DE2208050C3

DE2208050C3 - Elektrischer nichtlinearer Verzerrer

Info

Publication number: DE2208050C3
Application number: DE19722208050
Authority: DE
Inventors: Pierre Clement Beausoleil Austruy; Daniel Jacques La Gaude Esteban
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-02-25
Filing date: 1972-02-21
Publication date: 1979-08-09
Also published as: GB1344019A; DE2208050A1; DE2208050B2; IT946988B; FR2127345A5; JPS5411085B1

Description

ausgeht und die Erzeugung eines vollständig flachen Spektrums ohne dazwischenbefindliche Lücken erzeugen kann. Ein weiterer Vorteil ist auch darin zu sehen, daß der nichtlineare Verzerrer gemäß der Erfindung ohne weiteres entweder in analoger oder in digitaler Form aufgebaut sein kann und auch in dieser Technik arbeiten kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung einer Rechteckimpulsfolge mit ihrem Spektrum,

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Verzerrungseinrichtung,

Fig.3a, 3b eine Darstellung der Entwicklung des Basisbandsignals in der Verzerrungseinrichtung,

F i g. 4a ein Blockschaltbild einer als Digitalschaltung ausgebildeten Verzerrungseinrichtung,

F i g. 4b ein zu der Schaltung nach F i g. 4a gehörendes Impuls-Zeitdiagramm und

Fig.5 das Blockschaltbild einer Sprachs-yntheseeinrichtung mit der Verzerrungseinrichtung.

Die mathematische Untersuchung von sägezahnförmigen Signalen mit Hilfe einer Fourier-Analyse zeigt, daß deren Spektrum alle Harmonische der Grundfrequenz enthält, die durch den Reziprokwert der zeitlichen Länge des Sägezahnimpulses definiert ist. Daher ist es möglich, eine Einrichtung aufzubauen, indem ein Sägezahngenerator mit einer Information synchronisiert wird, die die Periodizität des Basisbandsignals ausdrückt, indem insbesondere der Bezugspegel oder die Nulldurchgänge des Basisbandsignals verwendet werden. Dieses heißt mit anderen Worten, daß der Sägezahngenerator ein Signal erzeugt, dessen Spektrum das gewünschte ist, wenn die Nulldurchgänge bezüglich der Zeit des Basisbandsignals festgestellt werden und Zeitimpulse an den Sägezahngenerator liefern. Dieses gilt nur bei Vorliegen einer Kontinuität des Spektrums oder genauer gesagt, wenn keine Lücken in dem gewünschten Spektrum vorliegen. Dieses Spektrum ist aber in der Tat nicht flach und seine Verwendung in einer Sprachsyntheseeinrichtung ohne Vormodulationsvorrichtung ist also ohne vorherige Behandlung dieses Signals nicht möglich. Dieses Spektrum enthält einerseits eine erste, durch Rauschen verursachte Amplitudenmodulation, entsprechend der Rückstellzeit des Sägezahnimpulses, die nicht Null ist und andererseits eine zweite Amplitudenmodulation, die auch dann auftritt, wenn der Sägezahnimpuls mit gleichzeitiger Rückstellung erscheint.

Ein anderes Problem ergibt sich aus der 180°-Phasenverschiebung, die zwischen geraden und ungeraden Komponenten des Spektrums eines vollkommenen Sägezahnimpulses (gleichzeitige Rückstellung) vorliegt. Wenn der Grund für diese Spektrum-Ausbreiinngsvorrichtung in Rechnung gestellt wird, kann dieses zuletzt genannte Problem vernachlässigt werden. Da in der Tat eine der physiologischen Eigenschaften des Ohres seine Unempfindlichkeit bezüglich der Phasenbeziehungen der Schallsignale ist, kann auch diese nicht zu Schwierigkeiten führen.

