专利名称：具音乐旋律的语音合成器的制作方法
技术领域：
本发明有关一种语音合成器，尤指可具有旋律输出的语音合成器。
语音合成器、旋律产生器或两者的组合，可运用于许多工商业设备中。
传统旋律产生器，如
图1所示，包含一起始只读存储器(STAETROM)11、旋律只读存存器(MELODY ROM)19、速度计数器(TEMPOCOUNTER)13、节拍计数器(RHYTHM COUNTER)15、地址计数器17、音色计数器(ENVELOPE COUNTER)12、音阶计数器(TONE COUNTER)14、数字/模拟(D/A)转换器16、混音器(MIXER)18及一振荡器(OSC)10。此产生器于混音器18输出一被触发的旋律信号181。
因应不同的触发信号TGI...TGn，旋律只读存储器19内的对应旋律被选择输出。起始只读存储器11储存每一旋律的速度(tempo)及其起始地址，其数据结构的安排如图2所示，由触发信号TGn所选择到的起始地址111被地址计数器17所接收，地址计数器17由时钟信号CLK推动，并送出地址信号171一个个地去读取旋律只读存储器19内的内容。
旋律只读存储器19储存合成顺序中每一音符的数据，如节拍(RHYTHM)、连音(TIE)及音阶(TONE)，其数据结构如图3所示。
在TGn信号进来选择起始只读存储器11时，同时决定速度(tempo)，其代表旋律的进行速度。而旋律只读存储器19内的节拍值则决定特定速度(TEMPO)下每一个音符(NOTE)的节拍。
速度计数器13，由速度信号113所设定，其接收一基本时钟101，并因应速度信号值将基本时钟101除频。当速度信号113值愈大，由速度计数器13输出的系统时钟131的频率值愈低。当系统时钟131的频率值愈低，导致节拍计数器15的输出信号151的频率也跟着变低，因此旋律输出181的速度跟着慢下来。
所读取的节拍数据191被输出供设定节拍计数器15。当此值所代表的特定相对时距(duration)的音符结束时，节拍计数器15输出信号151的状态发生一次变化，因而将地址计数器17的值加壹。因此，旋律的每一音符依序地被读取，直到遇到旋律只读存储器19内的一结束(END)数据值。
音阶计数器14接收旋律只读存储器19内的音阶数据193，并受时钟CLK2信号驱动，产生如图5所示的输出(OUT)信号。在图5中，每一方波信号的频率对应一存于旋律只读存储器19内的一音阶值。
音色(Envelope)计数器12接收旋律只读存储器19内的连音(TIE)数据192，并受时钟CLKI信号驱动，产生一数字音色(ENV)信号。此音色信号输入D/A转换器16，而输出一摸拟信号，如图4所示。此信号于是与输出(OUT)信号于混音器18作混音，以产生如图6所示的旋律输出181。在图4所示的例子中，第三音符与第四音符相连音(tied)，而其它音符没有相连音。
显然，为了产生旋律输出，如图1所示的电路相当复杂，且成本相对偏高。
如图7所示，典型的语音合成器，包含控制电路71、只读存储器(ROM)73、语音产生器75、D/A转换器77及一振荡器79。
由图7及图8可知，只读存储器73具有三大段，为起始地址段(START ADDR)731，合成顺序段(GO COMMAND)732、及语音数据段(SPEECH DATA)733。此三者的数据结构的读取路径示意于图8(A)、8(B)、8(C)中。
起始地址段731的功能与图1中的起始只读存储器11相同，其存有每一触发信号TGn对应的属性数据及起始地址。合成顺序段732存有触发信号所对应的合成顺序中每一基本语音单元的数据长度、数据地址及数据属性(data attribute)。数据属性可包括熟知的语音输出(playback)频率、位元组长度、发光二极管(LED)控制信号。如熟知的方法，语音输出频率值可供用来控制语音产生器75的运作速度，因而控制输出771的放送速度。语音数据段733存有每一基本语音单元供合成目的的数据。
