(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の信号分析を行う信号分析装置において、
前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングと、波形切出タイミングとの間の相対的な時間関係および前記ピッチ周期に基づいて分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定手段と、
前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記波形切出タイミングにおいて、前記入力信号の波形切出を行う波形切出手段と、
を備えたことを特徴とする信号分析装置。
【請求項２】
請求項１記載の信号分析装置において、
前記分析窓サイズ決定手段は、前記ピッチ周期の中心タイミングと、前記分析窓の中心タイミングと、のずれに基づいて、前記分析窓サイズを決定することを特徴とする信号分析装置。
【請求項３】
請求項２記載の信号分析装置において、
前記分析窓サイズ決定手段は、前記ピッチ周期の中心タイミングと、前記分析窓の中心タイミングと、のずれ量と、当該ずれ量に対応する前記分析窓のサイズとの関係を予め記憶した分析窓サイズ設定条件記憶手段を備えたことを特徴とする信号分析装置。
【請求項４】
入力信号の信号分析を行う信号分析装置において、
前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定手段と、
前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定手段と、
前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出手段と、
前記波形切出がなされた入力信号の信号分析を行って、前記入力信号のピッチ周期に応じて変化する可変フレームレートで分析結果を出力する分析手段と、
を備えたことを特徴とする信号分析装置。
【請求項５】
入力信号の信号分析を行う信号分析装置において、
前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定手段と、
前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定手段と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出手段と、
前記波形切出がなされた入力信号の分析を行って分析結果を出力する分析手段と、
一定の出力レートに対応する固定レート出力タイミングを生成する出力タイミング生成手段と、
前記固定レート出力タイミングに基づいて前記分析結果の位相補正を行い、前記一定の出力レートで前記位相補正された分析結果を出力する位相補正手段と、
を備えたことを特徴とする信号分析装置。
【請求項６】
請求項５記載の信号分析装置において、
前記位相補正手段は、前記分析手段における前記分析結果の出力タイミングと、前記固定レート出力タイミングと、の間の時間的ずれに基づいて前記位相補正を行うことを特徴とする信号分析装置。
【請求項７】
請求項６記載の信号分析装置において、
ある分析タイミングにおける分析結果のスペクトルに含まれるある成分の周波数をｆn、その位相をψnとした場合に、前記位相補正手段における位相補正後の位相ψ’n（＝Δｔ時間後の位相）は、次式で表されることを特徴とする信号分析装置。
ψ’n＝ψn＋２πｆnΔｔ
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の信号分析装置において、
前記入力信号の信号分析方法としてＳＭＳ分析を用いることを特徴とする信号分析装置。
【請求項９】
入力信号の信号分析を行う信号分析方法において、
前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングと、波形切出タイミングとの間の相対的な時間関係および前記ピッチ周期に基づいて分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定過程と、
前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記波形切出タイミングにおいて、前記入力信号の波形切出を行う波形切出過程と、
を備えたことを特徴とする信号分析方法。
【請求項１０】
入力信号の信号分析を行う信号分析方法において、
前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定過程と、
前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定過程と、
前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出過程と、
前記波形切出がなされた入力信号の信号分析を行って、前記入力信号のピッチ周期に応じて変化する可変フレームレートで分析結果を出力する分析過程と、
を備えたことを特徴とする信号分析方法。
【請求項１１】
入力信号の信号分析を行う信号分析方法において、
前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定過程と、
前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定過程と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出過程と、
