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関西学院大学 理工学部 理工学部

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(1)

Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

シグナル シグナル

プロセシング プロセシング

関西学院大学

関西学院大学 理工学部 理工学部

2003 2003 年度秋学期 年度秋学期

教授 教授 川端 川端 豪 豪

(2)

Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

【 【 補足事項 補足事項 】 】 講義の進め方 講義の進め方

1.見て 2.聞いて

3.書いて 覚える

(3)

Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

【 【 補足事項 補足事項 】 】 講義の進め方 講義の進め方

0.復習 (前回のノートを見ながら思い出す)

スライドごとに1〜3を繰り返す 1.スライドを見る

2.スライドの説明を聞く

3.理解した内容をノート (説明は中断)

この間はノート

せずに話を聞く

(4)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

第一章 第一章 序論 序論

(5)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

シグナルプロセシング シグナルプロセシング

本講義で扱うのは、

「 Digital Signal Processing 」

本講義の目標

コンピュータによる音声処理・画像処理のベースと

なる、ディジタル信号処理の基礎理論を習得。時間

と周波数の間の密接な関係を直感的に知る。

(6)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

信号とは何か?

信号とは何か?

• 信号 (signal) :情報を運ぶ物理量

⇒ (例)光、音、電気信号

情報=信号によって運ばれる抽象概念

情報理論 ⇒ 本講では論じない

信号=具体的に観測できる物理現象

信号理論

(7)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

ウィナーの信号理論 ウィナーの信号理論

• ウィナー (Wiener) フィルタ

高品質の音声通信

脳波・地震波の解析

+ フィルタ 信号

雑音

信号だけを 取り出したい

まだ アナログの

世界

(8)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

ディジタル信号処理 ディジタル信号処理

• 信号を、数値(データ)化することで、

コンピュータによる信号処理が行える。

振幅の数値化

誤差論 ⇒ 本稿では論じない

時間の数値化

離散時間の理論

(

ディジタル信号処理

)

(9)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

本講義の目標

本講義の目標 (1) (1)

• ディジタル信号における「時間と周波数」の 関係を直感的に理解。

(A) フーリエ級数

(B) フーリエ変換

(C) z-変換

(D) 離散的フーリエ変換

連続周波数

周期性なし-f 0 f t

連続時間周期性なし

t

離散時間周期性なし

t

離散時間周期性あり

離散周波数

周期性なし-f 0 f

離散周波数

周期性あり-f 0 f t

連続時間周期性あり

連続周波数

周期性あり-f 0 f

(10)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

本講義の目標

本講義の目標 (2) (2)

• 「ディジタルフィルタ」 (コンピュータによる 信号フィルタ)の概念を学ぶ。

z -1

z -1

z -1

z -1

z -1

z -1

a 1

a 2 b 1

b 2

a 3 b 3

b 0 x n

x n-1

x n-2

y n

y n-1

y n-2

入力 信号

出力

信号

(11)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

どういう領域に適用できるか?

どういう領域に適用できるか?

• 生理学、医用工学

• 音響学、ソナー、レーダー

• 地震学

• データ通信、メディア通信

• 音声認識、合成

• 画像認識、 CG

more ...

(12)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

講義の進め方 講義の進め方

コンピュータによる音声処理・画像処理のベースと なる、ディジタル信号処理の基礎理論を講義。時間 と周波数の関係を直感的に理解。

より深い理解のために 「微分積分学

I

」 を習得し ておくことが望ましい。

視聴覚機器と板書を併用して講義を進める。

定期試験に出席状況を加味し総合評価。

(13)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

参考書 参考書

萩原将文著

『ディジタル信号処理』

(森北出版、

2001

)。

宮川、城戸他著

『ディジタル信号処理』

(電子情報通信学会編、

1975

)。

(14)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

オフィスアワー オフィスアワー

• 授業内容についてもっと質問したい。

• 授業の進め方について意見がある。

• その他、いろいろ相談したい。

• 2003 年度秋学期は、毎週水曜日 III 限、

川端教授室 (IV-3F-32) 、部屋の前の

白板に注意

(15)

序論 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

主なトピック 主なトピック

序論

(0)

基礎概念

(1)

フーリエ級数

(2)

フーリエ変換

(3)(4)

• z-

変換と離散フーリエ変換

(5)(6)

時間窓と周波数スペクトル

(7)

サンプリング定理

(8)

時間窓と周波数スペクトル

(9)

ディジタルフィルタ

(10)(11)(12)

(16)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

第二章 第二章 基礎概念 基礎概念

(17)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

基礎概念 基礎概念

• 音声とは? 画像とは?