举例而言，如果在只读存储器73内烧录有一语音方程式(spee-ch equation)TGHEAD+2*SOUND1+SOUND2+TAIL。而在起始地址段731内的起始地址存有地址值00，供读取此一语音方程式TG。在合成顺序段732的地址00处，则存有第一个语音单元HEAD的数据属性、数据长度、数据地址。而地址01处，则存有第二个语音单元SOUND1的数据属性、长度及地址，以此类推。另一方面，语音数据段733分别存有对应HEAD、SOUND1等的语音数据。语音数据段733可进一步存有一段代表没有语音输出的一组数据，或称静音(silence)。
D/A转换器77对应TGHEAD+2*SOUND1+SOUND2+TAIL的输出例具有如图9所示的形状。其中，HEAD使输出信号由零提升至一中间值，此值使一外部信号放大晶体管的偏压于一操作区。而当遇到TAIL时，输出信号则降低至零。
但上述的语音合成器只适用于合成语音的产生。
依据目前熟知技术，有几个不同方法可使一片集成电路分别产生旋律及语音。
例如，如图10所示，在单石晶片10内以背对背方式将旋律电路101及语音电路103连结。但，各单一电路的运作却互相独立，因此，此种方式并没有实质上的优点。进一步而言，这种方式如要同步旋律电路101与语音电路103是非常困难的。
例如，如图11所示，振荡电路111及控制电路112为语音电路115及旋律电路117所共用。但此种规划方式，并没有进一步电路的节省，且两者同步依然是个问题。
例如，如图12所示，在单晶片12同时作有旋律只读存储器120及语音只读存储器122，两者以标记M.S区别。此一设计的优点在两者的分别运作易于同步，以及两者可输流运作。但是，却不容许同时地输出语音及旋律。此因两者使用一共同的数据只读存储器其包含旋律120及语音122只读存储器，在任何一刻只有一旋律数据或语音数据可被读取。
而在美国专利4,613,985中披露一合成器，可供产生旋律。其包含一存储器供储存语音及旋律的合成顺序，包含一合成语音产生器及一旋律产生器。旋律产生器是以合成语音的形式产生旋律。
本发明的目的是为解决现有技术中上述问题而提供一种语音合成器，其能同步的产生一合成语音并混合有一旋律。
本发明提供的合成器，包含控制装置，供产生多个控制信号，并因应一触发信号，产生一地址信号，该触发信号对应多个基本语音单元的一合成顺序；存储装置，供储存对应该合成顺序之一多数个数据，并，因应该地址信号，依序输出该多数个数据，其中每个数据包含一对应音阶值；一音阶计数器，因应一时钟信号及该音阶值，供产生一音阶控制信号；语音/旋律产生装置，输入该多数个数据，并，因应该控制信号及音阶控制信号，选择性地产生合成语音或旋律、或混合产生语音及旋律。
本发明的目的、优点及特征将通过实施例，结合附图进行详细说明。
附图简要说明图1示意一熟知旋律产生器。
图2示意图1中起始只读存储器的数据结构。
图3示意图1中旋律只读存储器的数据结构。
图4示意图1中D/A转换器16的输出信号。
图5示意音阶计数器的一输出信号(OUT)。
图6示意图1混音器18的旋律输出。
图7示意一熟知的语音合成器。
图8分别示意图7中起始只读存储器、合成顺序段及语音数据段的数据结构。
图9示意一语音输出。
图10示意一熟知的语音/旋律产生器。
图11示意另一熟知的语音/旋律产生器。
图12示意另一熟知的语音/旋律产生器。
图13示意本发明的一实施例。
图14分别示意图13中起始只读存储器、合成顺序段及语音数据段的数据结构。
图15(A)、(B)分别示意没有旋律或具有旋律的语音输出。
图16(A)、(B)分别示意没有旋律或具有旋律的语音输出，旋律具有两个不同的音阶。
图17示意一语音输出，其前段混以一旋律，后段则无旋律。
图18示意合成语音信号A的低频旋律。
图19是D/A转换器输出的信号。
图20示意一纯旋律信号。
如图13所示，本发明包含一控制器131、一存储器133、一音阶计数器135及一语音/旋律产生器137。
