SU980133A1 - Device for analysis and synthesis of speech signal - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к анализу, синтезу и передаче (запоминанию) речевых сигналов и может быть использовано в технике св зи, в частности в телефонии, а также в устройствах распознавани  образов.The invention relates to the analysis, synthesis and transmission (memorization) of speech signals and can be used in communication technology, in particular in telephony, as well as in pattern recognition devices.

Известны устройства анализа .и синтеза речевых сигналов, в которых выделение параметров речевого сигнала осуществл етс  на основе коррел ционной обработки в предположении,что модель образовани  сигнала линейна . Синтез речевого сигнала осуществл етс  посредством перестраиваемого линейного фильтра-предсказател  Г 1 и 2 .Devices for analyzing and synthesizing speech signals are known, in which the extraction of speech signal parameters is carried out on the basis of correlation processing under the assumption that the signal generation model is linear. The speech signal is synthesized by means of a tunable linear filter predictor G 1 and 2.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  устройство анализа и синтеза речевого сигнала, содержащее в анализаторе фильтр нижних частот, дискретизатор , генератор импульсов, вычислитель параметров линейного фильтрапредсказател , выделитель периода основного тона и вычислитель тон/шум, в котором вычисл етс  среднеквадратическое отклонение ошибки предсказани , уплотнитель, который через канал св зи соединен с разделителем . В синтезаторе содержатс  генератор импульсов основного тона, ге.нератор шума, фильтр с пере.страиваемыми параметрами, который состоит из линейного фильтра-предсказател  и сумматора, усилители и фильтр нижних частот ГЗ .The closest to the proposed technical entity is a device for analyzing and synthesizing a speech signal, which contains a low-pass filter, a sampler, a pulse generator, a linear filter predictor parameter calculator, a pitch period selector, and a tone / noise calculator, in which the root-mean-square deviation of the error is calculated. predictor, a seal which is connected to the separator via the communication channel. The synthesizer contains a fundamental tone pulse generator, a noise generator, a filter with variable parameters, which consists of a linear filter predictor and an adder, amplifiers and a low-pass filter of the GB.

Однако в данном устрюйстве оценка коэффициентов линейного фильтра с перестраиваемыми параметрами и However, in this device, the estimate of the coefficients of the linear filter with tunable parameters and

10 периода импульсов основного тона раздельна, что приводит к неоптимальной обработке речевого сигнала и, как следствие, к уменьшению точности анализа и синтеза. Кроме того, 10 period of the pulses of the fundamental tone is separate, which leads to non-optimal processing of the speech signal and, consequently, to a decrease in the accuracy of analysis and synthesis. Besides,

15 в анализаторе при оценке периода основного тона неизбежны ошибки типа пропусков и по влени  ложных импульсов , качество синтеза оказываетс  сравнительно невысоким.15, in the analyzer when estimating the pitch period, errors such as skips and the appearance of false pulses are inevitable, the quality of the synthesis is relatively low.

2020

Цель изобретени  - повышение точности анализа и синтеза речи за счет исключени  из передачи информации об основном-тоне на основе введени  нелинейной обработки сигнала.The purpose of the invention is to improve the accuracy of speech analysis and synthesis by eliminating information about the main tone from the transmission based on the introduction of non-linear signal processing.

