DE1903375A1 - Formatfrequenz-Extraktor - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE _s MÜNCHEN 2, 2 3 JAN 1969

DlPL-INQ. CURTWALLACH κ«βηο«ι«β. ■

. GÜNTHER KOCH T.lefon-Samm.lnumm«· 340275

DR. TINO HAIBACH vorwah.-_Numm.r o,„

II827 - H/We

IHIJiCO-FORD CORPORATION, Philadelphia /Penns. (V.St.A.) PormantfreQuenz-Extraktor

Die Wellenform der menschlichen Sprache kann in jedem Zeitpunkt durch eine Reihe von Harmonischen der Grundtonfrequenz charakterisiert werden. Die HUllkurve der Amplituden dieser Harmonischen im Frequenzspektrum besitzt je nachdem jeweils Im Moment geilußerten Ton Scheitelwerte bzw. Spitzen an verschiedenen Punkten innerhalb des Frequenzspektrums. Die Frequenz dieser Spitzen werden als die Spraohformanten bezeichnet. Bei verschiedenen Systemen zur schmalbandlgen Sprachübertragung oder Sprachsteuerung, wie beispielsweise dem Forraant-Vbcoder, werden Signale verwendet, welche die Frequenz dieser Sprachformanten wiedergeben.

In der Praxis ist es häufig bequemer und hinreichend genau, ein einen bestimmten Sprachformanten wiedergebendes Signal In der Weise zu erzeugen, daß man die Frequenz der jeweils der Spitze der HUllkurve nächstgelegenen Harmonischen des Grundtons verfolgt, d.h. der Harmonischen mit der größten

Amplitude in der Nähe der Spitze, statt die Frequenz der

tatsächlichen jewei1igen/HUllkurvenspitze selbst zu verfolgen. Da die

Hüllkurvenspitze hluflg zwischen benachbarte Grundton- Harmonische fällt, können kleine und unwesentliche Verschie-

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ORIGINAL INSPECTED

bungen der Frequenz der Spitze da/zuführen, daß Jeweils benachbarte Harmonische der Grundtonfrequenz sich als Harmonische mit der größten Amplitude abwechseln. Bai Systemen der erwähnten Art, welche die Harmonische mit der größten Amplitude auswählen, führt dies häufig zu abrupten Sprüngen zwischen benachbarten Harmonischen, so oft die Amplitude der HUllkurvonspitze sich verschiebt. Diese Verschiebungen zwischen benachbarten Harmonischen von nahezu gleicher Amplitude sind für die Synthese einer wirklichkeitsgetreuen Sprachwellenforci nicht erforderlich und fuhren dazu, daß das so erhaltene Frequenzparametersignal stark rauschbehaftet ist.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe zugrunde» die Qualität des von einem Forraantfrequenz-Extraktor erzeugten Frequenz» Parametersignals zu verbessern; insbesondere soll ein Formant· frequenz-Extraktor geschaffen werden, der unempfindlich gegenüber unwesentlichen Lageänderungen des Sprachformanten ist, wie sie durch die Amplituden von Harmonischen des Orundtons wiedergegeben werden.

Die Erfindung betrifft somit eine Schaltung zur Foraantfrequenzverfolgung (Formantfrequenz-Extraktor), alt einer Vorrichtung zur Erzeugung eines eine akustische Sprachwellenform wiedergebenden elektrischen Signals« wobei die Sprachwellenform jeweils in jedem Zeltpunkt durch eine Reihe von Harmonischen der Grundtonfrequenz charakterisiert ist, mit einem an diese Vorrichtung angekoppelten Bandpaßfilter sowie mit einer Vorrichtung zur Verfolgung der Harmonischen mit der jeweils größten Amplitude in des zugeführten Signal.

Bei elier derartigen Schaltung 1st gemäß der Erfindung vorgesehen, daß zwischen dem Ausgang des BandpaSfilters und des Eingang der Frequenzverfolgungsvorrichtung eine Vorrichtung

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aur Verstärkung bzw. Anhebung eines Teils des Durchlaßbandes des Bandpaßfilters vorgesehen 1st, derart, daß in die Verfolgungiss ehalt ung eine Hysterese bzw. ein Totzonenbex-eich mit einer gewissen Frequensbreite eingeführt wird.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, :in ßii- FrequenzverfplgunEsschleii'e des Formantfrequenz-Extraktprs" eine Hysterese, (d.h. eine Totzone bezüglich geringfügigen. Verschiebungen de? Formantfrequenz} einzuführen. Diese Hysterese macht den Extraktor unempfindlich gegenüber unwesentlichen Änderungen in der Lage des Sprachformanten, wodurch ein für eine gute Sprachsynthese erforderliches rauscharmes Frequenzparametersignal eraielbar wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform c.er Erfindung weist der Formantfrequenz-Extraktor eine Parallelschaltung aus einem veränderlich abstimmbaren Bandpaßfilter und einem Widerstand in Reihe zwischen einem fest eingestellten Bandpaßfilter und einem Frequenzmesser auf. Diese Schaltung liefert eine annähernd der Formantfrequenz entsprechende Gleiehspannungs-Äusgangsgröße. Dieses Formantfrequenzparameter· signal 'titrd an das steuerbar veränderliche Eandpaßfilter rückgeführt, um dessen Mittenfrequenz an einen Punkt nahe der Formantfrequenz au schieben. Der Wert des Widerstands ist so gewählt., daß sich für die Mittenfrequenz des veränderbar abstimmbaren EandpaSfilters eine; Anhebung bzw.

