Brevet FR2580876A1 — publié le 19861024

La présente invention concerne un procédé de traitement d'un signal présentant à la fois une fluctuation de fréquence rela- tivement 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 procédé. 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 rela- tivement lente, dans laquelle le niveau de sortie diminue lorsque la fréquence augmente, ainsi qu'une tendance à variation relati- vement 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 B3 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 typi- quement 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 maintenantune haute précision jusqu'aux fréquences supérieures, il a été proposé d'effectuer une correction au moyen d'une ligne appro- ximativement droite obtenue par la méthode des moindres carrés. Selon le procédé ainsi proposé, on approche la distribution spectrale de la voix Xi, o 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 *1 étant un nouveau paramètre caractéristique de la nouvelle distribu- tion spectrale de la voix. Dans ce cas, a et b sont déterminés par: N N N N ( Z iX.) - E X. Z i 1 1 i=1 i=1 i=1 a = N N N E i2 - ( E i)2 i=1 i=1 N N N N E X. i2 - E iX E i 1 1 i=1 i=1 i=l i=1 b= N N N Z i2 - ( zi)2 i=1 i=1 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 in- diqués et de fournir un procédé et un système perfectionnés de trai- tement 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 com- posante à variation relativement lente et une composante à variation relativement rapide afin d'extraire la composante à variation rela- tivement 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 per- formances sont comparables à celles du procédé de La technique anté- rieure 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 relati- vement rapide de façon à extraire la composante à variation relati- vement 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 o 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 réali- sation; la figure 5 est un schéma de principe montrant la struc- ture 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 linéairesanalogiques constituant un mode de réalisation de l'invention. Alors que la description suivante sera effectuée en rela- tion avec le cas o elle est appliquée au traitement d'un signal vocal au titre de mode de réalisation préféré, 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'exemple représenté), est porté 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 distri- bution 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 o 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 distri- bution présentée sur la figure 1 est répétée dans un sens et dans l'autre, par exemple du canal I 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 repré- sentée 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 pse-haxt possédant une caractéristique de phase linéaire, si bien qu'il est produit une information phonématique B1, B2 et B3 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 répéti- tion alternée, sur l'axe du temps, de la configuration de distri- bution de fréquence d'une structure obtenue en résultat d'une analyse de fréquence du signal vocal, afin de former une forme d'onde pério- dique qui est ensuite filtrée de manière que soit obtenue l'infor- mation phonématique ainsi extraite. Par conséquent, selon l'invention, on peut obtenir un résultat équivalent sans utiliser la ligne appro- ximativement 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 fréquence du signal sonore sur la gamme de fréquence déterminée par les canaux, un sélecteur 3 servant à sélectionner les canaux de sortie de l'ana- lyseur de fréquence 2, un circuit de commande 4 servant à commander le fonctionnement du sélecteur 3 afin de balayer les canaux de sortie 2580â76 de l'analyseur de fréquence 2, un filtre passe-haut 5 servant à reti- rer 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 représen- té, 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 I au canal 15 dans la troisième séquence venant ensuite, etc., selon le circuit de commande 4. Ainsi, il est obtenu un signal tel que présen- té sur la figure 2. Le circuit de commande 4 possédant une telle fonc- tion de commande peut être facilement réalisé, par exemple au moyen d'un compteur ascendant-descendant. Le signal séquentiel ainsi obtenu qui est représenté sur la figure 2 passe donc dans un filtre passe-haut présentant une caractéristique de phase linéaire, de sorte que la composante de basse fréquence indiquée par la ligne en trait inter- rompu de la figure 2 est éliminée, et que, par conséquent, la com- posante 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 Z1 désigné par la réfé- rence 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 prévu, 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, 111', 13, 9 et 9', sont tous des éléments à retard, o Z-1, Z-7 et Z8 indiquent qu'ils fournissent respectivement un retard corres- pondant à une durée fondamentale, sept duréesfondamentales 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 11 et 11' sont connectés aux additionneurs res- pectifs 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: f i( 4_-Z4)2 H (Z):-7 (Z - C zz | 1 64(Z1/2Z-1/2)2 [= e - ? j2 4l_= H (jw)] (1) 64. L 64 sin2- Il a ainsi été défini un filtre passe-haut. Il est par exemple pos- sible 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 + Z-1 + Z2 +...