DE2433741A1

DE2433741A1 - Vocodersystem

Info

Publication number: DE2433741A1
Application number: DE2433741A
Authority: DE
Inventors: Michel Cartier; Guy Albert Jules David; Gilbert Marie Marcel Ferrieu; Pierre Lorand
Original assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT; Etat Francais
Current assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT; Etat Francais
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1975-02-27
Also published as: JPS5334962B2; JPS5055202A; AU7142574A; FR2238412A5; SE388956B; GB1456103A; SE7409305L; US3952164A

Description

FPHN 7200 BROM/WIJN/RJ 26.6.74 Dr. Herbert Sehols

Patentanwalt

Anmelder: T.R.T. und ETAT FRANCAIS
Akte No.; PHN- 72Q0

Anmeldung vom 1 12. Juli 1974

"Vocodersystera".

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vocodersystem zum übertragen eines Sprachsignals von einem
Sender zu einem Empfänger, wobei der Sender Mittel
zum Herleiten eines Basisbandsignals, das für Anteile in einem unteren Sprachfrequenzbereich rrppEäsentativ ist, aus diesem Sprachsignal, weiter einen Spektralanalysator zum Herleiten von schmalbandigen Steuersignalen, die für die Energieverteilung der jeweiligen Anteile in einem oberen Sprrachfrequenz repräsentativ sind, aus diesem Sprachsignal und Mittel zum Übertragen des Basisbandsignals und der Steuersignale zum

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Empfänger enthält, wobei der Empfänger einen Spektralsynthetisator enthält, der durch die Steuersignale zum selektiven Gebrauch eines Sprachan.regungssignals , das von dem Basisbandsignal hergeleitet ist, gesteuert wird zum Erzeugen von künstlichen Signalen, die für die jeweiligen Anteile.in dem oberen Sprachfrequenzbereich repräsentativ sind, und Mittel zum Kombinieren der künstlichen Signale mit dem Basisbandsignal· zum Erhalten einer Rekonstruktion des Spx^achsignals t

Das Vocodersystem wird insbesondere für die analoge oder digitale Übertragung des Sprachsignals in einem schmalen Frequenzband oder mit einem niedrigen Bit—Geschwindigkeit angewandt. Eine Beschreibung der vielen bekannten Techniken, die zur Konstruktion von Vocodern angewandt werden, lässt sich in einem Artikel von M,R. Schroeder mit dem Titel "Vocoders: Analysis and Synthesis of Speech" in "Proceedings of the I.E.E.E," Heft $k, Nr. 5, Mai 1?66, Seiten 720 finden.

In einem konventionellen Kanalvocoder arbeitet der Spektralanalysator im Gesamtfrequenzband des Sprachsignals (beispielsweise 200-3^00 Hz) zum Erhalten von Signalen entsprechend den Energien der Sprachsignalanteile in verhältnismässig schmalen benachbarten Frequenzbändern (i00 Hz bis hOO Hz), während eine Anordnung, die als "Grundanalysator" bezeichnet wird,

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detektierty ob ein bestimmter Ton stimmhaft oder stimmlos ist und Information erteilt über die Grundfrequenz des Sprachsignals. Im Spektralsynthetisator wird das Sprachsignal mit Hilfe der Signale, die vom Spektralanalysator herrühren, und eines Anregungssignals, das von dem Signal hergeleitet wird, das vom Grundanalysator herrührt, rekonstruiert. Die Übertragung der Signale vom' Analysator zum Synthetisator erfolgt mit
Hilfe von bekannten analogen oder digitalen Verfahren. Zum Erhalten einer ausreichenden Reproduktionsqualität in einem derartigen Vocoder liegt eine der Schwierigkeiten im Grundfrequenzdetektor und in der Anordnung, die das Anregungssignal formt.