etwa
Preeaiphasie von/5 db ergibt. Diese Anhebung bzw. Preemphasis gewährleistet, daß das System nur nennenswerte Änderungen der Fornantlage verfolgt.

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Im folgenden :<?ird ein Formantfrequens-Extraktor gemäß einer Aue jführimgs form der Erfindung anhand der Zeichnung, besehrieben; in dieser zeigen - -

Fig. i ©in Blockschaltbild des Formantfroquensi-Extraktors gemäß der Erfindung;

Pig« 2 eine' graphische- Darstellung der Frequenzcharakteristik im'Punkt.^MA^tt des Blockschaltbilds aus Pig. Ii

Fig« J eine- graphische Darstellung zur Veranschaulichung der / Auswirkung von Verschiebungen der Formantfre» quenz■ auf die Wirkungsweise des Systems.

Im GlnzeliiQn seigi Fig. 1 ein Blocksofe-altbild eines Formantfrequenz »Extrakt o.r3- mit einer Nachfuhr« bzv;«' Nachlauf schleife nur Yerfolgüng cieß ersten" Formanten, d.h. des niedrigsten FrequenEforraaiiteri eines Laufes. Einem Bandpaß filter 2 wird ein© elektrische "Clräße zugeführt, uä.che eine Sprach-Wellenform wiedergibt und wis sis b.eispislEweise von einem herkörarnllehcn, in der- ^iie-hnung" nicht-.'geseigtöri Mikrophon, hoher Qualität erzeugt wird. Die Frequenzcharakteristik dieses Filters ist in Fig. 2 dureh die voll ausgezogenen Linie 14 wiedergegeben. Dia Ausgangsgröße des Filters 2 wird einem aktiven, spannungsabgestimtßten Fi 11; er 4 ■ zugeführt * das in einem Bereich des Durehlaßbamles des Filters 2 eine Akzentuierung bsvr. Anhebung (Preemphasis)- bev/irlcfc, wie In Fig. 2 durch die gestrichtelte Linie i6^:"angedeGfcet. ;

Das abgestimmte Filter 4 kann aus einem herkömmlichen. Widerst.ands-Koßdensator-Hoch-paßfliter und. einem herkömmlichen

" V/iderstands^Konäeiisator-Tiefpaßfiltez· in Tandems ehalt ung bestehen. Der Widerstandsteil jedes dieser- Filter kann einen ' Feldeffekttransistor aufweisen., dessen Wie erstand durch die der,/forelektrode des Transistors .z-ugeführte Gleichspannung bestimmt, ist. Die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von

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der Änderung der Vorspannung s-oll genügend groß sein, derart, daß die durch die gestrichelte Kurve 16 wiedergegebene Spitze über einen wesentlichen feil des durch die voll aus= gesogen« Linie 14 in F;Lg» 2 wisdergsgefcenen Diirehlaßbandes des Filters 2 verschoben werden kann.

Das Filter 4 1st mit einem Widerstand 6 überbrückt. Damit wird das ißi Punkt "ä" auftretende Signal ein© Kombination aus dem von dem Filter 2"durchgelassenen Signal und dem vom Filter 4 durchgelassenen Signal= Die relativen Amplituden dieser beiden Komponenten In im Punkt "A-·¹ auftretenden kombinierten Signal hängt vom Wiö-arstan-dswert.- des Widerstandes 6 im Vergleich zur überfcragungsiaipedanz" ■ des Filters ab» Das heißt j, daß die Amplitude "des" Scheitels bzw. der Spitze in der kombinierten Frequenzcharakteristik der Filter 2 und 4 im Vergleich zu dem durch die Linie 14 wiedergegebenen Plateau durch Änderung des Widerstandswertes des Widerstands 6 oder der öesamtübartragimgsifljpedanz des Filters 4 einstellbar ist. Das kombinierte Signal im Punkt "A" wird sodann durch einen Frequenzmesser 8 analysiert, der ©ine Ölelehsparmungs-Ausgangsgröße erzeugt,- welche die Frequenz der Harmonischen mit maximales· Amplitude . im Punkt ¹¹A" wiedergibt. Ein zu? Verwendung In-de*!» System gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneter Frequenzmesser.ist in der US-Patentschrift 2 859 405 beschrieben-.

