JPS60238900A - 基本周波数パタン抽出方式 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は音声信号の基本周波数バタン抽出方式％式％ 係数という）よシ基本周波数バタンを抽出する場合にお
いて、前の分析区間（以下分析フレームと称する）での
自己相関係数の最大値の大きさ及びその遅れ時間によっ
て次の分析フレームの自己相関係数の演算範囲を可変に
設定することにより少ない演算量で高速に基本周波数パ
タ一ンを抽出できるようにしたものである。

〔従来技術と問題点〕

音声における基本周波数は声帯の振動のピッチ周期の逆
数であり、声帯に関する重要な情報である。例えば第１
図に示す如き音声波形があるとき。

そのピッチ周期Ｔの逆数つまりその繰シ返し周波数が基
本周波数である。この基本周波数は男声で１００〜１５
０　Ｈｚ　、女声で２５０〜４００Ｈ２位であり。

音声合成の重要なパラメータとして、またアクセント、
イントネーションをめる手段として、連続音声認識にお
けるセグメンテーション情報として用いられている。

ところでこの基本周波数を抽出する方式には多くの提案
があるが、もつとも一般的な手法として自己相関係数を
用いた基本周波数抽出法がある。

この自己相関係数をめる場合９周知のように例えば第２
図に示す如く、音声波形を一定の大きさのフレームＷ、
　、　Ｗ、・・・で音声信号を切シ出し、各フレーム内
でサンプリングデータＳｌ、Ｓ、・・・ＳＮをめる。そ
して の如く、サンプリングデータの積をめて０次の自己相関
係′数へ。２，１次の自己相関係数ψ、１．・・・・・
・（Ｎ−１）次の自己相関係数ψ。−１）をめ、そのう
ち一定の範囲における次数内におけるもつとも大きな値
ψｍ＠Ｘの相関係数の次数によシ前記ピッチ周期をめて
いる。

ところでこのような従来の手法により自己相関係数をめ
る場合、各フレームＷ、　、　Ｗ２・・・毎にそのフレ
ーム内のサンプリングデータＳ、、Ｓ２・・・を順次乗
算することが必要なためその演算量が非常に犬となシャ
シだがって基本周波数バタンをめる場合に非常に長時間
かかるという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記の欠点を改善するために。

自己相関係数より基本周波数パタンを抽出する場合にお
いて、前分析フレームでの自己相関係数の最大値の大き
さ及びその遅れ時間つまり次数によって次の分析フレー
ムでの自己相関係数の演算範囲を可変に設定することに
よシ演算量を少なくシ。

その結果高速に基本周波数パタンを抽出する方式を提供
することである。

〔発明の構成〕

前記目的を達成するため１本発明の基本周波数バタン抽
出方式では、音声信号の短区間自己相関）。

係数をめ、予め定められた遅延時間内における自己相関
係数の最大値を検出し基本周波数パタンを抽出する装置
において、自己相関係数を演算するときその演算範囲が
限定可能な自己相関演算回路と、自己相関係数の最大値
を検出する最大値検出回路と、基本周波数を算出する基
本周波数算出回路と、演算範囲を設定する演算範囲設定
回路を備え、前の分析区間における前記自己相関係数の
最大値の存在する遅れ時間およびその最大値に応じて次
の分析区間の前記自己相関演算回路の演算範囲を可変に
設定するようにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

本発明を一実施例にもとづき詳述するに先立ちその概略
を説明する。音声信号においては予測性をある程度仮定
できる。したがって前分析フレームで自己相関係数の最
大値の大きさ及びその遅れ時間がわかれば次の分析フレ
ームでの自己相関係数の最大値の大きさ及びその遅れ時
間もある程度予測できるので、前分析フレームでの自己
相関係数の最大値の大きさ及びその遅れ時間がわかれば
その最大値の自己相関の次数を中心としてその演算範囲
を限定しても自己相関係数を正確に算出することができ
る。このようにして前回のフレームの演算結果にもとづ
き次フレームの演算量を限定することができるので、高
速に基本周波数パタンを抽出することができる。

次に本発明を具体的に説明する。

■、自己相関係数の算出 本発明では前分析フレームの自己相関係数の最大値の大
きさ及びその遅れ時間（次数）により次分析フレームで
の演算範囲を可変にするものであるため、先ず最初の分
析フレームにおいては従来通りの手法によシ自己相関係
数の最大値を持つ次数を算出する。

