WO2002093553A1 - Estimation of fundamental periods of multiple concurrent sources in particular of sound - Google Patents

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WO2002093553A1
WO2002093553A1 PCT/FR2002/001628 FR0201628W WO02093553A1 WO 2002093553 A1 WO2002093553 A1 WO 2002093553A1 FR 0201628 W FR0201628 W FR 0201628W WO 02093553 A1 WO02093553 A1 WO 02093553A1
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WO
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periods
estimated
values
linear combination
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PCT/FR2002/001628
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Inventor
Alain De Cheveigne
Original Assignee
France Telecom
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10LSPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L25/00Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00
    • G10L25/90Pitch determination of speech signals

Definitions

  • the present invention relates to an estimation of fundamental periods of multiple concurrent sources.
  • the fundamental frequency or its inverse, the fundamental period, is a useful parameter for determining the intonation of a speech signal, and the perceived pitch of a musical sound.
  • musical instruments play together, or that several speakers speak at the same time, which makes it difficult to estimate the fundamental frequencies of individual voices.
  • the estimation of these fundamental frequencies is all the more useful since they constitute parameters used in sound source separation procedures, and in models of auditory scene analysis.
  • the present invention aims to provide a method for estimating fundamental periods of sound sources based on minimizing differences in the signal to be processed, while reducing the iterations and operations intrinsic to the estimation so that the estimation is quick and free.
  • the signal processing means in which the method is implemented for other tasks.
  • the method for estimating several fundamental periods of a digital signal in a signal processing means is characterized in that it comprises a determination of a linear combination of values of the autocorrelation function evaluated for zero, of the respective variables of periods and of the sums and partial differences of these ci, and a search for a combination of minimum value among the determined combinations in order to produce the variables respective periods for this minimum value combination as estimated periods.
  • the signal is modeled as a sum of periodic functions which can have amplitudes which vary slowly.
  • the method provides estimates of the fundamental periods, or frequencies, of each source, and also, for sources whose amplitude is not constant, estimates of their amplitudes or rates of change in amplitude over time.
  • the method is characterized in that, when the digital signal is assumed to result from component signals having respectively said fundamental periods and amplitude variations during said periods, the values of the autocorrelation function evaluated for respective variables of periods and partial sums and differences of these in the linear combination are weighted respectively by one of the amplitude variations, of the squares of these and of the products of these, after estimation of the amplitude variations .
  • the fundamental periods are first estimated by supposing that the amplitudes do not vary, then each variation in amplitude is estimated by canceling the derivative of said linear combination weighted with respect to the variation in amplitude and evaluating said variation amplitude variation for values of the autocorrelation function corresponding to the periods estimated and weighted by the amplitude variations already estimated, and finally by another estimation of the fundamental periods by evaluation of the weighted linear combination with the variations in amplitude estimated.
  • the duration of the search can be reduced when it consists in finding a first minimum value among combinations determined for the variation interval relating to a first period and predetermined constant values of the other periods, then a second minimum value among combinations determined for the first minimum value and the variation interval relative to a second period and predetermined constant values for the other periods, and so on until a minimum value of the linear combination is obtained which is less than a predetermined threshold, or up to to meet any other criteria for terminating the search.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a signal processing means for the implementation of the estimation method according to the invention.
  • FIG. 2 is an algorithm for estimating fundamental periods of a signal entering the processing means, according to the method of the invention.
  • an analog analog input signal x such as a sound signal from an auditory scene or a musical piece, is sampled at sampling instants 1, ... n, ... N in an analog-to-digital converter 1 to a digital sample signal x (n) which is applied to a signal processing circuit 2 to estimate fundamental periods making up the incoming signal and / or amplitudes and / or periodicity measurements .
  • the sampling period in the converter 1 is theoretically set equal to a time unit in order to simplify the writing of the relationships in the following description.
  • the number P of estimated periods may be known in advance, or may itself be the subject of an estimate.
  • the circuit 2 is for example the central processing unit of a computer connected to a non-volatile memory 3.
  • the current autocorrelation function r n (t) of the signal x (n) of period variable t at the sampling instant n depends on the size W of an integration window expressed in number of samples according to the following relationship:
  • the autocorrelation function r n (t) is said to be "current" since the calculation is repeated sample by sample by dragging the window for 1 ⁇ n ⁇ N with t + W -l ⁇ N - n.
  • the autocorrelation function is calculated for all the values of the period variable t comprised between a minimum value t mn and a maximum value t max which depend on the ranges of periods sought, and for any value of n such that 1 ⁇ n ⁇ N with t
  • r n (t) r n - ⁇ (t) -x (nl) x (n-l + t) + x (n + Wl) x (n + W + tl).
  • the following current difference function d n (t) expresses the difference of the digital signal x at an instant i and at a later instant i + t where t can denote a fundamental period sought:
  • the difference function d n (t) is calculated for the same range of parameters, and can undergo the same smoothing method as the current autocorrelation function r n (t).
  • the current autocorrelation function r n (t) or the current difference function d n (t) can be considered to be smoothed one or more times, if the smoothing has been used as a recurrence formula for implement the integration window.
  • the estimation method according to the invention i supplemented in circuit 2 comprises, after an initial step E0, essentially three main steps El, E2 and E3 shown in FIG. 2 and detailed below, according to a first variant of the first realization of the invention.
  • the developer has previously selected the limits of the variation intervals T ⁇ m _ n ⁇ Ti ⁇ T max and 2mi n ⁇ T 2 ⁇ T 2max of the two periods T] _ and T 2 and has written them in memory 3.
  • Circuit 2 writes N samples received x (l) to x (N) in memory 3.
  • circuit 2 determines the sum r ⁇ (t), then all the values of the autocorrelation function r n (t) and of the difference function d n (t) for all the values 0, t] _, t 2 , ti + t 2 and t 2 - t] _ of t included in the two period intervals T lmin ⁇ ti ⁇ T ⁇ max and T 2min ⁇ t 2 ⁇ ⁇ 2max .
  • the processing circuit 2 estimates in step E2 the periods T and T 2 by determining the difference function D n (t ⁇ , t 2 ) for all the values of the periods ti and / or t 2 in the variation intervals, by incrementing each variable ti and t 2 by an increment ⁇ t equal to the sampling period of the signal x (n) or to an integer multiple ⁇ n thereof.
  • Circuit 2 does not estimate D n (t ⁇ , t 2 ) according to the previous relationship by determining all the doubles differences squared for each sample n for each value of i, to avoid too long a determination time. This time is reduced by developing the difference function with the autocorrelation function:
  • n (ti, t 2 ) r n (0) + r n + tl (0) + r n + t2 (0) + n + tl + t 2 ( ⁇
  • D n (t ⁇ , t 2 ) amounts to calculating a linear combination of ten values of the current autocorrelation function for variables t respectively equal to zero, to respective variables of the periods and t 2 and to sums and partial differences ti + t 2 and t 2 _ ti of these.
  • certain terms are grouped and replaced by values of the difference function d n (t) to obtain for example the following relation:
  • the exhaustive search for the minimum of the difference function D n (t] _, t 2 ) is replaced by another search strategy, for example iterative, in which only a subset of the set of pairs [T ⁇ m i n , Tlmax] x [T 2m in T 2max ] is scanned.
  • the circuit 2 searches for a first minimum value D n (t] _, t 2 ) for the variation interval [T ⁇ m i n , ⁇ lma ⁇ ] relative to one of the periods ti while maintaining constant at a given value t l ' other period; then for the period ti corresponding to this first minimum value, a second minimum value of D n for the variation interval [T m j_ n , T 2max ] relative to the other period t while keeping the first period constant at the value previously estimated; then for the period t 2 corresponding to this second minimum value of D n , a third minimum value of D n for the variation interval [ ⁇ min , T ⁇ max ] and so on until a lower value of D n is obtained at a predetermined tolerance level.
  • This variant has the advantage of reducing the time for determining the minimum difference.
  • the criterion for comparison with a predetermined threshold can be replaced by any other criterion for terminating the search.
  • any transformation which favors certain estimates over others, as a function of their values, is applied to the function D n (t ⁇ , t 2 ) •
  • the above transformation, or the limits of the period search space, or the period values found are dynamically adjusted as a function of results obtained beforehand for other positions in the signal, or based on other information.
  • interpolation techniques are applied to the function D n (t] _, t 2 ) to improve the resolution.
  • a display 4 at the output of the signal processing circuit 2 indicates a pair of estimated periods T] _, T 2 as indicated in a step E3.
  • the values e_, e 2 and e ⁇ 2 represent a proportion of residual energy when the periodic part of period of Ti, that of period T, or both is removed respectively.
  • the first embodiment of the invention is not limited to the estimation of two fundamental periods and relates more generally to the estimation of the fundamental frequencies of P competing signals of constant amplitude mixed in the incoming digital signal x (n).
  • the incoming signal x results from the sum of P concurrent periodic sounds of respective periods T] _, ... T p ... Tp.
  • the signal processing circuit 2 cascaded filters the P variables of periods ti to tp.
