JPH054355Y2 - - Google Patents

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JPH054355Y2
JPH054355Y2 JP1990067321U JP6732190U JPH054355Y2 JP H054355 Y2 JPH054355 Y2 JP H054355Y2 JP 1990067321 U JP1990067321 U JP 1990067321U JP 6732190 U JP6732190 U JP 6732190U JP H054355 Y2 JPH054355 Y2 JP H054355Y2
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Description

【考案の詳細な説明】[Detailed explanation of the idea] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本考案は、雑音中に埋もれた信号を処理し、信
号対雑音比(S/N比)を改善した信号を得る信
号処理装置に関するものである。
The present invention relates to a signal processing device that processes a signal buried in noise and obtains a signal with an improved signal-to-noise ratio (S/N ratio).

【従来の技術】[Conventional technology]

従来、この種の信号処理装置として、例えば自
己相関関数を利用した音声処理装置(Speech
Processing by use of Auto
Correlationfunction、以下「SPAC」と略称す
る)がある。その原理は特公昭55−34954に示さ
れているように信号波形の自己相関関数を計算
し、自己相関関数が持つ性質を利用して雑音成分
を除去し、信号波形を再編集して出力するもので
ある。 すなわちSPACでは、以下に示す自己相関関数
の性質を利用している。入力信号がf(t)とい
う時間関数で表わされるとき、その自己相関関数
φ(τ)は、 φ(τ)= l T0 i → m ∽1/T0T 0 /2 -T0/2f(t)・f(t+τ)
dt (1) で定義され、もしf(t)が f(t)=a0/2+n=1 ao(Cos nωt+θo) (2) のように直流分とωを基本角周波数とする交流分
の和で与えられるときは、 φ(τ)=a0 2/4+1/2n=1 aoao 2cos(nωτ) (3) となる。したがつて自己相関関数は、入力信号と
同じ周波数成分から構成され、各高調波の位相が
一致するため、原点が変つても同じ形を保つ。 一方、広帯域雑音について、その自己相関関数
n(τ)は、C0を定数として n(τ)=C0exp(−ατ) (4) としてモデル化することができる。そのエネルギ
はτ=0の付近に集中し、指数関数的に減少する
のでτが少し大きくなれば実質上零になると考え
られる。すなわち入力信号が白色雑音の場合、自
己相関関数のエネルギは、t=0の付近に集中す
る。 したがつて信号が音声信号の場合、短時間の自
己相関関数を求め、t=0以降の数ミリ秒を除い
た自己相関波形を、この波形が零線を切る時点か
ら後述の周期決定回路で決定される周期の間、切
り出し、これをつぎつぎ実行すれば信号から雑音
を低減したものを得ることができる。 さらに自己相関関数は、上記公報には記載され
ていないが、各周波数成分の振幅が、入力信号の
各成分の2乗に比例するという性質がある。その
ため音声のように多くの周波数成分を含む場合
は、歪んだ波形が再生される。このような2乗歪
を除去するにはイコライザ回路が付設される。 第3図には上記の信号処理をする回路ブロツク
の要部の概略構成を示してある。同図のように入
力信号は、平方根回路であるイコライザ1により
平方根成分になり、自己相関関数回路2に入力す
る。自己相関関数回路2では自己相関関数が演算
される。この出力では2乗歪が軽減されたものと
なる。この自己相関関数から波形編集器である波
形切出回路4と周期決定回路5と相関関数波形接
続回路6により、周期決定回路5で決定される自
己相関関数のピツチ周期中、雑音成分の集中する
初期期間を除いた期間、波形切出回路4で自己相
関関数波形を切り出し、相関関数波形接続回路6
で信号波形を編集して出力する。 なお実際のデイジタル信号処理では、データが
時間的に離散的な値であるため、自己相関関数と
して(1)式の代わりに φ(k)=1/NNl=1 f・f+k (1′) で与えられる短時間相関関数を取る。Nがある程
度大きければ(1)式と(1′)式とは実質的に同一と
見ることができるからである。また実際上の積和
時間は対象が音声信号である場合には、波形切出
回路4により数十ミリ秒に取り、周期決定回路5
による雑音除去のため最初の1ミリ秒程度を切り
捨てるのが一般になつている。 上記のように第3図回路では、入力信号がイコ
ライザ1を通ることによつて2乗歪が除去される
ようになつている。このイコライザ1として、全
周波数帯域に対して1つの平方根回路を設けたも
のと、入力信号を複数の周波数帯域に分割してそ
の帯域毎に平方根回路を設けたものとがある。
Conventionally, as this type of signal processing device, for example, a speech processing device that uses an autocorrelation function (Speech
Processing by use of Auto
Correlation function (hereinafter abbreviated as "SPAC"). The principle is as shown in Japanese Patent Publication No. 55-34954, the autocorrelation function of the signal waveform is calculated, noise components are removed using the properties of the autocorrelation function, and the signal waveform is re-edited and output. It is something. In other words, SPAC utilizes the properties of the autocorrelation function shown below. When the input signal is expressed as a time function f(t), its autocorrelation function φ(τ) is: φ(τ)=l T 0 i → m ∽1/T 0T 0 /2 -T0/2 f(t)・f(t+τ)