• ディジタル信号処理

• 時間の離散化

標本化(サンプリング)

• 周期、周波数、角周波数

(18)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

音声とは?

音声とは? 画像とは? 画像とは?

• 音声とは

(主として)空気の弾性振動

圧力を振幅にとって「波形」表示

• 画像とは

電磁波、2次元信号、高分解能

time

pressure

(19)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

ディジタル信号処理 ディジタル信号処理

• 信号を、数値(データ)化することで、

コンピュータによる信号処理が行える。

A/D 変換

D/A CPU 変換

メモリ

コンピュータ 信号

入力

信号

出力

(20)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

ディジタル信号処理

ディジタル信号処理 (2) (2)

• 信号を、数値(データ)化することで、

コンピュータによる信号処理が行える。

振幅の数値化

誤差論 ⇒ 本講では論じない

時間の数値(離散)化

離散時間の理論

(

ディジタル信号処理

)

(21)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間の離散化 時間の離散化

• 標本化(サンプリング)

(例)音声波形のサンプリング

(22)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間の離散化

時間の離散化 (2) (2)

• 標本化(サンプリング)

一定の時間間隔で音声波形の振幅を測定

⇒ 波形を数値の列に変換

(23)

基礎概念 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間の離散化

時間の離散化 (3) (3)

• 標本化の非可逆性に注意

異なる波形が同じ数値系列 に変換される。

(24)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

第三章 第三章 フーリエ級数 フーリエ級数

(25)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

信号って何だったかな?

信号って何だったかな?

• たとえば音声は

(主として)空気の弾性振動

圧力を振幅にとって「波形」表示

time

pressure

周期 T

周期というのは 繰り返しの時間

間隔のこと

(26)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

音の三要素 音の三要素

• 大きさ

• 高さ

• 音色

time

pressure

音の大きさ 音の高さ

⇒ 「音色」を決めるのは何か?

(27)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

周期、周波数、角周波数 周期、周波数、角周波数

周期

(period)

基本周波数

(fundamental frequency)

基本角周波数

(fundamental angular frequency)

f T 1

0

=

T

f T 1

2

2

0

0

π π

ω = =

[ s ]

[ Hz ]

[ rad/s ]

(28)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ級数 フーリエ級数

• フーリエ級数 (Fourier series)

「任意の周期波形はその周波数及びその 整数倍周波数の余弦波・正弦波の和に 展開できる」

=

 

 

 +

+

=

1

0

cos 2 sin 2

) (

n

n

n

t

T b n

T t a n

a t

f π π

(29)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ級数

フーリエ級数 (2) (2)

• フーリエ級数 (Fourier series)

dt T t

t n T f

b

dt T t

t n T f

a

T t b n

T t a n

a t

f

T n T

T n T

n

n n

=

=

=

 

 

 +

+

=

2 /

2 /

2 /

2 / 1 0

2 sin )

2 (

2 cos )

2 (

2 sin 2

cos )

(

π π

π

π

(30)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

パワーと位相 パワーと位相

n n n

n n

n

n n

n n

a b

b a

A

T t A n

T t b n

T t a n

1

2 2

tan

2 cos 2

sin 2

cos

=

+

=

= +

γ

γ π

π π

An 2 をパワー と呼ぶ γn を位相と呼

: Power

: Phase

(31)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

音色とフーリエ級数 音色とフーリエ級数

• 倍音 (harmonics)

ある周波数及び整数倍周波数の正・余弦波

• 「音色」は倍音のパワー概形で決まる

T

t

1 5 10 15

n

フーリエ級数

(パワー)

