JPS6338719B2

JPS6338719B2 -

Info

Publication number: JPS6338719B2
Application number: JP51071034A
Authority: JP
Inventors: Naoki Ishii
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1976-06-18
Filing date: 1976-06-18
Publication date: 1988-08-01
Also published as: JPS52154302A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、部分自己相関係数を特徴パラメータ
とする音声合成器において、所望の倍音構造を有
する信号音を生成する信号音生成方式に関するも
のである。

従来、音声信号を分析することにより得られる
特徴パラメータが供給されて、元の音声を復元す
る音声合成器が考えられていた。第１図は、従来
の音声分析合成方法を説明するための図で、１は
マイクロホン、２はAD変換器、３は部分自己相
関器、４は駆動音源情報抽出器、５は特徴パラメ
ータ記憶装置、６は音声合成器、７は駆動音源信
号生成部、８は音声合成デイジタルフイルタ、９
はDA変換器、１０は拡声器である。

このように構成された従来例において、音声信
号をマイクロホン１に加えると、AD変換器２に
よつてデイジタル信号に変換され、部分自己相関
器３に加わる。この部分自己相関器３は、フレー
ム周期とよぶ通常10ミリ秒程度の一定周期ごと
に、通常８〜16個程度の部分自己相関係数を抽出
し、残差信号を駆動音源情報抽出器４に加える。
駆動音源情報抽出器４は、入力された音声が有声
であるか無声であるかを判別し、有声と判定され
た場合にはピツチ周期を求め、また駆動音源の振
幅を求める。このようにして抽出された特徴パラ
メータ（部分自己相関係数、ピツチ周期、駆動音
源振幅）の時系列は一旦特徴パラメータ記憶装置
５に記憶され、そののち、特徴パラメータ記憶装
置５からフレーム周期毎に一組の特徴パラメータ
が音声合成器６に加えられる。音声合成器６の駆
動音源信号生成部７では、与えられたピツチ周期
と駆動音源振幅を用いて駆動音源信号を生成し、
音声合成デイジタルフイルタ８に加える。与えら
れた部分自己相関係数を設定した音声合成デイジ
タルフイルタ８は、駆動音源信号にデイジタル演
算を行ない、デイジタル音声を合成する。このデ
イジタル音声はDA変換器９によりアナログ信号
に変換され、ついで拡声器１０に加えられる。こ
のように音声合成器６にはフレーム周期毎に新し
い一組の特徴パラメータが加えられるから、連続
した合成音声が拡声器１０から出力されることに
なる。

このような音声合成器６を情報案内などの各種
のサービスに用いるために単に音声信号だけでな
く、各種の信号音を出力できることが望まれてい
る。このために、従来は、音声合成器から出力す
べき信号音のための特徴パラメータを作成する方
法として、第１図における音声信号と同様に出力
すべき音を分析する方法が考えられていた。しか
し、このような音声分析法は、ピツチ周期の値が
未知の音声信号の特徴パラメータを求めるのには
適しているが、基音の周波数と倍音構造が明確で
ある信号音の特徴パラメータを求める方法として
は必ずしも適当でない。たとえば、チヤイムのい
ろいろの高さの音に対する特徴パラメータを求め
るには、各音を実際に分析することが必要にな
る。しかるに、各音の倍音構造はほとんど変ら
ず、単に基音の周波数のみが異なるのみであるの
で、従来の方法はかなり無駄の多い方法といえ
る。また、分析時におけるピツチ周期（基音の周
波数）の抽出では誤りが生じる場合があり、その
修正がわずらわしい作業になり、さらに、従来の
方法では現実に存在する信号音についてのみ特徴
パラメータが作成され、種々の信号音を出力する
ための特徴パラメータを自由に作成することはで
きないという欠点があつた。

