Brevet FR2561808A1 — publié le 19850927

La présente invention concerne un procédé de traitement d'un signal présentant à la fois une fluctuation de fréquence relativement élevée et une fluctuation de fréquence relativement basse, par exemple un signal vocal, visant à en extraire la fluctuation de fréquence relativement élevée et, plus particulièrement, un procédé d'extraction d'information phonématique et un filtre de phase linéaire particulièrement destiné à être utilisé dans ce procécé. Le signal A présenté sur la figure 1 est une courbe de distribution de fréquence d'une certaine structure de signal vocal et, comme indiqué, la courbe A possède une tendance à variation relativement lente, dans laquelle le niveau de sortie diminue lorsque la fréquence augmente, ainsi qu'une tendance à variation relativement rapide qui est indiquée par trois crêtes locales B1, B2 et B3, constituant une information phonématique. Selon un certain procédé de reconnaissance de voix, l'information phonématique B1, B2 et 83 est extraite du signal vocal A devant être employée dans la reconnais- sance de la voix.Toutefois, dans ce cas, lors de l'extraction de l'information phonématique d'un signal vocal, il se produit typiquement un problème lié à la détérioration des composantes de haute fréquence en fonction de la caractéristique de production de son de la source de son. Pour réaliser l'extraction de l'information phonématique tout en maintenant une haute precision jusqu'aux fréquences supérieures, il a été proposé d'effectuer une correction au moyen d'une ligne approximativement droite obtenue par la méthode des moindres carrés. Selon le procédé ainsi proposé, on approche la distribution spectrale de la voix Xj, où i est le numéro du canal, au moyen d'une ligne droite définie par y = ai + b, si bien que X. - (ai + b) est définie comme étant un nouveau paramètre caractéristique de la nouvelle distribution spectrale de la voix. Dans ce cas, a et b sont déterminés par Toutefois, le calcul de a et b est assez complexe, long et coûteux. C'est donc le but principal de l'invention de surmonter les inconvénients de la technique antérieure tels que ci-dessus indiqués et de fournir un procédé et un système perfectionnés de traitement d'un signal, par exemple un signal vocal. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé et un système permettant de traiter un signal qui possède une composante à variation relativement lente et une composante à variation relativement rapide afin d'extraire la composante à variation relativement rapide sans distorsion. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé et un système de traitement d'un signal vocal afin d'extraire de celui-ci une information phonématique avec une précision élevée et une grande efficience. Un but supplémentaire de L'invention est de fournir un procédé et un système d'extraction de spectre vocal dont les performances sont comparables à celles du procédé de La technique antérieure utilisant une ligne droite obtenue par la méthode des moindres carrés dans le but de normaliser la caractéristique de production de voix. Un autre but de l'invention est de fournir un filtre de phase linéaire qui est particulièrement conçu pour être utilisé dans le procédé de traitement d'un signal possédant une composante à variation relativement lente et une composante à variation relativement rapide de façon à extraire la composante à variation relativement rapide. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels la figure 1 est un graphe montrant la distribution spec trale de fréquence typique d'un signal vocal dans laquelle quinze canaux sont indiqués sur l'abscisse et où l'ordonnée indique le niveau de chaque spectre de fréquence ; les figures 2 et 3 sont des représentations simplifiées pouvant être utilisées pour expliquer Le principe de l'invention ; la figure 4 est un schéma de principe montrant le système d'extraction d'information phonématique conçue selon un mode de réalisation ;; la figure 5 est un schéma de principe montrant la structure générale d'un filtre présentant une caractéristique de phase linéaire, qui est particulièrement conçu pour être utilisé dans le