Die vorstehend genannten Eigenschaften werden durch die mathematische Theorie bestätigt, wie viele Publikationen zeigen, insbesondere das Buch von P. F. Panter, erschienen bei Mc Graw-Hill unter dem Titel »Modulation Noise and Spectral Analysis Applied to Information Transmission« (Anwendung des Modulationsrauschens und der spektralen Analyse auf die Informationsübertragung). Bevor die von P. F. Panter gewonnenen Ergebnisse uberp/üft werden, ist es zweckmäßig, sich bestimmte bekannte Eigenschaften ins Gedächtnis zurückzurufen. Zuallererst sollte man sich erinnern, daß ein Signal, das einen Sägezahnimpuls im ansteigenden Teil (oder Flanke) mit der zeitlichen Länge Τ— θ und im abfallenden Teil mit der Länge θ aufweist, nach seiner Ableitung bezüglich der Zeit einen Rechteckimpuls der Breite θ liefert Die zeitliche Ableitung eines Signals entspricht einer Multiplikation

ίο seines Spektrums mit der Kreisfrequenz jtü. Man kann daher auf sehr einfache Weise das Spektrum eines sägezahnförmigen Signals gewinnen, wenn man von einer Rechteckimpulsfolge f(t) ausgeht, wie beispielsweise der in F i g. 1 dargestellten. Die mathematische Untersuchung des obigen Phänomens beginnt mit der Fourier-Formel:

-γ-

(an cos«(-)t + bn + sin η

Die Funktion f(t)m Fig. 1 sei gerade Zw=O, so daß nur die cosnwr-Terme am Aufbau des Spektrums beteiligt sind. Hieraus ergibt sich folgende Beziehung:

an = —

cos η in t d t

aus der sich folgendes ergibt:

2 θ sin ii ηF β

η,,,θ

«" = ~γ

wobei

ist.

Die zuletzt genannte Gleichung erlaubt das Verständ-.,-, nis des Spektralliniendiagramms der Signale f(t), die in F i g. 1 dargestellt sind, wenn f— nF'm der Abszissenrichtung und die »anw-Koeffizienten in Ordinatenrichtung aufgetragen werden.

Diese Gleichung zeigt den Term in ^Λ (wobei χ =

H... l·) ^X

_Ί ist), der die spektrale Umhüllende des Signals f(t) beeinflußt. Der erste Punkt, für den die Umhüllende 0 ist, liegt bei nf = ^ , weshalb je kleiner θ bezüglich Γ ist, dieser Punkt im Frequenzfeld um so weiter entfernt ist und um so größer die Zahl der Harmonischen des ersten

Teils

ist. Es ist also möglich, wenn man das

sinnvolle Spektrum, das an dem Ausgang der Verzer^bü rungsvorrichtung erforderlich ist und die höchste Frequenz des Spektrums des Basisbandes berücksichtigt, ein maximales Verhältnis zu definieren, für das

_b5 das verwendbare Band flach ist.

In der Tat haben die Operationen dieser Einrichtung als Basis nicht eine Folge rechteckförmiger, sondern sägezahnförmiger Signale. Dieses uient nur zur

Vereinfachung der Schaltkreisrealisierung. Wie aber oben bereits angedeutet wurde, entspricht der Übergang rechteckförmiger Signale in sägezahnförmige einer Integration, die das Spektrum durch Modulation in

Terrren von--moduliert. Diese schwierige Modulation

wird auf sehr einfache Weise dadurch eliminiert, daß das Sägezahnsignal, bevor es verwendet wird, differenziert wird.

Daher kann das gewünschte Spektrum von einer Folge rechteckförmiger Impulse geliefert werden, es ist jedoch einfacher, ein Zwischen-Sägezahnsignal zu durchlaufen.