本発明は、これらの欠点を除去するために、出
力したい信号音、言いかえると創り出したい信号
音の基音の周波数と倍音構造を考慮して、人為的
に特徴パラメータを作成するものであつて、その
目的は音声合成器から出力できる種々の信号音の
特徴パラメータを容易に作成し、音声合成器から
単に音声信号だけでなく各種の信号音を出力する
ことのできる信号音生成方式を提供することにあ
る。以下、図面により実施例を詳細に説明する。

第２図は、本発明で用いる音声合成器の例を示
すブロツク図で、１１はパルス発生器、１２はピ
ツチ周期信号入力端子、１３は雑音発生器、１４
は有声・無声切替スイツチ、１５は有声・無声指
定信号入力端子、１６は可変利得増幅器、１７は
駆動音源振幅信号入力端子、１８−１，１８−
２，…，１８−Ｎは音声合成デイジタルフイルタ
の各セクシヨン、１９−１，１９−２，…，１９
−Ｎは部分自己相関係数信号入力端子、２０は音
声信号出力端子である。

この音声合成器では、まずパルス発生器１１は
端子１２から与えられたピツチ周期に等しい周期
でピツチパルスを発生する。このピツチパルスあ
るいは雑音発生器１３の出力である雑音パルス
は、有声音を作るかあるいは無声音を作るかに従
つて、端子１５に入力された信号に応じて切替ス
イツチ１４で選択される。このいづれかのパルス
は増幅器１６に加えられ、端子１７から入力され
た振幅になるように調整され、音声合成デイジタ
ルフイルタ８への駆動音源信号が作成される。こ
の音声合成デイジタルフイルタ８は同一構成のフ
イルタセクシヨン１８の縦続接続で構成され、セ
クシヨン数は通常８〜16個であり、またこの音声
合成デイジタルフイルタ８は、第３図に示したよ
うに駆動音源入力端子２１、加算器２２、乗算器
２３、１標本遅延要素２４から構成されている。
端子２１に加えられた駆動音源信号は、端子１９
−Ｎに加えられる部分自己相関係数により特性の
変化するフイルタセクシヨン１８−Ｎに加えら
れ、遅延要素２４からの信号とあわせて第３図に
示した回路構成に従つて演算が行なわれる。今、
セクシヨン１８−ｎの入力信号をx_o，y_o-1、出力
信号をx_o-1，y_oとし、端子１９−ｎからの入力信
号をk_oとすると、次式のような演算が行なわれ
る。

x_o-1＝x_o＋k_o（Dy_o-1−x_o） …(1) y_o＝Dy_o-1＋k_o（Dy_o-1−x_o） …(2) ただし、ｎ＝１、２、…、Ｎ、x₀＝y₀、x_N：駆
動音源信号である。式(1)、(2)からわかるように、
部分自己相関係数k_oを０とすれば、x_o-1＝x_o、y_o
＝Dy_o-1となり、信号ｘは何ら変化せず、信号ｙ
は単に遅延するのみである。ここで、音声合成デ
イジタルフイルタ８に加わる駆動音源信号の特性
を考えよう。第２図において、端子１２にピツチ
周期Ｔを、端子１５に有声音指定の情報を、端子
１７に一定振幅の信号を加えることとする。この
ようにすると、駆動音源信号は周期Ｔのパルス列
になり、もし音声合成デイジタルフイルタ８に与
える部分自己相関係数を全て０とすれば、音声合
成器６の出力も同様のパルス列となる。今、DA
変換器９の復標本化周波数をF₀とし、DA変換器
９におけるホールド回路の効果を考え、パルス幅
を１／F₀とすると、上記周期Ｔのパルス列は、Ｐ（ｎ／Ｔ）＝１／Ｔ｜sin（nπ／TF₀）／nπ／TF₀
｜、（ｎ＝０、１、２、…） (3) なる電力スペクトルを有する。即ち、基本周波数
を₀＝1/Tとし、倍音の振幅が式(3)で定まるよう
な信号が得られる。第４図は、F₀＝8kHz、₀＝
0.5kHzとし、DA変換器９で切断周波数F₀／２の
低域波器で平滑化する場合の電力スペクトルの
例である。このように、駆動音源信号はほとんど
平担な倍音構造を有しているから、音声合成デイ
ジタルフイルタ８に適当な値の部分自己相関係数
を端子１９から与えれば、音声合成デイジタルフ
イルタ８の出力は所望の倍音構造を有する信号音
になる。