  • a first filter cancels the components in the signal x (n) relative to the variable of period t] _, that is:
  • a second filter cancels the components relating to the variable of period t 2 in the filtered residual signal, namely:
  • a third filter cancels the components leaving the second filter and relating to the variable of period t 3 , that is:
  • Xp (Xp-l (i)) X p -i (Xp- 2 (i)) - Xp-i (Xp- 2 (i + tp))
  • step E2 estimates at a step analogous to step E2 the periods Ti, ... Tp by searching for the minimum of D n (t ⁇ , ..., tp) in the space with P parameters (t] _, ..., tp).
  • each periodic function Xp (n) composing the incoming signal x (n) has an amplitude ap (n) which varies slowly and which satisfies the following relationship - over a respective period Tp for all 1 ⁇ n ⁇ N-Tp:
  • Xp (n + T p ) / a p (n + Tp) x p (n) / a p (n).
  • the digital signal to be processed x (n) results from the sum of two digital periodic sound signals xj_ and X2 having variable amplitudes of variation ai and a2 varying slowly during their respective periods T and T2, such as:
  • amplitude variations ai and a 2 are unknown, they can be estimated as follows. If only the amplitude variation ai is unknown, its value is estimated by canceling the derivative of-DA n (t, t 2 ) with respect to the amplitude variation ai:
  • a 2 If only the amplitude variation a 2 is unknown, its value is estimated in a similar way by canceling the derivative of DA n (t ⁇ , t 2 ) with respect to a: a 2 [r n (t 2 ) - a ⁇ r n (t ⁇ + t 2 : air n + t ⁇ (fc 2-tl ) a a ⁇ l rr nn ++ tt ⁇ ⁇ ( fcfc 22 ) ) ] ] [ r n + t 2 (0) + a ⁇ r n + t + t 2 ( 0) 2a ⁇ r n + 2 (ti)]
  • the circuit 2 estimates the parameters a, a 2 , and T 2 .
  • the amplitude variation a2 is estimated according to the last previous relationship for the estimated value of ai. We can repeat the previous steps by estimating Ti and T2 again, this time with the following equation:
  • DA n (t ⁇ , t 2 ) r n (0) + ( ⁇ iti) r n + t (0) +
  • Circuit 2 provides an estimate of the two periods and also of the slopes of the two amplitude functions. This information is very useful in a voice separation system based on harmonic cancellation, because it allows design a comb filter that completely removes one of the voices, even if that voice varies in amplitude.
  • the incoming signal x is assumed to result from the sum of P periodic sounds relating to periods Ti, ... Tp, ... Tp and of amplitudes ai, ... ap,. .. ap slowly varying. If the signal x corresponds to its model, the difference function of order P:
  • XA p (XAp_ ⁇ (i)) XA p _ ⁇ (XAp_2 (i)) - a p XA p _ ⁇ (XA p _ 2 (i + t p )),
  • the processing circuit 2 estimates the periods Ti, ... Tp by looking for the minimum of DA n (t ⁇ , ... tp) in the space with P variables (ti, ... tp).

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Abstract

For several variables of fundamental periods (t1, t2) of a digital signal, for example a sound signal, included in the variation intervals (T1min, T1max, T2min, T2max), a linear combination (Dn) of values of the autocorrelation function (rn(t)) for at least one sample (x(n)) of the digital signal is determined. A combination of minimum value is sought (E2) to produce rapidly (E3) the variables of the periods for said combination as estimated periods (T1, T2). The values of the autocorrelation function assessed in the linear combination can be respectively weighted by amplitude variations of component signals having said fundamental periods (T1, T2) which are likewise estimated.

Description

Estimation de périodes fondamentales de sources concurrentes multiples notamment de son Estimation of fundamental periods of multiple concurrent sources including sound
La présente invention concerne une estimation de périodes fondamentales de sources concurrentes multiples .The present invention relates to an estimation of fundamental periods of multiple concurrent sources.
La fréquence fondamentale, ou bien son inverse, la période fondamentale, est un paramètre utile pour déterminer l'intonation d'un signal de parole, et la hauteur perçue d'un son musical. Dans certaines applications, il arrive souvent que des instruments de musique jouent ensemble, ou que plusieurs locuteurs parlent en même temps, ce qui rend difficile l'estimation des fréquences fondamentales des voix individuelles. Pourtant l'estimation de ces fréquences fondamentales est d'autant plus utile que celles-ci constituent des paramètres utilisés dans des procédés de séparation de sources sonores, et dans des modèles d'analyse de scène auditive.The fundamental frequency, or its inverse, the fundamental period, is a useful parameter for determining the intonation of a speech signal, and the perceived pitch of a musical sound. In some applications, it often happens that musical instruments play together, or that several speakers speak at the same time, which makes it difficult to estimate the fundamental frequencies of individual voices. However, the estimation of these fundamental frequencies is all the more useful since they constitute parameters used in sound source separation procedures, and in models of auditory scene analysis.
Divers procédés ont été proposés pour l'estimation de fréquences fondamentales de signaux périodiques isolés, comme les notes d'un instrument ou les parties voisées de la parole d'un locuteur. Les estimations résultant de ces procédés ne sont pas satisfaisantes, même pour des sons isolés, mais sont fiables dans de nombreux cas. En revanche la plupart des procédés échouent dès que plusieurs sons sont mélangés, car l'hypothèse de périodicité du signal qu'elles requièrent n'est plus vérifié.Various methods have been proposed for the estimation of fundamental frequencies of isolated periodic signals, such as the notes of an instrument or the voiced parts of a speaker's speech. The estimates resulting from these methods are not satisfactory, even for isolated sounds, but are reliable in many cases. On the other hand, most of the methods fail as soon as several sounds are mixed, because the hypothesis of periodicity of the signal which they require is no longer verified.
En particulier, l'article "Multiple period estimation and pitch perception model" de Alain de Cheveigné et Hideki Kawahara, Speech Communication 27 (1999) , p. 175-185 suggère le remplacement de la recherche classique d'un maximum de fonction d'autocorrélation du signal numérique à traiter pour estimer des fréquences fondamentales de celui-ci, par la recherche d'un minimum d'une fonction de somme au carré de différences du signal, à travers une cascade de filtres attribués respectivement aux périodes à estimer. Cependant, cet article n'aborde pas l'aspect économique d'une telle recherche qui est d'autant plus longue que le nombre de périodes à estimer est grand.In particular, the article "Multiple period estimation and pitch perception model" by Alain de Cheveigné and Hideki Kawahara, Speech Communication 27 (1999), p. 175-185 suggests replacing the classical search for a maximum of functions autocorrelation of the digital signal to be processed to estimate fundamental frequencies thereof, by searching for a minimum of a sum function squared of differences in the signal, through a cascade of filters allocated respectively to the periods to be estimated . However, this article does not address the economic aspect of such research which is all the longer the greater the number of periods to be estimated.
La présente invention vise à fournir un procédé d'estimation de périodes fondamentales de sources de son basée sur une minimisation de différences du signal à traiter, tout en réduisant les itérations et opérations intrinsèques à l'estimation afin que l'estimation soit rapide et libère le moyen de traitement de signal dans lequel est implémenté le procédé pour d'autres tâches.The present invention aims to provide a method for estimating fundamental periods of sound sources based on minimizing differences in the signal to be processed, while reducing the iterations and operations intrinsic to the estimation so that the estimation is quick and free. the signal processing means in which the method is implemented for other tasks.
A cette fin, le procédé pour estimer plusieurs périodes fondamentales d'un signal numérique dans un moyen de traitement de signal, selon lequel la fonction d'autocorrélation pour au moins un échantillon du signal numérique est préalablement évaluée pour des variables prédéterminées des périodes comprises dans des intervalles prédéterminés de variation des périodes fondamentales, est caractérisé en ce qu'il comprend une détermination d'une combinaison linéaire de valeurs de la fonction d'autocorrélation évaluées pour zéro, des variables respectives de périodes et des sommes et différences partielles de celles-ci, et une recherche d'une combinaison de valeur minimale parmi les combinaisons déterminées afin de produire les variables respectives des périodes pour cette combinaison de valeur minimale en tant que périodes estimées.To this end, the method for estimating several fundamental periods of a digital signal in a signal processing means, according to which the autocorrelation function for at least one sample of the digital signal is previously evaluated for predetermined variables of the periods included in predetermined intervals of variation of the fundamental periods, is characterized in that it comprises a determination of a linear combination of values of the autocorrelation function evaluated for zero, of the respective variables of periods and of the sums and partial differences of these ci, and a search for a combination of minimum value among the determined combinations in order to produce the variables respective periods for this minimum value combination as estimated periods.
Afin encore de réduire la durée de l'estimation des périodes, l'évaluation préalable de termes prédéterminés de la fonction d'autocorrélation rn(t) pour l'échantillon n et la variable t peut être suivie d'une évaluation préalable de termes prédéterminés de la fonction de différence suivante : dn(t) = rn(0) + rn+t(0) - 2rn(t) afin d'évaluer ladite combinaison linéaire en fonction notamment de valeurs de la fonction de différence .In order to further reduce the duration of the estimation of the periods, the prior evaluation of predetermined terms of the autocorrelation function r n (t) for the sample n and the variable t can be followed by a prior evaluation of terms predetermined from the following difference function: d n (t) = r n (0) + r n + t (0) - 2r n (t) in order to evaluate said linear combination as a function in particular of values of the difference function .