Daher ermöglichen die obigen Betrachtungen auch das Verständnis des Blockschaltbildes der Verzerrungseinrichtung, die in F i g. 2 dargestellt ist. Das Basisbandsignal BB wird zu einem Nulldurchgangsdetektor Z übertragen, der einen Sägezahngenerator G synchronisiert und dem eine Differenzierstufe D nachgeschaltet ist. Das Signal Vo, das am Ausgang der Vorrichtung entsteht, hat ein relativ flaches, lochfreies Spektrum. Die F i g. 3a zeigt die Transformationen, die bezüglich des Basisbandsignals in allen Stufen der F i g. 2 durchgeführt werden. Das Signal BB wird zunächst begrenzt und dann in der Stufe Zdifferenziert, um Kurzzeitinipulse zu liefern, die die Nulldurchgänge des Signals BB ausdrücken. Es ist in diesem Zusammenhang außerordentlich sinnvoll, nur die Impulse auszuwerten, die Nulldurchgängen in der gleichen Richtung entsprechen, da die Aufgabe gestellt ist, ganze Signalperioden zu ermitteln, die in dem Basisbandsignal BB vorhanden sind. Diese Impulse werden dann dazu benutzt, den Sägezahngenerator G zu synchronisieren, der an seinem Ausgang das sägezahnförmige Signal (G) Hefen. Dieses Signal liefert nach seiner Differentiation Impulse D mit konstanter Höhe, deren Breite der zeitlichen Länge des abfallenden Teiles des Sägezahnes entspricht. Der zweite Teil der gleichen Figur zeigt die Verteilung eines theoretischen Anfangspektrums eines Basisbandes mit den beiden Komponenten j und k. Die Hüllkurve des Sägezahnspektrums läßt am Ausgang des Sägezahngenerators G den konjugierten Einfluß der Ausdrücke erkennen, der oben angedeutet wurde. Die hyperbolische Funktion wird von der Stufe D neutralisiert, so daß

nur die Hüllkurve von

übrigbleibt Dann ist es

möglich, einen relativ flachen bauchbaren Abschnitt des Spektrums zu erzeugen, das breit genug für die Erfordernisse von Sprachsyntheseanwendungen ist

Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, kann die Einrichtung so aufgebaut werden, daß sie entweder analog oder digital arbeitet Für die analoge Ausführungsform können bereits bekannte Mittel verwendet werden, wie beispielsweise das Laden und Entladen eines Kondensators mit konstanten Strömen, um sägezahnförmige Signale zu erzeugen, wobei diese Arbeitsweise von Impulsen gesteuert wird, die die Nulldurchgänge des 5ß-Signals darstellen. Die Stufen dieser Einrichtung können im Prinzip aufgebaut werden, ohne daß andere als die genannten Probleme berücksichtigt werden müssen. Es ist nämlich absolut notwendig, spezielle Vorsorge für die Einrichtung zu treffen, die Θ, also die Länge der abfallenden Kante des Sägezahnimpulses, steuert Für diesen Zweck kann insbesondere ein Entladestrom gewählt werden, der relativ höher ist als derjenige, der für die Ladung verwendet wird. Es sei hier erwähnt, daß die Ausdrücke »Laden« und »Entladen« als Bezeichnung für die »ansteigende« und »abfallende« Flanke des Sägezahn impulses nur zur Erläuterung gewählt wird und daß dor Sägezahn ebensogut bezüglich seiner Basis umgekehrt sein kann. Wie gut der analoge Schaltkreis auch sein kann, so bewirkt er doch keinen so bedeutenden Abfall von Θ, wie eine digitale Einrichtung. Bei dieser kann die ansteigende Kante oder genauer gesagt, die schrittweise Annäherung an den Sägezahn durch die Entwicklung oder das Aufbauen des Inhaltes eines Zählers dargestellt

in werden, während seine abfallende Flanke durch eine Rückstellung des Zählerinhaltes auf 0 gebildet werden kann. Es ist daher offensichtlich, daß diese Rückstellung innerhalb extrem kurzer Zeit vor sich gehen kann.

