JPS63229498A

JPS63229498A - 信号処理装置

Info

Publication number: JPS63229498A
Application number: JP62061209A
Authority: JP
Inventors: 梅田　哲夫
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1987-03-18
Publication date: 1988-09-26
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JP2698581B2

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、信号処理装置に関し、特に連続する信号の共
振周波数およびその帯域幅を抽出する信号処理装置に関
する。

［従来の技術１一般に、音声認識装置や音声合成装置においては、人力
した音声信号の共振周波数およびその帯域幅を信号処理
装置により求め、この求められた共振周波数および帯域
幅により人力音声の識別や識別した音声の合成を行って
いる。

従来この種の信号処理装置の構成を第４図に示す。

第４図において、１００は人力音声４３号の線形予測分
析を行う線形予測分析部である。線形予測分析部１００
は演算回路もしくは演算処理装置（ｃｐｕ）により構成
される。

２００は高次多項式の根を計算する根計算部である。根
計算部２００も演算回路やｃｐｕにより構成されている
。

３００は根計算部２００により求められた根を、その根
の大ぎさの順に並び換えたり、収束した根を抽出する並
び換え部である。並び換え部３００は通常ＣＰＵが用い
られる。４００は並び換え部３００により抽出された根
に基いて、人力音声信号の共振周波数およびその帯域幅
を計算する共振周波数計算部である。共振周波数計算部
４００もｃｐｕまたは演算回路により構成されている。

次に、このような構成における従来例の動作を説明する
。

線形予測部１００は、連続する音声信号を単位時間毎に
サンプリングし、音声信号をサンプリングした時点の線
形予測係数を算出する。

ここで、線形予測分析について簡単に述へておく。

第５図は入力音声信号の時間と振幅の関係を示す。

第５図において、時刻ｔ−ｐ−ｔ−ｔまでにサンプリン
グされた音声信号の振幅をそれぞれｘｔ−ｐ〜Ｘｔ−□
とすると、時刻ｔにおける予測値ｙｔを次式により表わ
す。

Ｙｔ−ａｐＸｔ−＋”ａｐ−＋Ｘｔ−２°”＋ａｌＸｔ
−ｐ　　　　　　（１）時刻ｔにおいてサンプリングさ
れた音声信号の振幅Ｘｔと予測値ｙｔとの差を予測残差
ε、と呼ぶ。そして、この予測残差ε、を最小とする係
数ａ、〜ａ。

が定まることがよく知られている。

この係数ａ、〜ａ、を線形予測係数と呼び、また線形予
測係数ａ、〜ａ３を算出することを線形予測分析と呼ん
でいる。

線形予測分析部１００により時刻ｔにおける、線形予測
係数８１〜ａ２が算出されると、線形予測係数ａ１〜ａ
ｐから定まる次式の根を根計算部２００が計算する。

Ｆ（ｚ、ｔ）＝ｚ’＋ａ、ｚ’−’＋　−−−ａ＋、−
０（２）ここで、（２）式を満たすＺは複素極と呼ばれ
、共振周波数を合成するディジタルフィルタ（不図示）
の特性を示す。Ｐは予め定められた次数であり、次数Ｐ
が高い程、信号の周波数特性の計算精度が高まる。なお
、複素数の高次多項式の根を求める繰り返し法などの解
法はよく知られているので詳しい説明を省略する。

根計算部２００により求められた根は順不同であり、共
振特性にとって重要でない根をも含むので、並び換え部
３００により収束した根が抽出され、また抽出された根
の偏角の大きさの順に並びかえられる。

抽出した１〜ｍ個の根２．．（１）が定まると、共振周
波数計算部４００が共振周波数ｆ、ａ（ｔ）および帯域
幅す、　（ｔ）を次式により計算する。

なお、Ｔは音声信号のサンプリング周期である。

このように求められた共振周波数および帯域幅が人力音
声信号の特徴を表すパラメータどして音声認識処理や音
声合成処理に用いられている。

［発明が解決しようとする問題点］ところが、従来この種の信号処理装置においては、共振
周波数の算出に時間かかかるという問題点があった。こ
の理由について説明する。一般に、上述した高次多項式
から根自体を求める式は存在しないので、根計算部２０
０は、上記（２）式の変数Ｚを予め定められた初期値か
ら順次、任、きの値を繰返し上記（２）式に代入してＦ
、□、＝Ｏとなる変数Ｚを抽出している。そして、この
ように変数２を初期値から繰り返し、式に代入すること
を繰り返し法と呼ぶ。

