Устройство для синтеза речевых сигналов Советский патент 1993 года по МПК G10L9/18 

XI

Ю

00

00

.

Изобретение относится к речевой информатике и может быть использовано в различных системах речевого взаимодействия человека с ЭВМ.

Целью изобретения является увеличение объема хранимой речевой информации и упрощения устройства.

На фиг 1 изображена структурная схема устройства для синтеза речевых сигналов; на фиг. 2 - вариант реализации блока управления; на фиг. 3 - фрагмент реальной речи (кривая А) и ее модернизация (кривая В); на фиг. 4 - ключ; на фиг. 5 - временные графики работы устройства; на фиг. 6 - структура буфера, задающего последовательность выводимых в устройство кодов; на фиг. 7 - алгоритм вывода речевой единицы в режиме ожидания готовности.

Устройство для синтеза речевых сигналов содержит последовательно соединенные генератор адреса 1, запоминающее устройство 2, вход которого является входом устройства, связанный с интерфейсной магистралью ЭВМ, блок сопряжения 3, блок управления 4, элемент И 5. реверсивный счетчик 6, тактовый генератор 7, ключ 8, выход которого является выходом устройства, инвертор 9.

Первый выход блока управления 4 подключен к входу записи реверсивного счетчика б, а второй выход - ко входу ключа 8, третий выход блока управления 4 соединен с интерфейсной магистралью, а первый вход блока управления 4 соединен с первым выходом блока сопряжения 3, второй выход которого соединен со входом записи генератора адреса 1 и со вторым входом блока управления 4, третий вход которого соединен с выходом элемента И 5. Первый выход запоминающего устройства 2 соединен со входом элемента И 5 и информационным входом реверсивного счетчика 6, вычитающий вход которого соединен с выходом так- тового генератора 7. Второй выход запоминающего устройства 2 подключен к четвертому входу блока управления 4, а выход реверсивного счетчика 6 подключен к пятому входу блока управления через инвертор 9, к суммирующему входу генератора адреса, шестой вход блока управления 4 соединен с интерфейсной магистралью ЭВМ.

На фиг. 2 изображен блок управления 4, который содержит элемент И-НЕ 10, D-триг- гер 11, инвертор 12. диод 13. конденсатор 14, элемент И-НЕ 15. элемент И. 16, элемент И-НЕ 17.

На фиг, 4 изображен ключ, который содержит резистор 18. резистор 19. транзистор 20.

На фиг. 5 изображены временные графики работы устройства, где а - выход D- триггера; б - инверсный вход D-триггера 11, в - сигнал Выв.Н; г - выход 1 блока управления 4; д - тактовые синхроимпульсы тактового генератора 7; е-и - выходы реверсивного счетчика 6; л-о - выходы генератора адреса 1.

Рассмотрим работу предлагаемого уст0 ройства. В одном состоянии, в которое устройство приводится по сигналу СБРОС Н D-триггер 11 устанавливается в единичное состояние, нуль с его инверсного выхода запирает элемент И-НЕ 10 блока управле5 ния 4, и поэтому на выходе элемента И-НЕ 15 устанавливается низкий уровень сигнала, который удерживает реверсивный счетчик 6 в режиме занесения информации. Это запрещает счет импульсов и импульсы обну0 ления на выходе реверсивного счетчика отсутствуют, так как на первом входе элемента И-НЕ 17 высокий .уровень, то по приходу сигнала ВВ Н с первого входа блока управления 4 в ЭВМ читается низким

5 уровнем (т.е. единицей) сигнал готовности устройства. Для того, чтобы воспроизвести требуемую речевую единицу, необходимо с помощью ЭВМ записать через блок сопряжения 3 в генератор адреса 1 код, который

0 задает начальный адрес записанной в запоминающем устройстве 2 речевой единицы. Запись кода в генератор адреса 1 осуществляется по сигналу ВЫВ со второго выхода блока сопряжения 3. по нему же

5 D-триггер 11 сбрасывается (см. фиг. 3, 4. 5) и на третьем входе элемента И-НЕ 10 устанавливается высокий уровень сигнала. Так как у D-триггера 11 конечное время срабатывания, то высокий уровень на выходе эле0 мента И-НЕ снимается (а на выходе . элемента И-НЕ 15 появится) по снятию сигнала ВЫВ, что осуществит запись младших разрядов числа с выхода запоминающего устройства 2 в реверсив5 ный счетчик 6 и разрешит счет.