2525

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее в анализаторе последовательно соединенные фильтр нижних частот и дискретизатор , генератор импульсов, под30 ключенный к управл ющему входу дискретизатора , вычислитель тон/шум, соединенный с первым входом уплотнител , подключенного через канал св зи к разделителю, в синтезаторе разделитель, первый выход которого соединен с входом линейного фильтра-предсказател , подключенного к третьему входу сумматора, четвертый выход разделител  соединен с управл ющим входом второго усилител ,вхо которого .подключен к выходу генератора Ш5ма, а выход - к первому вход сумматора, второй вход сумматор соединен с выходом первого усилител , выход сумматора подключен к входам линейного фильтра-предска:зател  и первого фильтра нижних частот, в анализатор введен вычислитель параметров нелинейного предсказани , вход которого соединен с выходом дискретизатора, а три выхода подключены соответственно: первый - к входу вычислител  тон/шум, второй и третий - к второму и третьему входЛ уплотнител , в синтезатор введены последовательно соединенные второй дополнительный фильтр нижних частот первый нелинейный преобразователь, линейный сглаживающий фильтр и второй нелинейный преобразователь, при этом вход второго дополнительного фильтра нижних частот соединен с выходом сумматора, выход второго нелинейного преобразовател  соединен с входом первого усилител ,управл ющий вход которого соединен с третьим выходом разделител , второй выход разделител  соединен с управл ющим входом линейного сглаживающего фильтра и с первым управл ющим входом второго нелинейного преобразовател , второй управл ющий вход которого подключен к четвертому выходу разделител .The goal is achieved by the fact that in a device containing a low-pass filter serially connected and a sampler in the analyzer, a pulse generator connected to the control input of the sampler, a tone-to-noise calculator connected to the first input of the seal connected via a communication channel to the separator in the synthesizer, a separator, the first output of which is connected to the input of the linear filter predictor connected to the third input of the adder, the fourth output of the separator is connected to the control input of the second silicon, the input of which is connected to the output of the generator S5ma, and the output to the first input of the adder, the second input of the adder is connected to the output of the first amplifier, the output of the adder is connected to the inputs of the linear pre-filter: the employer and the first low-pass filter, a parameter calculator is entered into the analyzer nonlinear prediction, the input of which is connected to the output of the sampler, and three outputs are connected respectively: the first is connected to the input of the tone-to-noise calculator, the second and the third are connected to the second and third input of the compactor, but the connected second additional low pass filter is the first nonlinear converter, linear smoothing filter and the second nonlinear converter, while the input of the second additional low pass filter is connected to the output of the adder, the output of the second nonlinear converter is connected to the input of the first amplifier, the control input of which is connected to the third output the separator, the second output of the separator is connected to the control input of the linear smoothing filter and to the first control input of the second nonlinear reobrazovatel, second control input of which is connected to the fourth output of the divider.

На фиг.1 изображенаблок-схема предлагаемого устройства; на фиг,2 осциллограммы, по сн ющие его работу на фиг.З и 4 - характеристики второго и первого нелинейных преобразователей соответственно.1 shows a block diagram of the proposed device; Fig. 2, oscillograms explaining its operation in Fig. 3 and 4 show characteristics of the second and first non-linear converters, respectively.

Анализатор предлагаемого устройства содержит фильтр 1 нижних частот , дискретизатор 2, генератор 3 импульсов, вычислитель 4 параметров нелинейного предсказани , вычислитель 5 тон/шум, уплотнитель 6. Выходы уплотнител  6 через канал 7 св з соединены с входом разделител  8. Устройство также содержит линейный фильтр-предсказатель 9, второй нелинейный преобразователь 10, сглаживающий фильтр 11, первый усилител 12, второй усилитель 13, генератор 14 шума, сумматор 15, второй дополнительный фильтр 16 нижних частот, первый фильтр 17 нижних частот и первый нелинейный преобразователь 1The analyzer of the proposed device contains a low-pass filter 1, a sampler 2, a pulse generator 3, a nonlinear prediction parameter calculator 4, a tone / noise calculator 5, a compactor 6. The outputs of the compactor 6 are connected via channel 7 to the separator input 8. The device also contains a linear filter Predictor 9, second nonlinear converter 10, smoothing filter 11, first amplifier 12, second amplifier 13, noise generator 14, adder 15, second additional low pass filter 16, first low pass filter 17 and first linear converter 1

