Цифровой синтезатор речи

ОП ИСАНИЕИЗЬВРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоцналкстическккреспублик и 974404(23 ) П риорнтетОпубликовано 15.11.82. Бюллетень42Дата опубликования описания 15.11.82 Ркударстекниый квинтет СССР ио делан изооретеиий и открытий) ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР РЕЧ 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 час 1 оты, генератор тока, генератор шума, микшер, усилитель, конвертор, память1 О для хранения коэффициентов 11 3 .Однако это устройство обладает малым быстродействием, а аппаратурная реализация его сложна.Известен также синтезатор, содержаший постоянное запоминаюшее устройство словаря, постоянное запоминающее уст- ройство первичных параметров, цифровой фильтр, выходной блок, блок управления, генератор основного тона и динамик 12 3,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 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, первой3 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 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 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- ЗО рой дополнительный вход - со вторым выходом генератора основного тона, кроме того, второй и третий входы генератора основного тона соединены с первым и вторым чополнительными выходами блока регенерации параметров соответственно, а второй выход постоянного запоминающего устройства словаря подключен к первому входу блока регенерации параметров. ЮКроме того, генератор основного тона содержит два счетчика, компаратор и три схемы совпадения, причем третий вход второго счетчика подключен к шине постоянного кода базовой величины кад 45 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 входу50 первого счетчика и к выходу компаратора соответственно, причем выход компаратора соединен со вторым входом вторсьго счетчика, а выход последнего подключен к одному из входов компарато 55 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 вобужцения и одиннадцать ключей, причемвыход сумматора через седьмой ключ.соединен с первым регистром-задержкой,а через третий ключ подключен к первому входу сумматора, выход умножителячерез восьмой ключ соединен с первымвходом сумматора и через девятыйключ - с выходным регистром, крометого, выход сумматора через второйключ подключен ко второму входу умножителя, а через десятый ключ, схемуИЛИ, второй вход которой подключен кшине возбуждения, через второй регистрзадержку и одиннадцатый ключ подключен ко второму входу сумматора, выходпервого регистра-задержки через пятыйключ, а также через схему сложения помодулю два и шестой ключ подключенко второму входу сумматора, причемпервый вход умножителя соединен соперативным запоминающим устройствомсинтезатора.На фиг, 1 изображена структурнаясхема цифрового синтезатора речи; нафиг. 2 - схема генератора основного тона с формированием сигнала Конец кадра"; на фиг. 3 - функциональная схемацифрового фильтра.Синтезатор содержит постоянное запоминающее устройство словаря 1, постоянное запоминающее устройство первичных параметров 2, блок регенерациипараметров 3, состоящий из счетчикарегенерации 4, первой схемы И 5, триггера 6, второй схемы И 7, третьейсхемы И 8 и оперативного запоминающего устройства 9, цифровой . фильтр 10,выходной блок 11, динамик 12, блокуправления 13, генератор основного тона14, 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 6Работа устройства заключается в В постоянномэапоминаюшем устройследуюшем. стве первичных параметров 2 хранятсяПостоЯнное запоминающее УстРойство таблита лицы всех возможных значений первичсловаря 1 предназначено для храненияных 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 областеи, в кажпающих из постоянного запоминающегодой из которых записано слово или це- устройства словаря 1, являются адресалая фраза. Область содержит множествоми для считывания первичных параметкомплектов промежуточных параметров, 1 О Пров. ервичные параметры считываютсякоторые считываются из нее через не- из постоянного запоминающего устройствакоторый интервал времени, называемь 1 й первичных параметров 2 один за другимв дальнейшем кадром, до тех пор, пока по командам из блока управления 13,не считаются все комплекты параметров поступающим на первый вход постоянноиз данной области, Выбор области осу- го запоминающего устройства первичныхшествляется кодом, поступающим на параметров 2. Отметим, что первичнымивход Х постоянного запоминающего уст- параметрами являются К., К , , кройства словаря 1, а считывание ком- гф4, Т . Коды первичных параметровплектов промежуточных параметров из поступают в блок регенерации параметнее производится по сигналу от блока 20 ров 3. В нем хранится весь комплектуправления 13, подаваемому на первыйпервичных параметров, кроме д. -паравход постоянного запоминающего устройства словаря 1.метров, на протяжении одного или с -кадров.