、　ｍ ・・・・・・（４） となる。

これらの式において、 ｍ＝ｌ〜ＴＴＩ　””　ｐについて 再帰的に計算しく繰り返し計算し）、第１の予測計数γ
　　＝　　（ｎ）（ｉ＝ｏ、・・・、ｐ＞を求める。

ｐ、１ （２）　予測残差の算出 この処理では、入力された時系列信号ｘ　（ｎ）より、
第１のスペクトル構造を差し引くことで、予測残差ｅ　
（ｎ）を求める。

まず、遅延部１４において、時系列信号ｘ（ｎ）を遅ら
せ、第１スペクトル分析部１０がら出力される予測係数
γ　　　（ｎ）（ｍ＝ｏ、・・・、ｐ）ｍ、　ｍ とのタイミングを合わせる。この時の遅れはフィルタ部
１２における遅れに等しい。

次に、予測残差計算部１５において、時系列信号ｘ（ｎ
）と予測係数γ　　　（ｎ）より、次式▽▽▽▽ に基づき、予測残差ｅ　（ｎ）を計算する。

ｅｆ、　ｍ（ｎ）　−ｅ、　ｍｌ　（ｎ）　十ｒ　　　
（ｒｈ）　ｅｂ、　ｍｌ　（ｎ　　１）ｍ、　ｍ ・・・・・・（５） ｅｂ、ｍ（ｎ）＝ｅｂ、ｍ　　％ｎ−１）＋γ　　　（
ｎ＞　ｅｆ、　ｍｌ　（ｎ）ｍ、　ｍ ・・・・・・（６） 但し、 ｅｆ。

▽ （ｎ＞ ：ｍ次の前方予測残差 ｅｂ。

▽ （ｎ） ｍ次の後方予測残差 以上の式をｍ＝１〜ｍ＝ｐについて再帰的に計算する。

そして、次式に示すように、２次における前方予測残差
ｅ　　　　（ｎ）が、第１のスペクｆ、ｐ トル構造を差し引いた予測残差ｅ　（ｎ＞となる。

▽ （ｎ） ”　ｅ　ｆ。

▽ （ｎ＞ ・・・・・・（７） （３）　第２のスペクトル構造の分析 第２スペクトル分析部１６において、予測残差ｅ　（ｎ
＞より第２のスペクトルＢ（ｆ、ｎ）に対応した第２の
予測係数β　　−▽（ｎ）（時刻ｎにｑ、１ おけるｑ次のｉ番目の予測係数Ｈｉ＝Ｏ，・・・、ｑ）
を計算する。これは、線形予測によるスペクトル分析に
よって求める。

また、前記（１）の第１ス ベクトル分析部１０と同じ物をそのまま用いても良い。

以上（１）〜（３）の処理で得られた第１．第２の予測
係数γ　　、（ｎ）、β　　、（ｎ〉は、ｐ、　　１　
　　　　　　　　ｑ、　　ｉスペクトルを表現する特徴
量であるため、これらを音声符号化伝送や、合成もしく
は認識等の信号処理に直接利用することも可能である。

（４）　スペクトルの計算 必要に応じてスペクトル計算部１７．１８では、第１．
第２の予測係数γ　　ｉｎ）、β　　。

ｐ・　１　　　　　　　　ｑ、　１ （ｎ）より、次式に基づき、第１．第２のスペクトルＡ
　（ｆ、ｎ）、Ｂ　（ｆ、ｎ）を求める。

Ａ（ｆ ｎ） Δｔ ・・・・・（８） Ｂ　（ｆ。

ｎ）＝ Δｔ ・・・・・・（９） 但し、 Δｔ；サンプリング周期 以上のように、この第１の実施例では、第１のスペクト
ルＡ（ｆ、ｎ＞構造を求める際、時系列信号ｘ　（ｎ）
の信号積Ｖ（τ、ｎ）を求め、フィルタ部１２により、
その信号積■（τ、ｎ）の中に含まれる他のスペクトル
構造の影響を除去する。

さらに、第２のスペクトルＢ（ｆ、ｎ＞構造を求める際
、先に求めた第１のスペクトルＡ（ｆ、ｎ）構造を時系
列信号ｘ　（ｎ＞より差し引くことで、連続したくフレ
ーム毎に切られていない）予測残差ｅ　（ｎ＞が得られ
、第２のスペクトルＢ（ｆｎ〉構造の周波数を正確に求
められるようにした。

