DE3114189A1 - Phonemorientierter sprachgenerator in integrierter schaltung - Google Patents
Phonemorientierter sprachgenerator in integrierter schaltungInfo
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Description
31U189
Die Erfindung betrifft die Spracherzeugung, insbesondere einen phonemorientierten Sprachgenerator, der sich besonders für die
praktische Ausführung auf einer einzigen verkapselten integrierten Schaltung eignet.
Bekannte phonemorientierte Sprachgeneratorn wiesen hauptsächlich einen Rachenraum aus mehreren Resonanzfiltern auf. Aus mehreren
wichtigen Gründen wurde es somit als unzweckmäßig betrachtet, Rachenräume dieser Art in integrierter Schaltung herzustellen.
Zuerst brauchen abstimmbare Resonanzfilter dieser Art, die meist bei Rachenräumen verwendet werden, Widerstände und Kondensatoren
mit verhältnismäßig hohen Werten, um im verhältnismäßig niedrigen Frequenzbereich der menschlichen Stimme Resonanzfrequenzen
zu erzeugen. Bauteile mit hohen Werten vergrößern erheblich den Umfang einer integrierten Schaltung. Zweitens sind die Resonanzfilter
des Rachenraumes Präzisionsfilter, die schwer in integrierter
Schaltung innerhalb der erforderlichen Toleranzgrenzen herzustellen sind.
Die Erfindung verwendet eine neuartige kapazitive Schalttechnik zur Schaffung des Rachenraumes sowie von Funktionen, die von zusätzlichen
Parametern gesteuert werden, wodurch die vorstehenden erwähnten Schwierigkeiten vermieden werden und der erfindungsgemäße
Sprachgenerator sich besonders für die Ausführung als ein einziges Siliciumplättchen in integrierter Schaltung eignet. Die
kapazitive Schalttechnik erübrigt nicht nur Bauteile mit hohen Werten im Rachenraum, sondern auch die genaue Steuerung oder Regelung
dieser Werte und damit auch der Größe der abstimmbaren Bau-
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teile im Rachenraum. Bei der erfindungsgemäßen kapazitiven Schalttechnik
ist es lediglich von Bedeutung, daß das Verhältnis der Werte des abstimmbaren Bauteils genau gesteuert wird, wodurch es
erheblich leichter wird, das während der Herstellung erforderliche hohe Genauigkeitsniveau einzuhalten.
Außerdem umfaßt der erfindungsgemäße Sprachgenerator eine neuartige
digitale Übergangsschaltung, welche Werte von bestimmten Steuersignalparametern zwischen den verschiedenen, verschiedenen Phonemen
zugeordneten Werten für den eingeschwungenen Zustand fortschreitend überträgt. Auf diese Weise werden benachbarte phonetische
Töne richtig integriert, wodurch sie eine natürlich klingende Sprache erzeugen.
Der erfindungsgemäße Sprachgenerator umfaßt auch eine neuartige
Schaltung zur Darstellung der Stimmritze, welche das Stimmritzenimpulssignal
digital so erzeugt, daß seine Wellenform in jeder gewünschten Weise spektral geformt werden kann. Der erfindungsgemäße
Sprachgenerator weist einen einzigen verkapselten Siliciummikrobaustein oder Chip auf, der phonetisch ununterbrochene Sprache
unbegrenztem Vokabulars aus niedrigen Dateneingabegeschwindigkeiten erzeugt. Die Anlage umfaßt einen Festspeicher (ROM) mit
Parameterwerten für vierundsechzig verschiedene Phoneme, die durch ein 6-Bit-Befehlswort abgerufen werden. Zwei weitere Eingabebits
sind zur Veränderung der Tonhöhe oder Modulation der stimmhaften Phoneme vorgesehen. Die Steuerparameter werden durch den .Festspeicher
in Multiplex-Weise auf einer parallelen 8-Bit-Ausgangssammelschiene
erzeugt. Die Steuer- oder Regelparameter, die zur Regelung des Rachenraumes dienen, werden zunächst an eine neuarti-
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ge digitale Übergangsschaltung angelegt, welche den fortschreiten-1
den Übergang der Veränderungen der Werte für den eingeschwungenen Zustand der Parameter sorgt, die von Phonem zu Phonem auftreten.
Die digitale Übergangsschaltung erfüllt diese Aufgabe in einer
neuartigen Weise, indem sie laufend 1/8 der Differenz zwischen dem
Sollparameterwert und dem Istparameterwert zum Sollparameterwert addiert und das Ergebnis als neuen Sollparameterwert verwendet.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Übergangsschaltung
mit einer Frequenz taktgesteuert, die einen Parameter ergibt, der annähernd 70 % seines Sollwertes in 33 msec erreicht.
Die von der digitalen Übertragungsschaltung abgegebenen Steuersignalparameter
gelangen an den Rachenraum, wo sie die Resonanzfrequenzen der Resonanzfilter sowie das Einprägen der Erregerenergie
für die Vokale und Reiblaute in den Rachenraum regeln. Außerdem ist wie üblich die Güte (Q) oder Bandbreite des nasale
Phoneme erzeugenden Resonanzfilters getrennt regelbar. Die verschiedenen
parametergesteuerten Funktionen werden durch parallele digitale 4-Bit-Parameter-Signale in die Praxis umgesetzt, wobei
das Kapazitätsverhältnis von Kondensatornetzwerken in den geregelten Schaltungen wahlweise gesteuert werden. Die Kondensatorkreise
werden dann bei einer bestimmten Frequenz an- und abgeschaltet, so daß sie in wirksamer Weise ein Potentiometer simulieren.
Der Stimmritzengenerator erzeugt einen Stimmritzenimpuls, dessen Grundfrequenz sich in Abhängigkeit von der Einstellung der beiden
Stimmodulationsbits verändert. Außerdem ist ein bestimmter Grad von automatischer Stimmodulationssteuerung vorgesehen, indem auch
die Grundfrequenz des Stimmritzensignals im umgekehrten Verhältnis
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zur Bewegung der Resonanzfrequenz des Resonanzfilters im Rachenraum
verändert wird. Der spektrale Verlauf des Stimmritzenimpulses wird durch wahlweise Einstellung der analogen Gleichspannungssignalpegel
gestuert, die an den parallelen Eingängen einer Multiplex-Schaltung
anliegen. Die Wahleingänge des Multiplexers sind an den Ausgang eines Zählers geführt, der mit einer bestimmten
Frequenz taktgesteuert wird. Die Wellenform des am seriellen Ausgang des Multiplexers erzeugten Stimmritzensignals enthält daher
eine in Segmenten ausgedrückte Annäherung eines analogen Stimmritzenimpulses, wobei die Pegel der verschiedenen Segmente durch
vorgegebene Gleichspannungspegel bestimmt werden.
Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung
enUiall-c>m>n Merkmale und Maßnahmen können von orfindungswesentlicher
Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein Gesamtblockschaltbild des erfindungsgemäßen
Sprachgenerators.
Fig. 2-8 einen Stromlaufplan des Sprachgenerators der
Fig. 2-8 einen Stromlaufplan des Sprachgenerators der
Fig. I.
Fig. 9 ein Widerstandsersatzschaltbild des in Fig. 4
Fig. 9 ein Widerstandsersatzschaltbild des in Fig. 4
gezeigten Teiles der Rachenraumschaltung.
Fig. 10 ein Wellenformbeispiel eines Stimmritzenimpulses. Fig. 11 ein Taktsignaldiagramm mit Darstellung der Beziehung
zwischen verschiedenen Taktsignalen und der Multiplexanordnung, welche die Regelparameter
durch einen Parameterfestspeicher erzeugt.
Fig. 12 eine schematische Ansicht des Parameterfestspei
chers mit Darstellung der Art und Weise, in welcher die Regelparameterwerte im Festspeicher ge-
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IZ
speichert werden.
Fig. 13 eine Modellschaltung zur Darstellung der Arbeits
weise der erfindungsgemäßen kapazitiven Schalttechnik.
Fig. 14 ein Taktsignaldiagramm mit Darstellung der Be
ziehung zwischen sich nicht überlappenden Taktsignalen 01 und 02 des kapazitiven Schaltkreises.
Fig. 1 zeigt ein Gesamtblockschaltbild des erfindungsgemäßen phonemorientierten
Sprachgenerators 20. Die erfindungsgemäße Anlage soll
durch einen digitalen 8-Bit-Eingangsbefehl gesteuert werden. Sechs
der Eingangsbits 22 aus dem digitalen Befehl dienen zur Phonemwahl,
und die restlichen zwei Bits 56 zur Veränderung des Modulationspegels oder der Tonhöhe des Audioausgangssignals. Die sechs Phonemwahlbits
22 werden durch ein Übergabesignal auf einer Übergabeleitung 24 in einen 6-Bit-Signalspeicher 26 eingegeben, dessen
sechs parallele Ausgänge an die sechs Adresseneingänge höherer Ordnung eines Parameterfestspeichers 40 geführt sind. Das Übernahmesignal
auf der Leitung 24 löscht auch einen Ausgabesignalspeicher 28, welcher die Ausgangsleitung 30 für Bestätigungs- und Anforderungssignale
(A/R) auf einer Ausgangsleitung 30 niederpegelig schaltet, um den Eingang neuer Daten zu bestätigen. Das niederpegelige
Signal auf der A/R-Leitung 30 gelangt auch an eine Phonemtaktgeber-, Verzögerungs- und Pausentaktgeberschaltung 44, wo der
Phonemtaktzähler beaufschlagt wird.
Der Parameterfestspeicher 40 (ROM 40) enthält Daten für vierundsechzig
verschiedene Phoneme, die durch die sechs Phonemwahlbits 22 abgerufen werden. Für jedes der vierundsechzig Phoneme enthält
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ROM 40 zwölf Regelsignalparameter, welche die Phoneme elektronisch
darstellen. Die einzelnen in ROM 40 gespeicherten Regelsignalparameter weisen vorzugsweise vier Auflösungsbits auf, wodurch sechzehn
verschiedene Werte für jeden Parameter geschaffen werden mit Ausnahme des Phonemtaktsteuerparameters, der sieben Auflösungsbits
und damit hundertachtundzwanzig mögliche Werte enthält. Der Parameterfestspeicher
40 soll den entsprechenden Satz von Steuersignalparameterwerten erzeugen, welche das durch die Phonemwahlbits 22
auf seinen acht Datenausgangsleitungen im Mehrfachbetrieb gekennzeichnete
spezielle Phonem bilden, so daß zu jedem gegebenen Zeitpunkt jeweils zwei 4-Bit-Regelparameter auf den acht Datenausgangsleitungen
anliegen, wieder ausgenommen jedoch der Phonemtaktsteuerparameter, der sieben der acht Datenausgangsleitungen verwendet.
