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JP2018097430A - Time series signal feature estimating apparatus and program - Google Patents

Time series signal feature estimating apparatus and program Download PDF

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JP2018097430A
JP2018097430A JP2016238806A JP2016238806A JP2018097430A JP 2018097430 A JP2018097430 A JP 2018097430A JP 2016238806 A JP2016238806 A JP 2016238806A JP 2016238806 A JP2016238806 A JP 2016238806A JP 2018097430 A JP2018097430 A JP 2018097430A
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angular frequency
amplitude
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末廣 島内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a time series signal feature estimation technique capable of calculating a time series signal feature in a feature analysis of a time series signal based on a short-time Fourier transform in a form with less uncertainty.SOLUTION: A time series signal feature estimating apparatus comprises: a logarithmic amplitude time difference calculation part 110 for calculating a logarithmic amplitude time difference ΔlogA/Δtthat is a time difference in logarithmic amplitudes logAat discrete times tfor discrete angular frequencies ωfrom amplitudes Aat the discrete times tand the discrete angular frequencies ω; and a time series signal feature calculating part 120 for calculating, as a time series signal feature, a group delay characteristic GDat the discrete times tand the discrete angular frequencies ωusing a predetermined equation from the logarithmic amplitude time difference ΔlogA/Δt.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、時系列信号特徴推定技術に関し、特に短時間フーリエ変換に基づく時系列信号の特徴を推定する技術に関する。   The present invention relates to a time series signal feature estimation technique, and more particularly to a technique for estimating a feature of a time series signal based on a short-time Fourier transform.

音声信号や音響信号などの時系列信号を分析する手法の1つとして、短時間フーリエ変換がある(非特許文献1参照)。分析対象となる時系列信号は、短時間フーリエ変換された結果、時間と角周波数(時間と周波数)のインデックスを持つ2次元の複素数信号に変換される。   One technique for analyzing time-series signals such as audio signals and acoustic signals is short-time Fourier transform (see Non-Patent Document 1). The time series signal to be analyzed is converted into a two-dimensional complex signal having indexes of time and angular frequency (time and frequency) as a result of short-time Fourier transform.

この複素数信号の実数部と虚数部をそのまま分析に用いる代わりに、振幅成分と位相成分に変換し、これらの両方の成分の特徴またはいずれか一方の成分のみの特徴に注目して、分析を行うことがある。また、位相成分の角周波数についての微分の正負を反転させた値である群遅延特性や、位相成分の時間についての微分の値である瞬時角周波数(瞬時角周波数を2πで除した値である瞬時周波数)に基づき、分析を行うこともある。   Instead of using the real and imaginary parts of this complex signal as they are for analysis, convert them into amplitude components and phase components, and pay attention to the characteristics of both components or only one of them. Sometimes. In addition, the group delay characteristic which is a value obtained by reversing the positive / negative of the differential with respect to the angular frequency of the phase component, and the instantaneous angular frequency which is the differential value with respect to time of the phase component (the value obtained by dividing the instantaneous angular frequency by 2π Analysis may be performed based on the instantaneous frequency.

M. Parchami, W. P. Zhu, B. Champagne, E. Plourde, “Recent Developments in Speech Enhancement in the Short-Time Fourier Transform Domain”, IEEE Circuits and Systems Magazine, Vol.16, No.3, pp.45-77, 2016.M. Parchami, WP Zhu, B. Champagne, E. Plourde, “Recent Developments in Speech Enhancement in the Short-Time Fourier Transform Domain”, IEEE Circuits and Systems Magazine, Vol.16, No.3, pp.45-77 , 2016.

2つの成分のうち、振幅成分は、得られる特徴の物理的な解釈のしやすさや数値的な計算の簡潔さから、採用されることが多い。   Of the two components, the amplitude component is often employed because of the ease of physical interpretation of the obtained features and the simplicity of numerical calculations.

一方、位相成分や、その角周波数微分や時間微分から得られる群遅延特性や瞬時角周波数(瞬時周波数)についても、有益な特徴が得られることが期待されるものの、複素数信号から直接的に計算される位相成分は、その値が-πからπの間にラップされた状態となるために、時間軸方向にも周波数軸方向にも不連続点を有する2次元の系列となってしまう。このため、群遅延特性や瞬時角周波数の値を算出するためには、位相成分の不連続を解消しアンラップされた位相成分の特性を知る必要があるが、一般に位相成分の特性のアンラップ処理は一意な解を持たず不確定な問題となる。   On the other hand, the phase component, group delay characteristics and instantaneous angular frequency (instantaneous frequency) obtained from angular frequency differentiation and time differentiation are expected to provide useful characteristics, but are calculated directly from complex signals. Since the phase component is in a state where the value is wrapped between −π and π, it becomes a two-dimensional sequence having discontinuities in both the time axis direction and the frequency axis direction. For this reason, in order to calculate the group delay characteristics and instantaneous angular frequency values, it is necessary to know the characteristics of the unwrapped phase components by eliminating the discontinuity of the phase components. It does not have a unique solution and becomes an uncertain problem.

そこで本発明は、短時間フーリエ変換に基づく時系列信号の特徴分析において、不確定性が少ない形で、時系列信号特徴を算出することができる時系列信号特徴推定技術を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a time-series signal feature estimation technique capable of calculating a time-series signal feature with less uncertainty in a time-series signal feature analysis based on a short-time Fourier transform. To do.

本発明の一態様は、窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を One aspect of the present invention is that a discrete time t n of a discrete short-time Fourier transform of a time-series signal analyzed using a Gauss window with a standard deviation σ (σ is a positive real number) as a window function, a discrete angular frequency ω k ( n is an integer representing a discrete time index, k is an integer representing a discrete angular frequency index)

Figure 2018097430
Figure 2018097430

Figure 2018097430
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(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、前記振幅An,k(n1,n2はn2-n1≧1を満たす整数、n=n1, n1+1,…, n2、kは整数)から、離散角周波数ωkについて離散時間tnにおける対数振幅logAn,kの時間差分である対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを算出する対数振幅時間差分算出部と、前記対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnから、次式を用いて離散時間tn、離散角周波数ωkにおける群遅延特性GDn,kを時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と (Where f s is the sampling frequency, N is the discrete Fourier transform score), the amplitude at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is A n, k , and the amplitude A n, k (n 1 , n 2 is an integer satisfying n 2 −n 1 ≧ 1, n = n 1 , n 1 +1,..., n 2 , k is an integer), and the logarithmic amplitude logA n at the discrete time t n with respect to the discrete angular frequency ω k , logarithmic magnitude time differential delta t logA n is the time difference k, and the logarithmic amplitude time difference calculating section for calculating the k / delta] t n, the logarithmic amplitude time difference delta t logA n, from k / delta] t n, the following equation A time series signal feature calculation unit for calculating the group delay characteristic GD n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k as a time series signal feature using

Figure 2018097430
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(ただし、Tは窓関数の有効幅であり、T=N/fs)を含む。 (Where T is the effective width of the window function, T = N / f s ).

本発明の一態様は、窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を One aspect of the present invention is that a discrete time t n of a discrete short-time Fourier transform of a time-series signal analyzed using a Gauss window with a standard deviation σ (σ is a positive real number) as a window function, a discrete angular frequency ω k ( n is an integer representing a discrete time index, k is an integer representing a discrete angular frequency index)

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、前記振幅An,k(nは整数、k1,k2はk2-k1≧1を満たす整数、k=k1, k1+1,…, k2)から、離散時間tnについて離散角周波数ωkにおける対数振幅logAn,kの角周波数差分である対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを算出する対数振幅角周波数差分算出部と、前記対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkから、次式を用いて離散時間tn、離散角周波数ωkにおける瞬時周波数IFn,kを時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と (Where f s is the sampling frequency, N is the discrete Fourier transform score), the amplitude at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is A n, k , and the amplitude A n, k (n is an integer) , k 1, k 2 is an integer satisfying k 2 -k 1 ≧ 1, k = k 1, k 1 + 1, ..., a k 2), the logarithmic amplitude logA n in a discrete angular frequency omega k for discrete time t n , logarithmic magnitude angular frequency difference is the angular frequency difference between the k Δ ω logA n, and the logarithmic amplitude angular frequency difference calculation unit for calculating the k / [delta] [omega k, the logarithmic amplitude angular frequency difference delta omega logA n, from k / [delta] [omega k A time series signal feature calculation unit for calculating the instantaneous frequency IF n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k as a time series signal feature using the following equation:

Figure 2018097430
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を含む。 including.

本発明の一態様は、窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を One aspect of the present invention is that a discrete time t n of a discrete short-time Fourier transform of a time-series signal analyzed using a Gauss window with a standard deviation σ (σ is a positive real number) as a window function, a discrete angular frequency ω k ( n is an integer representing a discrete time index, k is an integer representing a discrete angular frequency index)

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(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、前記振幅An,k(n1,n2はn2-n1≧1を満たす整数、n=n1, n1+1,…, n2、k=0, 1,…, N-1)から、k=0,1,…, N-2の各kについて離散角周波数ωkからωk+1にかけての群遅延特性の符号反転値の積分値である群遅延特性積分値Σ(-GD)n,kを算出する群遅延特性積分値算出部と、k0を0以上N-1以下のある整数、位相の初期値をφn,k_0とし、前記群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k(k=k0, k0+1,…, N-2)から、次式を用いて、k=k0+1から昇順に位相φn,k(k=k0+1,…, N-1)を時系列信号特徴として算出し、 (Where f s is the sampling frequency, N is the discrete Fourier transform score), the amplitude at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is A n, k , and the amplitude A n, k (n 1 , n 2 is an integer satisfying n 2 −n 1 ≧ 1, n = n 1 , n 1 +1,..., n 2 , k = 0, 1,. , N-2 group delay for calculating the group delay characteristic integral value Σ (-GD) n, k , which is the integral value of the sign inversion value of the group delay characteristic from discrete angular frequency ω k to ω k + 1 A characteristic integral value calculation unit, and k 0 is an integer between 0 and N−1, the initial phase value is φ n, k_0 , and the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k (k = k 0 , k 0 +1, ..., N-2), the phase φ n, k (k = k 0 +1, ..., N-1) in ascending order from k = k 0 +1 Calculated as a sequence signal feature,

Figure 2018097430
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前記群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k(k=0, 1,…,k0-1)から、次式を用いて、k=k0-1から降順に位相φn,k(k=0, 1,…,k0-1)を時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と From the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k (k = 0, 1,..., K 0 −1), using the following equation, the phase φ n, k in descending order from k = k 0 −1 a time series signal feature calculating unit for calculating (k = 0, 1,..., k 0 -1) as a time series signal feature;

Figure 2018097430
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を含む。 including.

本発明の一態様は、窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を One aspect of the present invention is that a discrete time t n of a discrete short-time Fourier transform of a time-series signal analyzed using a Gauss window with a standard deviation σ (σ is a positive real number) as a window function, a discrete angular frequency ω k ( n is an integer representing a discrete time index, k is an integer representing a discrete angular frequency index)

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、前記振幅An,k(n0を整数、mを正の整数、n=n0, n0+1,…, n0+m、k1,k2はk2-k1≧1を満たす整数、k=k1, k1+1,…, k2)から、n=n0, n0+1,…, n0+m-1の各nについて離散時間tnからtn+1にかけての瞬時周波数の2π倍の積分値である瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n,kを算出する瞬時周波数算出部と、位相の初期値をφn_0,kとし、前記瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n,k(n=n0, n0+1,…, n0+m-1)から、次式を用いて、n=n0+1から昇順に位相φn,k(n=n0+1,…, n0+m)を時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と (Where f s is the sampling frequency, N is the discrete Fourier transform score), the amplitude at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is A n, k , and the amplitude A n, k (n 0 is Integer, m is a positive integer, n = n 0 , n 0 +1, ..., n 0 + m, k 1 , k 2 are integers satisfying k 2 -k 1 ≧ 1, k = k 1 , k 1 + 1, ..., k 2 ) to n = n 0 , n 0 +1, ..., n 0 + m-1 for each n, the integral value of 2π times the instantaneous frequency from discrete time t n to t n + 1 Instantaneous frequency integrated value Σ (2πIF) n, k , and an initial phase value φ n_0, k , and the instantaneous frequency integrated value Σ (2πIF) n, k (n = n 0 , n 0 +1, ..., n 0 + m-1), using the following formula, the phase φ n, k (n = n 0 +1, ..., n 0 + in ascending order from n = n 0 +1) m) a time series signal feature calculation unit for calculating time series signal features;

Figure 2018097430
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を含む。 including.