そのため、 ■　第１のスペクトルＡ（ｆ、ｎ＞構造を求める際の、
複合的に存在する他のスペクトルｉ遣の影響の除去と、 ■　第２のスペクトルＢ（ｆ、ｎ＞構造を求める際、予
測残差ｅ　（ｎ）が連続的に得られるため、正確な第２
のスペクトルＢ（ｆ、ｎ＞の分析が可能となる。

第３図は、本発明の第２の実施例を示すスペクトル分析
装置の機能ブロック図であり、第１図中の要素と共通の
要素には共通の符号が付されている。

このスペクトル分析装置が第１図のものと異なる点は、
予測残差計算部１５の出力側に、フィルタ部１９及び間
引き部２０からなる間引き手段を設け、その間引き手段
の出力を第２スペクトル分析部１６Ａへ入力するように
した点である。これに対応して、第２スペクトル分析部
１６Ａ及びスペクトル計算部１８Ａの処理内容も、変更
されている。

フィルタ部１つは、予測残差ｅ　（ｎ）をフィルタリン
グして高周波数成分を抑制した予測残差ｅ（ｎ）を出力
する機能を有している。間引き部２０は、予測残差ｅ　
　（ｎ）を間引いて間引き後の予測残差ｅ　　（ｋ）を
、第２スペクトル分析部１６Ａへ出力する機能を有して
いる。第２スペクトル分析部１６Ａは、第１図の第２ス
ペクトル分析部１６とほぼ同様に、予測残差ｅ　　（ｋ
）より第２の予測係数β　　、（ｋ）を算出し、その算
出ｑ、ｌ 値をスペクトル計算部１８Ａへ与える機能を有している
。スペクトル計算部１８Ａも、第１図のものとほぼ同様
に、第２の予測係数β　　、（ｋ）９．１ より第２のスペクトルＢ（ｆ、ｋ＞を算出する機能を有
している。

このようなスペクトル分析装置を用いた分析方法の処理
（ｉ）〜（ｉｉｉ　）を以下説明する。

（ｉ＞　　第１のスペクトル構造の分析、及び予測残差
の算出 前記第１の実施例の（１）、（２＞の処理と同一の処理
か行われる。

（１１）　　残差信号の間引き この処理では、残差信号ｅ　（ｎ）のスペクトル分析精
度を低周波数において向上するため、間引き処理を行う
。

まず、フィルタ部１つにおいて、残差信号ｅ（ｎ）より
、間引きによる折り返し歪みを防ぐために高周波数成分
を抑制してｅ　　（ｎ）を得る。

次に、間引き部２０において、次式に基づき、定間隔で
予測残差ｅ　　（ｎ）を間引いてｅ　　（ｋ）ａ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　ａを得る。

ｅ　　（ｋＴ）＝ｅ　　（ｎ＞　　　・−・１１０）ａ
　　　　　　　　　　　　　ａ 但し、Ｔ；正の整数 （ｉｉｉ　）　　第２のスペクトル構造の分析、及びス
ペクトルの計算 前記第１の実施例と同様にして、第２スペクトル分析部
１６Ａは予測残差ｅ　　（ｋ＞より第２のスペクトルＢ
（ｆ、ｋ＞に対応した第２の予測係数β　　、（ｋ＞（
時刻ｋにおける９次のｉ番目ｑ、ｌ の予測係数；ｉ＝ｏ、・・・、ｑ＞を計算する。その後
、必要に応じてスペクトル計算部１７，１８Ａでは、前
記第１の実施例と同様にして、第１．第２の予測係数γ
　　、（ｎ＞、β　　、（ｋ）よＰ、　　１　　　　　
　　　　ｑ、　　１す、第１．第２のスペクトルＡ（ｆ
、ｎ）、Ｂ（ｆ、ｋ＞を求める。

以上のように、この第２の実施例では、予測残差ｅ　（
ｎ＞に間引き処理を施して、第２のスペクトルＢ（ｆ、
ｋ）構造の低い周波数を正確に求められるようにした。

そのため、 ■　前記第１の実施例と同様に、第１のスペクトルＡ（
ｆ、ｎ＞ＩＩ造を求める際の、複合的に他のスペクトル
構造の影響の除去が可能になるばかりか、 ■　第２のスペクトルＢ（ｆ、ｋ）構造を求める際の、
予測残差ｅ　（ｎ）の長周期成分（低周波数成分）の検
出。