Der ROM 40 wird außerdem durch drei Parameterwahlbits 48 abgerufen,
die vom Ausgang einer Taktgeberschaltung 38 an seinen drei niederpegeligen Adresseingängen anliegen. Der Taktgeber 38 besitzt einen
Haupttaktgeber 32, der ein Haupttaktsignal mit einer Frequenz erzeugt, die von den Werten eines externen RC-Gliedes abhängt, das
mit dem Eingangsanschluß MCRC verbunden ist. Der Eingang MCRC kann auch an Masse gelegt sein und ein externes Taktsignal direkt am
Zusatztakteingang MCX anliegen. Das Ausgangssignal des Haupttaktgebers 32 gelangt an einen Welligkeitszähler 34, der acht Ausgangstaktsignale
mit verschiedenen vorgegebenen Frequenzen erzeugt. Drei der vier Taktsignale sind Parameterwahlbits, die über die Leitung
48 an die niederpegeligen Adresseneingänge des ROM4 0 gelangen. Die
Ausgangssignale des Welligkeitszählers 34 liegen dann an einem Signalspeicher mit nicht überlappendem Zweiphasentaktkreis 36 an,
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der zwölf Taktsignale erzeugt, die in allen Teilen der Anlage verwendet
werden.
Zusammenfassend kennzeichnet somit die sechs Phonemwahlbits 22 das
gewünschte Phonem, und die drei Parameterwahlbits 48 bestimmen, welcher der zwölf Regelsignalparameter, die das gekennzeichnete
Phonem bilden, an den Datenausgangsleitungen des ROM40 zu einem
gegebenen Zeitpunkt während der Phonemzeitspanne anliegen. Bestimmte RegelSignalparameter, die in den Rachenraum gelangen sollen,
bedürfen einer Übergangsbehandlung, um die abrupten Veränderungen zu glätten, die in den Werten der Regelparameter von einem Phonem
zum nächsten auftreten. Somit sind die Datenausgangsleitungen, welche diese Regelsignalparameter des Parameterfestspeichers führen,
an eine digitale Übergangsschaltung 50, welche die gewünschte übergangsfunktion
digital durchführt. Die vom Parameterfestspeicher abgehenden Datenausgangsleitungen, welche die restlichen, verschiedene
Taktgabeaufgaben betreffende Regelsignalparameter führen und die keiner Übergangsbehandlung bedürfen, gelangen direkt zur Phonemtaktgeber-,
Stimm- und Schließverzögerungs- und Pausentaktsteuerungsschaltung 44. Diese nachstehend näher beschriebene Schaltung 44 umfaßt
einen Zähler, der mit einer Frequenz taktgesteuert ist, welche durch den Phonemtaktsteuerparameter festgelegt wird, um die Dauer
eines jeden Phonems zu steuern. Die Zählgeschwindigkeit des Zählers
wird von der Frequenz des Taktsignals auf der Leitung 43 vom Ausgang des Phonemnebentaktgeberkreises 42 bestimmt, der hauptsächlich
aus einem Oszillator besteht, dessen Frequenz durch den Phonemtaktsteuerparameter geregelt wird. Erreicht der Zähler eine
bestimmte Zählung, so wird auf einer Leitung 45 ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Ausgangssignalspeicher 28 ansteuert, wodurch
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die A/R-Ausgangsleitung 30 hochpegelig wird und anzeigt, daß neue
Phonemdaten angefordert werden.
Der Taktgeber 44 besitzt auch ein Stimm- und Schließverzögerungsnetzwerk,
das hauptsächlich aus einer Größenvergleichseinrichtung besteht, welche die Ausgangszählung des Phonemtaktzählers mit den
Werten der Regelsignalparameter der Stimm- und Schließverzögerung vergleichen soll, wenn die Signale an den Ausgängen des ROM40 anliegen.
Greift die Größenvergleichsschaltung einen gleichwertigen Zustand ab, wird die Verzögerungszeit beendet. Der Zweck des Regelsignalparameters
für die Stimmverzögerung besteht darin, die Übertragung der Steuersignale für die Amplitude der Stimme zu verzögern
und damit auch die Einspeisung der Stimmerregungsenergie in den Rachenraum für eine Zeitspanne während bestimmter phonetischer
übergänge von Reiblaut zu Vokal zu verzögern oder beizubehalten, die kleiner ist als die Dauer eines Einzelphonems, wobei die
Amplitude des Reiblautanteils schnell abklingt, während gleichzeitig die Amplitude des Selbstlautanteils rasch ansteigt. Die
Verzögerungsfunktion wird immer dann durchgeführt, wenn ein Stimmverzögerungs-
oder Schließverzögerungssteuersignal anliegt, indem die digitale Übergangsschaltung 50 während der Übertragungszeit
der Regelsignalparameter für die Selbstlaut- und die Reiblautamplitude praktisch "eingefroren" wird, wobei der Zeitraum durch den
Wert der Regelparameter für die Stimmverzögerung und Schließverzögerung gegeben wird. Diese Funktion wird durch einen nachstehend
näher erläuterten Starrhaiteübergangskreis 46 durchgeführt, der die
Lesen/Schreiben-Leitung 47 (R/W) mit einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) in der digitalen Übergangsschaltung 50 verklammert.
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Die von der digitalen Übergangsschaltung 50 abgegebenen Steuersignale
werden durch eine Verriegelungsschaltung 52 in Abhängigkeit von entsprechenden Taktsignalen des Taktgebers 38 entschachtelt,
die über einen Synchronisiertaktgeber 54 zur Taktsteuerung der Verriegelungsschaltungen 52 her anliegen. Außerdem erzeugt eine
Stimmritzenschaltung 58 ein Stimmritzensynchronisiersignal zu Beginn
einer jeden Stimmritzenimpulsperiode, das auch am Synchrotaktgeber 54 über eine Leitung 55 her anliegt, um die Steuersignale
F1,F2,F2Q und F3 gegen die Übergangsschaltung 50 zu sperren.
Das Stimmerregungssignal wird durch einen Stimmritzengenerator 58 in Abhängigkeit von zwei Modulationswahlbits 56 des digitalen
8-Bit-Eingangsbefehls erzeugt, welche die Grundfrequenz des Stimmritzensignals
regeln. Außerdem wird ein bestimmter Grad von automatischer Modulationssteuerung dadurch gegeben, daß auch die Grundfrequenz
des Stimmerregungssignals in Abhängigkeit vom umgekehrten Wert (F1) des Steuersignals F1 verändert wird. Das daraus entstehende
Stimmerregungssignal gelangt dann an eine Stimmamplitudenschaltung 62, welche die Amplitude des Stimmerregungssignals in
Abhängigkeit vom Parameter des Stimmamplitudenregelsignals moduliert,
bevor es in den Rachenraum 60 eingespeist wird.
Das Reiblauterregungssignal wird von einem Generator 64 für weißes
Rauschen erzeugt. Bei stimmhaften Reiblauten (z.B. weiches s, v), wenn sowohl Reiblaut- als auch Selbstlauterregungsenergie vorhanden
sind, wird der Erreger 64 für weißes Rauschen nur während des letzten oder "Ruhe"-Teils des Stimmritzenimpulses unter Steuerung
des Signals FGLIED auf der Leitung 65 vom Stimmritzengenerator 58 angeschaltet. Das sich ergebende aus weißem Rauschen bestehende
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Ausgangssignal des Generators 64 gelangt an ein Formnetzwerk 66
für Reiblautamplitude und Hochpaßrauschen, welches das Reiblauterregungssignal filtert und seine Amplitude in Abhängigkeit vom
Steuersignal für die Reiblautamplitude moduliert, ehe es unter Steuerung des Reiblautregelparameters (FC) und des umgekehrten
Reiblautregelparameters (FC) in den Rachenraum 6 0 eingespeist wird.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der Rachenraum 60 vier in Reihe geschaltete Resonanzfilter F1,F2,F3 und F5. Die Resonanzfrequenzen
der Filter F1-F3 werden in Abhängigkeit von den Steuersignalparametern F1,F2 und F3 gesteuert. Die Bandbreite oder
Güte der Resonanzfilter zweiter Ordnung (F2) im Rachenraum 60 wird
ebenso durch den Steuersignalparameter F2Q geregelt. Dann gelangt das Ausgangssignal des Rachenraumes 60 an einen Schließkreis 68,
welcher die Amplitude des Audioausgangssignals in Abhängigkeit von einem Schließsteuersignal (CL) abrupt moduliert.
Die Fig. 2-8, vor allem Fig. 2 zeigt einen Stromlaufplan des erfindungsgemäßen
Sprachgenerators 20. Wie bereits anhand der Besprechung der Fig. 1 erwähnt, wird der erfindungsgemäße Sprachgenerator
20 durch einen digitalen 8-Bit-Eingangsbefehl gesteuert. Die sechs Phonemwahlbits 22 (P0-P5) werden parallel den Dateneingängen
(D) eines 6-Bit-Signalspeichers 26 eingespeist. Die an den Phonemwahlleitungen (P0-P5) anliegenden Daten werden in den Signalspeicher
26 durch ein Freigabesignal auf der Leitung 24 eingesteuert, das auch zur Löschung eines Ausgabesignalspeichers 28 dient,
wodurch die Bestätigungs-Anforderungsleitung 30 niederpegelig wird, um den Eingang der neuen Phonemdaten zu bestätigen- Das niederpe-
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gelige Ausgangssignal der Bestätigungs-Änforderungsleitung (A/R)
30 dient auch zum Löschen des Phonemtaktzählers 84, dessen Zweck nachstehend näher erläutert wird. Die Ausgänge Q des Signalspeichers
26 sind an hochpegelige Adresseneingänge (A3-A8) des Parameterfestspeichers 40 geführt. Die drei übrigen niederpegeligen
Adresseneingänge (A0-A2) des Festspeichers ROM40 führen die Parameterwahlbits
48 vom Ausgang des Taktgebers 38. Wie bereits erwähnt, werden die durch die Phonemwahlbits 22 gekennzeichneten
Steuersignalparameter, die das Phonem bilden, an den Datenausgängen (D0-D7) des ROM40 in Abhängigkeit von den drei Parameterwahlbits
48 in Multiplexweise gebildet.
Obwohl allgemein bekannt, werden die vom ROM40 erzeugten verschiedenen
Steuersignalparameter kurz zusammengefaßt, um eine bessere Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung zu
bieten.
Die Regelparameter F1,F2,F3 bestimmen die Stellen der Resonanzfrequenzpunkte
in den ersten drei regelbaren Resonanzfiltern des Rachenraumes. Der Reiblautregelparameter (FC) ersetzt zwei Regelparameter,
die normalerweise bei Sprachgeneratoren dieser Art vorgesehen sind, d.h., die Regelparameter für die Reiblautfrequenz
und den Reiblauttiefpaß. Wenn ein Reiblautphonem niederfrequente Reiblautenergie im Bereich des Formanten F2 braucht, so wurde allgemein
ermittelt, braucht er nicht auch eine erhebliche Menge an hochfrequenter Reiblautenergie im Bereich des Formanten F5 und umgekehrt.
