[論文レビュー] Simultaneous measurement of time-invariant linear and nonlinear, and random and extra responses using frequency domain variant of velvet noise

Hideki Kawahara, Ken‐Ichi Sakakibara+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2020

Advanced Electrical Measurement Techniques参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、周波数ドメイン版ベロシティノイズ（FVN）の直交シーケンスを用いた新規周波数ドメイン手法を提案し、追加のハードウェアを必要とせずに、線形時不変、非線形時不変、およびランダム／時変音響応答を同時に測定する。FVNの高い設計自由度を活用することで、カスタムオープンソースツールを介してリアルタイムでインタラクティブな解析が可能となり、シミュレーションおよび実際のラウドスピーカー測定により検証された。

ABSTRACT

We introduce a new acoustic measurement method that can measure the linear time-invariant response, the nonlinear time-invariant response, and random and time-varying responses simultaneously. The method uses a set of orthogonal sequences made from a set of unit FVNs (Frequency domain variant of Velvet Noise), a new member of the TSP (Time Stretched Pulse). FVN has a unique feature that other TSP members do not. It is a high degree of design freedom that makes the proposed method possible without introducing extra equipment. We introduce two useful cases using two and four orthogonal sequences and illustrates their use using simulations and acoustic measurement examples. We developed an interactive and realtime acoustic analysis tool based on the proposed method. We made it available in an open-source repository. The proposed response analysis method is general and applies to other fields, such as auditory-feedback research and assessment of sound recording and coding.

研究の動機と目的

• 音響システムにおける線形時不変、非線形時不変、およびランダム／時変応答を同時に測定する手法を開発すること。
• 現実世界のノイズや非線形性を有するシステムにおいて、理想的な線形性と時不変性を仮定する従来のTSPベース手法の制限を克服すること。
• 専用機器や複雑な後処理を用いずに、システム応答の同時分解を可能にすること。
• 提案されたFVN手法に基づくオープンソースでリアルタイムかつインタラクティブな音響解析ツールの開発。
• 聴覚フィードバック研究やオーディオ録音品質評価など、他の分野への応用可能性の拡張。

提案手法

• 2つの一様分布したランダムシーケンスから導出されるユニットFVNを用い、高い設計柔軟性を持つ位相変調信号を生成する。
• ユニットFVNとバイナリーシーケンスを組み合わせて直交FVNシーケンスを構築し、複数のシステム応答の分離を可能にする。
• 2シーケンスおよび4シーケンス構成を用いて、線形時不変、非線形時不変、およびランダム／時変成分を分離する。
• FVN生成のための滑らかでエネルギーが集中した位相関数を設計するために、6項コサイン級数近似を適用する。
• 相互相関および逆フィルタリング技術を用いて、時間領域および周波数領域におけるインパルス応答の抽出とシステム挙動の分解を実行する。
• インパルス応答、パワーエンvelope、および余剰応答スペクトルの可視化を備えたリアルタイムでインタラクティブな解析ツールに統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FVNに基づく直交シーケンスは、追加のハードウェアを必要とせずに、線形、非線形、時変音響応答を同時に測定可能か？
• RQ2 FVN手法は、現実世界の音響システムにおける非線形成分および時変成分の解像度において、従来のTSP技術と比較してどのように優れているか？
• RQ3 提案手法は、実際のラウドスピーカー測定において、背景ノイズ、干渉、非線形歪みをどの程度分解可能か？
• RQ4 この手法は、聴覚フィードバックやオーディオコーディング品質評価などの他の分野へ一般化可能か？
• RQ5 FVN設計パrameterが、ノイズ環境下での測定精度および耐障害性に与える影響はいかほどか？

主な発見

• FVNに基づく手法は、直交FVNシーケンスのみを用いて、音響システムにおける線形時不変、非線形時不変、およびランダム／時変成分を成功裏に分離した。
• シミュレーションおよび実測データから、インパルス応答の初期30 msおよびパワースペクトルが最小限の歪みで正確に捉えられていることが確認された。
• 4つの直交FVNシーケンスの使用により、3種類すべての応答タイプの同時分解が可能となり、余剰成分にはノイズ、非線形性、移動効果が反映された。
• 開発されたオープンソースツールは、macOSおよびWindows 10でリアルタイム測定と可視化をサポートし、自動キャリブレーションおよび測定結果のファイル保存機能を備える。
• 日常的な音響環境、たとえば背景ノイズや動的変化を伴うシステム変化に対しても、本手法は耐障害性を示した。
• 本手法は、聴覚フィードバック研究や、音声信号に対するロスレスオーディオ圧縮の影響評価など、他の分野へ一般化可能であることが示された。