К моменту поступления заднего фронта сигнала ВЫВ данные уже установлены на выходах постоянного запоминающего устройства 2.

0Старший разряд числа со второго выхода запоминающего устройства 2 через блок 4 управляет состоянием ключа 8 (ключ 8 подает на выход устройство постоянное высокое напряжение или нуль).

5 После установления на входе записи V реверсивного счетчика 6 высокого уровня он начинает работать в режиме вычитания, отсчитывая длину полуволны звукового сигнала. Импульс обнуления, который формирует сигнал нулевого уровня с выхода

реверсивного счетчика 6 (он сигнализирует о том, что вычитание завершено), поступает через инвертор НЕ 9 на суммирующий вход генератора адреса 1 и на пятый вход блока управления 4. Передний фронт импульса обнуления изменит адрес ячейки запоминающего устройства 2 и через задержку времени на элементах 13, 14, 15, которая необходима для уверенного считывания данных по новому адресу, заносит новый код времени в реверсивный счетчик 6. Занесение кода времени приводит к снятию сигнала обнуления. Поэтому импульс обнуления получается значительно короче, чем полупёриод тактовой частоты. и следующий положительный фронт тактовой частоты вызывает вычитание единицы из счетчика 6 и не происходит потери импульса (см. фиг. 5). Как только в реверсивном счетчике б будет нулевой код. появится следующий импульс обнуления и весь цикл воспроизведения речи повторяется до тех пор. пока на первом выходе запоминающего устройства 2 не появ.ится код N, имеющий единицы во всех разрядах, который опознается схемой И 5. Этот код отмечает конец вывода речевой единицы. Сигнал с выхода элемента И 5 поступает в блок управления 4, который по этому сигналу выдает низкий уровень на своем выходе 1 и этим запрещает работу реверсивного счетчика 6. Одновременно блок 4 устанавливает постоянный высокий уровень на втором выходе, прекращая этим вывод звука и подготавливает элемент И-НЕ 17 для формирования на третьем выходе блока управления 4 сигнала готовности в ЭВМ.

При подготовке информации для записи в запоминающее устройство 2 необходимо предусмотреть, чтобы не произошло случайное совпадение длительности импульса или паузы с кодом N, являющимся признаком конца речевой единицы. Большие временные интервалы при записи должны разбиваться на несколько интервалов длиной не более N-1.

По сигналу готовности ЭВМ может выдать новый код в генератор адреса 1 через блок сопряжения 3 и работа устройства повторится. ЭВМ читает сигнал готовности. выдавая через блок сопряжения 3 сигнал ВВ на первый вход блока управления 4. Управляющей ЭВМ необходимо знать только последовательность начальных адресов речевых единиц, хранящихся в запоминаю-- щем устройстве 2. Для воспроизведения речи в диапазоне 5 кГц, частота тактового генератора 7 должна быть порядка 20 кГц. При этом для кодирования длины импульса достаточно 4-5 разрядных кодов, хранимых

в запоминающем устройстве 2. Следует заметить, что длительность первого импульса может увеличиваться устройством на длину сигнала ВЫВ, однако это не влияет на качество речи.

На базе предлагаемого устройства могут строиться различные системы речевого вывода, отличающиеся программой ЭВМ и содержимым запоминающего устройства 2.

0В запоминающем устройстве 2 могут храниться законченные фразы, отдельные слова, фонемы или пары фонем.

В первом случае паузы между словами будут закодированы в речевой единице ана5 логично словам - пауза будет представлять собой последовательность ячеек памяти с нулевым значением старшего разряда.

Во втором случае программа ЭВМ строит фразы, последовательно передавая адре0 са нужных слов. Момент задания адреса следующего слова определяется по наличию сигнала готовности на 3-м выходе блока управления 4. Пауза может быть закодирована в начале или в конце каждого слова.