Daher verwendet die Erfindung einen einzigen Reiblautregelparameter (FC) und seine Umkehrung (FC), um die parallele Einspeisung
von nieder- und hochfrequenter Reiblautenergie in den Rachen-
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raum zu regeln. Der Regelparameter F2Q verändert das "Q" oder die Bandbreite des Resonanzfilters (F2) zweiter Ordnung im Rachenraum
und wird hauptsächlich bei der Erzeugung der Nasalphoneme "n", "m" und "ng" eingesetzt. Nasalphoneme weisen meist eine höhere Energiemenge
am ersten Formanten (F1) und einen erheblich niedrigeren und breiteren Energiegehalt bei den höheren Formanten auf. Wird
der Regelparameter F2Q beim Auftreten von Nasalphonemen erzeugt, um das Q zu verringern oder die Bandbreite des Resonanzfilters F2
zu vergrößern, wobei das Filter wegen der Kaskadenanordnung der Resonanzfilter im Rachenraum verhindert, daß bedeutende Energiemengen
die höheren Formanten erreichen. Der Regelparameter (VA) für die Selbstlautamplitude wird erzeugt, wenn ein Phonem mit
einem stimmhaften Anteil auftritt. Der stimmhafte oder Vokalamplitudenregelparameter
sorgt für die Intensität der stimmhaften Komponente im Tonfrequenz- oder Audioausgang. Der Regelparameter (FA)
für die Reiblautamplitude wird erzeugt, wenn ein Phonem mit einer stimmlosen Komponente anwesent ist und dient zur Regelung der Intensität
des stimmlosen Anteils im tonfrequenten Ausgang. Der Schließparameter (CL) dient zur Simulierung der Phonemwechselwirkung,
die beispielsweise auftritt, wenn das vom Phonem "e" gefolgte Phonem "b" erzeugt wird. Der am Schließkreis 68 anliegende
Schließregelparameter soll eine abrupte Amplitudenmodulation im Audioausgang auslösen, die den Aufbau und die plötzliche Freigabe
von Energie simuliert, die während der Aussprache solcher Phonemkombinationen auftritt. Der Regelparameter (VD) für die stimmhafte
oder Vokalverzögerung dient hauptsächlich während bestimmter phonetischer Reiblaut-Selbstlautübergänge, bei denen die Amplitude
des Reiblautbestandteils sonst schnell zur gleichen Zeit mit dem schnellen Anstieg der Amplitude des Vokalbstandteils abklingen
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würde. Der Regelparameter für die Vokalverzögerung dient somit unter
diesen Umständen der Übertragungsverzögerung des Regelsignals (VA) für die Selbstlautamplitude. Der Regelparameter für die
Schließverzögerung (CLD) dient ebenfalls hauptsächlich bei bestimmten phonetischen Vokal-Reiblautübergängen, bei denen die übertragung
der Regelparameter für das Schließen (CL) und die Reiblautamplitude
(FA) in der gleichen Weise verzögert werden sollen, wie beim Regelparameter für die Vokalverzögerung. Der Pausenregelparameter
(PAC) wird erzeugt, wenn ein Pausenphonem ausgewählt wird, um eine Zeitspanne des Schweigens in das Sprachbild einzuführen.
Da jedoch das Ausdrucksbild oder die Ausdrucksfunktion des Rachenraumes während des Auftretens eines Pausenphonems so lange
"eingefroren" ist, bis die gesamte Erregungsenergie im Rachenraum vollständig verbraucht ist, erfüllt das Pausenphonem auch eine
weitere wichtige Aufgabe. Bestimmte Wörter, deren Endungen bestrebt sind, "nachzuhängen" wie Wörter, die in Nasalphoneme auslaufen,
klingen, als ob ein zusätzliches Phonem mit eingeschlossen worden wäre, wenn das Lautbild des letzten Phonems abrupt verändert
wird, ehe die Erregungsenergie im Rachenraum vollkommen verbraucht ist. Beispielsweise kann das Wort "Mond" wie "Monda"
klingen. Dies beruht auf der Tatsache, daß die restliche Erregungsenergie im Rachenraum als etwas anderes als ein "d" nach der
Beendigung seiner Phonemzeitspanne vokalisiert wird. Das Einschieben eines Pausenphonems nach dem Phonem "d" in diesem Beispiel
verbessert somit die Spracherkennung durch Einfrieren des Lautbildes für das Phonem "d", bis die gesamte Reiblaut- und
Selbstlauterregungsenergie verbraucht ist. Der letzte Regelparameter ist der Regelparameter für die Phonemtaktsteuerung, der für
jedes Phonem erzeugt wird und dazu dient, die Erzeugungsperiode
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für das Phonem festzulegen.
Der Parameterfestspeicher 40 (ROM) ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
wie in Fig. 12 ausgelegt. Der ROM40 speichert zwölf Regelsignalparameter für jedes der vierundsechzig durch die Phoneinwahlbits
22 zu kennzeichnenden Phoneme. Die einzelnen Regelsignalparameter weisen vier Auflösungsbits mit Ausnahme des Phonemtaktsteuersignals
auf, das sieben Auflösungsbits besitzt. Wenn die Parameterwahlbits
48 gleich sind 011 (Fig. 12), dann liegt beispielsweise der Schließregelsignalparameter (CL) an den Datenausgängen
D0-D3 des ROM40 an, und der Regelsignalparameter F3 steht an den Datenausgängen D4-D7 an. Auch wenn die Parameterbits 48 gleich
sind 100, dann liegen das Schließverzögerungs- (CLD) und das F2Q-Regelsignal
an den Datenausgängen D0-D3 und D4-D7 des ROM40 an. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen die Parameterwahlbits
48 auf 40 kHz, 20 kHz und 10 kHz. Da die Dauer der Phoneme von zirka 50 bis 250 msec schwanken, werden die einzelnen Regelsignalparameter
auf den Datenausgangsleitungen D0-D7 des ROM40 mindestens zirka 500 Mal während der Periode eines jeden Phonems erzeugt.
Fig. 11 zeigt ein Taktsteuerdiagramm mit Darstellung der Beziehung
zwischen den Parameterwahlbits 48 an den Adresseneingängen A0-A2 des ROM40 und seinen Datenausgängen D0-D7.
Die Parameterwahlsignale auf den Leitungen 48 werden an den Ausgängen
Q4-Q6 eines 1O-Bit-Welligkeitszählers 34 erzeugt, der durch
das Haupttaktsignal gesteuert wird, das beim bevorzugten Ausführungsbeispiel auf 1,28 MHz eingestellt ist. Wie bekannt, verändert
eine FrequenzSchwankung des Haupttaktsignals die Gesamtzusammensetzung
von Tonhöhe und Frequenz des niederfrequenten Ausgangssi-
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gnals. Außerdem kann die erfindungsgemäße Einrichtung durch Veränderung
der Haupttaktfrequenz über oder unter den für Normalsprache erforderlichen Bereich dazu verwendet werden, äußerst künstliche
Toneffekte zu erzeugen.
Die Ausgangssignale Q0-Q3 des Welligkeitszählers 34 gelangen an
die Dateneingänge (D) eines ersten 4-Bit-Signalspeichers, und die Ausgänge Q4-Q6 sowie Q9 liegen an den Dateneingängen (D) eines
zweiten 4-Bit-Signalspeichers 72 an. Die drei hochpegeligen Ausgangssignale Q des Signalspeichers 70 umfassen die Taktsignale
Bit 0, Bit 1 und Bit 2, die der nachfolgend näher erläuterten
digitalen Übergangsschaltung 50 eingespeist werden. Das restliche
Ausgangssignal Q des Signalspeichers 70 gelangt über eine Leitung 73 an eine RS-Kippstufe (Flip-Flop 74), an dessen Einstellausgang
(SET) ein Taktsignal (ß1) von der doppelten Frequenz und entgegengesetzter Phase des Taktsignals Bit 0 erzeugt wird. Das Taktsignal
ß1 wird auch in der digitalen Übergangsschaltung 50 verwendet. Die drei niederpegeligen Ausgangssignale Q des Signalspeichers
72 umfassen die Taktsignale A0-A2, die in verschiedenen Abteilungen der Einrichtung zur Überwachung dafür verwendet werden,
welcher Regelparameter anliegt sowie dazu, die Übergangsregelparameter zu entschachteln. Die Taktsignale A0-A2 haben dieselben
Frequenzen wie die Parameterwahlsignale auf den Leitungen 48 für die Adresseneingänge A0-A2 des ROM40 und sind nur gegenüber diesen
etwas verzögert.
Außerdem liegt das Ausgangssignal Q3 des Welligkeitszählers 34 auch an zwei RS-Flip-Flops oder Kippstufen 77 und 78 an, wodurch
an dessen Löschausgängen die sich gerade nicht mehr überlappenden
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Taktsignale 01 und 02 erzeugt werden. Die Taktsignale 01 und 02 sind zueinander phasenverkehrt (Fig. 14) und weisen beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel eine Frequenz von 20 kHz auf. Die Taktsignale 01 und 02 dienen hauptsächlich für das erfindungsgemäße
Regelverfahren zur kapazitiven Parameteruinschaltung, das nachstehend
näher erläutert wird, obwohl beide Signale auch ganz einfach als herkömmliche Taktsignale eingesetzt werden. Auch das Ausgangssignal
Q5 des Welligkeitszählers 34 gelangt zusätzlich zu zwei RS-Kippstufen 75 und 76, wodurch an deren Löschausgang ein
zweites Paar von sich gerade nicht mehr überlappenden Taktsignalen P1 und P2 erzeugt wird, die wie die Taktsignale 01 und 02 zueinander
phasenverkehrt sind und beim bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Frequenz von 5 kHz aufweisen. Die Taktsignale P1 und P2 dienen
ausschließlich im Nebenphonemtaktgeberkreis 42 (Fig. 7) der nachstehend näher erläutert wird.
Die im ROM40 gespeicherten Parameter, die auf den hochpegeligen
Datenausgangsleitungen D4-D7 erzeugt werden, umfassen die Regelparameter für den Rachenraum, die einen dynamischen übergang erfordern
und daher der digitalen tibergangsschaltung 50 eingespeist werden. Die im ROM40 gespeicherten Parameterwerte, die auf den
niederpegeligen Datenausgangsleitungen D0-D3 erzeugt werden, sind jedoch im wesentlichen An-, Abschalt- oder Taktsignale, die keinen
Übergang erfordern und daher direkt der Phonemtakt-, Pausentakt- und Verzögerungsschaltung eingespeist werden.
Nachstehend wird die Arbeitsweise der Phonemtaktgeberschaltung erklärt.
Die sieben Bits für die letzten Stellenzahlen D0-D6 der Datenausgabe des ROM40 gelangen an die Dateneingänge (D) eines 7-Bit-
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Signalspeichers 80,der durch ein Signal auf der Leitung 85 vom Ausgangskanal
Nr. 7 eines achtkanaligen Multiplexers 86 taktgesteuert wird. An den binären Steuereingängen A,B,C des Multiplexers
86 liegen die Taktsignale A0-A2 vom Ausgang des Signalspeichers in Taktgeber 38 an. Wenn somit die Parameterwahlbits A0-A2 gleich
sind 111 und damit anzeigen, daß der Signalparameter für die Phonemtaktsteuerung
an den Datenausgängen (D0-D7) des ROM40 anliegen, dann wird der Ausgangskanal Nr. 7 des Multiplexers 86 hochpegelig,
wodurch der Wert des Steuersignalparameters für die Pronemtaktgabe in den Signalspeicher 80 eingespeist wird.
Die sieben parallelen Ausgangssignale (PH0-PH6) des Signalspeichers
80 gelangen an den Nebenphonemtaktgeberkreis 42, der einen Oszillator aufweist, dessen Frequenz durch den Wert der sieben
Ausgangsbits des Signalspeichers 80 gesteuert wird. Die Ausgangssignale des Signalspeichers 80 (PH0-PH6) steuern die Ein-Ausschaltung
von sieben Analogschaltern, die jeweils mit einem von sieben parallelgeschalteten Kondensatoren mit Binärstellenzahl in Reihe
geschaltet sind. Wie nachstehend in Verbindung mit der Beschreibung des Rachenraumes näher erläutert wird, wird ein Widerstandswert,
der gleich ist dem Umkehrwert des Produktes der Schaltfrequenz (P1) mit dem resultierenden Kapazitätswert der Kondensatorschaltung
79 simuliert, indem diese Kondensatorschaltung 79 unter Steuerung der sich nicht überlappenden Taktsignale P1 und P2 sehr
schnell umschaltet. D.h., daß der simulierte Wert R beim bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die folgende Gleichung bestimmt
wird:
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Daher ergibt sich die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators
42 auf der Leitung 88 durch das Produkt des resultierenden Widerstandswertes (R) mit dem feststehenden Kapazitätswert (C) im RC-Taktgeberglied
des Oszillators 42.
