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JP2016090670A - Frequency analysis device and program - Google Patents

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JP2016090670A
JP2016090670A JP2014221867A JP2014221867A JP2016090670A JP 2016090670 A JP2016090670 A JP 2016090670A JP 2014221867 A JP2014221867 A JP 2014221867A JP 2014221867 A JP2014221867 A JP 2014221867A JP 2016090670 A JP2016090670 A JP 2016090670A
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Japan
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frame
frequency
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frequency analysis
analysis
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JP2014221867A
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Japanese (ja)
Inventor
陽 前澤
Akira Maezawa
陽 前澤
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Yamaha Corp
Original Assignee
Yamaha Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a frequency analysis device and program that allow time-series digital data such as an acoustic signal and the like to be efficiently analyzed in short time.SOLUTION: A frequency analysis device performing a frequency analysis of a frame of a length having a prescribed frame length N for each prescribed hop length H with respect to input time-series digital data is configured to: add a prescribed phase difference to a result of the frequency analysis of an analyzed m-1-th frame to thereby acquire a first term of an analysis result of an m-th frame; apply a prescribed discrete Fourier transform processing to a difference between sample data on the m-1-th frame and new sample data on the m-th frame to thereby acquire a second term of an analysis result of the m-th frame; and add the second term to the first term to thereby acquire a result of the frequency analysis of the m-th frame, which is an analysis object this time.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、入力した時系列ディジタルデータの周波数成分を分析する周波数分析装置およびプログラムに関する。   The present invention relates to a frequency analysis apparatus and program for analyzing frequency components of input time-series digital data.

従来より、音響信号などの時系列ディジタルデータの周波数分析等を行う手法として離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform:DFT)が知られている。通常は無限の区間に渡って積分を実行するわけにはいかないので、分析対象のディジタル信号から、所定のホップ長毎に所定のフレーム長の区間のデータを切り出し窓関数を掛けて離散フーリエ変換する処理を繰り返して分析する、いわゆる短時間フーリエ変換(Short-Time Fourier Transform:STFT)の手法が使われる。   Conventionally, Discrete Fourier Transform (DFT) is known as a technique for performing frequency analysis of time-series digital data such as acoustic signals. Normally, it is impossible to perform integration over an infinite interval, so the data of the predetermined frame length is extracted from the digital signal to be analyzed for each predetermined hop length and is subjected to a discrete Fourier transform by applying a window function. A so-called Short-Time Fourier Transform (STFT) technique is used in which processing is repeated and analyzed.

図7は、STFTの概念図を示す。701は時系列データであるディジタル信号x(t)の時間変化を示すグラフである。702は最初に切り出したフレーム長がNの区間のフレーム(データ列)を示す。このフレーム702に対してDFTの演算を実行し、最初の分析結果X0(f)を得る。X0(f)の下付の添え字は分析したフレームを特定するフレーム番号(フレーム0を先頭とする)、パラメータfは周波数ビンを特定する番号(あるいは周波数)を示す。分析結果X0(f)は、各周波数ビンにおける分析対象の信号の成分を複素数表現したデータ列である。703は次のフレーム1を示す。フレーム1は、フレーム0からホップ長Hだけ進んだ位置からフレーム長Nの区間を切り出したものである。フレーム1に対してDFTの演算を実行し分析結果X1(f)を得る。同様にして、ホップ長H毎にフレーム長Nの区間をフレームとして順次切り出しDFTの演算を実行していく。なお、DFTの計算においては、演算を高速に行うことができる高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform:FFT)の手法を用いることが多い。 FIG. 7 shows a conceptual diagram of the STFT. Reference numeral 701 is a graph showing a time change of the digital signal x (t) which is time series data. Reference numeral 702 denotes a frame (data string) of a section having a frame length of N that is cut out first. A DFT operation is performed on this frame 702 to obtain the first analysis result X 0 (f). The subscript of X 0 (f) indicates a frame number that identifies the analyzed frame (starting with frame 0), and the parameter f indicates a number (or frequency) that identifies the frequency bin. The analysis result X 0 (f) is a data string representing complex components of the signal to be analyzed in each frequency bin. Reference numeral 703 denotes the next frame 1. Frame 1 is obtained by cutting out a section of frame length N from a position advanced from frame 0 by hop length H. A DFT operation is performed on frame 1 to obtain an analysis result X 1 (f). Similarly, for each hop length H, the section of the frame length N is sequentially cut out as a frame and the DFT operation is executed. In the DFT calculation, a Fast Fourier Transform (FFT) technique that can perform an operation at high speed is often used.

さらに、DFTの循環性を用いることによるスライディング離散フーリエ変換(Sliding-DFT:SDFT)という手法も提案されている(非特許文献1,2参照)。図8は、SDFTの概念図を示す。801は、701と同様の信号x(t)のグラフを示す。802は最初に切り出したフレーム長がNの区間のフレームを示す。このフレーム802に対してDFTの演算を実行し、最初の分析結果X0(f)を得る。次に、フレーム802の処理対象データを1サンプル分スライドする。すなわち、先頭サンプル803を削除するとともにフレーム802の最終サンプルの次のサンプル805を追加し、この網掛け804と805に示す一連のデータの周波数分析結果を求める。この計算は、フレーム802の分析結果X0(f)を補正することで得ることができる。この補正の計算は各周波数ビン毎の計算であるが、DFTの計算を行うのに比べれば簡単で計算量が少ない。以下同様にして、806,807に示すように分析対象データをスライドさせていき、補正計算で各周波数ビンの分析結果を求めていく。ホップ長Hまでスライドさせることで、次のフレーム808の分析結果が得られる。 Furthermore, a technique called sliding discrete Fourier transform (Sliding-DFT: SDFT) using the circularity of DFT has also been proposed (see Non-Patent Documents 1 and 2). FIG. 8 shows a conceptual diagram of SDFT. Reference numeral 801 denotes a graph of the signal x (t) similar to 701. Reference numeral 802 denotes a frame of a section whose frame length is N that is cut out first. A DFT operation is performed on this frame 802 to obtain the first analysis result X 0 (f). Next, the data to be processed in the frame 802 is slid by one sample. That is, the first sample 803 is deleted and a sample 805 next to the last sample of the frame 802 is added, and a frequency analysis result of a series of data indicated by the shaded areas 804 and 805 is obtained. This calculation can be obtained by correcting the analysis result X 0 (f) of the frame 802. This correction calculation is performed for each frequency bin, but it is simpler and requires less calculation than the DFT calculation. Similarly, the analysis target data is slid as shown in 806 and 807, and the analysis result of each frequency bin is obtained by correction calculation. By sliding to the hop length H, the analysis result of the next frame 808 is obtained.

IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE 2003年3月 第74-80頁、dsp tips & tricks "The Sliding DFT"、Eric Jacobsen and Richard LyonsIEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE March 2003, pages 74-80, dsp tips & tricks "The Sliding DFT", Eric Jacobsen and Richard Lyons IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE 2004年1月 第110-111頁、dsp tips & tricks "An Update to the Sliding DFT"、Eric Jacobsen and Richard LyonsIEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE January 2004, pp. 110-111, dsp tips & tricks "An Update to the Sliding DFT", Eric Jacobsen and Richard Lyons

音響信号の周波数分析等に適用する短時間フーリエ変換の計算は、できるだけ効率よく短時間で行うことが求められる。   The calculation of the short-time Fourier transform applied to the frequency analysis of the acoustic signal is required to be performed as efficiently and in a short time as possible.

一般にFFTの計算量は O[N log2(N)] である。これを踏まえ、上述のSTFTおよびSDFTにおける各フレームでの計算量を考える。まず、図7のSTFTでは、FFTを1回行うので計算量は O[N log2(N)] となる。図8のSDFTでは、スライド処理をホップ長Hだけ行うので計算量は O(NH) となる。 In general, the calculation amount of FFT is O [N log 2 (N)]. Based on this, the amount of calculation in each frame in the above-described STFT and SDFT will be considered. First, in the STFT of FIG. 7, since the FFT is performed once, the calculation amount is O [N log 2 (N)]. In the SDFT of FIG. 8, since the slide process is performed only for the hop length H, the calculation amount is O (NH).

本発明は、音響信号などの時系列ディジタルデータの周波数分析を効率よく短時間で実行できる周波数分析装置およびプログラムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a frequency analyzer and a program that can efficiently perform frequency analysis of time-series digital data such as an acoustic signal in a short time.

上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、入力した時系列ディジタルデータに対し所定のホップ長H毎に所定のフレーム長Nの長さのフレームの周波数分析を行う周波数分析装置であって、既に分析済みのm−1番目のフレームの周波数分析結果に所定の位相差を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第1項を取得する手段と、m−1番目のフレームのサンプルデータと今回の分析対象であるm番目のフレームの新たなサンプルデータとの差分をとる手段と、前記差分に対して所定の離散フーリエ変換の処理を施すことにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第2項を取得する手段と、前記第1項に第2項を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの周波数分析結果を取得する手段とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is a frequency analyzer for performing frequency analysis of a frame having a predetermined frame length N for each predetermined hop length H with respect to input time-series digital data. Means for obtaining the first term of the analysis result of the mth frame that is the current analysis object by adding a predetermined phase difference to the frequency analysis result of the m−1th frame that has already been analyzed; Means for taking the difference between the sample data of the first frame and the new sample data of the m-th frame that is the object of analysis this time, and applying the predetermined discrete Fourier transform processing to the difference, the current analysis Means for acquiring the second term of the analysis result of the m-th frame that is the object, and frequency analysis of the m-th frame that is the object of analysis this time by adding the second term to the first term Characterized in that it comprises a means for obtaining results.

請求項2に係る発明は、入力した時系列ディジタルデータに対し所定のホップ長H毎に所定のフレーム長Nの長さのフレームの周波数分析を行う周波数分析装置であって、既に分析済みのm−1番目のフレームの周波数分析結果Xm-1(k)に所定の位相差を加える演算

Figure 2016090670
を施すことにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第1項を取得する手段と、m−1番目のフレームのサンプルデータx(n+mN)と今回の分析対象であるm番目のフレームの新たなサンプルデータx(n+mN-N)との差分を
Figure 2016090670
にて求める手段と、前記差分に対して離散フーリエ変換の処理を施すことにより
Figure 2016090670
でm番目のフレームの分析結果の第2項を取得する手段と、前記第1項に第2項を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの周波数分析結果Xm(k)を取得する手段とを備えることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is a frequency analysis device that performs frequency analysis of a frame having a predetermined frame length N for each predetermined hop length H with respect to input time-series digital data, and has already been analyzed. -Calculation that adds a predetermined phase difference to the frequency analysis result X m-1 (k) of the -1st frame
Figure 2016090670
To obtain the first term of the analysis result of the m-th frame that is the analysis target of this time, the sample data x (n + mN) of the (m−1) -th frame, and m of the analysis target of the current analysis The difference from the new sample data x (n + mN-N) in the second frame
Figure 2016090670
And by applying discrete Fourier transform to the difference
Figure 2016090670
Means for obtaining the second term of the analysis result of the m-th frame and adding the second term to the first term to obtain the frequency analysis result X m (k) of the m-th frame that is the current analysis target. Means for obtaining.

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の周波数分析装置において、前記ホップ長Hが2のべき乗であり、前記差分に対する離散フーリエ変換の処理が高速フーリエ変換の処理であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the frequency analyzer according to the first or second aspect, the hop length H is a power of 2, and the discrete Fourier transform process for the difference is a fast Fourier transform process. Features.

請求項4に係る発明は、請求項1から3の何れか1つに記載の周波数分析装置において、ホップ長Hとフレーム長Nとを、HQ=N(HはNの約数)を満たすように設定し、前記差分に対する離散フーリエ変換の処理をQ回の離散フーリエ変換のループ処理で実行することを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the frequency analyzer according to any one of claims 1 to 3, wherein the hop length H and the frame length N satisfy HQ = N (H is a divisor of N). And the discrete Fourier transform processing for the difference is executed by Q times of discrete Fourier transform loop processing.

