NL8902463A - Inrichting voor geluidsynthese. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Inrichting voor geluidsynthese

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor geluidsynthese/ bestemd voor het genereren van een gewenst geluidsignaal, omvattende een eerste signaalbron bestemd om tijdens bedrijf een periodiek signaal af te geven met een bepaalde herhalingsfrequentie als representatie van de stemhebbende delen van het gewenste geluidsignaal, een tweede signaalbron bestemd om tijdens bedrijf een aperiodiek signaal of ruissignaal af te geven als representatie van de stemloze delen van het gewenste geluidsignaal, een combinatiecircuit bestemd om de signalen van de beide signaalbronnen met elkaar te combineren, en een filterschakeling met variabele overdrachtsfunktie bestemd om het gecombineerde signaal te verwerken tot het gewenste uitgangssignaal .

Een dergelijke inrichting is bijvoorbeeld beschreven door J. Makhoul en anderen in het artikel "A mixed-source model for speech compression and synthesis", gepubliceerd in de proceedings van 1978 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, April 10-12, 1978, Tulsa, Oaklahoma. In deze bekende inrichting wordt naast de genoemde signaalbronnen, het combinatiecircuit en de variabele filterschakeling tevens nog gebruik gemaakt van een laagdoorlaatfilter dat geschakeld is tussen de eerste signaalbron en het combinatiecircuit en een hoogdoorlaatfilter dat geschakeld is tussen de tweede signaalbron en het combinatiecircuit.

Een soortgelijke inrichting is beschreven door S.H. Kwon en A.J. Goldberg in het artikel "An enhanced LPC vocoder with no voiced/unvoiced switch", gepubliceerd in IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, volume ASSP-32, nummer 4, 1984, blz. 851 e.v. In deze bekende inrichting is naast de genoemde componenten een gestuurde versterker aanwezig achter zowel de eerste signaalbron als de tweede signaalbron. Beide versterkers worden gestuurd door een signaal dat afkomstig is uit de filterschakeling met variabele overdrachtsfunctie op zodanig wijze dat het combinatiecircuit kan worden gereduceerd tot een eenvoudige vorkschakeling.

Al deze bekende inrichtingen hebben ten doel een spraaksignaal te generen met een zo goed mogelijke perceptiekwaliteit. In de praktijk is echter gebleken dat nog geen van de bekende inrichtingen een spraak-kwaliteit bereikt, die geen enkele verbetering meer behoeft.

De uitvinding heeft nu ten doel aan te gegeven op welke wijze een inrichting voor geluidsynthese moet worden uitgevoerd om een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de bestaande inrichtingen te realiseren.

De inrichting voor geluidsynthese van in de aanhef genoemde soort draagt volgens de uitvinding het kenmerk dat de inrichting voorzien is van een derde signaalbron die bestemd is om tijdens bedrijf een gemoduleerd ruissignaal af te geven bestaande uit een trein of reeks van relatief kortdurende ruisplofjes, waarvan de temporele omhullende synchroon loopt met de temporele omhullende van het genoemde periodieke signaal en die steeds althans bij benadering dezelfde energie hebben, welk gemoduleerd ruissignaal tijdens bedrijf samen met het signaal van de eerste signaalbron toegevoerd wordt aan het combinatiecircuit.

Bij de bekende inrichtingen wordt stationaire ruis toegevoegd aan het stemhebbende periodieke signaal. Gebleken is dat een luisteraar, die luistert naar het uiteindelijke geluidsignaal opgewekt met één van de bekende inrichtingen, de indruk krijgt alsof het ruissignaal afkomstig is van een afzonderlijke bron die duidelijk verschillend is van de bron, die het periodieke signaal afgeeft. Met andere woorden, de perceptiekwaliteit is relatief slecht. Weliswaar wordt hierin verbetering gebracht door het toevoegen van een hoog doorlatend, respectievelijk laag doorlatend filter zoals beschreven is door Makhoul, maar ook deze inrichting behoeft nog steeds verbetering.