■. - ν ■ .-■

Von dem Frequenzmesser B wird- übe? die Leitung 10 ein Ausgangssignal an das_Äbstimmfilter 4 rüekgaführt, «m das -DurohlaBband-des Filters. 4 an der Stelle der Frequenz der so gemessenen Harmonisahan zu 'lokalisieren. Diese Lokalisierung d@s .Filters. 4 bei der ^re§.uena; der-gemessenen·-Harmonischen bewirkt eine Anhebung bsw· X^*semphasis dar größten Spektral-. linie des Farraarstsn, d.h. eine Presiaphasis bsw, Anhebung der der Formant fr eqiiiinj nSehstgeleganen Spektrallinie über andere von dem Filter 2 durchgelassen^ Spektrallinien* Der Betrag dieser Anhebung bzvr. Preemphasis i^ird durch die Größe

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des Widersfcands 6 beatimmt» Falls eine weitere Regslurigs·= fosw, Stousrniögllöhkeit erwünscht 1st ₃ kann in Reihe mit * dem variablen Filter 4 ein Widerstand sor Regelung der effektiven Utertragungsimpedanz des Filters 4 vorgesehen sein» Eine Anhebung bzw» Preamphasis ^:"von etwa 6 db ist vorzuziehen.

Infolge der dar oll daa Abstimmfilter k- und den Widerstand hervorgerufenen. Anhebung foisw. Preemphasis seigt der Formantfrequenz-Extrakt or-eine Hysterese in der " Frequenzdomäne"» Diese Hysterese macht den Extraktor unempfindlich gegenüber kleinen Amplitudenändex'ungün der jeweils"verfolgten Harmonischen -alu Folge kleiner Änderungen der Formantfrequenzj auf diese Weise -erzeugt der Extr.akt.or ein im vresent liehen rauschfrej.es..-Formantfrequ.enzparanister-Sl.gnal. Ein Übergang das Frequenzmessers 8 von. einer Harmonlischen der Tonfrequenz zu einer benaähbarfcen Hariaondsehen-wird'nur dann stattfinden, wenn der Un-tersehi«d der Amplituden dieser Harmonischen am Eingang des Filters 2.etwa 6 db übersteigt»

Pig* 3 yerariiJöhaullcht die Art und Weise,'auf Vielehe der Extraktor ein rausehfreies Pormantfre^uenÄparameter-Signal"' ©rzeügt, Xn Pig» 3a stellt die gsfcriehtelfca Linie 18 die Prequenzhüllkurvii-'oder den Formantsn eines Lawtis am Spraeh- ©ingang dar,' die voll ausgezogenen Linien 2Ö stellen al® in der Hülllcurve ¥orhandenen Spektral linien (d.h.'Harmonischem.

der Grundschwingtmgj "pitch harmonies") dar, die punktierte■■""-■ Lini© 22 veransOiiaulicht die dtireh das Filter." 4 Frequenianhefcung in der HülIkaros dar^ 'uhd. die die der Linien 18 "und. .22 stellt die Frequenahüilkurve'fines'-, dar,, \τί<& sis am Eingang der .Mischvorriehfcüng 8, d.h.'"i?f;r Punkt "A"' auftritt _o Die Linie i'_f gibt die wieder, während die Linie P₄. das Spekträlband mit dem Prequsnsrflesser 8 verfolgt Mir.de/-Bel-der der Fprmantfrequenz W^ Lm ¥erlauf der Sprachciyüainlk

die Amplitude 4er-Linie F_t afr und die- Amplitude-der ta&iäoh~ ^;■ ■"■ harten Sp©ktrallini# Fv⁹ tiiffimt %\x_t wie in Fig. 3b geneigt,

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Bei wetterer Tertitiderung der FormanfcfrequLens F-, (Pig. ^c.) übersteigt; die Amplitude der benachbarten Spektrallinie P_fc' die Amplitude der Linie. F_fc am Eingang der NaehfUhroder Verfolgungssehaltung» Infolge der durch das Filter 4 bewirkten Frequensanhebimg ist jeöoeti im Punkt "Aⁿ die Amplitude der Spektrallinie F^ immer noch größer als die der benachbarten Spektrallinie F^.^ε* Erst wenn die Amplitude der benachbarten Spektrallinie F* die Amplitude von F₄. um einen vorgegebenen Wert, bcjispiölsweiss 6 db_t wie in Pig. 3d angedeutet, übersteigt, sehaltet der Frequenzmesser auf die benachbart« Spektrallinie F- ^c um. Wie in.der Zeichnung- angedeutet, bewirkt, diese Umschaltung eine entsprechende sprunghafte Änderung der Frequenzbandanheteuregc Auf diese Waise erhält di« örf j.Röitt'igßgemäße Schaltung fein Hystereseverhalten_f das verhindert, daß der Ex1;raktor uRVfesOKtlicha Formant= frequenis-Vtersehiefcungen verfolgt bate« nachweist. Dies führt zur Erzeugung "einee im wesentlichen r-susohfreien Formant-frequeiiiiparameter=Signals e Selbst wenn die verfolgte Spektrallinie sieh von der-Formantfrequenz F_p sieh fast um die Grunds chwingtÄnggsfrcQuens unterscheid en mag, ist die- Jeweils verfolgt;© Spsktrallinie stets hisreishend nahe an der Forrnantfrequens P-* um die Ers;eugung einer heö'r;ertigen synthetisi er ten SprachwelleisförTB zu gewähr leisten,.