請求項5に係る発明は、請求項1から3の何れか1つに記載の周波数分析装置において、ホップ長Hとフレーム長Nとを、HQ=N(HはNの約数)を満たすように設定し、前記差分に対する離散フーリエ変換の処理は、H点の差分に対する離散フーリエ変換の処理を実行し、得られたH点の離散フーリエ変換の結果を用いて補間演算によりN点の離散フーリエ変換の結果を取得するものであることを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the frequency analyzer according to any one of claims 1 to 3, wherein the hop length H and the frame length N satisfy HQ = N (H is a divisor of N). In the discrete Fourier transform process for the difference, the discrete Fourier transform process for the H point difference is executed, and an N point discrete Fourier transform is performed by interpolation using the obtained discrete Fourier transform result of the H point. The conversion result is obtained.

請求項6に係る発明は、請求項1から5の何れか1つに記載の周波数分析装置において、前記求めたm番目のフレームの周波数分析結果に、所定の窓関数の周波数応答を畳み込む演算を行うことにより最適化された周波数分析結果を求めることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the frequency analyzer according to any one of the first to fifth aspects, an operation for convolving a frequency response of a predetermined window function with the obtained frequency analysis result of the mth frame. It is characterized by obtaining an optimized frequency analysis result by performing.

請求項7に係る発明は、入力した時系列ディジタルデータに対し所定のホップ長H毎に所定のフレーム長Nの長さのフレームの周波数分析を行う周波数分析装置を実現する周波数分析プログラムであって、処理装置で実行させることにより、既に分析済みのm−1番目のフレームの周波数分析結果に所定の位相差を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第1項を取得する手段と、m−1番目のフレームのサンプルデータと今回の分析対象であるm番目のフレームの新たなサンプルデータとの差分をとる手段と、前記差分に対して所定の離散フーリエ変換の処理を施すことにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第2項を取得する手段と、前記第1項に第2項を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの周波数分析結果を取得する手段とを備える周波数分析装置として機能させる周波数分析プログラムである。   The invention according to claim 7 is a frequency analysis program for realizing a frequency analysis device that performs frequency analysis of a frame having a predetermined frame length N for each predetermined hop length H with respect to input time-series digital data. The first term of the analysis result of the mth frame, which is the current analysis target, is added to the frequency analysis result of the m−1th frame that has already been analyzed by being executed by the processing device. Means for obtaining, means for obtaining a difference between the sample data of the (m-1) th frame and new sample data of the mth frame to be analyzed this time, and processing of a predetermined discrete Fourier transform for the difference Means for obtaining the second term of the analysis result of the mth frame that is the subject of analysis this time, and the present analysis by adding the second term to the first term A frequency analysis program to function as a frequency analyzer and means for obtaining frequency analysis results of the m-th frame is elephant.

本発明によれば、時系列ディジタルデータに対する周波数分析を従来よりも高速に効率よく行うことができる。   According to the present invention, frequency analysis for time-series digital data can be efficiently performed at a higher speed than before.

この発明の実施の形態である周波数分析装置のハードウェア構成を示すブロック図The block diagram which shows the hardware constitutions of the frequency analyzer which is embodiment of this invention 本実施形態における周波数分析の概念図Conceptual diagram of frequency analysis in this embodiment 本実施形態における周波数分析の演算の原理を説明するための数式(その1)を示す図The figure which shows the numerical formula (the 1) for demonstrating the principle of the calculation of the frequency analysis in this embodiment 本実施形態における周波数分析の演算の原理を説明するための数式(その2)を示す図The figure which shows the numerical formula (the 2) for demonstrating the principle of the calculation of the frequency analysis in this embodiment 本実施形態における周波数分析の演算の原理を説明するための数式(その3)を示す図The figure which shows the numerical formula (the 3) for demonstrating the principle of the calculation of the frequency analysis in this embodiment 本実施形態の周波数分析装置における周波数分析処理の流れを示すフローチャート(その1)The flowchart which shows the flow of the frequency analysis process in the frequency analyzer of this embodiment (the 1) 本実施形態の周波数分析装置における周波数分析処理の流れを示すフローチャート(その2)The flowchart which shows the flow of the frequency analysis process in the frequency analyzer of this embodiment (the 2) 周波数分析処理の変形例を示すフローチャートFlowchart showing a modification of frequency analysis processing 短時間フーリエ変換(STFT)の概念図Conceptual diagram of short-time Fourier transform (STFT) スライディング離散フーリエ変換(SDFT)の概念図Conceptual diagram of sliding discrete Fourier transform (SDFT)

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、この発明の実施の形態である周波数分析装置のハードウェア構成を示すブロック図である。CPU101は、この装置全体の動作を制御する処理装置である。メモリ102は、CPU101が実行する各種のプログラムや各種のデータなどを格納した記憶装置であり、RAM、ROM、フラッシュメモリ、ハードディスクなどを適宜組み合わせて構成することができる。表示器103は、この装置の操作パネル上に設けられた各種の情報を表示するためのディスプレイである。操作子104は、この装置の操作パネル上に設けられたユーザが操作するための各種の操作子である。信号処理部105は、例えばDSPであり、CPU101の指示に基づいて各種の信号処理プログラムを実行する。特に、信号処理部105は、後述する図5A,5Bの周波数分析処理プログラムを実行することにより、波形I/O106経由で入力した音響信号の周波数分析処理を行い、その分析結果をCPU101に出力する。バス110は、これら各部を接続するバスラインであり、コントロールバス、データバス、およびアドレスバスを総称したものである。   FIG. 1 is a block diagram showing a hardware configuration of a frequency analyzer according to an embodiment of the present invention. The CPU 101 is a processing device that controls the operation of the entire apparatus. The memory 102 is a storage device that stores various programs executed by the CPU 101, various data, and the like, and can be configured by appropriately combining RAM, ROM, flash memory, hard disk, and the like. The display 103 is a display for displaying various information provided on the operation panel of the apparatus. The operation element 104 is a variety of operation elements that are provided on the operation panel of the apparatus and are operated by the user. The signal processing unit 105 is a DSP, for example, and executes various signal processing programs based on instructions from the CPU 101. In particular, the signal processing unit 105 performs a frequency analysis process on the acoustic signal input via the waveform I / O 106 by executing a frequency analysis process program of FIGS. 5A and 5B described later, and outputs the analysis result to the CPU 101. . The bus 110 is a bus line that connects these parts, and is a generic term for a control bus, a data bus, and an address bus.

