DE1903375C3 - Elektrische Schaltungsanordnung zur Verfolgung der Formantfrequenz eines Sprachsignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zur Verfolgung der Formantfrequenz eines Sprachsignals mit einem Frequenzspektrum, dessen Hüllkurve mindestens einen Scheitelwert bei einer Frequenz (Formantfrequenz) aufweist, wobei die Frequenz der der Formantfrequenz nächstgelegenen Harmonischen des Grundtons des Sprachsignals durch eine Frequenzverfolgungsschaltung verfolgt wird.

Die Wellenform der menschlichen Sprache kann in jedem Zeitpunkt durch eine Reihe von Harmonischen der Grundtonfrequenz charakterisiert werden. Die Hüllkurve der Amplituden dieser Harmonischen im Frequenzspektrum besitzt je nachdem jeweils im Moment geäußerten Ton Scheitelwerte bzw. Spitzen an verschiedenen Punkten innerhalb des Frequenzspektrums. Die Frequenz dieser Spitzen werden als die Sprachformanten bezeichnet Bei verschiedenen Systemen zur schmalbandigen Sprachübertragung oder Sprachsteuerung, wie beispielsweise dem Formant-Vocoder, werden Signale verwendet, welche die Frequenz dieser Sprachformanten wiedergeben (Telefunken-Zeitung 40 (1967), S. 35 bis 43).

In der Praxis ist es häufig bequemer und hinreichend genau, ein einen bestimmten Sprachformanten wiedergebendes Signal in der Welle zu erzeugen, daß man die Frequenz der jeweils der Spitze der Hüllenkurve nächstgelegenen Harmonischen des Grundtons verfolgt, d. h. der Harmonischen mit der größten Amplitude in der Nähe der Spitze, statt die Frequenz der jeweiligen tatsächlichen Hüllkurvenspitze selbst zu verfolgen. Da die HQllkurvenspitze häufig zwischen benachbarte Grundton-Harmonische fällt, können kleine und unwesentliche Verschiebungen der Frequenz der Spitze dazu führen, daß jeweils benachbarte Harmonische der

ίο Grundtonfrequenz sich als Harmonische mit der größten Amplitude abwechseln. Bei Systemen der erwähnten Art welche die Harmonische mit der größten Amplitude auswählen, führt dies häufig zu abrupten Sprüngen zwischen benachbarten Harmonisehen, so oft die Amplitude der Hüllkurvenspitze sich verschiebt Diese Verschiebungen zwischen benachbarten Harmonischen von nahezu gleicher Amplitude sind für die Synthese einer wirklichkeitsgetreuen Sprachwellenform nicht erforderlich und führen dazu, daß das so erhaltene Frequenzparametersignal stark rauschbehaftet ist (CH-PS 2 38 417).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Qualität des von einem Formatfrequenz-Extraktor erzeugten Frequenzparametersignals zu verbessern und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, das unempfindlich ist gegenüber unwesentlichen Lageänderungen des Sprachformanten, wie sie durch die Amplituden von Harmonischen des Grundtons wiedergegeben werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß erfindungsgemäß zur Vermeidung abrupter Sprünge zwischen benachbarten Harmonischen des Grundtons bei kleinen Verschiebungen der Formantfrequenz die Amplitude der jeweils verfolgten Harmonischen durch ein in der Durchlaßfrequenz steuerbares Bandpaßfilter im Vergleich zu den Amplituden der anderen Harmonischen angehoben wird und daß die Durchlaßfrequenz des Bandpaßfilters durch das Ausgangssignal der Frequenzverfolgungsschaltung gesteuert wird. Hierdurch wird erreicht daß die Frequenzverfolgungsschaltung die einmal verfolgte Harmonische auch dann weiterhin verfolgt falls diese nicht mehr die Harmonische der größten Amplitude in dem die akustische Sprachwellenform wiedergebenden zugeführten elektrischen Signal ist. Erst wenn die jeweils größte Harmonische wesentlich größer ist als die jeweils verfolgte Harmonische, z. B. um 6 db, übernimmt die Frequenzverfolgungsschaltung die Verfolgung der größten Harmonischen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Figuren beschrieben.
F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsan-Ordnung zur Verfügung der Formantfrequenz eines Sprachsignals,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Frequenzcharakteristik im Punkt »A« des Blockschaltbilds aus

F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Auswirkung von Verschiebungen der Permantfrequenz auf die Wirkungsweise des Systems.

Im einzelnen zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Formantfrequenz-Extraktors mit einer Nachführ- bzw.

