用于改变音频信号音质和或进行音调控制的方法和装置的制作方法

专利名称：用于改变音频信号音质和/或进行音调控制的方法和装置的制作方法
发明的领域本发明一般来说涉及电子音频效果，具体地说，涉及改变音频信号的音质和/或进行音调控制的音乐效果。
发明的背景在任何一种周期性的音符中，一般都具有一个基频，它决定该音符的音调，还有许多谐音。这些谐音提供了该音符的特性或音质。该多个谐音频率与该基频的特定组合可使，例如，吉它和小提琴演奏彼此不同的同一音符的声音。该基频分量的振幅与一个乐器或声音产生的该多个谐音的振幅的相互关系称为谱色线。在诸如吉它、长笛或萨克斯管一类乐器中，当音符的音调调高或调低时，该乐器奏出的该音符的谱色线会成比例地，或多或少地扩展和收缩。
各种电子音调改变器可产生各种音乐效果，它们接收一个输入音符，并产生一个具有不同音调的输出音符。通常，可利用这些效果使单一一个音乐家演唱等如同几个音乐家演唱一样。对于多个乐器，可以对由该乐器发出的声音进行采样和记录，然后，用比记录该多个采样的速率高或低的速率，将所采样和记录的声音奏出，而改变音符的音调。用这种方法产生的各种输了音符发出的声音相当自然，因为各种音调变化后的声音的谱色线与该乐器产生的声音如何随着音调变化的谱色线极其相似。
与各种乐器产生的音符相反，口头发声的音符的音调改变时，该口头发声音符或声音的谱色线不会成比例地改变。然而，构成这个谱色线的各个单个频率的相对大小可以改变。当唱歌或说话时，通过对音符的采样，改变一个口头发声音符的单调，并且以不同的速度将该多个采样奏出时所发出的声音不自然，因为该处理与音调变化量成比例地改变该谱色线的形状。为了逼真地改变一个口头发声声音的音调，需要一种方法，该方法可以改变基频，而只是轻微地改变谱色线的总的形状。
在我们先前的专利5231671号(“671专利”)中描述了一种装置，该装置可以改变口头发声音符的音调，用以实时地产生各种谐音。在“671专利”中所描述的音调改变方法是由刊登在“计算机音乐杂志”第13卷，第4期(1989)的兰特，K(Lent，K.)的一篇文章“数字采样声音的音调改变的一种有效方法”(“兰特方法”)改编而来的。该兰特方法可以不改变谱色线而改变一个数字采样声音的音调。简要地说，该兰特方法可以通过利用比基频输入音符较快或较慢的速率重现一个存贮输入信号的各个部分来改变一个口头发声音符的音调。虽然这种改变口头发声音符音调的方法工作良好，但该音调改变的音符的声音不完全自然，因为当音符的音调改变时，该谱色线保持固定不变。
如上所述，存在着二个利用电子方法改变一个音符音调的方法。第一个方法称为重新采样法。它可以与音调改变量成比例地改变谱色线。第二个方法称为兰特方法。它不管音调改变量如何，或多或少地保持着该谱色线。这两种方法都不能使该谱色线以可控制的方式进行改变。因此，需要有一种与音符的音调无关的改变一个音符的谱色线的方法。利用这种方法，可以产生更逼真的各种谐音。另外，通过改变音符的音质，同时改变或不改变输出音调，可以使一种乐器的声音象另一种乐器的声音，或者一个人的声音象另一个人的声音。
发明梗概为了改变口头发声音符和各种乐器产生的音符的音质，本发明通过改变信号的采样速率和根据兰特方法进行音调改变，使用了一种改变音调的新的组合方式。在优选实施例中，输入信号用第一种速率采样，而所产生的数字表达存贮在缓冲存贮器中。然后，用由使用者决定的第二种速率，对所存贮的数字输入信号重新采样。该重新采样的输入信号再存贮在第二个缓冲存贮器中。然后，利用一个窗函数，以和理想的输出音符的基频相等的速率，对该重新采样的输入信号进行定标，可以改变该重新采样输入信号的音调。假如希望只改变音符的音质，不改变音符的音调，则窗函数用以给该重新采样的输入信号定标的速率与该输入音符的基频相同。假如希望改变输出音符的音调及其音质，则窗函数用以给该重新采样的输入信号定标的速率与该输入音符的基频不同。
根据本发明的另一方面，说明了一种音乐效果发生器。该发生器可以改变一个输入音频信号的音质和/或音调，使它与在MIDI通过上接收的音调匹配。最好，该音乐效果发生器与一个MIDI卡拉OK系统一起使用。该卡拉OK系统可向该音乐效果发生器提供一连串的旋律或谐音音符。该音乐效果发生器阅读在MIDI通道上的音符，并且自动地将音质改变的量赋与该音符。通过将谐音音符的音调与一个或多个阈值，或与从一个该卡拉OK系统使用者处接收的一个输入音频信号的音调进行比较，可以实现这种赋与。分派给每一个音符的音质的量可使各种谐音音符的声音与输入的音频信号不同，或者，假如音调升高或降低时，可以模仿该输入音频符号是如何改变的。
