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Semi-Formantvocoder
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Semi-Formantvocoder, bei dem
sendeseitig aus dem zu übertragenden Sprachsignal oberhalb eines Basisbandes in
einem Analysator wenigstens der zweite und der dritte Formant nach Frequenzlage
und Amplitude ermittelt und Informationen über diese ermittelten Werte zusammen
mit dem Basisband in codierter Form übertragen sind, bei dem ferner empfangsseitig
die decodierten Informationen eine Syntheseeinrichtung zur Wiedergewinnung des Sprachsignals
steuern und bei dem in der Syntheseeinrichtung die Formantsynthese durch eine Frequenzumsetzung
des Basisbandes in die Frequenzlage des jeweiligen Formanten vorgenommen wird.
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Ein solcher Semi-Formantvocoder ist in der Literaturstelle James L.
Flanagan, "Speech Analysis Synthesis and Perception", 2. Auflage, Springer-Verlag
Berlin-Heidelberg-New York 1972, Seiten 339 bis 348, insbesondere Seite 348, 2.
Absatz von oben, beschrieben.
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Die hier angewandte empfangsseitige Formantsynthese durch Umsetzung
des Basisbandes in die Frequenzlage des jeweiligen Formanten ermöglicht einen relativ
einfachen Aufbau - Fortfall des Puls- und des Rauschgenerators - der Syntheseeinrichtung.
Das einem solchen Semi-Formantvocoder zugrunde.liegende Verfahren birgt den Nachteil
in sich, daß die Erzeugung der beiden synthetischen Teilbänder im Bereich des zweiten
und des dritten Formanten ohne Rücksicht auf die jeweiligen Eigenschaften des Basisbandes
erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Semi-Formantvocoder
der geschilderten Art eine weitere Lösung anzugeben, die bei Vermeidung des genannten
Nachteils eine erheblich verbesserte Qualität des zurückgewonnenen Sprachsignals
zuläßt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in der
Syntheseeinrichtung die für die Frequenzumsetzung erforderlichen Modulationsfrequenzen
jeweils durch die Differenzfrequenz des betreffenden Formanten und der Formantfrequenz
des ersten Formanten bestimmt ist und daß bei der Formantsynthese die Amplitudenwerte
der Formanten auf den mittleren Amplitudenwert des Basisbandes bezogen sind.
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Wie einschlägige, der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen ergeben
haben, kann das Basisband den ersten Formanten zufällig an seiner unteren oder seiner
oberen Frequenzbandgrenze enthalten. Bei einer Umsetzung des Basisbandes in die
Frequenzlage des zweiten oder dritten Formanten entstehen dann die synthetischen
Formanten mit einer sehr großen Frequenzablage, die weit über das hinausgeht, was
dem menschlichen Ohr zuzumuten wäre. Auch kann das Basisband zufällig gerade viel
Energie enthalten oder sehr wenig. Die alleinige Bewertung des syn-
therischen
Formanten aufgrund der gemessenen Amplituden des zweiten bzw. dritten Formanten
kann dann zu erheblichen Artikulationsstörungen führen. Beispielsweise enthalten
Vokale einen ersten Formanten mit hoher und einen dritten Formanten mit kleiner
Amplitude, aber manche Konsonanten einen ersten Formanten kleiner und dafür einen
dritten Formanten mit hoher Amplitude.
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Durch die erfindungsgemäße empfangsseitige Gewinnung der synthetischen
Teilbänder des zweiten und dritten Formanten wird erreicht, daß der erste Formant
im Basisband bei der Frequenzumsetzung stets in die Frequenzlage des betreffenden
Formanten kommt und auch die Dynamik dieser synthetischen Teilbänder durch den Bezug
der Amplitudenwerte der betreffenden Formanten auf den mittleren Amplitudenwert
des Basisbandes zu keinen Artikulationsstörungen führen kann.
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Zweckmäßig weist die empfangsseitige Syntheseeinrichtung für jeden
übertragenen Formanten zwei Multiplizierer für die Frequenzumsetzung des Basisbandes
in die Frequenzlage des betreffenden Formanten und die Multiplikation des Basisbandes
bzw. des bereits umgesetzten Basisbandes mit dem auf den mittleren Amplitudenwert
des Basisbandes bezogenen Amplitudenwert des betreffenden Formanten auf. Hierbei
ist der für die jeweils ge Frequenzumsetzung erforderliche Oszillator auf die Differenzfrequenz
aus der Frequenz des betreffenden Formanten und des ersten Formanten synchronisiert.