本発明によれば、時系列信号の短時間フーリエ変換の振幅成分に基づき、位相成分、群遅延特性、瞬時周波数を算出することにより、これらの値を不確定性の少ない形で算出することが可能となる。   According to the present invention, by calculating the phase component, group delay characteristic, and instantaneous frequency based on the amplitude component of the short-time Fourier transform of the time series signal, it is possible to calculate these values with less uncertainty. It becomes possible.

時系列信号特徴推定装置100の構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the time series signal feature estimation apparatus. 時系列信号特徴推定装置100の動作の一例を示す図。The figure which shows an example of operation | movement of the time series signal feature estimation apparatus. 時系列信号特徴推定装置200の構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the time series signal feature estimation apparatus. 時系列信号特徴推定装置200の動作の一例を示す図。The figure which shows an example of operation | movement of the time series signal feature estimation apparatus. 時系列信号特徴推定装置300の構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the time series signal feature estimation apparatus 300. FIG. 時系列信号特徴推定装置300の動作の一例を示す図。The figure which shows an example of operation | movement of the time series signal feature estimation apparatus 300. 時系列信号特徴推定装置400の構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the time series signal feature estimation apparatus 400. 時系列信号特徴推定装置400の動作の一例を示す図。The figure which shows an example of operation | movement of the time series signal feature estimation apparatus 400. 離散角周波数インデックスk=0における真の位相と群遅延特性の推定値を示す図。The figure which shows the estimated value of the true phase and group delay characteristic in the discrete angular frequency index k = 0.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, the same number is attached | subjected to the structure part which has the same function, and duplication description is abbreviate | omitted.

<表記方法>
_(アンダースコア)は下付き添字を表す。例えば、xy_zはyzがxに対する上付き添字であり、xy_zはyzがxに対する下付き添字であることを表す。
<Notation>
_ (Underscore) represents a subscript. For example, xy_z represents that yz is a superscript to x, and xy_z represents that yz is a subscript to x.

<短時間フーリエ変換に基づく時系列信号の特徴推定の原理>
まず、短時間フーリエ変換に基づく時系列信号の特徴推定の原理となる群遅延特性、瞬時角周波数、位相が満たす方程式について説明する。これらの方程式を用いることにより、時系列信号の短時間フーリエ変換により得られる2次元の複素数信号の位相成分を、複素数信号の値そのものから直接計算する代わりに、複素数信号の振幅成分から推定することが可能となる。また、群遅延特性、瞬時角周波数も振幅成分から推定することが可能となる。
<Principle of time series signal feature estimation based on short-time Fourier transform>
First, an explanation will be given of the group delay characteristics, the instantaneous angular frequency, and the equation satisfied by the phase, which are the principle of time series signal feature estimation based on the short-time Fourier transform. By using these equations, the phase component of a two-dimensional complex signal obtained by short-time Fourier transform of a time-series signal can be estimated from the amplitude component of the complex signal instead of directly calculating from the complex signal value itself. Is possible. Further, the group delay characteristic and the instantaneous angular frequency can be estimated from the amplitude component.

[群遅延特性、瞬時角周波数、位相が満たす方程式]
まず、時系列信号である連続時間信号x(τ)について、式(1)で与えられる時間tと角周波数ωにおける短時間フーリエ変換Xt,ωを考える。
[Equation satisfied by group delay characteristics, instantaneous angular frequency, and phase]
First, for a continuous time signal x (τ) that is a time series signal, a short-time Fourier transform X t, ω at the time t and the angular frequency ω given by Equation (1) is considered.

Figure 2018097430
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ただし、w(t)はt=0において最大値を取る窓関数、Tは窓関数の有効幅とする。なお、jは虚数単位である。 However, w (t) is the window function that takes the maximum value at t = 0, and T is the effective width of the window function. J is an imaginary unit.

このとき、短時間フーリエ変換Xt,ωを時間tで偏微分すると式(2)が得られる。 At this time, when the short-time Fourier transform X t, ω is partially differentiated with respect to time t, equation (2) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

同様に、短時間フーリエ変換Xt,ωを角周波数ωで偏微分すると式(3)が得られる。 Similarly, Equation (3) is obtained by partial differentiation of the short-time Fourier transform X t, ω with the angular frequency ω.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ここで、窓関数として式(4)で与えられるガウス窓を選択する。   Here, a Gaussian window given by Equation (4) is selected as the window function.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ただし、ガウス窓の標準偏差σは0より大きい実数(正の実数)とする。 However, the standard deviation σ of the Gaussian window is a real number (positive real number) greater than 0.

このとき、窓関数w(τ-t)を時間tで偏微分すると式(5)が得られる。   At this time, if the window function w (τ-t) is partially differentiated with respect to time t, the following equation (5) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

このとき、式(4)を式(3)に、式(5)を式(2)に適用し、共通項を消去すると、式(6)が得られる。   At this time, when Equation (4) is applied to Equation (3), Equation (5) is applied to Equation (2), and the common term is eliminated, Equation (6) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

短時間フーリエ変換Xt,ωの振幅をAt,ω、位相をφt,ωとすると、式(7)が成り立つ。また、式(7)の対数をとると、式(8)が得られる。 If the amplitude of the short-time Fourier transform X t, ω is At , ω and the phase is φ t, ω , Equation (7) is established. Further, when the logarithm of equation (7) is taken, equation (8) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ここで、logXt,ωを時間tで偏微分すると式(9)が得られる。 Here, when logX t, ω is partially differentiated with respect to time t, equation (9) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

したがって、式(8)、式(9)より、式(10)が成立する。   Therefore, Expression (10) is established from Expression (8) and Expression (9).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

同様に、logXt,ωを角周波数ωで偏微分すると式(11)が得られる。 Similarly, when logX t, ω is partially differentiated with respect to the angular frequency ω, Expression (11) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

したがって、式(8)、式(11)より、式(12)が成立する。   Therefore, Expression (12) is established from Expression (8) and Expression (11).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

式(10)と式(12)を式(6)に代入すると、式(13)が得られる。   Substituting Equation (10) and Equation (12) into Equation (6) yields Equation (13).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ここで、式(13)の左辺の実数部と虚数部は独立して0となることから、式(14)と式(15)が得られる。   Here, since the real part and the imaginary part on the left side of Expression (13) are independently 0, Expression (14) and Expression (15) are obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

Figure 2018097430
Figure 2018097430

式(14)の左辺は群遅延特性の定義そのものであり、式(14)の右辺から群遅延特性が位相を用いることなく振幅情報である対数振幅のみから計算できることが分かる。また、式(15)の左辺は瞬時角周波数の定義そのものであり、式(15)の右辺から瞬時角周波数も位相を用いることなく対数振幅のみから計算できることが分かる。瞬時周波数は瞬時角周波数を2πで除することで求められることから、瞬時周波数も対数振幅のみから計算できることが分かる。   The left side of Expression (14) is the definition of the group delay characteristic itself, and it can be seen from the right side of Expression (14) that the group delay characteristic can be calculated only from the logarithmic amplitude that is amplitude information without using the phase. Also, the left side of equation (15) is the definition of instantaneous angular frequency itself, and it can be seen from the right side of equation (15) that the instantaneous angular frequency can also be calculated from only the logarithmic amplitude without using the phase. Since the instantaneous frequency is obtained by dividing the instantaneous angular frequency by 2π, it can be seen that the instantaneous frequency can be calculated from only the logarithmic amplitude.

さらに、式(14)を角周波数について積分すると式(16)が得られる。   Further, when equation (14) is integrated with respect to the angular frequency, equation (16) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ただし、C1は積分定数である。 However, C 1 is a constant of integration.

同様に、式(15)を時間について積分すると、式(17)が得られる。   Similarly, when equation (15) is integrated over time, equation (17) is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ただし、C2は積分定数である。 However, C 2 is a constant of integration.

なお、積分定数C1、C2は別途決定する必要がある。 The integration constants C 1 and C 2 need to be determined separately.

式(16)、式(17)の左辺は位相φt,ωであり、位相φt,ωもまた対数振幅のみから計算できることが分かる。 It can be seen that the left side of the equations (16) and (17) is the phase φ t, ω , and the phase φ t, ω can also be calculated only from the logarithmic amplitude.

以上より、短時間フーリエ変換の窓関数としてガウス窓を選択することで、群遅延特性は式(14)を、瞬時角周波数(瞬時周波数)は式(15)を、位相は式(16)または式(17)を用いてそれぞれ対数振幅から計算できることが分かる。   From the above, by selecting a Gaussian window as the window function of the short-time Fourier transform, the group delay characteristic is expressed by equation (14), the instantaneous angular frequency (instantaneous frequency) is expressed by equation (15), and the phase is expressed by equation (16) or It can be seen that each can be calculated from the logarithmic amplitude using equation (17).

群遅延特性や瞬時角周波数(瞬時周波数)は、ラップされた位相成分の代わりに振幅成分を用いて計算することで、不確定性の問題の影響を受けにくくなる。また、位相そのものの計算についても、複素数信号から直接計算する場合にはラップされた状態でしか得られないが、式(16)または式(17)を用いることで、物理的特徴の理解しやすいアンラップされた状態で計算することができる。   The group delay characteristic and the instantaneous angular frequency (instantaneous frequency) are calculated by using the amplitude component instead of the wrapped phase component, thereby making it less susceptible to the uncertainty problem. In addition, the calculation of the phase itself can be obtained only in a wrapped state when calculating directly from a complex signal, but it is easy to understand physical characteristics by using Equation (16) or Equation (17). It can be calculated in an unwrapped state.

以上の短時間フーリエ変換に基づく時系列信号の特徴推定の原理となる群遅延特性、瞬時角周波数、位相が満たす方程式は、連続時間信号についての短時間フーリエ変換について説明したものである。しかし、実際にコンピュータで計算する場合には、離散化されたデジタル信号についての短時間フーリエ変換の結果を利用する必要がある。   The above-described equations satisfying the group delay characteristics, instantaneous angular frequency, and phase, which are the principle of feature estimation of the time series signal based on the short-time Fourier transform, describe the short-time Fourier transform for the continuous-time signal. However, when actually calculating with a computer, it is necessary to use the result of the short-time Fourier transform of the digitized digital signal.

そこで、以下では、連続値を取る時間tと角周波数ωをそれぞれ離散化し、群遅延特性、瞬時周波数、位相を推定するための近似式について説明する。   Therefore, in the following, an approximate expression for discretizing the time t and the angular frequency ω that take continuous values and estimating the group delay characteristic, instantaneous frequency, and phase will be described.