附图的简要说明本发明的上述各个方面和附带的许多优点参考下列结合附图进行的详细说明将更快地明了和更好地理解。其中，

图1A～1D为各种有声信号的谱的有代表性的图形，它们表示作为先前技术的音质/音调改变方法的结果，以及本发明的音质/音调改变方法的结果，各种谱色线是如何改变的；图2A为本发明所进行的，用于改变一个输入音符的音质和/或音调的多个步骤的流程图；图2B为由本发明所进行的，用于从一个输入口头发声音符中产生音质改变的，各种谐音音符的多个步骤的流程图；图3为用于根据本发明的方法产生各种声音谐音的一种音乐效果发生器的方框图；图4A和图4B为一些图形和相应的存贮器流程图，它们表示根据本发明的方法的步骤，一个输入的有声信号是如何被重新采样的；图5为表示根据本发明的方法编程的一个数字信号处理器所能发挥的功能的方框图；图6为表示在该数字信号处理器内的一个加窗的音频发生器所发挥的各种功能的方框图；图7A和7B为根据本发明的改变一个数字采样有声信号的音调的方法的图形表示；图8A和8B表示根据本发明的方法，汉宁(Hanning)窗是如何产生和存贮在存贮器中的；和图9A和9B为动态地选择加在一个音符上的音质改变量的音乐效果发生器的方框图。
优选实施例的详细说明本发明提供一种用于改变一个音符的音质的系统，该系统比已知的各种系统产生的音质改变更逼真。本方法的最简单的形式可以用来改变一个音符的音质，但不改变音符的音调。例如，可以利用该方法使由一个男声唱和说出的有声信号好象是由一名妇女唱或说同一音符一样。除了改变一个音符的音质之外，本发明的方法可以用来改变一个音符的音调和音质。例如，可以利用本发明使由一个女声唱出的一个音符象由一个男声唱出的另一个音符一样。最后，可以利用本发明的当前的优选实施例，从一个输入音符中产生音质改变的、各种谐音音符。虽然，下面的说明最初是针对从一个输入的口头发声音符产生不同的谐音音符的，但可以理解，该音符不需要一定是一个口头发出的音符，可以从任何一个声源产生，并且输出音符不需要一定是与输入的音调不同或与输入音调谐和的。
图1A～1D比较了当根据先前技术的方法和采用本发明的方法改变音符的音调时，一个口头发声音符的谱色线是如何改变的。图1A表示一个频谱30a，它是一个典型的口头发声音符的代表。该频谱的总的形状由一个开多个共振峰或顶峰32a决定。该口头发声音符的特性或音质由该音符和各个谐音的基频的相对大小和位置决定(用多个箭头34a表示)。
为了逼真地改变一个口头发声音符的音调，必需改变音符的基频，同时保持谱的共振峰接近原来的口头发声音符的共振峰。图1B表示一个音调改变了的口头发声音符的频谱30b。该频谱30b为在拥有如图1A所示的频谱的音符以下的五度音程的一个音乐片段。具有频谱30b的音符是通过放慢采样的原来的口头发声音符的播放速率而产生的。可以看出，由多个共振峰32b和多个单独的谐音34b决定的整个谱色线被压缩，并向较低的频率偏移。共振峰偏移的结果使该音调改变了的口头发声音符声音不自然。
图1C表示一个音调改变了的口头发声音符的频谱30c。该频谱30c是在具有图1A所示的频谱的音符以下五度音程的一个音乐片段，并且是根据上述“671专利”所述的方法产生的。具有频谱30c的该音调改变了的口头发声音符是通过以比原来的输入口头发声音符的基频低的速率重现该输入口头发声音符的一部分而产生的。在频谱30c中，只有各个谐音34c的频率改变，如在“671专利”中所述那样。频谱的总的形状保持与图1A所示的频谱一样。具有频谱30c的音调改变了的口头发声音符声音比具有图1B所示的频谱30b的音符所产生的音调改变的口头发声音符声音自然得多。然而，该音调改变了的口头发声音符声音仍然不完全自然。利用在“671专利”中所述的方法所产生的音调改变的口头发声音符力图具有与产生该音调改变的口头发声音符的输入有声信号非常相似的音质。因此，所有音调改变的口头发声音符声音就好象该原来的口头发声音符声音的各种变化形式一样。
为了用一种逼真的方式改变一个音符的音质，本发明采用对音调改变进行重新采样和“671专利”所述的方法的一种新的组合方式。在对音调改变进行重新采样时，口头发声音符的播放速率改变。结果是可使音质改变的音符声音更低沉和更男性化，或更高和更女性化。