dt (1), and if f(t) is f(t)=a 0 /2+ n=1 a o (Cos nωt+θ o ) (2), the DC component and ω are the fundamental angular frequency. When given as the sum of the alternating current components, φ(τ)=a 0 2 /4+1/2 n=1 a o a o 2 cos(nωτ) (3). Therefore, since the autocorrelation function is composed of the same frequency components as the input signal and the phases of each harmonic match, the autocorrelation function maintains the same shape even if the origin changes. On the other hand, for broadband noise, its autocorrelation function n(τ) can be modeled as n(τ)=C 0 exp(−ατ) (4) where C 0 is a constant. The energy is concentrated around τ=0 and decreases exponentially, so it is considered that if τ becomes a little larger, it becomes substantially zero. That is, when the input signal is white noise, the energy of the autocorrelation function is concentrated around t=0. Therefore, if the signal is an audio signal, a short-time autocorrelation function is obtained, and the autocorrelation waveform excluding a few milliseconds after t=0 is processed by the period determining circuit described below from the point at which this waveform crosses the zero line. By cutting out the signal during the determined period and executing it one after another, a signal with reduced noise can be obtained. Further, the autocorrelation function has a property that the amplitude of each frequency component is proportional to the square of each component of the input signal, although it is not described in the above publication. Therefore, when audio contains many frequency components, a distorted waveform is reproduced. An equalizer circuit is added to remove such square distortion. FIG. 3 shows a schematic configuration of the main parts of the circuit block that performs the above signal processing. As shown in the figure, the input signal is converted into a square root component by an equalizer 1, which is a square root circuit, and is input to an autocorrelation function circuit 2. An autocorrelation function circuit 2 calculates an autocorrelation function. This output has reduced square distortion. From this autocorrelation function, the waveform extraction circuit 4, which is a waveform editor, the period determination circuit 5, and the correlation function waveform connection circuit 6 extract noise components during the pitch period of the autocorrelation function determined by the period determination circuit 5. During the period excluding the initial period, the waveform extraction circuit 4 extracts the autocorrelation function waveform, and the correlation function waveform connection circuit 6 extracts the autocorrelation function waveform.
Edit the signal waveform and output it. Note that in actual digital signal processing, data is temporally discrete values, so instead of formula (1), the autocorrelation function is φ(k)=1/N Nl=1 f・f +k Take the short-time correlation function given by (1′). This is because if N is large to some extent, equations (1) and (1') can be considered to be substantially the same. In addition, when the target is an audio signal, the actual product-sum time is set to several tens of milliseconds by the waveform extraction circuit 4, and the period determination circuit 5
It has become common practice to discard the first 1 millisecond or so to remove noise. As described above, in the circuit shown in FIG. 3, square distortion is removed by passing the input signal through the equalizer 1. The equalizer 1 includes one in which one square root circuit is provided for all frequency bands, and one in which the input signal is divided into a plurality of frequency bands and a square root circuit is provided for each frequency band.