[群遅延特性、瞬時周波数、位相を推定するための近似式]
時系列信号である連続時間信号x(τ)の、標準偏差がσ(σは正の実数)であるガウス窓を窓関数とする短時間フーリエ変換Xt,ωに対して、離散フーリエ変換を適用して得られる離散短時間フーリエ変換Xn,k(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)、つまり、窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換Xn,kを考える。
[Approximation formula for estimating group delay characteristics, instantaneous frequency, and phase]
The discrete Fourier transform is applied to the short-time Fourier transform X t, ω using a Gaussian window whose standard deviation is σ (σ is a positive real number) of the continuous-time signal x (τ) that is a time series signal. Discrete short-time Fourier transform X n, k obtained by application (n is an integer representing a discrete time index, k is an integer representing a discrete angular frequency index), that is, standard deviation σ (σ is a positive real number) as a window function Consider a discrete short-time Fourier transform X n, k of a time-series signal analyzed using a Gaussian window.

これにより、時間tを離散化した離散時間tn、角周波数ωを離散化した離散角周波数ωkは、それぞれ式(18)、式(19)で表される。 As a result, the discrete time t n obtained by discretizing the time t and the discrete angular frequency ω k obtained by discretizing the angular frequency ω are expressed by Expression (18) and Expression (19), respectively.

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換(DFT; Discrete Fourier Transform)の点数である。 Here, f s is a sampling frequency, and N is a discrete Fourier transform (DFT) score.

また、このとき、窓関数の有効幅Tは、式(20)で表される。   At this time, the effective width T of the window function is expressed by Expression (20).

Figure 2018097430
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離散化されたデジタル信号x(τi)について、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける離散短時間フーリエ変換Xn,kは、式(21)で表される。 With respect to the discretized digital signal x (τ i ), the discrete short-time Fourier transform X n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is expressed by Expression (21).

Figure 2018097430
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式(21)は、式(1)に対応するものである。   Equation (21) corresponds to Equation (1).

(群遅延特性を推定するための近似式)
式(14)を離散化することにより、群遅延特性を推定するための近似式を求める。
(Approximate formula for estimating group delay characteristics)
By discretizing Equation (14), an approximate equation for estimating the group delay characteristic is obtained.

離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとする。また、離散角周波数ωkについて離散時間tnにおける対数振幅logAn,kの時間差分である対数振幅時間差分をΔtlogAn,k/Δtnとする。 Let A n, k be the amplitude at discrete time t n and discrete angular frequency ω k . In addition, a logarithmic amplitude time difference that is a time difference of the logarithmic amplitude logA n, k at the discrete time t n with respect to the discrete angular frequency ω k is denoted by Δ t logA n, k / Δt n .

離散角周波数ωkについて離散時間tnにおける対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnとして中心差分近似を用いると、式(22)を得る。 When the central difference approximation is used as the logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n at the discrete time t n for the discrete angular frequency ω k , Equation (22) is obtained.

Figure 2018097430
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ただし、δ1、δ2は数値安定化のために導入した非零の数とする。 However, δ 1 and δ 2 are non-zero numbers introduced for numerical stabilization.

式(14)と式(22)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける群遅延特性GDn,kを推定するための近似式である式(23)を得る。 From Expression (14) and Expression (22), Expression (23), which is an approximate expression for estimating the group delay characteristic GD n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k , is obtained.

Figure 2018097430
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また、式(24)の関係から、中心差分近似を用いた対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnとして式(22)の代わりに式(25)を得る。 Further, from the relationship of Equation (24), Equation (25) is obtained instead of Equation (22) as the logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n using center difference approximation.

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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ただし、δ3は数値安定化のために導入した非零の数とする。なお、ΔtAn,k/Δtnは離散角周波数ωkについて離散時間tnにおける振幅An,kの時間差分である振幅時間差分である。 However, δ 3 is a non-zero number introduced for numerical stabilization. Note that Δ t A n, k / Δt n is an amplitude time difference is a time difference between the amplitudes A n, k at discrete time t n for discrete angular frequency omega k.

式(14)と式(25)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける群遅延特性GDn,kを推定するための近似式である式(26)を得る。 From Expression (14) and Expression (25), Expression (26) which is an approximate expression for estimating the group delay characteristic GD n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is obtained.

Figure 2018097430
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なお、ここでは、中心差分近似を用いて対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを算出したが、中心差分近似の代わりに、前進差分近似や後進差分近似を用いてもよい。例えば、式(22)に対応する前進差分近似、後進差分近似はそれぞれ式(22a)、式(22b)のようになる。 Here, the logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n is calculated using center difference approximation, but forward difference approximation or backward difference approximation may be used instead of the center difference approximation. For example, forward difference approximation and backward difference approximation corresponding to Equation (22) are as shown in Equation (22a) and Equation (22b), respectively.

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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同様に、式(25)に対応する前進差分近似、後進差分近似はそれぞれ式(25a)、式(25b)のようになる。   Similarly, forward difference approximation and backward difference approximation corresponding to Equation (25) are as shown in Equation (25a) and Equation (25b), respectively.

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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ここで、ガウス窓の標準偏差σについて、σのα倍(ただし、αは1以上の整数とする)が窓関数の有効幅の1/2に相当すると仮定すると、ガウス窓の標準偏差σは式(27)を満たす。   Here, with respect to the standard deviation σ of the Gaussian window, assuming that α times σ (where α is an integer of 1 or more) corresponds to half the effective width of the window function, the standard deviation σ of the Gaussian window is Equation (27) is satisfied.

Figure 2018097430
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例えば、α=4とすると、このαに対応した標準偏差σは、式(28)で求めることができる。   For example, when α = 4, the standard deviation σ corresponding to α can be obtained by Expression (28).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

上記仮定を導入すると、選択したσの妥当性を直観的に解釈しやすくなるというメリットがある。   When the above assumption is introduced, there is an advantage that it is easy to intuitively interpret the validity of the selected σ.

(瞬時周波数を推定するための近似式)
式(15)を離散化し2πで除することにより、瞬時周波数を推定するための近似式を求める。
(Approximate expression for estimating instantaneous frequency)
The approximate expression for estimating the instantaneous frequency is obtained by discretizing the expression (15) and dividing by 2π.

離散時間tnについて離散角周波数ωkにおける対数振幅logAn,kの角周波数差分である対数振幅角周波数差分をΔωlogAn,k/Δωkとする。 The logarithmic amplitude angular frequency difference that is the angular frequency difference of the logarithmic amplitude logA n, k at the discrete angular frequency ω k with respect to the discrete time t n is denoted by Δ ω logA n, k / Δω k .

離散時間tnについて離散角周波数ωkにおける対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkとして中心差分近似を用いると、式(29)を得る。 Log magnitude angular frequency difference delta omega logA n in a discrete angular frequency omega k for discrete time t n, the use of central difference approximation as k / Δω k, obtain equation (29).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ただし、δ4、δ5は数値安定化のために導入した非零の数とする。 However, δ 4 and δ 5 are non-zero numbers introduced for numerical stabilization.

式(15)と式(29)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける瞬時周波数IFn,kを推定するための近似式である式(30)を得る。 From Expression (15) and Expression (29), Expression (30), which is an approximate expression for estimating the instantaneous frequency IF n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k , is obtained.

Figure 2018097430
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また、式(31)の関係から、中心差分近似を用いた対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkとして式(29)の代わりに式(32)を得る。 Further, from the relationship of Equation (31), Equation (32) is obtained instead of Equation (29) as the logarithmic amplitude angular frequency difference Δ ω logA n, k / Δω k using center difference approximation.

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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ただし、δ6は数値安定化のために導入した非零の数とする。なお、ΔωAn,k/Δωkは離散時間tnについて離散角周波数ωkにおける振幅An,kの角周波数差分である振幅角周波数差分である。 However, δ 6 is a non-zero number introduced for numerical stabilization. Note that Δ ω A n, k / Δω k is the amplitude angular frequency difference is the angular frequency difference between the amplitudes A n, k at discrete angular frequency omega k for discrete time t n.

式(15)と式(32)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける瞬時周波数IFn,kを推定するための近似式である式(33)を得る。 From Expression (15) and Expression (32), Expression (33) which is an approximate expression for estimating the instantaneous frequency IF n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is obtained.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

なお、ここでは、中心差分近似を用いて対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを算出したが、中心差分近似の代わりに、前進差分近似や後進差分近似を用いてもよい。例えば、式(29)に対応する前進差分近似、後進差分近似はそれぞれ式(29a)、式(29b)のようになる。 Here, the logarithmic amplitude angular frequency difference delta omega logA n using central difference approximation has been calculated k / [Delta] [omega k, instead of the central difference approximation, it may be used forward difference approximation or backward difference approximation. For example, forward difference approximation and backward difference approximation corresponding to Equation (29) are as shown in Equation (29a) and Equation (29b), respectively.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

Figure 2018097430
Figure 2018097430

同様に、式(32)に対応する前進差分近似、後進差分近似はそれぞれ式(32a)、式(32b)のようになる。   Similarly, forward difference approximation and backward difference approximation corresponding to Equation (32) are as shown in Equation (32a) and Equation (32b), respectively.

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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(位相を推定するための近似式)
位相を推定するための近似式を求めるため、以下では、式(23)、式(26)、式(30)、式(33)について台形近似により積分計算をし、再帰式の形式にて求める。
(Approximation formula for estimating phase)
In order to obtain an approximate expression for estimating the phase, in the following, integral calculation is performed by trapezoidal approximation for Equation (23), Equation (26), Equation (30), and Equation (33), and obtained in the form of a recursive equation. .

式(23)、式(26)については、周波数方向に積分近似する。周波数方向の台形近似による積分計算の式は式(34)のようになる。   Expressions (23) and (26) are integral approximated in the frequency direction. The equation for integral calculation by trapezoidal approximation in the frequency direction is as shown in Equation (34).

Figure 2018097430
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式(34)は、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kが、離散時間tn、離散角周波数ωk-1における位相φn,k-1に、離散角周波数ωk-1からωkにかけての群遅延特性の符号反転値(式(14)参照)の積分値を加えたものとなることを示している。式(34)の右辺の第二項が台形の面積に相当する。 Equation (34) is a discrete time t n, the phase phi n, k at discrete angular frequency omega k is discrete time t n, the phase φ n, k-1 in discrete angular frequency omega k-1, a discrete angular frequency omega It shows that the integral value of the sign inversion value (see equation (14)) of the group delay characteristic from k−1 to ω k is added. The second term on the right side of Equation (34) corresponds to the area of the trapezoid.

離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kは、式(34)に式(23)を適用することで、式(35)の近似式で表される。 The phase φ n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is expressed by the approximate expression of the expression (35) by applying the expression (23) to the expression (34).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ただし、δ7、δ8は数値安定化のために導入した非零の数とする。 However, δ 7 and δ 8 are non-zero numbers introduced for numerical stabilization.

同様に、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kは、式(34)に式(26)を適用することで、式(36)の近似式で表される。 Similarly, the phase φ n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is expressed by the approximate expression of Expression (36) by applying Expression (26) to Expression (34).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

また、式(34)から式(37)を得る。   Further, Expression (37) is obtained from Expression (34).

Figure 2018097430
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式(37)は、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kが、離散時間tn、離散角周波数ωk+1における位相φn,k+1から、離散角周波数ωkからωk+1にかけての群遅延特性の符号反転値(式(14)参照)の積分値を差し引いたものとなることを示している。式(37)の右辺の第二項が台形の面積に相当する。式(37)を用いると、周波数方向について負の方向に計算を進めていく形で位相を求めることができることが分かる。 Equation (37) is a discrete time t n, the phase phi n, k at discrete angular frequency omega k is discrete time t n, from the phase φ n, k + 1 at discrete angular frequency omega k + 1, the discrete angular frequency omega It shows that the integral value of the sign inversion value (see equation (14)) of the group delay characteristic from k to ω k + 1 is subtracted. The second term on the right side of Equation (37) corresponds to the area of the trapezoid. Using equation (37), it can be seen that the phase can be obtained in such a way that the calculation proceeds in the negative direction with respect to the frequency direction.