波形

(32)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ級数と複素指数関数 フーリエ級数と複素指数関数

• 複素数

• 複素数の加法

• 複素数の乗法

(33)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ級数と複素指数関数

フーリエ級数と複素指数関数 (2) (2)

• 複素関数

定義域、値域が複素数である関数

• 複素指数関数

( y j y )

x y

j

x ) exp( ) cos sin

exp( + ≡ +

(34)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

【 【 補足 補足 】 】 (実)指数関数 (実)指数関数

( ) e

x

x

y = exp( ) =

x y

1 0

(35)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ級数と複素指数関数

フーリエ級数と複素指数関数 (3) (3)

• オイラーの公式

( )

( exp( ) exp( ) )

2 sin 1

) exp(

) 2 exp(

cos 1

θ θ

θ

θ θ

θ

j j j

j j

=

− +

=

(36)

フーリエ級数 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ級数と複素指数関数

フーリエ級数と複素指数関数 (4) (4)

• フーリエ級数の複素指数関数による表現

dt T t

j n t

T x c

a c

T t j n

c t

x

T n T

n

n

−∞

=

 

 

 −

=

=

 

 

= 

2 /

2 / 0

0

2 exp

) 1 (

2 exp

) (

π

π

(37)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

第四章 第四章 フーリエ変換 フーリエ変換

(38)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換 フーリエ変換

• 任意の周期波形はその周波数及びその整数 周波数の余弦波・正弦波の和に展開できる

⇒ フーリエ級数

• 波形に周期性がない場合は?

⇒ フーリエ変換

(39)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

思考実験 思考実験

同じ波形で周期を長くする

T

→ ∞

T

pressure time

T ’

pressure time

pressure time

周期性が

なくなる

(40)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換の導出 フーリエ変換の導出

• フーリエ級数の複素指数関数による表現

dt T t

j n t

T x c

a c

T t j n

c t

x

T n T

n

n

−∞

=

 

 

 −

=

=

 

 

= 

2 /

2 / 0

0

2 exp

) 1 (

2 exp

) (

π

π

(41)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換の導出

フーリエ変換の導出 (2) (2)

c

n

を代入

 

 

 

 

 

 

 

 

 −

=

 

 

= 

∑ ∫

−∞

=

−∞

=

T t j n

dt T t

j n t

T x

T t j n

c t

x

n

T T n

n

π

π π

2 exp

2 exp

) 1 (

2 exp

) (

2 /

2 /

(42)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換の導出

フーリエ変換の導出 (3) (3)

• 変数変換 Δω= 2 π /T

( )

( j n t )}

dt t

n j t

x t

x

n

T T

ω

ω π ω

 

  

  ∆ − ∆

=

−∞

=

exp

exp )

2 ( 1

) (

2 /

2 /

(43)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換の導出

フーリエ変換の導出 (4) (4)

• 極限をとる T → ∞ , Δω → 0,

n Δω → ω

( ω ) ( ω ) ω

π x t j t dt j t d

t x

exp exp

) 2 (

1 ) (

∫ ∫

 

  −

=

(44)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換の導出

フーリエ変換の導出 (5) (5)

• フーリエ変換 (Fourier Transform)

( )

( j t ) dt

t x X

d t

j X

t x

=

=

ω ω

ω ω

π ω

exp )

( )

(

exp )

2 ( ) 1

(

フーリエ 変換

逆フーリエ 変換

(45)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

周期を長くすると 周期を長くすると

T

time

T ’

time time

周期性が なくなる

n

n

ω

Δω(=2π/T)

(46)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換の記号 フーリエ変換の記号

• フーリエ変換

• 逆フーリエ変換

( )

[ ( ) ]

exp )

2 ( ) 1

(

1

ω

ω ω

π ω

X d

t j

X t

x

= ∫

( ) [ ] ( )

exp )

( )

( x t j t dt x t

X ω = ∫

− ω ≡ ℑ

(47)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

パワーと位相 パワーと位相

• フーリエ変換は「複素関数」である

⇒ 実数ωに対し複素数の値をとる

(1)

実数部と虚数部の組で表す または

(2)

パワーと位相の組で表す

• 信号のスペクトル (Spectrum) 表現

(48)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

パワーと位相

パワーと位相 (2) (2)

• トーンバースト波形のスペクトル表現

0 1kHz

RealImaginary

0 1kHz

PowerPhase

(49)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

exp(j

exp(j ω ω t t ) )

• 導出されたフーリエ変換を特徴 づける要素

にはどういう意味があるのか?