Fig.4 zeigt schematisch das Blockschaltbild einer reinen digitalen Ausführungsform der Einrichtung. Der Obergang von dem bereits erläuterten Blockschaltbild zu dieser Einrichtung ist sehr einfach. Es genügt hier anzugeben, daß die Nulldurchgänge des Basisband-Analogsignals durch Vorzeichenänderungen der codierten Abtastwerte hier repräsentiert sind. Die Vorzeichenänderungen (aus den schon erwähnten Gründen stets in der gleichen Richtung) werden zur Synchronisation eines Zählers verwendet, dessen Inhalt mit der Geschwindigkeit der Signaländerungen ausgelesen wird. Auf diese Weise erhält man auf der Ausgangsleitung des so gebildeten »Verzerrers« Binärworte, deren Werte die Lücke zwischen aufeinanderfolgenden Rückstellungen ausdrücken. Diese Worte führen zu den Rechteckimpulsen des Analogverzerrers und daher zu dem Ergebnis der Differentiation des Sägezahnsignals, wobei die Ausnahme zu berücksichtigen ist, daß diese anstelle einer variablen Breite nun variable Amplitude besitzen. Hierdurch wird unabhängig von der Zahl der vorliegenden Komponenten eine konstante Energie durch die Frequenzspektrumkomponenten aufrechterhalten.

Die Anordnung nach Fig.4a enthält einen Vorzeicheneingang, der gleichzeitig zu einem der beiden Eingänge eines Exklusiv-ODER-Tores EO und einem von beiden Eingängen des UN D-Tores UNDi zugeführt wird. Der zweite Eingang des Tores EO wird mit der gleichen Vorzeicheninformation beaufschlagt die allerdings von der Schaltung Π um die Periode 7 verzögert wird. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Tores EO liefert das zweite Eingangssignal für das UND-Tor UNDt. Der Ausgang dieses UND-Tores speist einen ersten Eingang aller UND-Tore der Gruppe UND 2 und außerdem den Eingang einer Verzögerungsschaltung Γ2, die der Verzögerungsschaltung Ti ähnlich ist. Das Ausgangssignal von T 2 steuert die Rückstellung eines Zählers CO, der mit dem Taktsignal H synchronisiert ist Die Ausgänge der verschiedenen Stufen des Zählers CO liefern jeweils Signale an die zweiten Eingänge aller UND-Tore der Gruppe UND 2.

Im folgenden wird nun die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig.4a erläutert Der aus dem Exklusiv-ODER-Tor EO, der Verzögerungsschaltung 7*1 und dem UND-Tor UNDi bestehende Abschnitt gestattet nur Signaländerungen in der gleichen Richtung auszuwerten. Die Ausgangsimpulse von UNDi werden dann von dem Zähler CO gezählt Nach einer Verzögerungszeit T, die noch die Durchführung des letzten Zählzyklus gestattet wird das gezählte Wort über die UND-Tore der Gruppe UND 2 auf die Ausgangsleitungen 5 übertragen. Wie die F i g. 4b zeigt, entspricht die zeitanaloge Darstellung des Vorganges, wie sich der Zählerstand des Zählers CO entwickelt, der

stufenförmigen ansteigenden Flanke des
und der abfallenden Flanke, die annähernd den Wert 0 θ zeigt. Je höhe; die Frequenz :^ mit der die Abtastung des ursprünglichen Basisbandsignals BB erfolgt, um so kleiner sind die Stufen und um so stärker tendiert die ansteigende Flanke, die mit der vo;dienend erwähnten Einrichtung erzeugt werden kann, einem geradlinigen Anstieg. Der Vorteil dieser Hinrichtung besieht da:n, daß θ nur von der Rückstellzeit des Zählers CO abhängt. Diese Zeit entspricht hauptsächlich der Umschaltzeit der Stufen dieses Zählers und sie ist daher sowohl von dem Inhalt des Zählers CO unabhängig als auch extrem kurz. Die Verwendung des Ausgangssignals des UND-Tores LWDl zur Steuerung der UND-Tore der Gruppe UND2 dient nur zur Übertragung des letzten Zählerstandwertes, der erreicht wurde. Daher besteht diese Operation aus der zeitlichen Ableitung des Sägezahnes (CO) in Fig.4b. Die Ausgangsleitungen S liefern also nur den End wert jedes Zahnes. Die F i g. 4b zeigt das analoge Äquivalent dieses Wertes in Form von Impulsen (UND2): Diese Impulse haben konstante Breite, eine variable Amplitude, und sie sind extrem kurz.