離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kはを求める近似式として、式(37)に対応する形で式(35)、式(36)からそれぞれ式(38)、式(39)を得る。 The phase φ n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is an approximate expression for obtaining the formula (35) and the formula (36) from the formula (35) and the formula (36), respectively. 39) is obtained.

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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次に、式(30)、式(33)については、時間方向に積分近似する。時間方向の台形近似による積分計算の式は式(40)のようになる。   Next, with respect to Equation (30) and Equation (33), integral approximation is performed in the time direction. The formula for integral calculation by trapezoidal approximation in the time direction is as shown in Equation (40).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

式(40)は、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kが、離散時間tn-1、離散角周波数ωkにおける位相φn-1,kに、離散時間tn-1からtnにかけての瞬時周波数の2π倍(式(15)参照)の積分値を加えたものとなることを示している。式(40)の右辺の第二項が台形の面積に相当する。 Equation (40) is a discrete time t n, the phase phi n, k at discrete angular frequency omega k is discrete time t n-1, the phase φ n-1, k at discrete angular frequency omega k, discrete time t n 2π times the instantaneous frequency of the toward t n -1 indicates that a plus integral value (equation (15) refer). The second term on the right side of Equation (40) corresponds to the area of the trapezoid.

離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kは、式(40)に式(30)を適用することで、式(41)の近似式で表される。 The phase φ n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is expressed by the approximate expression of the expression (41) by applying the expression (30) to the expression (40).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

ただし、δ9、δ10は数値安定化のために導入した非零の数とする。 However, δ 9 and δ 10 are non-zero numbers introduced for numerical stabilization.

同様に、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける位相φn,kは、式(40)に式(33)を適用することで、式(42)の近似式で表される。 Similarly, the phase φ n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k is expressed by the approximate expression of the expression (42) by applying the expression (33) to the expression (40).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

式(35)と式(36)(式(38)と式(39))、式(41)と式(42)の位相を推定するための再帰的近似式は、台形近似による積分計算により得られたものであるが、台形近似以外の積分計算方法を用いてもよい。例えば、シンプソンの公式など、一般にニュートン・コーツの公式として知られる、等間隔に離散化された被積分関数の数値積分公式を用いて、式(35)と式(36)(式(38)と式(39))、式(41)と式(42)のような位相を推定するための再帰的近似式を求めてもよい。   Recursive approximations for estimating the phases of Equations (35) and (36) (Equations (38) and (39)) and Equations (41) and (42) are obtained by integral calculation using trapezoidal approximation. However, an integral calculation method other than the trapezoidal approximation may be used. For example, using numerical integration formulas of integrands that are discretized at regular intervals, commonly known as Newton-Cotes formulas, such as the Simpson formula, formulas (35) and (36) (formula (38) and A recursive approximate expression for estimating a phase such as Expression (39)), Expression (41), and Expression (42) may be obtained.

一般に、離散角周波数ωk-1からωkにかけての群遅延特性の符号反転値の積分値(以下、群遅延特性の符号反転値の積分値を単に群遅延特性積分値という)をΣ(-GD)n,k-1とすると、式(34)に相当する式として式(43)が得られる。ここで、群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k-1は、群遅延特性GDn,k-1と群遅延特性GDn,kを用いて計算される値である。 In general, the integral value of the sign inversion value of the group delay characteristic from the discrete angular frequency ω k-1 to ω k (hereinafter, the integral value of the sign inversion value of the group delay characteristic is simply referred to as the group delay characteristic integral value) is represented by Σ (− Assuming that (GD) n, k−1 , the equation (43) is obtained as an equation corresponding to the equation (34). Here, the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k−1 is a value calculated using the group delay characteristic GD n, k−1 and the group delay characteristic GD n, k .

Figure 2018097430
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なお、式(23)や式(26)(あるいはその導出に用いる式(22)、式(22a)、式(22b)や式(25)、式(25a)、式(25b))を見ればわかるように、群遅延特性GDn,kは、一般に振幅An-1,k、振幅An,k、振幅An+1,kのうち、少なくとも2つの値を用いて計算することができる。したがって、群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k-1は、振幅An-1,k-1、振幅An,k-1、振幅An+1,k-1のうち、少なくとも2つの値と、振幅An-1,k、振幅An,k、振幅An+1,kのうち、少なくとも2つの値を用いて計算される値でもある。 If you look at equation (23) or equation (26) (or equation (22), equation (22a), equation (22b), equation (25), equation (25a), equation (25b)) As can be seen, the group delay characteristic GD n, k can generally be calculated using at least two values of amplitude A n−1, k , amplitude An n, k , and amplitude A n + 1, k. . Therefore, the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k−1 is at least one of the amplitudes A n−1, k−1 , amplitudes A n, k−1 , and amplitudes A n + 1, k−1. It is also a value calculated by using at least two values among the two values, amplitude A n−1, k , amplitude A n, k , and amplitude A n + 1, k .

同様に、離散角周波数ωkからωk+1にかけての群遅延特性の符号反転値の積分値(群遅延特性積分値)をΣ(-GD)n,kとすると、式(37)に相当する式として式(44)が得られる。ここで、群遅延特性積分値Σ(-GD)n,kは、群遅延特性GDn,kと群遅延特性GDn,k+1を用いて計算される値である。 Similarly, when the integral value (group delay characteristic integral value) of the sign inversion value of the group delay characteristic from the discrete angular frequency ω k to ω k + 1 is Σ (-GD) n, k , it corresponds to Equation (37) Equation (44) is obtained as Here, the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k is a value calculated using the group delay characteristic GD n, k and the group delay characteristic GD n, k + 1 .

Figure 2018097430
Figure 2018097430

なお、群遅延特性積分値Σ(-GD)n,kは、振幅An-1,k、振幅An,k、振幅An+1,kのうち、少なくとも2つの値と、振幅An-1,k+1、振幅An,k+1、振幅An+1,k+1のうち、少なくとも2つの値を用いて計算される値でもある。 The group delay characteristic integral value Σ (-GD) n, k is an amplitude An n-1, k , an amplitude An n, k , an amplitude An n + 1, k , and an amplitude An It is also a value calculated using at least two values of −1, k + 1 , amplitude A n, k + 1 , and amplitude A n + 1, k + 1 .

また、離散時間tn-1からtnにかけての瞬時周波数の2π倍の積分値(以下、瞬時周波数の2π倍の積分値を単に瞬時周波数積分値という)をΣ(2πIF)n-1,kとすると、式(40)に相当する式として式(45)が得られる。ここで、瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n-1,kは、瞬時周波数IFn-1,kと瞬時周波数IFn,kを用いて計算される値である。 Also, the integral value 2π times the instantaneous frequency from discrete time t n-1 to t n (hereinafter, the integral value 2π times the instantaneous frequency is simply referred to as the instantaneous frequency integral value) is Σ (2πIF) n-1, k Then, Expression (45) is obtained as an expression corresponding to Expression (40). Here, the instantaneous frequency integral value Σ (2πIF) n−1, k is a value calculated using the instantaneous frequency IF n− 1k and the instantaneous frequency IF n, k .

Figure 2018097430
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なお、式(30)や式(33)(あるいはその導出に用いる式(29)、式(29a)、式(29b)や式(32)、式(32a)、式(32b))を見ればわかるように、瞬時周波数IFn,kは、一般に振幅An,k-1、振幅An,k、振幅An,k+1のうち、少なくとも2つの値を用いて計算することができる。したがって、瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n-1,kは、振幅An-1,k-1、振幅An-1,k、振幅An-1,k+1のうち、少なくとも2つの値と、振幅An,k-1、振幅An,k、振幅An,k+1のうち、少なくとも2つの値を用いて計算される値でもある。 If you look at equation (30) or equation (33) (or equation (29), equation (29a), equation (29b), equation (32), equation (32a), equation (32b)) As can be seen, the instantaneous frequency IF n, k can generally be calculated using at least two values of the amplitude An n, k−1 , the amplitude An n, k , and the amplitude An n, k + 1 . Therefore, the instantaneous frequency integrated value Σ (2πIF) n−1, k is at least two of the amplitudes A n−1, k−1 , amplitudes A n−1, k , and amplitudes A n−1, k + 1 . It is also a value calculated using at least two values among the value and the amplitude An, k-1 , amplitude An, k , and amplitude An, k + 1 .

<第一実施形態>
以下、図1〜図2を参照して時系列信号特徴推定装置100について説明する。図1に示すように時系列信号特徴推定装置100は、対数振幅時間差分算出部110、時系列信号特徴算出部120、記録部190を含む。記録部190は、時系列信号特徴推定装置100の処理に必要な情報を適宜記録する構成部である。例えば、記録部190には、標本化周波数fs、離散フーリエ変換の点数N、ガウス窓の標準偏差σを事前に記録しておく。もちろん、標本化周波数fs、離散フーリエ変換の点数N、ガウス窓の標準偏差σを事前に記録部190に記録しておく代わりに、時系列信号特徴推定装置100の入力として与えるのでもよい。
<First embodiment>
Hereinafter, the time-series signal feature estimation apparatus 100 will be described with reference to FIGS. As illustrated in FIG. 1, the time-series signal feature estimation apparatus 100 includes a logarithmic amplitude time difference calculation unit 110, a time-series signal feature calculation unit 120, and a recording unit 190. The recording unit 190 is a component that appropriately records information necessary for processing of the time-series signal feature estimation device 100. For example, the recording unit 190 records in advance the sampling frequency f s , the discrete Fourier transform score N, and the Gaussian window standard deviation σ. Of course, the sampling frequency f s , the discrete Fourier transform score N, and the standard deviation σ of the Gaussian window may be given as inputs to the time-series signal feature estimation apparatus 100 instead of being recorded in the recording unit 190 in advance.

時系列信号特徴推定装置100の入力となる振幅An,k(n1,n2はn2-n1≧1を満たす整数、n=n1, n1+1,…, n2、kは整数)は、事前に得られているものとする。例えば、メモリや伝送容量を削減するため、事前に時系列信号を短時間フーリエ変換した結果のうち、振幅An,kのみを記録部190に記録しておいてもよい。また、時系列信号特徴推定装置100による処理開始前に外部から振幅An,kが伝送されてくるのでもよい。 The amplitudes A n, k (n 1 , n 2 are integers satisfying n 2 -n 1 ≧ 1, n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k, which are inputs to the time-series signal feature estimation apparatus 100 Is an integer). For example, in order to reduce memory and transmission capacity , only the amplitude An, k may be recorded in the recording unit 190 from the result of performing a short-time Fourier transform on the time series signal in advance. Further, the amplitude An, k may be transmitted from the outside before the processing by the time-series signal feature estimation apparatus 100 is started.

時系列信号特徴推定装置100は、振幅An,k(n=n1, n1+1,…,n2、kはある整数)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける時系列信号特徴である群遅延特性GDn,kを推定し、出力する。 The time-series signal feature estimation apparatus 100 calculates a time series at discrete time t n and discrete angular frequency ω k from amplitudes A n, k (n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k is an integer). The group delay characteristic GD n, k which is a signal feature is estimated and output.