( )

( j ω j t ω t )

exp

,

exp

(50)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間遅れとフーリエ変換 時間遅れとフーリエ変換

τ

time

pressure

time

pressure

時間を遅らせた 波形のフーリエ 変換はどうなる

(51)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間遅れとフーリエ変換

時間遅れとフーリエ変換 (2) (2)

• 波形 x( t - τ ) のフーリエ変換

[ ] ( )

( ) ( )

( ) [ ] ( )

exp

) (

exp )

( exp

exp )

( )

(

t x j

dt t

j t

x j

dt t

j t

x t

x

=

=

=

− ℑ

ωτ

τ ω

τ ωτ

ω τ

τ

フーリエ変換の世界で の時間遅れを表す

(52)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換とフーリエ級数 フーリエ変換とフーリエ級数

• 連続スペクトル、線スペクトル

( )



 

= 



 

−

=



 

−

 =

 

=

T X n

dt T T t

j n t

T x c

dt T t

j n t

T x X n

dt t

j t

x X

T n T

π π

π π

ω ω

2 1

exp 2 )

1 (

exp 2 )

2 (

exp )

( )

(

2 /

2 /

ω=2nπ/T を代入

定係数 (1/T) を

除いて一致

(53)

フーリエ変換 Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

フーリエ変換とフーリエ級数

フーリエ変換とフーリエ級数 (2) (2)

フーリエ変換を標本化 ⇒ フーリエ級数

0 1kHz

Real

フーリエ変換 フーリエ級数 間隔は

2π/T

周波数軸 上の標本 化が出現

(54)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

第五章 第五章 z z - - 変換とDFT 変換とDFT

(55)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

z z - - 変換 変換 ( ( 準備 準備 ) )

• スペクトルの帯域制限とそのフーリエ級数

スペクトルの帯域を制限

仮想的な繰り返しを導入

ωm

-ωm 0

X( ω )

(56)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

z z - - 変換 変換 ( ( 準備 準備 ) ) (2) (2)

X( ω ) を繰り返し波形とみてフーリエ級数 を求める

p n

T t

X t

x

m

ω ω

ω

2

) (

)

(

(57)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

z z - - 変換 変換 ( ( 準備 準備 ) ) (3) (3)

X( ω ) のフーリエ級数

ω ω ω

π ω ω

ω ω π

ω

ω

ω

p d

j X

c

j p c

X

m

m m

m p

p m

p

−∞

=

 

 

= 

 

 

 −

=

2 2 exp

) 2 (

1

2 2 exp

)

(

(58)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

z z - - 変換 変換 ( ( 準備 準備 ) ) (4) (4)

X( ω ) のフーリエ級数

2 ω

m

c

p

x

p

と変数変換

ω ω ω

π ω

ω ω ω π

ω

ω

ω

p d

j X

x

j p x

X

m

m m

p

p m

p m

−∞

=

 

 

= 

 

 

 −

=

2 2 exp

) (

2 2 2 exp

) 1

(

(59)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

z z - - 変換 変換 ( ( 準備 準備 ) ) (5) (5)

X(

ω

)

のフーリエ級数

x(t)

のフーリエ変換

ω ω ω

π ω

ω ω ω π

ω

ω

ω p d

j X

x

j p x

X

m

m m

p

p m

p m

−∞

=





=





=

2 2 exp

) (

2 2 2 exp

) 1 (

( )

(

ω

)

ω

π ω

ω ω

d t j X

t x

dt t j t

x X

exp )

2 ( ) 1

(

exp )

( )

(

=

=



 

 ⋅

= x p

x

m

p

ω

π π

2

(60)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間の標本化 時間の標本化

スペクトルを帯域制限し、周波数軸上で繰り返す

⇒ 時間軸上に離散(標本)化が出現

なお、因果性を考えて p 0 とする。

 