In einem "Semi-Vocoder"-System, das nachstehend beschrieben wird und das die Erfindung verbessern will, wird ein verhältnismässig grosser unterer Frequenzbereich des Sprachsignals (ein Basisband von 200 bis 1050 Hz) unmittelbar zum Synthetisator übertragen, während der obere Frequenzbereich (1050 bis 3^00 Hz) mit Hilfe eines Spektralanalysators entsprechend den in konventionellen Kanalvocodern angewandten Verfahren übertragen wird. Im synthetisierenden Teil enthält der Semivocoder einen
Spektralsynthetisator, der nur zum Rekonstruieren des oberen Frequenzbereiches des Sprachsignals benutzt
wird, aber im Semivocoder wird das Anregungssignal

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vom Sprachsignal ±m Basisband !hergeleitet. In bezug auf* den konventionellen Kanal vocoder wird die Schwierigkeit des Grundfrequenzdetektors" im Semivocoder überwunden, aber die Schwierigkeit der Formung des Anregungssignals bleibt. In den bekannten Semivocodern (siehe den obengenannten Artikel von Schroeder auf Seite 730, Fig. 13 und ebenfalls U.S. Patentschrift Nr. 3.0-}0.h50) wird das Anregungssignal von einer Anordnung erzeugt, die als "Spektrurnabflacher" bezeichnet wird, der· das Spektrum des Basisbandsignals ausschmiert zum Bedecken des oberen Frequenzbereiches des Sprachsignals und der die auf diese Sieise gebildeten Anteile ausgleicht und zwar zum Erhalten eines Anregungssignals mit einem flachen Spektrum. Eine derartige Anordnung ist verhältnismässig verwickelt und teuer in der Ausbildung,

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, sehr einfache Mittel zu schaffen zum Erhalten des Anregungssignals in einem Vocodersystem der eingangs erwähnten

Das erfindungsgemässe Vocodersystem weist dazu das Kennzeichen auf, dass das System einen Deltamodulator zum Herleiten eines Sprachanregungssignals aus dem Basisbandsignal enthält.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für ein Vocbder sy stern, in dem die Signale im Digital-

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verfahren übertragen werden. In diesem Fall enthält der Sender einen Deltamodulator zum Erzeugen eines Digitalsignals, das für das Basisbandsignal repräsentativ ist und Mittel zum Übertragen dieses Digitalsignals zum Empfänger, während der Empfänger einen Deltamodulator für dieses übertragene Digitalsignal enthält zum Erhalten einer Rekonstruktion des Basisbandsignals und Mittel um dieses übertragene Digitalsignal als Sprachanregungssignal dem Spektralsynthetisator unmittelbar zuzuführen. Durch Anwendung von Deltamodulation für die digitale Übertragung des Basisbandsignals wird der Generator für das Anregungssignal, der in Semivocodern der bekannten Art verwendet wird, völlig ausgespart.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Ausführungsform eines Semivocoders der bekannten Art,

Fig. 2 die Ausführungsform des Semivocoders nach der Erfindung.

Der Semivocoder der bekannten Art nach Fig. 1 und der Semivocoder nach der Erfindung aus Fig. 2 enthalten eine Anzahl entsprechender Elemente, die nachstehend beschrieben werden. In beiden Fällen ist es vorausgesetzt, dass die Übertragung der Signale im Digitalverfahren erfolgt. In einem analysie-

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renden Teil 1 zur linken Seite in diesen Figuren wird das Sprachsignal einem Eingang 2 zugeführt. Veiter- wird vorausgesetzt, dass das Frequenzband dieses Sprachsignals das Fernsprechband von 200 bis 3^00 Hz ist. Das Sprachsignal wird einem Bandpassfilter 3 zugeführt, das die Frequenzen in einem,unteren Frequenzbereich, der als Basisband bezeichnet wird und sich beispielsweise von 200 bis 1050 Hz erstreckt, hindurchlässt. Das Sprachsignal· wird ebenfalls in einem Spektralanalysator h einer Anzahl N Bandpassfilter· 5 bia 5 mit