いま音声波形信号の時系列を Ｘ　＝　Ｘ＋　、　Ｘ２　、　Ｘｓ・＝　Ｘｎとする。

このＸの時刻ｔ　＝＝　ｌから始まるＮ個のザンブルに
時間窓をかけて切シ出しだ時系列を Ｙ’　””　”ｌ　＋　Ｘｌ＋１＋　Ｘｌ＋２°１°０
１Ｘｌ＋Ｎ−＋　＝　Ｙ＋　ｒ　Ｙ２　＋　Ｙ３°９−
ｙＮとする。この時間窓で切り出さ゛れた時系列Ｙの自
己相関係数は次式で定義される。

ここでＮ’＝Ｎ−ｍ ｍは自己相関の次数 ０≦ｍ＜Ｎ−１ である。

そして前記（１）式で演算された自己相関係数の最大値
を持つ次数ｍｍ８ｘを次式で検出する。

ここでｍ、　、　ｍｌは各々予め定められた次数（遅れ
時間）であって２例えば男声の場合にはこれより得られ
る基本周波数ｆが１００〜１５０　Ｈｚの範囲内になる
ように定められたものである。そしてこのようにして得
られたｍｌ、、１．から次式により基本周波数ｆをめる
ことができる。

この上記シーケンスにより基本周波数が算出される。

Ｌ　基本周波数バタンの抽出 次に本発明における基本周波数パタンの抽出について説
明する。

音声信号の時系列を 入””　ＸＩ＋　Ｘ２＋　ｘ３　”””Ｘｎとする。

ここで時刻１から始まるＮ個のサンプルに時間窓をかけ
て切り出された時系列を Ｘ、：ｘ、、ｘ、、、、、、、Ｘ。

とする。そしてこの分析区間の名前を、第３図に示す如
く、第１フレームとする。

次に分析フレーム周期をＰとして１時系列Ｘの時刻１か
らＰサンプル経過後の時刻から始まるＮ個のサンプルに
時間窓をかけて切り出された時系列を Ｌ＝　Ｘｐ、　ＸＰ＋１　、−−　ＸＰ＋Ｎ−１＝　Ｘ
’ｓ　、　Ｘ′２．−・・・ｘ′Ｎとする・ｊ′−ｆＰ
の値は医≦ＰＮＯ範囲の値をと　、るものとする。また
この分析区間を第２フレームという。前記Ｐの範囲よシ
明らかなように、第１フレームの後半のＴ以下の部分が
第２フレームとオーバラップしている。

（ａｌ　第１フレームの自己相関係数の算出まず前記第
１フレームの自己相関係数ψ１（ｎｉを前記（１）式を
用いて計算する。したがってとのψ１゜は次式により得
られる。

（Ｎ’＝Ｎ−ｍ、Ｏ≦ｍ＜Ｎ−１） このようにして得られた自己相関係数ψ１．□、の最大
値ｍＶ、及び最大値をもつ次数ｍＯ，（遅れ時間）を検
出する。

ｍＶ、　＝　ＭａｘＶ　（ψ１゜）　・・・叩・・・・
・・・・＋５１（ｍ　＝　ｍ、　−ｍ２　） ｍ　Ｏ，＝　Ｍａｘ　Ｏ（ψＩ（ｍｌ　）　−−叩・・
−＋６１（ｍ二ｍ、〜ｍ２） ここでｆｌｌｌ　、　ｍ２は各々予め定められた次数（
遅れ時間）であって検出範囲を示すものであり９例えば
男声の場合と女声の場合とでは異なる検出範囲をもつ。

（ｂ）　第１フレームにおける基本周波数の算出および
第２フレームでの自己相関係数の演算範囲前記（６）式
によシ得られた次数ｍＱ１により第１フレームの基本周
波数ｆ、を次式によりめる。

そしてこの第１フレームで得られた自己相関係数ψＩ　
ｆｍ）の最大値及びその最大値をもつ次数より。

この次数を中心に第２フレームでの自己相関係数の演算
範囲を決定する。この演算範囲を決定する場合９例えば
実験的に自己相関係数の最大値と次フレームにおける自
己相関の演算範囲幅との関係を予じめめておき、その対
応を示す関数をｇ　ｔｌ）として定義する。この関数ｇ
　（ｌｌの一例を第４図に示す。