つぎに、具体例としてある次数のただひとつの
部分自己相関係数k_oにのみ零でない値を与え、他
の次数の部分自己相関係数には全て零を与える場
合を考える。この場合には入力x_Nと出力x₀の関
係は、式(1)、(2)から、 x₀／x_N＝１−k_o／１−k_oDⁿ (4) となる。即ち、このような音声合成デイジタルフ
イルタ８の振幅−周波数特性は、式(4)から、｜Ｈ（ω）｜＝１−k_o／〔１＋k²／_o−2k_ocos（nω／F₀）〕^1/2(5) となる。

第５図は、音声合成デイジタルフイルタ８の振
幅−周波数特性の例で、２５はセクシヨン１９−
１にのみ０でない部分自己相関係数k₁を与え、他
のセクシヨンには全て０を与えた場合であり、２
６はセクシヨン１９−２にのみ零でない部分自己
相関係数k₂を与え、他のセクシヨンには全て零を
与えた場合である。k₁あるいはk₂に与えた値は第
５図に付記されている。このような特性を有する
音声合成デイジタルフイルタ８に第４図に示した
ような電力スペクトルを持つ駆動音源信号を印加
すると、第５図の曲線と第４図の破線の両者を重
畳したスペクトル包絡を有する信号音が得られ
る。

第６図は、このようにして得られた信号音の例
を示したもので、基本周波数₀＝1/T＝0.5kHz、
復標本化周波数F₀＝8kHz、k₂＝−0.6とし、他の
部分自己相関係数を全て零とした場合である。ま
た、ｍ次とｎ次（ｎ＞ｍ）の２個の部分自己相関
係数k_nとk_oにのみ零でない値を与え、他の次数
の部分自己相関係数には全て零を与える場合を考
えよう。この場合、入力x_Nと出力x₀の関係は、 x₀／x_N＝（１−k_n）（１−k_o）／１−k_nD^m＋k_nk_oD^n-m−k_oDⁿ…(6) となり、振幅・周波数特性は、ここで、T₀＝１／F₀ となる。たとえば、k₁とk₂にのみ零でない値を与
える場合には、振幅−周波数特性は、となる。上式からわかるように、k₁とk₂の値を適
当に選ぶことにより単一共振特性を有する音声合
成デイジタルフイルタ８を実現することができ
る。式(8)の分母から、単一共振特性の共振周波数
Ｆおよび3dB帯域幅Ｂは、それぞれＢ＝−F₀／2πlog（−k₂） …(10) となる。即ち、この場合は所望の共振特性の帯域
幅Ｂから２次の部分自己相関係数k₂の値が定ま
り、所望の共振周波数Ｆとk₂の値から、１次の部
分自己相関係数k₁の値が定まる。第７図にはこの
ような実施例の音声合成デイジタルフイルタ８の
振幅−周波数特性であつて、k₁＝0.7、k₂＝−
0.9、F₀＝8kHzとした場合である。

以上の例では、説明を簡単にするために、１個
あるいは２個の部分自己相関係数に零でない値を
与えることにより、比較的簡単な倍音構造を有す
る信号音を作ることを考えてきたが、次に複雑な
倍音構造を有する信号音を作成する方法について
述べる。部分自己相関係数が供給されて音声を合
成する音声合成デイジタルフイルタ８は全極形の
スペクトル包絡を有する信号を出力することが知
られている（例えば、東北大学電気通信研究所第
８回シンポジウム論文集、「音声情報処理」：−
５統計的手法による音声の特徴抽出、1971年２
月24日、あるいは特公昭47−15402号公報「音声
分解合成方法」、特公昭49−18007号公報「音声分
析合成方法」などを参照）。また、スペクトル包
絡の極と部分自己相関係数の関係が知られてい
る。そこで、本発明では次のようにして音声合成
器６に与える特徴パラメータを算出する。