Door nu volgens de uitvinding ruis toe te voegen in de vorm van een reeks of trein van ruisplofjes, waarvan de temporele omhullende voldoet aan de bovengenoemde voorwaarde en die steeds een (althans bij benadering) gelijke energie bezitten, wordt als het ware een perceptieve versmelting van de ruis met het stemhoudende periodieke signaal gerealiseerd waardoor een duidelijke verbetering van de perceptiekwaliteit wordt bereikt.

Alhoewel de bovengeciteerde stand der techniek met name betrekking heeft op inrichtingen voor het genereren van spraaksignalen is de onderhavige uitvinding daar niet toe beperkt. De inrichting volgens de uitvinding kan met goed resultaat gebruikt worden voor het synthetiseren van bijvoorbeeld muzikale geluiden. Als voorbeeld kan gewezen worden op het het geluid van een dwarsfluit, welk geluid een "hees timbre" heeft. In de bekende muzieksynthesetechnieken wordt dit heesachtige karakter verkregen door kamgefilterde ruis toe te voegen of door aan de inzet van het geluid anharmonische componenten toe te voegen. Toepassing van de uitvinding leidt echter tot een veel bevredigender resultaat.

In verband met de algemene toepasbaarheid van de uitvinding wordt er op gewezen dat in deze beschrijving de term "stemhebbend" slaat op niet-ruisige signaaldelen en de term "stemloos" slaat op ruisige signaaldelen.

Volgens een verder ontwikkelde uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding zijn de beide ruisbronnen met elkaar gecombineerd.

De uitvinding zal in het volgende nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren.

Figuur 1 toont een inrichting zoals bekend is uit de stand der techniek.

Figuur 2 toont een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding.

Figuur 3 toont een tweede uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding.

De inrichting uit figuur 1 omvat een eerste signaalbron 1, die bestemd is om tijdens bedrijf een periodiek signaal af te gegeven, in het bijzonder een pulsreeks met een bepaalde herhalingsfrequentie F0.

De inrichting bevat verder een tweede signaalbron 2 die bestemd is om een aperiodiek signaal af te geven, in het bijzonder een ruissignaal.

De uitgangen van de beide signaalbronnen 1 en 2 zijn verbonden met de ingangen van een combinatiecircuit in figuur 1 schetsmatig geïllustreerd met behulp van een schakelaar 3, die gestuurd wordt door een VUV-signaal. Dit VUV-signaal bepaalt of een stemhebbend (voiced) geluid-segment dan wel een stemloos (unvoiced) geluidsegment moet worden gegenereerd. Het uitgangssignaal van het combinatiecircuit 3 wordt toegevoerd aan een versterkertrap 4 met een variabele versterkingsfactor G. Het signaal G beïnvloedt de amplitude van het gecombineerde signaal als functie van de tijd. Het uitgangssignaal van de versterkertrap 4 wordt toegevoerd aan een variabel filter 5 waaraan van buiten af de filtercoëfficiënten C kunnen worden toegevoerd. Deze filterschakeling bestaat in praktische uitvoeringsvormen uit een cascadeschakeling van een aantal tweede orde deelfilters die elk bestemd zijn voor het moduleren van één van de formanten of resonantiefreguenties, die binnen het gekozen bandbreedtegebied kunnen optreden.