前記波形切出がなされた入力信号の分析を行って分析結果を出力する分析過程と、
前記分析結果の位相補正を行い、一定の出力レートで前記位相補正された分析結果を出力する位相補正過程と、
を備えたことを特徴とする信号分析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＭＳ（Spectral Modeling Synthesis）分析などを用いた信号分析装置および信号分析方法に係り、特に基本周波数（ピッチ；Pitch）を有する入力信号に対してＦＦＴ（Fast Fourie Transformation）をベースとして用いて信号分析を行う信号分析装置および信号分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、ＦＦＴ（Fast Fourie Transformation）をベースとして用いた信号分析としてＳＭＳ分析について説明する。
ＳＭＳ分析では、まずサンプリングした（標本化した）入力信号である音声波形に分析窓（＝窓関数）を用いて音声波形をフレーム（Frame）として切り出し、高速フーリエ変換（FFT）を行って得られる周波数スペクトルから、正弦波成分と残差成分とを抽出する。
正弦波成分とは、基本周波数（ピッチ；Pitch）および基本周波数の倍数にあたる周波数（倍音）の成分をいう。そして、正弦波成分データとして、例えば、各成分の周波数を“Fi”として保持し、各成分の平均アンプリチュードを“Ai”として保持し、スペクトル包絡をエンベロープとして保持する。
残差成分とは、入力信号から正弦波成分を除いた成分であり、残差成分データとして、例えば、周波数領域のデータとして保持される。
得られた正弦波成分データおよび残差成分データで示される周波数分析データは、フレーム単位で記憶され、フレーム間の時間間隔は固定フレームレート方式の場合一定（例えば５［ｍｓ］）であるので、フレームをカウントすることによって時間を特定することができるようになっている。そして、各フレームには曲の冒頭からの経過時間に相当するタイムスタンプが付されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、サンプリングされた入力信号波形をフレームとして切り出す際に用いられる分析窓は、入力信号波形がピッチ周期に対してどのようなタイミングでサンプリングされた場合であっても、必要とされる分析精度を確保するために、どのような入力信号のピッチに対しても少なくとも２．５ピッチ周期分の波形がサンプリング可能であるように、分析窓のサイズを大きめに設定していた。
分析窓のサイズを大きめに設定すると言うことは、ＦＦＴのサイズも大きくなることとなり、処理時間が長くなるとともに、実際に必要な分析窓サイズに対し分析窓のサイズが大きすぎる場合には、処理効率が低下してしまうという問題点があった。
そこで、本発明の目的は、分析窓のサイズを入力信号に対して最適化することが可能であるとともに、ＦＦＴをベースとして信号分析を行う場合の処理効率を向上させることが可能な信号分析装置および信号分析方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の構成は、入力信号の信号分析を行う信号分析装置において、前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングと、波形切出タイミングとの間の相対的な時間関係および前記ピッチ周期に基づいて分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定手段と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記波形切出タイミングにおいて、前記入力信号の波形切出を行う波形切出手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００５】
請求項２記載の構成は、請求項１記載の構成において、前記分析窓サイズ決定手段は、前記ピッチ周期の中心タイミングと、前記分析窓の中心タイミングと、のずれに基づいて、前記分析窓サイズを決定することを特徴としている。
【０００６】
請求項３記載の構成は、請求項２記載の構成において、前記分析窓サイズ決定手段は、前記ピッチ周期の中心タイミングと、前記分析窓の中心タイミングと、のずれ量と、当該ずれ量に対応する前記分析窓のサイズとの関係を予め記憶した分析窓サイズ設定条件記憶手段を備えたことを特徴としている。
【０００７】
請求項４記載の構成は、入力信号の信号分析を行う信号分析装置において、前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定手段と、前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定手段と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出手段と、前記波形切出がなされた入力信号の信号分析を行って、前記入力信号のピッチ周期に応じて変化する可変フレームレートで分析結果を出力する分析手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