Pour une autre réalisation du procédé de l'invention, le signal est modélisé comme une somme de fonctions périodiques qui peuvent avoir des amplitudes qui varient lentement. Le procédé fournit des estimations des périodes, ou fréquences, fondamentales de chaque source, et aussi, pour des sources dont l'amplitude n'est pas constante, des estimations de leurs amplitudes ou taux de variation d'amplitude au cours du temps.For another embodiment of the method of the invention, the signal is modeled as a sum of periodic functions which can have amplitudes which vary slowly. The method provides estimates of the fundamental periods, or frequencies, of each source, and also, for sources whose amplitude is not constant, estimates of their amplitudes or rates of change in amplitude over time.
A cet effet, le procédé est caractérisé en ce que, lorsque le signal numérique est supposé résulter de signaux composants ayant respectivement lesdites périodes fondamentales et des variations d'amplitude pendant lesdites périodes, les valeurs de la fonction d'autocorrélation évaluées pour des variables respectives de périodes et des sommes et différences partielles de celles-ci dans la combinaison linéaire sont pondérées respectivement par l'une des variations d'amplitude, des carrés de celles-ci et des produits de celles-ci, après estimation des variations d'amplitude. Plus particulièrement, les périodes fondamentales sont d'abord estimées en supposant que les amplitudes ne varient pas, puis chaque variation d'amplitude est estimée par annulation de la dérivée de ladite combinaison linéaire pondérée par rapport à la variation d'amplitude et évaluation de ladite variation d'amplitude pour des valeurs de la fonction d'autocorrélation correspondant aux périodes estimées et pondérées par les variations d'amplitude déjà estimées, et enfin par une autre estimation des périodes fondamentales par évaluation de la combinaison linéaire pondérée avec les variations d'amplitude estimées.To this end, the method is characterized in that, when the digital signal is assumed to result from component signals having respectively said fundamental periods and amplitude variations during said periods, the values of the autocorrelation function evaluated for respective variables of periods and partial sums and differences of these in the linear combination are weighted respectively by one of the amplitude variations, of the squares of these and of the products of these, after estimation of the amplitude variations . More particularly, the fundamental periods are first estimated by supposing that the amplitudes do not vary, then each variation in amplitude is estimated by canceling the derivative of said linear combination weighted with respect to the variation in amplitude and evaluating said variation amplitude variation for values of the autocorrelation function corresponding to the periods estimated and weighted by the amplitude variations already estimated, and finally by another estimation of the fundamental periods by evaluation of the weighted linear combination with the variations in amplitude estimated.
La durée de la recherche peut être réduite lorsqu'elle consiste à rechercher une première valeur minimale parmi des combinaisons déterminées pour l'intervalle de variation relatif à une première période et des valeurs constantes prédéterminées des autres périodes, puis une deuxième valeur minimale parmi des combinaisons déterminées pour la première valeur minimale et l'intervalle de variation relatif à une deuxième période et des valeurs constantes prédéterminées des autres périodes, et ainsi de suite jusqu'à obtenir une valeur minimale de la combinaison linéaire inférieure à un seuil prédéterminé, ou jusqu'à satisfaire tout autre critère de terminaison de la recherche.The duration of the search can be reduced when it consists in finding a first minimum value among combinations determined for the variation interval relating to a first period and predetermined constant values of the other periods, then a second minimum value among combinations determined for the first minimum value and the variation interval relative to a second period and predetermined constant values for the other periods, and so on until a minimum value of the linear combination is obtained which is less than a predetermined threshold, or up to to meet any other criteria for terminating the search.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels : - la figure 1 est un bloc-diagramme schématique d'un moyen de traitement de signal pour la mise en oeuvre du procédé d'estimation selon l'invention ; etOther characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the following description of several preferred embodiments of the invention with reference to the corresponding appended drawings in which: - Figure 1 is a schematic block diagram of a signal processing means for the implementation of the estimation method according to the invention; and
- la figure 2 est un algorithme d'estimation de périodes fondamentales d'un signal entrant dans le moyen de traitement, selon le procédé de l'invention.- Figure 2 is an algorithm for estimating fundamental periods of a signal entering the processing means, according to the method of the invention.
En référence à la figure 1, un signal entrant analogique x, tel qu'un signal sonore d'une scène auditive ou d'un morceau musical, est échantillonné à des instants d'échantillonnage 1, ... n, ... N dans un convertisseur analogique-numérique 1 en un signal numérique d'échantillons x(n) qui est appliqué à un circuit de traitement de signal 2 pour estimer des périodes fondamentales composant le signal entrant et/ou des amplitudes et/ou des mesures de périodicité .With reference to FIG. 1, an analog analog input signal x, such as a sound signal from an auditory scene or a musical piece, is sampled at sampling instants 1, ... n, ... N in an analog-to-digital converter 1 to a digital sample signal x (n) which is applied to a signal processing circuit 2 to estimate fundamental periods making up the incoming signal and / or amplitudes and / or periodicity measurements .
La période d'échantillonnage dans le convertisseur 1 est théoriquement posée égale à une unité temporelle afin de simplifier l'écriture des relations dans la suite de la description.The sampling period in the converter 1 is theoretically set equal to a time unit in order to simplify the writing of the relationships in the following description.
Le nombre P de périodes estimées peut être connu à l'avance, ou peut être lui-même l'objet d'une estimation. Le circuit 2 est par exemple l'unité central de traitement d'un ordinateur reliée à une mémoire non volatile 3.The number P of estimated periods may be known in advance, or may itself be the subject of an estimate. The circuit 2 is for example the central processing unit of a computer connected to a non-volatile memory 3.
Selon une première réalisation de l'invention, il est supposé que le signal entrant x(n) est modélisé en général comme une somme de P fonctions périodiques Xp(n) d'amplitude constante et de périodes respectives Tp, avec 1 < p < P et Tp -j_n < Tp < Tpmax, le produit du nombre d'échantillons N par la période d'échantillonnage étant a priori supérieur à la somme des valeurs maximales Tpmax des diverses périodes Tp : p≈P x(n) = ∑ Xp(n) . p=lAccording to a first embodiment of the invention, it is assumed that the incoming signal x (n) is generally modeled as a sum of P periodic functions Xp (n) of constant amplitude and of respective periods T p , with 1 <p <P and Tp -j_ n <Tp <Tp max , the product of the number of samples N by the sampling period being a priori greater than the sum of the maximum values Tp max of the various periods Tp: p≈P x (n) = ∑ Xp (n). p = l
La fonction d'autocorrélation courante rn(t) du signal x(n) de variable de période t à l'instant d'échantillonnage n dépend de la taille W d'une fenêtre d'intégration exprimée en nombre d'échantillons selon la relation suivante :The current autocorrelation function r n (t) of the signal x (n) of period variable t at the sampling instant n depends on the size W of an integration window expressed in number of samples according to the following relationship:
--n+W-1 rn(t) = Σ x(i)x(i+t) ι=n--n + W-1 r n (t) = Σ x (i) x (i + t) ι = n
La fonction d'autocorrélation rn(t) est dite "courante" dans la mesure où le calcul est répété échantillon par échantillon en faisant glisser la fenêtre pour 1 < n < N avec t + W -l ≤ N - n. La fonction d'autocorrélation est calculée pour toutes les valeurs de la variable de période t comprises entre une valeur minimale tm n et une valeur maximale tmax qui dépendent des gammes de périodes cherchées, et pour toute valeur de n telle que 1 < n < N avec tThe autocorrelation function r n (t) is said to be "current" since the calculation is repeated sample by sample by dragging the window for 1 <n <N with t + W -l ≤ N - n. The autocorrelation function is calculated for all the values of the period variable t comprised between a minimum value t mn and a maximum value t max which depend on the ranges of periods sought, and for any value of n such that 1 <n < N with t
+ - l ≤ N - n.+ - l ≤ N - n.
Pour obtenir rapidement les valeurs de la fonction d'autocorrélation, on effectue les opérations suivantes pour chaque valeur de t : i=WTo quickly obtain the values of the autocorrelation function, the following operations are carried out for each value of t: i = W
- former la somme ri (t) = J x(i)x(i+t) ; i=l- form the sum ri (t) = J x (i) x (i + t); i = l
- pour chaque valeur de n, 1 < n < N-W-t+1, appliquer la relation de récurrence :- for each value of n, 1 <n <N-W-t + 1, apply the recurrence relation:
rn(t)=rn-ι (t)-x(n-l)x(n-l+t)+x(n+W-l)x(n+W+t-l) . Ces opérations opèrent un lissage de x(i)x(i+t) par convolution avec une fenêtre carrée de taille W. En appliquant ces opérations de lissage une deuxième fois à la fonction d'autocorrélation rn(t), soitr n (t) = r n -ι (t) -x (nl) x (n-l + t) + x (n + Wl) x (n + W + tl). These operations operate a smoothing of x (i) x (i + t) by convolution with a square window of size W. By applying these smoothing operations a second time to the autocorrelation function r n (t), ie
i=n+W-l r2n(t) = Σ rn(t)/ , i=ni = n + Wl r 2n (t) = Σ r n (t) /, i = n
on obtient un lissage avec une fenêtre triangulaire de taille 2W-1. En répétant ces opérations, on obtient une fenêtre de plus en plus arrondie, dont la forme approche une gaussienne. Le nombre de répétions de ces opérations est à la discrétion du développeur du procédé selon l'invention.we obtain a smoothing with a triangular window of size 2W-1. By repeating these operations, an increasingly rounded window is obtained, the shape of which approaches a Gaussian. The number of repetitions of these operations is at the discretion of the developer of the method according to the invention.
