DE1903623C3 - Elektrischer Sprach-Synthetisator - Google Patents
Elektrischer Sprach-SynthetisatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Sprach-Syniheiisator
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solcher Sprach-Synthetisator ist aus der US-Patentschrift 28 17 707 bereits bekannt. Die Veränderung
tier Dämpfung erfolgt hier in Abhängigkeit davon, ob die wiederzugebende Spraehwellenform einen stimmhaften
oder einen stimmlosen Laut enthält.
Heim Prozeß der menschlichen Spracherzeugung werden durch Erregung der Stimmbänder die verschiedenen
Resonan/.hohlräumc der menschlichen Sprachwerk/etigc
zur Erzeugung einer Spraehwellenform erregt, welche durch Konzentration akustischer Energie
im Frequen/.spckiriim charakterisiert sind, die als Formanten bezeichnet werden. Jeweils unmittelbar vor
jeder aufeinanderfolgenden Erregung (d. h. jedem I.aut-
oder Tonimpuls) wird durch die Slimmritzendiimpfung der Gütefaktor (J der verschiedenen Rcsonunzhohlräume
von einem hohen auf einem niedrigen Wert herabgesetzt, um ein »Übertragen« der in den
Rcsonanzhohlräumen erzeugten Schwingtingssignale
auf die jeweils folgenden Laut- bzw. Tonimpulse zu verhindern.
In einem Formani-Voeoder werden Signale, welche
die Frequenzen und Amplituden der Formanten eines Spnichlauts wiedergeben, übertragen und zur Steuerung
eines Formanien-Synlhetisators verwendet, der drei oder mehrere Resonanzkreise enthält. Damit das
von diesem synthetisierte Sprachsignal eine wesensgemäße Nachbildung der von dem menschlichen Sprcchmcchani'iimis
erzeugten Sprachwellenlorm wird, müssen die Resonanzkreise einen hohen (λWert besitzen.
Ohne Dämpf.ing führt dies zu einem »Übertragen« der Signale in den Resonanzkreisen zwischen aufeinanderfolgenden
Erregungen, und damit zu geringerer Qualität tier synlhetisieiten Spraehwellenform. Versuche, die
Qualität tier synthetisierten Spraehwellenform ohne Dämpfung durch eine solche Ausbildung der Resonanzkreise
zu verbessern, daß diese einen Q-Faktor irgendwo zwischen dem gedämpften und dem ungedämpften
Wert besitzen, haben sich nicht als erfolgreich erwiesen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Qualität tier von einem derartigen Formant-Vocoder
erzeugten Sprachwellenformen derart zu verbessern, daß ein »Übertiagen« der Schwingungen der betreffenden
Resonanzkreise ties Syntholisators zwischen
aufeinanderfolgenden Laut- bzw. Tonimpuisen vermieden
wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen elektrischen Sprach-Synthetisator der eingangs genannten
Λπ mit tlen kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruchs I.
Nach dem Grundgedanken tier Erfindung ist somit in ili \ Synthetisator des Formant-Vocoders ein Stimmritzcndämpfungs-Generalor
vorgesehen. Dieser Generator ist mit einem Ausgang des Laut- bzw. Tongenerators
des Synthetisators sowie mit einem Eingang wenigstens
eines der Formant-Resonatoren des Synthetisators ■erblinden und setzt den (^-Faktor des bzw. der
Resonatoren) mit welchem(n) er verbunden ist. für eine kurze Zeitperiode jeweils vor dem Aultreten der
aufeinanderfolgenden Laut- bzw. Tonimpulse herab. Hierdurch werden die Resonanzkreise /.es gleichen Zeit
und praktisch im gleichen Maße gedämpft, wie die Stimmritze die Resonanz-Hohlräume des menschlichen
Sprechapparais dämpft, wodurch die synthetisiert«.·
Sprach wellenform eine bessere Nachbildung der gesprochenen Sprachwellenform wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbcispiel eines
Formant-Vocoders anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; in der Zeichnung zeigt
Fig. I ein Blockschallbild eines Forma nt-Vocoders gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 graphische Darstellungen zur Veranschaulichung
der von dem menschlichen Sprechapparat bzw. von dem Formant-Vocoder erzeugten ersten Formant-Sprachsignale,
F i g. 3 ein .Schallschema eines Teils der Schaltung aus
Fig. 1.