請求項５記載の構成は、入力信号の信号分析を行う信号分析装置において、前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定手段と、前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定手段と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出手段と、前記波形切出がなされた入力信号の分析を行って分析結果を出力する分析手段と、一定の出力レートに対応する固定レート出力タイミングを生成する出力タイミング生成手段と、前記固定レート出力タイミングに基づいて前記分析結果の位相補正を行い、前記一定の出力レートで前記位相補正された分析結果を出力する位相補正手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
請求項６記載の構成は、請求項５記載の構成において、前記位相補正手段は、前記分析手段における前記分析結果の出力タイミングと、前記固定レート出力タイミングと、の間の時間的ずれに基づいて前記位相補正を行うことを特徴としている。
【００１０】
請求項７記載の構成は、請求項６記載の構成において、ある分析タイミングにおける分析結果のスペクトルに含まれるある成分の周波数をｆn、その位相をψnとした場合に、前記位相補正手段における位相補正後の位相ψ’n（＝Δｔ時間後の位相）は、次式で表されることを特徴としている。
ψ’n＝ψn＋２πｆnΔｔ
【００１１】
請求項８記載の構成は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の構成において、前記入力信号の信号分析方法としてＳＭＳ分析を用いることを特徴としている。
【００１２】
請求項９記載の構成は、入力信号の信号分析を行う信号分析方法において、前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングと、波形切出タイミングとの間の相対的な時間関係および前記ピッチ周期に基づいて分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定過程と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記波形切出タイミングにおいて、前記入力信号の波形切出を行う波形切出過程と、を備えたことを特徴としている。
【００１３】
請求項１０記載の構成は、入力信号の信号分析を行う信号分析方法において、前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定過程と、前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定過程と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出過程と、前記波形切出がなされた入力信号の信号分析を行って、前記入力信号のピッチ周期に応じて変化する可変フレームレートで分析結果を出力する分析過程と、を備えたことを特徴としている。
【００１４】
請求項１１記載の構成は、入力信号の信号分析を行う信号分析方法において、前記入力信号のピッチ周期の中心タイミングを検出し、前記ピッチ周期の中心タイミングが波形切出の中心タイミングとなるように分析窓位置を決定する分析窓位置決定過程と、前記ピッチ周期に対応する分析窓サイズを決定する分析窓サイズ決定過程と、前記決定された分析窓サイズの分析窓を用いて前記決定された分析窓位置において前記入力信号の波形切出を行う波形切出過程と、前記波形切出がなされた入力信号の分析を行って分析結果を出力する分析過程と、前記分析結果の位相補正を行い、一定の出力レートで前記位相補正された分析結果を出力する位相補正過程と、を備えたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
［１］  発明の原理
まず具体的な実施形態の説明に先立ち、本発明の原理について説明する。
上述したように、従来においては、ＦＦＴをベースとして信号分析を行う場合、入力信号に対してどのようなタイミングで分析窓を適用しても、分析結果を所望の精度に保つために分析窓サイズを大きめに設定していたが、発明者らは、ピッチを有する入力信号に対して、適切な分析窓の位置の取り方をすれば、同じ分析窓のタイプを使っても、分析窓の適用タイミング（以下、分析窓の位置という。）を考慮しない場合と比べて、より小さな分析窓サイズで、ひいては、小さなＦＦＴサイズで、同等の時間的及び周波数的精度を有する信号分析結果（ＦＦＴ結果）が得られるという知見を得た。このことは、特にピッチ周期のアタックがはっきりした（ピッチ周期の始まりの振幅が大きな）信号に対して顕著である。
【００１６】
ここで、図１を参照して、より具体的に説明する。
図１（ａ）に信号分析に用いた時間波形と分析窓をかける位置を示す。
図１（ａ）中のピッチ周期は、波形における振幅のピーク位置を起点とした１ピッチ周期区間を示している。ピッチ周期をこのように設定した場合、図１（ａ）に示すように、分析窓の中心をピッチ周期の中心にあわせて配置する第１分析窓位置ＰＷ１および分析窓の中心をピッチ周期の起点（もしくは終点）にあわせて配置する第２分析窓位置ＰＷ２について考察する。
第１分析窓位置ＰＷ１および第２分析窓位置ＰＷ２において、設定した分析窓は、同一タイプ、同一サイズおよび同一ＦＦＴサイズであるものとする。