На осциллограмме А (фиг,2) изображена измен юща с  во времени щумова  составл юща  на первом входе сумматора 15, вырабатываема  генератором 14 шума с учетом козффи- циента усилени  усилител  13, На осциллограмме Б изображен сигнал-на втором входе сумматора 15, вырабатываемый вторым нелинейным преобразователем 10 с учетом действи , окаQ зываемого усилителем 12. На осциллограмме В изображен сигнал на выходе сумматора 15. На осциллограмме Г приведен сигнал, формируемый на выходе сглаживающего фильтра 11.Waveform A (FIG. 2) shows the time-varying noise components at the first input of the adder 15 produced by the noise generator 14 taking into account the amplification factor of the amplifier 13. The waveform B shows the signal at the second input of the adder 15 produced by the second nonlinear transducer 10, taking into account the action indicated by the amplifier 12. The oscillogram B shows the signal at the output of the adder 15. The oscillogram D shows the signal generated at the output of the smoothing filter 11.

Работа устройства основана на нелинейной модели речеобразовани ,The operation of the device is based on a non-linear model of speech formation,

Предполагаетс , что сигнал образуетс  в соответствии с нелинейным уравнением следующего видаIt is assumed that the signal is formed in accordance with the nonlinear equation of the following form

20 . -(,8 , гдеЬ ,-;, ,20 . - (, 8, where, -,;,

S(z S (z

jj

, , о, , about

У 41 Wf у ) гг Р { t-i f Y 41 Wf y) yy P {t-i f

Wt - дискретный белый шум {0,-5,i 1,m- коэффициенты линейного пред0 сказани  (аналогичные коэффициентам в модели речеобра зовани  известного);Wt - discrete white noise {0, -5, i 1, m - linear prediction coefficients (similar to coefficients in the speech pattern of the known);

bjj,,r- коэффициенты сглаживани bjj ,, r- smoothing coefficients

фильтра; filter;

5 Р-ГИ.- коэффициенты, характеризующие форму и наклон характеристики второго нелинейного преобразовател ,5 R-GI. - coefficients characterizing the shape and slope of the characteristics of the second nonlinear converter,

Все параметры сигнала Х{., к котоРШ относ тс  &{, i ГГт, bij,i 1,е, и среднеквадратическое отклонение ошибки нелинейного предсказани  (э рассчитываютс  на основе коррел ционной обработки х. в результате решени  нелинейных коррел ционных уравненийAll parameters of the signal X {. That relate RSC to & {, i GGT, bij, i 1, e, and the standard deviation of the nonlinear prediction error (e is calculated based on the correlation processing x as a result of solving the nonlinear correlation equations

Bxx( iBxxto - amBxx ( (1), Вхх()+- + ат8ххи-2),(у (2),Bxx (iBxxto - amBxx ((1), Bhx () + - + at8hhi-2), (y (2),

0 exx(«)aiBxx(ni-l)+...+amBxx(o)boBx4.(m),0 exx (“) aiBxx (ni-l) + ... + amBxx (o) boBx4. (M),

где 8)((i),m - оценки коррел ционнойwhere 8) ((i), m are the correlation estimates

функции сигнала на сегменте анализа N-fsignal functions on the N-f analysis segment

Вхх()|д:т п-п41,6j (,(i), i 1,mBhx () | d: t p-p41,6j (, (i), i 1, m

оценки- функции взаимной коррел ции между сигналом х. и его нелинейным преобразованием V{z Ь- ; i- r + i, г ) на сегменте анализаestimator is the cross-correlation function between signal x. and its nonlinear transformation V {z b-; i- r + i, d) on the analysis segment

NN

BXVC ( ТГТ - BXVC (TGT -

П1 i+1 гP1 i + 1 g

Claims (3)

