JPH0670750B2 - 位相特性の推定を伴う極零分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、音声などの信号のスペクトルを近似する極零
パラメータを分析する際に、振幅特性だけでなく位相特
性の推定をも伴う極零分析装置に関するものである。

（従来の技術） 音声合成や音声認識の分野では、音声のスペクトルを近
似するパラメータの値を抽出することが重要である。さ
らに、一般の信号についても、そのスペクトルを近似す
るパラメータの値を抽出することが必要になる場合があ
る。

音声等の信号（以下では、単に信号と呼ぶ）のスペクト
ルを近似するパラメータとしては、極あるいは極零がし
ばしば用いられる。これは、極や零はその物理的意味が
明確である等の特徴があり、応用上有利であるためであ
る。このうち、極パラメータのみによるモデル（全極モ
デル）による分析は、線形予測法などによって容易に行
えることが知られているが、比較的少ないパラメータで
より正確にスペクトルを近似するためには極零パラメー
タによる分析が必要である。

この極零分析の第１の従来例は、例えばジェイ．ディ
ー．マーケルとエイ．エイチ．グレイ（J.D.Markel and
A.H.Gray）の著書「音声の線形予測（鈴木訳）」（Lin
ear Predic-tion of Speech）の第11. 4節に示されてい
る。これは、ホモモルフィックデコンポリューションを
用いるものである。即ち、音声セグメントのケプストラ
ムの低時間成分からモデルのインパルス応答の最小位相
近似を求め、この値から極零パラメータ値を求めるもの
である。

一方、極零パラメータの値を抽出するものの第２の例と
して、シー．ティー．マリスとアール．エイ．ロバーツ
（C.T.Mullis and R.A.Roberts）によるアイイーイーイ
ートランザクション（IEEETransaction）エイエスエス
ピー24（ASSP−24）,No.3のページ226から238に掲載の
論文、「ザ ユース オブ セカンドオーダ インフォ
メーション イン ザ アプロクシメイション オブ
ディスクリートタイム リニアー システムズ（The Us
e of Second-Order Infor-mation in the Approximatio
n of Discrete-Time Linear Systems）」に示されたも
のがある。

この方法は音声とモデルの振幅スペクトルの差の二乗積
分の値を最小にする極零パラメータ値が最適な近似を与
えるという原理に基づいている。

これは、音声等の入力信号の自己相関値と、それに関連
したインパルス応答から決定される値を方程式の係数と
し、極零モデルの伝達関数の係数を未知数とする連立方
程式を解くことによって得られる。

自己相関値およびインパルス応答の値は例えば、高い次
数の線形予測法によって容易に求めることができる。あ
るいは、第１の従来例と同様に、ホモモルフィックデコ
ンポリューションによって求めることも可能である。

（発明が解決しようとする問題点） これらの極零分析によれば、少ないパラメータで音声な
どの振幅スペクトルを精度良く近似できる。しかし、何
れもモデルとしては最小位相システムを仮定しているた
め、スペクトルの位相成分の近似は行われない。音声の
生成過程は必ずしも最小位相システムとしてはとらえら
れないため、音声合成などに応用する場合にはこの点が
問題になることがあった。

第１の従来例において、ケプストラムの代わりに複素ケ
プストラムと呼ばれるパラメータを用いれば、位相特性
も含めた近似が可能であるが、このパラメータ値の抽出
そのものに要する演算量が単なるケプストラムの分析に
必要な演算量に比べて膨大なものになる上に、複素ケプ
ストラムから極零パラメータ値を得ることも容易ではな
い。

本発明の目的は、音声合成などに応用する際に合成音の
品質に影響を及ぼすと考えられる位相特性をも精度良く
近似する極零パラメータを、比較的少ない演算量で安定
に求められる極零分析装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による位相特性の推定を伴う極零分析装置は、音
声などの信号のスペクトルを、最小位相システムである
極零モデルで近似する手段を有する型の極零分析装置で
あって、極零分析をおこなう手段によって抽出された極
零パラメータ値を用いて前記音声などの信号を逆フィル
タリングして残差信号を算出する手段と、前記残差信号
に指数関数的に減衰する重み関数を掛ける手段と、その
重み付られた残差信号の極分析をおこなう手段と、その
重み付られた残差信号の極の絶対値を逆数で置き換えた
値を零パラメータの値とし、重み付られた残差信号の極
のうち前記最小位相システムのモデルで抽出された零パ
ラメータと異なる値のもののみを抽出する手段とを有
し、前記最小位相システムのモデルで抽出された極零パ
ラメータと重み付られた残差信号の分析で得られた極零
パラメータ値とを分析結果の極零パラメータ値として出
力することを特徴とする。