自己相関係数の最大値が、第４図の１ｍａｘ以上の場合
には次フレームではその次数を中心に一意の前後演算範
囲幅Δｍｌ。を決定する。また自己相関係数の最大値が
１１ｍ１ｎ以下の場合には次フレームでは演算幅△□８
ｘを決定する。自己相関係数の最大値が前記１．ｎ□〜
Ａ！ｍｉｎの範囲の場合には、前フレームにおける最大
値の自己相関係数を有する次数を中心として前後を第４
図の関数ｇ　（ｌｌで示される演算範囲Δが決定される
。

したがって前記（６）式で得られた次数を中心として、
第１フレームで得られた自己相関係数の最大値ｍ　Ｖ、
によりこの関数ｇ　（Ａｌ１を用いて次の第２フレーム
での自己相関演算の演算範囲幅△スを決定する。

△ｌ二ｇ　（ｍＶｌ　）　・・・・・・・・・・・・・
・・＋８）　・この演算範囲幅に従って第２フレームの
自己相関係数の算出演算を行う。この結果、第２フレー
ム目の自己相関係数ψ２（ｍｌは次式で計算される。

（Ｎ’＝Ｎ　−ｍ　、　ｍ　Ｏｓ−ΔＨ≦ｍ≦ｍＯ＋Δ
、）前式における演算では、演算すべき自己相関の次数
が前記ｍＱを中心にして前後がΔｌの幅に限定されるの
で演算量を大幅に削減できる。

この演算により第２フレームにおける自己相関係数ψ２
゜の最大値ｍ　Ｖ２およびその最大値を持つ次数ｍＱ２
を検出する。

ｍ　Ｖ２＝　Ｍａｘ　Ｖ　（ψ２い、）　・・・・・・
・・・・・・・・・　ＯＱｍ＝（ｍＶｌ−△ｌ）〜（ｍ
■２＋△ｌ）ｍ　０２＝　Ｍａｘ　Ｏ（ψ２゜）　・・
・・・・・・・・・・・・・（１１）ｍ　＝　（ｍ　Ｖ
ｌ　−△Ｉ　）　〜（ｍ　Ｖ＋　＋　△１）そして第２
フレーム目の基本周波数ｆ２はによ請求めることができ
る。

次の第３フレームの自己相関係数ψ３゜を演算するとき
、この第２フレーム目の前記次数ｍＱ２を中心として、
前記最大値ｍ■２により得られる前記関数ｇ（ｍ′ｖ２
）によシ定められる自己相関の演算範囲△２を演算すれ
ばよい。

同様にして第１フレームの自己相関係数ψＩ０はその１
つ前の第（ｉ−１）フレームの自己相関係数ψｌ−Ｈｍ
）の最大値及びその最大値を持つ次数の値に依存した形
で計算され、その自己相関係数ψｌい、を基に第１フレ
ームの基本周波数ｆ、が抽出される。　□この方式によ
り前フレームでの演算結果にょシ次のフレームでの自己
相関演算の演算範囲を限定できることにより演算量を減
少することができ、高速に基本周波数パタンを抽出する
ことが可能である。

■、実施例 本発明の一実施例構成を第５図により説明する。

第５図において１はマイクロホンであって音声を電気信
号に変換するもの、２はアナログ−ディジタル変換器で
あってマイクロホン１から伝達された音声信号をサンプ
リングしてこれをテイジタル信号に変換するもの、３は
データメモリであってディジタル信号化された音声信号
が格納されるもの、４はデータ切出回路であって予め定
められた分析フレーム長く時間窓）、分析フレーム周期
に従ってデータを順次切出すもの、５は自己相関演算回
路であって自己相関係数を計算するもの。

６は最大値検出回路であって前記自己相関演算回路５に
よシ演算された自己相関係数の最大の値を検出するもの
、７は基本周波数算出回路であって前記最大値検出回路
６によシ検出された最大の自己相関係数を有する次数に
もとづき基本周波数を算出するもの、８は時系列バッフ
ァ・メモリであって前記基本周波数算出回路７から出力
された各フレーム毎の基本周波数の値を一時保持するも
の。