Das Ausgangssignal auf der Leitung 88 des Nebenphonemtaktgeberkreises
42 liegt am Takteingang eines Phonemtakt- oder Frequenzzählers 84 an und bestimmt damit die Zählfrequenz des Zählers. Die
Dauer der Phoneme wird von der Zeitspanne bestimmt, die der Zähler 84 braucht, um eine Zählung von sechszehn zu erreichen. Wenn die
Zählungsausgangssignale (Q0-Q3) des Zählers 84 gleich sind 0000 wird das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 90 hochpegelig, wodurch
ein hochpegeliges Signal am Dateneingang des Flip-Flops 92 anliegt. Nach einer kurzen Verzögerung von zwei Impulsen des Taktsignals P2
wird das Ausgangssignal eines NAND-Gliedes 94 niederpegelig, wodurch der Ausgangssignalspeicher 28 über eine Inversionsstufe 96
angesteuert und dadurch die A/R-Leitung hochpegelig wird, um zu melden, das neue Phonemdaten angefordert werden.
Nachstehend wird der Betrieb der Vokal- und Schließverzögerungsschaltung
näher beschrieben. Wie bereits erwähnt, besteht der Zweck der Vokal- oder Stimm- und Schließverzögerungsregelparameter
darin, die übertragung der Regelsignale für die Vokal- und Reiblautamplituden
während eines bestimmten Abschnittes der Phonemperiode bzw. bei bestimmten phonetischen Vokal-Reiblautübergängen
zu verzögern. Dies wird wie folgt erreicht: Die vier Zählausgangssignale (Q0-Q3) des Phonemtaktzählers 84 gelangen über Inversionsstufen 100 an die Eingänge B einer 4-Bit-Größenvergleichsschaltung
82. Die Eingänge A der Größenvergleichsschaltung 82 sind an die Da-
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tenausgänge D0-D3 des ROM40 geführt. Das Ausgangssignal A=B der
Größenvergleichsschaltung 82 gelangt über eine Leitung 102 an zwei NAND-Glieder 104 und 106. Der andere Eingang des NAND-Gliedes 104
ist über eine Leitung 110 mit dem Ausgangskanal Nr. 5 des Multiplexers
86, und der andere Eingang des NAND-Tors 106 über eine Leitung 108 an den Ausgangskanal Nr. 4 des Multiplexers 86 geführt.
Wenn daher die an den Binärsteuereingängen A,B und C des Multiplexers
86 anliegenden Taktsignale A2-A0 gleich 101 sind und anzeigen, daß der Regelparameter für die Vokalverzögerung (VD) an
den Datenausgängen D0-D3 des ROM40 anliegen, und wenn die Zählaus
gangs Signa Ie (Q0-Q3) des Phonemtaktzählers 84 gleich dem Parameterwert
des Regelsignals für die Vokalverzögerung sind, dann sind beide Eingänge des NAND-Gliedes 104 hochpegelig, wodurch sein
Ausgangssignal niederpegelig wird und einen Flip-Flop 112 ansteuert.
Auch wenn die Taktsignale A2-A0 gleich 100 sind, wird der Ausgangskanal Nr. 4 des Multiplexers 86 auf der Leitung 108 hochpegelig,
das anzeigt, daß das Regelsignal für die Schließverzögerung
an den Datenausgängen D0-D3 des ROM40 anliegt. Wenn somit der Zählausgang des Phonemzählers 84 gleichzeitig eine dem Parameterwert
des Regelsignals für die Schließverzögerung gleiche Zählung erreicht, wird auch das Signal A=B der Größenvergleichsschaltung
82 auf einer Leitung 102 hochpegelig, wodurch hochpegelige Signale an beiden Eingängen eines NAND-Gliedes 106 anliegen,
dessen Ausgang darauf niederpegelig wird und den Flip-Flop 114 ansteuert.
Wie nachstellend erläutert wird, dienen die Ausgangssignale der Flip-Flops 112 und 114 dazu, die Übergangsschaltung 46 (Fig.3)
zu sperren, wodurch der Übergangsprozeß in der digitalen Übergangsschaltung 50 während des Überganges der Regelsignalparameter der
Vokal- und Reiblautamplituden verhindert wird. Am Ende einer jeden
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Phonemperiode werden die Flip-Flops 112 und 114 durch einen niederpegeligen
Löschimpuls auf der Leitung 124 vom Ausgang eines UND-Gliedes 122 gelöscht. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 122
wird am Ende einer jeden Phonemperiode durch den hochpegeligen Löschimpuls des Phonemzählers 84 auf der Leitung 30 niederpegelig,
wobei es von der Inversionsstufe 120 umgekehrt wird und am Eingang
des UND-Tores 122 anliegt. Auch der mit Gleichheitszeichen gekennzeichnete
Ausgangssignal der Größenvergleichsschaltung 82 wird auf einen niedrigen Pegel zu Beginn einer jeden neuen Phonemperiode
zurückgestellt, wenn die Ausgangszählung (Q0-Q3) des Phonemzählers
84 infolge des resultierenden hochpegeligen Signals gleich 0000
ist, das am Ausgang eines NOR-Gliedes 90 erzeugt wird und durch eine Inversionsstufe 98 umgekehrt wird.
Außerdem sei bemerkt, daß dor Regelsiqnalparameter für die
Üch.1. LL'ßvt-iirzijyuruH'j (CLD) auch zum Sperren der Übertragung des Regelparameters
für das Schließsignal (CL) an den Schließkreis 68 (Fig. 1) dient. Während der Schließverzögerungsperiode ist das
Ausgangssignal des Flip-Flops 114 niederpegelig, wodurch ein nie-(]erpo<jt'liges
Signal über eine Leitung 120 an einen Eingang eines NAND-Gliedes 128 mit drei Eingängen gelangt. Die beiden übrigen
Eingänge des NAND-Gliedes 128 sind an eine Leitung 116 geführt,
die mit dem Ausgangskanal Nr. 3 des Multiplexers 86 verbunden ist sowie mit einer Leitung 115, die an den Datenausgang D3 des ROM40
angeschlossen ist. Liegt ein Schließsignal an, so werden die Datenausgänge D0-D2 des ROM40 nicht belegt, da das Schließsteuersignal
einfach ein Ein-Aus-Signal ist. Daher wird nur der Schaltzustand des Datenausgangs D3 des ROM40 auf der Leitung 115 während
der Schließperiode überwacht, wenn die Taktsignale A2-A0 gleich
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011 sind und der Ausgangskanal des Multiplexers 86 auf der Leitung
116 hochpegelig ist. Selbst wenn hochpegelige Signale auf beiden Leitungen 115 und 116 anliegen, bleibt das Ausgangssignal
des NAND-Gliedes 128 niederpegelig, um den Flip-Flop 132 zu löschen,
wobei ein niederpegeliges Schließsignal am Ausgang eines UND-Tors 136 so lange anliegt, bis der Flip-Flop 114 am Ende der
Schließverzögerungszeit angesteuert wird und auf der Leitung 126 ein hochpegeliges Signal anliegt. Tritt die Schließverzögerungsfunktion
nicht in Kraft, und ist der Ausgang des Flip-Flops 114
hochpegelig, dann wird ein niederpegeliges Schließsignal am Ausgang des UND-Gliedes 136 erzeugt, wenn die hochpegeligen Signale
gleichzeitig auf der Leitung 115 vom Datenausgang D3 des ROM40
und vom Ausgangskanal Nr. 3 des Multiplexers 86 auf der Leitung 116 abgegriffen werden. Das Schließsignal endet, wenn das Ausgangssignal
des NAND-Tores 130 niederpegelig wird, um den Flip-Flop
anzusteuern, was geschieht, wenn der Ausgangskanal Nr. 3 des Multiplexers 86 auf der Leitung 116 hochpegelig und das Datenausgangssignal
D3 des ROM40 niederpegelig ist und damit anzeigt, daß die Schließfunktion nicht mehr gebraucht wird. Dies erfolgt meist zu
Beginn der folgenden Phonemperiode, wenn das folgende Phonem nicht ebenfalls die Schließfunktion fordert, da das Ausgangssignal des
Schließverzögerungs-Flip-Flops 114 stets mindestens kurzfristig
zu Beginn einer jeden Phonemperiode hochpegelig ist.
Außerdem sei bemerkt, daß ein Schließverzögerungsregelsignal auch erzeugt wird, wenn die Regelparameter für die Vokalamplitude (VA)
und die Reiblautamplitude (FA) gleich Null sind. D.h., wenn sowohl die Signale VA und FA der NOR-Glieder 190 und 192 (Fig. 3)hochpegelig
sind, wird das Ausgangssignal eines NAND-Gliedes 134 nie-
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derpegelig, wodurch ein niederpegeliges Schließsignal am Ausgang des UND-Tores 136 anliegt. Dadurch wird der Rachenraum in den
Perioden vollkommen stillgelegt, wenn keine Erregungsenergie vorhanden ist, damit während der Pausenzeiten kein Summen oder andere
Arten von Störgeräuschen erzeugt werden können.