1 N

benachbarten Durchlassbändern mit einer Bandbreite zwischen 100 und 40O Hz, die zusammen der oberen Fx^equenzbereich ( 1050 bis 3^-00 Hz) des Sprachsignals decken, zugeführt. Eine Anzahl N Detektoren 6 bis 6 , die mit den Ausgängen dieser Filter 5 bis 5 verbunden sind, schaffen Steuersignale, die für die Energie des Sprachsignals in den durch diese Filter gebildeten N Kanälen repräsentativ sind. Entsprechend dor Art des Sprachsignals ändern sich diese Steuersignale langsam und werden N Tiefpassfiltern 7 bis 7tlt zugeführt mit einer geringen Bandbreite in der Grossen— Ordnung von 20 Hz. Die Anzahl N Steuersignale an den Ausgängen dieser Tiefpassfilter 7₁ bis 7 "stellen die Umhüllende des Spektrums des Sprachsignals im oberen Frequenzbereich da.

Für eine digitale Übertragung der vom ana-

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lysierenden Teil 1 erhaltenen Signale des Semivocoders zum synthetisierenden Teil 13 werden die von dem Spektralanalysator h erzeugten N Steuersignale abgetastet und in N Analog-Digitalwandlern 8 bis 8 kodiert und das vom Bandpassfilter 3 erzeigte Basisbandsignal wird in einem Analog-Digitalwandler 9 abgetastet und kodiert .

Die Ν+Ί digitalen Ausgangssignale von diesen Yandlern 8 -8_M»9 werden in einer Zeitmultiplexanordnung 10 zusammengefasst um über einen Übertragungskanal 11 zum synthetisierenden Teil 13 des Semivocoders übertragen zu werden. Ein Takt impul sgenerator 12 erzeugt die Grundfrequenzen, die für die Wandler und den Multiplexer notwendig sind.

Die N+1 digitalen Signale, die dem Multiplexer 10 zugeführt werden, werden an den N+1 Ausgängen eines Zeitdemultiplexers 14, der mit dem Ausgang des Ubertragungskanals 11 verbunden ist, wiedergewonnen. Eine Anzahl N-Digital-Analogwandler 15.. bis 15,_T ist mit N Ausgängen des Demultiplexers 14 verbunden, welche Wandler die N Steuersignale, die vom Ausgang des Spektralanalysators h erhalten wurden, wiederherstellen. Ein Digital-Analogwandier 16 ist mit dem anderen Ausgang des Demultiplexers 14 verbunden, welcher Wandler das Basisbandsignal, das am Ausgang des Filters 3 erhalten wurde, wiederherstellt. Ein

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Taktimpulsgenerator 17 ₉ der durch bekannte Mittel mit dem Taktimpulsgenerator 12 des analysierenden Teils synchronisiert ist, erzeugt die Gnindfrequenzen, die für die Wandler und den Demultiplexer notwendig sind₀ Die N analogen Signale entsprechend den Steuersignalen, die vom Spektralanalysator 4 erzeugt werden, werden einem Spektralsynthetisator 18 für den Oberen Frequenzbereich des Sprachsignals zugeführt. Dieser Synthetisator 18 enthält N Amplitudenmodulatoren 19 bis 19 und die genannten N Steuersignale werden

ihrem Steuereingang zugeführt. Der andere Eingang dieser Modulatoren ist mit einem Anschlusspunkt 21 verbunden_f dem ein Sprachanregungssignal zugeführt wird, das vom Basisbandsignal hergeleitet werden muss und das ein flaches Spektrum im oberen Frequenzbereich des Sprachsignale hat. Dieses Sprachanregungssignal wird verschiedenartig, wie nachstehend für den bekannten Semivocoder nach Fig. 1 und für den Semivocoder nach der Erfindung entsprechend Fig. 2 beschrieben ist, erhalten. Der Ausgang der Modulatoren 1°

bis 19 ist mit den Bandpassfiltern 20_Λ bis 20„ N . 1 ■ N

verbunden, Aireiche Filter dieselben Ubertragungskennlinien haben wie die Filter 5- t>is 5_W des analysierenden Teils 1. Wenn vorausgesetzt wird, dass das Sprachanregungssignal die Eigenschaften hat w±e oben stehend definiert, so zeigen die Fig. 1 und 2,

