Цифровой синтезатор речи Советский патент 1982 года по МПК G10L13/02 G10L19/08 

Изобретение относится к анализу и син тезу речи и может быть использовано в различных областях народного хозяйства в качестве устройства для отображе1|ря информации в виде речевых сообщений. Известен синтезатор речи, содержащий адаптивнь1й рекурсивный фильтр, линейный предиктор, сумматор, фильтр низкой часюты, генератор тока, генератор шума, микитер, усилитель, конвертор, память Для хранения коэффициентов Cl 1 . Однако это устройство обладает малым быстродействием, а аппаратурная реализация его сложна. Известен таклсе синтезатор, содержащи постоянное запоминающее устройство словаря, постоянное запоминающее устройство первичных параметров, цифровой фильтр, выходной блок, блок управления, генератор основного тона и динамик С 2 Однако в этом синтезаторе используется цифровой фильтр с передаточной функцией, требующей выполнения двух операций умножения, что усложняет его 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 сч&те приводит к увеличению необходимого объема памяти. Использование постоянного кадра приводит к ухудшению качества синтезированной речи. Цель изобретения - уменьшение объема памяти «И(}5ювого синтезатора речи, . улучшение качества синтезированной речи и упрощение его конструкции. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой синтезатор, содержаишй последовательно соединенные постоянное запоминающее устройство словаря, постоянное запоминающее устройство первичных параметров, цифровой фильтр, выходной блок, динамик, а также генератор основного тона и генератор щума, 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 регенерадии, 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 подключены ко второму выходу постоянного запоминающ го устройства- словаря и к выходу постоянного запоминающего устройства перВ1ГЧНЫХ параметров соответственно, а пер вый, второй и третий выходы оперативно го запоминающего устройства соединены со вторым и третьим входами генератора основного тона и с информаяионным входом цифрового фильтра соответственно кроме того, третий и четвертый входы счетчика регенерации, второй вход перво схемы И, четвертый вход опефативного запоминающего устройства, второй вход триггера и .второй вход третьей схемы И подключены к управляющим выходам блока управления, первый вход которого сое динен с третьим выходом постоянного запоминающего устройства словаря, второй дополнительный вход - со вторым вы

ходом генератора основного тона, кроме того, второй и третий входы генератора основного тона соединены с первым и вторым дополнительными выходами блока регенерации параметров соот зетственно, а второй выход постоянного запоминающего устройства словаря под1шючен к первому входу блока регенерации параметров.

Кроме того, генератор основного тона содержит два счетчика, компаратор и три схемы совпадения, причем третий вход второго счетчика подключен к щине постоянного кода базовой величины кадра, 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 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 совпаде-

на с формированием сигнала Конец кадра ; на фиг. 3 - функциональная схема цифрового фильтра,

Синтезатор содержит постоянное запоминающее устройство словаря 1, постоЯ1шое 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 запоминающего устройства 9, цифровой фильтр 1О, выходной блок 11, динамик 12, блок