Der übrige Regelparameter für NichtÜbergänge, der an den Datenausgängen
D0-D3 des ROM40 anliegt, ist der Pausenregelparameter (PAC). Wie bereits erwähnt, wird der Pausenregelparameter erzeugt,
wenn ein lautloses Phonem angefordert wird, wobei er auch dazu dient, die Formantenstellungen des Rachenraumes zu arretieren/ bis
die gesamte Erregungsenergie verbraucht ist. Der Pausenregelparameter ist insofern gleich dem Schließregelparameter (CL), daß es
sich um einen Ein-Aus-Parameter handelt, der nur ein einziges Signaldatenbit
erfordert. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird der Datenausgang D3 des ROM40 wieder gewählt, und die Datenausgänge D0-D2
bleiben unbelegt. Das Ausgangssignal D3 des ROM40 auf der Leitung 115 gelangt an den Eingang eines NAND-Tores 138, dessen anderer
Eingang an den Ausgangskanal Nr. 6 des Multiplexers 86 geführt ist. Wenn somit die Taktsignale A2-A0 gleich 110 und damit den
Ausgangskanal Nr. 6 des Multiplexers 86 hochpegelig schalten, wobei angezeigt wird, daß der Pausenregelparameter an den Datenausgängen
D0-D3 des ROM40 anliegt und auch, daß der Datenausgang D3 auf der Leitung 115 hochpegelig ist, dann wird auch das Ausgangssignal
des NAND-Gliedes 138 niederpegelig und steuert den Flip-Flop 142 an. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 142 liegt seinerseits
am Eingang eines UND-Gliedes 146 an, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines NAND-Gliedes 144 verbunden ist. An den Eingängen
des NAND-Tors 144 liegen die Signale VA und FA von den Aus-
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gangen der NOR-Glieder 190 und 192 in Fig. 3 an. Da jedoch die
Selbstlaut- bzw. die Reiblauterregungsenergie stets bei nicht-tonlosen Phonemen vorhanden ist, ist das Ausgangssignal des NAND-Tors
144 normalerweise hochpegelig. Wenn daher der Flip-Flop 142 zu Beginn eines Pausenphonems angesteuert wird, entwickelt sich ein
hochpegeliges Signal am Ausgang des UND-Gliedes 146, das dann am ÜbergangsSperrkreis 46 (Fig. 3) anliegt und die digitale übergangsschaltung
sperrt, wodurch die übergangsregelparameter auf ihren laufenden Werten gehalten werden. Das hochpegelige Signal für die
"Sperrformanten" am Ausgang des UND-Gliedes 146 schaltet jedoch entweder am Ende eines Pausenphonems oder sobald die gesamte Selbstlaut-
und Reiblauterregungsenergie vollständig verbraucht ist, je nachdem welches Ereignis früher eintritt. Wenn beide Signale VA
und FA hochpegelig sind, wird das Ausgangssignal des NAND-Gliedes
144 niederpegelig, wodurch auch das Ausgangssignal des UND-Gliedes 146 niederpegelig wird. Wenn umgekehrt das Ausgangssignal des
NAND-Gliedes 144 am Ende der Phonempausenzeitspanne noch hochpegelig ist, wenn der Datenausgang D3 des ROM40 auf der Leitung 115
niederpegelig wird, dann bewirkt das durch das sich ergebende niederpegelige Signal am Ausgang des NAND-Gliedes 140 ein Löschen
des Flip-Flops 142, wodurch auch das Ausgangssignal des UND-Gliedes 146 niederpegelig wird.
Anhand der Fig. 3 wird nun die Arbeitsweise der digitalen Übergangsschaltung
50 näher erläutert. Wie bereits erwähnt ,besteht der Zweck der digitalen Übergangsschaltung 50 darin, die fortschreitende
Veränderung der Werte der Regelparameter des Rachenraumes von gegenwärtigen Istwerten auf neue Sollwerte zu bewirken. Die vier
Parameterleitungen T0-T3 von den Datenausgängen D4-D7 des Parameter-
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festspeichers ROM40 gelangen an die Eingangskanäle 1-4 eines achtkanaligen
Multiplexers 150. An den binären Regeleingängen A,B,C
des Multiplexers 150 liegen die Übergangstaktsignale BIT 0, BIT
und BIT 2 vom Taktgeber 38 (Fig. 2) her an. Das Taktverhältnis zwischen den Übergangstaktsignalen BIT 0 - BIT 2 und den Parametertaktsignalen
A0-A2 ist in Fig. 11 gezeigt. Aus dem Taktdiagramm der Fig. 11 ergibt sich, daß die Taktsignale BIT 0 - BIT 2 acht
Schaltzustände innerhalb eines jeden Schaltzustandes darstellen, der durch die Taktsignale A0-A2 gebildet wird. Wie erwähnt, bestimmen
die Taktsignale A0-A2, welcher Parameter an den vier Parameterleitungen T0-T3 von den Datenausgängen des ROM40 D4-D7 anliegt.
Damit dient der Multiplexer 150 dazu, die parallelen Eingangsdaten
auf den Parameterleitungen T0-T3 in serielle Daten auf der Eingangsleitung 151 in Vorbereitung für die nachfolgend durchzuführenden
arithmetischen Rechnungen umzusetzen. Da jedoch die vier stellenhöchsten Bits im parallel 8-Bit-Ausgangssignal der Ausgangssignalspeicher
168 und 170 des parallelen Ausgangs der digitalen Übergangsschaltung schließlich unterdrückt werden, und die Parametereingangsleitungen T0-T3 der Übergangsschaltung an die Kanäle
1-4 des Multiplexers 150 angeschlossen sind und daher gegenüber dem Ausgangssignal um drei Bits oder Stellen abwärts verschoben
werden, dient der Multiplexer 150 auch zur Teilung des Sollparameterwertes durch 2 oder Acht. Das serielle Ausgangssignal des Multiplexers
150, das somit gleich ist einem Achtel des Sollparameterwerts, gelangt auf der Leitung 151 an den Eingang B eines Einzelbitaddierwerks
158. Der Eingang A des Addierwerks 158 ist an den Summensignalausgang (Z) eines zweiten Einzelbitaddierwerks 156
geführt. Der Eingang A des Addierwerks 156 ist mit dem seriellen
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Ausgang des zweiten achtkanaligen Multiplexers 152 verbunden, der
nur dazu dient, das sich ergebende parallele Ausgangssignal der
digitalen Übergangsschaltung 50 in ein serielles Signal zurückzuverwandeln.
Somit stellt das auf der Leitung 153 anliegende serielle Ausgangssignal des Multiplexers 152 den letzten oder Istwert
des Regelparameters dar. Der Eingang B des Addierwerks 156 ist an den seriellen Ausgang eines dritten achtkanaligen Multiplexers
154 geführt, der ebenfalls parallele Ausgangssignale der digitalen Übergangsschaltung 50 in ein serielles Signal umsetzt.
Da jedoch die vier Bits mit dem höchsten Stellenwert im Ausgangssignal des Signalspeichers 168 um drei Bits herunterversetzt
werden und den Eingangskanälen 1-4 des Multiplexers 154 zugeleitet werden, teilt dieser auch den Stromparameterwert durch Acht.
Da das serielle Ausgangssignal des Multiplexers 144 auf der Leitung
155 über eine Inversionsstufe 172 am Eingang B des Addierwerks
156 anliegt, subtrahiert das Addierwerk 156 ein Achtel des Stromparameterwertes vom Parameteristwert und gibt das Ergebnis
an den Eingang A des Addierwerks 158 ab. Dieser addiert dann ein Achtel des Parametersollwertes zum Gesamtwert des Addierwerks 156.
Der Wert des daraus entstehenden Signals am Summierausgang CE) des
Addierwerks 158 auf der Leitung 156, der den "neuen" Parameteristwert
darstellt, kann daher durch die folgende Gleichung angegeben werden:
(Istwert - 1/8 Istwert) +1/8 Sollwert = neuer Istwert.
Das serielle Signal auf der Leitung 165 des Summxerungsausgangs (E) des Addierwerks 158 wird durch zwei Dezimale D-Flip-Flops 160
und 162 in ein Parallelsignal zurückverwandelt, das dann als 8-Bit-
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Signal an den acht Dateneingängen (D0-D3) zweier Zwischenspeicher mit wahlfreiem Zugriff RAM 164 und 166 anliegt. Die Adresseneingänge
(A0-A2) der RAM 164 und 166 sind mit den Parametertaktsignalleitungen A0-A2 verbunden. D.h., daß jeder folgende neue Istparameterwert
an den durch die Parametertaktsignale A0-A2 gekennzeichneten Adressenstellen in den RAM 164 und 166 gespeichert werden,
solange ihre Eingänge R/W beaufschlagt bleiben. Die Lese-/Schreibeingänge (R/W) der beiden RAM 164 und 166 sind an den Ausgang eines
ODER-Gliedes 172 geführt, von dem ein Eingang an den seriellen Ausgang eines Multiplexers 174 und der andere Eingang über eine Inversionsstufe
173 an die Taktsignalleitung 02 angeschlossen ist. Die binären Steuereingänge A,B und C des Multiplexers 174 sind auch
an die Parametertaktleitungen A0-A2 gekoppelt. Die fünf niederpegeligen Eingangskanäle des Multiplexers 174 (Nr. 0-4) sind mit dem
Ausgang eines ersten NAND-Gliedes 176, der Eingangskanal Nr. 5 mit dem Ausgang eines zweiten NAND-Gliedes 178 und der Eingangskanal
Nr. 6 mit dem Ausgang eines dritten NAND-Gliedes 180 verbunden.
Einer der Eingänge des NAND-Gliedes 176 ist über eine Inverionsstufe
182 an die Signalleitung FF zum Sperren der Formants gekoppelt, so daß bei Erzeugung eines hochpegeligen Sperrsignals das
Ausgangssignal des NAND-Gliedes 176 hochpegelig wird. Auch einer der Eingänge der einzelnen NAND-Glieder 178 und 180 ist an die
Vokalverzögerungs- (VD) und Schließverzögerungssignalleitung (CLD) gekoppelt, so daß bei Erzeugung eines niederpegeligen Vokalverzögerungs-
oder Schließverzögerungssignals die Ausgänge der NAND-Glieder 178 und 180 hochpegelig werden.
Wenn kein Vokalverzögerungs- (VD), Schließverzögerungs- (CLD) oder
Sperrformantensignal (FF) anliegt, bleibt das serielle Ausgangs-
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signal des Multiplexers 174 niederpegelig, und die Eirgangssignale
R/W werden in die RAM 164 und 166 vom Taktsignal 02 eingesteuert. Daher werden die neuen Istwerte für jeden Parameter in die RAM
und 166 eingeschrieben und anschließend auf ihren Datenausgängen Q0-Q3 ausgelesen. Da die Frequenz des Taktsignals 02 beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel auf 20 kHz eingestellt ist, geht ein Parameter normalerweise auf etwa 70 % seines neuen Sollwertes in
33 msec über.
Wenn jedoch ein Formantensperrsignal (FF) erzeugt wird, wird das
serielle Ausgangssignal des Multiplexers 174 hochpegelig, um die
Eingänge R/W der RAM 164 und 166 in den Zeitspannen zu sperren,
wenn die Parameterbits A2-A0 gleich sind 000, 001, 010, 011 und 100, was den Erzeugungszeiten der Regelparameter F1,F2,FC,F3 und
F2Q entspricht. Wenn dies auftritt, werden keine neuen Werte für diese Parameter in die RAM 164 und 166 eingeschrieben, wobei die
Werte dieser Regelparameter auf ihren Istwerten "eingefroren" oder gesperrt bleiben, bis das Signal FF anliegt. Auch das Anstehen
eines Vokalverzögerungssignals (VD) bewirkt, daß das serielle Ausgangssignal des Multiplexers 174 hochpegelig wird und die R/W-Leitung
47 für die RAM 164 und 166 während der Zeitspanne "101" oder der Vokalamplitude (VA) der Parameterperiode sperrt und verhindert,
daß neue Werte für den Vokalamplitudenparameter in die RAM 164 und 166 eingeschrieben werden, bis das Vokalverzögerungssignal
abschaltet. Wenn dann ein Schließverzögerungssignal (CLD) erzeugt wird, wird das serielle Ausgangssignal des Multiplexers
174 hochpegelig während der Zeitspanne "110" oder Reiblautamplitude
(FA) der Parameterperiode, wobei der Wert des Reiblautamplitudenparameters so lange beibehalten wird, bis das Schließverzö-
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gerungssignal abschaltet.