この場合に第１分析窓位置ＰＷ１において得られたＦＦＴの結果であるスペクトルは、図１（ｂ）に示すようなものとなり、第２分析窓位置ＰＷ２において得られたＦＦＴの結果であるスペクトルは、図１（ｃ）に示すようなものとなった。
すなわち、第１分析窓位置ＰＷ１において得られたスペクトルは、ピッチに対し全ての倍音があらわれたが、第２分析窓位置ＰＷ２において得られたスペクトルは、第１分析窓位置ＰＷ１において得られたスペクトル概形をとどめているにすぎないことがわかる。
【００１７】
さらに得られたスペクトルに対して、ローカルピーク検出を行うと、図中にｘで表されるローカルピークが得られる。
この場合においても、第１分析窓位置ＰＷ１において得られたスペクトルについては、すべての倍音が検出されているが、第２分析窓位置ＰＷ２において得られたスペクトル（図１（ｃ）参照）では、ところどころでしか検出できていないことがわかる。
従って、第２分析窓位置ＰＷ２と同様の分析窓の設定の仕方で、第１分析窓位置ＰＷ１で得られるスペクトルと同等の結果を得るためには、分析窓のサイズをより大きくとる（そしてＦＦＴサイズを大きくとる）必要がある。
これらのことより、適切な分析窓位置に設定し、入力信号を切り取ってＦＦＴをしてやれば、より小さな分析窓サイズで、ひいては、より小さなＦＦＴサイズで、分析窓の位置を考慮しない場合と比較して同等の精度の結果が得られる上、結果としてより短い処理時間で問題のない精度の結果が得られるという知見が得られたのであった。
【００１８】
さて、得られた知見を利用して、効率のよいＦＦＴ分析を行うのは具体的にどのような方法が挙げられるかについて検討し、以下に示した３つの方法が望ましいと考えられた。
（１）  分析窓のピッチ周期に対する位置に応じて分析窓サイズを変更する方法。
（２）  分析窓の中心をピッチ周期の中心位置に一致させ、可変フレームレート方式で処理する方法。
（３）  分析窓の中心をピッチ周期の中心位置に一致させ、位相補正を行った後、固定フレームレート方式で処理する方法。
【００１９】
［２］  具体的実施形態
次に上述した３つの方法を用いた具体的な実施形態について説明する。
［２．１］  分析窓のピッチ周期に対する位置に応じて分析窓サイズを変更する方法
通常のＦＦＴでは分析窓のサイズは、分析窓のピッチ周期における位置にかかわらず、（ピッチに応じた）同じサイズとなっているが、本具体的実施形態では、分析窓のサイズを分析窓のピッチ周期に対する位置に応じて変更している。
すなわち、分析窓のピッチ周期の中心位置から離れるにつれて分析窓の大きさを大きくするようにしている。
この結果、処理全体としては、処理時間の短縮化を図ることができ、処理効率を向上することができる。
【００２０】
［２．１．１］  分析窓の中心位置と分析窓のサイズの関係
図２にピッチ周期内における分析窓の中心位置と分析窓のサイズの関係の一例を示す。
図２に示すように、分析窓の中心位置が入力信号波形のピッチ周期の中心ＰCNと一致する場合には、分析窓のサイズをピッチ周期ＴPTの2.5倍の大きさとし、分析窓の中心位置が入力信号波形のピッチ周期ＴPTの始端ＰSTあるいは終端ＰENと一致する時には、分析窓のサイズをピッチ周期ＴPTの４倍の大きさにする、というように分析窓サイズを分析窓のピッチ周期内における位置に応じて変更するのである。
この方法によれば、フレームレート固定の分析において所望の精度を維持したまま、分析窓サイズを分析窓のピッチ周期内における位置に応じて変更することにより、全体としての演算処理速度の高速化を図ることができる。
なぜなら、もし仮に分析窓サイズを一定にしたとすると、同一の精度を保つためには、必要とされる最大のサイズ、すなわち、図２におけるピッチ周期の４倍の大きさとしなければならないからである。
【００２１】
［２．１．２］  具体的な分析窓のサイズの設定
次に図３を参照して、より具体的な分析窓のサイズの設定について説明する。以下の説明においては、分析フレーム位置に分析窓の中心位置を設定しており、各分析フレーム位置に対応するピッチ周期の中心位置は、入力信号波形から抽出されたピーク情報あるいは入力信号波形そのものから抽出されたゼロ交差数などの情報から検出されるものとする。
図３に示すように第１分析フレーム位置ＦＲ１と対応するピッチ周期の中心ＰCNとのずれは、ずれΔＰＴ１で表される。
同様に、第２分析フレーム位置ＦＲ２と対応するピッチ周期の中心ＰCNとのずれは、ずれΔＰＴ２で表され、第３分析フレーム位置ＦＲ３と対応するピッチ周期の中心ＰCNとのずれは、ずれΔＰＴ３で表され、第４分析フレーム位置ＦＲ４と対応するピッチ周期の中心ＰCNとのずれは、ずれΔＰＴ４で表される。
従って、図２に示したピッチ周期内における分析窓の中心位置と分析窓のサイズの関係に基づいて、ずれΔＰＴ１〜ΔＰＴ４に対応する分析窓サイズに設定し、ＦＦＴを実行することとなる。
【００２２】
［２．１．３］  本方法による信号分析装置
図４に本方法に対応する信号分析装置の概要構成図を示す。