図1の装置では、信号処理装置105で周波数分析処理を実行したが、CPU101で実行するように構成してもよい。また、汎用のパーソナルコンピュータ(PC)で、以下で説明する本実施形態の装置のプログラムを実行させることにより周波数分析装置を実現することもできる。さらに、図1の装置は単体の周波数分析装置として構成したが、例えば図1の装置を楽音信号を発生する電子楽器や音響信号を処理するミキサとして構成し、それらの装置の機能の一部として周波数分析の機能を実現するようにしてもよい。   In the apparatus of FIG. 1, the frequency analysis process is executed by the signal processing apparatus 105, but it may be configured to be executed by the CPU 101. In addition, the frequency analyzer can be realized by causing a general-purpose personal computer (PC) to execute the program of the apparatus of the present embodiment described below. Further, the apparatus of FIG. 1 is configured as a single frequency analysis apparatus. For example, the apparatus of FIG. A frequency analysis function may be realized.

図2は、図1の装置における周波数分析の概念図を示す。201は分析対象の音響信号x(t)の時間的な変化を示すグラフである。202は処理対象として最初に切り出したフレーム0を示す。最初のフレーム0については、従来技術の図7の702や図8の802と同様にしてDFTの演算を行い、分析結果X0(k)を得る。 FIG. 2 shows a conceptual diagram of frequency analysis in the apparatus of FIG. 201 is a graph showing temporal changes in the acoustic signal x (t) to be analyzed. Reference numeral 202 denotes a frame 0 that is first cut out as a processing target. For the first frame 0, DFT calculation is performed in the same manner as in the conventional technique 702 in FIG. 7 and 802 in FIG. 8 to obtain the analysis result X 0 (k).

206は次の処理対象のフレーム1を示す。フレーム1に対するDFTの演算結果を得るため、本実施形態では、前のフレーム0と今回のフレーム1との差分に着目する。フレーム0と1とでは網掛け204の波形サンプルが重複している。また、フレーム0から網掛け203の波形サンプルを削除し、網掛け205の波形サンプルを追加すればフレーム1となる。そこで、本実施形態では、前のフレームの分析結果に所定の位相差を加えた項と、前のフレームと今回分析対象のフレームとの差分に対するDFT演算結果を元に求めた補正項とから、今回分析対象のフレームの分析結果を取得する。   Reference numeral 206 denotes the next frame 1 to be processed. In order to obtain the DFT calculation result for the frame 1, the present embodiment focuses on the difference between the previous frame 0 and the current frame 1. In the frames 0 and 1, the waveform samples in the shaded area 204 overlap. Further, if the waveform sample of the shaded 203 is deleted from the frame 0 and the waveform sample of the shaded 205 is added, the frame 1 is obtained. Therefore, in this embodiment, from the term obtained by adding a predetermined phase difference to the analysis result of the previous frame, and the correction term obtained based on the DFT calculation result for the difference between the previous frame and the current analysis target frame, This time, obtain the analysis result of the analysis target frame.

以下、そのような本発明に係る分析手法の原理を説明する。図3、図4A、および図4Bは、本実施形態における周波数分析の演算の原理を説明するための数式である。   Hereinafter, the principle of such an analysis method according to the present invention will be described. 3, 4A, and 4B are mathematical expressions for explaining the principle of frequency analysis calculation in the present embodiment.

式(1)は、フレーム0に対して施すDFTの演算式を示す。式(1)において、x(n)は入力信号であり時刻nにおける波形サンプル値(複素数表現)を示している。eは自然対数の底、jは虚数単位、πは円周率である。Nはフレーム長、kは周波数ビンを特定する番号(ビン番号と呼ぶものとする)である。計算結果のX0(k)は、各周波数ビン毎の成分を示す複素数であり、これから各周波数ビンにおける入力信号の振幅と位相が計算できる。 Expression (1) represents an arithmetic expression of DFT applied to frame 0. In Expression (1), x (n) is an input signal and indicates a waveform sample value (represented by a complex number) at time n. e is the base of the natural logarithm, j is the imaginary unit, and π is the pi. N is a frame length, and k is a number (referred to as a bin number) that identifies a frequency bin. X 0 (k) of the calculation result is a complex number indicating a component for each frequency bin, and from this, the amplitude and phase of the input signal in each frequency bin can be calculated.

次の式(2)は、フレーム1に対して施すDFTの演算式を示す。式(1)と同様の演算式であるが、フレーム1に対する演算でありN=0からN-1の総和(Σ)をとる演算であるので、式(1)のx(n)の部分はx(n+H)に置き換えている。式(3)は、式(2)の総和の計算を、図2の網掛け204の範囲に対する計算に相当する第1項と、網掛け205の範囲に対する計算に相当する第2項に分けたものである。式(4)の第1項は、式(3)の第1項のnの範囲をn=0〜N-H-1からn=H〜N-1に書き換え、x(n+H)の+Hの部分を調整した。式(4)の第2項は、式(3)の第2項の指数部の定数をΣの前に出した。式(5)は、式(4)の第1項の指数部の定数をΣの前に出した。式(6)は、式(5)の第1項についてn=0〜N-1の範囲の総和の形とし、その総和の余分を第2項で引いている。式(7)は、式(6)の第2項にexp(-j2π/N)kN=exp(-j2πk)=1を書き加えた。式(7)を(8)(9)と変形していき、最終的に式(10)を得ることができる。   The following formula (2) shows a DFT calculation formula applied to the frame 1. Although it is an arithmetic expression similar to Expression (1), it is an operation for frame 1 and is an operation that takes a sum (Σ) from N = 0 to N−1. Therefore, the x (n) portion of Expression (1) is Replaced with x (n + H). Equation (3) divides the calculation of the sum of Equation (2) into a first term corresponding to the calculation for the shaded area 204 in FIG. 2 and a second term corresponding to the calculation for the shaded area 205 in FIG. Is. The first term of equation (4) is rewritten from n = 0 to NH-1 to n = H to N-1 in the first term of equation (3), and + H of x (n + H) The part of was adjusted. In the second term of equation (4), the constant of the exponent part of the second term of equation (3) is given before Σ. Formula (5) puts the constant of the exponent part of the 1st term of formula (4) before Σ. Equation (6) takes the form of the sum in the range of n = 0 to N−1 for the first term of Equation (5), and the excess of the sum is subtracted by the second term. In Expression (7), exp (−j2π / N) kN = exp (−j2πk) = 1 is added to the second term of Expression (6). Equation (7) can be transformed into (8) and (9) to finally obtain Equation (10).