système de la figure 4 ; La figure 6 est un schéma de principe montrant un autre mode de réalisation d'un filtre de phase linéaire ; les figures 7 et 8 sont des schémas de principe montrant chacun le filtre de phase linéaire typique de la technique antérieure utilisant une technologie numérique; et les figures 9 et 10 sont des schémas de principe montrant des exemples de filtres de phase linéaires analogiques constituant un mode de réalisation de l'invention. Alors que la description suivante sera effectuée en relation avec le cas où elle est appliquée au traitement d'un signal vocal au titre de mode de réalisation prefere, l'invention ne doit pas être limitée à cette application. Comme représenté sur la figure 1, lorsque le signal de sortie analysé en fréquence d'une batterie de filtres, ou d'un moyen équivalent (quinze canaux dans l'exempte représenté), est porte en fonction de la fréquence, il est obtenu un signal A possédant une composante à variation relativement lente, comme indi qué par la diminution graduelLe du niveau entre le canal 1 et le canal 15, et une composante à variation relativement rapide, comme in diqué par les trois crêtes B1, B2 et B3.La configuration de distribution de fréquence A obtenue par traitement d'un certain signal vocal se distingue par la composante à variation relativement rapide, soit les crêtes et les creux, qui constitue L'information phonématique définissant un "formant", ou un élément analogue. Ainsi, dans la mesure ob il s'agit de la reconnaissance des voix, ce que l'on souhaite est d'extraire la composante à variation relativement rapide de la configuration de distribution de fréquence A. Ensuite, selon L'invention, la configuration de distribution présentée sur la figure 1 est répétée dans un sens et dans l'autre, par exemple du canal 1 au canal 15, puis du canal 15 au canal 1, et de nouveau du canal 1 au canal 15, afin de former une forme d'onde périodique qui varie dans le temps de la manière représentée sur la figure-2. Ensuite, on élimine la composante de basse fréquence définie par la composante à variation relativement lente du signal A, comme indiqué par la ligne en trait interrompu, au moyen d'un filtre pass-haut possédant une caractéristique de phase linéaire, si bien qu'il est produit une information phonématique 81, B2 et 83 ne comportant pas de distorsion de phase comme indiqué sur la figure 3.Par conséquent, selon l'invention, au lieu d'effectuer une correction en utilisant la ligne approximativement droite obtenue par la méthode des moindres carrés, on effectue une répétition alternée, sur L'axe du temps, de ta configuration de distribution de fréquence d'une structure obtenue en résultat d'une anaLyse de fréquence du signal vocal, afin de former une forme d'onde périodique qui est ensuite filtrée de maniereque soit obtenue L'informati on phonématique ainsi extraite. Par conséquent, selon l'invention, on peut obtenir un résultat équivalent sans utiliser la ligne approximativement droite formée à l'aide de la méthode des moindres carrés. La figure 4 montre sous forme de schéma de principe le système permettant d'extraire l'information phonématique d'un signal sonore, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Comme représenté, le système d'extraction d'information phonématique selon l'invention comporte une borne d'entrée 1 servant à recevoir un signal sonore, par exemple une voix, un analyseur spectral 2 présentant un nombre prédéterminé de canaux servant à analyser La frequence dusignal sonore sur la gamme de fréquence déterminée par les canaux, un séLecteur 3 servant à sélectionner les canaux de sortie de l'analyseur de fréquence 2, un circuit de commande 4 servant à commander le fonctionnement du sélecteur 3 afin de balayer les canaux de sortie de l'analyseur de fréquence 2, un filtre passe-haut 5 servant à retirer la composante de basse fréquence, et une borne de sortie 6. Avec une telle structure, lorsqu'un signal sonore est appliqué à l'analyseur de fréquence 2, lequel peut par exemple être constitué d'une batterie de filtres, par l'intermédiaire de la borne d'entrée 1, il est obtenu une distribution spectrale de fréquence tel