Die acht parallelen Datenausgänge Q0-Q3 der RAM 164 und 166 werden
vom Taktsignal 01 in zwei 4-Bit-Ausgangssignalspeicher 168 und eingesteuert. Die vier Bits mit den höchsten Stellenzahlen oder
die Ausgangssignale Q des Ausgangssignalspeichers 168 werden dann durch Signalspeicher 194-200 entschachtelt, wobei sich die Übergang
sregelsignale F1,F2,FC,FC,F3,F2Q,VA und FA ergeben, die dann
an verschiedenen Abschnitten des Rachenraums 60 anliegen. Die vier Ausgangssignale Q des Signalspeichers 168 sind parallel zu den
Dateneingängen (D) der einzelnen Demultiplex- oder Entschachtelungsspeicher 194-200 geschaltet. Die Signalspeicher 194-200 werden von
den Parametertaktsignalen A0-A2 gesteuert, die an den Eingängen A,B und E eines 3-8-Kanal-Dekodiergeräts 210 anliegen. Die Ausgangskanäle
2,5 und 6 des Dekodiergeräts 210 sind direkt an die Taktsignaleingänge
(CK) der Signalspeicher 196,199 und 200 angekoppelt. Die Ausgangskanäle 0,1,3 und 4 sind mit dem Stimmritzensynchronimpuls
auf der Leitung 55 an UND-Glieder 202-208 geführt, ehe sie an den Taktsignaleingängen (CK) der Speicher 194,195,197 und 198
anliegen. Damit werden die übergangswerte für die Parameter FC,FC
VA und FA unmittelbar bei ihrer FortSchreibung in die Speicher 196,
199 und 200 taktgesteuert, während die vorhergehenden übergangswerte
für die Parameter F1,F2,F3 und F2Q in die Speicher 194,195, 197 und 198 synchron mit dem Stimmritzenimpuls des Stimmritzengenerators
(Fig. 6) eingegeben werden.
Außerdem liegt am Entschachtelungsspeicher 195, der auch das Übergangsregelsignal
F2 erzeugt, das Bit mit der fünfhöchsten Stelle (1/2 LSB) des 8-Bit-Ausgangssignals der digitalen Übergangsschaltung
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50 an, so daß der übertragene übergangswert für den Regelparameter
F2 fünf Auflösungsbits aufweist. Damit wird die Sprungauflösung des Regelparameters F2 wegen der größeren Frequenzspannweite des
Resonanzfilters F2 im Rachenraum 60 (Fig. 4) vergrößert.
Der erfindungsgemäße Stxmmritzengenerator 58 wird nun anhand der
Fig. 6 erläutert. Die Periode des Stimmritzenimpulses wird durch die Zeit bestimmt, die ein 8-Bit-Zähler, bestehend aus zwei in Kaskadenschaltung
angeordneten 4-Bit-Kartenanstoßzählern 220 und 222, um vor einer eingestellten Zählung bis zu allen Einem zu zählen.
Die Zählers 220 und 222 werden durch das Taktsignal 02 von 20 kHz gesteuert. Die drei Dateneingänge für die höchsten Stellenwerte
(L1-L3) des Zählers 222 sind an die Inversionsstufe für die drei Bits mit den geringsten Stellen (F10,F12) im übertragenen Regelparameter
F1 vom Ausgang des Speichers 194 (Fig. 3) gekoppelt. Der Umkehrwert des höchststelligen Bits (F13) im Übergangsregelparameter
F1 und die beiden Modulationsregelbits (11,12) 56 des 8-Bit-Eingangsbefehls
liegen an den Dateneingängen für die Bits mit den geringsten Stellenzahlen (L0-L2) des Zählers 220 an. Die an den Eingängen
(L0-L3) der Zähler 220 und 222 anstehenden Daten werden den Zählern eingegeben, um diese am Ende eines Stimmritzenimpulses
einzustellen, wenn am Übertragsausgang (TC) des Zählers 220 ein hochpegeliges Signal entsteht, das durch die Inversionsstufe 228
umgekehrt wird und über eine Leitung 230 den Eingabeeingängen (LD) der Zähler 220 und 222 eingespeist wird. Da auch die Frequenz des
Übertragsignals für die nächsthöhere Stelle des Zählers 220 die Frequenz des Stimmritzenimpulses bestimmt, wird die Grundfrequenz
des Stimmritzenimpulses durch die Einstellung des Modulationsregelbits 56 geregelt und, in einem geringeren Grade, durch den Wert
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des Regelparameters F1. Da der Regelparameter F1 invertiert ist,
verändert sich die Grundfrequenz des Stimmritzensignals in umgekehrtem
Verhältnis zu diesem. D.h., wenn der Wert des Parameters F1 abnimmt, erhöht sich die Höhe des niederfrequenten Ausgangssignals.
Damit wird ein Grad von automatischer Modulationsregelung im Audioausgangssignal zusätzlich zu den programmierbaren Tonhöhenschwankungen
erreicht, die sich mit den Modulationsregelbits 56 durchführen lassen. Da aber die beiden Modulationsregelbits 56
an hochpegeligeren Dateneingängen der Zähler 220 und 222 anliegen als die Parameterbits F1, besitzen die automatischen Modulationsänderungen, die sich aus einer Bewegung der Resonanzfrequenz des
Resonanzfilters F1 ergeben, eine geringere Wirkung auf die Tonhöhe
des Audioausgangssignals als die programmierten Änderungen über die Modulationsregelbits 56.
Außerdem ist ein dritter 4-Bit-Kartenanstoßzähler 224 vorgesehen,
in welchen die gleichen Daten wie in den Zähler 220 eingegeben werden und, der gleichzeitig mit diesem beaufschlagt wird. Der
einzige Unterschied besteht darin, daß der Zähler 224 durch das Taktsignal AO gesteuert wird und damit doppelt so schnell zählt
wie der Zähler 220. Das Übertragsausgangssignal (TC) des Zählers
224 ist an den Anschalteingang des RS-Flip-Flops 226 geführt,
dessen Löscheingang mit dem Übertragsausgang (TC) des Zählers 220 verbunden ist. Damit ist das Ausgangssignal des Flip-Flops 226
auf der Leitung 65 zu Beginn eines jeden Stimmritzenimpulses niederpegelig eingestellt und wird auf der Hälfte seiner Periode hochpegelig.
Das Signal auf der Leitung 65, das mit F-Glied bezeichnet ist, liegt an einem Generator für weißes Rauschen 64 (Fig. 8) an,
um das Signal für weißes Rauschen während der ersten Hälfte der
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SS
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Zeitspanne des Stimmritzenimpulses für stimmhafte Reiblautphoneme zu unterdrücken, wenn gleichzeitig Vokal- und Reiblauterregungsenergie
vorhanden sind.
Die Wellenform des Stimmritzenimpulses wird durch einen 4-Bit-Zähler
234 und zwei 8:1-Analogmultiplexer 242 und 244 erzeugt.
Der Zähler 234 wird durch das Ausgangssignal Q1 eines anderen
4-Bit-Zählers 236 taktgesteuert, der seinerseits durch das 20 kHz Taktsignal 02 gesteuert wird. Somit teilt der Zähler 236 die Frequenz
des 20 kHz-Taktsignals 02 durch vier, so daß die Frequenz des am Zähler 234 anliegenden Taktsignals 5 kHz ist. Die drei Ausgangssignale
des Zählers 234 (Q0-Q2) mit den niedrigsten Stellenwerten sind parallel zu den binären Steuereingängen A,B und C der
Multiplexer 242 und 244 geschaltet. Das Ausgangssignal des Zählers 234 mit dem höchsten Stellenwert (Q3) sperrt den Eingang (INH) des
Multiplexers 242 und auch, über eine Inversionsstufe 245, den Sperreingang (INH) des Multiplexers 244, so daß dieser während der ersten
sieben Zählschritte (0-7) des Zählers 234 abschaltet, wobei der Multiplexer 242 während der zweiten acht Zählschritte (8-15)
des Zählers 234 nicht beaufschlagt ist. Die paralleln Eingänge (0-7) beider Multiplexer 242 und 244 sind an ein Potentiometer geführt,
das zwischen eine Spannungsquelle (V ) und Masse geschaltet ist und einen einstellbaren Gleichspannungspegel darstellen soll.
Die Gleichspannungspegel werden auf entsprechende Werte voreingestellt, um die gewünschte Annäherung an die Stimmritzenwellenform
zu schaffen.
Die seriellen Ausgangssignale der Multiplexer 242 und 244 werden zusammengeschaltet und bilden das Stimmritzenausgangssignal auf
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einer Leitung 246. Der auf der Leitung 246 anliegende analoge Gleichspannungspegel wird somit durch das Ausgangszählsignal des
Zählers 234 bestimmt, das an den BinärSteuereingängen A,B und C
der Multiplexer 242 und 244 anliegt. D.h., daß jedes der sechzehn Zählsignale am Ausgang des Zählers 234 ausschließlich eines der
sechzehn Eingangssignale der Multiplexer 242 und 244 bestimmt. Wenn beispielsweise die Ausgangszählung des Zählers 234 gleich
ist 0110, dann wird der am Eingangskanal Nr. 6 des Multiplexers
242 anliegende Gleichspannungspegel an der Ausgangsleitung 246 erzeugt. Wenn dann die Ausgangszählung des Zählers 234 gleich ist
1101, dann wird der Eingangskanal Nr. 5 des Multiplexers 244 anliegende Gleichspannungspegel an die Ausgangsleitung 246 abgegeben.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das Taktsignal 02 auf 20 kHz eingestellt ist, ergibt die Zählfrequenz von 5 kHz des
Zählers 234 einen Ausschnitt von 0,2 msec im Stimmritzenausgangssignal auf der Leitung 246 bei jeder Zählung des Zählers 234. Somit
kann durch entsprechende Voreinstellung der Gleichspannungssignalpegel an den Eingängen der Multiplexer 242 und 244 jede gewünschte
Stimmritzenwellenform erzeugt werden. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde festgelegt, daß ein Stimmritzenimpuls
mit acht Segmenten (Fig. 10) ausreichend sein würde, und daher
wurde nur ein einziger 8:1-Multiplexer verwendet.
Das Übertragsausgangssignal (TC) des Zählers 234 wird an seinen
Anschalteingang (EP) über eine Inversionsstufe 238 zurückgeführt,
um den Zähler abzuschalten, nachdem er eine Zählung von 1111 erreicht hat und ihn daran zu hindern, auf weitere Taktimpulse anzusprechen.
Das Übertragsausgangssignal des Zählers 220, welches die Zeitspanne des Stimmritzensignals bestimmt, wird über eine In-
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versionsstufe 228 auf der Leitung 230 an den Eingang eines ODER-Gliedes
232 geführt, an dessen anderen Eingang das Taktsignal 01 über eine Inversionsstufe 231 her anliegt. Das Ausgangssignal des
ODER-Gliedes 232 gelangt an die Löscheingänge (CLR) der beiden Zähler 234 und 236. Wenn am Ende eines Stimmritzenimpulses am
Übertragsausgang (TC) des Zählers 220 ein hochpegeliges Signal erzeugt wird, liegt ein niederpegeliges Signal an den Eingängen
(CLR) der Zähler 234 und 236 an, wodurch alle vier Ausgänge (Q0-Q3) der beiden Zähler auf Null zurückgestellt werden, um einen neuen
Stimmritzenimpuls einzuleiten.