信号分析装置１００は、分析対象の信号が入力信号ＳINとして入力される信号入力部１０１と、入力信号ＳINがピッチ（基本周波数）を有する信号であった場合に、後述のピッチ検出部１０６により検出されたピッチ情報ＳPITCHに基づいて分析フレーム位置、すなわち、分析窓の中心位置が入力信号ＳINに対応するピッチ周期内のいずれの位置に相当するかを検出し、ずれΔＰＴXおよびピッチ情報ＳPITCHに対応するサイズを有する分析窓ＡＷを出力し、入力信号ＳINがピッチを有さない信号であった場合に予め定めたサイズの分析窓ＡＷを出力する分析窓サイズ決定部１０２と、入力信号ＳINに分析窓ＡＷを乗じ、信号波形の切り出しを行って、切出波形ＳＨとして出力する乗算部１０３と、切出波形ＳＨにＦＦＴを施し、スペクトルＳＰを算出する第１ＦＦＴ部１０４と、スペクトルＳＰに対し、ピーク検出アルゴリズムを適用し、図１（ｂ）、（ｃ）に示したようなローカルピークを検出しピーク情報ＳPEAKとして出力するピーク検出部１０５と、ピーク検出部１０５により出力されたピーク情報ＳPEAKおよび入力信号ＳINの波形から抽出されたゼロ交差数などの波形情報に基づいてピッチ情報ＳPITCHを検出するピッチ検出部１０６と、ピーク情報ＳPEAKなどの情報に基づいてピーク連携を行い、ＳＭＳ分析における正弦波成分ＣSINを算出するピーク連携部１０７と、ピーク連携部１０７により算出された正弦波成分ＣSINを合成し、正弦波成分合成波形ＳSINを生成する正弦波成分合成部１０８と、入力信号ＳINから正弦波成分合成波形ＳSINを減算することにより残差波形ＳREDを算出する減算部１０９と、残差波形ＳREDにＦＦＴを施し、スペクトルに変換して残差成分ＣREDを算出する第２ＦＦＴ部１１０と、を備えて構成されている。
【００２３】
次に動作を説明する。
信号分析装置１００の信号入力部１０１を介して分析対象の信号が入力信号ＳINとして入力されると、分析窓サイズ決定部１０２は、入力信号ＳINがピッチ（基本周波数）を有する信号であった場合には、ピッチ検出部１０６により検出されたピッチ情報ＳPITCHに基づいて分析フレーム位置、すなわち、分析窓の中心位置が入力信号ＳINに対応するピッチ周期内のいずれの位置に相当するかを検出し、ずれΔＰＴXおよびピッチ情報ＳPITCHに対応するサイズを有する分析窓ＡＷを図２に示したようなピッチ周期内における分析窓の中心位置と分析窓のサイズの関係に基づいて決定し、乗算部１０３に出力する。
すなわち、ずれΔＰＴXが０（ピッチ周期の中心位置ＰCNに相当）であれば、２．５周期に相当するサイズの分析窓ＡＷを出力し、ずれΔＰＴXがピッチ期間の始端位置ＰSTあるいはピッチ期間の終端位置ＰENであれば、４周期に相当するサイズの分析窓ＡＷを出力し、ずれΔＰＴXが０とピッチ期間の始端位置ＰSTあるいはピッチ期間の終端位置ＰENとの間にあれば、そのずれ量に応じて２．５周期より大きく４周期より小さいサイズの分析窓ＡＷを出力することとなる。
【００２４】
また、分析窓サイズ決定部１０２は、入力信号ＳINがピッチを有さない信号であった場合に予め定めたサイズ（上述の例の場合、例えば、５２５サンプル固定）の分析窓ＡＷを乗算部１０３に出力する。
これにより乗算部１０３は、入力信号ＳINに分析窓ＡＷを乗じ、信号波形の切り出しを行って、切出波形ＳＨとして第１ＦＦＴ部１０４に出力する。
第１ＦＦＴ部１０４は、切出波形ＳＨにＦＦＴを施し、スペクトルＳＰを算出し、ピーク検出部１０５に出力する。
ピーク検出部１０５は、入力されたスペクトルＳＰに対し、ピーク検出アルゴリズムを適用し、ローカルピークを検出しピーク情報ＳPEAKとしてピッチ検出部１０６に出力する。
ピッチ検出部１０６は、ピーク検出部１０５により出力されたピーク情報ＳPEAKおよび入力信号ＳINの波形から抽出されたゼロ交差数などの波形情報に基づいてピッチ情報ＳPITCHを検出し、ピーク連携部１０７に出力する。
【００２５】
ピーク連携部１０７は、ピーク情報ＳPEAKなどの情報に基づいてピーク連携を行い、ＳＭＳ分析における正弦波成分ＣSINを算出し、分析結果として外部に出力するとともに、正弦波成分合成部１０８に出力する。
正弦波成分合成部１０８は、ピーク連携部１０７により算出された正弦波成分ＣSINを合成し、正弦波成分合成波形ＳSINを生成して、減算部１０９に出力する。
減算部１０９は、信号入力部１０１を介して入力された入力信号ＳINから正弦波成分合成波形ＳSINを減算することにより残差波形ＳREDを算出し、第２ＦＦＴ部１１０に出力する。
この結果、第２ＦＦＴ部１１０は、残差波形ＳREDにＦＦＴを施し、スペクトルに変換して残差成分ＣREDを算出して分析結果として外部に出力する。
以上の説明のように、本方法による信号分析装置１００によれば、フレームレート固定の分析において所望の精度を維持したまま、分析窓サイズを分析窓のピッチ周期内における位置に応じて変更することにより、全体としての演算処理速度の高速化を図ることができる。
【００２６】
［２．２］  分析窓の中心をピッチ周期の中心位置に一致させ、可変フレームレート方式で処理する方法
上述の分析窓のピッチ周期に対する位置に応じて分析窓サイズを変更する方法においては、分析窓のサイズを分析窓のピッチ周期に対する位置に応じて変更していたが、本方法は、分析窓の中心位置である分析フレーム位置を強制的にピッチ周期の中心に位置させ常に最も小さな分析窓サイズで分析させるものである。従って、分析結果の出力タイミングは入力信号のピッチに応じて変化する可変フレームレートとなる。
しかしながら、常に分析窓サイズを所望の精度およびピッチに対して最も小さなサイズとすることができ、処理時間の短縮化を図り、処理効率を向上させることができる。
【００２７】
［２．２．１］  ピッチ周期と分析窓の中心位置（分析フレーム位置）の関係
本方法によれば、図５に示すように、ピッチ周期ＴPTの中心位置ＰCNと、分析フレーム位置ＦＲ１〜ＦＲ３は、常に一致しているので、分析フレーム位置ＦＲ１〜ＦＲ３は、時間的に一定に出力されるわけではなくなり、フレームレートは変化するが、分析窓ＡＷのサイズはピッチ周期に応じた最小サイズとして所望の精度を確保することができるのである。