図2に従い時系列信号特徴推定装置100の動作について説明する。対数振幅時間差分算出部110は、振幅An,k(n=n1, n1+1,…,n2、kはある整数)から、離散角周波数ωkについて離散時間tnにおける対数振幅logAn,kの時間差分である対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを算出する(S110)。対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnは、n1<n<n2を満たすnについては中心差分近似、端点であるn=n1またはn=n2については前進差分近似または後進差分近似により算出すればよい。もちろん、n1<n<n2を満たすnについて、中心差分近似の代わりに前進差分近似や後進差分近似を用いてもよい。対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを、n1<n<n2を満たすnについては中心差分近似、n=n1については前進差分近似、n=n2については後進差分近似により算出する場合、例えば、式(22)、式(22b)、式(22b)を用いて算出することができる。 The operation of the time-series signal feature estimation apparatus 100 will be described with reference to FIG. The logarithmic amplitude time difference calculation unit 110 calculates the logarithmic amplitude at the discrete time t n with respect to the discrete angular frequency ω k from the amplitudes A n, k (n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k is an integer). logA n, which is a time difference of k logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, to calculate the k / Δt n (S110). Logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n is center difference approximation for n satisfying n 1 <n <n 2 and forward difference approximation or backward for n = n 1 or n = n 2 which is an end point What is necessary is just to calculate by a difference approximation. Of course, for n satisfying n 1 <n <n 2 , forward difference approximation or backward difference approximation may be used instead of the center difference approximation. Logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n , for n satisfying n 1 <n <n 2 , central difference approximation, n = n 1 forward difference approximation, n = n 2 backward difference approximation Can be calculated using, for example, Equation (22), Equation (22b), and Equation (22b).

時系列信号特徴算出部120は、S110で算出した対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnから、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける群遅延特性GDn,kを時系列信号特徴として算出する(S120)。具体的には、ガウス窓の標準偏差σ、窓関数の有効幅T=N/fsを用いて The time series signal feature calculation unit 120 calculates the group delay characteristic GD n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k from the logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n calculated at S110. It is calculated as a feature (S120). Specifically, the standard deviation of the Gaussian window sigma, with an effective width T = N / f s of the window function

Figure 2018097430
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と計算すればよい。例えば、式(23)を用いて、n1<n<n2を満たすnについては中心差分近似、n=n1については前進差分近似、n=n2については後進差分近似により対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを計算する場合は、それぞれ And calculate. For example, using equation (23), the logarithmic amplitude time difference is calculated by the central difference approximation for n satisfying n 1 <n <n 2 , the forward difference approximation for n = n 1 and the backward difference approximation for n = n 2 When calculating Δ t logA n, k / Δt n

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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となる。また、式(26)を用いて、n1<n<n2を満たすnについては中心差分近似、n=n1については前進差分近似、n=n2については後進差分近似により対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを計算する場合は、それぞれ It becomes. In addition, using equation (26), logarithmic amplitude time difference is calculated by the central difference approximation for n satisfying n 1 <n <n 2 , the forward difference approximation for n = n 1 and the backward difference approximation for n = n 2 When calculating Δ t logA n, k / Δt n

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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となる。 It becomes.

本実施形態の発明によれば、短時間フーリエ変換による信号分析において、群遅延特性の推定値を本来の定義である位相を用いて計算する代わりに、安定的に計算可能な振幅情報(対数振幅や振幅)を用いて計算することで、位相のアンラップ処理の不確定性の問題を回避することができる。   According to the invention of this embodiment, in the signal analysis based on the short-time Fourier transform, the amplitude information (logarithmic amplitude) that can be stably calculated instead of calculating the estimated value of the group delay characteristic using the phase that is the original definition. And amplitude) can be used to avoid the problem of phase unwrapping uncertainty.

また、群遅延特性を振幅情報のみから推定できるため、短時間フーリエ変換の結果として得られる複素数信号の情報のうち、位相情報が欠損し、振幅情報のみが与えられた状況においても、完全な複素数信号が与えられた場合と同等の群遅延特性の推定が可能となる。   In addition, since the group delay characteristic can be estimated only from the amplitude information, the complete complex number can be obtained even in the situation where the phase information is missing and only the amplitude information is given out of the complex signal information obtained as a result of the short-time Fourier transform. It is possible to estimate a group delay characteristic equivalent to that when a signal is given.

<第二実施形態>
以下、図3〜図4を参照して時系列信号特徴推定装置200について説明する。図3に示すように時系列信号特徴推定装置200は、対数振幅角周波数差分算出部210、時系列信号特徴算出部220、記録部190を含む。記録部190は、時系列信号特徴推定装置200の処理に必要な情報を適宜記録する構成部である。
<Second embodiment>
Hereinafter, the time-series signal feature estimation apparatus 200 will be described with reference to FIGS. As illustrated in FIG. 3, the time-series signal feature estimation apparatus 200 includes a logarithmic amplitude angular frequency difference calculation unit 210, a time-series signal feature calculation unit 220, and a recording unit 190. The recording unit 190 is a component that appropriately records information necessary for processing of the time-series signal feature estimation apparatus 200.

時系列信号特徴推定装置200の入力となる振幅An,k(nは整数、k1,k2はk2-k1≧1を満たす整数、k=k1, k1+1,…, k2)は、事前に得られているものとする。 Amplitudes A n, k (n is an integer, k 1 and k 2 are integers satisfying k 2 −k 1 ≧ 1, k = k 1 , k 1 +1,. k 2 ) shall be obtained in advance.

時系列信号特徴推定装置200は、振幅An,k(nはある整数、k=k1, k1+1,…, k2)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける時系列信号特徴である瞬時周波数IFn,kを推定し、出力する。 The time-series signal feature estimation apparatus 200 calculates a time series at discrete time t n and discrete angular frequency ω k from amplitude A n, k (n is an integer, k = k 1 , k 1 +1,..., K 2 ). The instantaneous frequency IF n, k that is a signal feature is estimated and output.

図4に従い時系列信号特徴推定装置200の動作について説明する。対数振幅角周波数差分算出部210は、振幅An,k(nはある整数、k=k1, k1+1,…, k2)から、離散時間tnについて離散角周波数ωkにおける対数振幅logAn,kの角周波数差分である対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを算出する(S210)。対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkは、k1<k<k2を満たすkについては中心差分近似、端点であるk=k1またはk=k2については前進差分近似または後進差分近似により算出すればよい。もちろん、k1<k<k2を満たすkについて、中心差分近似の代わりに前進差分近似や後進差分近似を用いてもよい。対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを、k1<k<k2を満たすkについては中心差分近似、k=k1については前進差分近似、k=k2については後進差分近似により算出する場合、例えば、式(29)、式(29b)、式(29b) を用いて算出することができる。 The operation of the time-series signal feature estimation apparatus 200 will be described with reference to FIG. The logarithmic amplitude angular frequency difference calculation unit 210 calculates the logarithm at the discrete angular frequency ω k for the discrete time t n from the amplitude A n, k (n is an integer, k = k 1 , k 1 +1,..., K 2 ). amplitude logA n, logarithmic amplitude angular frequency difference is the angular frequency difference between the k Δ ω logA n, calculates the k / Δω k (S210). The logarithmic amplitude angular frequency difference Δ ω logA n, k / Δω k is the central difference approximation for k satisfying k 1 <k <k 2 , or the forward difference approximation for k = k 1 or k = k 2 that is an endpoint. What is necessary is just to calculate by reverse difference approximation. Of course, for k satisfying k 1 <k <k 2 , forward difference approximation or backward difference approximation may be used instead of the center difference approximation. Logarithmic amplitude angular frequency difference Δ ω logA n, k / Δω k , center difference approximation for k satisfying k 1 <k <k 2 , forward difference approximation for k = k 1 , backward difference for k = k 2 When calculating by approximation, for example, it can be calculated using Expression (29), Expression (29b), and Expression (29b).

時系列信号特徴算出部220は、S210で算出した対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkから、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける瞬時周波数IFn,kを時系列信号特徴として算出する(S220)。具体的には、ガウス窓の標準偏差σを用いて The time-series signal feature calculation unit 220 calculates the instantaneous frequency IF n, k at the discrete time t n and the discrete angular frequency ω k from the logarithmic amplitude angular frequency difference Δ ω logA n, k / Δω k calculated at S210 as a time-series signal. It is calculated as a feature (S220). Specifically, using the standard deviation σ of the Gaussian window

Figure 2018097430
Figure 2018097430

と計算すればよい。例えば、式(30)を用いて、k1<k<k2を満たすkについては中心差分近似、k=k1については前進差分近似、k=k2については後進差分近似により対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを計算する場合は、それぞれ And calculate. For example, using equation (30), k 1 <k < central difference approximation for k satisfying k 2, k = k 1 forward difference approximation for, for k = k 2 are logarithmic amplitude angular frequency by the reverse difference approximation When calculating the difference Δ ω logA n, k / Δω k

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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Figure 2018097430
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となる。また、式(33)を用いて、k1<k<k2を満たすkについては中心差分近似、k=k1については前進差分近似、k=k2については後進差分近似により対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを計算する場合は、それぞれ It becomes. Further, using equation (33), k 1 <k < central difference approximation for k satisfying k 2, k = k 1 forward difference approximation for, for k = k 2 are logarithmic amplitude angular frequency by the reverse difference approximation When calculating the difference Δ ω logA n, k / Δω k

Figure 2018097430
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Figure 2018097430
Figure 2018097430

Figure 2018097430
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となる。 It becomes.

本実施形態の発明によれば、短時間フーリエ変換による信号分析において、瞬時周波数の推定値を本来の定義である位相を用いて計算する代わりに、安定的に計算可能な振幅情報(対数振幅や振幅)を用いて計算することで、位相のアンラップ処理の不確定性の問題を回避することができる。   According to the invention of this embodiment, in the signal analysis by the short-time Fourier transform, instead of calculating the estimated value of the instantaneous frequency using the phase that is the original definition, the amplitude information (logarithmic amplitude and By calculating using (amplitude), it is possible to avoid the problem of uncertainty in the phase unwrapping process.

また、瞬時周波数を振幅情報のみから推定できるため、短時間フーリエ変換の結果として得られる複素数信号の情報のうち、位相情報が欠損し、振幅情報のみが与えられた状況においても、完全な複素数信号が与えられた場合と同等の瞬時周波数の推定が可能となる。   In addition, since the instantaneous frequency can be estimated from only the amplitude information, the complete complex signal can be obtained even in the situation where the phase information is missing and only the amplitude information is given out of the complex signal information obtained as a result of the short-time Fourier transform. It is possible to estimate the instantaneous frequency equivalent to the case where is given.

<第三実施形態>
以下、図5〜図6を参照して時系列信号特徴推定装置300について説明する。図5に示すように時系列信号特徴推定装置300は、群遅延特性積分値算出部310、時系列信号特徴算出部320、記録部190を含む。記録部190は、時系列信号特徴推定装置300の処理に必要な情報を適宜記録する構成部である。
<Third embodiment>
Hereinafter, the time-series signal feature estimation apparatus 300 will be described with reference to FIGS. As illustrated in FIG. 5, the time-series signal feature estimation apparatus 300 includes a group delay characteristic integral value calculation unit 310, a time-series signal feature calculation unit 320, and a recording unit 190. The recording unit 190 is a component that appropriately records information necessary for processing of the time-series signal feature estimation apparatus 300.

時系列信号特徴推定装置300の入力となる振幅An,k(n1,n2はn2-n1≧1を満たす整数、n=n1, n1+1,…, n2、k=0, 1,…, N-1)は、事前に得られているものとする。 The amplitudes A n, k (n 1 , n 2 are integers satisfying n 2 -n 1 ≧ 1, n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k, which are inputs to the time-series signal feature estimation apparatus 300 = 0, 1, ..., N-1) is assumed to have been obtained in advance.

時系列信号特徴推定装置300は、振幅An,k(n=n1, n1+1,…, n2、k=0, 1,…, N-1)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける時系列信号特徴である位相φn,kを推定し、出力する。 The time-series signal feature estimation apparatus 300 has discrete times t n and discrete values from amplitudes A n, k (n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k = 0, 1,..., N−1). A phase φ n, k that is a time-series signal characteristic at the angular frequency ω k is estimated and output.

