Цифровой синтезатор речи

 

ЬП ИСАНИЕ

ИЗЬВРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцналкстическкк республик

<»i974404 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)M. Кл.

6 10 4 1/00 (22) Заявлено 26.05.81 (21) 3291322/18-10 с присоединением заявки,И (23 ) Приоритет

Опубликовано 15.11.82. Бюллетень № 42

Дата опубликования описания 15.11.82

3Ьеударстекниый квинтет

СССР ио делан изо4ретеиий и открытий (53) УД К534. . 782(088.8) (72) Авторы изобретения

А. С. Рылов и В. П. Баранов

Минский радиотехнический институт (71) Заявитель (54) 11ИфРОВОЙ СИНТЕЗАТОР РЕЧИ

Изобретение относится к анализу и синтезу речи и может быть использовано в различных областях народного хозяйства в качестве устройства для отображения информации в виде речевых сообшенйй.

Известен синтезатор речи, содержащий адаптивный рекурсивный фильтр, линейный предиктор, сумматор, фильтр низкой частоты, генератор тока, генератор шума, микшер, усилитель, конвертор, память

1О для хранения коэффициентов !1 3 .

Однако это устройство обладает малым быстродействием, а аппаратурная реализация его сложна.

Известен также синтезатор, содержащий постоянное запоминающее устройство словаря, постоянное запоминающее уст ройство первичных параметров, цифровой фильтр, выходной блок, блок управления, .генератор основного тона и динамик (2 3, Однако в этом синтезаторе используется цифровой фильтр с передаточной функцией, требующей выполнения двух операций умножения, что усложняет его

2 реализацию. Кроме того, для синтеза любого речевого сегмента обязательно ,должна храниться какая-то информация, т.е. не учитывается наличие сегментов равных артикуляций, что в конечном счете приводит к увеличению необходимого объема памяти. Использование постоянного кадра приводит к ухудшению качества синтезированной речи.

Бель изобретения - уменьшение объема памяти цифрового синтезатора речи,, улучшение качества синтезированной речи и упрощение его конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой синтезатор, содержащий последовательно соединенные постоянное запоминающее устройство словаря, постоянное запоминаюшее устройство первичных параметров, цифровой фильтр, выходной блок, динамик, а также генератор основного тона и генератор шума, введен блок регенерации параметров, состоящий из последовательно соединенных счетчика регенерации, первой

3 97440 схемы И, триггера и второй схемы И, выход которой. соединен с первым входом счетчика регенерации, второй вход которого подключен к выходу третьей схемы И, а первый и второй входы поо- 5 ледней подключены ко второму выходу триггера и ко второму входу второй схемы И соответственно, кроме того, выход первой схемы И соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства, второй и третий информаци« онные входы которого подключены ко второму выходу постоянного запоминающе го устройства. словаря и к выходу постояьного запоминающего устройства пер- 15 вичных параметров соответственно, а первый, второй и третий выходы оперативного запоминающего устройства соединены со вторым и третьим входами генератора основного тона и с информационным 20 входом цифрового фильтра соответственно, кроме того, третий и четвертый входы счетчика регенерации, второй вход первой схемы И, четвертый вход оперативного запоминающего устройства, второй вход 25 триггера и .второй вход третьей схемы И подключены к управляющим выходам блока управления, первый вход которого соединен с третьим выходом постоянного запоминающего устройства словаря, вто- 50 рой дополнительный вход — co вторым выходом генератора основного тона, кроме того, второй и третий входы генератора основного тона соединены с первым и вторым цополнительными выходами блока регенерации параметров соответственно, а второй выход постоянного запоминающего устройства словаря подключен к первому входу блока регенерации параметров. 40

Кроме того, генератор основного тона содержит два счетчика, KQMIIBpBTop u три схемы совпадения, причем третий вход второго счетчика подключен к шине постоянного кода базовой величины кад45 ра, а первый вход соединен с первым входом первого счетчика, выход которого соединен с первыми входами первой и второй схем совпадения, вторые входы которых подключены ко второму входу

50 первого счетчика и к выходу компаратора соответственно, причем выход компаратора соединен со вторым входом вторсьго счетчика, а выход последнего подключен к одному из входов компарато55 ра, другой вход которого соединен с третьим входом первого счетчика, кроме того, выход компаратора подключен к одному из входов третьей схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом первой схемы совпадения.