Figuur 2 toont een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding. Evenals de inrichting uit figuur 1 is ook de inrichting uit figuur 2 voorzien van een eerste signaalbron 11, bestemd om een periodiek signaal af te geven met een bepaalde herhalings-freguentie F0, een tweede signaalbron 12 die bestemd is om tijdens bedrijf een aperiodiek signaal of ruissignaal af te geven, een combinatieschakeling 13 in dit geval uitgevoerd als een summator, en een filterschakeling 15 die ook in dit geval voorzien is van een aantal deelfilters en bestemd is om de verschillende formanten in het gekozen bandbreedtegebied te vormen. In overeenstemming met de uitvinding is de inrichting uit figuur 2 verder voorzien van een derde signaalbron 14, welke signaalbron een trein of reeks van ruisplofjes afgeeft, waarvan de temporele omhullende synchroon loopt met de temporele omhullende van het signaal dat door de eerste signaalbron 11 wordt afgegegeven. Met andere woorden, de ruisplofjes of ruistreintjes die door de ruisbron 14 worden afgegeven treden op met een herhalingsfrequentie F0 en bovendien hebben alle ruisplofjes althans bij benadering dezelfde energie. De uitgangssignalen van de signaalbronnen 11 en 14 worden in de summator 17 met elkaar gecombineerd en in een versterkertrap 18 zonodig versterkt, dan wel verzwakt en het versterkte/verzwakte signaal wordt toegevoerd aan de combinatieschakeling 13. De combinatieschakeling 13 ontvangt ook het ruissignaal van de ruisbron 12 welk ruissignaal eveneens via een versterker/verzwakkertrap 19 in amplitude kan worden beïnvloed. Op dezelfde wijze als in figuur 1 wordt ook het uitgangssignaal van de combinatieschakeling 13 toegevoerd aan een variabele filterschakeling 15 waarvan de filtercoëfficiënten C van buitenaf kunnen worden toegevoerd. Het synthetische geluidsignaal wordt afgegeven aan de uitgang 16.

Met de inrichting volgens de uitvinding wordt een veel natuurlijker geluid geproduceerd dan met de inrichtingen volgens de stand der techniek mogelijk is. Bij toepassing van de inrichting voor het genereren van synthetische spraaksignalen worden klinkers geproduceerd met een dusdanig (hees) timbre, dat zelfs onder ideale omstandigheden (bijvoorbeeld bij beluisteren van het spraaksignaal via een goede koptelefoon) de klinkers niet of nauwelijks van de natuurlijke, in het algemeen min of meer hees aandoende klinkers zijn te onderscheiden. Bij toepassing van de inrichting voor bijvoorbeeld muzieksynthese wordt eveneens een muzieksignaal met een dusdanig natuurlijk aandoend "hees" timbre verkregen, dat ook de geoefende luisteraar dit gesynthetiseerde signaal niet of nauwelijks kan onderscheiden van een muzieksignaal, geproduceerd met een echt muziekinstrument. Met andere woorden, de inrichting volgens de uitvinding bewerkstelligt een waarneembare timbre verandering in die zin dat de timbre "ruisiger" of "heser" wordt.

De ruisplofjes kunnen worden verkregen door het uitgangssignaal van een ruisbron, die een ruissignaal afgeeft met een als functie van de tijd, gelijke energie-inhoud, te sturen door een filter dat zodanig uitgevoerd is, dat het gefilterde signaal een energie bezit die in de tijd varieert volgens een voorafbepaalde omhullende. Het verdient daarbij de voorkeur dat het moment in de periode waar de energie van de ruis het grootst is, min of meer samenvalt met het moment in de periode waar de energie van het periodiek signaal het grootst is.

Er zijn door aanvraagster praktische proeven uitgevoerd met als omhullende een cosinuskwadraat-venster, maar ook andere filtertypen, bijvoorbeeld Gausisch-filter, Hamming-filter, Hanning-filter, Tukey-filter, enz. kunnen binnen het kader van de uitvinding worden toegepast.