D'autres formules de récurrence permettent d ' implémenter, par récurrence et avec une efficacité comparable, d'autres formes de fenêtre d'intégration de la fonction d'autocorrélation.Other recurrence formulas make it possible to implement, by recurrence and with comparable efficiency, other forms of window for integrating the autocorrelation function.
La fonction de différence courante suivante dn(t) exprime la différence du signal numérique x à un instant i et à un instant ultérieur i+t où t peut désigner une période fondamentale recherchée :The following current difference function d n (t) expresses the difference of the digital signal x at an instant i and at a later instant i + t where t can denote a fundamental period sought:
i=n+W-l dn(t) = ∑ (x(i) - x(i+t)) . i=ni = n + Wl d n (t) = ∑ (x (i) - x (i + t)). i = n
La fonction de différence dn(t) est calculée pour la même gamme de paramètres, et peut subir la même méthode de lissage que la fonction d'autocorrélation courante rn(t) . La fonction de différence peut s'exprimer en dépendance de la fonction d'autocorrélation : dn(t) = rn(0) + rn+t(0) - 2rn(t) afin de bénéficier de la relation de récurrence et ainsi augmenter la rapidité de la détermination de la fonction de différence en précalculant des combinaisons linéaires de rn(t).The difference function d n (t) is calculated for the same range of parameters, and can undergo the same smoothing method as the current autocorrelation function r n (t). The difference function can be expressed in dependence on the autocorrelation function: d n (t) = r n (0) + r n + t (0) - 2r n (t) in order to benefit from the recurrence relation and thus increase the speed of determining the difference function by precalculating linear combinations of r n (t).
Dans la suite de la description, la fonction d'autocorrélation courante rn(t) ou la fonction de différence courante dn(t) peut être considérée comme lissée une ou plusieurs fois, si le lissage a été retenu comme formule de récurrence pour implémenter la fenêtre d'intégration.In the remainder of the description, the current autocorrelation function r n (t) or the current difference function d n (t) can be considered to be smoothed one or more times, if the smoothing has been used as a recurrence formula for implement the integration window.
Le procédé d'estimation selon l'invention i plémenté dans le circuit 2 comprend, après une étape initiale E0, essentiellement trois étapes principales El, E2 et E3 montrées à la figure 2 et détaillées ci-après, selon une première variante de la première réalisation de l'invention.The estimation method according to the invention i supplemented in circuit 2 comprises, after an initial step E0, essentially three main steps El, E2 and E3 shown in FIG. 2 and detailed below, according to a first variant of the first realization of the invention.
Le signal numérique entrant x(n) est supposé résulter de la somme de P=2 sons périodiques concurrents de périodes T]_ et T2 et d'amplitude constante . A l'étape initiale En, le développeur a préalablement sélectionnées les bornes des intervalles de variation Tιm_n < Ti < T max et 2min ≤ T2 ≤ T2max des deux périodes T]_ et T2 et les a écrites dans la mémoire 3. Le circuit 2 écrit N échantillons reçus x(l) à x(N) dans la mémoire 3.The incoming digital signal x (n) is assumed to result from the sum of P = 2 concurrent periodic sounds of periods T] _ and T 2 and of constant amplitude. At the initial stage En, the developer has previously selected the limits of the variation intervals Tι m _ n <Ti <T max and 2mi n ≤ T 2 ≤ T 2max of the two periods T] _ and T 2 and has written them in memory 3. Circuit 2 writes N samples received x (l) to x (N) in memory 3.
Puis à l'étape El, le circuit 2 détermine la somme rι(t), puis toutes les valeurs de la fonction d'autocorrélation rn(t) et de la fonction de différence dn(t) pour toutes les valeurs 0, t]_, t2, ti + t2 et t2 - t]_ de t comprises dans les deux intervalles de période Tlmin ≤ ti ≤ Tιmax et T2min < t2 ≤ τ2max.Then in step E1, circuit 2 determines the sum rι (t), then all the values of the autocorrelation function r n (t) and of the difference function d n (t) for all the values 0, t] _, t 2 , ti + t 2 and t 2 - t] _ of t included in the two period intervals T lmin ≤ ti ≤ Tι max and T 2min <t 2 ≤ τ 2max .
Si le signal x ressemble à son modèle, la fonction de double différence suivante pour l'échantillon x(n) : --n+W-If signal x looks like its model, the following double difference function for sample x (n): --n + W-
Dn(tι,t2)= Σ [ (x(i)-(x(i+tι)-(x(i+t2)-x(i+tι+t2) i-nD n (tι, t 2 ) = Σ [(x (i) - (x (i + tι) - (x (i + t 2 ) -x (i + tι + t 2 ) in
doit être nulle lorsque ti = 1 et t2 = T2. Inversement, la fonction de double différence ne peut s'annuler que si ti = Mι_Tι et t2 = M2T avec M]_ et M2 des entiers. Le circuit de traitement 2 estime alors à l'étape E2 les périodes T et T2 en déterminant la fonction de différence Dn(tι, t2) pour toutes les valeurs des périodes ti et/ou t2 dans les intervalles de variation, en incrémentant chaque variable ti et t2 d'un incrément Δt égal à la période d'échantillonnage du signal x(n) ou à un multiple entier Δn de celle-ci. A chaque incrémentation de variable t]_, t2, le circuit 2 compare la différence Dn(tι, t2) avec celle précédemment calculée Dn-i et mémorise la plus petite différence avec les valeurs de périodes correspondantes T]_ = ti et T2 = t . Dans le cas où la valeur minimale de Dn(t_, t2) est atteinte pour plusieurs paires de périodes, le circuit 2 en retient une, par exemple celle dont les valeurs sont les plus faibles. Ainsi, le circuit 2 recherche le minimum de Dn(tχ, t2) dans l'espace à deux paramètres (ti, t2) . Cette détermination peut se faire de façon exhaustive pour l'ensemble des paires (t]_, t2) appartenant à [Tιmin, Tιmax] x [T2min, T2max] . De préférence, le circuit 2 ne détermine pas la fonction Dn(tχ, t2) pour les paires (t]_, t2) pour lesquelles la paire inverse (t2, t ) a déjà été déterminée, puisque Dn(tι, t2) = Dn(t2, ti) et rn+ 1( 2-tι) = rn+t2 (tl " fc2) • must be zero when ti = 1 and t 2 = T 2 . Conversely, the double difference function can only be canceled if ti = Mι_Tι and t 2 = M 2 T with M] _ and M 2 of integers. The processing circuit 2 then estimates in step E2 the periods T and T 2 by determining the difference function D n (tι, t 2 ) for all the values of the periods ti and / or t 2 in the variation intervals, by incrementing each variable ti and t 2 by an increment Δt equal to the sampling period of the signal x (n) or to an integer multiple Δn thereof. At each incrementation of variable t] _, t 2 , circuit 2 compares the difference D n (tι, t 2 ) with that previously calculated D n -i and stores the smallest difference with the corresponding period values T] _ = ti and T 2 = t. In the case where the minimum value of D n (t_, t 2 ) is reached for several pairs of periods, circuit 2 retains one, for example the one whose values are the lowest. Thus, circuit 2 searches for the minimum of D n (tχ, t 2 ) in the space with two parameters (ti, t 2 ). This determination can be made exhaustively for all the pairs (t] _, t 2 ) belonging to [Tι min , Tι max ] x [T 2min , T 2max ]. Preferably, circuit 2 does not determine the function D n (tχ, t 2 ) for the pairs (t] _, t 2 ) for which the inverse pair (t 2 , t) has already been determined, since D n ( tι, t 2 ) = D n (t 2 , ti) and r n + 1 ( 2 -tι) = r n + t 2 (t l "fc 2 ) •
Le circuit 2 n'estime pas Dn(tι, t2) selon la relation précédente en déterminant toutes les doubles différences au carré à chaque échantillon n pour chaque valeur de i, pour éviter un trop long temps de détermination. Ce temps est réduit en développant la fonction de différence avec la fonction d'autocorrélation :Circuit 2 does not estimate D n (tι, t 2 ) according to the previous relationship by determining all the doubles differences squared for each sample n for each value of i, to avoid too long a determination time. This time is reduced by developing the difference function with the autocorrelation function:
>n(ti,t2) = rn(0)+rn+tl (0) + rn+t2(0) + n+tl +t2(<> n (ti, t 2 ) = r n (0) + r n + tl (0) + r n + t2 (0) + n + tl + t 2 (<
- 2rn ( tι ) - 2rn ( t2 ) + 2rn ( tι +t2 )- 2r n (tι) - 2r n (t 2 ) + 2r n (tι + t 2 )
+ 2rn+ t]_ ( 2~ ι ) - 2rn+ tl ( t ) - 2rn+ t2 ( tl ' + 2r n + t ] _ ( 2 ~ ι) - 2r n + tl (t) - 2r n + t 2 (tl '
La détermination de Dn(tι, t2) revient à calculer une combinaison linéaire de dix valeurs de la fonction d'autocorrélation courante pour des variables t respectivement égales à zéro, à des variables respectives des périodes et t2 et à des sommes et différences partielles ti + t2 et t2 _ ti de celles-ci. De préférence, certains termes sont groupés et remplacés par des valeurs de la fonction différence dn(t) pour obtenir par exemple la relation suivante :The determination of D n (tι, t 2 ) amounts to calculating a linear combination of ten values of the current autocorrelation function for variables t respectively equal to zero, to respective variables of the periods and t 2 and to sums and partial differences ti + t 2 and t 2 _ ti of these. Preferably, certain terms are grouped and replaced by values of the difference function d n (t) to obtain for example the following relation:
Dn(tι,t2) = dn(tχ) + dn+t2(ti) - 2rn(t2) + 2rn(tι+t2) + 2rn+tl(t2-tι) - 2rn+tl(t2)D n (tι, t 2 ) = d n (tχ) + d n + t2 (ti) - 2r n (t 2 ) + 2r n (tι + t 2 ) + 2r n + tl (t 2 -tι) - 2r n + tl (t 2 )
afin encore de réduire le temps de la détermination de Dn(t]_, t2) à la somme de six termes au lieu de dix. Cela rend le procédé d'un coût raisonnable, malgré la taille de l'espace de recherche.in order to further reduce the time for determining D n (t] _, t 2 ) to the sum of six terms instead of ten. This makes the process affordable, despite the size of the search space.
