JPS6051720B2 - 音声の基本周期抽出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、音声分析装置を経済的に構成するための音声
基本周期抽出装置に関するものである。

従来、音声分析合成方式として、帯域フィルタ群による
短時間スペクトル分析、あるいは零交差法によるホルマ
ント周波数軌跡等、種々の方式が提案されているが、そ
れらの中で、例えば部分自己相関方式は情報圧縮率、合
成音声の品質、音声の特徴パラメータの自動抽出等の点
で最も優れた方式の一つであることが知られている。第
１図は、部分自己相関方式を用いた従来の装置の一例を
示すブロック構成図である。

図中、１は音声入力端子、２はＡ−Ｄ変換器、３は部分
自己相関係数抽出装置、４は部分自己相関器、５は部分
自己相関係数出力端子、６は残置端子、７は音源情報抽
出装置、８は音声の基本周期抽出装置、９は音声期本周
期出力端子、１０は音声の振幅算出器、１１は音声の振
幅出力端子、１２は有声無声判定器、１３は有声音係数
、無声音係数出力端子である。

入力端子１に加えられた音声信号（ｘ、）は、Ａ−Ｄ変
換器２よりたとえは標本化周波数８ＫＨ２）量子化ビッ
ト数符号＋１１ビットの条件でディジタル信号に変換さ
れ、部分自己相関係数抽出装置３に入力される。

部分自己相関係数抽出装置は、縦続接続された約１０段
程度の部分自己相関器４によつて構成される。

部分自己相関器４では、音声信号の近接標本値開の相関
が部分自己相関係数に、として出力端Ｊ子５に取出され
る。抽出された近接標本値開の相関成分は、音声信号か
ら除去され、次の段に入る。このような処理を重ねるに
つれて、音声信号の近接標本値開の相関は部分自己相関
係数として除・去しつくされ、最終段の出力６には音声
の音源情報に関する比較的遠い波形の相関のみが残され
る。

残差端子６における部分自己相関係数抽出装置の出力を
、残差（ε，）と呼ぶ。同じように、一般に音声波の近
似スペクトルの逆特性を有するフィルタに音声波を通し
たときに得られる出力波を残差と呼ぶが、以下の説明で
は、部分自己相関係数を用いる方法を例にとつて説明す
る。音声の振幅算出器１０によつて音声の振幅Ｌが、ま
た有声・無声判定器１２によつて有声音係数Ｖ１無声音
係数ＵＶが抽出され、それぞれ９，１１，１３の端子に
出力される。

このようにして抽出された音声の特徴パラメータＫｌ，
ｉ＝１〜１０．．Ｔ，■，ＵＶ，Ｌは量子化して５ミリ
〜１５ミリ秒程度のフレーム周期で伝送される。

受信側では、これらのパラメータにより制御される部分
自己相関係音声合成器によつて、もとの音声を復元する
ことができる。つぎに、従来の音声基本周期抽出装置８
の詳細な構成例を第２図に示す。