式(10)の第1項は、いま求めようとしているフレーム1の直前のフレーム0のDFT結果X0(k)に位相差を加えたものである。式(10)の第2項に含まれているx(n+N)-x(n)は、フレーム1の波形サンプル値からフレーム0の波形サンプル値を引いた差であるから、式(10)の第2項はフレーム0の分析結果を元にフレーム1の分析結果を求める際の補正項といえる。この補正項は、図2の網掛け203の範囲を削除し網掛け205の範囲を追加することに相当しているといえる。 The first term of the equation (10) is obtained by adding a phase difference to the DFT result X 0 (k) of the frame 0 immediately before the frame 1 to be obtained. Since x (n + N) −x (n) included in the second term of Expression (10) is a difference obtained by subtracting the waveform sample value of Frame 0 from the waveform sample value of Frame 1, Expression (10) The second term of () can be said to be a correction term for obtaining the analysis result of frame 1 based on the analysis result of frame 0. This correction term can be said to correspond to deleting the shaded area 203 and adding the shaded area 205 in FIG.

図4Aの式(11)は、式(10)の第2項の補正項のΣの部分を取り出したものである。式(11)のY(k)を用いて、式(10)は式(12)のように変形できる。式(10)の形から式(11)のY(k)が計算量が多い部分といえるが、式(11)は差分に対するDFT演算であり、まとめて計算することができるので、従来の手法より高速に計算できる。   Equation (11) in FIG. 4A is obtained by extracting the Σ portion of the correction term of the second term of Equation (10). Using Y (k) in equation (11), equation (10) can be transformed into equation (12). Although Y (k) in equation (11) is a portion with a large calculation amount from the form of equation (10), equation (11) is a DFT operation on the difference and can be calculated together, so that the conventional method It can calculate faster.

式(13)は、HQ=N(HはNの約数)と仮定して、式(11)を変形したものである。HはNの約数であるので、式(11)のkを^kQ+iに置き換えている(^kは、図4A中の上部に^(サーカムフレックスあるいはハット記号)が付いているkを示すものとする)。この式(13)は、DFTをQ回実行すれば計算できる。従って、式(13)を利用して計算した場合の計算量は、O[Q*H*log(H)]=O[N*log(H)]である。   Expression (13) is a modification of Expression (11) on the assumption that HQ = N (H is a divisor of N). Since H is a divisor of N, k in equation (11) is replaced with ^ kQ + i (^ k is k with ^ (circumflex or hat symbol) at the top in Fig. 4A. Shall be shown). This equation (13) can be calculated by executing DFT Q times. Therefore, the amount of calculation when the calculation is performed using Expression (13) is O [Q * H * log (H)] = O [N * log (H)].

図4Bは、m-1フレーム目とmフレーム目の表現を示す。式(15)と(16)は、m-1フレーム目とmフレーム目のDFTの演算式である。式(17)は、式(16)を変形したものであり、図3の式(10)に相当する。式(18)は、式(19)のように定義したYm(k)を用いて式(17)を変形したものである。式(20)は、HQ=N(HはNの約数)と仮定した場合の式(13)に相当する式である。m-1フレーム目の分析結果Xm-1(k)を元にmフレーム目を計算する際には式(18)を適用すれば良い。また、HQ=N(HはNの約数)の場合は、式(20)を適用して高速に計算できる。 FIG. 4B shows representations of the (m-1) th frame and the mth frame. Expressions (15) and (16) are DFT arithmetic expressions for the (m-1) th and mth frames. Expression (17) is a modification of Expression (16) and corresponds to Expression (10) in FIG. Expression (18) is a modification of Expression (17) using Y m (k) defined as in Expression (19). Expression (20) is an expression corresponding to Expression (13) when HQ = N (H is a divisor of N). When calculating the m-th frame based on the analysis result X m-1 (k) of the m-1 frame, Equation (18) may be applied. In addition, when HQ = N (H is a divisor of N), it can be calculated at high speed by applying equation (20).

図5Aおよび図5Bは、本実施形態の周波数分析装置における周波数分析処理の流れを示すフローチャートである。この処理プログラムは、図1の信号処理部105で実行される。なお、このフローチャートの処理は、HQ=N(HはNの約数)と仮定した場合の処理である。   FIG. 5A and FIG. 5B are flowcharts showing the flow of frequency analysis processing in the frequency analyzer of the present embodiment. This processing program is executed by the signal processing unit 105 in FIG. Note that the processing in this flowchart is processing assuming that HQ = N (H is a divisor of N).

ステップ501〜504は、最初のフレーム0の演算を行う部分である。ステップ501で、最初のフレーム0のN個(Nはフレーム長)の波形サンプルをバッファに取り込む。mはフレーム番号を格納する変数であり、ここでは初期値m=0に設定される。ステップ502で、バッファ内のN個の波形サンプルに対して、DFTを施し、X0(k)を得る。ステップ503で演算結果X0(k)を出力する。この演算結果はCPU101に出力され、周波数分析結果として利用される。ステップ504で、次のフレームの処理のために、フレーム0の波形サンプルx(n)とDFT結果X0(k)を一時記憶する。 Steps 501 to 504 are parts for performing the calculation of the first frame 0. In step 501, N waveform samples (N is the frame length) of the first frame 0 are taken into the buffer. m is a variable for storing the frame number, and is set to an initial value m = 0 here. In step 502, DFT is performed on the N waveform samples in the buffer to obtain X 0 (k). In step 503, the calculation result X 0 (k) is output. The calculation result is output to the CPU 101 and used as a frequency analysis result. In step 504, the waveform sample x (n) of frame 0 and the DFT result X 0 (k) are temporarily stored for processing of the next frame.

