瞬時周波数の定義について

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目次

  1. はじめに
  2. 瞬時周波数
  3. 参考文献

はじめに

この記事では,瞬時周波数が数学的に矛盾なく定義できることを証明する.Flandrin (2008) や森勢(2018)など,多くの文献において,複素数値関数f(t)f(t)の瞬時角周波数は次のような形で定義される.

ω(t)=ddtarg⁡f(t) \omega(t) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\arg f(t)

ただし,偏角arg⁡f(t)\arg f(t)の主値はttについてなめらかに変化するように選ぶ.この操作を位相アンラッピングという.この記事では,偏角を含まない瞬時角周波数の式を導出し,適切な仮定の下では位相アンラッピングが可能であることを示す.

瞬時周波数

まず,より正確に瞬時周波数を定義する.

f(t)f(t)をC1C^{1}級複素数値関数とする.時刻t0t_{0}においてf(t0)≠0f(t_{0})\neq 0ならば,t0t_{0}のある開近傍で条件f(t)=∣f(t)∣eiφ(t)f(t)=\lvert f(t)\rvert\mathrm{e}^{\mathrm{i}\varphi(t)}を満たす,C1C^{1}級実数値関数φ(t)\varphi(t)が存在する.φ(t)\varphi(t)の微分係数

ω(t0)=ddt∣t=t0φ(t) \omega(t_{0}) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\biggl\lvert_{t=t_{0}}\varphi(t)

を,関数f(t)f(t)の時刻t0t_{0}における瞬時角周波数 (instantaneous angular frequency) という.また,瞬時角周波数を2π2\piで割った値を瞬時周波数 (instantaneous frequency) という.

この定義で問題になるのは,関数φ(t)\varphi(t)の存在と,瞬時角周波数ω(t0)\omega(t_{0})のwell-definednessである.このうち,瞬時角周波数のwell-definednessはすぐ示せる.実際,関数φ1(t)\varphi_{1}(t),φ2(t)\varphi_{2}(t)がφ(t)\varphi(t)の条件を満たすとき

ei(φ1(t)−φ2(t))=1,φ1(t)−φ2(t)≡0(mod2π) \mathrm{e}^{\mathrm{i}(\varphi_{1}(t)-\varphi_{2}(t))} = 1, \quad\varphi_{1}(t)-\varphi_{2}(t) \equiv 0\pmod{2\pi}

であり,関数φ1(t)\varphi_{1}(t),φ2(t)\varphi_{2}(t)は連続なので,φ1(t)−φ2(t)\varphi_{1}(t)-\varphi_{2}(t)は定数関数である.よって

ddtφ1(t)=ddtφ2(t) \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\varphi_{1}(t) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\varphi_{2}(t)

である.

関数φ(t)\varphi(t)の存在を示すのに複素対数関数を使うので,少しだけ複素対数関数について説明する.00でない複素数zzの関数Log⁡z\operatorname{Log}zを,式

Log⁡z=ln⁡∣z∣+iArg⁡z \operatorname{Log}z = \ln\lvert z\rvert+\mathrm{i}\operatorname{Arg}z

で定義する.ただし,ln⁡∣z∣\ln\lvert z\rvertは自然対数,Arg⁡z\operatorname{Arg}zは偏角の主値であり,条件−π<Arg⁡z≤π-\pi\lt\operatorname{Arg}z\leq\piを満たすとする.Log⁡z\operatorname{Log}zを複素対数関数 (complex logarithm) の主値という.関数Log⁡z\operatorname{Log}zは領域{z∈C∣z∉(−∞,0]}\lbrace z\in\mathbb{C}\mid z\notin(-\infty,0\rbrack\rbraceで正則であり,実数の自然対数と同じ式

eLog⁡z=z,Log⁡(1+z)=∑n=1∞(−1)n+1nzn(∣z∣<1) \mathrm{e}^{\operatorname{Log}z} = z, \quad\operatorname{Log}(1+z) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n}z^{n}\quad(\lvert z\rvert\lt 1)

が成り立つ.ただし,偏角の不定性が原因でLog⁡(ez)=z\operatorname{Log}(\mathrm{e}^{z})=zが成り立つとは限らない.