例えは、第６図に示すように、根計算部２００は０点を
変数Ｚの計算開始位置として定め、Ｚｏ、Ｌ。

Ｚ２，２３と順次に上記（２）式に代入し、Ｆ　１２１
　＝　Ｏを満足する根Ａを抽出する。以下、上述手順を
繰り返し、ｍ個の根を抽出している。仮りに、上記（２
）式の次数を１０となし１００個の変数２の代入計算を
行うとすると、１０個の根を求めるために約１０Ｘ　ｔ
ｏｏ”回の計算を根計算部２００が行うことになるので
、根の算出時間が多大になっている。また、その結果、
共振周波数の算出まで時間がかかるという問題点につな
がっていた。

そこで、本発明の目的は、このような問題点を解決し、
高次多項式の計算時間を短縮することのできるイ３号処
理装首を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］このような目的を達成するために、本発明は、時間的に
連続する信号の線形予測係数を予め定められた周期で計
算する線形予測係数計算手段と、当該計算された線形予
測係数から定まる高次多項式の根を繰り返し法により計
算する根計算手段と、当該計算された根をその大きさの
順に並へ換える並び換え手段と、当該並び換えられた根
に基づいて共振周波数および共振周波数の帯域幅の少な
くともいずれか一方を計算する共振周波数計算手段と、
並び換え手段により並び換えられた根に応じて、根計算
手段が行う繰り返し法の計算における初期値を設定する
初期値設定手段とを具えたことを特徴とする。

［作　用１本発明は、線形予測係数計算手段により時間的に連続す
る信号から線形予測係数が計算されると、根計算手段は
線形予測係数から定まる高次多項式の根を計算する。

このとき、繰り返し法による計算の初期値として前時刻
において計算された根に応じた初期値が初期値設定手段
により設定される。根計算手段により計算された根は根
の大ぎさの順に並び換えられ、共振周波数計算手段によ
り共振周波数およびその帯域の少なくともいかれか一方
が計算される。また、並び換え手段により並び換えられ
た根が次の時刻における根計算手段の計算の初期値とし
て用いられるので、根計算手段が行う根計算時間か短縮
される。

［実施例１以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本実施例における構成の一例を示す。

第１図において、第４図と同様の箇所には同一の符号を
付している。第１図において、５００は、根計算部２０
０により高次多項式の根の計算を行うだめの初期値を設
定する初期値設定部であり、初期値設定部５００は現在
のサンプリング時刻ｔにおいて並び換え部３００′　に
より得られた根もしくはこの根より定まるパラメータを
次のサンプリング時刻ｔ＋１における上記初期値とする
。

また、初期値設定部５００はランダムアクセスメモリ（
ＲＡＭ）により構成され、根計算部２００の根計算の開
始に先立って根計算部２００により初期値設定部５００
から上記初期値が読み取られる。

３００′　は重要な根を並び換える並び換え部であり、
ＣＰＵにより構成される。

次に本実施例の動作を説明する。

第２図は本実施例の動作手順の一例を示す。

第２図において、前回の音声信号サンプリングにおいて
根計算部２００により計算された根に関するパラメータ
が初期値設定部５００には記憶されているものとする。

サンプリング時刻ｔになると、線形予測分析部１００は
音声信号をサンプリングし、線形予測分析を行う（ステ
ップ５１〜Ｓ３）。

線形予測分析部１００により計算された線形予測係数と
、初期値設定部５００に記憶さ才〕ている根に基いて、
根計算部５００が時刻ｔにおける根の計算を行う。本実
施例においては、計算処理時間を短縮するために上述し
た（２）式を次のように因数展開して根を計算する（ス
テップＳ５）。