９は演算範囲設定回路であって前記関数ｇ　（ｌｌが格
納されており前フレームでの自己相関係数の最大値及び
その時の遅れ時間（自己相関係数の最大値を有する次数
）から算出される演算範囲内で自己相関演算を行うもの
である。

第５図に示す本発明の一実施例構成回路の動作について
説明する。

発声された音声はマイクロホン１から入力されてアナロ
グ−ディジタル変換器２によシアナログーデイジタル変
換され、このディジタルの音声データがデータ・メモリ
３に格納される。

このデータ・メモリ３に格納された音声データはデータ
切出回路４により、予め定められた分析フレーム長２分
析フレーム周期に従い順次切出される。この切出された
音声データに関して前記（４）式にもとづき自己相関演
算回路５により自己相関係数を計算する。このとき第１
フレーム目の演算に関しては自己相関係数の演算範囲は
あらかじめ指定された範囲（例えば男声に対しては１０
０〜１５０Ｈ２に対応する範囲）のその全次数を演算す
るという最大の値に設定される。この！うにして自己相
関係数４回路５によシ演算された自己相関係数のもつと
も大きい値とこの最大値を有する次数が最大値検出回路
６で検出される。そしてこの次数と最大値が演算範囲設
定回路９に伝達される。これによシ演算範囲設定回路９
は前記関数ｇ　（７１にもとづき次フレーム演算範囲幅
△と第１フレームにおける自己相関係数の最大値を有す
る次数を自己相関演算回路５に送出して次の演算範囲を
前記最大値を有する次数を中心に前後△の幅だけに設定
する。しだがって第２フレーム以後の各フレームの音声
データに関してはその演算範囲が前記設定範囲に限定さ
れ、その演算範囲内での自己相関係数の最大値及びその
時の遅れ時間（次数）を最大値検出回路６が抽出するこ
とになり、これにもとづき次フレームの演算範囲が設定
されることになる。このようなととが繰返されて順次演
算が行われる。ところで最大値検出回路６は前記各フレ
ームにおける自己相関係数の最大値をもつ次数（遅れ時
間）から前記（７）式、０２式等により各基本周波数を
順次抽出する。この基本周波数の値は、各フレーム毎、
順次時系列バッファ・メモリ８に格納され、これらによ
り基本周波数バタンか構成されることになる。また基本
周波数算出回路７における前記基本周波数送出信号はデ
ータ切出回路４にも伝達されて各フレームにおける演算
終了報告となり、これにより次フレームが切出され次の
演算が開始されることになる。

〔発明の効果〕

本発明によれば基本周波数バタンを抽出するとき前分析
フレームでの自己相関係数の最大値の大きさ及びその遅
れ時間によって次の分析フレームの自己相関係数の演算
範囲を可変、縮小して設定することによシ自己相関演算
の計算量を削減することができる。したがってその結果
、高速に基本周波数バタンを抽出することが可能になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は基本周波数の説明図、第２図は従来の自己相関
係数の算出方式の説明図、第３図は本発明におけるフレ
ームの説明図、第４図は次フレームにおける演算範囲幅
決定の関数の１例、第５図は本発明の一実施例構成図で
ある。 図中、１はマイクロホン、２はアナログ−ディジタル変
換器、３はデータ・メモリ、４はデータ切出回路、５は
自己相関演算回路、６は最大値検出回路、７は基本周波
数算出回路、８は時系列バッファ・メモリ、９は演算範
囲設定回路を示す。 特許出願人　富士通株式会社 代理人弁理士　山　谷　皓　榮 第３図 ｚ、）〜”Ｐ＋Ｎ−１’−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 音声信号の短区間自己相関係数をめ、予め定められた遅
   延時間内における自己相関係数の最大値を検出し基本周
   波数バタンを抽出する装置において、自己相関係数を演
   算するときその演算範囲が限定可能な自己相関演算回路
   と、自己相関係数の最大値を検出する最大値検出回路と
   、基本周波数を算出する基本周波数算出回路と、演算範
   囲を設定する演算範囲設定回路を備え、前の分析区間に
   おける前記自己相関係数の最大値の存在する遅れ時間お
   よびその最大値に応じて次の分析区間の前記自己相関演
   算回路の演算範囲を可変に設定するようにしたことを特
   徴とする基本周波数バタン抽出方式。