 

 ⋅

= x p

x

m

p

ω

π π

2

これが n p

符号を反転させ ておいた理由

(61)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

「 「 z z 」 」 の導入 の導入

X(

ω

)

のフーリエ級数 の式に

z

を導入

=

−∞

=

=

 

 

 −

=

0

) (

2 2 2 exp

) 1 (

p

p p

p m

p m

z x

z X

j p x

X ω

π ω ω ω



 

≡ 

ω

ω π

m

j z exp

係数変更 因果性より p 0

(62)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

「 「 z z 」 」 の導入 の導入 (2) (2)

X(

ω

)

のフーリエ級数 の式に

z

を導入

ω ω

ω ω ω

π ω

ω ω ω

ω

d z

z X

p d j

X x

m

m m

m

p m

m p

=

 

 

= 

) 2 (

1

2 2 exp

) (



 

≡ 

ω

ω π

m

j z exp

(63)

z-変換とDFT Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

「 「 z z 」 」 の導入 の導入 (3) (3)

積分変数

の変更

dz z

z j X

d z

z X x

p p m

p

m

m

=

=

)

1

2 ( 1

) 2 (

1

π ω ω

ω ω

dz z

j d

j

z m

m

exp  = 1



π ω ω

ω ω π

(64)

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「 「 z z 」 」 の導入 の導入 (4) (4)

z

は複素平面の単位円 上の点



 

⋅ 

 +

 

≡ 



 

≡ 

ω ω ω π

ω π

ω ω π

m m

m

j j

z

sin cos

Im exp

Re +j

0 ω 1

-j -1

(65)

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z z - - 変換 変換

z- 変換 ( z- Transform)

• 逆 z- 変換

dz z

z j X

x

z x

z X

p p

p

p p

=

=

=

1 0

) 2 (

1 )

(

π

(66)

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「 「 z z 」 」 とは何か? とは何か?

• 思い出そう

「 exp (- j ω τ ) は時間遅れ」

• ならば、

は、τ=π/ω

m

の時間遅れを意味する。

 

 

 −

= ω

ω π

m

j

z

1

exp

(67)

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「 「 z z 」 」 とは何か? とは何か? (2) (2)

z- 変換の世界では「時間軸上の標本化」

が起きている

標本化周期

標本化周波数

標本化角周波数

)

(

m

T

s

= π ω

) (

1

s

ω

m

π

s

T

f = =

) 2

(

2

s m

s

π f ω

ω = =

(68)

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z z - - 変換の記号 変換の記号

z- 変換

• 逆 z- 変換

[ ]

( )

[ ]

( ( ) )

) 2 (

1 )

(

1 1

0

z X

Z dz

z z

j X x

x Z z

x z

X

p p

p p

p p

=

=

=

π

(69)

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周期性と離散化 周期性と離散化

フーリエ変換 z- 変換 フーリエ級数 ? 

時間

周期性 なし

周期性 あり

周波数

連続

離散

連続 時間 離散

周期性

周波数

なし

周期性 あり

DFT DFT

(70)

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離散フーリエ変換 離散フーリエ変換

• DFT (Discrete Fourier Transform)

時間軸上でも周波数軸上でも、周期的かつ 離散的な値をとる。

=

=

 

 

 ⋅ ⋅

=

 

 

 − ⋅ ⋅

=

1

0 1

0

exp 2 1

exp 2

N

k

k p

N

n

p k

p N k

j N X

x

p N k

j x

X

π

π

(71)

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高速フーリエ変換 高速フーリエ変換

• FFT (Fast Fourier Transformation)

離散フーリエ変換を高速に計算するアルゴリ ズム

• 理論的には N = r

m

と書ける任意の r, m 適用可能だが、実際にはほとんど r = 2 が用 いられる

詳細は参考書

(72)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

第六章 第六章

時間窓と周波数スペクトル

時間窓と周波数スペクトル

(73)

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離散化の代償 離散化の代償

コンピュータで信号処理をするためには時間及び 周波数領域における離散化が必要

時間の離散化

⇒周波数の繰り返し (⇒LPFによる帯域制限)

周波数の離散化

⇒時間の繰り返し (⇒無限回の繰り返しは非現実的)

サンプリング 定理

(74)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間窓 時間窓

• 無限回の繰り返しは非現実的

有限の時間範囲(「時間窓」)で周波数分析

すると何が起きるのか?