ステップ505から517は、mを1から順に歩進しながら、フレームm-1の分析結果を元にフレームmの分析結果を求めるループ処理である。まずステップ506では、一時記憶しておいた前のフレームm-1のDFT結果の各周波数ビンの値に位相差を加える。この計算は、図4Bの式(18)の第1項の計算である。ステップ507で、今回の処理対象であるフレームmの新しいH個の波形サンプルを取得する。これは図2で言えば網掛け205の範囲の波形サンプルに相当する。次にステップ508で、1つ前のフレームm-1の古いH個の波形サンプル(図2の203に相当)とフレームmの新しいH個の波形サンプル(図2の205に相当)との差をとる。これは図4Bの式(17)のΣの中の差分をとる部分に相当する。   Steps 505 to 517 are loop processing for obtaining the analysis result of the frame m based on the analysis result of the frame m−1 while stepping m from 1 in order. First, in step 506, a phase difference is added to the value of each frequency bin of the DFT result of the previous frame m−1 that has been temporarily stored. This calculation is the calculation of the first term of the equation (18) in FIG. 4B. In step 507, new H waveform samples of the frame m to be processed this time are acquired. In FIG. 2, this corresponds to the waveform sample in the shaded area 205. Next, in step 508, the difference between the old H waveform samples of the previous frame m-1 (corresponding to 203 in FIG. 2) and the new H waveform samples of frame m (corresponding to 205 in FIG. 2). Take. This corresponds to a portion that takes a difference in Σ in equation (17) of FIG. 4B.

次のステップ509〜514は、iを0〜Q-1の範囲で歩進させながら、式(18)の第2項の補正項を求めて第1項に順次加えていくループ処理である。まずステップ510では、ステップ508で求めた差分に位相調整を施す前処理を行う。これは、1つのiの値での式(20)のΣの括弧の中の計算である。ステップ511で、ステップ510の結果である前処理されたH個のサンプルにDFTを施す。これは式(20)の計算である。ステップ512で、ステップ511の結果を調整する。これは式(18)の第2項の計算である。ステップ513で、算出しておいた前のフレームm-1のDFT結果に位相差を加えたもの(すなわちステップ506の結果)に、ステップ512の結果を加える。以上をiを歩進させながら処理し、Q回処理したらループから抜ける。この時点でのステップ513の結果が、フレームmの分析結果Xm(k)である。 The next steps 509 to 514 are loop processing in which the correction term of the second term of the equation (18) is obtained and sequentially added to the first term while i is stepped in the range of 0 to Q-1. First, in step 510, pre-processing for applying phase adjustment to the difference obtained in step 508 is performed. This is the calculation in brackets of Σ in equation (20) with one value of i. At step 511, DFT is applied to the pre-processed H samples that are the result of step 510. This is the calculation of equation (20). In step 512, the result of step 511 is adjusted. This is the calculation of the second term of Equation (18). In step 513, the result of step 512 is added to the result of adding the phase difference to the DFT result of the previous frame m-1 calculated (ie, the result of step 506). The above is processed while i is incremented, and when it is processed Q times, the loop is exited. The result of step 513 at this time is the analysis result X m (k) of frame m.

ステップ515で、分析結果Xm(k)を出力する。ステップ516で、次のフレームの処理のために、今回のフレームの波形サンプルと分析結果を一時記憶する。ステップ517で、最終フレームまで処理したらループから抜けて処理を終了する。 In step 515, the analysis result X m (k) is output. In step 516, the waveform sample and analysis result of the current frame are temporarily stored for processing of the next frame. In step 517, when the process reaches the last frame, the process exits from the loop and ends.

上記実施形態では、ステップ511や式(20)でDFTの計算をすると説明したが、ホップ長Hが2のべき乗であれば高速フーリエ変換(FFT)の手法が適用できる。この場合、Q回のFFTで計算でき、一般にDFTよりFFTのほうが高速に計算できる。そこで、上記実施形態の第1の変形例では、ホップ長Hを2のべき乗とし、ステップ511の計算をFFTとする。これにより、さらに高速な分析を実現することができる。   In the above embodiment, it has been described that the DFT is calculated in Step 511 and Expression (20). However, if the hop length H is a power of 2, a fast Fourier transform (FFT) method can be applied. In this case, calculation can be performed with Q FFTs, and generally FFT can be performed faster than DFT. Therefore, in the first modification of the above embodiment, the hop length H is a power of 2, and the calculation in step 511 is FFT. Thereby, even faster analysis can be realized.

上記実施形態の第2の変形例を説明する。通常、DFTやFFTの計算では、窓関数を適用して分析結果を最適化することができる。ただし、通常の窓関数はDFTやFFT演算を施す対象のフレームのデータ列に対して窓関数を掛けて最適化するものであるが、上記実施形態の手法では今回のフレームの分析結果を前のフレームの分析結果を利用して求めているので、前のフレームに窓関数を掛けてしまうと今回のフレームとの差分を求めるときに窓関数を掛けた前フレームの値を元に戻すことなどを考慮しなければならなくなり計算が煩雑になる。そのため本実施形態では、従前の窓関数の手法をそのまま適用できない。   A second modification of the above embodiment will be described. Usually, in the calculation of DFT or FFT, the analysis result can be optimized by applying a window function. However, the normal window function is to optimize the data sequence of the frame subjected to the DFT or FFT operation by applying the window function. However, in the method of the above embodiment, the analysis result of the current frame is the previous one. Since it is obtained using the analysis result of the frame, if the window function is multiplied by the previous frame, the value of the previous frame multiplied by the window function is restored when obtaining the difference from the current frame. The calculation becomes complicated because it must be taken into consideration. Therefore, in the present embodiment, the conventional window function method cannot be applied as it is.