(1) 創り出したい信号音の高さとして基音の周波
数からピツチ周期Ｔを定める。

(2) 創り出したい信号音の音色として、スペクト
ル包絡の概形を与え、各共振周波数F_iと帯域幅
B_i（ｉ＝１、２、…、ｐ）を求める。この場合、
共振の個数は用いる音声合成デイジタルフイル
タ８のセクシヨン数Ｎの半分以下とし、スペク
トル包絡の全体的傾斜を与える実の極を与えて
もよい。

(3) 共振周波数F_iと帯域幅からスペクトル包絡の
極Z_iを次式にしたがつて求める。

Z_i＝exp（−πB_iT₀）exp（±2πjF_iT₀） …(11) ここで、F₀＝１／T₀は復標本化周波数であ
る。

(4) スペクトル包絡の極Z_iから、スペクトル包絡
を近似する全極形の多項式の係数α_iを次式にし
たがつて求める。_2p 〓〓ⁱ⁼¹ １／Ｚ−Z_i＝１／Z^2p＋α₁Z^2p-1＋…＋α_2p-1Ｚ＋α
_2p(12) (5) 係数α_iを、 α_i＝α_i ^(2p)（ｉ＝１、２、…、2p）（13）として、次式の漸化式から定まる部分自己相関
係数k_o（ｎ＝１、２、…、2p）を求める。

α_i ⁽ⁿ⁾＝α_i ^(n-1)＋k_oα^(n-1) _o-i k_o＝−α_o ⁽ⁿ⁾ （ｉ＝１、２、…、ｎ、ｎ＝１、２、…、2p）（14）また、残りの部分自己相関係数は全て０とお
く。即ち、 k_o＝０（ｎ＝2p＋１、2p＋２、…、Ｎ）
…（15）とする。

(6) 創り出したい信号音の強さの値から、駆動音
源振幅の値を決定する。

(7) 創り出したい信号音の音質の時間的変化に応
じて、音声合成器６のフレーム周期毎に、上記
ピツチ周期Ｔ、部分自己相関係数k_o、駆動音源
振幅をつぎつぎに求める。

以上のようにして得られた特徴パラメータをフ
レーム周期毎に次々に音声合成器に与えることに
より所望の信号音を得ることができる。

次に、第８図は、第３図と異なる音声合成デイ
ジタルフイルタ８の他の実施例を示したブロツク
図で、１８′はフイルタセクシヨンである。この
フイルタセクシヨン１８′は２個の加算器２２と
２個の乗算器２３と１個の遅延要素２４から構成
される。このような音声合成デイジタルフイルタ
８は第３図のフイルタと若干異なる特性を有す
る。たとえば端子１８′−１にのみ零でない部分
自己相関係数k₁を与える場合の振幅−周波数特性
は、前と同様の方法により第９図に示すようにな
ることがわかる。第９図の特性は第５図の特性２
５を部分自己相関係数の値にしたがつて上下に移
動したものであつて、曲線の形状は同じである。
即ち、与えるべき部分自己相関係数の値に従つて
駆動音源振幅の値を調整すれば、第３図と第８図
の音声合成デイジタルフイルタ８は同じ振幅−周
波数特性を示すことになる。