図6に従い時系列信号特徴推定装置300の動作について説明する。群遅延特性積分値算出部310は、振幅An,k(n=n1, n1+1,…,n2、k=0, 1,…, N-1)から、k=0,1,…, N-2の各kについて離散角周波数ωkからωk+1にかけての群遅延特性の符号反転値の積分値である群遅延特性積分値Σ(-GD)n,kを算出する(S310)。例えば、群遅延特性積分値算出部310は、時系列信号特徴推定装置100を用いて、振幅An,k(n=n1, n1+1,…,n2、k=0, 1,…, N-1)から、k=0,1,…, N-1の各kについて群遅延特性GDn,kを算出したうえで、群遅延特性積分値Σ(-GD)n,kを算出するのでよい。 The operation of the time-series signal feature estimation apparatus 300 will be described with reference to FIG. The group delay characteristic integral value calculation unit 310 calculates k = 0,1 from the amplitudes A n, k (n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k = 0, 1,..., N−1). , ..., N-2 calculates the group delay characteristic integral value Σ (-GD) n, k which is the integral value of the sign inversion value of the group delay characteristic from the discrete angular frequency ω k to ω k + 1 for each k of N-2 (S310). For example, the group delay characteristic integral value calculation unit 310 uses the time-series signal feature estimation apparatus 100 to determine the amplitudes A n, k (n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k = 0, 1, …, N-1), the group delay characteristic GD n, k is calculated for each k of k = 0, 1,…, N-1, and then the group delay characteristic integrated value Σ (-GD) n, k is It is sufficient to calculate.

また、別の例として、群遅延特性積分値算出部310は、n1<n<n2を満たすnについては、以下の式を用いて算出し、 As another example, the group delay characteristic integral value calculation unit 310 calculates n satisfying n 1 <n <n 2 using the following equation:

Figure 2018097430
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n=n1については、以下の式を用いて算出し、 For n = n 1 , calculate using the following formula:

Figure 2018097430
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n=n2については、以下の式を用いて算出してもよい。 For n = n 2, it may be calculated using the following equation.

Figure 2018097430
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また、別の例として、群遅延特性積分値算出部310は、n1<n<n2を満たすnについては、以下の式を用いて算出し、 As another example, the group delay characteristic integral value calculation unit 310 calculates n satisfying n 1 <n <n 2 using the following equation:

Figure 2018097430
Figure 2018097430

n=n1については、以下の式を用いて算出し、 For n = n 1 , calculate using the following formula:

Figure 2018097430
Figure 2018097430

n=n2については、以下の式を用いて算出してもよい。 For n = n 2, it may be calculated using the following equation.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

時系列信号特徴算出部320は、位相の初期値をφn,k_0(k0は0以上N-1以下のある整数) とS310で算出した群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k(k=0, 1,…, N-2)から、位相φn,k(k=0, 1,…, N-1、ただし、k=k0を除く)を時系列信号特徴として算出する(S320)。整数k0と位相の初期値φn,k_0は記録部190に事前に記録しておいてもよいし、時系列信号特徴推定装置300の入力として与えるのでもよい。具体的には、以下のような手順で位相φn,k(k=0, 1,…, N-1、ただし、k=k0を除く)を算出する。 The time-series signal feature calculation unit 320 sets the initial phase value to φ n, k — 0 (k 0 is an integer between 0 and N−1) and the group delay characteristic integrated value Σ (−GD) n, k calculated in S310. From (k = 0, 1, ..., N-2), the phase φ n, k (k = 0, 1, ..., N-1, except k = k 0 ) is calculated as a time-series signal feature. (S320). The integer k 0 and the initial phase value φ n, k — 0 may be recorded in advance in the recording unit 190 or may be given as inputs to the time-series signal feature estimation apparatus 300. Specifically, the phase φ n, k (k = 0, 1,..., N−1, except k = k 0 ) is calculated by the following procedure.

まず、k=k0+1とし、位相の初期値φn,k_0と群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k(k=k0, k0+1,…, N-2)を用いて次式(式(43))より、位相φn,k_0+1、位相φn,k_0+2、…、位相φn,N-1と昇順に算出していく。 First, k = k 0 +1, and the initial phase value φ n, k_0 and the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k (k = k 0 , k 0 +1,..., N−2) The phase φ n, k — 0 + 1 , phase φ n, k — 0 + 2 ,..., Phase φ n, N−1 are calculated in ascending order from the following formula (formula (43)).

Figure 2018097430
Figure 2018097430

次に、k=k0-1とし、位相の初期値φn,k_0と群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k(k=0, 1,…, k0-1)を用いて次式(式(44))より、位相φn,k_0-1、位相φn,k_0-2、…、位相φn,0と降順に算出していく。 Next, k = k 0 -1 and using the initial phase value φ n, k_0 and the group delay characteristic integral value Σ (-GD) n, k (k = 0, 1, ..., k 0 -1) From the following equation (Equation (44)), the phase φ n, k — 0-1 , phase φ n, k — 0-2 ,..., Phase φ n, 0 are calculated in descending order.

Figure 2018097430
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時系列信号特徴算出部320による位相の算出には、位相の初期値φn,k_0を与える必要がある。各nについて、k0=0のときの位相φn,0を初期値とすることができる。分析対象の信号が実数である場合、位相φn,0の値は0かπのいずれかに限定される。離散時間インデックスnの変化に従い、位相φn,0の値が0からπまたはπから0に変化するポイントにおいて、式(23)または式(26)より推定された離散角周波数インデックスk=0あるいはその周辺の離散角周波数インデックスにおける群遅延特性の推定値には図9(b)に示すような、大きなスパイク性の変化が観測される。このような変化を検出することで、位相φn,0の値を0かπかで切り替え、適切な初期値を与えることができる。 In order to calculate the phase by the time-series signal feature calculation unit 320, it is necessary to provide an initial value φ n, k — 0 of the phase. For each n, the phase φ n, 0 when k 0 = 0 can be set as an initial value. When the signal to be analyzed is a real number, the value of the phase φ n, 0 is limited to either 0 or π. The discrete angular frequency index k = 0 estimated from the equation (23) or the equation (26) at the point where the value of the phase φ n, 0 changes from 0 to π or from π to 0 according to the change of the discrete time index n. A large spike characteristic change as shown in FIG. 9B is observed in the estimated value of the group delay characteristic in the surrounding discrete angular frequency index. By detecting such a change , the value of the phase φ n, 0 can be switched between 0 and π and an appropriate initial value can be given.

なお、時系列信号特徴算出部320で用いる再帰式の開始点は、k0=0に限定されるものではないから、任意のk0に対して初期値として適切な値を獲得できる場合には、それを初期値としてもよい。この場合、先ほど説明したように、kの値について昇順に再帰式を計算するだけでなく、降順に再帰式を計算することにより位相の推定値を得ることができる。 Note that the starting point of the recursive formula used in the time-series signal feature calculation unit 320 is not limited to k 0 = 0, so that an appropriate value can be obtained as an initial value for an arbitrary k 0 . It may be the initial value. In this case, as described above, the estimated value of the phase can be obtained not only by calculating the recursive formula for the value of k in ascending order but also by calculating the recursive formula in descending order.

本実施形態の発明によれば、短時間フーリエ変換の結果として得られる複素数信号から位相を求める従来の方法では位相の値が-πからπの間にラップされた状態でしか計算できないのに対し、振幅情報を用いることで、アンラップされた状態での位相の値を推定することができる。   According to the invention of this embodiment, the conventional method for obtaining the phase from the complex signal obtained as a result of the short-time Fourier transform can calculate only when the phase value is wrapped between -π and π. By using the amplitude information, the phase value in the unwrapped state can be estimated.

また、位相を振幅情報のみから推定できるため、短時間フーリエ変換の結果として得られる複素数信号の情報のうち、位相情報が欠損し、振幅情報のみが与えられた状況においても、完全な複素数信号が与えられた場合と同等の位相の推定が可能となる。   In addition, since the phase can be estimated only from the amplitude information, even in a situation where the phase information is missing and only the amplitude information is given out of the complex signal information obtained as a result of the short-time Fourier transform, the complete complex signal is It is possible to estimate the phase equivalent to the given case.

さらに、振幅情報のみが与えられた条件において位相の推定値を復元することで、一部の情報が欠損した中で複素数信号を再構成することが可能となる。   Furthermore, by restoring the estimated phase value under the condition where only the amplitude information is given, it is possible to reconstruct a complex signal in the absence of some information.

<第四実施形態>
以下、図7〜図8を参照して時系列信号特徴推定装置400について説明する。図7に示すように時系列信号特徴推定装置400は、瞬時周波数積分値算出部410、時系列信号特徴算出部420、記録部190を含む。記録部190は、時系列信号特徴推定装置400の処理に必要な情報を適宜記録する構成部である。
<Fourth embodiment>
Hereinafter, the time-series signal feature estimation apparatus 400 will be described with reference to FIGS. As illustrated in FIG. 7, the time-series signal feature estimation apparatus 400 includes an instantaneous frequency integral value calculation unit 410, a time-series signal feature calculation unit 420, and a recording unit 190. The recording unit 190 is a component that appropriately records information necessary for processing of the time-series signal feature estimation device 400.

時系列信号特徴推定装置400の入力となる振幅An,k(n0を整数、mを正の整数、n=n0, n0+1,…, n0+m、k1,k2はk2-k1≧1を満たす整数、k=k1, k1+1,…, k2)は、事前に得られているものとする。 Amplitudes A n, k (n 0 is an integer, m is a positive integer, n = n 0 , n 0 +1,..., N 0 + m, k 1 , k 2 input to the time-series signal feature estimation apparatus 400 Is an integer satisfying k 2 −k 1 ≧ 1, and k = k 1 , k 1 +1,..., K 2 ) is obtained in advance.

時系列信号特徴推定装置400は、振幅An,k(n=n0, n0+1,…, n0+m、k=k1, k1+1,…, k2)から、離散時間tn、離散角周波数ωkにおける時系列信号特徴である位相φn,kを推定し、出力する。 The time-series signal feature estimation apparatus 400 is discrete from the amplitudes A n, k (n = n 0 , n 0 +1,..., N 0 + m, k = k 1 , k 1 +1,..., K 2 ). time t n, to estimate the phase phi n, k is a time-series signal, wherein at discrete angular frequency omega k, and outputs.

図8に従い時系列信号特徴推定装置400の動作について説明する。瞬時周波数積分値算出部410は、振幅An,k(n=n0, n0+1,…, n0+m、k=k1, k1+1,…, k2)から、n=n0, n0+1,…, n0+m-1の各nについて離散時間tnからtn+1にかけての瞬時周波数の2π倍の積分値である瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n,kを算出する(S410)。例えば、瞬時周波数積分値算出部410は、時系列信号特徴推定装置200を用いて、振幅An,k(n=n0, n0+1,…, n0+m、k=k1, k1+1,…, k2)から、n=n0, n0+1,…, n0+mの各nについて瞬時周波数IFn,kを算出したうえで、周波数積分値Σ(2πIF)n,kを算出するのでよい。 The operation of the time-series signal feature estimation apparatus 400 will be described with reference to FIG. The instantaneous frequency integrated value calculation unit 410 calculates n from the amplitudes A n, k (n = n 0 , n 0 +1,..., N 0 + m, k = k 1 , k 1 +1,..., K 2 ). = n 0 , n 0 +1, ..., n 0 + m-1 instantaneous frequency integral value Σ (2πIF), which is the integral value of 2π times the instantaneous frequency from discrete time t n to t n + 1 for each n n, k is calculated (S410). For example, the instantaneous frequency integrated value calculation unit 410 uses the time-series signal feature estimation apparatus 200 to determine the amplitudes A n, k (n = n 0 , n 0 +1,..., N 0 + m, k = k 1 , k 1 +1, ..., k 2 ), the instantaneous frequency IF n, k is calculated for each n of n = n 0 , n 0 +1, ..., n 0 + m, and the frequency integral value Σ (2πIF ) Calculate n, k .