控制装置131产生多个控制信号13C，并因应一触发信号TRn，产生地址信号132去读取存储器133内所对应合成顺序多数个数据的起始地址。控制信号13C用来供起动其它电路，如振荡器13B，语音/旋律产生器137及相关电路。
存储器133存储对应合成顺序的多数个数据，此数据代表触发信号所对应的合成顺序、以及语音旋律方程式(speech melodyequation)中每一基本语音单元的一对应属性，如数据属性、音阶值、数据长度及语音数据所在地址。其详容后面再述。
音阶计数器135，因应一时钟信号134及一音阶值136，产生一音阶控制信号138。
语音/旋律产生装置137，输入存储装置133中的数据139，并，因应该控制信号13C及音阶控制信号138，选择性地产生合成语音或旋律、或混合产生语音及旋律。
如图14所示，存储器133是一只读存储器(ROM)，其具有三大段，起始地址段(START ADDR)141、合成顺序段(GO COMMAND)143及语音数据段(SPEECH DATA)145。每一段内的数据结构及其读取路径详细示意在图14(A)、(B)、(C)中。
起始地址段141的功能与图1中的起始只读存储器11相同，其存有所选取的语音旋律方程式的属性数据及起始地址。合成顺序段143不但存有每一被读取基本语音单元的对应数据属性、长度、及地址，并存有一产生旋律之用的对应音阶值，此音阶值136输出至音阶计数器135，以产生音阶控制信号138，其形状与图5所示者相似。音阶计数器135，其可为一可设定的向上或向下计数器(up-counter or down-counter)作为一除频装置。在音阶数据值136进入计数器135后，计数器135向上或向下计数，一直到一预设值，在此时，音阶控制信号138的状态变更，且音阶值136重新被输入。计数器135重覆上述运作以产生一对应此音阶值的波形，一直到一个新的音阶值136被读取并进入计数器135，并另产生一对应此新音阶值的波形。
数据属性包含输出(playback)频率数据、位元组长度、LED控制数据，以及一旋律(MELODY)参数值，其功能容后面详述。语音数据段145储存多组数据值，每一组数据值对应一基本语音单元，供语音合成目的之用。
音阶控制信号138输出至多工器130的控制端，并以一高频于0与1间变动，此高频较语音/旋律产生器137输出信号的频率为高。产生器137的输出或其1的补数(1′s complement)值，由音阶控制信号138所控制，被输出至D/A转换器13A的输入端。
举例而言，当某一刻产生器137输出10110011时，则在此刻内，D/A转换器13A交替地输入10110011或01001100。因此，转换器13A的输入端接收了一个合成语音，其并混以一具变化频率的旋律，其频率值对应音阶控制信号值138。在另一实施例中，亦可采用2的补数据(2′s complement)。
举例言之，当产生器137的输出具有如图15的摸拟形状时，则D/A转换器13A的输出信号13D则具有如图15(B)的形状，此系音阶控制信号138进入多工器130所致。
依据本发明，D/A转换器13A的输出可以为一纯语音、一纯旋律或两者同步的混合。数据属性中的输出(playback)频率值以熟知方式被用来控制合成语音的速度，因此亦可同步控制所产生旋律的速度(tempo)。被读取基本语音单元的数据长度值被用来控制语音合成的数据点数，并，间接地，控制所产生音符的节拍(rhythm)。语音波形则被用来控制旋律的振幅(amplitude)，亦即，控制旋律的音色(envelope)。本发明因为语音及旋律能自动地同步，上述的优点才得以实现。进一步言，依据本发明，将多个基本语音单元按不同顺序组合起来，可得到多种变化的合成语音波形，而间接地，得到多种变化的旋律音色。
在图16(A)的输出例子中，是合成顺序段143中的相同合成顺序被依序读取时，产生连续两段语音输出。但在图16(b)之例中，第一段语音混以较高频的旋律，第二段语音则混以较低频的旋律。针对不同的需求，可将同一合成顺序配合不同的音阶值烧录于合成顺序段143中。