+ Z-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 la 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 durée 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 -7 12 et 12' respectifs. D'autre part, avec le retard de Z, 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 dispo- sitif à transfert de charge (dit dispositif B.D.D.), ou un circuit d'échantillonnage et de maintien. Comme décrit ci-dessus, selon l'invention, il est possible d'extraire une distribution spectrale de fréquence de voix voulue à partir d'un signal vocal sans distorsion de phase à l'aide 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 varia- tion relativement rapide sans provoquer de distorsion de 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 o 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 région 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 numé- rique. La figure 7 montre sous forme d'un schéma de principe un semblable filtre de phase linéaire utilisant la technique numé- rique, et il comporte une borne d'entrée 21, un élément 22 à retard multiple permettant de produire P temps de retard fondamental, un additionneur 23, un élément de retard unité 24 servant à produire un retard d'une durée fondamentale, un multiplicateur 25 et une borne de sortie 26. Comme ci-dessous décrit, 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 trans- mission pourrait être exprimée de la façon suivante: P P 1 -z-P p - 1 z2 z 2 H (Z) = kZ 2 (3) i-z_1 1 _1 1 _ z 1 2 2 z -z P - 1 sin- w HL () = ke 2 2 (4) sin 1 Par conséquent la structure présentée sur la 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 présentée sur la figure 7, cet élément étant connecté entre les bornes d'entrée 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 o 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: P P _--_ z2 _ z HH(Z) = Z 2 (1-k 2 2 z-z Z - Z P-1 wp sin w HH(w) = e (1-k (6) sin 2 Comme précédemment décrit, Z et Z désignant respec- tivement le retard d'une durée fondamentale est de P durée fondamen- tale, tandis que k est un facteur de multiplication qui est typique- ment égale à 1/P. Comme cela est évident, un tel filtre numérique ne peut pas être utilisé tel quel dans le cas o le signal est traité dans 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 -(P-1) HL(Z) = k(1 + Z + + +... + Z (3') Cette fonction peut être mise en oeuvre par connexion d'un nombre (P-1)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') ci- dessus. Comme indiqué, le filtre comporte la borne d'entrée et un nombre (P-1) d'éléments de retard unité 311 à 31p_1, que l'on peut aisément former à partir de circuits d'échantillonnage et de maintien de dispositifsde transfert de charge, par exemple des dispositifs BBD, qui sont des registres à décalage analogiques, dans le cas o 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 présentée 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+ Z-2 +... + z-(P-1)) (5) H La figure 10 montre un exemple d'un filtre passe-haut construit sel-ton l'équation (5') ci-dessus. Dans ce cas, comme indi- qué sur la figure 8, il est simplement nécessaire de connecter l'élé- ment 28 d'ajustement de phase en parallèle avec le filtre 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'été- ment 28 de L'ajustement de phase se présente sous forme d'un étément distinct. Toutefois, s'il est fait usage de signal de sortie de l'élé- ment de retard 31(p_1)/2 du filtre passe-bas 27 de la figure 9, il -(P-1)/2 est obtenu un signal relativement à Z. Ainsi, on peut rejeter un semblable élément d'ajustement de phase distinct 28s'ilestfait usage du signal de sortie dé l'élément de retard 31(P-1)/2 du filtre passe- bas 27, comme représenté sur la figure 10. Dans la structure présen- tée sur la figure 10, la somme algébrique du signal de sortie de L'élément de retard 31(p_1)/2 et du signal de sortie de l'addition- neur 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 passebas 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 dis- torsion de phase au moyen d'une structure simple et qui est particu- lièrement avantageux lorsqu'il est appliqué au cas o une contrainte est placée sur l'information de la forme d'onde. Bien entendu, l'homme 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. Filtre de phase linéaire caractérisé par le fait qu'il possède un circuit équivalent défini par une combinaison série d'un filtre en peigne et d'un filtre multipolaire, lequel ne produit que des p8les sans zéros, ledit filtre de phase linéaire comprenant: une borne d'entrée (7; 21) servant à recevoir un signal à filtrer; un nombre P - 1 d'éléments de retard unité (9 à 9; 9' à 9') connectés en série l'un avec l'autre et à 1 7 1 7 ladite borne d'entrée, produisant chacun un retard d'une durée fondamentale, o P est un entier positif; un nombre P - 1 de multiplicateurs qui sont con- nectés de façon à multiplier des signaux de sortie respectifs des- dits éléments de retard unité respectifs par un facteur k, o k est un nombre réel, et un multiplicateur supplémentaire connecté de façon à multiplier ledit signal reçu par ladite borne d'entrée par ce même facteur k; et un moyen d'addition (12; 12') servant à additionner des signaux de sortie dudit nombre P de multiplicateurs et à délivrer une valeur d'addition.à une borne de sortie. 2. Filtre de phase linéaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un moyen de sous- traction (29) servant à soustraire ladite valeur d'addition délivrée par ledit moyen d'addition d'un signal de sortie d'un élément de retard unité (28) d'ordre (P - 1) / 2 connecté à la borne d'entrée (21).