Кроме того, цифровой фильтр содержит умножитель, сумматор, два регистразадержки, схему сложения по модулю два, выходной регистр, схему ИЛИ, шину во бужцения и одиннадцать ключей, причем выход сумматора через седьмой ключ. соединен с первым регистром-задержкой, а через третий ключ подключен к первому входу сумматора, выход умножителя через восьмой ключ соединен с пепвым входом сумматора и через девятый ключ — с выходным регистром, кроме того, выход сумматора через второй ключ подключен ко второму входу умножителя, а через десятый ключ, схему

ИЛИ, второй вход которой подключен к шине возбуждения, через второй регистрзадержку и одиннадцатый ключ подключен ко второму входу сумматора, выход первого регистра-задержки через пятый ключ, а также через схему сложения по модулю два и шестой ключ подключен ко второму входу сумматора, причем первый вход умножителя соединен с оперативным запоминающим устройством синтезатора.

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового синтезатора речи; на фиг. 2 — схема генератора основного тона с формированием сигнала Конец кадра"; на фиг. 3 - функциональная схема цифрового фильтра.

Синтезатор содержит постоянное запоминающее устройство словаря 1, постоянное запоминающее устройство первичных параметров 2, блок регенерации параметров 3, состоящий из счетчика регенерации 4, первой схемы И 5, триггера 6, второй схемы И 7, третьей схемы И 8 и оперативного эапоминаюшего устройства 9, цифровой . фильтр 10, выходной блок 11, динамик 12, блок управления 13, генератор основного тона

14, генератор шума 15.

Генератор основного тона 14 (фиг. 2) состоит из первого счетчика 16, второго счетчика 17, первой схемы совпадения

18, второй схемы совпадения 19, компаратора 20, третьей схемы совпадения 21, В состав цифрового фильтра 10 (фиг. 3) входит умножитель 22, сумматор 23, первый регистр-задержка 24, второй регистр-задержка 25, схема, сложения по модулю два 26, выходной регистр 27, схема ИЛИ 28, ключи

29-39 и шина возбуждения 40.

974404

5 6

Работа устройства заключается в В постоянномэапоминаюшем устройследуюшем. стве первичных параметров 2 хранятся

ПостоЯнное запоминающее УстРойство табли та лицы всех возможных значений первичсловаря 1 предназначено для хранения ных параметров, по которым непосредстсловаря синтезатора в виде промежуточпр ут- - В венно осуществляется синтез речи, а коных параметров. Весь объем,:памяти . ды промежуточных параметров, постуразделен на множество областея, в кажпающих из постоянного запоминающего дой из которых записано слово или це- устройства словаря 1, являются адресалая фраза. Область содержит множество ми для считывания первичных параметкомплектов промежуточных параметров, 10 П ров. ервичные параметры считываются которые считываются из нее через не- из постоянного запоминающего устройства который интервал времени, называемь1й первичных параметров 2 один за другим в дальнейшем кадром, до тех пор, пока по командам из блока управления 13, не считаются все комплекты параметров поступающим на первый вход постоянно» из данной области. Выбор области осу- го запоминающего устройства первичных шествляется кодом, поступающим на параметров 2. Отметим, что первичными вход Х постоянного запоминающего уст параметрами являются К., К, ..., к ройства словаря 1, а считывание ком- г м ю, 1 . Коды первичных параметров плектов промежуточных параметров из поступают в блок регенерации парамет нее производится по сигналу от блока 20 ров 3. В -нем хранится весь комплект управления 13, подаваемому на первый первичных параметров, кроме о -паравход постоянного запоминающего устройства словаря 1. метров, на протяжении одного или 9, -кадров.

Блок регенерации параметров работаКомплект промежуточных параметров 25 ет следующим образом. представляет собой многоразрядное дво- На второй вход счетчика регенерации ичное число, отдельные разряды которого 4 из блока управления 13 поступает имявляются кодами промежуточных управля- пульс, который устанавливает счетчик юших параметров синтезатора. В качест- . регенерации 4 в нулевое состояние. При ве промежуточных параметров могут ис- 30 этом на первом входе первой схемы И пользоваться обратные гиперболические 5 будет разрешающий потенциал. Затем блок управления 13 формирует. M+3 имотражения), либо какие-то другие преоб- пульсов записи (М - порядок фильтра),. разованные значения К-параметров. Пре- которые поступают на второй вход первой образование позволяет существенно умень- схемы И 5, а затем на первые входы шить объем памяти. Кроме того, в триггера 6 ("уст.1 ) и оперативного комплект входят еще два промежуточ- запоминаюшего устройства 9. На первом ных па амет а выходе триггера 6 устанавливается за-. вичных параметра (y, с ), непосредствен- преша|ощий потенциал, а на втором — разно участвующие в синтезе речи. Параме- 0 решающий. B оперативном запоминающем тры Ели То,- несут информацию о коэф- . устройстве 9 при этом по второму и фициенте усиления и периоде основного третьему входам происходит запись зна-! тона соответственно, а с помощью пара- чений первичных параметров иэ постоянметров Ч.и с определяется вид источни- ного запоминающего устройства словаря ка возбуждения синтезатора (тон-щум) 4> 1 и из постоянного запоминающего усти количество сегментов равных арти- ройства первичных параметров 2. Код куляций (или число повторений синтеза адреса параметра формируется блоком данного кадра по одним и тем же пара- управления 13 и поступает на четвертый метрам) соответственно. При считывании адресный вход оперативного запоминаюкомплектапромежуточныхпараметровпара- щего устройства 9. Далее из блока упметр q ñoâòoðoroâûõonaïoñòoÿííoroýanoìè- равления 13 на второй вход третьей наюшего устройства словаря 1 пересы- схемы И 8 поступает импульс, по копается сразу в блок регенерации пара- торому в счетчик регенерации 4 запиметров 3„a g с третьего выхода пос- сывается параметр q, поступающий на тоянного aanoìèûà ùoro устройства