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Bei einer ersten bevorzugten Aus führungs form ist empfangsseitig
in der Syntheseeinrichtung jedem übertragenen Formanten ein Verhältnisbildner zugeordnet,
dessen ersten Eingang der aus dem empfangenen Basisband mittels eines Amplitudendetektors
abgeleitete mittlerer Amplitudenwert zugeführt ist und an dessen zweiten Eingang
jeweils der Amplitudenwert des zugehörigen Formanten ansteht.
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Bei einer bevorzugten zweiten Ausführungsform ist auf der Sendeseite
im Analysator jedem zu übertragenden Formanten ein Verhältnisbildner zugeordnet,
dessen ersten Eingang der aus dem zu übertragenden Basisband mittels eines Amplitudendetektors
abgeleitete mittlere Amplitudenwert zugeführt ist und an dessen zweiten Eingang
jeweils der Amplitudenwert des zugehörigen Formanten ansteht. Die so gewonnenen,
auf den mittleren Amplitudenwert des Basisbandes bezogenen Amplitudenwerte der Formanten
werden anschließend in codierter Form zur Empfangsseite übertragen. Die über die
Verhältnisbildung auf der Sendeseite reduzierte Dynamit der zu übertragenden Werte
ermöglicht eine Reduzierung der zu übertragenden Bitrate.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, empfangsseitig in der Syntheseeinrichtung
jedem übertragenen Formanten einen Frequenzdifferenzbildner zuzuordnen, dessen ersten
Eingang die aus dem übertragenen Basisband mittels eines Frequenzdetektors abgeleitete
Frequenz des ersten Formanten und dessen zweiten Eingang die Frequenz des jeweils
übertragenen Formanten zugeführt ist.
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Um auf ein spezielles Einseitenbandfilter verzichten zu können, ist
es insbesondere bei einer Realisierung in voll digitaler Technik vorteilhaft, empfangsseitig
den jeweils der Frequenzumsetzung dienenden Multiplizierer als Mischeranordnung
mit zwei Mischern zu gestalten, von denen den beiden Eingängen des einen Mischers
jeweils ein 90°-Phasendrehglied unterschiedlicher Drehrichtung vorgeschaltet ist.
Dabei sind den Eingängen der beiden Mischer die Schwingung des Oszillators und das
Basisband gemeinsam zugeführt. Ferner sind die Ausgänge der beiden Mischer zu einem
Summenausgang zusammengeschaltet.
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Mitunter ist es sinnvoll, empfangsseitig im Signalweg jedes der übertragenen
Formanten hinter den beiden Multiplizierern einen in seiner Mittenfrequenz steuerbaren
Resonator anzuordnen, dessen Steuereingang die Frequenz des jeweiligen Formanten
zugeführt ist. Mit einem solchen Formantfilter lassen ich die synthetischen Teilbänder
im Sinne eines formgetreuen Formanten weiterformen. Außerdem wird durch ein solches
Formantfilter zwangsläufig das bei der Frequenzumsetzung des Basisbandes entstehende
unerwünschte Seitenband ausgefiltert.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 die Sende-und Empfangsseite eines Semi-Formantvocoders nach der Erfindung
Fig. 2 eine Variante der Empfangs seite eines Semi-Formantvocoders nach Fig. 1 Fig.
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sende- und Empfangsseite eines Semi -Formantvocoders
nach der Erfindung Fig. 4 eine spezielle Ausführungsform des empfangsseitig für
die Umsetzung des Basisbandes vorgesehenen Multiplizierers nach den Fig. 1 bis 3.