^h> Nachlaufschleife zur Verfolgung des ersten Fnrmanten, d.h. den niedrigsten Frequenzformanten eines I.auts. Einem Bandpaßfilter 2 wird eine elektrische Grcße zugeführt, welche eine Sprach-Wellenform wiedergibt

und wie sie beispielsweise von einem herkömmlichen, in der Zeichnung nicht gezeigten Mikrophon hoher Qualität erzeugt wird. Die Frequenzcharakteristik dieses Filters ist in F i g. 2 durch die voll ausgezogenen Linie 14 wiedergegeben. Die Ausgangsgröße des Filters 2 wird einem aktiven, spannungsabgestimmten Bandpaßfilter 4 zugeführt, das in einem Bereich des Durchlaßbandes des Filters 2 eine Akzentuierung bzw. Anhebung bewirkt, wie in F i g. 2 durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet

Das abgestimmte Bandpaßfilter 4 kann aus einem herkömmlichen Widerstands-Kondensator-Hochpaßfilter und einer herkömmlichen Widerstand-Kondensator-Tiefpaßfilter in Tandemschaltung bestehen. Der Widerstandsteil jedes dieser Filter kann einen Feldeffekttransistor aufweisen, dessen Widerstand durch die der Torelektrode des Transistors zugeführte Gleichspannung bestimmt ist. Die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Änderung der Torspannung soll genügend groß sein, derart, daß die durch die gestrichelte Kurve 16 wiedergegebene Spitze über einen wesentlichen Teil des durch die voll ausgezogene Linie 14 in Fig.2 wiedergegebenen Durchlaßbandes des Filters 2 verschoben werden kann.

Das Bandpaßfilter 4 ist mit einem Widerstand 6 überbrückt Damit wird das im Punkt »A« auftretende Signal eine Kombination aus dem von dem Filter 2 durchgelassenen Signal und dem vom Bandpaßfilter 4 durchgelassenen Signal. Die relativen Amplituden dieser beiden Komponenten im im Punkt »A« auftretenden kombinierten Signal hängt vom Widerstandswert des Widerstandes 6 im Vergleich zur Übertragungsimpedanz des Bandpaßfilters 4 ab. Das heißt 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 Gesamtübertragungsimpedanz des Bandpaßfillers 4 einstellbar ist Das kombinierte Signal im Punkt »A« wird sodann durch einen Frequenzmesser 8 analysiert, der eine Gleichspannungs-Ausgangsgröße erzeugt, welche die Frequenz der Harmonischen mit maximaler Amplitude im Punkt »A« wiedergibt Ein zur Verwendung in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneter Frequenzmesser ist in der US-Patentschrift 28 59 405 beschrieben.

Von dem Frequenzmesser 8 wird über die Leitung 10 ein Ausgangssignal an das Bandpaßfilter 4 rückgeführt, um das Durchlaßband des Bandpaßfilters 4 an der Stelle der Frequenz der so gemessenen Harmonischen zu lokalisieren. Diese Lokalisierung des Bandpaßfilters 4 bei der Frequenz der gemessenen Harmonischen bewirkt eine Anhebung der größten Spektrallinie des Formanten, d. h. eine Anhebung der der Formantfrequenz nächstgelegenen Spektrallinie über andere von dem Filter 2 durchgelassene Spektrallinien. Der Betrag dieser Anhebung wird durch die Größe des Widerstands 6 bestimmt Falls eine weitere Regelungs- bzw. Steuermöglichkeit erwünscht ist kann in Reihe mit dem variablen Bandpaßfilter 4 ein Widerstand zur Regelung der effektiven Übertragungsimpedanz des Bandpaßfilters 4 vorgesehen sein. Eine Anhebung von etwa 6 db ist vorzuziehen.

Infolge der durch das Bandpaßfiiter 4 und den Widerstand 6 hervorgerufenen Anbebung zeigt der Formantfrequenz-Extraktor eine Hysterese. Diese Hysterese macht den Extraktor unempfindlich gegenüber kleinen Amplitudenänderungen der jeweils verfolgten Harmonischen als Folge kleiner Änderungen der Formantfrequenz; auf diese Weise erzeugt der Extraktor ein im wesentlichen rauschfreies Formantfrequejizparameter-Signal. Ein Übergang des Frequenzmessers 8 von einer Harmonischen der Tonfrequenz zu einer benachbarten Harmonischen wird nur dann stattfinden, wenn der Unterschied der Amplituden dieser Harmonischen am Eingang des Filters 2 etwa 6 db übersteigt
F i g. 3 veranschaulicht die Art und Weise, auf welche