Fig. 1 zeigt im Blockschallbild einen Formant-Vocoder
gema'ü einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Sprachsignal, wie es beispielsweise von einem (nicht
dargestellten) hochwertigen Mikrophon herkömmlicher ArI geliefert wird, wird einem Formanten-Frequenz-
und Ampliliidendetekior 2. einem Laut- bzw. Tondetektor
4 und einem Stimmdetektor 6 zugeführt.
Der Detektor 2 erzeugt Signale, welche dio
Frequenzen / Ί, F> und F) der ersten drei Formanten der
Sprachwellenform wiedergeben, sowie Signale, welche die Amplituden Λι, /l>
und Ai der ersten drei Formanten der Sprachwellenform wiedergeben. Ein zur Vcrwendung
geeigneter Formanten-Frequenz- und Amplitudendeteklor
ist in der US-Patentschrift 24 58 227 beschrieben.
Der Detektor 4 erzeugt ein Signal, dessen Amplitude die Frequenz der Stimmbanderregung, d. h. die Laut-
bzw. Tonfrequenz wiedergibt. Der »Stimmdetektor« 6 mißt die Regelmäßigkeit der Abstände zwischen
benachbarten Laut- bzw. Tonimpulsen und erzeugt ein Signal, welches das Verhältnis von in tier Sprachwellenform
enthaltener harmonischer zu nichtharmonischer Energie wiedergibt. Diese Information dient zur
Unterscheidung zwischen stimmhaften und stimmlosen Lauten. Zur Verwendung geeigneter Laut- bzw.
Tondetektoren unci Stimmdeiekioren sind bekannt.
Die von den Detektoren 2, 4 und 6 erzeugten Signale werden über einen herkömmlichen Übcrtragungskanal
an eine Synihctisatorschaltuiig übertragen. Beispielsweise
kant) die Übertragung der Dctektorsignale in der Weise vorgenommen weiden, daß die Amplitude einer
Hf-Trägcrwelle nach Maßgabe der Amplitude dor Deiektoraiisgangssignale kontinuierlich verändert wird.
Die Ausgangsgröße des Detektors 4 wird auf diese Weise einem frequenzsteuerbaren Laut- bzw. Tonoszillator
8 zugeführt, welcher ein Signal erzeugt, dessen Frequenz eine Funktion der Amplitude des von dem
Detektor <l· zugcführten Steuersignal ist. Da wie zuvor
beschrieben die Amplitude des Laut- bzw. fonsignals eine Funktion der Laut- bzw. Tonfrequenz ist, besitzt
das von dem Oszillator 8 erzeugte Signal eine Frequenz gleich der Laut- bzw. Tonfrequenz des Eingangs-Sprachsignals.
Die Ausgangsgröße des Stimnuletektors 6 wird einer
Torschaltung 10 zugeführt, bie Torschaltung 10 ist
ferner auch mil dem Laul- bzw. Torioszillator 8 sowie
einem Rauschgenerator 12 verbunden. |e nach der Amplitude des Stimmsignals und damit je nachdem, ob
das Sprachsignal stimmhaft oder stimmlos ist, läßt die Torschaltung 10 entweder das Signal von dem
Oszillator 8 oder das Signal von dem Rauschgenerator 12 durch.
Das Ausgangssignal der Torschaltung 10 wird jeweils
parallel Modulatoren 14, 16 und Ϊ8 zugeführt, in den
ίο Modulatoren 14, 16 und 18 wird die Amplitude dieses
Signals nach Maßgabe der Amplitude der die Formant amplituden 4 1,42 und 4 3 wiedergebenden Sigiule
moduliert. Die von den Modulatoren 14, 16 und 18 erzeugten ampliiudenniodulierien Signale werden abstimmbaren
Resonanzkreisen 20, 22 bzw. 24 zugeführt. Die Abstimmung der Resonanzkreise 20,22 und 24 w ird
durch die Formantfrequenzsignale Fl, F2 bzw. FJ gesteuert. Die Ausgangssignale der abstimmbaren
Resonanzkreise 20,22 und 24 werden durch Bandpaßfil· ler 26, 28 bzw. 30 geschickt, die von gleicher Art wie die
in dem Detektor 2 verwendeten Filter sind und zur Beseitigung unerwünschter harmonischer Komponenten
dienen, welche im Verlauf der Bearbeitung der Sprachwellenform eingeführt worden sein können:
ü sodann werden die Signale in der Schaltung 31 zur Erzeugung des synthetisierten Sprechsignals addim
kombiniert.
