METHOD OF DETERMINING SPEECH SPECTRA WITH AN APPLICATION TO AUTOMATIC SPEECH RECOGNITION AND SPEECH CODING

Abstract: 1. A method of determining speech spectra for automatic speech recognition and speech coding, wherein a codebook tree is used, namely an arrangement of codebook spectra which is orientated with binary branching and thus can be addressed in binary-coded fashion, with levels which contain 2**L spectra, characterized in that in an analysis stage (A) which is supplied with a speech signal which is to be analysed, firstly, preferably using a signal processor (S), the respective spectral parameter set is determined, that each obtained parameter set comprising parameter values Pi is binary-coded in a coding stage (C) whereby each parameter value Pi is assigned a code Ci , that all the codes ({Ci }) which have been formed and which are to be evaluated are combined to form an overall code (Cg ), that the overall code (Cg ) is used as addressing signal for a read-only store ROM, namely a Hash-ROM (H), where the store content of the Hash-ROM (H) comprises the numbers, assigned to the required spectrum, of the codebook spectra in a K-th level of the codebook tree, that the numbers of the codebook spectra are used as an indicator of the codebook store section which contains the codebook tree from the K-th level, and that when entering into the K-th level of the codebook tree has been facilitated in this way, a final determination of the codebook spectrum in the L-th level of the codebook tree is carried out by means of a comparator unit (V) in the form of a tree search.