複素対数関数を利用して,zzとz+Δzz+\varDelta zの位相差を一次近似しよう.位相差は不定性

arg⁡(z+Δz)−arg⁡z=Arg⁡(z+Δzz)+2kπ(k∈Z) \arg(z+\varDelta z)-\arg z = \operatorname{Arg}\biggl(\frac{z+\varDelta z}{z}\biggr)+2k\pi\quad(k\in\mathbb{Z})

があるので,∣Δz∣≪∣z∣\lvert\varDelta z\rvert\ll\lvert z\rvertのとき絶対値が最小である

Arg⁡z+Δzz \operatorname{Arg}\frac{z+\varDelta z}{z}

を一次近似すると

Log⁡z+Δzz=Log⁡(1+Δzz)≃Δzz,Arg⁡z+Δzz≃Im⁡Δzz \begin{gathered} \operatorname{Log}\frac{z+\varDelta z}{z} = \operatorname{Log}\biggl(1+\frac{\varDelta z}{z}\biggr) \simeq \frac{\varDelta z}{z},\\ \operatorname{Arg}\frac{z+\varDelta z}{z} \simeq \operatorname{Im}\frac{\varDelta z}{z} \end{gathered}

となる.よって,zzが実数ttの関数であるとき

Arg⁡((z+Δz)/z)Δt≃Im⁡(1zΔzΔt),lim⁡Δt→0Arg⁡((z+Δz)/z)Δt=Im⁡(1zdzdt) \begin{gathered} \frac{\operatorname{Arg}((z+\varDelta z)/z)}{\varDelta t} \simeq \operatorname{Im}\biggl(\frac{1}{z}\frac{\varDelta z}{\varDelta t}\biggr),\\ \lim_{\varDelta t\to 0}\frac{\operatorname{Arg}((z+\varDelta z)/z)}{\varDelta t} = \operatorname{Im}\biggl(\frac{1}{z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\biggr) \end{gathered}

である.これは位相の変化率の極限だから,瞬時角周波数に相当するはずである.そこで,関数z=f(t)z=f(t)に対して

ω(t)=Im⁡(1zdzdt),φ(t)=Arg⁡(f(t0))+∫t0tω(τ) dτ \begin{gathered} \omega(t) = \operatorname{Im}\biggl(\frac{1}{z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\biggr),\\ \varphi(t) = \operatorname{Arg}(f(t_{0}))+\int_{t_{0}}^{t}\omega(\tau)\,\mathrm{d}\tau \end{gathered}

とおく(ただしf(t0)≠0f(t_{0})\neq 0とする).このとき,次の命題が成立する.

正数δ\deltaを,∣t−t0∣<δ\lvert t-t_{0}\rvert\lt\deltaであるすべてのttについて

f(t)≠0,∣Arg⁡f(t)f(t0)∣<π f(t) \neq 0, \quad\biggl\lvert\operatorname{Arg}\frac{f(t)}{f(t_{0})}\biggr\rvert \lt \pi

が成立するように十分小さくとる.このとき,命題

∣t−t0∣<δ  ⟹  f(t)=∣f(t)∣eiφ(t) \lvert t-t_{0}\rvert \lt \delta \implies f(t) = \lvert f(t)\rvert\mathrm{e}^{\mathrm{i}\varphi(t)}

が成立する.

r=∣f(t)∣r=\lvert f(t)\rvert,x=Re⁡f(t)x=\operatorname{Re}f(t),y=Im⁡f(t)y=\operatorname{Im}f(t)とおく.∣t1−t0∣<δ\lvert t_{1}-t_{0}\rvert\lt\deltaならば

ln⁡∣f(t1)f(t0)∣=∫∣f(t0)∣∣f(t1)∣drr=∫t0t11rdrdt dt \ln\biggl\lvert\frac{f(t_{1})}{f(t_{0})}\biggr\rvert = \int_{\lvert f(t_{0})\rvert}^{\lvert f(t_{1})\rvert}\frac{\mathrm{d}r}{r} = \int_{t_{0}}^{t_{1}}\frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t