（作用） 本発明では、まず従来の極零分析と同様に最小位相を仮
定したモデルに基づいて信号の極零分析をおこない、そ
の結果の後処理として信号を逆フィルタリングして残差
信号を求め、ｚ平面の単位円の内部における極分析によ
って位相成分の分析をおこなうものである。

最小位相を仮定して得られた極零パラメータによれば、
信号の振幅スペクトル特性は良好に近似されているはず
であるから、位相特性さえ分析しなおせば、振幅位相と
もに精度良く近似する極零パラメータの値が抽出できる
ことになる。

振幅特性のみを最小位相モデルで近似するように分析し
た場合、実際の零点の位置はその絶対値を逆数で置き換
えた単位円の外部に存在する可能性もある。さらに、極
と零点の絶対値が互いに逆数の関係にあるいわゆる全域
通過特性の成分については振幅特性が平坦であるため最
小位相モデルに基づく分析では抽出できない。位相特性
を正しく分析するためにはこの２点の分析が必要であ
る。

ところで、はじめに最小位相を仮定したモデルに基づい
て分析しているので、ここで得られたパラメータ値は極
も零点もｚ平面の単位円の内部に存在する。従って、こ
のモデルの逆システム、即ち、モデルの極を零点で、零
点を極で置き換えた安定で因果的なシステムが必ず存在
し得る。この逆システムによって前記の信号を逆フィル
タリングすると、本来の信号の有する極の成分は極シス
テムの零点で打ち消され、単位円の内部に存在した零点
の成分は逆システムの極によって打ち消される。しか
し、もし本来の信号に単位円の外部の零点の成分が存在
していたとすると、逆システムの極で打ち消されること
はなく、逆フィルタリングされた信号（いわゆる残差信
号）は、単位円の内部の最小位相のモデルの零点が存在
した位置に極を持ち、それと偏角が同一で絶対値が逆数
である位置に零点を持つ。更に、本来の信号に全域通過
特性の成分が含まれていた場合も残差信号にはその極零
成分が含まれる。

しかし、この残差信号の振幅スペクトルは平坦な特性で
あるため通常の周波数スペクトルの分析ではこれらの成
分の抽出は不可能である。

そこで、この残差信号の単位円の内部におけるｚ変換を
求めれば、逆フィルタリングで打ち消されなかったため
に残った極と、全域通過特性に関連する極を抽出するこ
とができる。このことは、残差信号に指数関数的に減衰
する重みを掛けたものに対して通常の極分析をおこなう
ことで達成できる。ただし、このとき得られた極に対し
重みを掛けた分の補正をおこなう必要がある。

こうして重み付られた残差信号の分析で得られた極のう
ち、最小位相のモデルで得られた零点と一致するものが
あれば、その零点は単位円の外部に存在することを示し
ており、絶対値を逆数で置き換えることによって実際に
存在する位置を決定できる。一方、最小位相のモデルで
得られた零点の中に一致するものがなければ、その極は
本来の信号が持っていた全域通過の成分に関連するもの
であり、絶対値が逆数の関係にある零点が存在する。

以上のようにして得られた極零パラメータ値のうち、最
小位相モデルで得られた極は全て本来の信号に含まれて
いた極の成分である。また、重み付られた残差信号から
得られた極のうち最小位相モデルによる零点と異なる位
置にあるものも本来の信号に含まれていた極の成分であ
る。さらに、最小位相モデルで得られた零点のうち、重
み付られた残差信号の分析で得られた極で打ち消されな
かった分は本来の信号に含まれていた零の成分である。
また、重み付られた残差信号の分析で得られた極の絶対
値を逆数で置き換えて得られる零点は全て本来の信号に
含まれていた零パラメータである。