第１０図は、本発明の一実施例を示すブロツク
図であつて、３０はスペクトル包絡概形の入力端
子、３１は共振個数の入力端子、３２は基音周波
数の入力端子、３３は信号音の強さの入力端子、
４は共振周波数F_iと帯域幅B_iの算出回路、３５は
極Z_iの算出回路、３６は多項式の係数α_iの算出回
路、３７はスペクトル包絡算出回路、３８はスペ
クトル包絡表示部、３９は部分自己相関係数K_iの
算出回路、４０はピツチ周期算出回路、４１は駆
動音源振幅算出回路、４２はバツフアメモリであ
る。入力端子３０から倍音構造あるいはスペクト
ル包絡概形を入力し、かつ入力端子３１から共振
個数を入力すると、算出回路３４にて共振周波数
F_iと帯域幅B_iが算出される。共振周波数F_iと帯域
幅B_iは極Z_iの算出回路３５で前述の式(11)に従つて
極Z_iが算出され、次に多項式の係数α_iの算出回路
３６で式(12)に従つて係数α_iが、ついで部分自己相
関係数K_iの算出回路３９で式（13）〜（15）に従
つて部分自己相関係数K_iが算出される。なお、実
際に決定されたスペクトル包絡の極Z_iを用いて、
スペクトル包絡算出回路３７においてスペクトル
包絡が計算され、スペクトル包絡表示部３８に表
示される。表示されたスペクトル包絡が所望のも
のとやや異なる場合には、入力端子３０に入力す
るスペクトル包絡概形を修正すればよい。このよ
うにして得られた部分自己相関関数K_iはバツフア
メモリ４２に記憶させる。一方、入力端子３２に
基音の周波数を入力し、ピツチ周期算出回路４０
にてピツチ周期が算出され、また、入力端子３３
に生成すべき信号音の強さを入力すると、駆動音
源振幅算出回路４１にて駆動音源振幅が算出され
る。これらのピツチ周期及び駆動音源情報もバツ
フアメモリ４２に記憶させる。同じ倍音構造で、
信号音の高さと強さのみを変える場合は、スペク
トル包絡概形を入力端子３０に与えたのち、基音
の周波数と信号音の強さの情報を時系列信号とし
て、それぞれ入力端子３２と３３に入力すればよ
い。また、時間的に倍音構造を変化させる場合に
は、スペクトル包絡概形を時系列信号として与え
ればよい。バツフアメモリ４２に記憶された特徴
パラメータは、ピツチ周期は第２図の端子１２
へ、駆動音源振幅は端子１７へ、部分自己相関係
数は端子１９に与えられる。なお端子１５へは通
常有声指定信号を与えればよい。

ここで端子３０〜３３への上記各入力情報は、
キーボードやタブレツトなどの入力手段によつて
人為的に加えられる。第１１図はこのような入力
手段を用いた本発明による信号音生成の一実施例
のブロツク図であり、２７は数字データ等を入力
するためのキーボード、２８はスペクトル包絡概
形を入力するためのタブレツト、２９は特徴パラ
メータ計算部で、信号音生成は次のように行われ
る。すなわちある音色の信号音を創り出したい作
成者は、まず創り出したい信号音を高さ、倍音構
造、及び強さの時間的変化として把握する。信号
音の高さと強さの情報はキーボード２７から入力
する。倍音構造の情報は、数字データを入力する
場合はキーボード２７から、スペクトル包絡概形
として図形の形で入力する場合にはタブレツト２
８から入力する。これらの入力情報をもとにし
て、特徴パラメータ計算部２９において特徴パラ
メータが計算され、バツフアメモリ４２に蓄えら
れる。創り出したい信号音の時間的変化に応じ
て、入力情報を次々に投入することにより、バツ
フアメモリ４２に特徴パラメータの時系列が蓄え
られる。バツフアメモリ４２の内容を所定のフレ
ーム周期で音声合成器６に与えることにより、入
力情報に対応する信号音が拡声器１０から出力さ
れる。拡声器１０から出力される信号音の音質
が、作成者の意図した音質と異なる場合には、キ
ーボード２７及びタブレツト２８から前とは異な
る値の入力情報を投入することにより修正するこ
とができる。