'5 der Extraktor ein rauschfreies Formantfrequenzparameter-Signal erzeugt In Fig.3a stellt die gestrichelte Linie 18 die Frequenzhüllkurve oder den Formanten eines Lauts am Spracheingang dar; die voll ausgezogenen Linien 20 stellen die in der Hüllkurve vorhandenen Spektrallinien (d.h. Harmonischen der Grundschwingung) dar, die punktierte Linie 22 veranschaulicht die durch das Filter 4 bewirkt Frequenzanhebung in der Hüllkurve, und die Kombination der Linien 18 und 22 stellt die Frequenzhüllkurve eines Tons dar, wie sie am Eingang der Mischvorrichtung 8, d. h. im Punkt »A« auftritt Die Linie Ff gibt die Formantfrequenz wieder, während die Linie F, das Spektralband andeutet welches mit dem Frequenzmesser 8 verfolgt wird. Bei der Verschiebung der Formantfrequenz Fr im Verlauf

^o der Sprachdynamik nimmt die Amplitude der Linie F, ab, und die Amplitude der benachbarten Spektrallinie F{ nimmt zu, wie in F i g. 3b gezeigt

Bei weiterer Veränderung der Formanentfrequenz Fr (Fig.3c) übersteigt die Amplitude der benachbarten Spektrallinie F/ die Amplitude der Linie F, am Eingang der Nachführ- oder Verfolgungsschaltung. Infolge der durch das Bandpaßfilter 4 bewirkten Frequenzanhebung ist jedoch im Punkt »A« die Amplitude der Spektrallinie F, immer noch größer als die der benachbarten Spektrallinie F/. Erst wenn die Amplitude der benachbarten Spektrallinie Fl die Amplitude von F₁ um einen vorgegebenen Wert beispielsweise 6 db, wie in Fig.3d angedeutet, übersteigt, schaltet der Frequenzmesser auf die benachbarte Spektrallinie Fi um.

Wie in der Zeichnung angedeutet bewirkt diese Umschaltung eine entsprechende sprunghafte Änderung der Frequenzbahnanhebung. Auf diese Weise erhält die Schaltung ein Hystereseverhalten, das verhindert, daß der Extraktor unwesentliche Formatfrequenz-Verschiebungen verfolgt bzw. nachweist. Dies führt zur Erzeugung eines im wesentlichen rauschfreien Formantfrequenzparameter-Signals. Selbst wenn die verfolgte Spektrallinie sich von der Formantfrequenz Ft sich fast um die Grundschwingungsfrequenz unterscheiden mag, ist die jeweils verfolgte Spektrallinie stets hinreichend nahe an der Formantfrequenz Fr, um die Erzeugung einer hochwertigen synthetisierten Sprachwellenform zu gewährleisten.
Die Verfolgungsschaltung gemäß F i g. 1 kann auch

w zur Verfolgung anderer als des ersten Formanten eines Tons verwendet werden, indem man die Durchlaßbereichc der Bandpaßfiltei zwei und vier wählt, daß sie den Frequenzen der Harmonischen der Grundschschwingungsfrequenz entsprechen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltungsanordnung zur Verfolgung der Formantfrequenz (Formantfrequenzextraktor) eines Sprachsignals mit einem Frequenzspektrum, dessen HOUkurve mindestens einen Scheitelwert bei einer Frequenz (Formantfrequenz) aufweist, wobei die Frequenz der der Formantfrequnez nächstgelegenen Harmonischen des Grundtons des Sprachsignals durch eine Frequenzverfolgungsschaltung verfolgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung abrupter Sprünge zwischen benachbarten Harmonischen des Grundtons bei kleinen Verschiebungen der Formantfrequenz die Avnplitude der jeweils verfolgten Harmonischen durch ein in der Durchlaßfrequenz steuerbares Bandpaßfilter im Vergleich zu den Amplituden der anderen Harmonischen angehoben wird und daß die Durchlaßfrequenz des Bandpaßfilters durch das Ausgangssignal der Frequenzverfolgungsschaltung gesteuert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bandpaßfilter (4) ein aktives Filter verwendet wird, das die verfolgte Harmonische verstärkt

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem in der Durchlaßfrequenz steuerbaren Bandpaßfilter und einer Frequenzverfolgungsschaltung, deren Ausgangssignal die Durchlaßfrequenz des Bandpaßfilters steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare BandpaGfilter (4) aus einer Tandemschaltung eines abstimmbaren Hochpaßfilters und eines abstimmbaren Tiefpaßfilters besteht

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Frequenzverfolgungsschaltung einen Begrenzer, einen Nulldurchgangszähler sowie ein Tiefpaßfilter umfaßt