【考案が解決しようとする課題】[Problem that the idea aims to solve]

上記の信号処理で、イコライザが1つの平方根
回路であると周波数特性が平坦ではなく、2乗歪
が残つてしまう。一方、分割した周波数帯域毎に
平方根回路を設けた場合、分割を細かくしてゆけ
ばそれだけ周波数特性は平坦になるが、回路が複
雑になつてしまう。 本考案はこれらの欠点を除去し、極めて簡単な
回路で、2乗歪を完全に無くすことができる信号
処理装置を提供するものである。
In the above signal processing, if the equalizer is a single square root circuit, the frequency characteristics will not be flat and square distortion will remain. On the other hand, if a square root circuit is provided for each divided frequency band, the finer the division, the flatter the frequency characteristics will be, but the circuit will become more complicated. The present invention eliminates these drawbacks and provides a signal processing device that can completely eliminate square distortion using an extremely simple circuit.

【課題を解決するための手段】[Means to solve the problem]

上記の問題点を解決するための、本考案を適用
する信号処理装置は、入力信号をフーリエ変換し
てスペクトル領域に分解する回路と、該スペクト
ル領域から電力スペクトル値を演算する回路と、
該電力スペクトル値の平方根を演算する回路と、
その平方根をフーリエ逆変換する回路とを備えて
前記入力信号の自己相関関数を求めるように構成
し、求めた自己相関関数から雑音成分の集中する
初期期間を切り捨て、信号波形を再編し、出力す
るように構成して、前記平方根を演算する回路に
よつて自己相関関数の持つ2乗歪を全周波数成分
について除去することを特徴としている。
In order to solve the above problems, a signal processing device to which the present invention is applied includes a circuit that Fourier transforms an input signal and decomposes it into a spectral domain, a circuit that calculates a power spectral value from the spectral domain,
a circuit that calculates the square root of the power spectrum value;
The circuit is configured to obtain an autocorrelation function of the input signal using a circuit that performs inverse Fourier transform on the square root thereof, cuts off an initial period where noise components are concentrated from the obtained autocorrelation function, reorganizes the signal waveform, and outputs the signal waveform. The present invention is characterized in that the circuit for calculating the square root removes the square distortion of the autocorrelation function for all frequency components.

【作用】[Effect]

自己相関関数のフーリエ変換は電力スペクトル
に等しく、電力スペクトルのフーリエ逆変換は自
己相関関数を与える。すなわち電力スペクトルと
自己相関関数とはフーリエ変換対の関係にあるか
ら、入力信号をフーリエ変換し、電力スペクトル
を求めてその平方根を取り、これをフーリエ逆変
換すれば理想的には2乗歪がない自己相関関数を
得られる。このように、フーリエ変換の周波数領
域で電力スペクトルの各周波数の平方根が取れる
ので、2乗歪除去の周波数特性が平坦となる。
The Fourier transform of the autocorrelation function is equal to the power spectrum, and the inverse Fourier transform of the power spectrum gives the autocorrelation function. In other words, since the power spectrum and the autocorrelation function are in a Fourier transform pair relationship, ideally, if you perform Fourier transform on the input signal, obtain the power spectrum, take the square root of it, and perform inverse Fourier transform on this, the square distortion can be obtained. We can obtain an autocorrelation function that is not In this way, since the square root of each frequency of the power spectrum can be taken in the frequency domain of Fourier transform, the frequency characteristic of square distortion removal becomes flat.