在图17的输出例子中，第一段语音混以某一旋律，第二段语音则没有旋律。本发明可轻易地选择要有旋律或不要旋律。例如，前述的旋律(MELODY)参数位元，可供用来控制音阶计数器135。例如，当旋律参数值为1时，使音阶计数器135输出控制信号138至多工器130，如此即可得到旋律。而当其值为0时，使音阶计数器135的输出保持不变，于是多工器130被禁止(disabled)，就没有输出旋律。
如果要产生旋律而不产生语音，亦有多种方式可达成。举例言之，可在语音数据段145内某一段地址区中提供一静音单元，并设定此静音单元由某一数据所在特定地址值所读取。当此静音单元被读取时，D/A转换器13A的输出具有如图19所示的形状。然而经由音阶控制信号138的控制，一个如图20所示的纯旋律信号即可得到，在另一实施例中，亦可设定一特定地址值，使其值没有对应的实体(physical)存储器145，如此亦可得到所要的静音输出。
在图18的例子中，可由所示的合成语音信号A产生或模拟出低频的旋律，而如果合成语音信号A混以较高频的旋律信号B时，其结果即可被视为一复频旋律信号。
举例而言，当合成顺序段143中的语音旋律方程式HEAD+2*SOUND1+SOUND2 #D+SOUND1+SOUND3 C+TA1L被触发而选择时，SOUND2基本语音单元被混以一具有音阶#D的旋律而输出，而SOUND3基本语音单元被混以一具有音阶C的旋律而输出，但SOUND1则为纯语音。其中#D代表高一阶的Re，C代表正常的Do。易言之，一个基本语音单元没有对应的音阶值时，即表示上个旋律应即刻结束，达到语音、旋律互相同步的效果。
权利要求
1.一种合成器，包括控制装置，供产生多个控制信号，并因应一触发信号，产生一地址信号，所述触发信号对应多个基本语音单元的一合成顺序；存储装置，供储存对应所述合成顺序的一多数个数据，并，因应所述地址信号，依序输出所述多数个数据，其中每个数据包含一对应音阶值；一音阶计数器，因应一时钟信号及所述音阶值，供产生一音阶控制信号；语音/旋律产生装置，输入所述多数个数据，并，因应所述控制信号及音阶控制信号，选择性地产生合成语音或旋律、或混合产生语音及旋律。
2.如权利要求1所述的合成器，其中，存储装置进一步包括数据储存装置，供储存每一基本语音单元所对应的一合成用数据。
3.如权利要求1所述的合成器，其中，语音/旋律产生装置包括一语音产生器，其与存储装置连结，供产生合成语音；一选择装置，输入合成语音及其补数值，并，因应所述音阶控制信号，选择性地将合成语音及其补数值输出至选择装置的一输出端。
4.如权利要求1所述的合成器，其中，存储装置储存每一基本语音单元的一数据属性、所述音阶数据、一数据长度及一语音数据所在地址。
5.如权利要求4所述的合成器，其中，数据属性包括一输出频率值，此值供控制语音合成的速度及所产生旋律的速度。
6.如权利要求4所述的合成器，其中，数据属性进一步包括一旋律参数值，供致动音阶计数器并控制语音合成及旋律产生之间的同步运作。
7.如权利要求4所述的合成器，其中，所述数据长度供控制所产生旋律的节拍。
8.如权利要求1所述的合成器，其中，所述合成语音具有一波形，此波形亦为所产生旋律的音色。
全文摘要
具音乐旋律的语音合成器，包括控制装置，供产生多个控制信号，并由一触发信号，产生一地址信号，该触发信号对应于多个基本语音单元的一合成顺序；存储装置，供储存对应该合成顺序的一多数个数据，并，由该地址信号，依序输出包含对应音阶值的多个数据；一音阶计数器，供产生一音阶控制信号；语音/旋律产生装置，输入该多个数据，并，由控制信号及音阶控制信号，选择性地产生合成语音或旋律、或混合产生语音及旋律。
文档编号G10L13/00GK1132385SQ9510363
公开日1996年10月2日 申请日期1995年3月28日 优先权日1995年3月28日
发明者林京元 申请人:华邦电子股份有限公司