Kepstrum

Das Cepstrum wurde 1963 in einem Artikel von Bogert, Healy und Tukey als eine neue Transformation eines Signals in die Nachrichtentechnik eingeführt. In jenem Artikel wird das Cepstrum eines Signals informell als das Spektrum des logarithmierten Frequenzspektrums (Fourierspektrums) dieses Signals festgelegt. Die Bezeichnung Cepstrum leitet sich aus dem Begriff Spectrum ab, indem die ersten vier Buchstaben in der Reihenfolge umgekehrt wurden.

Das Cepstrum ist eine Funktion der sogenannten „Quefrenz“ (engl. „Quefrency“, entstanden aus dem Wort „Frequency“). Zur Erläuterung:

• Das Spektrum eines Signals ist eine Funktion der Variablen Frequenz.
• Das Cepstrum ist (als Spektrum einer Funktion im Frequenzbereich) die Funktion einer neuen Variablen. Für diese Variable wurde im o. g. Originalartikel der Begriff Quefrency eingeführt. Die Dimension der Quefrenz ist identisch mit der Dimension der unabhängigen Variablen der betrachteten ursprünglichen Funktion, aus der das Spektrum gebildet wurde. Für ein zeitabhängiges Signal hat die Quefrenz also die Dimension Zeit.

Exakt formuliert ist das Cepstrum die inverse Fourier-Transformierte („Alanysis“) des logarithmierten, durch Division mit einer Bezugsgröße G₀ dimensionslos gemachten, einseitigen Autoleistungsspektrums; so gilt z. B. für C_xx(τ), das Cepstrum für das Zeitsignal x(t) mit dem Autoleistungsspektrum G_xx(f):

$C_{xx}(\tau) = \int_0^\infty \ln \left(\frac{G_{xx}(f)}{G_0}\right) \cdot e^{\mathrm{j} 2 \pi f \tau} \,df$

Der Vorteil der Cepstrumfunktion gegenüber der Autokorrelationsfunktion, die auf ähnliche Weise berechnet werden kann, liegt in der Logarithmierung im Frequenzbereich begründet. Hierdurch gehen Multiplikationen (z. B. eines Spektrums mit einem Frequenzgang) in Additionen über. Dies bleibt wegen des linearen Charakters der (inversen) Fouriertransformation auch im Cepstrum gültig. Hierdurch sind harmonische Anteile im Signal deutlich zu erkennen, auch wenn sie nur relativ kleine Amplituden aufweisen. Die Cepstrumanalyse eignet sich daher besonders zur Trennung der Auswirkungen von Quelle und Übertragungseigenschaften, so z. B. zum Auffinden von Echos und eventuell zur Unterdrückung der Echoauswirkungen durch Fensterung (als Ableitung von „Filtering“ mit „Liftering“ bezeichnet) des Cepstrums im nicht vom Echosignal beeinflussten Bereich. Durch „Liftering“ können auch harmonische Anteile in einem Signal von den übrigen Anteilen getrennt werden, was z. B. in der Sprachanalyse und bei der Schadensfrüherkennung an Maschinen Anwendung findet. Im letzteren Fall wird der Umstand ausgenutzt, dass sich Schäden an Maschinen mit umlaufenden Bauteilen häufig durch einen Anstieg der harmonischen Komponenten im Luft- oder Körperschall andeuten.

Siehe auch

• MFCC

Literatur

B. P. Bogert, M. J. R. Healy und J. W. Tukey: The Quefrency Alanysis of Time Series for Echoes: Cepstrum, Pseudo-Autocovariance, Cross-Cepstrum, and Saphe Cracking. Proceedings of the Symposium on Time Series Analysis (Hrsg.: M. Rosenblatt), Kapitel 15, S. 209-243. New York: Wiley, 1963

K. R. Holland: The Use of Cepstral Analysis in the Interpretation of Loudspeaker Frequency Response Measurements. Proceedings of the Institute of Acoustics, Vol. 15, Part 7, 1993, S. 65-71

S. Wendt, G. A. Fink, und F. Kummert: Vorwärtsmaskierung für cepstrum-basierte Spracherkennungssysteme. In W. Hess und K. Stöber (Hrsg.): Elektronische Sprachsignalverarbeitung, Band 22, Studientexte zur Sprachkommunikation, S. 85-91, Bonn: 2001

A. V. Oppenheim und R. W. Schafer: From Frequency to Quefrency: A History of the Cepstrum. IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 21, Issue 5, Sept. 2004, S. 95-106

R. B. Randall, J. Hee: Cepstrum Analysis. Brüel & Kjaer Technical Review (ISSN 0007-2621) Nr. 3, 1981

Weblinks

Anwendung auf Echos: http://www.libinst.com/cepst.htm

Grundlagen: http://cnx.rice.edu/content/m12469/latest/

Schadensfrüherkennung: http://www.dliengineering.com/downloads/Automated%20Rolling%20Contact%20Bearing.pdf