que représenté sur la figure 1. Dans le mode de réalisation représenté, l'analyseur de fréquence 2 possède quinze canaux de sortie et le sélecteur de sortie 3 balaye les canaux de sortie de manière à aller du canal 1 au canal 15 dans une première séquence, du canal 15 au canal 1 dans la deuxième séquence immédiatement suivante, du canal 1 au canal 15 dans la troisième séquence venant ensuite, etc., selon le circuit de commande 4. Ainsi, il est obtenu un signal tel que présenté sur la figure 2.Le circuit de commande 4 possédant une telle fonction de commande peut être facilement réalisé, par exemple au moyen d'un compteur ascendant-descendant. Le signal séquentiel ainsi obtenu qui est représente sur la figure 2 passe donc dans un filtre pase-haut 5 présentant une caractéristique de phase linéaire, de sorte que la composante de basse fréquence indiquée par la ligne en trait interrompu de la figure 2 est éliminée, et que, par consequent, la composante de haute fréquence est obtenue sur la borne de sortie, après extraction. La figure 5 montre sous forme de schéma de principe un exemple du filtre passe-haut présentant une caractéristique de phase linéaire qui est particulièrement adapté à l'utilisation dans le système de la figure 4. Comme indiqué, dans le filtre de phase linéaire représenté, il est prévu un filtre en peigne, qui est défini par une boucle comportant un élément de retard z 8 désigné par le numéro de référence 9, et un filtre multipolaire, qui est défini par une boucle comportant un élément de retard Z-1 désigné par la référence 11 se connectant en série avec le filtre en peigne. Le filtre multipolaire est un filtre qui ne produit que des pôles et aucun zéro. Ainsi, dans le cas d'un filtre multipolaire possédant un élément de retard Z p, il est produit un nombre p de pôles. Dans la structure présentée sur la figure 5, la combinaison en série 8 de filtres en peigne et multipolaire est connectée en série avec l'autre combinaison en série 8' de filtres en peigne et multipolaire, ce qui définit un filtre passe-bas. Un correcteur de phase 13 est également prevu, qui est connecté en parallèle avec le filtre passe-bas à deux étages 8 et 8' par l'intermédiaire d'un soustracteur 14, ce qui définit un filtre passe-haut. Dans la structure de la figure 5, les éléments indiqués par Z-p, à savoir les éléments désignés par les numéros de référence 11, Il', 13, 9 et 9', sont tous des éléments à retard, où z 1, Z-7 et z 8 indiquent qu'ils fournissent respectivement un retard correspondant à une durée fondamentale, sept durées fondamentales et huit durées fondamentales. Dans les premier et deuxième étages 8 et 8', le signal de sortie de chacun des éléments de retard 9 et 9', qui produisent huit durées fondamentales, a été ajouté au signal d'entrée présent sur l'un correspondant des additionneurs 10 et 10'. Puisque les éléments de retard Il et 11' sont connectés aux additionneurs respectifs 10 et 10' en boucle de réaction, le signal de sortie de l'additionneur 10 ou 10' est ajouté à l'additionneur 10 ou 10', avec un retard d'une durée fondamentale. Ensuite, le signal de sortie ainsi obtenu par addition est multiplié par un coefficient k par l'intermédiaire d'un multiplicateur 12 ou 12'. Alors, si k = 1/8, la fonction de transmission H(z) du système est la suivante il a ainsi été défini un filtre passe-haut. il est par exemple possible de construire un tel circuit facilement au moyen d'un micro- processeur. L'équation (1) ci-dessus peut alors se réécrire de la manière suivante H(Z) = Z 7(1 - (1/64) (1 + 7-1 + z-2 + -7)2 (2) La figure 6 montre sous forme de schéma de principe un exemple du circuit construit selon l'équation (2) ci-dessus. Sur ta figure 6, les numéros de référence 91 à 97 et 9'1 à 9'7 désignent chacun un élément de retard produisant un retard d'une duree fonda- mentale, et leurs signaux de sortie sont ajoutés lorsqu'ils ont été multipliés par un coefficient k (ici, k = 1/8) dans des additionneurs 12 et 12' respectifs.D'autre part, avec le retard de Z 7, du. signal de sortie de l'élément 97, le signal de sortie de L'additionneur 12' est soustrait dans un soustracteur 14 de manière que soit produit