Wenn die Ausgangszählimpulse Q0-Q3 des Zählers 234 zu Beginn eines
jede Stimmritzenimpulses gelöscht werden, liegt ein hochpegeliger Ausgangsimpuls auf der Stimmritzensynchronisationsleitung 55 am
Ausgang eines NOR-Gliedes 240 an, dessen vier Eingänge mit den vier Ausgängen des Zählers 234 verbunden sind. Wie bereits bemerkt,
wird der Stimmritzensynchronisationsimpuls auf der Leitung 55 an die Übergangsschaltung (Fig. 3) geführt, um die Regelparameterwerte F1,F2,P3 und F2Q an den Ausgangssignalspeichern 194,195,197
und 198 mit dem Beginn eines jeden Stimmritzenimpulses zu synchronisieren. Der Zweck der Synchronisation des Überganges der Rege
lparameterwerte F1,F2,F3 und F2Q mit dem Anfang des Stimmritzenimpulses
besteht darin, die Erzeugung von hörbaren statistischen Störgeräuschen zu verhindern, die sich ergäben, wenn die CMOS-Schalter
der regelbaren Kapazitätsnetzwerke im Rachenraum während der "Ruheperiode" des Stimmritzenimpulses umschalten könnten, wenn
im Rachenraum keine Erregungsenergie vorhanden ist.
Das Reiblauterregungssignal wird von einem Generator für weißes
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Rauschen erzeugt (Fig. 8), der aus einem Kartenanstoßzähler 250
und einem achtzehnstufigen statischen Schieberegister 252 besteht,
welches ein statistisches Ausgangssignal mit weißem Rauschen auf einer Leitung 256 erzeugt. Sowohl der Anstoßzähler 250 als auch
ein Schieberegister 252 werden durch das Taktsignal P1 gesteuert, das an ihren Taktsignaleingängen (CK) über ein NOR-Glied 254 her
anliegt. Der andere Eingang des NOR-Gliedes 254 ist an den Inversionsausgang (FA) für den Reiblautregelparameter des NOR-Gliedes
(Fig. 3B).Wenn keine Reiblauterregungsenergie gebraucht wird, wird
der Rauschgenerator abgeschaltet, um unnötige Störungen für den Rest der Anlage zu vermeiden.
Das Ausgangssignal mit weißem Rauschen auf der Leitung 256 gelangt
an den Eingang eines NAND-Gliedes 258, dessen anderer Eingang an den Ausgang eines ODER-Gliedes 260 geführt ist. Die Eingangssignale
des ODER-Gliedes 260 sind an die Signalleitung F-Glied 65 sowie VA vom Ausgang des NOR-Gliedes 190 (Fig.3B). Bei stimmhaften
Reiblautphonemen, die sowohl Vokal- als auch Reiblauterregungsenergie erfordern, bleiben die beiden Signale VA und FA niederpegelig.
Wenn somit das Signal F-Glied auf der Leitung 65 während der zweiten Hälfte oder des "Ruheabschnittes" der Periode des Stimmritzensignals
hochpegelig wird, so wird das NAND-Glied 258 angesteuert, wobei es während des zweiten Ruheabschnittes der Stimmritzensignalperiode
das NAND-Glied 258 ansteuert.
Das Signal mit weißem Rauschen gelangt dann vom Ausgang des NAND-Gliedes
258 an den Reiblautamplitudenregelkreis 260, welcher die Amplitude des Signals mit weißem Rauschen in Abhängigkeit von dem
Wert des Reiblautamplitudenregelparameters (FA) regelt. Das daraus
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entstehende Signal mit weißem Rauschen wird dann durch ein Hochpaßrauschfilter
gefiltert, ehe es in den Rachenraum 60 durch den Reiblautregelsignalparameter (FC) und seinen Umkehrwert (FC) in
den Rachenraum eingesteuert wird. Die Arbeitsweise des Reiblautamplitudenregelkreises
260 und des Hochpaßrauschfilters 262, welche die gleiche kapazitive Schalttechnik im Rachenraum 60 verwenden,
ergibt sich aus der folgenden Beschreibung des Rachenraums 60.
Anhand der Fig. 4 und 5 ist ein Stromlaufplan des neuartigen erfindungsgemäßen
Rachenraums 60 gezeigt. Dieser besteht im Prinzip aus vier in Kaskadenschaltung angeordneten Resonanzfiltern F1,F2,
F3 und F5. Die Resonanzfrequenzen der Filter F1,F2 und F3 sind regelbar und werden in Abhängigkeit von den Regelparametern F1,
F2 und F3 gesteuert, während die Resonanzfrequenz des Filters F5 fest ist. Das Stimmritzen- oder Vokalerregungssignal gelangt über
den Vokalamplitudenregelkreis 62, der die Amplitude des Stimmritzensignals in Abhängigkeit vom Regelparameter für die Vokalamplitude
(VA) steuert, seriell zum Resonanzfilter F1 des Rachenraumes. Das Reiblauterregungssignal wird parallel in die Resonanzfilter F1
und F5 des Rachenraumes 60 eingespeist, wobei es durch den Regelparameter für die Reiblaute (FC) und dessen Umkehrwert (FC) gesteuert
wird. Außerdem wird der Wert "Q" oder die Bandbreite des Resonanzfilters F2 durch den Regelparameter F2Q gesteuert, der
hauptsächlich bei Nasalphonemen eingesetzt wird, um das "Q" zu verkleinern und damit die Bandbreite des Resonanzfilters F2 zu
vergrößern. Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren erläutert,
nach welchem die Parameterregelfunktionen erfindungsgemäß in die Praxis umgesetzt werden.
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Wie bereits erwähnt, eignet sich das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung besonders für einen einzigen integrierten Schaltkreis unter Verwendung der Komplementär-MOS-Technik (CMOS). In dem Bestreben,
einen vollständigen Sprachgenerator zu schaffen, der auf einem einzigen Siliciumbaustein aufgebaut werden kann, ergab sich
eine ausschließliche Lösung für das Verfahren, mit welchem die Parameterregelfunktionen durchgeführt werden. Anstelle zeitorientierte
Impulsperioden für die Regelsignale wie bei vielen früheren Sprachgeneratore zu verwenden, bedient sich die Erfindung einer
kapazitiven Schalttechnik, um die Abstimmung des Rachenraumes sowie die der anderen Parameter-geregelten Funktionen zu steuern.
Fig. 13 zeigt ein Schaltkreismodell zur Erläuterung der theoretischen
Arbeitsweise der erfindungsgemäßen kapazitiven Schalttechnik. Nach Fig. 13 wird der Strom (I) für den negativen Eingang des
Rechenverstärkers durch die Ladung des Kondensators (C ) und die Frequenz bestimmt, mit welcher dieser hin- und hergeschaltet wird
(F01). Als Gleichung ausgedrückt ergibt sich somit:
1 = F01CrVi
Da der Strom (I) natürlich auch gleich ist (V./R), ergibt sich die
folgende Beziehung:
01 r
Daraus erhellt, daß ein nach dem Verfahren der Fig. 13 umgeschalteter
Kondensator im wesentlichen einem Widerstand gleich ist. Da außerdem die Zeitkonstante (T) der Schaltung durch die folgende
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Gleichung gegeben ist,
fr,
__£ ι cr '·
__£ ι cr '·
ist der Frequenzganz (F) der Schaltung gleich:
Daraus ergibt sich, daß die Zeitkonstante und der Frequenzgang eines durch die vorstehend erläuterte kapazitive Schalttechnik
simulierten RC-Gliedes nicht allein von der Schaltfrequenz (FQ1),
sondern auch erheblich vom Kondensatorverhältnis zwischen C und C- abhängt. Um somit einen Frequenzgang im unteren Frequenzbereich
der menschlichen Stimme zu erreichen, braucht man nicht nur große Kondensatoren, sondern einfach Kondensatoren mit dem richtigen
Verhältnis. Wenn beispielsweise die Umschaltfrequenz (F_1) gleich
20 kHz ist, so ergeben die Werte für C = 1 pf und Cf = 3,183 pf
einen uberlagerungsfrequenzgang von 1000 Hz. Daraus ergibt sich, daß die körperlichen Abmessungen des Siliciumbausteins durch den
Fortfall der Notwendigkeit für große Kondensatoren minimal gehalten werden können. Da auch der uberlagerungsfrequenzgang vom Kondensatorverhältnis
und nicht von ihrer tatsächlichen physischen Größe abhängt, kann die Fertigungstoleranz zwischen den einzelnen
Fertigungslosen des Siliciumbausteins leicht auf einem hohen Genauigkeitsniveau gehalten werden.
Wie die Schaltungen der Fig. 4,5,7 und 8 zeigen, dient die erfindungsgemäße
kapazitive Schalttechnik beim bevorzugten Ausführungsbeispiel dazu, die von den Parametern F1,F2,F3,F2Q,FC,FC, VA,FA
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sowie der Phonemtaktgeberfunktionen in die Praxis umzusetzen. Für jeden Augenblick dient der Regelsignalparameter dazu, den Wert des
Kondensatorverhältnisses der speziellen Schaltung zu regeln und damit auch den Widerstandswert der Schaltung, indem der Ein-Ausschaltzustand
mehrerer CMOS-Schalter geregelt wird, die einzeln in Reihe mit einer entsprechenden Anzahl von binärorientierten parallelgeschalteten
Kondensatoren verbunden sind. Die Schaltfrequenz (F01)
ist auf 20 kHz eingestellt, wie sie durch die Taktsignale 01 und 02 des Taktgebers 38 festgesetzt sind, mit Ausnahme beim Nebenphonemtaktgeber
42 (Fig. 7), welcher die Taktsignale P1 und P2 mit 5 kHz des Taktgebers 38 verwendet. Die Taktsignale 01 und 02 sind digitale
zweiphasige Taktsignale mit einer Frequenz von 20 kHz. Wie Fig. 14 zeigt, sind die Taktsignale 01 und 02 phasenverkehrt und
überlappen sich nicht. Der Zweck des zweiten sich nicht überlappenden Taktsignals (02) besteht darin, auf den Rechenverstärker und
die Schaltungsauslegung zurückzuführende Störkapazitäten auszuschalten.
Die Arbeitsweise der kapazitiven Parameterregelschaltung erklärt sich wahrscheinlich am besten durch einen Vergleich des Stromlaufplanes
der Vokalamplitudenschaltung 62 und der Resonanzfilter F1 und F2 der Rachenraumschaltung 60 in Fig. 4 mit dem Widerstand-Ersatzschaltbild
dieser Schaltung in Fig. 9. Die Regelsignalparameter VA,F1,F2,F2Q und FC regeln den Effektivwiderstand einer Potentiometer-Ersatzschaltung
durch Einstellen ihres Kapazitätsverhältnisses auf einen von sechzehn eigenen Werten. Diese sechzehn
verschiedenen Werte werden natürlich durch den Schaltzustand der vier Bits in jedem RegelSignalparameter bestimmt. Dies gilt für
alle Parameter ausgenommen den Regelparametern F2, welcher die Fre-
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quenz des Resonanzfilters F2 steuert. Obwohl der Regelsignalparameter
F2 vier Auflösungsbits enthält, die sechzehn verschiedene Sollstellungen
wie bei den anderen Regelparametern bilden, wird ein fünftes
Auflösungsbit dem Regelparameter F2 während des Übergangs (wie vorstehend beschrieben) zugefügt, um den Einzelzuwachsschritt der
Grundfrequenz des Resonanzfilters F2 zu verkleinern, wenn es dynamisch
auf eine neue Sollstellung übergeht. Das fünfte Auflösungsbit des Regelparameters F2 ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
vorgesehen, weil die Frequenzspanne etwa das Doppelte der des Resonanzfilters
F1 beträgt, das ebenfalls vier Auflösungsbits für sechzehn einzelne Zuwachsschritte verwendet. Da die Zuwachsänderungen
so klein wie möglich sein sollen, damit die schrittweise Übergangsbewegung als fortschreitende Änderung vom menschlichen Ohr
empfunden wird, fand man es erforderlich, ein fünftes Auflösungsbit dem Regelparameter F2 zuzuteilen, um die Größe der Bewegung bei
jedem Einzelschritt zu verkleinern.
Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Claims (16)
- Patentansprüche(1 ·) Phonemorientierter Sprachgenerator mit dem Modell eines Rachenraumes, der in Abhängigkeit von mehreren Regelparametern, die für jedes einzelne Phonem erzeugt werden, geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Übergangsschaltung (50) den Wert eines Regelparameters (F1,F2,F3,F2Q,FC,FC,VA,FA) von einem Istwert (C) fortschreitend in einen Sollwert (T) verändert, wobei die digitale Übergangsschaltung (50) folgende Baugruppen umfaßt: eine Eingangsschaltung (150) zur Erzeugung des Sollwertes (T) des Regelparameters, eine Ausgangsschaltung (168, 170) zur Erzeugung des Istwertes (C) des Regelparameters und eine Schaltung (158) zur fortlaufenden Addition mit einer bestimmten Frequenz eines bestimmten Prozentsatzes der Differenz (-nc) zwischen dem Sollwert (T) und dem Istwert (C) zum Istwert (C), wobei der daraus entstehende Wert (nC) den Endstufen (168,170) eingegeben wird, so daß dieser entstehende Wert (nC)130064/0774den neuen Istwert darstellt.
- 2. Sprachgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegebene Prozentsatz zirka 12,5 % beträgt.
- 3. Sprachgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (158) eine erste Schaltung (158) bildet, die an die Eingangsschaltung (150) geführt ist, um ein erstes Signal für den vorgegebenen Prozentsatz (nT) des Sollwertes (T) zu erzeugen, daß eine zweite Schaltung (154) an die Ausgangsschaltung (168) gekoppelt ist, um ein zweites Signal gleich dem vorgegebenen Prozentsatz des Istwertes (C) zu erzeugen, daß eine dritte Schaltung (156) das zweite Signal vom Istwert (C) abzieht und ein drittes Signal für die Differenz (-nC) erzeugt sowie dadurch, daß eine vierte Schaltung (152) das erste Signal (nT) zum dritten Signal (-nC) addiert und das sich ergebende Signal (neuer Istwert) der Ausgangsschaltung (168) einspeist.
- 4. Verfahren zur digitalen Erzeugung eines fortschreitenden Übergangs des Wertes eines Regelparameters in einem phonemorientierten Sprachgenerator mit dem Modell eines Rachenraumes, der in Abhängigkeit von mehreren Regelparametern gesteuert wird, die für jedes einzelne Phonem erzeugt werden, gekennzeichnet durch Bilden eines Sollwertes für den Regelparameter, Bilden eines Istwertes für den Regelparameter, Addieren eines bestimmten Prozentsatzes der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert zum Istwert, Einsetzen dieses Ergebnisses für den Istwert, um einen neuen Istwert zu bilden und laufendes Wiederholen des vorstehenden dritten und vierten Verfahrensschritts mit1 30064/0774-3- 31 U 189einer bestimmten Frequenz.
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß,der bestimme Prozentsatz im wesentlichen gleich 12,5 % ist.
- 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Verfahrensstufe folgende Arbeitsgänge umfaßt: Subtraktion des vorgegebenen Prozentsatzes des Istwertes vom Istwert sowie Addition des vorgegebenen Prozentsatzes des Sollwerts zur Differenz.
- 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Frequenz so gewählt wird, daß der Istwert zirka 70 % des Sollwertes innerhalb einer Zeitspanne von zirka 33 msec ist.
- 8. Phonemorientierter Sprachgenerator mit dem Modell eines Rachenraumes, das in Abhängigkeit von mehreren Regelparametern gesteuert wird, die für jedes Phonem erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stimmritzengenerator (58) digital einen Stimmritzenimpuls erzeugt, der dem Rachenraum (60) eingespeist wird, um diesen mit Vokalerregungsenergie zu versorgen, wobei der Stimmritzengenerator (58) folgende Baugruppen umfaßt: parallel-serielle Umsetzer (242,244) mit mehreren parallelen Eingängen (0-7), die jeweils an einen bestimmten Gleichspannungspegel (V ) gekoppelt sind, einen seriellen Ausgang (246) , auf welchem der Stimmritzenimpuls erzeugt wird, sowie mehrere Wahleingänge (A,B,C), die wählen, welche der parallelen Eingänge (0-7) zum seriellen Ausgang (246) durchgeschaltet wird und einen130064/0774Zähler (234) mit einem Taktsignaleingang, an dem ein Taktsignal (02) mit einer bestimmten Frequenz (20 kHz) anliegt, damit der Zähler (234) mit einer bestimmten Frequenz (20 kHz) zähle, sowie mit mehreren Zählausgängen, die an die Wahleingänge (A,B, C) der parallel-seriellen Umsetzer (242,244) geführt sind, so daß jeder Zählschritt des Zählers (234) bewirkt, daß jeweils ein anderer der parallelen Eingänge (0-7) mit dem seriellen Ausgang (246) verbunden wird.
- 9. Sprachgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stimmritzengerantor (58) auch einen Taktgeber (220) enthält, welcher die Dauer des Stimmritzenimpulses dadurch bestimmt, daß ein Ausgangssignal (CT) am Ende eines jeden Stimmritzenimpulses erzeugt wird, das an den Zählern (234,236) anliegt, worauf diese gelöscht werden.
- 10.Sprachgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprachraum (60) ein erstes regelbares Resonanzfilter (F1) umfaßt, das von einem (F1) der Regelparameter (F1,2,3,F2Q,FC, FC,VA,FA) eingestellt wird und eine erste Resonanzformante (FF) im Frequenzspektrum eines Phonems erzeugt,und daß der Taktgeber (220) automatisch die Zeitdauer des Stimmritzenimpulses in Abhängigkeit vom Wert des ersten Regelparameters (F1) verändert.
- 11.Phonemorientierter Sprachgenerator mit einem Rachenraummodell, das in Abhängigkeit von mehreren Regelparametern, die für jedes Phonem erzeugt werden, geregelt wird, wobei die Parameter den eingeschwungenen Zustand von jedem Phonem bilden, dadurch ge-130064/0774- 5 - '31U189kennzeichnet, daß ein Stimmritzengenerator (58) einen Stimmritzenimpuls erzeugt, der am Rachenraum (60) anliegt und Vokalerregungsenergie dort einspeist, wobei der Stimmritzenimpuls (226) mit einer Grundfrequenz (5 kHz) schwingt und jede Periode einen aktiven und einen passiven Abschnitt umfaßt, daß der Stimmritzengenerator (58) Vorrichtungen (242,244) zur Erzeugung eines Stimmritzensynchronisierimpulses zu Beginn des aktiven Abschnittes aufweist sowie dadurch, daß eine digitale Übergangsschaltung (50) Werte der Regelparameter (F1,2,3,F2Q,FC, FC,VA,FA) von einem ersten Wert für den eingeschwungenen Zustand in einen zweiten Wert für den eingeschwungenen Zustand schrittweise verändert, wobei Einrichtungen (54,52) die einzelnen schrittweisen Veränderungen der Werte der Regelparameter mit der Erzeugung des Stimmrxtzensynchronisierimpulses synchronisieren.
- 12.Sprachgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stimmritzengenerator (58) folgende Einrichtungen umfaßt: Parallel-Seriellumsetzer (242,244) mit mehreren parallelen Eingängen (0-7) , die jeweils an einen bestimmten Gleichspannungspegel (V ) geführt sind, einem seriellen Ausgang (246) zur Erzeugung des Stimmritzenimpulses sowie mehreren Wahleingängen (A,B,C), welche den parallelen Eingang (0-7) wählen, der mit dem seriellen Ausgang (246) verbunden wird und einen Zähler (236) mit einem Taktsignaleingang,an dem ein Taktsignal (02) mit einer bestimmten Frequenz (20 kHz) anliegt, damit der Zähler (236) mit einer bestimmten Frequenz (20 kHz) zähle, sowie mit mehreren Zählausgängen (Q0-Q3), die an die Wahleingänge der Parallel-Seriellumsetzer (242,244) geführt sind, so daß bei je-130064/0774der Zählung des Zählers (236) ein anderer der parallelen Eingänge (0-7) mit dem seriellen Ausgang (246) verbunden wird.
- 13.Sprachgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stimmritzengenerator (58) auch einen Taktgeber (220) umfaßt, welcher die Zeitspanne des Stimmritzenimpulses dadurch bestimmt, daß er ein Ausgangssignal (CT) am Ende eines jeden Stimmritzenimpulses erzeugt, das an den Zählern (234,236) anliegt, um diese zu löschen.
- 14.Sprachgenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stimmritzensynchronisierimpuls dann erzeugt wird, wenn der Zähler (234) gelöscht wird.
- 15.Sprachgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rachenraummodell (60) mehrere umschaltbare Kondensator-Resonanzfilter (F1,F2,P3,F5) umfaßt, die von mehreren parallelgeschalteten und binärorientierten Kondensatoren (Fig. 4,5) digital abgestimmt werden, wobei die Kondensatoren in Reihe mit einem elektrischen Schalter geschaltet sind, der durch einen der Regelparameter (F1,2,3,F2Q,FC,FC7VA,FA) gesteuert wird.
- 16.Phonemorientierter Sprachgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (150) in Abhängigkeit von Eingabedaten eine gewünschte Folge von Phonemen identifiziert, um mehrere parallele digitale Regelparameter zu erzeugen, welche elektronisch den eingeschwungenen Zustand der einzelnen Phoneme in der gewünschten Folge bilden, daß ein Stimmritzengenerator (58) einen Stimmritzenimpuls mit einer Grundfrequenz (20 kHz) er-130064/0774-7- 31U189zeugt, der einen aktiven und einen passiven Abschnitt aufweist, wobei der Stxmmritzengenerator (58) auch eine Vorrichtung (240) besitzt, um einen Stimmritzensynchronisierimpuls zu Beginn des aktiven Abschnittes zu erzeugen, und, daß eine digitale Übergangsschaltung (50) die Werte der Regelparameter (F1,2,3,F2Q,FC, FC,VA,FA) schrittweise von einem ersten Wert für einen eingeschwungenen Zustand in einen zweiten Wert für einen eingeschwungenen Zustand verändert, wobei auch eine Vorrichtung (54) zur Synchronisation der einzelnen schrittweisen Werteänderungen der Regelparameter mit der Erzeugung des Stimmritzensynchronisationsimpulses vorgesehen ist sowie dadurch, daß das Modell eines Rachenraumes (60) in Abhängigkeit vom Stimmritzenimpuls im wesentlichen das Frequenzspektrum der einzelnen Phoneme der gewünschten Folge erzeugt, wobei mehrere umschaltbare kapazitive Resonanzfilter (F1,F2,F2,F5) digital durch mehrere parallelgeschaltete binärorientierte Kondensatoren (Fig. 4,5) abgestimmt werden, von denen jeder in Reihe mit einem elektronischen Schalter gelegt ist, der durch einen der Regelparameter gesteuert wird (Fig. 4,5).1 3006Λ/0774
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