Description: Verfahren zur Bestimmung von Sprachspektren für die automatische Spracherkennung und Sprachkodierung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Sprachspektren für automatische Spracherkennung und Sprachkodierung, bei dem ein sog. Codebook Baum, nämlich eine binär verzweigt orientierte und damit binär codiert adressierbare Anordnung von sog. Codebook Spektren, mit L Ebenen, die 2L Spektren enthält, benutzt wird. Sowohl bei hochwertigen Spracherkennungssystemen als auch bei niedrigartigen Sprachcodiersystemen wird in einer Sprachanalysestufe das Kurzzeitspektrum des zu erkennenden Sprachsignals bestimmt. In einer Weiterverarbeitungsstufe kann die Struktur des Spektrums ermittelt werden. Hierbei hat sich die Methode der sog. Vektorquantisierung als besonders günstig herausgestellt, durch welche Vektorquantisierung für Codiersysteme extrem geringe Datenraten erzielt werden können, vergl. A. Buzu et al: "Speech Coding based upon Vector Quantisation, IEEE Trans. ASSP, Vol. 28, pp. 562 - 574, 1980, und für Spracherkennungssystem eine sehr aufwandsgünstige Strukturanalyse des Spektrums vorgenommen werden kann. Die Methode der Vektorquantisierung geht davon aus, dass die Vielfalt der Sprachspektren durch eine besonders ausgewählte Anzahl von Spektren, die in einem sog. Codebcok dargestellt werden, ohne einen wesentlichen Informationsverlust approximiert werden können. Sowohl für eine gute Sprachqualität bei der Sprachcodierung als auch für eine Strukturanalyse bei der Spracher kennung sind grosse Codebooks mit ca. 1000 Spektren erforderlich. Bei grossen Codebooks tritt dann ein Problem auf, wenn in Echtzeit aus dem sog. Codebook das zu den analysierten Spektren am besten passende Codebook-Spektrum zu bestimmen ist. Aus der weiter oben genannten Druckschrift ist beispielsweise bekannt, dass sich Codebook-Spektren in einem sog. binären Baum anordnen lassen. Die Bestimmung des ähnlichsten Codebook-Spektrums kann mit Hilfe einer sog. Baumsuche wirkungsvoll durchgeführt werden. Bei einem derartigen binären Baum, dessen unterste Ebene 2L Spektren umfasst, sind bei der Baumsuche nur 2.L Versuche erforderlich. Bei einerSuche ohne Baumstruktur sind dagegen 2L Vergleiche (vollständige Suche) durchzuführen. Die aufwandsgünstige Baumsuche hat jedoch den Nachteil, dass sie bei dem Vergleich nicht immer zu dem ähnlichsten Codebook-Spektrum, welches bei einer vollständigen Suche ermittelt wordenwäre, führt. Die Trefferrate, bei der das ähnlichste Spektrum gefunden wird, steigt, falls die Abarbeitung des Baumes nicht in der obersten Ebene (Ebene 1), sondern in einer tieferen Ebene (Ebene K, K < L) erfolgt. Bei diesem Vorgehen steigt jedoch die Anzahl der Vergleiche wieder an, da in der Kten Ebene 2K Vergleiche vorgenommen werden müssen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aufwandsgünstiges Verfahren zur Suche des jeweils passenden Codebook-Spektrums zu schaffen. Zur Lösung der Aufgabe für die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung von Sprachspektren für die automatische Spracherkennung und Sprachcodierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, das durch die in den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren beschrieben. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Systeman ordnung zur Durchführung des eingangs genannten be kannten Verfahrens. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer sog. Baum struktur eines Codebooks. Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild für eine An ordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens. Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm, durch welches das Prinzip einer Codierung von Sprachspektren verdeut licht wird. Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Systemanordnung zur Durchführung des eingangs genannten bekannten Verfahrens. In dieser Anordnung ist eine Analysestufe vorgesehen, der ein zu erkennendes Sprachsignal zugeführt wird. Die Analysestufe ermittelt ein sog. Kurzzeit-Spektrum und gibt die betreffenden Daten davon an eine Weiterverarbeitungsstufe ab, die aus diesen Daten den betreffenden Strukturparameter ermittelt und zur Weiterverarbeitung ausgibt. Fig. 2 zeigt, wie bereits erläutert, eine schematische Darstellung einer sog. Baumstruktur eines Codebooks, wobei mehrere Ebenen 1 ... 3 ... K, L vorgesehen sind, wobei in jeweils jeder Ebene Plätze entsprechend der Zweierpotenz der Ordnungszahl der betreffenden Ebene für Spektren vorhanden sind. Fig. 3 zeigt, wie bereits erläutert, ein schematisches Blockschaltbild für eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Gemäss dieser Anordnung wird zunächst in einer Analysestufe ein spektraler Parameter mit Hilfe eines Signalprozessors oder einer anderen geeigneten Hardware-Schaltung bestimmt. Als spektrales Parameter kommen zum Beispiel die Reflexionskoeffizienten bei der sog. LPC-Methode oder die Energiewerte von Filterbänken in Frage. Jeder der gewonnenen Parameter wird kodiert, vergl. Fig. 4, wobei jedem Parameterwert P. ein Code C. mit einer vorgege 1 1 benen Länge Li zugeordnet werden kann. Die Gesamtheit der Codes Ci ? wird zu einem Gesamtcode Cg mit der Länge Lg = z Li zusammengefasst. Dieser Gesamtcode wirkt als Adressensignal auf einen Nur-Lesespeicher ROM. Dieser Nur-Lesespeicher ROM enthält als Inhalt die zu dem betreffenden Spektrum gehörende Nummer des Codebook-Spek trums der K-ten Ebene (Prinzip des sog. Hash-Coding). Falls aus dem Gesamtcode Lg nicht eindeutig auf ein Godebook g Spektrum geschlossen werden kann, ist die Möglichkeit gegeben, dass das ROM mehrere mögliche Nummern für die Codebook-Spektren der K-ten Ebene zur Verfügung stellt. Die Nummern der ausgelesenen Codebook-Spektren dienen als Zeiger des Codebook-Speichers, der den Baum von der K-ten Ebene ab enthält. Damit wird ein Einstieg in die K-te Ebene des Baumes erreicht. Die endgültige Bestimmung des Codebook-Spektrums in der L-ten Ebene erfolgt in einer Vergleichseinheit mittels einer sog. Baumsuche. Die: Vergleichseinheit kann aus einem Signalprozessor, vorzugsweise einem Mikroprozessor, oder einer geeigneten Hardware-Schaltung bestehen. 6 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung von Sprachspektren für die automatische Spracherkennung und Sprachcodierung, bei dem ein sog. Codebook-Baum, nämlich eine binär verzweigt orientierte und damit binär codiert adressierbare Anordnung von sog. Codebook-Spektren, mit L Ebenen, die 2L Spektren enthält, benutzt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass in einer Analysestufe (A), der ein zu analysierendes Sprachsignal zugeführt wird, zunächst vorzugsweise mit Hilfe eines Signalprozessors (S) den jeweils betreffende- spektrale Parametersatz bestimmt wird, dass jeder gewonnene Parametersatz mit Parameterwerten Pi in einer Codierungsstufe (C) binär codiert wird, wobei jedem Parameterwert P. ein Code Ci zugeordnet wird, dass die Gesamtheit der zu bewertenden entstandenen Codes ( tCi i ) zu einem Gesamtcode (Cg) zusammengefasst wird, dass der Gesamtcode (C ) als ein Adres g sierungssignal für einen Nur-Lesespeicher ROM, nämlich ein sog. Hash-ROM (H), verwendet wird, wobei das Hash-ROM (H) als Speicherinhalt die zu dem erforderlichen Spektrum zugehörigen Nummern der Codebook-Spektren in einer Ebene des Codebook-Baumes, beispielsweise der K-ten Ebene enthält, dass die Nummern der Codebook-Spektren als Zeiger des Codebock-Speicherteils, der den Codebook-Baum von der K-ten Ebene ab enthält, benutzt werden und dass nachdem auf diese Weise ein Einstieg in die K-te Ebene des Codebook Baumes ermöglicht worden ist, eine endgültige Bestimmung des Codebook-Spektrums in der L-ten Ebene des Codebook Baumes mittels einer Vergleichseinheit (V) auf dem Wege einer sog. Baumsuche durchgeführt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch C e k e n n z e i c h n e t , dass als Parameter P. die Reflexionskoeffizienten bei Verwendung des sog. LPC-Verfahrens verwendet werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass als spektrale Parameter P. die Energiewerte von benutzten Filterbänken verwendet werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem Hash-ROM (H) mehrere mögliche Nummern für die Codebook-Spektren der K-ten Ebene enthalten sind, die für den Fall bedarfsweise verwendet werden, dass aus dem Gesamtcode (C ) nicht eindeutig auf g ein Codebook-Spektrum geschlossen werden kann. 5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vergleichseinheit (V) einen Signalprozessor enthält. 6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daE die Vergleichseinheit (V) als Hardware-Schaltung realisiert ist.

Inventors: HOGE, HARALD, DR. PHIL. NAT., Höge, Harald, Dr. phil. nat.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: G10L7
IPC codes: G10L11, H03M7, G10L15, G10L19