【００２８】
［２．２．２］  本方法による信号分析装置
図６に本方法に対応する信号分析装置の概要構成図を示す。図６において、図４の信号分析装置１００と同様の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図６において、図４の信号分析装置１００と異なる点は、入力信号ＳINがピッチ（基本周波数）を有する信号であった場合に、後述のピッチ検出部１０６により検出されたピッチ情報ＳPITCHに基づいて分析窓の中心位置＝分析フレーム位置となるように入力信号のピッチ周期の中心位置に位置するように分析位置を決定し、ピッチに応じた最小のサイズを分析窓サイズとして決定し、分析位置情報ＰAWと分析窓ＡＷを出力し、入力信号ＳINがピッチを有さない信号であった場合に予め定めた分析フレーム位置に対応する分析位置情報ＰAWおよび予め定めたサイズの分析窓ＡＷを出力する分析位置／分析窓サイズ決定部１０２Ａと、分析位置情報ＰAWに対応する分析フレーム位置において入力信号ＳINに分析窓ＡＷを乗じ、信号波形の切り出しを行って、切出波形ＳＨとして出力する乗算部１０３Ａと、切出入力信号ＳINCから正弦波成分合成波形ＳSINを減算することにより残差波形ＳRED1を算出する減算部１０９Ａと、残差波形ＳRED1にＦＦＴを施し、スペクトルに変換して残差成分ＣREDを算出する第２ＦＦＴ部１１０と、残差波形を求めるために、入力信号ＳINから分析位置情報ＰAWに対応する分析フレーム位置において切り出しを行い、切出入力信号ＳINCとして出力する残差波形算出用波形切出部１１１と、を備えた点である。
【００２９】
次に動作を説明する。
信号分析装置１００Ａの信号入力部１０１を介して分析対象の信号が入力信号ＳINとして入力されると、分析位置／分析窓サイズ決定部１０２Ａは、入力信号ＳINがピッチ（基本周波数）を有する信号であった場合に、ピッチ検出部１０６により検出されたピッチ情報ＳPITCHに基づいて分析窓の中心位置＝分析フレーム位置となるように入力信号のピッチ周期の中心位置に位置するように分析位置を決定し、ピッチに応じた最小のサイズを分析窓サイズとして決定し、分析位置情報ＰAWと分析窓ＡＷを乗算部１０３Ａに出力し、入力信号ＳINがピッチを有さない信号であった場合に予め定めた分析フレーム位置に対応する分析位置情報ＰAWおよび予め定めたサイズの分析窓ＡＷを乗算部１０３Ａに出力し、分析位置情報ＰAWを残差波形算出用波形切出部１１１に出力する。
すなわち、ピッチ周期の中心位置が分析フレーム位置となるように分析位置情報ＰAWを乗算部１０３Ａに出力し、ピッチ周期および所望の精度に応じた最小のサイズを分析窓のサイズとして分析窓ＡＷとして乗算部１０３Ａに出力し、分析位置情報ＰAWを残差波形算出用波形切出部１１１に出力することとなる。
【００３０】
また、分析位置／分析窓サイズ決定部１０２Ａは、入力信号ＳINがピッチを有さない信号であった場合に、予め定めた分析フレーム位置に対応する分析位置情報ＰAWおよび予め定めたサイズ（上述の例の場合、例えば、５２５サンプル固定）の分析窓ＡＷを乗算部１０３Ａに出力する。
これにより乗算部１０３Ａは、入力信号ＳINの分析位置情報ＰAWに対応する分析位置において入力信号ＳINに分析窓ＡＷを乗じ、信号波形の切り出しを行って、切出波形ＳＨとして第１ＦＦＴ部１０４に出力する。
第１ＦＦＴ部１０４は、切出波形ＳＨにＦＦＴを施し、スペクトルＳＰを算出し、ピーク検出部１０５に出力する。
ピーク検出部１０５は、入力されたスペクトルＳＰに対し、ピーク検出アルゴリズムを適用し、ローカルピークを検出しピーク情報ＳPEAKとしてピッチ検出部１０６に出力する。
ピッチ検出部１０６は、ピーク検出部１０５により出力されたピーク情報ＳPEAKおよび入力信号ＳINの波形から抽出されたゼロ交差数などの波形情報に基づいてピッチ情報ＳPITCHを検出し、ピーク連携部１０７に出力する。
【００３１】
ピーク連携部１０７は、ピーク情報ＳPEAKなどの情報に基づいてピーク連携を行い、ＳＭＳ分析における正弦波成分ＣSINを算出し、分析結果として外部に出力するとともに、正弦波成分合成部１０８に出力する。
正弦波成分合成部１０８は、ピーク連携部１０７により算出された正弦波成分ＣSINを合成し、正弦波成分合成波形ＳSINを生成して、減算部１０９Ａに出力する。
一方、残差波形算出用波形切出部１１１は、入力信号ＳINから分析位置情報ＰAWに対応する分析フレーム位置において切り出しを行い、切出入力信号ＳINCとして減算部１０９Ａに出力する。
これらにより減算部１０９Ａは、残差波形算出用波形切出部１１１から入力された切出入力信号ＳINCから正弦波成分合成波形ＳSINを減算することにより残差波形ＳRED1を算出し、第２ＦＦＴ部１１０に出力する。
この結果、第２ＦＦＴ部１１０は、残差波形ＳRED1にＦＦＴを施し、スペクトルに変換して残差成分ＣREDを算出して分析結果として外部に出力する。
以上の説明のように、本方法による信号分析装置１００Ａによれば、可変フレームレートの分析において所望の精度を維持したまま、常に分析窓サイズを所望の精度およびピッチに対して最も小さなサイズとすることができ、処理時間の短縮化を図り、処理効率を向上させることができる。
【００３２】
［２．３］  分析窓の中心をピッチ周期の中心位置に一致させ、位相補正を行った後、固定フレームレート方式で処理する方法