【実施例】【Example】

以下、本考案の実施例を詳細に説明する。 第1図は本考案の信号処理装置の回路ブロツク
の1例である。同図で21はフーリエ変換回路
で、入力信号をスペクトル領域に分解する。22
は電力スペクトル演算回路でフーリエ変換した入
力信号から電力スペクトルを求める。8は平方根
演算回路で、電力スペクトルの平方根を取り、2
乗歪を解消する。23はフーリエ逆変換回路で、
この出力は入力波形を理想的に平方根を取つたも
のの自己相関関数とみなし得る。4は波形の切出
回路、5は自己相関関数のピツチ周期を決定する
回路で、さらに雑音成分の集中する初期期間を決
定する。6は相関関数波形接続回路で、これらに
より波形がなめらかに接続される。 入力信号の電力スペクトルと入力信号の自己相
関関数とはフーリエ変換対の関係にある。そこで
フーリエ変換回路21の出力が電力スペクトル演
算回路22とフーリエ逆変換回路23を通ること
により自己相関関数を取つたことになる。この
間、平方根回路8を通ることで、自己相関関数に
生ずる2乗歪がなくなる。フーリエ逆変回路23
を出力した自己相関関数のピツチ周期の決定、波
形の切出し及び波形の再接続は、従来のSPACで
使用されていた波形編集器を構成する波形切出回
路4と周期決定回路5と相関関数波形接続回路6
で行なわれる。 このような回路で入力信号から雑音が除去さ
れ、2乗歪のない信号が編集され出力されること
になる。厳密に考えるとフーリエ逆変換回路23
の出力は時間領域の波形が本来の自己相関関数で
はなくなつている。しかしその違いは実質上無視
でき、フーリエ逆変換部23の出力を入力波形を
理想的に平方根を取つたものの自己相関関数とみ
なして差し支えない。 なお上記実施例で、時間原点付近以外の残留雑
音の影響および子音の欠落しやすさについては格
別の処理がなされていない。特に電力スペクトル
の各周波数成分に対して平方根処理を施すとS/
N比の劣化を招くおそれがある。そのため平方根
処理をする前に周波数領域で雑音低減処理を行な
うことが望ましい。例えば第1図の電力スペクト
ル演算回路22と平方根演算回路8との間に、第
2図に示すように雑音低減回路25を付加するこ
とにより、S/N比を上げることが可能である。 周波数領域で雑音低減処理の装置として、例え
ば、あるスレシユホールドレベルを設け、このレ
ベルを越えた周波数成分を信号(音声)成分とみ
なす装置がある。また周波数成分の中、振幅の大
きい方からある所定の数の成分を信号成分とみな
す装置もある。いずれの装置を取るにしても信号
が音声の場合には、雑音低減処理を強くすれば子
音が欠落する傾向がでる。したがつて両者の兼ね
合いにより適当な妥協点を求めざるを得ない。実
際にはスレシユホールドレベルを入力の大小に応
じて適応制御するのが良い。音声信号について一
般的に言えば母音領域ではスレシユホールドレベ
ルを高くし、子音領域では低くしてS/N比の低
下と了解度の低下との妥協点を求める。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows an example of a circuit block of a signal processing device according to the present invention. In the figure, 21 is a Fourier transform circuit that decomposes an input signal into a spectral domain. 22
calculates the power spectrum from the Fourier-transformed input signal using the power spectrum calculation circuit. 8 is a square root calculation circuit that takes the square root of the power spectrum and calculates 2
Eliminate multiplicative distortion. 23 is a Fourier inverse transform circuit,
This output can be regarded as an autocorrelation function obtained by taking the square root of the input waveform ideally. 4 is a waveform extraction circuit; 5 is a circuit for determining the pitch period of the autocorrelation function; and furthermore, determining the initial period during which noise components are concentrated. Reference numeral 6 denotes a correlation function waveform connecting circuit, which connects the waveforms smoothly. The power spectrum of the input signal and the autocorrelation function of the input signal are in a Fourier transform pair relationship. Therefore, by passing the output of the Fourier transform circuit 21 through the power spectrum calculation circuit 22 and the Fourier inverse transform circuit 23, an autocorrelation function is obtained. During this time, by passing through the square root circuit 8, square distortion occurring in the autocorrelation function is eliminated. Fourier inverse variation circuit 23
Determining the pitch period of the autocorrelation function output, cutting out the waveform, and reconnecting the waveform are performed using the waveform cutting circuit 4, the period determining circuit 5, and the correlation function waveform that constitute the waveform editor used in conventional SPACs. Connection circuit 6
It will be held in With such a circuit, noise is removed from the input signal, and a signal without square distortion is edited and output. Strictly speaking, the Fourier inverse transform circuit 23
The time domain waveform of the output of is no longer the original autocorrelation function. However, this difference can be virtually ignored, and the output of the inverse Fourier transform unit 23 can be regarded as an autocorrelation function obtained by ideally taking the square root of the input waveform. Note that in the above embodiments, no special treatment is taken with respect to the influence of residual noise in areas other than the vicinity of the time origin and the ease with which consonants are likely to be dropped. In particular, if square root processing is applied to each frequency component of the power spectrum, S/
This may lead to deterioration of the N ratio. Therefore, it is desirable to perform noise reduction processing in the frequency domain before performing square root processing. For example, by adding a noise reduction circuit 25 as shown in FIG. 2 between the power spectrum calculation circuit 22 and the square root calculation circuit 8 in FIG. 1, it is possible to increase the S/N ratio. As a device for noise reduction processing in the frequency domain, for example, there is a device that sets a certain threshold level and considers frequency components exceeding this level to be signal (speech) components. There is also a device that considers a predetermined number of frequency components having larger amplitudes as signal components. Regardless of which device is used, if the signal is speech, consonants tend to be missing if noise reduction processing is strengthened. Therefore, it is necessary to seek an appropriate compromise between the two. In reality, it is better to adaptively control the threshold level depending on the magnitude of the input. Generally speaking, for audio signals, the threshold level is set high in the vowel region and lowered in the consonant region to find a compromise between a decrease in the S/N ratio and a decrease in intelligibility.