Ｆ（ｚ、ｔ）−（ｚ２＋ｐｚ＋ｑ）　・Ｑ（ｚ、ｔ）＋
Ｒ（ｐ、ｑ、ｔ）　　　　　　　　（５）−Ｚ”＋ａ＋
（ｔ）Ｚ”−’　””ａｐｒ（ｔ）　　　　　（６）ｑ
（ｚ、ｔ）−ｚ”−２＋ｂ＋（ｔ）ｚＰＰ−３・　＋ｂ
Ｐｐ−＊（ｔ）　　　　　　（７）上記（６）式で示さ
れる伝達関数Ｆ（ｚ、ｔ）を上記（５）式に置き換え、
求めようとする根をｚ、（ｔ）　　とすると、Ｚ　’　
＋　ｐ　７．　＋　ｑ　−０およびＲ（１）、Ｑ、ｔ）
−０トｆｔ　ル変数ｐおよびｑが存在する。

また、次数ｐｐを偶数個とし、Ｑ（Ｚ、ｔ）を（７）式
により定める。そして、上記（７）式を上記（５）式に
代入した後に、上記（５）式および（６）式の各係数を
一致させることにより、上記（７）式の係数す、〜ｂｐ
ｐ−３は、線形予測係数ａｔ　（ｔ）　〜ａｐｐ　（ｔ
）により定まる。

同様に、定数項Ｒ（ｐ、ｑ、ｔ）は線形予測係数ａｌ（
ｔ）〜ａｐＨ（ｔ）と変数ｐおよびｑの関数となる。

そこで、変数ｐおよびｑを、根に関するパラメータとし
て任意に定めることにより、Ｒ（ｐ、ｑ、ｔ）＝０とな
る変数ｐおよびｑの値を抽出することができる。この変
数ｐおよびｑが定まれば、Ｚ２＋ｐＺ＋ｑ−０を満λす
る解が求める根Ｚ、　（ｔ）　　となる。

Ｒ（ｐ、ｑ、ｔ）Ｊを解くためには、繰り返し法を用い
るが、ｐｌおよびｑｌを初期値と定め、ｐ−＋１　＋＋
Δｐ＋　　　　　　（ａ）Ｑ−Ｑ　ｌ＋ΔＱ＋　　　　
　　（９）と表わし、第１次までのティラー展開を行う
。

Ｒ（ｐ、ｑ）−Ｒ（ｐ＋、Δｐ＋、Ｑ＋やΔｑ＋）した
がって、上式（ｌＯ）によりΔｐ１およびΔＱ＋が求ま
る。以下、１）ｌ−１１２＋ΔＩ）２．Ｑｌ−ｑ２＋Δ
ｑ２とおいて繰り返しくｌＯ）式を解き、１Δｐ＋ｌ”
ｌ　　Δｑｌｌ＜θとなるまでパラメータΔｐ１および
Δｑ、を求めると、任意の精度でＲ（ｐ、ｑ）−０とな
る。

変数ｐおよびｑを求めることができる。なお、初期値ｐ
１およびｑｌは前の時刻ｔ−１において求めた根より定
まる。

時刻ｔ−１における根をＺ、（ｔ、−１）　、複素兵役
の根を２４（ｔ−１）　　とすると、ｐ＋−−（Ｚ　、ｎ（ｔ−１）”Ｚ、（ｔ−１））　　
　　（１１）ｑ＋−２ｍ（ｔ−１）・１．ｌｌ・（ｔ−
１）　　　　　　（１２）なる関係がある。

高次多項式における収束する根がｍ個あるとすると、そ
れぞれの根から上記（１１）式および（１２）式により
ｍ個の初期値が求まるので、この初期値を時刻ｔの根計
算の初期値とする。また、時刻ｔ−１における根が実数
のときは、任意の実数根を組み合わせて次の根計算に使
用する初期値を並び換え部３００′　により作成すれば
よい。