が的確に行える。

なお、本発明は上記実施例に限定されず、第１図及び第
３図中の各機能ブロックを個別回路で構成する他に、中
央処理装置（ＣＰＵ）を用いたプログラム制御により実
行する等、種々の変形が可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、第１及び第３の発明によれ
ば２第１のスペクトルｍ遣を求める際、次時系列信号の
信号積を求め、フィルタリングにより、該信号積の中に
含まれる他のスペクトル構造の影響を除去する。さらに
、第２のスペクトル構造を求める際、先に求めた第１の
スペクトル構造を時系列信号より差し引くことで、連続
した（フレーム毎に切られていない）予測残差が得られ
、第２のスペクトル構造の周波数を正確に求められるよ
うにした。そのため、 ■　第１のスペクトル構造を求める際の、複合的に存在
する他のスペクトル構造の影響の除去と、■　第２のス
ペクトル構造を求める際、予測残差が連続的に得られる
ため、正確な第２スペクトルの分析が可能になる。

第２及び第４の発明によれば、第１の発明の予測残差に
間引き処理を施して、第２のスペクトル構造の低い周波
数を正確に求められるようにしたため、 ■　第１の発明と同様に、第１のスペクトル構造を求め
る際の、複合的に存在する他のスペクトル構造の影響の
除去が可能になるばかりか、■　第２のスペクトル構造
を求める際の、予測残差の長周期成分（低周波数成分）
の検出が簡易、的確に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すスペクトル分析装
置の機能ブロック図、第２図は従来のスペクトル分析装
置の機能ブロック図、第３図は本発明の第２の実施例を
示すスペクトル分析装置の機能ブロック図である。 １０・・・・・・第１スペクトル分析部、１１・・・・
・・信号積計算部、１２・・・・・・フィルタ部、１３
・・・・・・予測係数計算部、１４・・・・・・遅延部
、１５・・・・・・予測残差計算部、１６．１６Ａ・・
・・・・第２スペクトル分析部、１７．１８．１８Ａ・
・・・・・スベク１−ル計算部、１−９・・・・・フィ
ルタ部、２０・・・・・・間引き部、ｘ　（ｎ）・・時
系列信号、γ　　・　（ｎ）１β　　・　（ｎ）。 ｐ、１　　　宅１ β　　、（ｋ）・・・・・・予測係数、　ｅ　（ｎ）、
　ｅａｑ、１ （ｎ）、ｅ　　（ｋ＞−＝−予測残差、Ａ（ｆ、ｎ）Ｂ
　（ｆ　、　　ｎ）　、　　Ｂ　（ｆ　、　　ｋ）　＝
−−・−スペクトル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複合構造を持つ時系列信号の周波数スペクトルを求
   めるスペクトル分析方法において、 前記時系列信号の信号積をフィルタリングして瞬時共分
   散を求め、 前記瞬時共分散より第１のスペクトル構造に対応した第
   １の線形予測係数を算出し、 前記時系列信号より前記第１のスペクトル構造を差し引
   き、フレーム毎に切られていない連続した線形予測残差
   信号を求め、 前記線形予測残差信号に基づき、線形予測によるスペク
   トル分析を行って第２のスペクトル構造に対応した第２
   の線形予測係数を求める、 ことを特徴とするスペクトル分析方法。 ２、請求項１記載のスペクトル分析方法において、前記
   線形予測残差信号に間引き処理を施した後、その処理結
   果に基づき、前記線形予測によるスペクトル分析を行っ
   て第２のスペクトル構造に対応した第２の線形予測係数
   を求める、 ことを特徴とするスペクトル分析方法。 ３、複合構造を持つ時系列信号の周波数スペクトルを求
   めるスペクトル分析装置において、 前記時系列信号の信号積を算出する信号積計算部と、 前記信号積をフィルタリングして瞬時共分散を求めるフ
   ィルタ部と、 前記瞬時共分散より第１のスペクトル構造に対応した第
   １の線形予測係数を算出する予測係数計算部と、 前記時系列信号より前記第１のスペクトル構造を差し引
   いてフレーム毎に切られていない連続した線形予測残差
   信号を算出する予測残差算出手段と、 前記線形予測残差信号を入力し、線形予測によるスペク
   トル分析を行って第２のスペクトル構造に対応した第２
   の線形予測係数を求めるスペクトル分析部とを、 備えたことを特徴とするスペクトル分析装置。 ４、請求項３記載のスペクトル分析装置において、前記
   予測残差算出手段で算出された線形予測残差信号を間引
   き処理し、その処理結果を前記スペクトル分析部へ入力
   する間引き手段を、 設けたことを特徴とするスペクトル分析装置。