Die Yen'olgungssöhaltung. gemäß Fig« I kann auch zur Verfolgung anderer als das ersten Fornianten eines 1?ons verwendet werden, indem man die Bu2ⁱehlaßbersi ehe der Eandpaßfilter zwei und vier so wählt_f daß sie den Frequenzen-der.zweiten, dritten usw. Spitsea in de? HUl!kurve äer Harmonischen der Grundschwingungsfrequans

Die Erfindung vrurde vorstehend an'oar«,d eiries speziellen Aus·= fUhrungsbeispicfls besehrieben, das selbstverständlich in mannigfaehmi Einselheiten abgevandelfc werden kann, ohne daß dadursh der Rahnu!« der Erfindung verlassen wird.

"- Patentansprüche ■= 909884/1096

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Schaltung zur Verfolgung, der Formantfrequenz, mit- einer Vorrichtung zur Erzeugung eines eine akustische Spraeh» wellenform wiedergebenden elektrischen Signals, wobei die Spraehwellenform jeweils in jedem Zeitpunkt durch eine Reihe von Harmonischen der Grundtonfrequens charakterisiert ist, mit einem an diese Vorrichtung angekoppelten Bandpaßfilter sowie mit einer .Vorrichtung, zur- Verfolgung der Harmonischen.mit der Jeweils größten Amplitude in dem zugefUhrten Signal, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Bandpaßfilters (2) und dem Eingang -(¹¹A").der Frequenzx^rfolgungsvOrrichtung (8) eine Vorrichtung (4_t 6) zur Verstärkung bzw. Anhebungeines

   (Id, Pig· 21 (1"U ,ν

   Teiis/des Durchlaßbandesydes Bandpaßfilters (2) vorgesehen ist,. derart,-'daß-, in--die Verfolgungsschaltung eine Hysterese bzw. ein Totzonenbereich mit einer gewissen Frequenzbreite eingeführt wird.

   Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Vorrichtung zur Verstärkung bzw. Frequenzanhebung.-eine Verstärkung einer der Harmonischen des zügeführten Signals bewirkt, d(3rart, daß die Verfölgungsvorrichtung (8) die so verstärkte bzw. angehobene Harmonische (F^, Flg. ^) selbst dann weiterhin verfolgt, falls diese nicht mahr die Harmonische mit der größten Amplitude in dem die akustisöhe Spraehwellenform v/iedergebenden zugeführteri elektrischen Signal ist.

   Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e ή ft W ζ e i ch η e b _t daß die Vorrichtung sur Verstärkung bzw. Anhefoung eines Teils {16, Fig. 2) des Durchlaßba.ndes (Ik) ein steuerbares Abstimtüfliter (4) mit einer Eingangsklemme, einer Ausge-ngsklarame tirtd einem Abstiminsteuerelngang, soWie

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   ein im SiebensGhluß zu dem abstimmbaren Filter (4) zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsklemme liegendes nicht-frequenzselektives Schaltbauteil (6) aufweist, und daß die Eingangsklemme des abstimmbaren Filters (4) mit dem Ausgang des Bandpaßfilters (2) die Ausgangsklemme des abstimmbaren • Filters mit dem Eingang "A" der Verfolgung^vorrichtung (8) und der Steuereingang des abstimmbaren Filters (10) mit dem Ausgang dov Formantfrequensvarfolgungsvorrihtung (8) verbunden sind.

   ."' Schaltung nach Anspruch j?, dadurch ge ken η sei eiin e t ", daß das steuerbat· abstimmbare Filter (4) aus einer Tandem~Schaltung eines abatlmmbaren HochpaßfEters und eines abstimmbaren Tiefpaßfilters besteht.

   , Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Anhebung. bzw. Verstärkung eines Teils des Durchlaßbereiches des Bandpaßfliters ein Begrenzer, einen Nulldurchgangsiähler soicie <sln Tiefpaßfilte' aufweist ο . . .

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