.Г.ъ,f,(„.. Таким образом, в вычислителе осуществл етс  расчет коррел ционных функций сигнала на сегменте и решение приведенной системы коррел  ционных уравнений. Исходный сигнал х ограничиваетс  по спектру частот, дискретиэируе с  и подвергаетс  анализу, на основе которого вычисл ютс  параметры нелинейной модели в вычислителе параметров нелинейного предсказани  и вычислителе тон/шум. Эти параметр уплотн ютс  в уплотнителе 6, передаютс  по каналу 7 св зи, раздел ют с  в разделителе 8 и поступают в синтезатор. Синтез 5с осуществл етс следующим образом. Коэффициенты (al i 1,m.подаютс  на линейный фильт предсказатель 9 и определ ют его состо ние. Коэффициент Ъ„ управл ет усилением усилител  12 и пол рность сигнала на его выходе (пол рность определ етс  знаком bg). Коэффициен ты Ь, i г+1,е определ ют состо ние сглаживающего фильтра 11. Коэффициенты Ь, i г+1,Е устанавливают характеристику второго нелинейного преобразовател  10. Величина d определ ет коэффициент усилени  усилител  13 и используетс . дл  подстройки порога л во втором нелинейном преобразователе 10. Выхо ной сигнал х, наблюдаемый на выход сумматора 15 (осциллограмма В на фиг.2), сглаживаетс  первым фильтро 17 нижних частот. Формирование реализации .синтезированного речевого сигнала при Ь происходит следующим образом (фиг.2 Если в анализируемом сигнале обрабатываетс  вокализованный сегмент, соответствующий участку типа тон, то величина iЬодостаточно велика и поэтому вблизи момента времени tg на выходе второго нелинейного преобразовател  10 возникает ненулевой сигнал И (осциллограмма Б на фиг.2) при прохождении сигнала (осциллог .рамма Г на фиг.2) через пороговое значение л(фиг.3). Сигнал И воздействует на второй вход сумматора 15, на первый вход которого с выхода генератора шума подаетс  белый шум W (осциллограмма А на фиг.2), усиленный в соответствии с величиной 6. Так как среднеквадратическое отклонение ошибки предсказани  на участке типа тон обычно мало (отношение шум/сигнал около 1%), то и уровень шума относительно мал и не играет существенной роли в формировании X. На третий вход сумматора 15 воздействует сигнал с выхода линейного фильтра-предсказател  9, равный нулю в начальный момент времени to. Сигнал X вблизи to( равен отклику цепи, состо щей из суг матора 15 и фильтра-предсказател  9, на сигнал И и возрастает по уровню (точкаг на фиг.2, осциллограмма В). Одновременно возрастает по уровню сигнал, который пропорционален огибающей сигнала х. Это приводит к убыванию сигнала И на выходе второго нелинейного преобразовател  10 (точка Т на фиг.2, осциллограммы Б и Г и фиг.З). Далее сигнал z| измен етс  медленно, так что остаетс  близким к нулю до момента времени t, (осциллограммы Б и Г на фиг.2). Таким образом, на участке (to,t сигнал xj совпадает с откликом цепи, состо щей из cyj iMaTopa 15 и фильтра 9, на импульс с выхода второго нелинейного преобразовател  10 и незначительное шумовое воздействие wf. Так как коэффициенты , ,m определены на сегменте типа тон, то этот отклик носит характерный дл  вокализованных фрагментов речи осциллирующий характер. По мере приближени  сигнала Z к значению ( фиг.З) и убывани  амплитуды 2 выходе второго нелинейного преобразовател  10 формируетс  новый импульс , который после усилени  и уста .новкиНужной пол рности в усилителе 12 вновь поступает на второй вход сумматора 15, и далее процесс повтор етс  до тех пор, пока x в анализаторе обрабатываетс  на сегменте тон (точки t, t на фиг,2). На сегменте типа шум среднеквадратическое отклонение ошибки предсказани  возрастает, а коэффициент I bgl уменьшаетс . Это приводит к тому, что цепь нелинейной обратной св зи практически не участвует в формировании х и основную роль И1- рает сигнал с выхода генератора 14 шума (точки t,t и tv в области времен t 7 t4 на фиг.2). Предлагаемое устройство по сравнению с известными позвол ет повысить точность анализа и синтеза речевого сигнала, при этом качество синтезированного сигнала повышаетс  за счет лучшего воспроизведени  основного тона. Формула изобретени  Устройство анализа и синтеза речевого сигнала, содержащее в анализаторе последовательно соединенные фильтр нижних частот и дискретизатор , генератор импульсов, подключенный к управл ющему входу дискретизатора , вычислитель тон/шум, соединенный с первым входом уплотнител , подключенного