F i g. 5 zeigt eine Anwendung der Verzerrungseinrichtung für eine Sprachsyntheseeinrichtung. Die Information über die Kanalenergie wird, nachdem sie jeweils in Tiefpaßfiltern TPFX bis TPFn geglättet wurde, zu den Multiplizier- oder Modulationsstufen M1 bis Mn übertragen, deren zweiter Eingang jeweils das Signal der gleichen Basisbandfunktion empfängt, das von dem Verzerrer VERZ, der den zuvor erläuterten Aufbau besitzt, geliefert wird. Das Ausgangssignal jeder Modulationsstufe MX bis Mn wird dann in seinem jeweiligen Kanal zu dem zu diesem Kanal gehörenden Bandfilter BPFX bis BPFn übertragen. Die Ausgänge dieser Bandpaßfilter werden in einer Addierschaltung Σ addiert und eventuell in analoge Form umgewandelt, so daß das Ausgangssignal dieser Addierschaltung Σ das zusammengesetzte Sprachsignal darstellt. Es ist offensichtlich, daß die übrigen Stufen, ebenso wie die Stufe VERZ, für analogen oder digitalen Betrieb ausgelegt sein kann. Besonders erwähnenswert an dieser Syntheseeinrichtung ist, daß der Anregungsfunktionskanal außergewöhnlich vereinfacht ist: Er enthält nämlich keinerlei Vormodulationseinrichtungen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

! Patentansprüche:

1. Elektrischer nichtlinearer Verzerrer, der ein vollständiges Spektrum von Harmonischen der Frequenz liefert, die in einem Basisbandsignal der Sprache enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (Z; F i g. 2) zur Erzeugung von Information bezüglich der Nulldurchgänge einer Richtung des Basisbandsignals (BB) und daß eine Einrichtung (G, D), die ein Signal erzeugt dessen zeitanaloge Darstellung kürzestmöglichen Rechteckimpulsen entspricht, die mit der Nulldurchgangsinformation synchronisiert sind und dessen Breite dem Zeitintervall zwischen benachbarten Nulldurchgängen einer Richtung proportional ist, vorhanden sind.

2. Nichtlinearer Verzerrer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Abwandlung, daß anstelle der Signalbreite seine Amplitude dem Zeitintervall zwischen benachbarten Nulldurchgängen einer Richtung proportional ist

3. Nichtlinearer Verzerrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (Z; Fig.2) zur Erzeugung der Information bezüglich der Nulldurchgänge einer Richtung aus einer Vorrichtung zur Begrenzung des Basisbandsignals (BB) und zur Differentiation des spitzenbegrenzten Signals bezüglich der Zeit zur Erzeugung von Impulsen mit nur einer Polarität besteht.

4. Nichtlinearer Verzerrer nach Anspruch 1 oder jo 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der Rechteckimpulse eine Einrichtung (G; Fig.2) eines Signals, dessen zeitanaloge Darstellung der Sägezahnform entspricht und mit der Nulldurchgangsinformation synchronisiert ist und daß eine J5 Einrichtung (D) zur Differentiation des Sägezahnsignals bezüglich der Zeit vorhanden sind.

5. Nichtlinearer Verzerrer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des sägezahnförmigen Signals in anatoger Technik die ansteigende und abfallende Flanke eines Sägezahnimpulses erzeugt, indem eine Konstantstromquelle durch von der Nulldurchgangsinformation gesteuerte Umschaltung einen Kondensator auf-und entlädt.

6. Nichtlinearer Verzerrer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die ein Signal erzeugt, dessen Analogdarstellung einem Sägezahn entspricht, aus einem Zähler (CO; F i g. 4a) besteht, dessen Zählimpulse von der Information geliefert werden, die die Vorzeichenänderungen gleicher Richtung des Basisbandsignals (BB) angibt.

7. Nichtlinearer Verzerrer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Differentiation des sägezahnförmigen Signals aus einer Torschaltung (UND 2; F i g. 4a) besteht, die die in dem Zähler (CO) enthaltene Information nur beim Auftreten einer Vorzeichenänderung gleicher Richtung des Basisbandsignals (BB) auf eine Ausgangsleitung (S^ abgibt. ^M)

8. Verwendung des nichtlinearen Verzerrers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Basisband-Sprachsyntheseeinrichtung der Art, daß er in den Basisbandkanal eingeschaltet ist und seine Ausgänge parallel und direkt alle Modulatoren (AfI bis Mn; t>5 F i g. 5) der Spektrumkanäle (Kanal 1 bis n) steuert.