(75)

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時間窓 時間窓 (2) (2)

無限に繰り返す離散波形

(時間)窓関数

(time window function)

窓関数によって切り出された波形

) ( p x

) ( p w

) (

)

( p w p

x

(76)

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時間窓 時間窓 (3) (3)

) ( p x

) ( p w

) (

)

( p w p

x

(77)

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時間窓 時間窓 (4) (4)

波形とそのスペクトル

窓関数とそのスペクトル

=

=

=

= 1

0 1

0

exp 2 2 ,

1 exp N

p

p k

N

k

k

p k p

j N x

X p

N k j N X

x π π

=

=

=

= 1

0 1

0

exp 2 2 ,

1 exp N

p

p k

N

k

k

p k p

j N w

W p

N k j N W

w π π

(78)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

時間窓 時間窓 (5) (5)

窓関数によって切り出された波形 のスペクトルは

p

p

w

x

q k N

q

q N

p

p p k

W N X

k N p

j w

x G

=

=

=

=

=

1

0 1

0

1

2 ) exp(

L

π

自習課題:

左式を導出 しなさい

たたみ込み(convolution)計算という

(79)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

たたみ込み計算 たたみ込み計算

X

q

q

W

k

q k N

q

q

W

X

= 1

0

q

k

k

(80)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

たたみ込み計算

たたみ込み計算 (2) (2)

• 窓関数とのたたみ込みにより、周波数 スペクトルの平滑化が起こる

q

W

k

k

メインローブ という

サイドローブ という

平滑化の度合 に影響 平滑化の度合

に影響 メインローブ

の幅 メインローブと

サイドローブの レベル差

(81)

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いろいろな窓関数

いろいろな窓関数 (1) (1)

• 方形窓 (rectangular window)

T は窓の長さ

Ts はサンプリング周期

) (

) (

0 ) 1

(

2

1 2

1

else

T T

n n T

w

R

− < ⋅

s

<

 

= 

(82)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

いろいろな窓関数

いろいろな窓関数 (2) (2)

• ハミング窓 (Hamming window)

T は窓の長さ

Ts はサンプリング周期」

) (

2 cos

46 .

0 54

. 0 )

(

2 1 2

1

T n T T

T T n n

w

s

s M

<

<

 

 

 ⋅

+

= π

(83)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

いろいろな窓関数

いろいろな窓関数 (3) (3)

• ハニング窓 (Hanning window)

T は窓の長さ

Ts はサンプリング周期

) (

2 cos

5 . 0 5

. 0 )

(

2 1 2

1

T n T T

T T n n

w

s

s N

<

<

 

 

 ⋅

+

= π

(84)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

窓関数の周波数平滑特性 窓関数の周波数平滑特性

‑120

‑100

‑80

‑60

‑40

‑20 0

440 880 (Hz)

0 (db)

Rectangular Hamming Hanning

440Hzの 正弦波に 各種時間 窓をかけ て周波数

分析

(85)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

方形窓の特徴 方形窓の特徴

‑120

‑100

‑80

‑60

‑40

‑20 0

440 880 (Hz)

0 (db)

Rectangular Hamming Hanning

メインローブ幅が小さい ⇒ 周波数分解能が高い

サイドローブのレベルが大きい ⇒ 小さい成分が埋もれやすい

(86)

時間窓と周波数スペクトル Copyright © 2003-2004 by Takeshi Kawabata

ハミング&ハニング窓の特徴 ハミング&ハニング窓の特徴

‑120

‑100

‑80

‑60

‑40

‑20 0

440 880 (Hz)

0 (db)

Rectangular Hamming Hanning

メインローブ幅が大きい ⇒ 周波数分解能が低め

ハミング窓は中間的な特性

サイドローブのレベルが小さい

⇒ 小さい成分も検出できる メインローブ幅が大きい ⇒ 周波数分解能が低め

参照

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