図中、１４は記憶装置、２２は同じく記憶装置、１５は
自己相関器、１６は最大値抽出器、１７は残差の相関係
数の出力端子、１８は最大値の出力端子である。残差信
号から音声の基本周期の２〜３倍の短区間（約２０〜４
０ミリ秒）が切り出され、記憶装置１４に蓄えられる。
次に、１フレーム分の標本値が記憶装置２２に格納され
る。周期信号の相関関数は位相が無視される結果、もと
の信号では必らずしも明瞭でない基本周期が最大値の周
期的なくり返しとして明らかになることから、残差の相
関関数を自己相関器１５によつて算出する。つぎに残差
の相関関数の最大値を基本周期の探索範囲（２ミリ秒〜
２０ミリ秒）を設けて最大値抽出回路１６で検出する。
検出した最大値の位置が音声の基本周期として９に出力
され、その値が１８のに出力される。上記の装置では、
残差信号が音声スペクトルの．微細構造のみを表現する
信号であるため、インパルス状の波形をしていて、標本
化周期を非常に細かくしないと、誤まつて倍周期、半周
期を抽出しやずいという欠点をもつていた。また残差信
号を低ビットで表現すると特にこの傾向が著るしく、。
残査の低ビット量子化が困難であるという欠点があつた
。したがつて、残差信号を表現する演算精度は１２ビッ
ト程度必要て、このとき自己相関器１５では１２ビット
Ｘｌ２ビットの積和を約１０ミリ秒程度の短時間内に約
２〜３万回算出することが必要で、非常に高速の素子を
必要とする欠点があつた。第３図に短区間の残差波形を
、第４図に残差波形を１２ビットで表現したときの相関
係数を示す。音声の基本周期１Ｔは上記の理由で倍周期
丁に誤つている。本発明は上記の事情に埠みてなされた
もので、残差信号に含まれる不要な高周波成分を低域洒
波器によつて遮断することによつて低ビット量子化・を
可能にし、音声基本周期抽出装置を低速素子で構成可能
とすることを目的としたもので、残差信号に含まれる不
要な高周波成分を遮断する第１の装置と、この装置から
出力された信号を正負の符号のみの情報を用いて残差信
号の零交差波に変換する第２の装置と、該残差信号の零
交差波形から一定区間毎に一定区間長だけ切り出す第３
の装置と、これを１フレーム分だけ蓄積しておく第４の
装置と、自己相関係数を算出する第５の装置と、算出さ
れた相関係数の最大値の位置と大きさを検゜出する第６
の装置とを有し、その特徴とするところは、低速素子に
よる構成で音声基本周期を実時間で抽出できるところに
ある。

以下図面について詳細に説明する。本発明の一実施例を
第５図に示す。

６は残差信号の入力端子、１９は低域戸波器、２０は符
号器、２１は符号器出力端子、１４は現フレームの残差
零交差波を記憶しておく記憶装置、２２は前フレームの
残差零交差波を記憶しておく記憶装置、１５は残差零交
差波の相関係数を計算する自己相関器、１７は自己相関
器出力端子、１６は最大値抽出器、９は音声の基本周波
出力端子、１８は相関係数の最大値出力端子てある。

音声の基本周期抽出においては、普通基本周期の２〜３
倍の区間２０〜４０ミリ秒を分析対象とし、分析区間を
５〜１５ミリ秒づつずらしながら行なわれる。

ここでは一実施例として、標本化周波数８ＫＨＺ１量子
化ビット数符号＋１１ビットでディジタル信号に変換さ
れた残差信号から、基本周期を抽出する場合について説
明する。また１回の分析において対象とする音声区間（
フレーム）の長さを２０ミリ秒、標本数にして１６０標
本値であるとし、このフレームを１０ミリ秒、標本数で
は８（ＥＩづつずらしながら基本周期を抽出することと
する。入力端子６に１２５μＳｅｃ毎の間隔で入力され
た残差信号は、低域沖波器１９によつて不要な高周波成
分が除去され、符号器２０に入力される。符号器では信
号をピーククリップあるいは量子化等の操作によつて低
ビットで表現される。最も極端な場合が残差信号の正負
の符号のみの情報から作られた零交差波である。符号化
された信号は８蕉本値分が記憶装置１４に蓄えられる。
記憶装置１４にはシフトレジスタなどが用いられ、その
大きさは本実施例では１ビット×ａ語である。記憶装置
１４に８咋の標本値が書きこまれると、次の標本値が到
達する以前、すなわち１２５μＳｅｃ経過する以前に記
憶装置１４の内容は次の記憶装置２２に移され、新らし
い標本値は記憶装置１４に蓄えられはじめる。記憶装置
−２−２は１フレーム分の標本値を収容する大きさを有
し、本実施例では１ビット×１６０語である。直前のフ
レームの標本値８０個と新らたに記憶装置１４から移さ
れた標本値８０個と、合計１６０標本値で１フレームを
なす。記憶装置２２には、シフトレジスタなどが用いら
れる。次に、自己相関器１５において、遅れ１０欧程度
までの自己相関係数が算出される。音声の基本周期は最
大値抽出器１６で、遅れ２０から１００までの探索範囲
における最大の自己相関係数の位置として求められ、音
声の期本周期出力端子９に出力される。そのときの値が
１８に出力される。上述した本発明による音声基本周期
抽出装置は、残差信号に含まれる不要な高周波成分を低
域淵波器によつて遮断する構造になつているため、その
相関係数の最大値が非常に明確に検出できる効果がある
。