через канал св зи к разделителю, в синтезаторе - разделитель , первый выход которого соединен с входом линейного фильтрапредсказател , соединенного с треть входом сумматора, четвертый выход, разделител  соединен с управл ющим входом второго усилител , вход которого подключен к выходу генератор шума, а выход - к первомувходу сум матора, второй вход сумматора соединен с выходом первого усилител , выход сумматора подключен к входам линейного фильтра-предсказател  и первого фильтра нижних частот, о тличающеес  тем, что, с целью повышени  точности анализа и синтеза речевого сигнала, в анализатор введен вычислитель параметров нелинейного предсказани , вход которого соединен с выходом дискретизатора , а три выхода подключены соответственно; первый - к входу вычислител  тон/шум, второй и третий - к второму и третьему входам уплотнител , в синтезатор введены последовательно соединенные второй дополнительный фильтр нижних частот первый нелинейный преобразователь, линейный сглаживающий фильтр и второй нелинейный преобразователь, при этом вход второго дополнительного . фильтра нижних частот соединен с i выходом csMMaTopa, выход второго нелинейного преобразовател  соединен с входом первого усилител , управл ющий вход которого соединен с третьим выходом разделител , второй выход разделител  соединен с управл ющим входом линейного сглаживающего фильтра и с первым управл ющим входом второго нелинейного преобразовател , второй управл ющий вход которого подключен к четвертому выходу разделител . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Atal B.S., Hanauec S.L. Analysis and Synthesis by Linear, Pirediction of Speech Wave. I.A.S.A., V. 50, № 2 (part 2), 1971. .Г.ъ, f, (".. Thus, in the calculator, the correlation functions of the signal on the segment are calculated and the reduced system of correlation equations is solved. The initial signal x is limited in the frequency spectrum, sampled and analyzed. the parameters of the nonlinear model are calculated in the nonlinear prediction parameter calculator and the tone / noise calculator. These parameters are compressed in the seal 6, transmitted over the communication channel 7, shared with the separator 8 and fed to the synthesizer. Synthesis 5c follows the trace The coefficients (al i 1, m. are supplied to the linear filter by the predictor 9 and its state is determined. The coefficient ω controls the gain of the amplifier 12 and the polarity of the signal at its output (the polarity is determined by the sign of bg). Coefficients B, i g + 1, e determine the state of the smoothing filter 11. The coefficients b, i g + 1, e determine the characteristic of the second nonlinear converter 10. The value d determines the gain of the amplifier 13 and is used. to adjust the threshold l in the second non-linear converter 10. The output signal x observed at the output of the adder 15 (waveform B in FIG. 2) is smoothed by the first low-pass filter 17. The implementation of the synthesized speech signal when b is formed as follows (Fig. 2) If the voiced segment corresponding to the tone type section is processed in the analyzed signal, the value of iB is sufficiently large and therefore a non-zero AND signal occurs at the output of the second nonlinear converter 10 (waveform B in figure 2) with the passage of a signal (an oscillograph. Frame G in figure 2) through a threshold value l (figure 3). The signal I acts on the second input of the adder 15, the first input of which is output The noise generator is supplied with white noise W (waveform A in FIG. 2), amplified according to magnitude 6. Since the standard deviation of the prediction error in a tone-type region is usually small (noise / signal ratio is about 1%), the noise level is relatively small and does not play a significant role in the formation of X. The third input of the adder 15 is affected by the signal from the output of the linear filter predictor 9, equal to zero at the initial time to. The signal X is close to (equal to the response of the circuit consisting of the armature of the matrix 15 and the filter predictor 9 to the signal I and increases in level (point in Fig. 2, waveform B). At the same time, the signal increases in level, which is proportional to the envelope of the signal x This leads to a