Die bisher beschriebene Schallung entspricht einem
herkömmlichen Formanien-Vocoder. Nunmehr ist cm
in StiminrilzendämpfungsGenerator 32 vorgesehen, des
sen Eingang mit dem Laut- bzw. Tongenerator 8 verbunden ist und dessen Ausgang parallel mit den
absiimmbaren Resonatoren 20 und 22 verbunden isi.
Wie im folgenden im einzelnen erläutert wird, erzeugt
ü der Generator 32 Dämpfungssignale, welche den
Q-i-akior des ersten und des zweiten Formantresoii.i
tors 20 bzw. 22 herabsetzen. Die zeitliche Steuerung dieser Signale ist so gewählt, daß der φ-Faktor der
Resonatoren 20 und 22 jeweils unmittelbar vor dem
»ο Auftreten der einzelnen aufeinanderfolgenden Lautbzw.
Tonimpulse herabgesetzt wird. Vermutlich infolge seiner örtlichen Lage innerhalb des menschlichen
Sprechtrakls scheint der drille Formant-Resonanzhohlraum
des menschlichen .Sprechapparats nicht durch die
π Stiinmritzenöffnung gedämpft zu sein; daher wird ,inch
der dritte Formant-Resonator in dem Synthetisaior nicht gedämpft.
Im folgenden wird nun anhand der Wellenform-Durstcllungen
in F i g. 2 die Wirkungsweise des Systems
ίο gemäß Fig. 1 beschrieben. Die Wellenform 4 in F i g. 2
veranschaulicht das Amplitudenspektrum des ersten Formanien eines vom menschlichen Sprechtrakt ausgestoßeiien
Lauts. Infolge der Stimmritzendämpfung ist die Amplitude dieses Signals jeweils unmittelbar \or
v> jedem nächstfolgenden Laut- bzw. Tonimpuls P stark
reduziert. Die Kurve B in F i g. 2 veranschaulicht das Amplitudenspektrum des von einem herkömmlichen
Formant-Vocoder synthetisierten ersten Formantsignals.
Anders als bei der Sprachwellenform gemäß
w) Kurve Λ ist die Amplitude dieses Signals jeweils
unmittelbar vor jedem nächstfolgenden Laut- bzw. Tonimpuls noch groß. Somit wird jeweils jedes
Schwingungssignal des ersten Formantresonators auf das nächste Schwingungssignal dieses Resonators
h> überlagert. Diese Überlagerung verzerrt die synthetisierte
Sprachwcllenfurm.
Die Kurve C in F i g. 2 veranschaulicht nun das
Ampliuidenspektrum des Ausgangssignals des ersten
Formantrcsonators. Infolge der Wirkung des Slimmritzcndämpfungsgenerators
32 ist die Amplitude des von dem Resonator 20 abgegebenen Signals jeweils vor
jedem nächstfolgenden Laut- bzw. Tonimpuls stark gedämpft wie bei der Amplitude von durch den
menschlichen Sprechtrakt ausgestoßenen Lauten gemäß Kurve A in Fig. 2. Aus den vorhergehenden
Darlegungen ergib! sich, daß die Verwendung des Stimmritzcndämpfungs-Generaiors 32 die Qualität des
Formant-Vocoders verbessert, weil man so ein besseres. i<
> getreueres elektrisches Analogon des menschlichen Sprechlrakts erhält.
Im folgenden werden nun anhand des Schaltbilds in rig.3 Schaltungen beschrieben, die sich zur Verwendung
als Laut- bzw. Tongenerator 8, als Resonator 20 is und als Stimmritzendämpfungsgenerator 32 gemäß dem
Blockschaltbild in Fig. 1 eignen. Das Laut- bzw. Tonsignal wird der Basis eines Transistors 33 zugeführt,
der Teil einer Ladeschaltung ist, welche des weiteren den Widersland 34 und einen Kondensator 35 aufweist.