5 При этом ЭВМ не участвует в отсчете пауз, так как эта функция полностью реализуется устройством. Это позволяет расширить общий объем сообщений за счет повторного использования одной речевой единицы

0 (слова) в нескольких фразах. Для снижения необходимого обьема памяти паузы разной длительности могут быть закодированы в блоке 2 как отдельные речевые единицы. При построении фразы из ЭВМ должны

5 быть последовательно выведены в устройство адреса требуемых слов и пауз между ними. Структура фразы при этом может быть задана в памяти ЭВМ таблицей (фиг. 6), первый элемент которой содержит длину табли:

0 цы. а последующие элементы - значения выводимых в устройство кодов. Таблица кодирует фразу из четырех слов, причем паузы между словами одинаковы и задаются кодом Т1, а после вывода последнего слова

5 (выводом в устройство кода А4) задается пауза кодом Т2. отделяющая данную фразу от последующих. В данном случае ЭВМ также не отсчитывает величину временных интервалов, но задает величину паузы

0 выводом соответствующего кода П.

Если в блоке 2 устройства не закодированы паузы или в имеющемся наборе пауз нет интервалов требуемой длительности, отсчет временных интервалов может быть

5 возможен на ЭВМ. Таблица, кодирующая фразу, при этом может иметь ту же структуру, которая приведена на фиг. 6, но элементы Ti будут означать не код (адрес паузы в блоке 2), подлежащий выводу в устройство. а величину интервалов времени, которые

должны быть считаны ЭВМ между операциями вывода в устройство кодов Aj.

Отсчет временных интервалов обычно осуществляется операционной системой ЭВМ при помощи вр.емязадающего устройства - таймера и системных программ, т.е. от прикладного программиста, не требуется значение алгоритмов организации счета в ремени. .

В третьем случае (при хранении в запоминающем устройстве полного набора дио- ронов) могут генерироваться сообщения неограниченного обьема. Кроме того, можно воспроизводить голосом вводимой с клавиатуры произвольный текст.

Существуют различные алгоритмы управления периферийными устройствами. Указаны четыре возможных способа обмена: синхронный, асинхронный (в режиме ожидания готовности), по прерыванию и с использованием прямого доступа в памяти.

При работе с устройством может быть использован синхронный обмен, если рече- вая единица представляет собой законченную фразу и заведомо известно, что предыдущий вывод завершен. .

Если вывод фразы может интерпретироваться до завершения вывода предыдущей или фраза составляется из нескольких речевых единиц, как показано на фиг. 6, то необходимо применять алгоритм асинхронного вывода, показанный на фиг. 7.

Чтением сигнала готовности устройства в ЭВМ вводится значение логического нуля с выхода 3 блока. 4, Этот сигнал является признаком завершения вывода речевой единицы, т.е. признаком, готовности к следующему выводу.

Если устройство не готово, чтение повторяется, а если готово - осуществляется вывод следующей речевой единицы.

Блок 3 сопряжения с ЭВМ может обеспечивать также работу с устройством по прерываниям. Возможна также и модифи- кация блока сопряжения, при которой он осуществляет не только передачу адреса в запоминающее устройство 2. но и запись в него данных из ЭВМ. Появляющиеся при этом дополнительные связи не изменяют сущности изобретения. Обмен по прерываниям может реализоваться путем использования сигнала с 3-го выхода блока 4 в. качестве сигнала, осуществляющего требование прерывания.

Реализация блока сопряжения 3 зависит от типа интерфейса, используемого в ЭВМ, с которым должно работать устройство. Один из возможных вариантов реализации блока сопряжения для работы с магистральным интерфейсом МПИ по ОСТ

Интерфейсная магистраль в этом случае содержит шестнадцать шин АД1...АД16 для передачи адреса и обмена данными между ЭВМ и периферийными устройствами, т.е. по шинам АД поочередно подаются код . АДРЕС и код ДАННЫЕ. Кроме того, при 0 обращении к периферийному устройству (т.е. по адресу, большему 160.000s) одновременно с адресом устройства ЭВМ вырабатывает сигнал ВУ. В блок, сопряжения 3 поступают из ЭВМ также управляющие сиг- 5 налы интерфейса: сигнал СИА, указывающий, что ЭВМ выставила на шинах АД адрес абонента. ВЫВОД, указывающий, что ЭВМ выставила на шинах АД1 данные для занесения по ранее заданному адресу и сиг- 0 нал ВВОД, по которому периферийное устройство должно выставить данные для ввода в ЭВМ.