Een andere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding is getoond in figuur 3. In figuur 3 zijn de beide ruisbronnen 14 en 12 uit figuur 2 gecombineerd tot één enkele ruisbron 24. Deze ruisbron 24 geeft een in de tijd gemoduleerd ruissignaal af, waarbij de temporele omhullende van dit ruissignaal een herhalingsfrequentie F0 heeft zodat de temporele omhullende van de in dit ruissignaal optredende ruisplofjes synchroon loopt met de temporele omhullende van het periodieke signaal dat afgegeven wordt door de eerste signaalbron 21. Deze eerste signaalbron 21 is weer vergelijkbaar met bron 11 in figuur 2. Het uitgangssignaal van de eerste signaalbron 21 wordt onderworpen aan laag doorlatende filterbewerking in de filterschakeling 22, vervolgens versterkt dan wel verzwakt in de versterker/verzwakker 28 en toegevoerd aan de combinatieschakeling 23. Het uitgangssignaal van de ruisgenerator 24 wordt onderworpen aan een hoog doorlatende filterbewerking in de filterschakeling 27, vervolgens versterkt dan wel verzwakt in de versterker/verzwakker 29 en eveneens toegevoerd aan de combinatieschakeling 23. Het uitgangssignaal van de combinatieschakeling 23 wordt weer toegevoerd aan een filtertrap 25 waarvan de filterwerking afhankelijk is van de extern toegevoerde filtercoëfficiënten C en het uiteindelijke synthetische geluidsignaal wordt afgegeven aan de uitgang 26.

Opgemerkt wordt tenslotte dat in figuur 1 een versterkertrap met een variabele versterkingsfactor G wordt toegepast. Een soortgelijke versterkertrap kan natuurlijk ook opgenomen worden in figuur 2 en figuur 3. In de figuren 2 en 3 zou een dergelijke versterkertrap ingevoegd moeten worden tussen de combinatieschakeling 13 respectievelijk 23 en de filterschakeling 15 respectievelijk 25. Het is ook mogelijk om in dat geval de combinatieschakeling 13 respectievelijk 23 zodanig uit te voeren dat daarin de variabele versterkingsfunctie wordt gerealiseerd.

Verder wordt opgemerkt, dat alleen in de uitvoeringsvorm van figuur 3 sprake is van een laagdoorlatend filter 22 en een hoogdoorlatend filter 27. Dergelijke filters kunnen indien nodig ook toegepast worden in de uitvoeringsvorm van figuur 2 in welk geval deze filters in serie geschakeld worden met de versterkertrappen 18, respectievelijk 19 of indien mogelijk in deze versterkertrappen 18 en 19 worden geïntegreerd.

Claims (3)

1. Inrichting voor geluidsynthese, bestemd voor het genereren van een gewenst geluidsignaal, omvattende een eerste signaalbron bestemd om tijdens bedrijf een periodiek signaal af te geven met een bepaalde herhalingsfrequentie als representatie van de stemhebbende delen van het gewenste geluidsignaal, een tweede signaalbron bestemd om tijdens bedrijf een aperiodiek signaal of ruissignaal af te geven als representatie van de stemloze delen van het gewenste geluidsignaal, een combinatiecircuit bestemd om de signalen van de beide signaalbronnen met elkaar te combineren, en een filterschakeling met variabele overdrachtsfunktie bestemd om het gecombineerde signaal te verwerken tot het gewenste uitgangssignaal, met het kenmerk, dat de inrichting voorzien is van een derde signaalbron die bestemd is om tijdens bedrijf een gemoduleerd ruissignaal af te geven bestaande uit een trein of treeks van relatief kortdurende ruisplofjes, waarvan de temporele omhullende synchroon loopt met de temporele omhullende van het genoemde periodieke signaal en steeds althans bij benadering dezelfde energie hebben, welk gemoduleerde ruissignaal tijdens bedrijf samen met het signaal van de eerste signaalbron toegevoerd wordt aan het combinatiecircuit.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de modulatie van het ruissignaal, geleverd door de derde signaalbron, zodanig is dat het moment in de periode waar de energie in het ruissignaal het grootst is, althans bij benadering samenvalt met het moment in de periode, waar de energie van het periodieke signaal het grootst is.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de tweede en derde signaalbron met elkaar zijn gecombineerd.