このようにステップＳ５において、根計算部２００によ
り根が求まると、並び換え部３００′　が収束した用を
才！！＋ｉすＡ−ンケｒ　如皿イ直とＬｔ−前の鴎勿１
ｔ−１の根と抽出した根との距離が長くなったものを選
び出して並び替えの候補とする。次に、この候補の組と
対応する初期値の組の中から距離が一番短くなる組合せ
を抜き出して改めて対応する根とし、残りについてこれ
を繰り返し、新しい順番として並びかえる。本明細書で
はこのことを簡単のために根の大きさの順に並び換える
ということにする。並び換え部３００′　により並べ換
えられた根もしくはパラメータは初期値設定部５００に
記憶される。また、上記根に基づいて共振周波数および
帯域幅が共振周波数計算部４００により計算される（ス
テップ５７〜Ｓ８）。

なお、初期値設定部５００に記憶される初期値を根とす
るか、根から定まるパラメータとするかは根計算部２０
０が行う根の解法により応じて定まる。本実施例のよう
に上述のパラメータｐおよびｑにより根を求める場合は
、パラメータｐおよびｑを次の根計算の初期値とすれば
よいし、従来例で述べたように複素極Ｚの移動により根
を求める場合は並び換え部３００′　により並び換えら
れた根を次の根計算の初期値とすればよい。

以上の手順を音声信号のサンプル毎に繰り返すことによ
りサンプル時刻毎の共振周波数および帯域幅を計算する
ことができる。さらに、予め定められたしぎい値以内に
ある共振周波数がホルマント周波数と呼ばれる音声にお
ける共振周波数となる。

一般に、連続する音声信号では根計算部２００により時
刻ｔに得られる根Ｚｌｆｔ）〜ＺＭ（ｔ）　と時刻ｔ−
１ニ得られた根Ｚ＋　（ｔ−１）　〜ｉ、＋（ｔ−１）
　（７）位置関係は、第３図に示す関係がある。第３図
に示すように、根の多くは単位円の円周に近い所に存在
し、例えば、時刻ｔにおける第１番目の根ｚ＋Ｄ）　　
と時間ｔ−ｉにおける第１番目の根Ｚｌ（ｔ−１）のよ
うに二つの根の距離が短いという特徴がある。また根ｚ
１（１）が１２　（ｔ−１）を飛びこえて１３（ｔ−１
）の近くに移動することもない。

本実施例は、上述した特徴を基に、時刻ｔにおいて算出
された根を次のサンプリング時刻ｔｅｌの初期値とする
ために、根計算部２００の計算回数が著しく減少する。

第３図を参照すると、より明らかなように、本実施例は
根Ｚｌ（ｔ）が求まる計算時間は、位置りから位置Ｃま
での距離に対応する。これに対して従来例では基準位置
Ｏと位置Ｃまでの距離か根Ｚｌ（ｔ）を計算する時間に
対応するので本実施例により大幅に根の計算時間を短縮
することができる。

［発明の効果］以上、説明したように本発明によれは、時間的に係数が
変化する高次方程式の解を求める際に、ある時刻に求ま
った根を基に、次の時刻の根を近似計算できので根計算
部の演算量を大幅に減少でき、その結果、従来例と比べ
て信号のサンプル時間を短縮でき、以って、高精度で信
号の共振周波数を計算できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構成の一例を示すブロック図、第２図は本発明実施例の動作手順の一例を示すフローチ
ャート、第３図は本発明実施例の根の位置を示す説明図、第４図は従来例の構成を示すブロック図、第５図は従来
例の線形予測係数を示す説明図、第６図は従来例の根の位置を示す説明図である。１００・・・線形予測分析部、２００・・・根計算部、３００．３００′　・・・並び換え部、４００・・・共
振周波数計算部、５００・・・初期値設定部。

Claims

【特許請求の範囲】１）時間的に連続する信号の線形予測係数を予め定めら
れた周期で計算する線形予測係数計算手段と、当該計算された線形予測係数から定まる高次多項式の根
を繰り返し法により計算する根計算手段と、当該計算された根をその大きさの順に並べ換える並び換
え手段と、当該並び換えられた根に基づいて共振周波数および該共
振周波数の帯域幅の少なくともいずれか一方を計算する
共振周波数計算手段と、前記並び換え手段により並び換えられた根に応じて、前
記根計算手段が行う繰り返し法の計算における初期値を
設定する初期値設定手段とを具えたことを特徴とする信号処理装置。２）前記時間的に連続する信号は音声信号であることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の信号処理装置
。