управления 13, генератор основного тона 14, генератор щума 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 фильтрй 1U (фиг. 3) входит умножитель 22, сумматор 23, первый регистр-оадержка 24, второй регистр-задержка 25, схема . сложения по модулю два 26, выходной регистр 27, схема ИЛИ 28, ключи 29-39 и щина возбуждения 40. ния, 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, щину возбуждения 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 первым 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 щине 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 y ffloжитeля соединен с оперативным запоминающим устройством синтезатора. На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового синтезатора речи; на фиг. 2 - схема генератора основного тоРабота устройства заключается в следующем. Постоянное запоминающее устройство словаря 1 предназначено для хранения словаря синтезатора в ввде промежуточных параметров. Весь объем ., разделен на множество областей, в каждой из которых записано слово или целая фраза. Область содержит множество комплектов промежуточных параметров, которые считываются из нее через некоторый интервал времени, назьшаемь1й в дальнейшем кадром, до тех пор, пока не считаются все комплекты параметров из данной области. Выбор области осуществляется кодом, поступающим на вход X постоянного запоминающего устройства словаря 1, а считывание комплектов промежуточных параметров из нее производится по сигналу от блока управления 13, подаваемому на первый вход постоянного запоминающего устройства словаря 1. Комплект промежуточных параметров представляет собой многоразрядное двоичное число, отдельные разряды которог являются кодами промежуточных управля ющих параметров синтезатора, В качест ве промежуточных параметров могут использоваться обратные гиперболические функции К-параметров {коэффициентов отражения), либо какие-то другие преобразованные значения К-параметров. Преобразование позволяет существенно умен щить объем памяти. Кроме того, в комплект входят еще два промежуточных параметра (End , TOT ) и два первичных параметра (j ,), непосредствен но участвующие в синтезе речи. Параметры tnd и Тд.р несут информацию о коэффициенте усиления и периоде основного тона соответственно, а с помощью параметров 1 и « определяется вид источника возбуждения синтезатора (тон-шум) и количество сегментов равных артикуляций (или число повторений синтеза данного кадра по одним и тем же параметрам) соответственно. При считьшании комплекта промежуточных параметров пара метр ч со второго выхода постоянного запом нающего устройства словаря 1 Пересы- лается сразу в блок регенерации параметров 3, а с третьего выхода поотоянного запомийоющсго устройства словаря 1 в блок управления 13. Все остальные параметры пересылаются в постоянное запоминающее устройство первичных параметров 2. 9 46 В постоянном запоминающем устройстве первичнь Х параметров 2 хранятся таблицы всех возможных значений первичных параметров, по которым непосредственно осуществляется синтез речи, а коды промежуточных параметров, поступающих из постоянного запоминающего устройства словаря 1, являются адресами для считывания первичных параметров. Первичные параметры считываются из постоянного запоминающего устройства первичных параметров 2 один за другим по командам из блока управления 13, поступающим на первый вход постоянного запоминающего устройства первичных параметров 2. Отметим, что первичными параметрами являются К ,К„, ..., к э , Т . Коды первичных параметров поступают в блок регенерации параметров 3. В -нем хранится весь комплект первичных параметров, кроме q, -параметров, на протяжении одного или cj, -кадров. Блок регенерации параметров работает следующим образом. На второй вход счетчика регенерации 4 из блока управления 13 поступает импульс, который устанавливает счетчик регенерации 4 в нулевое состояние. При этом на первом входе первой схемы И 5 будет разрещающий потенциал. Затем блок управления 13 формирует М+3 импульсов записи (М - порядок фильтра),, которые поступают на второй вход первой схемы И 5, а затем на первые входы триггера 6 (уст.) и оперативного запоминающего устройства 9. На первом выходе триггера 6 устанавливается за-. дрещающий потенциал, а на втором - разрещающий. В оперативном запоминающем устройстве 9 при этом по второму и третьему входам происходит запись зна- чений первичных параметров из посто1шного запоминающего устройства словаря 1 и из постоянного запоминающего устройства первичных параметров 2. Код адреса параметра формируется блоком управления 13 и поступает на четвертый адресный вход оперативного запоминающего устройства 9. Далее из блока управления 13 на второй вход третьей схемы И 8 поступает импульс, по которому в счетчик регенерации 4 зап№сьтается параметр су , поступающий на четвертый вход из блока управления 13, - число кадров, которое можно синт&зировать по одним и тем же параметрам. После этого блок управления 13-формирует-импульс, который поступает на вто- . рой вход триггера 6, который устанавпивается в нулевое состояние,. При этом на первом входе второй схемы И 7 появляется разрешающий потенциал. Поспе С1штеза первого кадра проиоходит вычитание 1 из счетчика регенерации 4 икшульсом с выхода второй схемы И 7, который образуется в результате подачи управляющего сигнала на второй вход второй схемы И 7. Затем делается анализ состояния счетчика регенерации 4. Если он не в нулевом cocTOffliHH, то на его выходе будет запрещающий потенгшал. Импульсы не проходят через первую схему И 5, записи параметров в операт1гоное запоминающее устройство 9 нет. Первичные параметры К , К и Сэ из оперативного запоминающего уст ройства поступают на информационный .