И ,четвертый вход из блока управлени 13

Я ° словаря 1 в блок управления 13. Все д, - число кадров, которое можно синтеостальные параметры пересылаются в зировать по одним и тем же параметрам. постоянное запоминающее устройство .После moro блок управления 13.формипервичных параметров 2. рует импульс, который поступает на вто-"

14 или от генератора шума 15, с числом из первого регистра-задержки 24, инвертированного с помощью схемы сложения по модулю два 26. Во втором такте в умножителе 22 результат предыдущего суммирования умножается на К .

B третьем такте результат умножения складывается в сумматоре 23 с числом из первого регистра-задержки 24. В четвертом такте в сумматоре 23 снова происходит сложение результата умножения второго такта с числом из второго регистра-задержки 25, в котором записан код, поступивший в первом такте на шину возбуждения 40. Результат этойоперации снова записывается во второй регистр-задержку 25 и используется в следующем цикле. В последующих циклах, кроме цикла М, делается то же самое, за исключением того, что в первом такте первым слагаемым при суммировании является не число, поступающее на шину возбуждения 40, а результат последнего суммирования из предыдущего цикла. Кроме того, в третьем такте результат суммирования записывается в регистр-задержку 24. В цикле М в первых трех тактах выполняются операции, аналогичные операциям в предыдущих циклах. В четвертом такте результат суммирования записывается не во второй регистр-задержку 25, а в первый регистр-задержку 24. Кроме того, в этом цикле добавляется пятый такт, во время которого результат суммирования четвертого такта умножается на коэффициент усиления и заносится в выходной регистр

27. После каждых M циклов синтезируется одно дискретное значение речевого сигнала. Причем, если синтезируется шумовой кадр (y =О), то после каждых пает не нулевой код, а если кадрвокализованный (q, =1), то на нее поступает либо код нуля, либо код единицы.

7 974404 8 рой вход триггера 6, который устанав- ливается в нулевое сосояние,,. При этом на первом входе второй схемы И 7 появляется разрешающий потенциал.

После синтеза первого кадра происходит вычитание 1 из счетчика регенерации 4 импульсом с выхода второй схемы И 7, который образуется в результате подачи управляющего сигнала на второй вход второй схемы И 7. За- Î тем делается анализ состояния счетчика регенерации 4. Если он не в нулевом состоянии, то на его выходе будет запрещающий потенциал. Импульсы не проходят через первую схему И 5, записи 1Б параметров в оперативное запоминающее устройство 9 нет.

Первичные параметры К„, К и 4 из оперативного запоминающего ус ,ройства поступают на информационный 2О

l вход цифрового фильтра 10, а с выходов 1 и 2 этого же блока передаются параметры и То в блок возбуждения цифрового фильтра, состоящего из генератора основного тона 14 и генератора шума 25

15. Причем код периода основного тона

То поступает на 3-вход генератора ос.новного тона 14, а параметр g на вторы( входы обоих генераторов. Если =1, то работает генератор основного тона 14, и если =О, то работает генератор шума

15. Первые входы обоих генераторов объединены, и на них поступают стро.

l бирующие импульсы из блока управления с частотой дискретизации исходного речевого сигнала, используемой при анализе. В качестве генератора шума 15 может быть использован любой датчик случайных чисел, который выдает на шину возбуждения 40 цифрового фильтра

10 (фиг. 3) равномерно распределенные случайные числа с частотой @ . М циклов на шину возбуждения 40 постуГенератор основного тона 14 выполняет две функции: служит для тонального возбуждения, выдавая на шину возбужде45 ния 40 цифрового фильтра 10 (фиг. 3), единичные импульсы возбуждения с перио- Выполнение описанных комбинаций дом основного тона T.>>, а также выпол- включения и выключения ключей и подача няет роль формирователя кадров. нужных параметров на информационные