本方法では、上述した分析窓の中心をピッチ周期の中心位置に一致させ、可変フレームレート方式で処理する方法と同様に分析窓の中心＝分析位置を強制的にピッチ周期の中心に位置させ常に最も小さな分析窓サイズで分析させる方法を採用している。
しかしながら本方法では、後段における処理をより簡略化すべく分析結果の出力を可変フレームレートではなく、固定フレームレートで出力するように構成している。
【００３３】
［２．３．１］  ピッチ周期、分析窓の中心位置（分析フレーム位置）および出力フレーム位置の関係
本方法によれば、図７に示すように、まず、図５の場合と同様に、ピッチ周期の中心位置ＰCNと、分析フレーム位置は、常に一致させる（図７（ａ）および（ｂ）参照）。
そして、得られた分析結果に対して位相補正を行い、図７（ｃ）に示すように、固定フレームレートで出力する。すなわち、分析フレーム位置ＦＲ１〜ＦＲ３と、出力フレーム位置ＦＲＯ１〜ＦＲＯ４との時間差Δｔを求め、その時間分だけ位相補正を行って分析結果を出力するわけである。
【００３４】
より詳細には、分析フレーム位置ＦＲ１については、分析フレーム位置ＦＲ１と出力フレーム位置ＦＲＯ２との間の時間差を求め、分析フレーム位置ＦＲ２については、分析フレーム位置ＦＲ２と出力フレーム位置ＦＲＯ３および出力フレーム位置ＦＲＯ４との間の時間差をそれぞれ求める（分析フレーム位置ＦＲ２については、２回出力する）こととなる。
この場合において、分析フレーム位置ＦＲ１〜ＦＲ３におけるスペクトルのある成分の周波数をｆn、位相をψnとし、そのフレーム内でスペクトルが定常的であると考えるならば、Δｔ時間後（所望の位置）のそのスペクトルの位相ψ’nは、
ψ’n＝ψn＋２πｆnΔｔ
【００３５】
従って、得られた位相ψ’nで位相補正したスペクトルを所望の位置におけるスペクトルとすればよい。
ここで、信号分析として、ＳＭＳ分析を行う場合について考える。分析位置におけるスペクトルのある成分の周波数ｆｎおよび位相ψｎを正弦波成分の一つと考えると、以下の実施例の中の位相補正部にて上式の計算を行うことは、正弦波成分の位相を補正することに相当し、この補正された正弦波成分を所望の位置における正弦波成分とすることとする。なお、ＳＭＳ分析では、全てのスペクトルの成分について位相を補正する必要はなく、正弦波成分についてのみ位相補正を行えば充分である。
上述したように、本方法によれば、固定フレームレートにも拘わらず、常に分析窓サイズを所望の精度およびピッチに対して最も小さなサイズとすることができ、後段の処理を容易とし、処理時間の短縮化を図り、処理効率を向上させることができる。
【００３６】
［２．３．２］  本方法による信号分析装置
図８に本方法に対応する信号分析装置の概要構成図を示す。図８において、図６の信号分析装置１００Ａと同様の部分には同一の符号を付すものとする。
図８の信号分析装置１００Ｂが図６の信号分析装置１００Ａと異なる点は、後述の位相補正部１１３より出力された位相補正がなされた正弦波成分ＣSINである正弦波成分ＣSIN1を合成し、正弦波成分合成波形ＳSIN1を生成する正弦波成分合成部１０８Ｂと、切出入力信号ＳINC1から正弦波成分合成波形ＳSIN1を減算することにより残差波形ＳRED2を算出する減算部１０９ｂと、残差波形ＳRED2にＦＦＴを施し、スペクトルに変換して残差成分ＣRED1を算出する第２ＦＦＴ部１１０Ｂと、残差波形を求めるために、入力信号ＳINから分析位置情報ＰAWに対応する分析フレーム位置において切り出しを行い、フレーム出力タイミング信号ＳOUTに対応するタイミングで切出入力信号ＳINC1として出力する残差波形算出用波形切出部１１１Ａと、最終的な分析結果をある固定フレームレートで出力する際のフレーム出力タイミングに対応するフレーム出力タイミング信号ＳOUTを出力するフレーム出力タイミング発生部１１２と、ピーク連携部１０７において算出された正弦波成分ＣSINについて分析位置情報ＰAWに対応するフレーム出力タイミングとフレーム出力タイミング信号ＳOUTに対応するフレーム出力タイミングとの時間ずれΔｔに基づいて位相補正を行い、位相補正された正弦波成分ＣSIN1を出力する位相補正部１１３と、を備えた点である。
【００３７】
次に動作を説明する。
信号分析装置１００Ｂの信号入力部１０１を介して分析対象の信号が入力信号ＳINとして入力されると、分析位置／分析窓サイズ決定部１０２Ａは、入力信号ＳINがピッチ（基本周波数）を有する信号であった場合に、ピッチ検出部１０６により検出されたピッチ情報ＳPITCHに基づいて分析窓の中心位置＝分析フレーム位置となるように入力信号のピッチ周期の中心位置に位置するように分析位置を決定し、ピッチに応じた最小のサイズを分析窓サイズとして決定し、分析位置情報ＰAWと分析窓ＡＷを乗算部１０３Ａに出力し、入力信号ＳINがピッチを有さない信号であった場合に予め定めた分析フレーム位置に対応する分析位置情報ＰAWおよび予め定めたサイズの分析窓ＡＷを乗算部１０３Ａに出力する。
すなわち、ピッチ周期の中心位置が分析フレーム位置となるように分析位置情報ＰAWを乗算部１０３Ａに出力し、ピッチ周期および所望の精度に応じた最小のサイズを分析窓のサイズとして分析窓ＡＷとして乗算部１０３Ａに出力し、分析位置情報ＰAWを位相補正部１１３に出力することとなる。
【００３８】
また、分析位置／分析窓サイズ決定部１０２Ａは、入力信号ＳINがピッチを有さない信号であった場合に、予め定めた分析フレーム位置に対応する分析位置情報ＰAWおよび予め予め定めたサイズ（上述の例の場合、例えば、５２５サンプル固定）の分析窓ＡＷを乗算部１０３Ａに出力し、分析位置情報ＰAWを位相補正部１１３に出力する。