より

∣f(t1)∣eiφ(t1)=∣f(t0)∣exp⁡(ln⁡∣f(t1)f(t0)∣+iφ(t1))=∣f(t0)∣exp⁡(iArg⁡(f(t0))+∫t0t1(1rdrdt+iω(t)) dt)=f(t0)exp⁡(∫t0t1(1rdrdt+iω(t)) dt) \begin{aligned} &\lvert f(t_{1})\rvert\mathrm{e}^{\mathrm{i}\varphi(t_{1})}\\ &= \lvert f(t_{0})\rvert\exp\biggl(\ln\biggl\lvert\frac{f(t_{1})}{f(t_{0})}\biggr\rvert+\mathrm{i}\varphi(t_{1})\biggr)\\ &= \lvert f(t_{0})\rvert\exp\biggl(\mathrm{i}\operatorname{Arg}(f(t_{0}))+\int_{t_{0}}^{t_{1}}\biggl(\frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}+\mathrm{i}\omega(t)\biggr)\,\mathrm{d}t\biggr)\\ &= f(t_0)\exp\biggl(\int_{t_{0}}^{t_{1}}\biggl(\frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}+\mathrm{i}\omega(t)\biggr)\,\mathrm{d}t\biggr) \end{aligned}

である.被積分関数は

1rdrdt=1x2+y2ddtx2+y2=xx2+y2dxdt+yx2+y2dydt=Re⁡(zˉ∣z∣2dzdt),1rdrdt+iω(t)=Re⁡(1zdzdt)+iIm⁡(1zdzdt)=1zdzdt \begin{gathered} \begin{aligned} \frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t} &= \frac{1}{\sqrt{x^{2}+y^{2}}}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\sqrt{x^{2}+y^{2}}\\ &= \frac{x}{x^{2}+y^{2}}\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}+\frac{y}{x^{2}+y^{2}}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\\ &= \operatorname{Re}\biggl(\frac{\bar{z}}{\lvert z\rvert^{2}}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\biggr), \end{aligned}\\ \begin{aligned} \frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}+\mathrm{i}\omega(t) &= \operatorname{Re}\biggl(\frac{1}{z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\biggr)+\mathrm{i}\operatorname{Im}\biggl(\frac{1}{z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\biggr)\\ &= \frac{1}{z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t} \end{aligned} \end{gathered}

と変形できるので

∫t0t1(1rdrdt+iω(t)) dt=∫t0t11zdzdt dt=∫γdzz \int_{t_{0}}^{t_{1}}\biggl(\frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}+\mathrm{i}\omega(t)\biggr)\,\mathrm{d}t = \int_{t_{0}}^{t_{1}}\frac{1}{z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}t}\,\mathrm{d}t = \int_{\gamma}\frac{\mathrm{d}z}{z}

である.ただし,γ\gammaは曲線γ(s)=f((1−s)t0+st1)\gamma(s)=f((1-s)t_{0}+st_{1})(0≤s≤10\leq s\leq 1)である.

曲線γ\gammaは関数Log⁡(z/f(t0))\operatorname{Log}(z/f(t_{0}))が正則である領域の内部にあり,また

ddzLog⁡zf(t0)=1z \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}z}\operatorname{Log}\frac{z}{f(t_{0})} = \frac{1}{z}

だから,コーシーの積分定理より

∫γdzz=[Log⁡zf(t0)]f(t0)f(t1)=Log⁡f(t1)f(t0) \int_{\gamma}\frac{\mathrm{d}z}{z} = \biggl\lbrack\operatorname{Log}\frac{z}{f(t_{0})}\biggr\rbrack_{f(t_{0})}^{f(t_{1})} = \operatorname{Log}\frac{f(t_{1})}{f(t_{0})}

である.よって

∣f(t1)∣eiφ(t1)=f(t0)exp⁡(Log⁡f(t1)f(t0))=f(t1) \lvert f(t_{1})\rvert\mathrm{e}^{\mathrm{i}\varphi(t_{1})} = f(t_{0})\exp\biggl(\operatorname{Log}\frac{f(t_{1})}{f(t_{0})}\biggr) = f(t_{1})

である.

参考文献

  1. Flandrin, Patrick. “Time-Frequency Energy Distributions: An Introduction”. Time-Frequency Analysis: Concepts and Methods. Hlawatsch, Franz; Auger, François, eds. Wiley-ISTE, 2008, p. 18-36.
  2. 森勢将雅. 日本音響学会編. 音声分析合成. コロナ社, 2018, 272p., (音響テクノロジーシリーズ, 2).
  3. 矢田部浩平ほか. 小特集, 位相情報を考慮した音声音響信号処理: 位相変換による複素スペクトログラムの表現. 日本音響学会誌. 2019, vol. 75, no. 3, p. 147-155. https://www.jstage.jst.go.jp/article/jasj/75/3/75_147/_article/-char/ja/, (参照 2023-08-30).