Блок регенерации параметров работаКомплект промежуточных параметров 25 ет следующим образом,представляет собой многоразрядное дво- На второй вход счетчика регенерацииичное число, отдельные разряды которого 4 из блока управления 13 поступает имявляются кодами промежуточных управля- пульс, который устанавливает счетчикюших параметров синтезатора. В качест- . регенерации 4 в нулевое состояние. Приве промежуточных параметров могут ис этом на первом входе первой схемы Ипользоваться обратные гиперболические 5 будет разрешающий потенциал, Затемблок управления 13 формирует. М+3 имотражения), либо какие-то другие преоб- пульсов записи (М - порядок фильтра),.разованные значения К-параметров. Пре- которые поступают на второй вход первойобразование позволяет существенно умень- схемы И 5, а затем на первые входышить объем памяти, Кроме того, в триггера 6 ("уст.1") и оперативногокомплект входят еще два промежуточ- запоминаюшего устройства 9. На первомных па амет а выходе триггера 6 устанавливается за-.вичных параметра (, ), непосредствен- дрешающий потенциал, а на втором - разно участвующие в синтезе речи. Параме решающий. В оперативном запоминающемтры Впйи То, несут информацию о коэф-, устройстве 9 при этом по второму ифициенте усиления и периоде основного третьему входам происходит запись знатона соответственно, а с помощью пара- чений первичных параметров иэ постоянметров ч,и с определяется вид источни- ного запоминающего устройства словаряка возбуждения синтезатора (тон-щум) 4 1 и из постоянного запоминающего усти количество сегментов равных арти- ройства первичных параметров 2. Кодкуляций (или число повторений синтеза адреса параметра формируется блокомданного кадра по одним и тем же пара- управления 13 и поступает на четвертыйметрам) соответственно. При считывании адресный вход оперативного запоминаюкомплектапромежуточныхпараметровпара- щего устройства 9. Далее из блока упметр совтороговыходапостоянногоэапоми- равления 13 на второй вход третьейнающего устройства словаря 1 пересы-схемы И 8 поступает импульс, по копается сразу в блок регенерации пара- торому в счетчик регенерации 4 запиметров 3, ас третьего выхода пос- сывается параметр с, поступающий натоянного запоминающсго устройстваИ,четвертый вход из блока управлени 13Ясловаря 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 этого 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.Б третьем такте результат умноженияскладывается в сумматоре 23 с числомиз первого регистра-задержки 24, Вчетвертом такте в сумматоре 23 сновапроисходит сложение результата умножения второго такта с числом из второго регистра-задержки 25, в которомзаписан код, поступивший в первом тактена шину возбуждения 40. Результатэтойоперации снова записывается вовторой регистр-задержку 25 и используется в следующем цикле, В последующихциклах, кроме циклаМ, делается то жесамое, за исключением того, что в первом такте первым слагаемым при суммировании является не число, поступающеена шину возбуждения 40, а результатпоследнего суммирования из предыдушегоцикла. Кроме того, в третьем такте результат суммирования записывается врегистр-задержку 24. В цикле М в первых трех тактах выполняются операции,аналогичные операциям в предыдущихциклах. В четвертом такте результатсуммирования записывается не во второйрегистр-задержку 25, а в первый регистр-задержку 24, Кроме того, в этомцикле добавляется пятый такт, во времякоторого результат суммирования четвертого такта умножается на коэффициентусиления и заносится в выходной регистр27. После каждых М циклов синтезируется одно дискретное значение речевого сигнала. Причем, если синтезируетсяшумовой кадр (1 =О), то после каждых пает не нулевой код, а если кадрвокализованный (=1), то на нее поступает либо код нуля, либо код единицы. 7 974404 8 рой вход триггера 6, который устанав-ливается в нулевое состояние При этомна первом входе второй схемы И 7 появляется разрешающий потенциал.После синтеза первого кадра происходит вычитание 1 из счетчика регенерации 4 импульсом с выхода второйсхемы И 7, который образуется в результате подачи управляюшего сигналана второй вход второй схемы И 7. За Отем делается анализ состояния счетчикарегенерации 4. Если он не в нулевомсостоянии, то на его выходе будет запрещающий потенциал. Импульсы не проходят через первую схему И 5, записи 1 Бпараметров в оперативное запоминающееустройство 9 нет.