decrease in the signal AND at the output of the second nonlinear converter 10 (point T in Fig. 2, waveforms B and D and Fig. 3). Next, the signal z | changes slowly so that it remains close to zero until time t, (waveforms B and D in figure 2). Thus, in the area (to, t signal xj coincides with off The circuit, consisting of cyj iMaTopa 15 and filter 9, per pulse from the output of the second nonlinear converter 10 and a slight noise effect wf. Since the coefficients,, m are determined on a tone type segment, this response is oscillatory in vocalized speech fragments As the Z signal approaches the value (Fig. 3) and the amplitude 2 decreases, the output of the second nonlinear converter 10 generates a new pulse, which, after amplification and setup, the required polarity in the amplifier 12 is fed to the second input ora 15, and then the process is repeated for as long as x analyzer is processed in tone segment (points t, t in FIG. 2). On a noise type segment, the standard deviation of the prediction error increases, and the coefficient I bgl decreases. This leads to the fact that the nonlinear feedback circuit practically does not participate in the formation of x and the main role of I1 is the signal from the output of noise generator 14 (points t, t and tv in the time domain t 7 t4 in Fig. 2). The proposed device, in comparison with the known ones, makes it possible to increase the accuracy of analysis and synthesis of a speech signal, while the quality of the synthesized signal is improved due to better reproduction of the pitch. The invention of the device for analyzing and synthesizing a speech signal, which in the analyzer contains a serially connected low-pass filter and a sampler, a pulse generator connected to the control input of the sampler, a tone-to-noise calculator connected to the first input of the seal connected to the separator in a synthesizer - a separator, the first output of which is connected to the input of the linear filter predictor, connected to the third input of the adder, the fourth output, the separator is connected to the control input the house of the second amplifier, whose input is connected to the output of the noise generator, and the output to the first input of the summator, the second input of the adder is connected to the output of the first amplifier, the output of the adder is connected to the inputs of the linear filter-predictor and the first low-pass filter, in that In order to improve the accuracy of the analysis and synthesis of the speech signal, a non-linear prediction parameter computer, the input of which is connected to the sampler output, is entered into the analyzer, and three outputs are connected, respectively; the first is to the input of the ton / noise calculator, the second and the third are to the second and third inputs of the compactor, the second additional low-pass filter, the first nonlinear converter, the linear smoothing filter and the second nonlinear converter, the second additional input are introduced into the synthesizer. the low-pass filter is connected to the i output of the csMMaTopa, the output of the second nonlinear converter is connected to the input of the first amplifier, the control input of which is connected to the third output of the splitter, the second output of the separator is connected to the control input of the linear smoothing filter and the first control input of the second nonlinear converter, the second control input of which is connected to the fourth output of the separator. Sources of information taken into account in the examination 1.Atal B.S., Hanauec S.L. Analysis and Synthesis by Linear, Pirediction of Speech Wave. I.A.S.A., V. 50, No. 2 (part 2), 1971. 2.F. Itakura et al. An Audio Response Unit Based on Partial Autocorrelation. IEEE Tr., V. COM-20, 4, 1972. 2.F. Itakura et al. An Audio Response Unit Based on Partial Autocorrelation. IEEE Tr., V. COM-20, 4, 1972. 3.Atal B.S. Speech Analysis and Synthesis by the Use of the Linear. Prediction of Speech Wave. Oct. 29, 1969, ser. 87205l6, U.S. cl. 179-15A, № 3624302.3.Atal B.S. Speech Analysis and Synthesis of the Linear. Prediction of Speech Wave. Oct. 29, 1969, ser. 87205l6, U.S. cl. 179-15A, No. 3624302. зs f(l bi)f (l bi) Фиг. 5FIG. five 0 Фиг Л0 FIG L