こうして得られた極零パラメータ値は、位相特性も含め
て信号のスペクトルを近似していることになる。

（実施例） 次に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は、本発明の一実施例のブロック図である。

まず、主要な構成部個々の動作を説明する。

図において、２は極零分析回路であり、従来と同様にし
て最小位相を仮定したモデルに基づいて極零分析をおこ
なう。

３は逆フィルタであり、最小位相を仮定して得られた極
零パラメータ値の極を零点とし零点を極とする伝達関数
の係数を算出し、入力信号をフィルタリングして残差信
号を生成する。

４は重み付回路であり、残差信号に指数関数的に減衰す
る重みを掛ける。

５は極分析回路であり、重み付られた残差信号の極分析
をおこなう。

６は極零決定回路であり、極分析回路５の分析結果と最
小位相モデルによる分析結果に基づいて、作用の節に説
明したように極零パラメータ値を決定し出力する。

次に、信号の流れに沿って全体の動作を説明する。

信号線11から入力バッファ７に信号が入力され、予め設
定された時間長分の信号データ（いわゆる分析フレーム
内のデータ）が信号線13を介して極零分析回路２に送ら
れ最小位相モデルに基づいた極零分析がおこなわれる。
分析の結果得られた極零パラメータ値の候補は信号線14
を介して極零バッファ８に送られ記憶される。

極零バッファ８から信号線27を介して逆フィルタ３に最
小位相モデルに基づく極零パラメータの候補値が送られ
ると、前述のように逆フィルタの係数が算出され、入力
バッファ７から信号線16を介して送られる分析フレーム
内の信号が逆フィルタリングされ信号線17を介して重み
付回路４に送られる。

重み付回路４で指数関数的に減衰する重みが掛けられた
残差信号は信号線18を介して極分析回路５に送られて極
分析がおこなわれる。その結果得られた極パラメータ値
は重みを掛けた分の補正が施されて信号線19を介して極
零決定回路６に送られる。

極零決定回路６で、極零バッファ８から信号線15を介し
て送られる極零パラメータの候補値と極分析回路５から
送られた極パラメータ値をもとに前述のように極零パラ
メータ値が算出され信号線12へと出力される。

１は制御回路であり、信号線20,21,22,23,24,25及び26
を介してそれぞれ入力バッファ７、逆フィルタ３、極零
分析回路２、極零バッファ８、重み付回路４、極零決定
回路６及び極分析回路５に制御信号を送り、フレーム周
期ごとに各部の初期化を指示するとともに、データの授
受のための同期信号を送って同期を取る。

（発明の効果） 以上に説明したように本発明の極零分析装置によれば、
従来の極零分析に比べて、逆フィルタリングと重み付お
よび極分析の計算程度の演算量の増加で、位相特性をも
含み、より精度よくスペクトルを近似することができる
極零パラメータ値が得られる。

【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である。 図において、１は制御回路、２は極零分析回路、３は逆
フィルタ、４は重み付回路、５は極分析回路、６は極零
決定回路、７は入力バッファ、８は極零バッファをそれ
ぞれ表す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】音声などの信号のスペクトルを、最小位相
   システムである極零モデルで近似する手段を有する型の
   極零分析装置において、極零分析をおこなう手段によっ
   て抽出された極零パラメータ値を用いて前記音声などの
   信号を逆フィルタリングして残差信号を算出する手段
   と、前記残差信号に指数関数的に減衰する重み関数を掛
   ける手段と、その重み付られた残差信号の極分析をおこ
   なう手段と、その重み付られた残差信号の極の絶対値を
   逆数で置き換えた値を零パラメータの値とし、重み付ら
   れた残差信号の極のうち前記最小位相システムのモデル
   で抽出された零パラメータと異なる値のもののみを抽出
   する手段とを有し、前記最小位相システムのモデルで抽
   出された極零パラメータと重み付られた残差信号の分析
   で得られた極零パラメータ値とを分析結果の極零パラメ
   ータ値として出力することを特徴とする位相特性の推定
   を伴う極零分析装置。