вход цифрового фильтра 10, а с выходов i 1 и 2 этого же блока передаются параметры ij и Тд в блок возбуждения цифрового фильтра, состоящего из генератора основного тона 14 и генератора щума 15. Причем КОД периода основного тона TQ.,- поступает на 3 вхОд генератора ос новного тона 14, а параметр tj, на вторы рходы обоих генераторов. Если 1, то работает генератор основного тона 14, если ч, 0, то работает генератор щума 15. Первые входы обоих генераторов объединены, и на них поступают стро- бирующиё импульсы из блока управления с частотой дискретизации fg исходного речевого сигнала, используемой при анализе. В качестве генератора щума 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 . Генератор основного тона 14 вьшол- няет две функции: служит для тонального возбуждения, вьщавая на щину возбужд&ния 40 цифрового фильтра 10 (фиг. 3) , единичные импульсы возбуждения с перио : ДОМ ОСНОВНОГО тона TOY I а также вьшол няет роль формирователя кадров. Работа цифрового фильтра 10 поясняется фиг. 3. При синтезе одной дискретной выборк речевого сигнала вьшолняется М циклов причем каждый цикл (кроме М) состоит из четьфех тактов. В первом цикле во время первого так та в сумматоре 23 происходит сложение числа, поступающего на щину возбуждения 40 от генератора основного тона 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 K, . В третьем такте результат умножения складывается всумматоре 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 щину возбуждения 40. Результат этой операции 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 щину возбуждения 4О, а результат последнего суммирования из предьщущего 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 предыдушлх 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 М циклов синтезируется одно дискретное значение речевого сигнала. Причем, если синтезируется щумовой кадр (t )i то после каждых М циклов на шину возбулодения 4О поступает не нулевой код, а если кадр вокализованный (, 1), то на нее поступает либо код нуля, либо код единицы. Выполнение описанных комбинаций включения и выключения ключей и подача нужных параметров на информационные входы цифрового фильтра 10, а также координация работы остальных блоков синтезатора осуществляются с помощью блока управления 13. Выходной блок 11 состоит из ци4роаналогового преобразователя, сглаживающего фильтра и усилителя низкой частоты, которые необхбдимы при преобразовании дискретного речевого сигнала в аналоговый для фильтрации высокочастотных составляющих из спектра сигнала и для его усиления, В предложенном цифровом синтезаторе рбчи упрощается конструкция его осно&ного блока - цифрового фильтра, сокраща ется объем памяти, обеспечивается более качественное звучание синтезированной речи. Формула изобретения 1. 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 генератор шума, отличающийся тем, что, с целью уменьщения 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, тригге ра и второй схемы И, выход которой соединен с первым входом счетчика регенерации, второй вход которого подключен к выходу третьей схемы И, а первы 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 тре тий информационные входы которого подключены ко второму выходу ПОСТО5ШНОГО запоминающего устройства словаря и к выходу постоянного запоминающего устройства первичных параметров соответст 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 сортветственно, кроме того, трети : и четвертый входы счетчика регенерации, второй вход первой схемы И, четвертый вхо оперативного запоминающего устройства, второй вход триггера и второй вход третьей схемы И под{сяючены к управляющим выходам блока управления, первый /вход которого соединен с третьим выходо 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 дополнителв ными выходами блока регенерации пара- метров соответственно, а второй выход постошпюго запом1шающего устройства словаря подключен к первому входу блока регенерации параметров. 2.Синтезатор по п. 1, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что генератор основного тона содержит два счетчика, компар)атор и три схемы совпадения, причем третий вход второго счетчика подключен к шине ПОСТО5ШНОГО кода базовой величины кадра, 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 первого счетчика и к выходу компарагтора 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 п п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что цифровой фильтр содержит умножитель, cyMNmTOp, 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 того, выход сумматора через второй ключ подключен ко второму входу умножителя, а через д& сятый ключ, схему ИЛИ, второй вход которой подключен к шине возбуждения, через второй регистрь-задержку и одиннад- цатый ключ подключен ко второму входу сумматора, выход первого регистра задержки через пятый ключ, а также через схему сложения по модулю два и щестой 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. G, Ю 1и 1/1О, 1976. 2. Электроника, № 18, т. 51, 11978, с. 25-33 (прототип).