Selon une autre variante, la recherche exhaustive du minimum de la fonction de différence Dn(t]_, t2) est remplacée par une autre stratégie de recherche, par exemple itérative, dans laquelle seul un sous-ensemble de l'ensemble des paires [Tιmin, Tlmax] x [T2min T2max] est balayé. Par exemple, le circuit 2 recherche une première valeur minimale Dn(t]_, t2) pour l'intervalle de variation [Tιmin, τlmaχ] relatif à l'une des périodes ti en maintenant constante à une valeur t donnée l'autre période ; puis pour la période ti correspondant à cette première valeur minimale, une deuxième valeur minimale de Dn pour l'intervalle de variation [T mj_n, T2max] relatif à l'autre période t en maintenant constante la première période à la valeur estimée précédemment ; ensuite pour la période t2 correspondant à cette deuxième valeur minimale de Dn, une troisième valeur minimale de Dn pour l'intervalle de variation [ ιm n, Tιmax] et ainsi de suite jusqu'à obtenir une valeur de Dn inférieure à un seuil prédéterminé de tolérance. Cette variante a pour avantage une réduction du temps de détermination du minimum de différence. Le critère de comparaison à un seuil prédéterminé peut être remplacé par tout autre critère de terminaison de la recherche. Selon encore une autre variante, préalablement à la recherche de la valeur minimale, une transformation quelconque qui favorise certaines estimations par rapport à d'autres, en fonction de leurs valeurs, est appliquée à la fonction Dn(tι, t2) •According to another variant, the exhaustive search for the minimum of the difference function D n (t] _, t 2 ) is replaced by another search strategy, for example iterative, in which only a subset of the set of pairs [Tι m i n , Tlmax] x [T 2m in T 2max ] is scanned. For example, the circuit 2 searches for a first minimum value D n (t] _, t 2 ) for the variation interval [Tι m i n , τ lmaχ] relative to one of the periods ti while maintaining constant at a given value t l ' other period; then for the period ti corresponding to this first minimum value, a second minimum value of D n for the variation interval [T m j_ n , T 2max ] relative to the other period t while keeping the first period constant at the value previously estimated; then for the period t 2 corresponding to this second minimum value of D n , a third minimum value of D n for the variation interval [ι min , Tι max ] and so on until a lower value of D n is obtained at a predetermined tolerance level. This variant has the advantage of reducing the time for determining the minimum difference. The criterion for comparison with a predetermined threshold can be replaced by any other criterion for terminating the search. According to yet another variant, before looking for the minimum value, any transformation which favors certain estimates over others, as a function of their values, is applied to the function D n (tι, t 2 ) •
Selon d'autres variantes, la transformation ci- dessus, ou les limites de l'espace de recherche de période, ou les valeurs de période trouvées, sont ajustées dynamiquement en fonction de résultats obtenus préalablement pour d'autres positions dans le signal, ou en fonction d'autres informations.According to other variants, the above transformation, or the limits of the period search space, or the period values found, are dynamically adjusted as a function of results obtained beforehand for other positions in the signal, or based on other information.
Selon une autre variante, des techniques d'interpolation sont appliquées à la fonction Dn(t]_, t2) pour en améliorer la résolution. Un afficheur 4 en sortie du circuit de traitement de signal 2 indique une paire de périodes estimées T]_, T2 comme indiqué à une étape E3. En variante, le circuit 2 fournit aussi à l'afficheur 4 les mesures suivantes qui renseignent sur le degré de périodicité du signal : ei = 2dn(Tι)/[rn(0) + rn+Tl(0)] e2 = 2dn(T2)/[rn(0) + rn+τ2(0)] ei2 = 4 Dn (Tι , T2 ) / [ rn ( 0 ) + rn+ Tl ( 0 ) + rn+ T;2 ( 0 )According to another variant, interpolation techniques are applied to the function D n (t] _, t 2 ) to improve the resolution. A display 4 at the output of the signal processing circuit 2 indicates a pair of estimated periods T] _, T 2 as indicated in a step E3. As a variant, circuit 2 also provides the display 4 with the following measurements which provide information on the degree of periodicity of the signal: ei = 2d n (Tι) / [r n (0) + r n + Tl (0)] e 2 = 2d n (T 2 ) / [r n (0) + r n + τ 2 (0)] ei2 = 4 D n (Tι, T 2 ) / [r n (0) + r n + Tl (0) + r n + T ; 2 (0)
+ rn+ Tι +T2 ( ° ) ] • + r n + Tι + T 2 ( ° )] •
Les valeurs e_, e2 et eχ2 représentent une proportion d'énergie résiduelle lorsque la partie périodique de période de Ti, celle de période T , ou les deux est enlevée respectivement.The values e_, e 2 and eχ2 represent a proportion of residual energy when the periodic part of period of Ti, that of period T, or both is removed respectively.
La première réalisation de l'invention n'est pas limitée à l'estimation de deux périodes fondamentales et concerne plus généralement l'estimation des fréquences fondamentales de P signaux concurrents d'amplitude constante mélangés dans le signal numérique entrant x(n).The first embodiment of the invention is not limited to the estimation of two fundamental periods and relates more generally to the estimation of the fundamental frequencies of P competing signals of constant amplitude mixed in the incoming digital signal x (n).
Selon cette variante plus générale, il est supposé que le signal entrant x résulte de la somme de P sons périodiques concurrents de périodes respectives T]_, ... Tp ... Tp.According to this more general variant, it is assumed that the incoming signal x results from the sum of P concurrent periodic sounds of respective periods T] _, ... T p ... Tp.