そこで、時間領域での窓関数の掛け算が周波数領域では畳み込み演算に相当することに鑑み、予め適用する窓関数の周波数応答を求めておき、ステップ515の直前で、求めた結果Xm(k)に対して該窓関数の周波数応答を畳み込む演算を行う。ステップ515では畳み込み演算の結果を分析結果として出力し、ステップ516では畳み込み演算を行う前の計算結果を次のフレームのために一時記憶する。そのようにすることで、窓関数が適用され最適化された周波数分析結果を出力することができる。 In view of the fact that the multiplication of the window function in the time domain corresponds to the convolution operation in the frequency domain, the frequency response of the window function to be applied is obtained in advance, and the obtained result X m (k) immediately before step 515. Is calculated by convolving the frequency response of the window function. In step 515, the result of the convolution operation is output as an analysis result, and in step 516, the calculation result before the convolution operation is temporarily stored for the next frame. By doing so, it is possible to output a frequency analysis result optimized by applying the window function.

なお、適切な窓関数を選ぶことにより、その窓関数の周波数応答の振幅特性はメインローブに集中しサイドローブは無視できるようにできる。従って、各周波数ビンのうちこの辺りの周波数ビンについて際だたせたいという範囲があれば、その範囲を際だたせるような周波数応答を持つ窓関数を選んで適用することで、それが実現できる。   By selecting an appropriate window function, the amplitude characteristic of the frequency response of the window function can be concentrated on the main lobe and the side lobe can be ignored. Accordingly, if there is a range in which the frequency bins of each frequency bin are desired to be prominent, this can be realized by selecting and applying a window function having a frequency response that emphasizes the range.

また、全周波数ビンに対して上記畳み込みをそれぞれ計算しても良いが、ユーザが注目している周波数帯域の周波数ビンについてだけ上記畳み込みを求めるようにしてもよい。例えば、ユーザにとって不要な低すぎる周波数帯や高すぎる周波数帯については上記畳み込み演算を省略することもできる。   Moreover, although the said convolution may be calculated with respect to all the frequency bins, you may make it obtain | require the said convolution only about the frequency bin of the frequency band which the user is paying attention. For example, the convolution calculation can be omitted for a frequency band that is too low or too high that is unnecessary for the user.

さらに、周波数ビン毎に、違う特性を持つ窓関数の周波数応答を畳み込んでもよい。   Further, the frequency response of the window function having different characteristics may be convoluted for each frequency bin.

上記実施形態の第3の変形例を説明する。第3の変形例では、上述のステップ509〜514を図6のステップ601〜604の処理に置き換える。その他の処理は、図5A,5Bと同じである。上記実施形態のステップ509〜514では、H点の差分に対し、1回毎にWH (i/Q)nとのかけ算を実行して、全部でQ回のDFT計算を行っている。これに対し、本変形例では、H点の差分に対し1回のDFT計算を実行して周波数軸上のH点のDFT結果を求め、そのH点のDFT結果を使って補間することによりN点ののDFT結果を求める。 A third modification of the above embodiment will be described. In the third modification, the above-described steps 509 to 514 are replaced with the processing of steps 601 to 604 in FIG. Other processes are the same as those in FIGS. 5A and 5B. In Steps 509 to 514 of the above embodiment, the difference between the H points is multiplied by W H (i / Q) n every time, and the DFT calculation is performed Q times in total. On the other hand, in the present modification, one DFT calculation is performed on the difference between the H points to obtain the DFT result at the H point on the frequency axis, and interpolation is performed using the DFT result at the H point. Find the DFT result of a point.

具体的には、ステップ508でH点の差分を求めた後、ステップ601に進み、求めたH点の差分に対してDFT計算を実行する。次にステップ602で、そのDFT結果をYm(^kQ)とするとともに、それを補間することによりN点からなるYm(^kQ+i)を求める。ステップ603で、求めたYm(^kQ+i)=Ym(k)を調整する。ステップ604で、算出しておいた前のフレームm-1のDFT結果に位相差を加えたものに、上記ステップ603の結果である調整されたYm(k)を加える。以上でフレームmの分析結果Xm(k)が取得でき、ステップ515でそれを出力する。 Specifically, after obtaining the H point difference in step 508, the process proceeds to step 601, and DFT calculation is performed on the obtained H point difference. Next, in step 602, the DFT result is set to Y m (^ kQ), and Y m (^ kQ + i) consisting of N points is obtained by interpolating the result. In step 603, the obtained Y m (^ kQ + i) = Y m (k) is adjusted. In step 604, the adjusted Y m (k), which is the result of step 603, is added to the previously calculated DFT result of the previous frame m−1 plus the phase difference. Thus, the analysis result X m (k) of the frame m can be acquired, and is output in step 515.

上記第3の変形例によれば、厳密な計算でなく、簡単な補間計算によって大雑把なDFT結果を求めることができる。なお、補間は例えば直線補間や4点補間などの従前より知られている補間方法を用いれば良い。   According to the third modified example, a rough DFT result can be obtained by a simple interpolation calculation instead of a strict calculation. For interpolation, a conventionally known interpolation method such as linear interpolation or four-point interpolation may be used.

101…中央処理装置(CPU)、102…メモリ、103…表示器、104…操作子、105…信号処理部(DSP)、106…波形I/O。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Central processing unit (CPU), 102 ... Memory, 103 ... Display, 104 ... Operator, 105 ... Signal processing part (DSP), 106 ... Waveform I / O.