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Auf der Sendeseite S des Semi-Formantvocoders nach Fig. 1 wird das
Signal Sig dem Tiefpaß TP sowie den eingangsseitigen Bandpaßfiltern BP der Analysatoren
AF2, AF3 für den zweiten und den dritten Formanten zugeführt. Das vom Tiefpaß TP
ausgesiebte Basisband BS sowie die in den Analysatoren AF2, AF3 ermittelten Formanten
nach Frequenzlage F2, F3 und Amplitudenwert A2, A3 werden der Codiereinrichtung
CE zugeführt. Zur Ermittlung des zweiten Formanten nach Frequenzlage und nach Amplitudenwert
sind dem Bandpaß BP im Analy-
sator AF2 zwei Detektoren nachgeschaltet,
von dem der Frequenzdetektor D/F2 die Formantfrequenz F2 ermittelt und der Amplitudendetektor
D/A2 den Amplitudenwert A2.
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Der Analysator AF3, der in Fig. 1 nur angedeutet ist, hat einen zum
Analysator AF2 entsprechenden Aufbau. Die Codesignale auf der Ausgangsseite der
Codiereinrichtung CE werden im sendeseitigen Multiplexer MnX zu einem Zeitmultiplexsignal
zusammengefügt und über die Leitung L zur Empfangsseite übertragen.
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Auf der Empfangsseite E wird der ankommende Pulsrahmen im Demultiplexer
DEMUX in die ursprünglichen Signale wieder aufgeteilt und diese dann der Decodiereinrichtung
DE zugeführt. Daran schließen sich die Syntheseeinrichtungen SF2 und SF3 für den
zweiten und den dritten Formanten an, die wiederum einen gleichen Aufbau haben,
so daß darauf verzichtet werden konnte, die Syntheseeinrichtung SF3 auch für den
dritten Formanten besonders darzustellen. Die Ausgangssignale der Syntheseeinrichtungen
SF2 und SF3 werden zusammen mit dem decodierten Basisband BS zu einem Summensignal
am Ausgang a vereinigt, das das wieder hergestellte Sprachsignal darstellt. Die
Syntheseeinrichtung SF2 für den zweiten Formanten weist zwei Multiplizierer Mlii,
MU2 auf, von denen der Multiplizierer MU2 der Frequenzumsetzung des Basisbandes
und der Multiplizierer MU1 der Multiplikation des umgesetzten Basisbandes mit dem
auf den mittleren Amplitudenwert Al des Basisbandes bezogenen trbertragenen Amplitudenwert
A2 des zweiten Formanten dienen.
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Die Umsetzfrequenz erzeugt der steuerbare Oszillator VCO, dessen Steuereingang
die Frequenzdifferenz F2-F1 des zweiten Formanten und des ersten Formanten zur Synchronisation
zugeführt ist. Diese Steuerfrequenz erzeugt der Frequenzdifferenzbildner FD, dessen
Plus-
Eingang der Frequenzwert F2 des übertragenen zweiten Formanten
und dessen Minus-Eingang der Frequenzwert Fi des ersten Formanten zugeführt wird.
Der erste Formant wird dabei mittels des Frequenzdetektors D/Fi aus dem empfangenen
decodierten Basisband BS abgeleitet. Das Ausgangssignal des Multiplizierers MU2,
das das um die Frequenzdifferenz des zweiten und des ersten Formanten versetzte
Basisband darstellt, wird dem einen Eingang des Multiplizierers Mlii zugeführt,
an dessen anderen Eingang der auf den mittleren Amplitudenwert Al des Basisbandes
bezogene Amplitudenwert A2 des zweiten Formanten ansteht.4 Dieser Bezug wird mittels
des diesem Eingang des Multiplizierers MU1 vorgeschalteten Verhältnisbildners V
herbeigeführt, dessen einen Eingang der übertragene Amplitudenwert A2 des zweiten
Formanten zugeführt ist und an dessen anderen Eingang der mittlere Amplitudenwert
Al des Basisbandes ansteht.
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Dieser Wert wird aus dem empfangsseitigen decodierten Basisband BS
mittels des Amplitudendetektors D/A1 abgeleitet.
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Dem Ausgang des Multiplizierers Mlii ist der Bandpaß BP' nachgeschaltet,
der das synthetische Teilband von unerwünschten Frequenzteilen befreit und gegebenenfalls
hinsichtlich seiner Bandmittenfrequenz steuerbar ausgeführt sein kann, um auf diese
Weise eine zusätzliche Formung des synthetischen Teilbandes nach Maßgabe des zweiten
Formanten durchzuführen. Dabei wird dem Bandpaß BP' an einen in diesem Fall vorgesehenen
Steuereingang die übertragene Frequenz des zweiten Formanten zugeführt. Die Zuführung
ist in Fig. 1 wie auch in den weiteren Figuren 2 und 3 in strichpunktierter Linie
ausgeführt.