また、別の例として、瞬時周波数積分値算出部410は、k1<k<k2を満たすkについては、以下の式を用いて算出し、 As another example, the instantaneous frequency integral value calculation unit 410 calculates k satisfying k 1 <k <k 2 using the following equation:

Figure 2018097430
Figure 2018097430

k=k1については、以下の式を用いて算出し、 k = k 1 is calculated using the following formula:

Figure 2018097430
Figure 2018097430

k=k2については、以下の式を用いて算出してもよい。 k = k 2 may be calculated using the following equation.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

また、別の例として、瞬時周波数積分値算出部410は、k1<k<k2を満たすkについては、以下の式を用いて算出し、 As another example, the instantaneous frequency integral value calculation unit 410 calculates k satisfying k 1 <k <k 2 using the following equation:

Figure 2018097430
Figure 2018097430

k=k1については、以下の式を用いて算出し、 k = k 1 is calculated using the following formula:

Figure 2018097430
Figure 2018097430

k=k2については、以下の式を用いて算出してもよい。 k = k 2 may be calculated using the following equation.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

時系列信号特徴算出部420は、位相の初期値φn_0,kとS410で算出した瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n,k(n=n0, n0+1,…, n0+m-1)から、位相φn,k(n=n0+1,…, n0+m)を時系列信号特徴として算出する(S420)。整数n0と位相の初期値φn_0,kは記録部190に事前に記録しておいてもよいし、時系列信号特徴推定装置400の入力として与えるのでもよい。具体的には、以下のような手順で位相φn,k(n=n0+1,…, n0+m)を算出する。 The time-series signal feature calculation unit 420 includes the initial phase value φ n — 0 , k and the instantaneous frequency integration value Σ (2πIF) n, k (n = n 0 , n 0 +1,..., N 0 + m) calculated in S410. −1), phase φ n, k (n = n 0 +1,..., N 0 + m) is calculated as a time-series signal feature (S420). The integer n 0 and the initial phase value φ n — 0 , k may be recorded in advance in the recording unit 190 or may be given as inputs to the time-series signal feature estimation apparatus 400. Specifically, the phase φ n, k (n = n 0 +1,..., N 0 + m) is calculated by the following procedure.

n=n0+1とし、位相の初期値φn_0,kと瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n,k(n=n0, n0+1,…, n0+m-1)を用いて次式(式(45))より、位相φn_0+1,k、位相φn_0+2,k、…、位相φn_0+m,kと昇順に算出していく。 n = n 0 +1, using initial phase value φ n_0, k and instantaneous frequency integration value Σ (2πIF) n, k (n = n 0 , n 0 +1, ..., n 0 + m-1) From the following equation (equation (45)), the phase φ n — 0 + 1, k , the phase φ n — 0 + 2, k ,..., The phase φ n — 0 + m, k are calculated in ascending order.

Figure 2018097430
Figure 2018097430

時系列信号特徴算出部420による位相の算出には、位相の初期値φn_0,kを与える必要がある。各kについて、n0=0のときの位相φ0,kを初期値とすることができる。具体的には、離散時間インデックスn=0の時点において、信号が無音の状態であることなどを分析の前提とすることで、適切な初期値を与えることができる。 In order to calculate the phase by the time-series signal feature calculation unit 420, it is necessary to give the initial value φ n — 0, k of the phase. For each k, the phase φ 0, k when n 0 = 0 can be set as an initial value. Specifically, an appropriate initial value can be given by assuming that the signal is silent when the discrete time index n = 0.

本実施形態の発明によれば、短時間フーリエ変換の結果として得られる複素数信号から位相を求める従来の方法では位相の値が-πからπの間にラップされた状態でしか計算できないのに対し、振幅情報を用いることで、アンラップされた状態での位相の値を推定することができる。   According to the invention of this embodiment, the conventional method for obtaining the phase from the complex signal obtained as a result of the short-time Fourier transform can calculate only when the phase value is wrapped between -π and π. By using the amplitude information, the phase value in the unwrapped state can be estimated.

また、位相を振幅情報のみから推定できるため、短時間フーリエ変換の結果として得られる複素数信号の情報のうち、位相情報が欠損し、振幅情報のみが与えられた状況においても、完全な複素数信号が与えられた場合と同等の位相の推定が可能となる。   In addition, since the phase can be estimated only from the amplitude information, even in a situation where the phase information is missing and only the amplitude information is given out of the complex signal information obtained as a result of the short-time Fourier transform, the complete complex signal is It is possible to estimate the phase equivalent to the given case.

さらに、振幅情報のみが与えられた条件において位相の推定値を復元することで、一部の情報が欠損した中で複素数信号を再構成することが可能となる。   Furthermore, by restoring the estimated phase value under the condition where only the amplitude information is given, it is possible to reconstruct a complex signal in the absence of some information.

<変形例>
この発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。上記実施形態において説明した各種の処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。
<Modification>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention. The various processes described in the above embodiment may be executed not only in time series according to the order of description, but also in parallel or individually as required by the processing capability of the apparatus that executes the processes or as necessary.

例えば、隣接するインデックスの位相の推定値の差分を、第三実施形態における式(43)や式(44)のような周波数方向の再帰式で得られる推定値と第四実施形態における式(45)のような時間方向の再帰式で得られる推定値との平均、重み付き平均により計算してもよい。   For example, the difference between the estimated values of the phases of adjacent indexes is calculated by using the recursive equation in the frequency direction such as Equation (43) or Equation (44) in the third embodiment and Equation (45) in the fourth embodiment. ) Or an estimated value obtained by a recursive equation in the time direction, or a weighted average.

<補記>
本発明の装置は、例えば単一のハードウェアエンティティとして、キーボードなどが接続可能な入力部、液晶ディスプレイなどが接続可能な出力部、ハードウェアエンティティの外部に通信可能な通信装置(例えば通信ケーブル)が接続可能な通信部、CPU(Central Processing Unit、キャッシュメモリやレジスタなどを備えていてもよい)、メモリであるRAMやROM、ハードディスクである外部記憶装置並びにこれらの入力部、出力部、通信部、CPU、RAM、ROM、外部記憶装置の間のデータのやり取りが可能なように接続するバスを有している。また必要に応じて、ハードウェアエンティティに、CD−ROMなどの記録媒体を読み書きできる装置(ドライブ)などを設けることとしてもよい。このようなハードウェア資源を備えた物理的実体としては、汎用コンピュータなどがある。
<Supplementary note>
The apparatus of the present invention includes, for example, a single hardware entity as an input unit to which a keyboard or the like can be connected, an output unit to which a liquid crystal display or the like can be connected, and a communication device (for example, a communication cable) capable of communicating outside the hardware entity. Can be connected to a communication unit, a CPU (Central Processing Unit, may include a cache memory or a register), a RAM or ROM that is a memory, an external storage device that is a hard disk, and an input unit, an output unit, or a communication unit thereof , A CPU, a RAM, a ROM, and a bus connected so that data can be exchanged between the external storage devices. If necessary, the hardware entity may be provided with a device (drive) that can read and write a recording medium such as a CD-ROM. A physical entity having such hardware resources includes a general-purpose computer.

ハードウェアエンティティの外部記憶装置には、上述の機能を実現するために必要となるプログラムおよびこのプログラムの処理において必要となるデータなどが記憶されている(外部記憶装置に限らず、例えばプログラムを読み出し専用記憶装置であるROMに記憶させておくこととしてもよい)。また、これらのプログラムの処理によって得られるデータなどは、RAMや外部記憶装置などに適宜に記憶される。   The external storage device of the hardware entity stores a program necessary for realizing the above functions and data necessary for processing the program (not limited to the external storage device, for example, reading a program) It may be stored in a ROM that is a dedicated storage device). Data obtained by the processing of these programs is appropriately stored in a RAM or an external storage device.

ハードウェアエンティティでは、外部記憶装置(あるいはROMなど)に記憶された各プログラムとこの各プログラムの処理に必要なデータが必要に応じてメモリに読み込まれて、適宜にCPUで解釈実行・処理される。その結果、CPUが所定の機能(上記、…部、…手段などと表した各構成要件)を実現する。   In the hardware entity, each program stored in an external storage device (or ROM or the like) and data necessary for processing each program are read into a memory as necessary, and are interpreted and executed by a CPU as appropriate. . As a result, the CPU realizes a predetermined function (respective component requirements expressed as the above-described unit, unit, etc.).

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。また、上記実施形態において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. In addition, the processing described in the above embodiment may be executed not only in time series according to the order of description but also in parallel or individually as required by the processing capability of the apparatus that executes the processing. .

既述のように、上記実施形態において説明したハードウェアエンティティ(本発明の装置)における処理機能をコンピュータによって実現する場合、ハードウェアエンティティが有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記ハードウェアエンティティにおける処理機能がコンピュータ上で実現される。   As described above, when the processing functions in the hardware entity (the apparatus of the present invention) described in the above embodiments are realized by a computer, the processing contents of the functions that the hardware entity should have are described by a program. Then, by executing this program on a computer, the processing functions in the hardware entity are realized on the computer.

この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、DVD(Digital Versatile Disc)、DVD−RAM(Random Access Memory)、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、CD−R(Recordable)/RW(ReWritable)等を、光磁気記録媒体として、MO(Magneto-Optical disc)等を、半導体メモリとしてEEP−ROM(Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory)等を用いることができる。   The program describing the processing contents can be recorded on a computer-readable recording medium. As the computer-readable recording medium, for example, any recording medium such as a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, and a semiconductor memory may be used. Specifically, for example, as a magnetic recording device, a hard disk device, a flexible disk, a magnetic tape or the like, and as an optical disk, a DVD (Digital Versatile Disc), a DVD-RAM (Random Access Memory), a CD-ROM (Compact Disc Read Only). Memory), CD-R (Recordable) / RW (ReWritable), etc., magneto-optical recording medium, MO (Magneto-Optical disc), etc., semiconductor memory, EEP-ROM (Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory), etc. Can be used.

また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したDVD、CD−ROM等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。   The program is distributed by selling, transferring, or lending a portable recording medium such as a DVD or CD-ROM in which the program is recorded. Furthermore, the program may be distributed by storing the program in a storage device of the server computer and transferring the program from the server computer to another computer via a network.

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録媒体に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるASP(Application Service Provider)型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの(コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等)を含むものとする。   A computer that executes such a program first stores, for example, a program recorded on a portable recording medium or a program transferred from a server computer in its own storage device. When executing the process, the computer reads a program stored in its own recording medium and executes a process according to the read program. As another execution form of the program, the computer may directly read the program from a portable recording medium and execute processing according to the program, and the program is transferred from the server computer to the computer. Each time, the processing according to the received program may be executed sequentially. Also, the program is not transferred from the server computer to the computer, and the above-described processing is executed by a so-called ASP (Application Service Provider) type service that realizes the processing function only by the execution instruction and result acquisition. It is good. Note that the program in this embodiment includes information that is used for processing by an electronic computer and that conforms to the program (data that is not a direct command to the computer but has a property that defines the processing of the computer).

また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、ハードウェアエンティティを構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。   In this embodiment, a hardware entity is configured by executing a predetermined program on a computer. However, at least a part of these processing contents may be realized by hardware.