Le circuit de traitement de signal 2 filtre en cascade les P variables de périodes ti à tp. Un premier filtre annule les composantes dans le signal x(n) relatives à la variable de période t]_, soit :The signal processing circuit 2 cascaded filters the P variables of periods ti to tp. A first filter cancels the components in the signal x (n) relative to the variable of period t] _, that is:
i=n+W-l 2i = n + W-l 2
Dn(tι) = ∑ (Xι(x(i))) i=l i≈ +W-1D n (tι) = ∑ (Xι (x (i))) i = l i≈ + W-1
!x(i) - x(i+tι) ι=n! x (i) - x (i + tι) ι = n
puis un deuxième filtre annule les composantes relatives à la variable de période t2 dans le signal résiduel filtré, soit :then a second filter cancels the components relating to the variable of period t 2 in the filtered residual signal, namely:
i=n+W-l 2i = n + W-l 2
Dn(tι,t2) = ∑ (X2(Xι(i))) i=n i=n+W-lD n (tι, t 2 ) = ∑ (X 2 (Xι (i))) i = ni = n + Wl
Σ (Xl(i) - Xι(i+t2)) i-n i=n+W-l Σ (x(i) -x(i+tι) -x(i+t2)+x(i+t +t2; ι=nΣ (Xl (i) - Xι (i + t 2 )) in i = n + Wl Σ (x (i) -x (i + tι) -x (i + t 2 ) + x (i + t + t 2 ; ι = n
puis un troisième filtre annule les composants sortant du deuxième filtre et relatives à la variable de période t3, soit :then a third filter cancels the components leaving the second filter and relating to the variable of period t 3 , that is:
i≈n+W-1 2 i≈n + W-1 2
Dn(tι,t2,t3) = ∑ (X3(X2(i))) i=n i=n+W-l 2D n (tι, t 2 , t 3 ) = ∑ (X 3 (X 2 (i))) i = ni = n + Wl 2
∑ (X2(Xι(i)) - (X2(Xl(i+t3)) ) i=n i=n+W-l∑ (X 2 (Xι (i)) - (X 2 (Xl (i + t 3 ))) i = ni = n + Wl
Σ (x(i)-x(i+tι)-x(i+t2)+x(i+tι+t2)- i=nΣ (x (i) -x (i + tι) -x (i + t 2 ) + x (i + tι + t 2 ) - i = n
2 i+tι+t2+t3)) ; X(i+t3)+x(i+tι+t3)+x(i+t2+t3)-x( 0 et ainsi de suite jusqu'à un Pième filtre qui annule les composantes relatives à la variable de période tp, soit la fonction de différence d'ordre P :2 i + tι + t 2 + t3)); X (i + t3) + x (i + tι + t3) + x (i + t 2 + t3) -x (0 and so on until a Pth filter which cancels the components relating to the variable of period tp , that is the order difference function P:
i=n+W~l 5 Dn(tι, ...tp, ...tP) = ∑ (Xp(XP_1(...Xp(...X3 i=ni = n + W ~ l 5 D n (tι, ... t p , ... t P ) = ∑ (Xp (X P _ 1 (... Xp (... X 3 i = n
(X2(Xl(i))) ...) ...))2, P qui dépend d'une élévation au carré de 2 termes du type x(i) avec la formule de récurrence(X 2 (Xl (i))) ...) ...)) 2 , P which depends on an elevation squared of 2 terms of type x (i) with the recurrence formula
Xp(Xp-l(i)) = Xp-i(Xp-2(i)) - Xp-i(Xp-2(i+tp))Xp (Xp-l (i)) = X p -i (Xp- 2 (i)) - Xp-i (Xp- 2 (i + tp))
et qui doit être nulle lorsque tp = Tp pour p = 1, ... P afin que les réponses des P filtres définis précédemment soient zéro respectivement pour les valeurs ti = Ti, ... tp = Tp. Inversement, la fonction de différence ci-dessus n'est nulle que si tp = MpTp où Mp est un entier, pour p = 1, ... P. Le circuit de traitement 2 estime alors à une étape analogue à l'étape E2 les périodes Ti, ... Tp en recherchant le minimum de Dn(tι, ..., tp) dans l'espace à P paramètres (t]_, ..., tp) .and which must be zero when tp = Tp for p = 1, ... P so that the responses of the P filters defined above are zero respectively for the values ti = Ti, ... tp = Tp. Conversely, the above difference function is zero only if tp = MpTp where Mp is an integer, for p = 1, ... P. The processing circuit 2 then estimates at a step analogous to step E2 the periods Ti, ... Tp by searching for the minimum of D n (tι, ..., tp) in the space with P parameters (t] _, ..., tp).
Comme dans la variante où P = 2 , l'expression de Dn(t]_, ..., tp) est développée en une somme de termes de la fonction d'autocorrélation courante rn(t), ou une somme de termes de la fonction d'autocorrélation courante rn(t) et de la fonction de différence courante dn (t ) .As in the variant where P = 2, the expression of D n (t] _, ..., tp) is developed into a sum of terms of the current autocorrelation function r n (t), or a sum of terms of the current autocorrelation function r n (t) and of the current difference function d n (t).
L'algorithme montré à la figure 2 pour la variante P = 2 s'étend ainsi à P quelconque. Dans l'espace de paramètres [Tlmin, Tιmax] x ... [TPmin, Tpmax], le circuit 2 cherche le minimum de la fonction Dn(t]_Λ ..., tp) . Plus encore que dans le cas P = 2, la recherche pour être précise doit être exhaustive.The algorithm shown in Figure 2 for the variant P = 2 thus extends to any P. In the parameter space [T lm i n , Tι max ] x ... [T Pm i n , Tp max ], circuit 2 searches for the minimum of the function D n (t] _ Λ ..., tp ). Even more than in the case P = 2, the search to be precise must be exhaustive.
Le procédé d'estimation selon l'invention produit ainsi un ensemble de P périodes estimées. Il peut également fournir des mesures de périodicité qui servent d'indicateurs de la fiabilité de 1 ' estimation. Selon une deuxième réalisation de l'invention, il est supposé que chaque fonction périodique Xp(n) composant le signal entrant x(n) a une amplitude ap(n) qui varie lentement et qui satisfait la 5 relation suivante -sur une période respective Tp pour tout 1 < n ≤ N-Tp :The estimation method according to the invention thus produces a set of P estimated periods. It can also provide measures of periodicity which serve as indicators of the reliability of the estimate. According to a second embodiment of the invention, it is assumed that each periodic function Xp (n) composing the incoming signal x (n) has an amplitude ap (n) which varies slowly and which satisfies the following relationship - over a respective period Tp for all 1 <n ≤ N-Tp:
Xp(n+Tp)/ap(n+Tp) = xp (n) /ap (n) .Xp (n + T p ) / a p (n + Tp) = x p (n) / a p (n).
10 Le modèle du signal x(n) dégénère en une somme de signaux périodiques d'amplitude constante selon la première réalisation, pour ap = 1, et en un son périodique unique pour P = 1.The model of the signal x (n) degenerates into a sum of periodic signals of constant amplitude according to the first embodiment, for a p = 1, and into a single periodic sound for P = 1.
Selon une variante simple de la deuxièmeAccording to a simple variant of the second
15 réalisation, le signal numérique à traiter x(n) résulte de la somme de deux signaux numériques de son périodiques xj_ et X2 ayant des amplitudes variables de variation ai et a2 variant lentement pendant leurs périodes respectives T et T2, telles que :15 embodiment, the digital signal to be processed x (n) results from the sum of two digital periodic sound signals xj_ and X2 having variable amplitudes of variation ai and a2 varying slowly during their respective periods T and T2, such as:
20 xi (n + T ) = aixi (n) x2 (n + T2) = a2X2 (n) . Si l'un ou l'autre signal était isolé, la variation d'amplitude de ce signal pourrait être compensée en normalisant le signal avant estimation. Toutefois, en20 xi (n + T) = aixi (n) x 2 (n + T 2 ) = a2X 2 (n). If either signal was isolated, the variation in amplitude of this signal could be compensated for by normalizing the signal before estimation. However, in
25 général, les amplitudes des deux signaux xi et x2 varient indépendamment l'une de l'autre. L'algorithme montré à la figure 2 s'adapte néanmoins à cette deuxième réalisation.In general, the amplitudes of the two signals xi and x 2 vary independently of one another. The algorithm shown in Figure 2 nevertheless adapts to this second embodiment.
Si le signal correspond à son modèle, laIf the signal matches its model, the
30 fonction de différence des sons DAn(tι,t2) pour l'échantillon x(n) :30 difference function of the sounds DA n (tι, t 2 ) for the sample x (n):
i= W-l DAn(tι,t2)= ∑ [(x(i)-aιx(i+tι)-(a2x(i+t2)-aιa2x(i+tι+t2))] i=ft doit être nulle lorsque ti = Ti et t = T2.i = Wl DA n (tι, t 2 ) = ∑ [(x (i) -aιx (i + tι) - (a 2 x (i + t 2 ) -aιa 2 x (i + tι + t 2 )) ] i = ft must be zero when ti = Ti and t = T 2 .
En développant la fonction de double différence DAn avec la fonction d'autocorrélation rn à une étape analogue à l'étape E2, le temps de détermination de la fonction DAn(tι,t2) est réduit dans le circuit 2 :By developing the double difference function DA n with the autocorrelation function r n in a step analogous to step E2, the time for determining the function DA n (tι, t2) is reduced in circuit 2:
Figure imgf000018_0001
+ aîrn+tl(0) + a2rn+t2 (0) + aîalrn+tl + t2 (0; 2aιrn(tι) 2a2rn(t2) + 2aιa2 n(tι+t2) + 2aιa2rn+ tl (t2-tι) - aï 2rn+ 1 (t2)
Figure imgf000018_0001
+ senior n + tl (0) + a2 r n + t 2 (0) + senior n + tl + t2 (0; 2aιr n (tι) 2a 2 r n (t 2 ) + 2aιa2 n (tι + t2) + 2aιa 2 r n + tl (t 2 -tι) - aï 2r n + 1 (t 2 )
- 2a2airn+t2 (tl: - 2a 2 airn + t 2 (t l :
Si l'une ou les deux variations d'amplitude ai et a2 sont connues, comme cela est parfois le cas pour des instruments de musique dont l'enveloppe temporelle est connue d'avance, leurs valeurs peuvent être substituées dans la formule précédente. L'estimation procède alors avantageusement comme selon la première réalisation.If one or both amplitude variations ai and a 2 are known, as is sometimes the case for musical instruments whose time envelope is known in advance, their values can be substituted in the previous formula. The estimation then proceeds advantageously as according to the first embodiment.