したがつて、この結果を利用して、低域沖波器出力の残
差信号を正負の符号のみからなる零交差波で表現するこ
とによつて、演算規模を著るしく減少させることができ
る。第６図は、残差信号をＣｕｔＯｆｆ５ＯＯＨＺ２次
ＣＲ形低域淵波器に通したときに波形の一例である。第
７図は、第６図の波形を１２ビットで表現したときの相
関係数、第８図は１ビット量子化（符号のみ）したとき
の相関係数である。音声の基本周期Ｔは倍周期丁に誤る
ことなく正しく抽出されており、低域戸波器に通すこと
の効果は明らかである。つぎに、符号器２０に必要な演
算精度を求めるために、女性３名の発声による約３．醗
の文章音声から、本発明による装置によつて音声の基本
周期を求めた、演算精度を１２ビットから１ビットまで
かえて、文章音声中の有声音区間における基本周期の抽
出誤まりを、有声音区間の全フレーム数で規格化（％）
したものを第９図に示す。

従来の基本周期抽出装置では、誤まりが約１０（％）程
度あつたものが、本発明の装置では１（％）以下になつ
ていることがわかる。特に１ビット量子化（符号のみ）
相関でも十分な精度が得られる。上記説明は、部分自己
相関係数をパラメータとして音声波形を表現する場合の
音声分析方式に例を取つて行なつたものであるが、一般
に音声波の近似スペクトルを求め、この逆特性をもつフ
ィルタを通過した音声波の残差に対しても同様に適用で
きることは明白である。以上説明したように、本発明に
おいては、残差信号を低域沖波器に通すことによつてそ
の相関係数の最大値が明確に検出できることから、音声
の基本周期を正確かつ安定に抽出できる利点がある。

特に残差信号の正負の符号のみからなる零交差波の相関
で十分であるところから、従来積和の演算が必要であつ
たものが和だけで良く、回路構成が非常に簡単化される
利点がある。上記のように音声の基本周期の抽出精度が
改善できることから、音声の帯域圧縮伝送、あるいは音
声応答装置における合成音声の品質を著るしく改善でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は部分自己相関方式による音声分析の構成図、第
２甲は従来の音声基本周期抽出装置の構成図、第３図は
残差信号の波形図、第４図は残差Ｊ信号を１２ビットで
表現したときの相関係数の波形図、第５図は本発明によ
る音声基本周期抽出装置の構成図、第６図は低域沖波後
の残差信号波形図、第７図は低域沖波後の残差波形を１
２ビットて表現したときの相関係数の波形図、第８図は
低域７淵波後の残差波形の符号のみの相関係数の波形図
、第９図は残差波形を表現する精度（ビット数）と基本
周期の抽出誤りを示す説明図である。 ８は本発明による音声基本周期抽出装置、６は残差信号
入力端子、１９は低域炉波器、２０は符フ号器、２１は
符号器出力端子、１４は記憶装置、２２は記憶装置、１
５は自己相関器、１７は自己相関器出力端子、１６は最
大値抽出器、９は基本周期出力端子、１８は最大値出力
端子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 音声信号の近似スペクトルの逆特性を有するフィル
   タに通した音声波の残差信号から、該残差信号に含まれ
   る不要な高周波成分を遮断する第１の装置と、該第１の
   装置から出力された信号を正負の符号のみの情報を用い
   て残差信号の零交差波に変換する第２の装置と、該残差
   信号の零交差波形から一定間隔ごとに一定区間長のみ切
   出す第３の装置と、該一定区間長のみ切出された信号を
   １フレーム分のみ蓄積しておく第４の装置と、自己相関
   係数を算出する第５の装置と、算出された相関係数の最
   大値の位置と大きさを検出する第６の装置とを設け、残
   差信号に含まれる不要な高周波成分を低域濾波器によつ
   て遮断し、残差信号の零交差波形の相関係数から音声の
   基本周期を抽出することを特徴とする音声の基本周期抽
   出装置。