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Bei der in Fig. 2 angegebenen Variante der Empfangsseite E unterscheiden
sich die Syntheseeinrichtungen
SF2 und SF3 für den zweiten und
den dritten Formanten von denen nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die beiden
Multiplizierer MU1 und MU2 ihre gegenseitige Position im Signalweg miteinander vertauscht
haben. Im Multiplizierer MU1 wird also zunächst das Basisband in seiner ursprünglichen
Lage mit dem auf den mittleren Amplitudenwert Al des Basisbandes bezogenen Amplitudenwert
A2 des zweiten Formanten multipliziert und anschließend im Multiplizierer MU2 die
Frequenzverschiebung um die Differenz der Formantfrequenzen F2-F1 durchgeführt.
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Die Variante nach Fig. 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 mit der Variante nach Fig. 2 dadurch, daß hier bereits auf der Sendeseite
die auf den mittleren Amplitudenwert Al des Basisbandes bezogenen Amplitudenwerte
A2 und A3 des zweiten und dritten Formanten erzeugt und in dieser Form zur Empfangsseite
hin übertragen werden. Zu diesem Zweck ist auf der Sendeseite S am Ausgang des Tiefpasses
TP das Basisband BS dem Amplitudendetektor D/A1 zugeführt, dessen den mittleren
Amplitudenwert A1 des Basisbandes darstellendes Ausgangssignal den Analysatoren
AF2 und AF3 für den zweiten und dritten Formanten zur Verhältnisbildung zugeführt
wird. Der Verhältnisbildner V ist dabei dem Amplitudendetektor des betreffenden
Formanten nachgeschaltet. Dementsprechend.kann auf der Empfangsseite E von einer
Ableitung des mittleren Amplitudenwertes des Basisbandes BS abgesehen werden. Die
decodierten bezogenen Amplitudenwerte der übertragenen Formanten werden unmittelbar
dem einen Eingang des Multiplizierers Mlii zugeführt, an dessen zweiten Eingang
das Basisband ansteht. Selbstverständlich ist auch hier eine Vertauschung der Multiplizierer
MU1 und MU2 analog zum Ausfüh.rungsbeispiel in Fig. 1 möglich, so daß zuerst die
Frequenzverschiebung und dann die Amplitudenbewertung erfolgt.
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Sofern von einem in seiner Bandmittenfrequenz steuerbaren Formantfilter
am Ausgang der Syntheseeinrichtungen SF2 und SF3 abgesehen werden kann, kann auf
ein ausgangsseitiges Filter überhaupt verzichtet werden, wenn durch eine spezielle
Ausführung des Multipl-7ierers SE2 dafür gesorgt wird, daß an dessen Ausgang lediglich
das gewünschte Einseitenband auftritt. Eine entsprechende Schaltung zeigt Fig. 4.
Sie besteht aus den Mischern Mi und M2, von denen dem Mischer M1 ein 900 drehendes
Phasenglied ç 1 und 9 2 vorgeschaltet ist. Die beiden Phasendrehglieder unterscheiden
sich voneinander durch eine gegensinnige 90°-Phasendrehung.
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Beiden Mischern Mi, M2 wird das Basisbandsignal am Eingang X1 und
die Schwingung des Oszillators VCO am Eingang X2 zugeführt. Die Ausgänge beider
Mischer sind zum Summenausgang Y zusammengeschaltet. Im Summensignal heben sich
die Anteile des unerwunschten Seitenbandes an den Ausgängen beider Mischer gegenseitig
auf, so daß am Summensignalausgang y lediglich das gewünschte Seitenband in der
gewünschten Frequenzlage auftritt.
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Für die Anwendung der Multipliziererschaltung MU2 nach Fig. 4 spielt
es keine Rolle, ob von der Multipliziereranordnung in der Syntheseeinrichtung nach
Fig. 1 oder nach den Fig. 2 oder 3 Gebrauch gemacht wird.
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7 Patentansprüche 4 Figuren