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dass die Spektralanteile mit gleicher Amplitude dieses Sprachanregungssignals in den Modulatoren 19₁ bis I9 durch die N Steuersignale am Eingang des Synthetisa— tors 18, die die Umhüllende des Spektrums des oberen Frequenzbereiches des Sprachsignals darstellen, Amplituden moduliert und danach in N benachbarten Bändern durch die Bandpassfilter 20 bis 20 getrennt werden. Die Ausgangssignale der Filter 20 bis 20 werden einem Summenverstärker 22 zugeführt, der das Sprachsignal im oberen Frequenzbereich liefert. Das letztere Signal und das vom Digital-Analogwandler 16 gelieferte Basisbandsignal werden einem Summenverstärker 23 zugeführt, der das rekonstruierte Sprachsignal im gewünschten vollständigen Frequenzband am Ausgang 2.h des Semi vocoders liefert.

Statt der Verbindung der Bandpassfilter 20 bis 20 mit dem Ausgang der Modulatoren 19 bis I9 ist es ebenfalls möglich, diese Filter mit dem Eingang der Modulatoren zu verbinden und das Sprach-. anregungssignal wird dann durch diese Filter in N benachbarten Bändern vor der Modulation geteilt. Die dann dem Summenverstärker 22 zugeführten Signale sind dieselben wie die obengenannten.

Bei den bekannten Semivocodern wird das Sprachanregungssignal, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen Anregungssignalgenerator 25 gebildet,

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dessen .Eingang das Basisbandsprachsignal in analoger Form erhält, das vom Ausgang des Vandlers 16 erhalten" wird. Dieser Anregungsgenerator 25 hat zwei Funktionen: zum ersten wird das Spektrum des Basisbandsignals, das sich im Beispiel von 200 bis 1050 Hz erstreckt, durch nicht-lineare Verzerrung ausgebreitet um den oberen Frequenzbereich von 1050 bis 34OO Hz zu decken; zum andern werden die Frequenzanteile, die durch nichtlineare Verzerrung erzeugt werden, zur Bildung eines Anregungssignals mit einem flachen Spektrum ausgeglichen. Der obengenannte Artikel von Schroeder und die U.S. Patentschrift Nr. 3.030.450 zeigen verschiedene Methoden zur Verwirklichung dieses Generators, welche Methoden verhältnismässig verwickelt sind.

In dem in Fig. 2 dargasteilten erfindungsgemässen Semivocoder wird das Sprachanregungssignal ohne Verwendung eines spezillen Anregungsgenerators erhalten. Dazu wird der Analog—Digitalwandler 9 i^m Ubertragungskanäl für das Basisbandsignal als Deltamodulator ausgebildet und der zugehörende~ Digital-Analogwandler 16 wird als Deltademodulator ausgebildet. Das deltaniodulierte Basisbandsignal, das am .synthetisierenden Teil 13 erhalten wird, wird nun dem Anschlusspunkt 21 zugeführt,'und zwar zur unmittelbaren Verwendung als Sprachanregungssignal im Spektralsynthetisator 18. Das deltamodulierte Basis-

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bandsignal hat tatsächlich ein flaches Spektruni, das den oberen Frequenzbereich des Sprachsignalbandes weitgehend bedeckt, welches Spektrum folglich dem entspricht, das für das Sprachanregungssignal erforderlich ist. Auf diese Weise wird das Sprachanregungssignal "umsonst" dadurch erhalten, dass der Basisbandsignalübertragung eine digitale Übertragung mit Hilfe von Deltamodulation auferlegt wird.