Claims (7)

入力した時系列ディジタルデータに対し所定のホップ長H毎に所定のフレーム長Nの長さのフレームの周波数分析を行う周波数分析装置であって、
既に分析済みのm−1番目のフレームの周波数分析結果に所定の位相差を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第1項を取得する手段と、
m−1番目のフレームのサンプルデータと今回の分析対象であるm番目のフレームの新たなサンプルデータとの差分をとる手段と、
前記差分に対して所定の離散フーリエ変換の処理を施すことにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第2項を取得する手段と、
前記第1項に第2項を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの周波数分析結果を取得する手段と
を備えることを特徴とする周波数分析装置。
A frequency analysis device that performs frequency analysis of a frame having a predetermined frame length N for each predetermined hop length H with respect to input time-series digital data,
Means for obtaining the first term of the analysis result of the mth frame that is the current analysis object by adding a predetermined phase difference to the frequency analysis result of the m−1th frame that has already been analyzed;
means for taking a difference between the sample data of the (m-1) th frame and the new sample data of the mth frame to be analyzed this time;
Means for obtaining a second term of the analysis result of the m-th frame that is the current analysis target by performing a predetermined discrete Fourier transform process on the difference;
Means for obtaining a frequency analysis result of the m-th frame that is the current analysis object by adding the second term to the first term.
入力した時系列ディジタルデータに対し所定のホップ長H毎に所定のフレーム長Nの長さのフレームの周波数分析を行う周波数分析装置であって、
既に分析済みのm−1番目のフレームの周波数分析結果Xm-1(k)に所定の位相差を加える演算
Figure 2016090670
を施すことにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第1項を取得する手段と、
m−1番目のフレームのサンプルデータx(n+mN)と今回の分析対象であるm番目のフレームの新たなサンプルデータx(n+mN-N)との差分を
Figure 2016090670
にて求める手段と、
前記差分に対して離散フーリエ変換の処理を施すことにより
Figure 2016090670
でm番目のフレームの分析結果の第2項を取得する手段と、
前記第1項に第2項を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの周波数分析結果Xm(k)を取得する手段と
を備えることを特徴とする周波数分析装置。
A frequency analysis device that performs frequency analysis of a frame having a predetermined frame length N for each predetermined hop length H with respect to input time-series digital data,
An operation for adding a predetermined phase difference to the frequency analysis result X m-1 (k) of the already analyzed m−1 th frame.
Figure 2016090670
Means for obtaining the first term of the analysis result of the m-th frame that is the object of analysis this time,
The difference between the sample data x (n + mN) of the (m-1) th frame and the new sample data x (n + mN-N) of the mth frame to be analyzed this time
Figure 2016090670
Means to find in
By applying discrete Fourier transform to the difference
Figure 2016090670
And means for obtaining the second term of the analysis result of the mth frame,
Means for acquiring a frequency analysis result X m (k) of the m-th frame that is the current analysis target by adding the second term to the first term.
請求項1または2に記載の周波数分析装置において、
前記ホップ長Hが2のべき乗であり、
前記差分に対する離散フーリエ変換の処理が高速フーリエ変換の処理である
ことを特徴とする周波数分析装置。
The frequency analyzer according to claim 1 or 2,
The hop length H is a power of 2,
The frequency analysis apparatus, wherein the discrete Fourier transform process for the difference is a fast Fourier transform process.
請求項1から3の何れか1つに記載の周波数分析装置において、
ホップ長Hとフレーム長Nとを、HQ=N(HはNの約数)を満たすように設定し、前記差分に対する離散フーリエ変換の処理をQ回の離散フーリエ変換のループ処理で実行する
ことを特徴とする周波数分析装置。
In the frequency analyzer as described in any one of Claim 1 to 3,
The hop length H and the frame length N are set so as to satisfy HQ = N (H is a divisor of N), and the discrete Fourier transform process for the difference is executed by Q discrete loop transform processes. The frequency analyzer characterized by this.
請求項1から3の何れか1つに記載の周波数分析装置において、
ホップ長Hとフレーム長Nとを、HQ=N(HはNの約数)を満たすように設定し、前記差分に対する離散フーリエ変換の処理は、H点の差分に対する離散フーリエ変換の処理を実行し、得られたH点の離散フーリエ変換の結果を用いて補間演算によりN点の離散フーリエ変換の結果を取得するものである
ことを特徴とする周波数分析装置。
In the frequency analyzer as described in any one of Claim 1 to 3,
The hop length H and the frame length N are set so as to satisfy HQ = N (H is a divisor of N), and the process of the discrete Fourier transform for the difference executes the process of the discrete Fourier transform for the difference of the H points. A frequency analyzer that obtains the result of N-point discrete Fourier transform by interpolation using the obtained result of H-point discrete Fourier transform.
請求項1から5の何れか1つに記載の周波数分析装置において、
前記求めたm番目のフレームの周波数分析結果に、所定の窓関数の周波数応答を畳み込む演算を行うことにより最適化された周波数分析結果を求める
ことを特徴とする周波数分析装置。
In the frequency analyzer as described in any one of Claim 1 to 5,
An optimized frequency analysis result is obtained by performing an operation of convolving a frequency response of a predetermined window function on the obtained frequency analysis result of the m-th frame.
入力した時系列ディジタルデータに対し所定のホップ長H毎に所定のフレーム長Nの長さのフレームの周波数分析を行う周波数分析装置を実現する周波数分析プログラムであって、
処理装置で実行させることにより、
既に分析済みのm−1番目のフレームの周波数分析結果に所定の位相差を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第1項を取得する手段と、
m−1番目のフレームのサンプルデータと今回の分析対象であるm番目のフレームの新たなサンプルデータとの差分をとる手段と、
前記差分に対して所定の離散フーリエ変換の処理を施すことにより今回の分析対象であるm番目のフレームの分析結果の第2項を取得する手段と、
前記第1項に第2項を加えることにより今回の分析対象であるm番目のフレームの周波数分析結果を取得する手段と
を備える周波数分析装置として機能させる周波数分析プログラム。
A frequency analysis program for realizing a frequency analysis device for performing frequency analysis of a frame having a predetermined frame length N for each predetermined hop length H with respect to input time-series digital data,
By running it on the processing device,
Means for obtaining the first term of the analysis result of the mth frame that is the current analysis object by adding a predetermined phase difference to the frequency analysis result of the m−1th frame that has already been analyzed;
means for taking a difference between the sample data of the (m-1) th frame and the new sample data of the mth frame to be analyzed this time;
Means for obtaining a second term of the analysis result of the m-th frame that is the current analysis target by performing a predetermined discrete Fourier transform process on the difference;
A frequency analysis program that functions as a frequency analysis device comprising: adding a second term to the first term to obtain a frequency analysis result of an m-th frame that is a current analysis target.
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