un signal de sortie au niveau de la borne de sortie, Si bien que l'on aura compris qu'il a été réalisé un filtre passe-haut. Il faut noter que chacun de ces éléments de retard peut facilement être construit au moyen d'un registre à décalage analogique, par exemple un dispositif à transfert de charge (dit dispositif B.D.D.), ou un circuit d'échantillonnage et de maintient. Comme décrit ci-dessus, selon l'invention, il est possible d'extraire une distribution spectrale de frequence de voix voulue à partir d'un signal vocal sans distorsion de phase à l'ai de d'une structure simple, et la distribution spectrale ainsi obtenue est sensiblement équivalente en qualité à l'information obtenue-grâce à la correction utilisant la ligne approximativement droite de la méthode des moindres carrés. Il faut toutefois noter que l'invention ne doit pas être seulement limitée à l'application au traitement des signaux vocaux, l'invention étant également applicable à l'ana- lyse du spectre lumineux par exemple. En termes généraux, cet aspect de l'invention se distingue par le traitement d'un signal comportant une composante à variation relativement lente et une composante à variation relativement rapide afin d'extraire la composante à variation relativement rapide sans provoquer de distorsion d phase. On va maintenant décrire un autre aspect de l'invention en se reportant particulièrement aux figures 7 à 10. Cet aspect de l'invention se rapporte à la technique de construction du filtre à réponse d'impulsion finie de phase linéaire numérique dans le format analogique. De façon générale, dans les applications du type où une contrainte est placée sur une formation de forme d'onde comme ci-dessus indiqué, on souhaite typiquement obtenir un procédé simple pour éliminer L'information se trouvant dans la bande de fréquence extérieure à la region intéressante sans provoquer pour autant une distortion de la forme d'onde. Pour cette raison, il a été proposé d'utiliser un filtre de phase linéaire utilisant la technique numérique. La figure 7 montre sous forme d'un schéma de principe un semblable filtre de phase linéaire utilisant la technique numérique, et il comporte une borne d'entree 21, un élément 22 à retard multiple permettant de produire P temps de retard fondamental, un additionneur 23, un élément de retard unite 24 servant à produire un retard d'une durée fondamentale, un multiplicateur 25 et une borne de sortie 26. Comme ci-dessous decrit, le filtre de phase linéaire présenté sur la figure 7 est constitué d'une combinaison série d'un filtre multipolaire, de sorte que sa fonction de transmission pourrait être exprimée de la façon suivante : Par conséquent la structure présentée sur ta figure 7 définit un filtre passe-bas. La figure 8 montre un filtre passe-haut qui est obtenu par l'ajout d'un.élément de retard 28, permettant de produire un retard de (P - 1) / 2, à la structure presentée sur la figure 7, cet élément étant connecté entre les bornes d'entree et de sortie de la structure de la figure 7 par l'intermédiaire d'un additionneur 29. Ainsi, avec la structure de la figure 8, après l'ajustement de phase par L'élément de retard 28, le signal d'entrée retardé est délivré à l'additionneur 29 où la composante de basse fréquence venant du filtre passe-bas 27 est soustraite du signal d'entrée retardé, si bien que la composante de haute fréquence est fournie par une borne de sortie 30.Ainsi, la fonction de transmission peut, dans ce cas, être exprimée de la manière suivante 1 p Comme précédemment décrit, Z et Z désignant respectivement le retard d'une durée fondamentale est de P durée fondamentale, tandis que k est un facteur de multiplication qui est typiquement égale à 1/P. Comme cela est évident, un tel filtre numérique ne peut pas être utilisé tel quel dans le cas où le signal est traitédans le format analogique, comme dans l'application ci-dessus décrite. Sur la base de ce qui vient d'être énoncé, on voit que cet aspect de l'invention vise à fournir un filtre de phase linéaire numérique dans le format analogique de manière à permettre de traiter sans problème le signal analogique. Ainsi, on peut modifier l'équation (3) ci-dessus de façon à obtenir L'équation suivante 1 ,2(3') H1(Z) = k(1 + Z +Z + ... + + )) (3') Cette fonction peut être mise en oeuvre par connexion d'un nombre (P-I) d'éléments de retard d'une durée fondamentale unité, qui produisent un retard d'une seule durée fondamentale, en série et et par addition des signaux de sortie de ces éléments de retard après multiplication par un coefficient k. La figure 9 illustre sous forme de schéma de principe un exemple du filtre passe-bas construit selon l'équation (3') cidessus. Comme indiqué, le filtre comporte la borne d'entrée et un nombre (P-1) d'éléments de retard unité 311 à 31p,?, que l'on peut aisément former à partir de circuits d'échantillonnage et de maintien de di spositifs de transfert de charge, par exemple des dispositifs BBD, qui sont des registres à décalage analogiques, dans le cas où le signal analogique d'un registre à décalage doit être manipulé. Sont également prévus des multiplicateurs 321 à 32p qui multiplient le signal par le facteur k, lequel vaut typiquement 1/P. Dans la structure de la figure 10, sont également prévus un additionneur 33 servant à additionner -les signaux de sortie des multiplicateurs 321 à 32p-1 et la borne de sortie 30. On comprendra aisément que la structure presentée sur la figure 10 peut être connectée en cascade. Ensuite, on peut modifier l'équation (5) ci-dessus de façon à obtenir l'équation suivante : HH(Z) = z-(P-1)/2 (1 - k(1 + Z-1 +z2 + ... +Z(P1))) (5') a figure 10 montre un exemple d'un filtre passe-haut construit selon l'équation (5') ci-dessus. Dans ce cas, comme indique sur la figure 8, il est simplement nécessaire de connecter l'élé- ment 28 d'ajustement de phase en parallèle avec le filt-re passe-bas 27, afin de permettre l'exécution d'une soustraction, et le filtre passe-bas 27 peut être construit au moyen de la structure présentée sur la figure 9. Dans la structure présentée sur la figure 8, l'élé- ment 28 de l'ajustement de phase se présente sous forme d'un élément distinct.Toutefois, s'il est fait usage de signal de sortie de L'été ment de retard 31p~1)/2 du filtre passe-bas 27 de la figure 9, il est obtenu un signal relativement à Z-(p-1)/2. Ainsi, on peut rejeter un semblable élément d'ajustement de phase distinct 28 s'il est fait usage du signal de sortie de l'élément de retard 31(p~1)/2 du filtre passebas 27, comme représenté sur la figure 10. Dans la structure présentée sur la figure 10, la somme algebrique du signal de sortie de l'élément de retard 31(P-1)/2 et du signal de sortie de l'additionneur 33 du filtre passe-bas 27 est obtenue dans l'additionneur 29, ce qui permet d'obtenir sur la borne de sortie 30 un signal de sortie filtré par un filtre passe-haut.On comprendra aisément que la partie filtre passe-bas de la structure de la figure 10 ou la structure de la figure 10 elle-même peuvent être connectées en cascade. Il faut en outre noter que la description ci-dessus donnée se rapporte au cas dans lequel un filtre de phase linéaire est formé par utilisation de signaux distincts sous forme analogique, mais une telle structure pourrait également être réalisée par un logiciel dans le format numérique. Cet aspect de l'invention permet de réaliser un filtre de phase linéaire qui ne produit pas de distorsion de phase au moyen d'une structure simple et qui est particulièrement avantageux lorsqu'il est appliqué au cas où une contrainte est placée sur l'information de la forme d'onde. Bien entendu, lthomme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du filtre dont la description vient d'être donnéeà titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procedé de traitement d'un signal s'étendant sur une certaine étendue et possédant à la fois une composante à variation relativement lente et une composante à variation relativement rapide afin d'extraire ladite composante à variation relativement rapide, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes : Echantillonner ledit signal à répétition, d'abord d'une extrémité à l'autre extrémité de ladite étendue, puis de ladite autre extrémité à ladite première extrémité, pour un intervalle de temps prédéterminé, afin de former une forme d'onde périodique dont la période vaut deux fois l'étendue dudit signal à traiter ; et éliminer ladite composante àvariation relativement lente dans ladite forme d'onde de façon à extraire l'information propre à ladite composante à variation relativement rapide. 