以上説明したように、本発明によれば、出力す
べき信号の特性、即ち基音の周波と倍音構造か
ら、音声合成器に与える特徴パラメータを直接求
めるから、特徴パラメータの算出を迅速に行なう
ことができ、倍音構造即ち部分自己相関係数を一
旦決定すれば、それと音の高さに応じたピツチ周
期を用いることにより、音色が同じで高さが異な
る信号音を容易に生成でき、更に音声分析におけ
るようなピツチ周期の抽出誤りを考慮する必要が
なく、現実に存在する音でなくとも、人為的に自
由に種々の音色の信号音を生成することができる
などの特徴があるので、本発明は非常に効果のあ
る信号音生成方式を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の音声分析合成法のブロツク
図、第２図は、本発明で用いる音声合成器の一実
施例のブロツク図、第３図は、第２図の音声合成
デイジタルフイルタの一実施例のブロツク図、第
４図は、駆動音源信号の電力スペクトルを示す
図、第５図は、本発明の一実施例における音声合
成デイジタルフイルタの振幅−周波数特性、第６
図は、本発明の一実施例における信号音の電力ス
ペクトル、第７図は、本発明の他の実施例におけ
る音声合成デイジタルフイルタの振幅−周波数特
性、第８図は、音声合成デイジタルフイルタの他
の実施例のブロツク図、第９図は第８図のフイル
タに本発明を実施した振幅−周波数特性の例を示
した図である。第１０図は本発明の特徴パラメー
タ計算部の一実施例を示すブロツク図、第１１図
は本発明の入力手段を含む信号音生成法の一実施
例図である。１……マイクロホン、２……AD変換器、３…
…部分自己相関器、４……駆動音源情報抽出器、
５……特徴パラメータ記憶装置、６……音声合成
器、７……駆動音源信号生成部、８……音声合成
デイジタルフイルタ、９……DA変換器、１０…
…拡声器、１１……パルス発生器、１２……ピツ
チ周期信号入力端子、１３……雑音発生器、１４
……有声・無声切替スイツチ、１５……有声・無
声指定信号入力端子、１６……可変利得増幅器、
１７……駆動音源信号入力端子、１８，１８′…
…音声合成デイジタルフイルタのセクシヨン、１
９……部分自己相関係数信号入力端子、２０……
音声信号出力端子、２１……駆動音源信号入力端
子、２２……加算器、２３……乗算器、２４……
１標本遅延要素、２５……１次の部分自己相関係
数k₁のみ零でない値を与えた場合の特性、２６…
…１次と２次の部分自己相関係数k₁とk₂にのみ零
でない値を与えた場合の特性。２７……キーボー
ド、２８……タブレツト、２９……特徴パラメー
タ計算部、３０……スペクトル包絡概形入力端
子。３１……共振個数の入力端子、３２……基音
周波数の入力端子、３３……信号音の強さの入力
端子、３４……共振周波数と帯域幅の算出回路、
３５……極Z_iの算出回路、３６……多項式の係数
α_iの算出回路、３７……スペクトル包絡算出回
路、３８……スペクトル包絡表示部、３９……部
分自己相関係数K_iの算出回路、４０……ピツチ周
期算出回路、４１……駆動音源振幅算出回路、４
２……バツフアメモリ。

Claims

【特許請求の範囲】

１創り出したい信号音の基音の周波数と倍音構
造と振幅とを人為的な入力手段によつて特徴パラ
メータ計算手段に入力し、該特徴パラメータ計算
手段において、前記信号音の高さを基音の周波数
からピツチ周期の値として求め、かつ前記信号音
の倍音構造を全極形のスペクトル包絡で近似し、
該スペクトル包絡の極から部分自己相関係数を求
め、さらに前記信号音の振幅から駆動音源振幅を
求め、このようにして得られたピツチ周期と部分
自己相関係数と駆動音源振幅とを合成演算するこ
とによつて、所望の音質の信号音を生成すること
を特徴とする信号音生成方式。