Im Nebenschluß zu dieser Ladeschaltung liegt eine Bezugsspannungsschaltung 36. Die an dem Kondensator
35 auftretende Spannung wird als das eine Eingangssignal einem Differentialverslärker 38 mit
hohem Verstärkungsgrad zugeführt, während die Spannung im Knotenpunkt der beiden Widerstände der
Spannungsteilerschaltung 36 als das zweite Eingangssignal dem Differenlialverstärker 38 zugeführt wird.
Der Verstärker 38 gelangt in den Sättigungsbereich in negativer Richtung, sobald die Bezugsspannung größer
als die Spannung an dem Kondensator 35 ist, und entsprechend wird er in positiver Richtung gesättigt,
sobald die Bezugsspannung kleiner als die Spannung an dem Kondensator 35 ist.
Die Spannung an dem Kondensator 35 wird ferner auch dem Emitter eines Unijunktionstransistors 37
zugeführt. Der Unijunktionstransistor 37 ist so vorgespannt, daß er durch die Spannung an dem Kondensator
35 mit der Laut- bzw. Tonimpulsfrequenz zusammenbricht und dadurch über dem Kondensator 39 Laut-
bzw.Tonimpulse erzeugt. Diese Impulse werden in dem monostabilen Multivibrator 41 standardisiert.
Die Ausgangsgröße des Verstärkers 38 wird der Torelektrode eines Feldeffekttransistors 40 sowie einer
Spannungsumkehrschaltung 42 zugeführt. Die Quelle-Elektrode S des Feldeffekttransistors 40 ist mit dem
einen Eingang eines steuerbaren Verlustkompensations-Operationsverstärkers 44 verbunden. Der Widerstand
des Transistors 40 sowie ein Widerstand 43 bilden die Rückführung für den Operationsverstärker 44 und
regeln somit die Verstärkung des Verstärkers 44.
Das erste Formanlfrequenzsignal Fl wird dem Feldeffekttransistor 45 einer spannungsveränderlichen
Hochpaßfilterschaltung 46 sowie dem Feldeffekttransistor 47 einer spannungsveränderlichen Tiefpaßfilterschaltung
48 zugeführt, und zwar über ein Potentiometer 50. Die Filterschaltungen sind durch eine Verstärkerschaltung
52 gelrennt. Die Quelle-Elektrode des Feldeffekttransistors 45 ist mit einem zweiten Eingang
des Operationsverstärkers 44 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 44 ist mit dem Schaltmodulator 14 in
F i g. 1 verbunden, sowie über eine Emitterfolger-Trennschaltung 54 mit der Quelle-Elektrode des Feldeffekttransistors
47 verbunden. Das gedämpfte erste Formantsignal tritt am Ausgang des Verstärkers 44 auf.
Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 3 ist wie folgt: Die Amplitude des Laut- bzw. Tonsignals
bestimmt den Kollektorstrom des Transistors 33 und damit die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 35.
Sobald die Spannung an dem Kondensator 35 sich der Bezugsspannung annähert, steigt das Ausgangspotential
des Verstärkers 38 zeitlich mit der durch den Kollektorstrom des Transistors 33 bestimmten Ladegeschwindigkeit
von einer negativen Sättigungsspannung auf eine positive Sättigungsspannung an. Die Größe der
Bezugsspannung ist so gewählt, daß der Übergang vom negativen zum positiven Sättigungszustand gerade
unmittelbar jeweils vor den einzelnen Laut- bzw. Tonimpulsen der Eingangssprachwellenform stattfindet.