【考案の効果】[Effect of the idea]

以上説明したように本考案の信号処理装置は、
入力信号が白色雑音の場合、自己相関関数のエネ
ルギが、t=0の付近に集中するというSPACの
持つ性質を継承しながら極めて簡単な回路で、信
号の全周波数成分について2乗歪を完全に無くす
ことができ、信号対雑音比の改善された高品質な
出力波形を得ることができる。
As explained above, the signal processing device of the present invention is
When the input signal is white noise, the energy of the autocorrelation function concentrates around t = 0, which is the property of SPAC, but with an extremely simple circuit, it is possible to completely eliminate the square distortion for all frequency components of the signal. It is possible to obtain a high-quality output waveform with an improved signal-to-noise ratio.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本考案の信号処理装置の回路ブロツク
図、第2図はその部分変更例を示す図、第3図は
従来のSPACを実施するための回路ブロツク図で
ある。 1……イコライザ、2……自己相関関数回路、
4……波形切出回路、5……周期決定回路、6…
…相関関数波形接続回路、8……平方根演算回
路、21……フーリエ変換回路、22……電力ス
ペクトル演算回路、23……フーリエ逆変化回
路、25……雑音低減回路。
FIG. 1 is a circuit block diagram of the signal processing device of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a partial modification thereof, and FIG. 3 is a circuit block diagram for implementing a conventional SPAC. 1...Equalizer, 2...Autocorrelation function circuit,
4...Waveform extraction circuit, 5...Period determination circuit, 6...
... Correlation function waveform connection circuit, 8 ... Square root calculation circuit, 21 ... Fourier transform circuit, 22 ... Power spectrum calculation circuit, 23 ... Fourier inverse change circuit, 25 ... Noise reduction circuit.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 入力信号をフーリエ変換してスペクトル領域に
分解する回路と、該スペクトル領域から電力スペ
クトル値を演算する回路と、該電力スペクトル値
の平方根を演算する回路と、その平方根をフーリ
エ逆変換する回路とを備えて前記入力信号の自己
相関関数を求めるように構成し、求めた自己相関
関数から雑音成分の集中する初期期間を切り捨
て、信号波形を再編し、出力するように構成し
て、前記平方根を演算する回路によつて自己相関
関数の持つ2乗歪を全周波数成分について除去す
ることを特徴とする信号処理装置。
A circuit that performs Fourier transform on an input signal and decomposes it into a spectral domain, a circuit that computes a power spectral value from the spectral domain, a circuit that computes the square root of the power spectral value, and a circuit that inversely Fourier transforms the square root. The apparatus is configured to calculate an autocorrelation function of the input signal in advance, cut off an initial period in which noise components are concentrated from the calculated autocorrelation function, rearrange the signal waveform, and output the signal waveform, and calculate the square root. 1. A signal processing device characterized in that a circuit removes square distortion of an autocorrelation function for all frequency components.
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