2. Procédé selon la revendic?tion 1, caractérisé en ce que ladite composante à variation relativement lente dudit signal à traiter, varie, du point de vue de son niveau, de façon monotone d'une extrémité de ladite étendue à t'autre extrémité. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on obtient ledit signal à traiter en soumettant un signal vocal à une ana lyse de fréquence. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite composante à variation relativement rapide définit l'infor- mation phonématique dudit signal vocal. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue ladite opération d'élimination en employant un filtre passe-haut. 6. Système de traitement de signal caractérisé en ce qu'il comprend : un moyen d'entrée (1) servant à recevoir un signal qui possède à la fois une composante à variation relativement lente et une composante à variation relativement rapide ; un moyen (2) servant à ranger ledit signal de façon qu'il soit distribue sur une étendue prédéterminée ; un moyen (3, 4) servant à échantillonner ledit signal ainsi rangé en séquence temporelle répétitive d'abord d'une extrémité à l'autre extrémité de ladite étendue, puis de ladite autre extrémité à ladite première extrémité, à un intervalle de temps prédéterminé, afin de former une forme d'onde périodique dont la période vaut deux fois l'étendue dudit signal à traiter ; et un moyen (5) servant à éliminer ladite composante à variation relativement lente de ladite forme d'onde afin d'extraire L'information de ladite composante à variation relativement rapide pour la délivrer à une borne de sortie (6). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit moyen de rangement comporte un analyseur de fréquence qui possède un nombre prédéterminé de canaux et ladite étendue correspond à une région de distribution de fréquence dudit signal à traiter. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit moyend'échantillonnage comporte un compteur ascendantdescendant. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit moyen d'élimination comporte un filtre passe-haut. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit filtre passe-haut comporte un filtre de phase linéaire. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit filtre de phaselinéaire comporte au moins une combinaison série d'un filtre en peigne et d'un filtre multipolaire, qui ne produit que des pôles. 12. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit signal à traiter est un signal sonore et ladite composante à variation relativement rapide est l'information phonématique dudit signal sonore. 13. Filtre de phase linéaire caractérisé en ce qu'il possède un circuit équivalent défini par une combinaison série d'un filtre en peigne (9) et d'un filtre multipolaire (11), lequel ne produit que des pôles sans zéros, ledit filtre de phase linéaire comprenant : un moyen d'entrée (7) servant à recevoir un signal à filtrer ; un nombre P - 1 d'éléments de retard unité C91 à 97, à à 9'7) connectés en série l'un avec l'autre et audit moyen d'entrée, produisant chacun un retard d'une durée fondamentale, ou P est un entier positif ;; un nombre P - 1 de multiplicateurs (12, 12') qui sont connectés de façon à multiplier des signaux de sortie respectifs desdits éléments de retard unité respectifs pour un facteur k, où k est un nombre réel, et un multiplicateur supplémentaire connecté de façon à multiplier ledit signal reçu par ledit moyen d'entree par cé même facteur k ; et un moyen d'addition (14) servant à additionner des signaux de sortie dudit nombre P de multiplicateurs et à délivrer une valeur d'addition à une borne de sortie (15). 14. Filtre de phase linéaire selon La revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de soustraction servant à soustraire ladite valeur d'addition délivrée par ledit moyen d'addition d'un signal de sortie dudit élément de retard unite tordre (P - 1) / 2.