Die Erfindung betrifft einen elektrischen nichtlinearen Verzerrer, der ein vollständiges Spektrum von Harmonischen der Frequenzen liefert, die :n einem Basisbandsignal der Sprache enthalten sind.

Sprachkanal-Syntheseeinrichtungen setzen die Sprache aus Energie- und Spektruminformation wieder zusammen, die in verschiedenen Kanälen verteilt ist Die für den Aufbau solcher Einrichtungen angewandten Prinzipien wurden 1939 von Dudley beschrieben, und sie waren seitdem Gegenstand vieler Veröffentlichungen, so daß es nun nicht mehr erforderlich ist, diese erneut zu beschreiben. Es sei jedoch in Erinnerung gerufen, daß diese Syntheseeinrichtungen in zwei Kategorien eingeteilt werden können, wobei es bei der einen erforderlich ist, daß die Sprachgrundfrequenz bekannt ist und bei der anderen dieses Erfordernis nicht besteht Sprachsyntheseeinrichtungen nach der ersten Kategorie besitzen den Nachteil, daß Ungenauigkeiten bei der Messung der Sprachgrundfrequenzen die Qualität der wiedererzeugten Sprache beeinflussen. Während die Kosten derartiger Sprachsyntheseeinrichtungen noch attraktiv sind, besitzt jedoch das Klangbild einen »Maschinenakzent«. Die zweite Kategorie von Sprachsyntheseeinrichtungen benötigt keinerlei absolute Frequenzmessungen. Sie verwenden ein Signal, das als »Basisband«-Signal bezeichnet wird und die Grundfrequenz und/oder deren erste Harmonische enthält, wobei sie die übrigen Harmonischen dann ableiten. Das Phänomen dieser Verwendung beruht auf der nichtlinearen Verzerrung des Basisbandes.

Die ersten Verzerrer hatten einen sehr einfachen Aufbau, so daß sie weder ein vollkommen flaches Spektrum noch alle Harmonische des Basisbandspektrums erzeugen konnten. Sie führten mit anderen Worten zu unnötigen Verzerrungen des Klangbildes der synthetisierten Sprache wegen der variablen Hüllkurve des erzeugten Spektrums und der sich in dem Spektrum befindlichen Lücken. Diese Nachteile sind von relativ geringer Bedeutung, wenn das gesamte Spektrum von etwa 10 kHz erzeugt wird, indem ein 3000 Hz Basisband verwendet wird, welches die Lücken im Spektrum verringert. Eine solche Vorrichtung ist jedoch wenig rentabel. In der Tat erfordert die Übertragung eines 3000 Hz breiten Bandes zuviel Information, eine Tatsache, die für viele digitale Anwendungen zu nachteilig ist.

Die Lösung dieses Problems, wie es der bekannte Stand der Technik empfiehlt, führt zu einer unannehmbaren Komplizierung der Syntheseeinrichtung. So wird das Basisband in einigen Fällen in mehrere Kanäle aufgeteilt, in denen das Basisband separat behandelt wird. Der Hauptnachteil dieser Vorrichtung besteht in der Tatsache, daß er mit »Prämodulation« bezeichnete Stufen benötigt, die eine Anordnung von mehreren Bandpaßfiltern bilden, denen Spitzenbegrenzungsstufen folgen, die neben den Kosten zu einem beträchtlichen Gewichtsanstieg des Systems führt, und ferner seine digitale Ausführungsform komplizierter macht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Die Erfindung ist im Hauptanspruch gekennzeichnet.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die Erfindung wird also der Vorteil erzielt, daß ein nichtlinearer Verzerrer angegeben werden kann, der bezüglich seiner Ausführung und Arbeitsweise in Digitaltechnik unkompliziert und wirtschaftlich ist, weil er von einem relativ schmalen Basisband (einige 100 Hz)