これにより乗算部１０３Ａは、入力信号ＳINの分析位置情報ＰAWに対応する分析位置において入力信号ＳINに分析窓ＡＷを乗じ、信号波形の切り出しを行って、切出波形ＳＨとして第１ＦＦＴ部１０４に出力する。
第１ＦＦＴ部１０４は、切出波形ＳＨにＦＦＴを施し、スペクトルＳＰを算出し、ピーク検出部１０５に出力する。
ピーク検出部１０５は、入力されたスペクトルＳＰに対し、ピーク検出アルゴリズムを適用し、ローカルピークを検出しピーク情報ＳPEAKとしてピッチ検出部１０６に出力する。
ピッチ検出部１０６は、ピーク検出部１０５により出力されたピーク情報ＳPEAKおよび入力信号ＳINの波形から抽出されたゼロ交差数などの波形情報に基づいてピッチ情報ＳPITCHを検出し、ピーク連携部１０７に出力する。
【００３９】
ピーク連携部１０７は、ピーク情報ＳPEAKなどの情報に基づいてピーク連携を行い、ＳＭＳ分析における正弦波成分ＣSINを算出し、分析結果として外部に出力するとともに、位相補正部１１３に正弦波成分ＣSINを出力する。
一方、フレーム出力タイミング発生部１１２は、最終的な分析結果をある固定フレームレートで出力する際のフレーム出力タイミングに対応するフレーム出力タイミング信号ＳOUTを残差波形算出用波形切出部１１１Ａおよび位相補正部１１３に出力する。
残差波形算出用波形切出部１１１Ａは、入力信号ＳINからフレーム出力タイミング信号ＳOUTに対応する分析フレーム位置において切り出しを行い、切出入力信号ＳINC1として減算部１０９Ｂに出力する。
また、位相補正部１１３は、ピーク連携部１０７において算出された正弦波成分ＣSINについて分析位置情報ＰAWに対応するフレーム出力タイミングとフレーム出力タイミング信号ＳOUTに対応するフレーム出力タイミングとの時間ずれΔｔに基づいて位相補正を行い、位相補正された正弦波成分ＣSIN1を分析結果として外部に出力するとともに、正弦波成分合成部１０８Ｂに出力する。
【００４０】
正弦波成分合成部１０８Ｂは、位相補正部１１３により位相補正された正弦波成分ＣSIN1を合成し、正弦波成分合成波形ＳSIN1を生成して、減算部１０９Ｂに出力する。
これらにより減算部１０９Ｂは、残差波形算出用波形切出部１１１Ａから入力された切出入力信号ＳINC1から正弦波成分合成波形ＳSIN1を減算することにより残差波形ＳRED2を算出し、第２ＦＦＴ部１１０Ｂに出力する。
この結果、第２ＦＦＴ部１１０Ｂは、残差波形ＳRED2にＦＦＴを施し、スペクトルに変換して残差成分ＣRED1を算出して分析結果として外部に出力する。
以上の説明のように、本方法による信号分析装置１００Ｂによれば、固定フレームレートの分析において所望の精度を維持したまま、常に分析窓サイズを所望の精度およびピッチに対して最も小さなサイズとすることができ、処理時間の短縮化を図り、処理効率を向上させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＦＦＴを用いた信号分析装置において、最適な分析窓を設定して、処理時間の短縮化および処理効率を向上させることができ、リアルタイムに処理を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】分析窓のサイズと分析窓の中心位置との間の関係を説明するための図である。
【図３】分析窓のピッチ周期に対する位置に応じて分析窓サイズを変更する方法を用いた場合の動作説明図である。
【図４】図３に対応する信号分析装置の概要構成ブロック図である。
【図５】分析窓の中心をピッチ周期の中心位置に一致させ、可変フレームレート方式で処理する方法を用いた場合の動作説明図である。
【図６】図５に対応する信号分析装置の概要構成ブロック図である。
【図７】分析窓の中心をピッチ周期の中心位置に一致させ、位相補正を行った後、固定フレームレート方式で処理する方法を用いた場合の動作説明図である。
【図８】図７に対応する信号分析装置の概要構成ブロック図である。
【符号の説明】
１００、１００Ａ、１００Ｂ…信号分析装置、１０１…信号入力部、１０２…分析窓サイズ決定部、１０２Ａ、１０２Ｂ…分析位置／分析窓サイズ決定部、１０３、１０３Ａ…乗算部、１０４…第１ＦＦＴ部、１０５…ピーク検出部、１０６…ピッチ検出部、１０７…ピーク連携部、１０８…正弦波成分合成部、１０９、１０９Ａ…減算部、１１０、１１０Ｂ…第２ＦＦＴ部、１１１、１１１Ａ…残差波形算出用波形切出部、１１２…フレーム出力タイミング発生部、１１３…位相補正部、ＡＷ…分析窓、ＦＲ１〜ＦＲ３…分析フレーム位置、ＦＲＯ１〜ＦＲＯ４…出力フレーム位置、ＰAW…分析位置情報、ＳIN…入力信号、ＳPITCH…ピッチ情報、ＳPEAK…ピーク情報、ＣSIN、ＣSIN1…正弦波成分、ＣRED、ＣRED1…残差成分、ＳOUT…フレーム出力タイミング信号、ＳＨ…切出波形信号、ＳＰ…スペクトル
【図１】
0004286405.tif 000002
【図２】
0004286405.tif 000003
【図３】
0004286405.tif 000004
【図４】
0004286405.tif 000005
【図５】
0004286405.tif 000006
【図６】
0004286405.tif 000007
【図７】
0004286405.tif 000008
【図８】
0004286405.tif 000009