Si l'une ou les deux variations d'amplitudes ai et a2 sont inconnues, elles peuvent être estimées de la manière suivante. Si seule la variation d'amplitude ai est inconnue, sa valeur est estimée en annulant la dérivée de-DAn(t , t2) par rapport à la variation d'amplitude ai :If one or both of the amplitude variations ai and a 2 are unknown, they can be estimated as follows. If only the amplitude variation ai is unknown, its value is estimated by canceling the derivative of-DA n (t, t 2 ) with respect to the amplitude variation ai:
ai = [rn(tι) - a2rn(tι+t2) - a2rn+tl (t -tι ) aa22rrnn++tt22 ((ttll)) ]] / [rn+tι(0) + a2rn+t1 +t (° 2a2rn+tl (t2) ]ai = [r n (tι) - a 2 r n (tι + t 2 ) - a 2 r n + tl (t -tι) a a 22 rr nn ++ tt 22 ((tt ll ))]] / [ r n + tι (0) + a 2 rn + t 1 + t ( ° 2a 2 r n + tl (t 2 )]
Si seule la variation d'amplitude a2 est inconnue, sa valeur est estimée d'une manière similaire en annulant la dérivée de DAn(tι, t2) par rapport à a : a2 [rn(t2)- aχrn(tι+t2: airn+tι (fc2-tl) aaïlrrnn++ttιι <(fcfc22)) ]] [rn+t2 (0) + aï rn+t +t2 (0) 2aιrn+ 2 (ti) ]If only the amplitude variation a 2 is unknown, its value is estimated in a similar way by canceling the derivative of DA n (tι, t 2 ) with respect to a: a 2 [r n (t 2 ) - aχr n (tι + t 2 : air n + tι (fc 2-tl ) a a ïl rr nn ++ ttιι <( fcfc 22 ) ) ] ] [ r n + t 2 (0) + a ï r n + t + t 2 ( 0) 2aιr n + 2 (ti)]
Si les variations d'amplitude ai et a2 sont toutes deux inconnues, elles sont estimées selon la méthode itérative suivante. A une étape supplémentaire dans l'étape E2, le circuit 2 estime les paramètres a , a2, et T2. D'abord, selon la première réalisation, le circuit 2 fixe a = a2 = 1 et estime les périodes Ti et T2 ainsi sans variation d'amplitude. Puis a2 = 1 est conservé et la variation d'amplitude ai est estimée selon la relation correspondante précédente pour les périodes t = Ti et t2 = 2 estimées. Ensuite la variation d'amplitude a2 est estimée selon la dernière relation précédente pour la valeur estimée de ai. On peut répéter les étapes précédentes en estimant Ti et T2 à nouveau, cette fois avec l'équation suivante:If the amplitude variations ai and a2 are both unknown, they are estimated according to the following iterative method. At an additional step in step E2, the circuit 2 estimates the parameters a, a 2 , and T 2 . First, according to the first embodiment, the circuit 2 fixes a = a 2 = 1 and estimates the periods Ti and T2 thus without variation in amplitude. Then a 2 = 1 is kept and the amplitude variation ai is estimated according to the previous corresponding relation for the periods t = Ti and t 2 = 2 estimated. Then the amplitude variation a2 is estimated according to the last previous relationship for the estimated value of ai. We can repeat the previous steps by estimating Ti and T2 again, this time with the following equation:
DAn(tι,t2) = rn(0) + (αiti) rn+t (0) +DA n (tι, t 2 ) = r n (0) + (αiti) r n + t (0) +
2 2 22 2 2
2t2) rn+t2(0) + (αiti) (α2t2) rn+tl + 2 (°)2 t 2 ) r n + t2 (0) + (αiti) (α 2 t 2 ) r n + tl + 2 (°)
2 (αιtι)rn(tι) - 2α2t2rn(t2) + 2αιtια2t2rn(tι+t2) +2 (αιtι) r n (tι) - 2α 2 t 2 r n (t 2 ) + 2αιtια 2 t 2 r n (tι + t 2 ) +
2 2αιtια2t2rn+t1 (t2-tι) - 2(αιtι) 2T2rn+tη (t∑)2 2αιtια 2 t 2 r n + t 1 (t 2 -tι) - 2 (αιtι) 2T 2 r n + t η (t∑)
2 2(2α2t2) αιtιrn+1-2 (ti) ,2 2 (2α2t2) αιtιr n + 1 - 2 (ti),
où ai = aι/Tι et α2 = 2/T2 sont des pentes des fonctions d'amplitude.where ai = aι / Tι and α2 = 2 / T2 are slopes of the amplitude functions.
La convergence est garantie puisque chaque pas réduit la différence DAn Dn(tι, t2) qui est limitée intérieurement par 0. Le circuit 2 fournit une estimation des deux périodes et aussi des pentes des deux fonctions d'amplitude. Cette information est très utile dans un système de séparation de voix fondé sur l'annulation d'harmonique, car il permet de concevoir un filtre en peigne qui supprime complètement l'une des voix, même si cette voix varie en amplitude.Convergence is guaranteed since each step reduces the difference DA n D n (tι, t 2 ) which is internally limited by 0. Circuit 2 provides an estimate of the two periods and also of the slopes of the two amplitude functions. This information is very useful in a voice separation system based on harmonic cancellation, because it allows design a comb filter that completely removes one of the voices, even if that voice varies in amplitude.
Selon une variante plus générale de la deuxième réalisation, le signal entrant x est supposé résulter de la somme de P sons périodiques concernant de périodes Ti, ... Tp, ... Tp et d'amplitudes ai, ... ap, ... ap variant lentement. Si le signal x correspond à son modèle, la fonction de différence d'ordre P :According to a more general variant of the second embodiment, the incoming signal x is assumed to result from the sum of P periodic sounds relating to periods Ti, ... Tp, ... Tp and of amplitudes ai, ... ap,. .. ap slowly varying. If the signal x corresponds to its model, the difference function of order P:
j=n+W-\j = n + W- \
DAn ( i, ... tp, ... tp) Σ (XAp(XAP_ Xp(...X3 ι=n DA n (i, ... t p , ... tp) Σ (XAp (XA P _ Xp (... X 3 ι = n
(X2(Xl(i) )...)) ,(X 2 (Xl (i)) ... ) ),
avec :with:
XAp (XAp_ι (i) ) = XAp_ι (XAp_2 (i) ) - apXAp_ι (XAp_2 (i+tp) ) ,XA p (XAp_ι (i)) = XA p _ι (XAp_2 (i)) - a p XA p _ι (XA p _ 2 (i + t p )),
qui doit être nulle pour tp = Tp pour p = 1, ... P.which must be zero for tp = T p for p = 1, ... P.
Le circuit de traitement 2 estime alors les périodes Ti, ... Tp en recherchant le minimum de DAn(tι, ... tp) dans l'espace à P variables (ti, ... tp) .The processing circuit 2 then estimates the periods Ti, ... Tp by looking for the minimum of DA n (tι, ... tp) in the space with P variables (ti, ... tp).
Les périodes fondamentales Ti à Tp sont d'abord estimées en supposant que les amplitudes ne varient pas, soit ai = ... ap = 1. Puis chaque variation d'amplitude ap est estimée par annulation de la dérivée de ladite combinaison linéaire pondérée DAn(tι, ... tp) par rapport à la variation d'amplitude ap et évaluation de cette variation d'amplitude pour des valeurs de la fonction d'autocorrélation correspondant aux périodes estimées et pondérées par les variations d'amplitude a , ... ap_ι déjà estimées, les autres ap+i, ... ap étant maintenues constantes à 1. Enfin les périodes fondamentales sont estimées par évaluation de la combinaison linéaire pondérée DAn avec les variations d'amplitude estimées, l'afficheur 4 produit les périodes estimées Ti • à Tp et les pentes des variations d'amplitude ai à ap ou leurs pentes ai = iTi à αp = apTp.The fundamental periods Ti to Tp are first estimated by supposing that the amplitudes do not vary, ie ai = ... ap = 1. Then each variation of amplitude ap is estimated by canceling the derivative of said weighted linear combination DA n (tι, ... tp) with respect to the amplitude variation ap and evaluation of this amplitude variation for values of the autocorrelation function corresponding to the periods estimated and weighted by the amplitude variations a,. .. ap_ι already estimated, the other ap + i, ... ap being kept constant at 1. Finally the fundamental periods are estimated by evaluation of the weighted linear combination DA n with the estimated amplitude variations, the display 4 produces the estimated periods Ti • to Tp and the slopes of the amplitude variations ai to ap or their slopes ai = iTi to αp = apTp.