Работа цифрового фильтра 10 пояс- входы цифрового фильтра 10, а также няется фиг. 3. координация работы остальных блоков

При синтезе одной дискретной выборки синтезатора осуществляются с помощью речевого сигнала выполняется N циклов, блока управления 13. причем каждый цикл (кроме М) состоит Выходной блок 11 состоит из цифроиз четырех тактов. аналогового преобразователя, сглажиВ первом цикле во время первого так- ваюшего фильтра и усилителя низкой та в сумматоре 23 происходит сложение частоты, которые необходимы при пречисла, поступающего на шину возбуж- образовании дискретного речевого сигнадения 40 от генератора основного тона ла в аналоговый для фильтрации высоко974404

3$

55 частотных составляющих из спектра сигнала и для его усиления.

В предложенном цифровом синтезаторе речи упрощается конструкция его основного блока — цифрового фильтра, сокращается объем памяти, обеспечивается более качественное звучание синтезированной речи.

Формула изобретения

l. цифровой синтезатор речи, .содержащий последовательно соединенные постоянное запоминающее устройство словаря, постоянное запоминающее устройство первичных параметров, . цифровой фильтр, выходной блок, динамик, а также генератор основного тока и генера« тор шума, о т л и ч а ю rrr и и с я тем, что, с целью уменьшения объема памяти синтезатора, улучшения качества синтезированной речи,и упрощения конструкции синтезатора, в него введен блок регенерации параметров, состоящий из последовательно соединенных счетчика регенерации, первой схемы И, триггера и второй схемы И, выход которой соединен с первым входом счетчика регенерации, второй вход которого подключен к выходу третьей схемы И, а первый и второй входы последней подключены ко второму выходу триггера и ко второму входу второй схемы И соответственно, кроме того, выход первой схемы И соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства, второй и третий информационные входы которого подк ключены ко второму выходу постоянного запоминающего устройства словаря и к выходу постоянного запоминающего устройства первичных параметров соответсч венно, а первый, второй и третий выходы оперативного запоминающего устройства соединены со вторым и третьим входами генератора основного тона и с информационным входом цифрового фильтра соОтветственно, кроме того, трети;"; и чет Вертый входы счетчика регенерации, вто{рой вход первой схемы И, четвертый вход оперативного запоминающего устройства, второй вход триггера и второй вход третьей схемы И подключены к управляющим выходам блока управления, первый ! 1 I, вход которого соединен с третьим выходом постоянного запоминающего устройства словаря, второй дополнительный вход— со вторым выходом генератора основного тона, кроме того, второй и третий входы генератора основного тона соединены с первым и вторым дополнитель ными выходами блока регенерации параметров соответственно, а второй выход постоянного запоминаюшего устройства словаря подключен к первому входу бло ка регенерации параметров.

2. Синтезатор по п.1, о т л и ч а юш и и с я тем, что генератор основного тона содержит два счетчика, компаратор и три схемы совпадения, причем третий вход второго счетчика подключен к шине постоянного кода базовой величины кадра, а первый вход соединен с первым входом первого счетчика, выход которого соединен с первыми входами первой и второй схем совпадении, вторые входы которых подключены ко второму входу первого счетчика и к выходу компаратора соответственно, причем выход компаратора соединен со вторым входом второго счетчика, а выход последнего подключен к одному из входов компаратора, другой вход которого соединен с третьим входом первого счетчика, кроме того, выход компаратора подключен .к одному из входов третьей схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом первой схемы совпадения.

3. Синтезатор по и. 1, о т л и ч аю ш и и с я тем, что цифровой фильтр содержит умножитель, сумматор, два регистра-задержки, схему сложения по модулю два, выходной регистр, схему

ИЛИ, шину возбуждения и одиннадцать ключей, причем выход сумматора соединен через седьмой ключ с первым регистром-задержкой, а через третий ключ подключен к первому входу сумматора, выход умножителя через восьмой ключ соединен с первым входом суммато» ра и через девятый ключ — с выходным ! регистром, кроме того1 выход сумматора через второй ключ подключен ко второму входу умножителя, а через де сятый ключ, схему ИЛИ, второй вход которой подключен к шине возбуждения, через второй регистр-задержку и одиннадцатый ключ подключен ко второму входу ! сумматора, выход первого регистра задержки через пятый ключ, а также через схему сложения по модулю два и шестой ключ подключен ко второму входу сумматора, причем первый вход умножителя соединен с оперативным запоминающим устройством. синтезатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании, № 1439043, кл. 5 10 4 1/10, 1976.

2, "Электроника", № 18, т. 51, 1978, с. 25-33 (прототип).