Claims (8)

窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を
Figure 2018097430

Figure 2018097430
(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、
離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、
前記振幅An,k(n1,n2はn2-n1≧1を満たす整数、n=n1, n1+1,…, n2、kは整数)から、離散角周波数ωkについて離散時間tnにおける対数振幅logAn,kの時間差分である対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを算出する対数振幅時間差分算出部と、
前記対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnから、次式を用いて離散時間tn、離散角周波数ωkにおける群遅延特性GDn,kを時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と
Figure 2018097430
(ただし、Tは窓関数の有効幅であり、T=N/fs)
を含む時系列信号特徴推定装置。
Discrete time t n of discrete short-time Fourier transform of time series signal analyzed using Gaussian window with standard deviation σ (σ is a positive real number) as window function, discrete angular frequency ω k (n is discrete time index) Integer, k is an integer representing the discrete angular frequency index)
Figure 2018097430

Figure 2018097430
(Where f s is the sampling frequency and N is the discrete Fourier transform score),
Let A n, k be the amplitude at discrete time t n and discrete angular frequency ω k ,
From the amplitude A n, k (n 1 , n 2 are integers satisfying n 2 −n 1 ≧ 1, n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k is an integer), the discrete angular frequency ω k A logarithmic amplitude time difference calculating unit for calculating a logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n that is a time difference of the logarithmic amplitude logA n, k at discrete time t n ,
The logarithmic amplitude time difference delta t logA n, from k / Delta] t n, the time-series signal for calculating discrete time t n using the following formula, the group delay characteristic GD n in a discrete angular frequency omega k, a k as time series signals, wherein With the feature calculator
Figure 2018097430
(Where T is the effective width of the window function, T = N / f s )
A time-series signal feature estimation device.
請求項1に記載の時系列信号特徴推定装置であって、
前記対数振幅時間差分算出部は、前記対数振幅時間差分ΔtlogAn,k/Δtnを、n1<n<n2を満たすnについては中心差分近似により算出し、
δ1、δ2を非零の数とし、
前記時系列信号特徴算出部は、前記群遅延特性GDn,kを、n1<n<n2を満たすnについては次式により算出する
Figure 2018097430
ことを特徴とする時系列信号特徴推定装置。
The time-series signal feature estimation device according to claim 1,
The logarithmic amplitude time difference calculation unit calculates the logarithmic amplitude time difference Δ t logA n, k / Δt n for n satisfying n 1 <n <n 2 by center difference approximation,
Let δ 1 and δ 2 be non-zero numbers,
The time-series signal feature calculation unit calculates the group delay characteristic GD n, k for n satisfying n 1 <n <n 2 according to the following equation:
Figure 2018097430
A time-series signal feature estimation apparatus.
窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を
Figure 2018097430
Figure 2018097430
(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、
離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、
前記振幅An,k(nは整数、k1,k2はk2-k1≧1を満たす整数、k=k1, k1+1,…, k2)から、離散時間tnについて離散角周波数ωkにおける対数振幅logAn,kの角周波数差分である対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを算出する対数振幅角周波数差分算出部と、
前記対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkから、次式を用いて離散時間tn、離散角周波数ωkにおける瞬時周波数IFn,kを時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と
Figure 2018097430
を含む時系列信号特徴推定装置。
Discrete time t n of discrete short-time Fourier transform of time series signal analyzed using Gaussian window with standard deviation σ (σ is a positive real number) as window function, discrete angular frequency ω k (n is discrete time index) Integer, k is an integer representing the discrete angular frequency index)
Figure 2018097430
Figure 2018097430
(Where f s is the sampling frequency and N is the discrete Fourier transform score),
Let A n, k be the amplitude at discrete time t n and discrete angular frequency ω k ,
The amplitude A n, k (n is an integer, k 1, k 2 is an integer satisfying k 2 -k 1 ≧ 1, k = k 1, k 1 + 1, ..., k 2) from the discrete time t n A logarithmic amplitude angular frequency difference calculating unit for calculating a logarithmic amplitude angular frequency difference Δ ω logA n, k / Δω k that is an angular frequency difference of the logarithmic amplitude logA n, k at the discrete angular frequency ω k ;
The logarithmic amplitude angular frequency difference delta omega logA n, from k / [Delta] [omega k, the time-series signal for calculating discrete time t n using the following equation, the instantaneous frequency IF n in a discrete angular frequency omega k, a k as time series signals, wherein With the feature calculator
Figure 2018097430
A time-series signal feature estimation device.
請求項3に記載の時系列信号特徴推定装置であって、
前記対数振幅角周波数差分算出部は、前記対数振幅角周波数差分ΔωlogAn,k/Δωkを、k1<k<k2を満たすkについては中心差分近似により算出し、
δ4、δ5を非零の数とし、
前記時系列信号特徴算出部は、前記瞬時周波数IFn,kを、k1<k<k2を満たすkについては次式により算出する
Figure 2018097430
ことを特徴とする時系列信号特徴推定装置。
The time-series signal feature estimation device according to claim 3,
The logarithmic amplitude angular frequency difference calculation unit calculates the logarithmic amplitude angular frequency difference Δ ω logA n, k / Δω k for k satisfying k 1 <k <k 2 by center difference approximation,
Let δ 4 and δ 5 be non-zero numbers,
The time-series signal feature calculator calculates the instantaneous frequency IF n, k for k satisfying k 1 <k <k 2 according to the following equation:
Figure 2018097430
A time-series signal feature estimation apparatus.
窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を
Figure 2018097430
Figure 2018097430
(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、
離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、
前記振幅An,k(n1,n2はn2-n1≧1を満たす整数、n=n1, n1+1,…, n2、k=0, 1,…, N-1)から、k=0,1,…, N-2の各kについて離散角周波数ωkからωk+1にかけての群遅延特性の符号反転値の積分値である群遅延特性積分値Σ(-GD)n,kを算出する群遅延特性積分値算出部と、
k0を0以上N-1以下のある整数、位相の初期値をφn,k_0とし、
前記群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k(k=k0, k0+1,…, N-2)から、次式を用いて、k=k0+1から昇順に位相φn,k(k=k0+1,…, N-1)を時系列信号特徴として算出し、
Figure 2018097430
前記群遅延特性積分値Σ(-GD)n,k(k=0, 1,…,k0-1)から、次式を用いて、k=k0-1から降順に位相φn,k(k=0, 1,…,k0-1)を時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と
Figure 2018097430
を含む時系列信号特徴推定装置。
Discrete time t n of discrete short-time Fourier transform of time series signal analyzed using Gaussian window with standard deviation σ (σ is a positive real number) as window function, discrete angular frequency ω k (n is discrete time index) Integer, k is an integer representing the discrete angular frequency index)
Figure 2018097430
Figure 2018097430
(Where f s is the sampling frequency and N is the discrete Fourier transform score),
Let A n, k be the amplitude at discrete time t n and discrete angular frequency ω k ,
The amplitudes A n, k (n 1 and n 2 are integers satisfying n 2 −n 1 ≧ 1, n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k = 0, 1,..., N−1 ) To k = 0,1,..., N-2, the group delay characteristic integral value Σ (− that is the integral value of the sign inversion value of the group delay characteristic from the discrete angular frequency ω k to ω k + 1 for each k. GD) a group delay characteristic integral value calculation unit for calculating n, k ;
k 0 is an integer between 0 and N-1, and the initial phase value is φ n, k_0 ,
From the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k (k = k 0 , k 0 +1,..., N−2), the phase φ is ascending from k = k 0 +1 using the following equation: n, k (k = k 0 +1, ..., N-1) are calculated as time series signal features,
Figure 2018097430
From the group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k (k = 0, 1,..., K 0 −1), using the following equation, the phase φ n, k in descending order from k = k 0 −1 a time series signal feature calculating unit for calculating (k = 0, 1,..., k 0 -1) as a time series signal feature;
Figure 2018097430
A time-series signal feature estimation device.
請求項5に記載の時系列信号特徴推定装置であって、
前記群遅延特性積分値算出部は、請求項1に記載の時系列信号特徴推定装置を用いて、前記振幅An,k(n=n1, n1+1,…, n2、k=0, 1,…, N-1)から、k=0,1,…, N-1の各kについて群遅延特性GDn,kを算出し、前記群遅延特性GDn,kから、k=0,1,…, N-2の各kについて前記群遅延特性積分値Σ(-GD)n,kを算出する
ことを特徴とする時系列信号特徴推定装置。
The time-series signal feature estimation apparatus according to claim 5,
The group delay characteristic integral value calculation unit uses the time-series signal feature estimation device according to claim 1 to calculate the amplitudes A n, k (n = n 1 , n 1 +1,..., N 2 , k = 0, 1,..., N-1), the group delay characteristic GD n, k is calculated for each k of k = 0, 1,..., N−1 , and from the group delay characteristic GD n, k , k = The group delay characteristic integral value Σ (−GD) n, k is calculated for each k of 0, 1,..., N−2.
窓関数として標準偏差σ(σは正の実数)のガウス窓を用いて分析される時系列信号の離散短時間フーリエ変換の離散時間tn、離散角周波数ωk(nは離散時間インデックスを表す整数、kは離散角周波数インデックスを表す整数)を
Figure 2018097430
Figure 2018097430
(ただし、fsは標本化周波数、Nは離散フーリエ変換の点数である)、
離散時間tn、離散角周波数ωkにおける振幅をAn,kとし、
前記振幅An,k(n0を整数、mを正の整数、n=n0, n0+1,…, n0+m、k1,k2はk2-k1≧1を満たす整数、k=k1, k1+1,…, k2)から、n=n0, n0+1,…, n0+m-1の各nについて離散時間tnからtn+1にかけての瞬時周波数の2π倍の積分値である瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n,kを算出する瞬時周波数算出部と、
位相の初期値をφn_0,kとし、
前記瞬時周波数積分値Σ(2πIF)n,k(n=n0, n0+1,…, n0+m-1)から、次式を用いて、n=n0+1から昇順に位相φn,k(n=n0+1,…, n0+m)を時系列信号特徴として算出する時系列信号特徴算出部と
Figure 2018097430
を含む時系列信号特徴推定装置。
Discrete time t n of discrete short-time Fourier transform of time series signal analyzed using Gaussian window with standard deviation σ (σ is a positive real number) as window function, discrete angular frequency ω k (n is discrete time index) Integer, k is an integer representing the discrete angular frequency index)
Figure 2018097430
Figure 2018097430
(Where f s is the sampling frequency and N is the discrete Fourier transform score),
Let A n, k be the amplitude at discrete time t n and discrete angular frequency ω k ,
The amplitude A n, k (n 0 is an integer, m is a positive integer, n = n 0 , n 0 +1,..., N 0 + m, k 1 and k 2 satisfy k 2 −k 1 ≧ 1. Integer, k = k 1 , k 1 +1, ..., k 2 ) and n = n 0 , n 0 +1, ..., n 0 + m-1 for each n of discrete times t n to t n + 1 An instantaneous frequency calculation unit for calculating an instantaneous frequency integral value Σ (2πIF) n, k that is an integral value of 2π times the instantaneous frequency
The initial value of the phase is φ n_0, k
From the instantaneous frequency integrated value Σ (2πIF) n, k (n = n 0 , n 0 +1,..., N 0 + m−1), using the following formula, phase is increased from n = n 0 +1 in ascending order a time-series signal feature calculator that calculates φ n, k (n = n 0 +1,..., n 0 + m) as a time-series signal feature;
Figure 2018097430
A time-series signal feature estimation device.
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の時系列信号特徴推定装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。   A program for causing a computer to function as the time-series signal feature estimation apparatus according to any one of claims 1 to 7.
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