Bien que l'invention ait été décrite pour produire des périodes fondamentales d'un signal numérique, les fréquences fondamentales de celui-ci seront évidemment déduites par les inverses des périodes . Although the invention has been described for producing fundamental periods of a digital signal, the fundamental frequencies thereof will obviously be deduced by the inverse of the periods.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé pour estimer plusieurs périodes fondamentales d'un signal numérique dans un moyen de traitement de signal (2) , selon lequel la fonction d'autocorrélation (rn(t)) pour au moins un échantillon (x(n)) du signal numérique est préalablement évaluée pour des variables prédéterminées des périodes (ti, t2) comprises dans des intervalles prédéterminés de variation (Tιmin, τ lmax ' τ2mi τ2maχ) des périodes fondamentales, caractérisé en ce qu'il comprend une détermination (E2) d'une combinaison linéaire (Dn) de valeurs de la fonction d'autocorrélation évaluées pour zéro à des variables respectives de périodes (t , t2) et des sommes et différences partielles de celles-ci, et une recherche 1 - Method for estimating several fundamental periods of a digital signal in a signal processing means (2), according to which the autocorrelation function (r n (t)) for at least one sample (x (n)) of the digital signal is previously evaluated for predetermined variables of the periods (ti, t 2 ) included in predetermined variation intervals (Tι m i n , τ l max ' τ 2mi τ 2maχ) of the fundamental periods, characterized in that it comprises a determination (E2) of a linear combination (D n ) of values of the autocorrelation function evaluated for zero at respective period variables (t , t 2 ) and sums and partial differences thereof, and a research
(E2) d'une combinaison de valeur minimale parmi les combinaisons déterminées afin de produire(E2) of a combination of minimum value among the combinations determined in order to produce
(E3) les variables respectives des périodes pour cette combinaison de valeur minimale en tant que périodes estimées (T , T2) •(E3) the respective period variables for this minimum value combination as estimated periods (T, T 2 ) •
2 - Procédé conforme à la revendication 1, selon lequel la combinaison linéaire pour P périodes fondamentales à estimer est une fonction du type :2 - Method according to claim 1, according to which the linear combination for P fundamental periods to be estimated is a function of the type:
--n+W-1--n+W-1
Dn(tι, ...tp, ...tp) Σ (Xp(Xp_l(...Xp(...X3 ι=nD n (tι, ...t p , ...tp) Σ (Xp(Xp_ l (...Xp(...X 3 ι=n
(X2(Xl(i))) ...) ...)(X 2 (X l (i))) ...) ...)
avec Xp(Xp_ι(i)) = Xp-ι (Xp-2 (i) ) - Xp-i (Xp-2 (i+tp) ) pour 1 ≤ p ≤ P, dans laquelle la fonction Xι(i) est exprimée par lesdites valeurs de la fonction d'autocorrélation évaluées pour zéro, des variables respectives de périodes (ti, t2) et des sommes et différences partielles de celles-ci.with X p (Xp_ι(i)) = X p( X p - 2 ( i ) ) - Xι(i) is expressed by said values of the autocorrelation function evaluated for zero, of the variables respective periods (ti, t 2 ) and the sums and partial differences thereof.
3 - Procédé conforme à la revendication 1 ou 2, selon lequel l'évaluation préalable de termes prédéterminés de la fonction d'autocorrélation rn(t) pour l'échantillon n et la variable t est suivie d'une évaluation préalable de termes prédéterminés de la fonction de différence suivante : dn(t) = rn(0) + rn+t(0) - 2rn(t) afin d'évaluer ladite combinaison linéaire (Dn) en fonction notamment de valeurs de la fonction de différence .3 - Method according to claim 1 or 2, according to which the prior evaluation of predetermined terms of the autocorrelation function r n (t) for the sample n and the variable t is followed by a prior evaluation of predetermined terms of the following difference function: d n (t) = r n (0) + r n+t (0) - 2r n (t) in order to evaluate said linear combination (D n ) as a function in particular of values of the difference function.
4 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, selon lequel la combinaison linéaire est la suivante pour des variables prédéterminées t et t2 de deux périodes à estimer :4 - Method according to any one of claims 1 to 3, according to which the linear combination is as follows for predetermined variables t and t 2 of two periods to be estimated:
Dn(tι,t2) = dn(tι) + dn+t2(tι) - 2rn(t2) + 2rn(tι+t2) + 2rn+tl (t2-tι) - 2rn+t1( 2)D n (tι,t 2 ) = d n (tι) + d n+t2 (tι) - 2r n (t 2 ) + 2r n (tι+t 2 ) + 2r n+tl (t 2 -tι) - 2r n +t 1 (2)
5 _ Procédé conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que, lorsque le signal numérique est supposé résulter de signaux composants ayant respectivement lesdites périodes fondamentales (T , T2) et des variations d'amplitude (a , a2) pendant lesdites périodes, les valeurs de la fonction d'autocorrélation évaluées pour des variables respectives de périodes (t , t2) et des sommes et différences partielles de celles-ci dans la combinaison linéaire sont pondérées respectivement par l'une des variations d'amplitude, des carrés de celles-ci et des produits de celles-ci, après estimation des variations d'amplitude. 6 - Procédé conforme à la revendication 5, selon lequel les périodes fondamentales sont d'abord estimées en supposant que les amplitudes ne varient pas, puis chaque variation d'amplitude (ap) est estimée par annulation de la dérivée de ladite combinaison linéaire pondérée (DAp) par rapport à la variation d'amplitude et évaluation de ladite variation d'amplitude pour des valeurs de la fonction d'autocorrélation correspondant aux périodes estimées et pondérées par les variations d'amplitude déjà estimées, et enfin par une autre estimation des périodes fondamentales par évaluation de la combinaison linéaire pondérée (DAn) avec les variations d'amplitude estimées.5 _ Method according to claim 1 characterized in that, when the digital signal is supposed to result from component signals having respectively said fundamental periods (T, T 2 ) and amplitude variations (a, a 2 ) during said periods, the values of the autocorrelation function evaluated for respective period variables (t, t 2 ) and partial sums and differences thereof in the linear combination are weighted respectively by one of the amplitude variations, squares of these and the products of these, after estimation of the amplitude variations. 6 - Method according to claim 5, according to which the fundamental periods are first estimated assuming that the amplitudes do not vary, then each amplitude variation (ap) is estimated by canceling the derivative of said weighted linear combination ( DAp) with respect to the amplitude variation and evaluation of said amplitude variation for values of the autocorrelation function corresponding to the estimated periods and weighted by the amplitude variations already estimated, and finally by another estimation of the periods fundamental by evaluating the weighted linear combination (DA n ) with the estimated amplitude variations.
7 - Procédé conforme à la revendication 5 ou 6, selon lequel la combinaison linéaire pour P périodes fondamentales à estimer est une fonction du type :7 - Method according to claim 5 or 6, according to which the linear combination for P fundamental periods to be estimated is a function of the type:
i=n+W-li=n+W-l
DAn(tι, ...tp, ...tp) = ∑ (XAp(XAP_ι(... Xp ( ... X3 i-n (X2(Xl(i) )...)...))2,DA n ( tι, ...t p , ... tp) = ∑ (XAp(XA P (... ...)) 2 ,
avec : XAp(XAp_ι(i)) = XAp-i(XAp-2(i) ) - apXAp_! (XAp-2 (i+tp)with: XA p (XAp_ι(i)) = XAp-i(XAp- 2 (i) ) - a p (XA p - 2 (i+t p )
pour 1 < p ≤ P, dans laquelle la fonction XAι(i) est exprimée par lesdites valeurs de la fonction d'autocorrélation évaluées pour zéro, des variables respectives de périodes (ti, t2) et des sommes et différences partielles de celles-ci.for 1 < p ≤ P, in which the function XAι(i) is expressed by said values of the autocorrelation function evaluated for zero, of the respective period variables (ti, t2) and the sums and partial differences thereof .
8 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 7, selon lequel la combinaison linéaire est la suivante pour des variables prédéterminées i et T2 et des variations d'amplitude ai et a2 relatives à deux périodes à estimer :8 - Method according to any one of claims 5 to 7, according to which the linear combination is as follows for variables predetermined i and T2 and amplitude variations ai and a 2 relating to two periods to be estimated:
DAn(tι,t2)=rn(0) + ïrn+tl(0) + aJ5rn+t2(0) + aιa2 n+tl + t2 (0) - 2aιrn(tι) - 2a2rn(t2) +DA n (tι,t 2 )=r n (0) + ïr n+tl (0) + a J5r n+t2 (0) + aιa 2 n+tl + t2 (0) - 2aιr n (tι) - 2a 2 r n (t 2 ) +
2aιa2rn(tι+t2) + 2aιa2rn+ tχ (t2-tι) - 2af a2rn+ tl (t2)2aιa 2 r n (tι+t 2 ) + 2aιa 2 r n+ tχ (t 2 -tι) - 2 a fa 2 r n+ tl (t 2 )
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0001
9 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, selon lequel la recherche consiste à rechercher une première valeur minimale parmi des combinaisons déterminées pour l'intervalle de variation relatif à une première période et des valeurs constantes prédéterminées des autres périodes, puis une deuxième valeur minimale parmi des combinaisons déterminées pour la première valeur minimale et l'intervalle de variation relatif à une deuxième période et des valeurs constantes prédéterminées des autres périodes, et ainsi de suite jusqu'à obtenir une valeur minimale de la combinaison linéaire inférieure à un seuil prédéterminé.9 - Method according to any one of claims 1 to 8, according to which the search consists of searching for a first minimum value among combinations determined for the variation interval relating to a first period and predetermined constant values of the other periods, then a second minimum value among combinations determined for the first minimum value and the variation interval relating to a second period and predetermined constant values of the other periods, and so on until obtaining a minimum value of the lower linear combination at a predetermined threshold.
10 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel la fonction d'autocorrélation est lissée. 10 - Method according to any one of claims 1 to 9, according to which the autocorrelation function is smoothed.
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