Durch das Ausgangssignal großer Amplitude (positive Sättigung) des Verstärkers 38 steigt der Widerstand
des Transistors 40 an. Da die Verstärkung des Resonanzkreises, welchem Schwingungsenergie von
dem Modulator 14 zugeführt wird, umgekehrt proportional dem Widerstand des Feldeffekttransistors 40 ist,
wird die Verstärkung des Resonanzkreises unmittelbar vor jedem Laut- bzw. Tonimpuls herabgesetzt. Die
Schaltung 42 neutralisiert Einschwingvorgänge, welche aus der Quelle-Tor-Kapazität des Feldeffekttransistors
40 resultieren können. Das Formant-Ausgangssignal wird somit entsprechend unmittelbar vor jedem
aufeinanderfolgenden Laut- bzw. Tonimpuls gedämpft, derart, daß das Ausgangssignal im wesentlichen eine
getreue Nachbildung bzw. Wiedergabe der von dem menschlichen Sprechtrakt erzeugten Sprachwellenform
ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Elektrischer Sprachsynthetisator zur Verwendung in einem System zur Übertragung eines eine
Sprachwcllenform wiedergebenden Signals, mit τ
einem Laut bzw. Tonoszillator, dem den Laut bzw. Toninipulsen der Spraehwellenform entsprechende
Signale zugeführt werden und der in Abhängigkeit hiervon Spannungsimpulse mit der Laut-Tonfivquenz
erzeugt, einer Reihe von parallel zueinander m liegenden, mit dem Laut- bzw. Tonoszillator
gekoppelten Modulatoren, welchen jeweils die den Amplituden der verschiedenen Formanten der
Spraehwellenform entsprechenden Signalen zugeführt werden, mehreren Resonanzschaltungen, de- ii
ren einer Eingang jeweils mit einem der Modulatoren verbunden ist und deren zweiten Eingängen
jeweils eines der die Frequenzen der Formanten der Spracliwellenforni wiedergebenden Signale zugeführt
wird, wobei mit wenigstens einer der jo Resonanzschaltungen eine sprachsignalgesieuerle
Dämpfungsschaltung zur Hedämpfung der Resonanzschaltung
verbunden ist, dadurch g e: kennzeichnet,
daß der Sprach- bzw. Tonoszillator (8) unmittelbar vor den einzelnen Laut- od::r _ί
Tonimpulsen der Eingangssprachwellenforin ein solches Signal an die Dämpfungsschaltung (32)
liefen, daß die Bedämpfung der Resonanzschaltung (20, 22, 24) mit der die Dänipfungssehaltung (Ί2)
verbunden ist, jeweils unmittelbar vor dem Auftrc- :<>
ten eines Laut- bzw. Toniinpulses kurzzeitig erhöht wird.
2. Sprachsynthetisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Resonanzkreis-)
(20, 22) einen veränderbaren ς)-Faktor besitzt bzw. r>
besitzen und daß die Dämpfungsschaltung (32) den C?-Faktor des(r) Resonanzkreisen^) jeweils vor dem
Auftreten jedes einen Laut- bzw. Tonimpulses der nachzubildenden Spraehwellenform entsprechenden
Impulses herabsetzt.
J. Sprachsynthetisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der (bzw. die) Resonanzkreis-)
(20, 22) eine Versiärkervorrichiung (44, Fig. 3) zur
Steuerung der Verstärkung des bzw. der betreffenden Resonanzkreises(e) aufweist und daß die
Dämpfungsschaltung (J2) die Verstärkung der Verstärkungsvorrichtung jeweils unmittelbar vor
dem Auftreten der einzelnen, einem Laut- bzw. Tonimpuls der nachzubildenden Spraehwellenform
entsprechenden Impulse herabsetzt.
4. Sprachsynthetisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschaltung (32,
Fig. 3) einen Diiferentialverstärker (38) hoher Verstärkung, eine mit dem Ausgang des Differentiaiverstärkers
(38) und mit dem Verstärker (44) der Resonanzschaltung (20) verbundene veränderliche
Widerslandsvorrichtung (40) sowie Schaltungsmittel (i I, 15,36) aufweist, mittels welcher der Differentialverstärker
(38) jeweils unmittelbar vor dem Auftreten der einzelnen, einem Laut- bzw. Tonimpuls der
nachzubildenden Sprachwcllcnform entsprechenden Impulse aus einem negativen Sättigungszustand in
einen positiven Sätligungszusland überführbar ist. wodurch der Widerstand der veränderlichen Widersiiindsvorrichtung
(40) und damit die Verstärkung des Verstärkers (44) der Resonanzschaltung (20)
jeweils unmittelbar vor dem Auftreten der genannten Impulse veränderbar ist.
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