Процессор, работающий с интерфейсом МПИ (например, микропроцессоры К 5 1801ВМ1, К1801ВМ2), фиксирует вводимые . данные перед концом выдаваемого им сигнала ВВОД. Поэтому сигнал данных из интерфейсной магистрали должен осуществляться с задержкой .по отношению к сня- 0 тию сигнала ВВОД. Эта задержка обычно осуществляется не в периферийных устройствах, а в процессорном блоке. Формируе- .мый в магистрали сигнал ВВОД задержан по отношению к сигналу ВВОД на контак- 5 те микропроцессора.

После приема данных из ЭВМ по сигна- лу ВЫВОД или передачи данных в ЭВМ по сигналу ВВОД блок сопряжения 3 передает в ЭВМ сигнал СИП, разрешающий ЭВМ 0 начать новый цик/т обмена данными. Активные уровни всех сигналов - низкие. Следует отметить, что адрес, передаваемый по магистрали МПИ в блоке сопряжения 3. - это код, идентифицирующий данное периферийное 5 устройство. Адрес речевого сообщения записывается в генератор адреса 1 через блок сопряжения 3 интерфейсным кодом ДАННЫЕ.

Устройство для синтеза речевых сигна- 0 лов может быть реализовано на следующих типах микросхем:

блоки 1. 6-К155ИЕ7. блок.2 - К573РФ6А. блок 5- К555ЛИ6. 5блок 9-К155 ЛН1. блок 10- К155ЛА4. блок 11 - К155ТМ2. блок 12 - К155ЛН1. блок 13 - диод КД 522А. блок 15- К155 ЛАЗ.

блок 16 - К155 ЛИ1. блок 17- К155 ЛА8. блок 20 - КТ315Г.

Итак, суть изобретения заключается в следующем. В предлагаемом устройстве на каждую полуволну речевого сигнала в памяти хранится только одно число, кодирующее ее длительность. Старший разряд этого числа указывает уровень выводимого на ключ сигнала (1 - высокий, 0 - низкий). Это позволяет увеличить суммарный объем хранимой речи без увеличения емкости памяти. Сигнал, выводимый на ключ, при этом принимает только два значения - высокий уровень во время положительной полуволны и низкий - во время отрицательной. Таким образом, на кодирование каждой полуволны требуется одно число малой разрядности. Экспериментально проверено, что представление речевого сигнала (фрагмент которого приведен на фиг. 3. кривая А) в виде, показанном на фиг. 3, кривая В, не влияет на разборчивость речи. На фиг. 3 все значения сигнала больше некоторого уровня Н, заменены постоянным высоким уровнем, а меньше - Н - постоянным низким уровнем, т.е. речевой сигнал заменяется последовательностью прямоугольных импульсов. При этом, если такой сигнал подать на громкоговоритель, то сохраняется не только разборчивость речи, но (за счет длительности импульсов) воспроизводится различная громкость речи. Также экспериментально установлено, что для кодирования длительности импульсов и расстояний между ними достаточно четырех разрядных кодов.

/Ьуу, Ь1Г

Кроме того, устройство является очень простым в технической реализации, так как собрано на дискретных элементах. Формула изобретения

Устройство для синтеза речевых сигналов, содержащее блок памяти, генератор адреса, выходы которого соединены с адресными входами блока памяти, и генератор импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,

с целью увеличения объема синтезируемой речевой информации, в него введены элементы И и НЕ, ключ, реверсивный счетчик и блок управления, первые вход и выход которого являются соответственно входом начальной установки и выходом готовности устройства, второй и третий входы являются управляющими входами устройства, а второй выход соединен с входом ключа, выход которого является информационным выходом устройства, информационными входами которого являются соответственно информационные входы генератора адреса, управляющий вход которого соединен с вторым входом блока управления, а информационный вход соединен с выходом элемента НЕ. вход которого соединен с четвертым входом блока управления, и выходом реверсивного счетчика, информационные входы которого соединены с выходами блока памяти и входами элемента И. выход которого соединен с пятым входом блока управления, третий выход которого соединен с управля- ющим входом реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом

генератора импульсов, один из выходов блока памяти соединен с шестым входом блока управления.

.

Риг,5

Фиг. 4

BUf

: Рив.6 .

С М&чало j

Чтение toe/no Пни устройстве

Вы&6$коЗя / устройс/я&