Первичные параметры К, Ки Й из оперативного запоминающего уст,ройства поступают на информационный 2 Овход цифрового фильтра 10, а с выходов1 и 2 этого же блока передаются параметрыи то в блок возбуждения цифрового фильтра, состоящего из генератораосновного тона 14 и генератора шума 2515. Причем код периода основного тона1"о поступает на 3 вход генератора основного тона 14, а параметрна вторымивходы обоих генераторов, Если=1, тоработает генератор основного тона 14, Зоесли=О, то работает генератор шума15. Первые входы обоих генераторовобъединены, и на них поступают стробирующие импульсы из блока управленияс частотой дискретизации Е исходногоречевого сигнала, используемой при анализе. В качестве генератора шума 15может быть использован любой датчикслучайных чисел, который выдает нашину возбуждения 40 цифрового фильтра10 (фиг, 3) равномерно распределенныеслучайные числа с частотойМ циклов на шину возбуждения 40 постуГенератор основного тона 14 выполняет две функции: служит для тональноговозбуждения, выдавая на шину возбужду.45ния 40 цифрового фильтра 10 (фиг, 3), единичные импульсы возбуждения с перио- Выполнение описанных комбинацийдом основного тона Т,т, а также выпол- включения и выключения ключей и подача няет роль формирователя кадров. нужных параметров на информационныеРабота цифрового фильтра 10 пояс- входы цифрового фильтра 10, а также няется фиг. 3.0координация работы остальных блоковПри синтезе одной дискретной выборки синтезатора осуществляются с помощью речевого сигнала выполняется М 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 высоко5 10 15 20 25 30 35 40 45 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 изобретения1. Цифровой синтезатор речи, .содержащий последовательно соединенныепостоянное запоминающее устройствословаря, постоянное запоминающее устройство первичных параметров, . цифровойфильтр, выходной блок, динамик, а также генератор основного тока и генератор шума, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью уменьшения объемапамяти синтезатора, улучшения качествасинтезированной речи,и упрощения конструкции синтезатора, в него введенблок регенерации параметров, состоящийиз последовательно соединенных счетчика регенерации, первой схемы И, триггера и второй схемы И, выход которойсоединен с первым входом счетчика регенерации, второй вход которого подключен к выходу третьей схемы И, а первыйи второй входы последней подключены ковторому выходу триггера и ко второмувходу второй схемы И соответственно,кроме того, выход первой схемы И соединен с первым входом оперативногозапоминающего устройства, второй и третий информационные входы которого подкключены ко второму выходу постоянногозапоминающего устройства словаря и квыходу постоянного запоминающего устройства первичных параметров соответсрвенно, а первый, второй и третий выходыоперативного запоминающего устройства соединены со вторым и третьим входамигенератора основного тона и с информационным входом цифрового фильтра соОтветственно, кроме того, трети;"; и четЭертый входы счетчика регенерации, вто(рой вход первой схемы И, четвертый входоперативного запоминающего устройства,второй вход триггера и второй вход третьей схемы И подключены к управляющим выходам блока управления, первый1, вход которого соединен с третьим выходом постоянного запоминающего устройствасловаря, 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 выходпостоянного запоминающего устройствасловаря подключен к первому входу бло-ка регенерации параметров,2. Синтезатор по п,1, о т л и ч а юш и й с я тем, что генератор основноготона содержит два счетчика, компаратори три схемы совпадения, причем третийвход второго счетчика подключен к шинепостоянного кода базовой величины кадра, а первый вход соединен с первымвходом первого счетчика, выход которого соединен с первыми входами первой ивторой схем совпадении, вторые входыкоторых подключены ко второму входупервого счетчика и к выходу компаратора соответственно, причем выход компаратора соединен со вторым входомвторого счетчика, а выход последнегоподключен к одному из входов компаратора, другой вход которого соединен стретьим входом первого счетчика, крометого, выход компаратора подключен кодному из входов третьей схемы совпадения, второй вход которой соединен свыходом первой схемы совпадения.3. Синтезатор по и, 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что цифровой фильтрсодержит умножитель, сумматор, два регистра-задержки, схему сложения помодулю два, выходной регистр, схемуИЛИ, шину возбуждения и одиннадцатьключей, причем выход сумматора соединен через седьмой ключ с первымрегистром-задержкой, а через третийключ подключен к первому входу сумматора, выход умножителя через восьмойключ соединен с первым входом сумматофра и через девятый ключ - с выходнымрегистром, кроме того 1 выход сумматора через второй ключ подключен ковторому входу умножителя, а через десятый ключ, схему ИЛИ, второй входкоторой подключен к шине возбуждения,через второй регистр-задержку и одиннадцатый ключ подключен ко второму входусумматора, выход первого регистра задержки через пятый ключ, а также черезсхему сложения по модулю два и шестойключ подключен ко второму входу сумматора, причем первый вход умножителясоединен с оперативным запоминающимустройством. синтезатора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент Великобритании,1439043, кл. С 10 Ь 1/10, 1976.2, "Электроника",18, т. 51,1978, с. 25-33 (прототип), 974404И Заказ 8711390 Поцпнсное Фнлнал ПП П ПвтентУжгород,ул. Проектная