Die digitale Übertragung der N Steuersignale am Ausgang des Spektralanalysators 4 kann durch Verwendung von PCM oder Deltamodulation erfolgen. Wenn beispielsweise der Spektralanalysator 4 sieben Kanäle enthält und wenn zur Übertragung von Signalen in diesem Kanälen PCM-Modulation mit einer Abtastfrequenz von 50 Hz und 4 Bit pro Abtastwert »angewandt wird, erfordert die Übertragung der Steuersignale entsprechend dem oberen Frequenzbereich des Sprachsignals eine Bit-Geschwindigkeit von 50 χ 7 x ^ 14OO Bit/s. Wenn eine Abtastfrequenz von 8 kHz im Deltamodulator 9 angewandt wird, erfordert die Basisbandsignalübertragung eine Bit-Geschwindigkeit von 8OOO Bit/s. Unter Berücksichtigung einer Bit-Geschwindigkeit von 200 Bit/s in einem (nicht dargestellten) Hilfskanal zur Übertragung eines Rahmenkodes zur Ermöglichung von Multiplexsynchronisation, wird das vollständige Sprachsignal mit einer Gesamt-

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Bit-Geschwindigkeit von 96OO Bit/s übertragen.

Der vorteilhafteste Fall zum Gebrauch eines Semivocoders ist der, wobei die Übertragung vom analysierenden Teil zum synthetisierenden Teil auf digitale Weise erfolgt. Es ist ebenfalls möglich, unmittelbar ohne digitale Kodierung alle analogen ^Signale vom analysierenden Teil unter Anwendung von Frequenzmultiplextechniken zu übertragen. Der synthetisierende Teil des Semivocoders nach der Erfindung enthält dann einen Deltamodulator, dessen Eingang das übertragene Basisbandsignal zugeführt wird und dessen Ausgangssignal unmittelbar als Spraclianregungssignal dem Spektralsynthetisator zugeführt wird.

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Claims

FPHN 7200 26.6.74 PATENTANSPRUCHE:

1.1 Vocoder sys term zum Übertragen eines Sprachsignals von einem Sender zu einem Empfänger, wobei der Sender Mittel zum Herleiten eines Basisbandsignals, das für Anteile in einem unteren Sprachfrequenzbereich repräsentativ ist, aus dem genannten Sprachsignal, weiter einen Spektralanalysator zum Herleiten von schmalbandigen Steuersignalen, die für die Energieverteilung der jeweiligen Anteile im höheren Sprachfrequenzbereich repräsentativ sind, aus dem genannten Sprachsignal und Mittel zum Übertragen des Basisbandsignals und der Steuersignale zum Empfänger enthält, wobei der Empfänger einen Spektralsynthetisator enthält, der durch die Steuersignale zum selektiven Gebrauch eines Sprachanregungssignals, das von dem Basisbandsignal hergeleitet ist, gesteuert wird»zum Erzeugen von künstlichen Signalen, die für die jeweiligen Anteile in dem oberen Sprachfrequenzbereich repräsentativ sind, und Mittel zum Kombinieren der künstlichen Signale mit dem Bäsisbandsignal zum Erhalten einer Rekonstruktion des Sprachsignals, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Deltamodulator zum Herleiten eines Sprachanregungssignals aus dem Basisbandsignal enthält.

2. Vocodersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender einen Deltamodulator enthält zum Erzeugen eines Digital signals, das für

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das Basisbandsignal repräsentativ ist, und Mittel zum Übertragen dieses digitalen Digitalsignals zum Empfänger, wobei der Empfänger einen Del tademodulatoi"' für dieses übertragene Digitalsignal enthält zur Erhaltung einer Rekonstruktion des Basisbandsignals und Mittel zur unmittelbaren Zuführung des übertragenen Digitalsignals als Sprachanregungssignal zum Spektralsynthetisator.

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