图1D表示一个音调改变了的口头发声音符的频谱30d。该频谱30d具有一个频率，该频率是具有图1A所示频谱的输入口头发声音符以下的五度音程的一个音乐片段，并且是根据本发明的方法产生的。如下面将要详细说明的那样，相应于频谱30d的音调改变了的口头发声音符是通过以比原来的采样速率稍慢的速率，对事先存贮的输入口头发声音符进行重新采样，并将该重新采样的数据存贮在缓冲存贮器中而得到的。然后，用与该输入音符的音调以下的五度音程的基频相等的速率再现该重新采样数据的一部分。可以看出，频谱30d稍微被压缩，但仍与原来的频谱30a相似。结果是音调改变的口头发声音符声音自然，但不象该原来的输入音符的一个再现形式。
本发明的从一个输入信号产生一个音质和/或音调改变的输出信号的几个主要步骤在图2A所示的流程图中提出。该方法在步骤50处开始。在步骤50处，模数转换器以第一种速率对一个输入信号进行采样。该输入信号可以由一个乐器，例如长笛、吉它等产生，可以为使用者说话或唱歌发出的口头发声音符，或者可以由一个数字声源，例如，合成器产生。在对输入信号采样后，在步骤52，将该输入信号的相应的数字表达存贮在一个数字存贮器中。接着，用与该输入信号原本采样的第一种速率不同的第二种速率，对该存贮的输入信号进行重新采样。重新采样的速率可以固定在比原来的采样速率大或小百分之几的数值。另一种可供选择的办法是，可由使用者选择该重新采样的速率。
在步骤56，将该重新采样的数据存贮在一个数字存贮器中。最后，在步骤58，通过用一个与理想的输出信号的基频相等的速率。再现该重新采样数据的一部分，可以产生音质改变了的输出信号。例如，假如只希望改变一个输入信号的音质，则用以再现该重新采样数据的一部分的速率与该输入信号的基频相等。另外，可能希望改变该输入信号的音质和音调，在这种情况下，用以再现该重新采样数据的一部分的速率与该输入信号的基频不相同。最后，对于在谐和效果发生器中使用本发明的方法的情况，用以再现该重新采样数据的一部分的速率可以设定为一个基频，该基频与该输入信号的基频呈谐和相关的关系。
在本发明的当前实现中，采用了音质改变技术从一个使用者唱出的输入口头发声音符中产生多个谐和音符。因此，虽然以下的说明是针对产生各种音质改变的，谐和的口头发声音符的，但可以理解，本发明的方法也可用于只改变一个输入信号的音质，或者用与该输入信号的音调不谐和相关的方法去改变输入信号的音质和音调。
图2B为在本发明中进行的用以产生音质改变的各种有声谐音的各种主要步骤的流程图。本方法在步骤60处开始。在步骤60，用一个第一种速率对模拟输入口头发声音符进行采样，并使其数字化。在步骤62中，将各个数字采样存贮在第一个缓冲存贮器中。在步骤64，对存贮的采样进行分析，以决定该输入口头发声音符的音调。在决定了音调之后，在步骤66选择由该输入口头发声音符产生的各种谐音音符。为一个给定的输入音符产生的特定的谐音音符可以由使用者预先编成程序，单独选择，或由一个外部声源，例如一个合成器，一个序列给定器或一个外部存贮装置，例如一个计算机盘，一个激光盘等接收。
在选择了谐音音符之后，在步骤68决定由使用者选择的采样速率增加或减少的百分数。为了赋与该谐音音符更加女性化的品质，可以增加采样速率，或为了产生具有更男性化的声音的谐音音符，可以降低该采样速率。
在步骤70，以使用者选择的新的速率对在步骤62中存贮的数字化输入口头发声音符进行重新采样。该重新采样的数据存贮在第二个缓冲存贮器中。例如，假如使用者已经选择要减小采样速率，则在该第二个缓冲存贮器中，数据采样较少，从而减少了存贮该数字化输入口头发声音符所需要的存贮量。同样，假如使用者已经选择要增加采样速率，则需要用一个比原来对该数据进行采样的速率较高的速率，对该第一个缓冲存贮器中的数据进行重新采样。因而，需要更多的采样，和增加在第二个缓冲存贮器中存贮该数字化输入口头发声音符所需要的存贮量。当该数据占据较多的存贮空间时，假设从存贮器中读出该采样的速率保持一样，则该音符的音调会降低。
在步骤72中，将该重新采样的数据存贮在第二个缓冲存贮器中。最后，在步骤74，通过用与在步骤66中选择的不同谐音音符的基频相等的速率，再现该重新采样的输入口头发声音符的各个部分，可以产生各种谐音音符。
现在转至图3，根据本发明的方法产生音质改变了的各种谐音音符的一个音乐效果发生器100接收由使用者唱出的一个输入口头发声音符105。一般，该音乐效果发生器具有一个微处理器或CPU138。该微处理器或CPU138与一个数字信号处理器(DSP)180和随机存取存贮器(RAM)121相互联结，以产生许多谐音音符105a，106b，105c和105d。这些谐音音符与输入口头发声音符组合，以产生一个多声音的输出，如下面详细描述的那样。
微处理器138包括其自身的只读存贮器(ROM)140和随机存取存贮器(RAM)144。一组输入控制148与该微处理器连接，使得使用者可以改变该音乐效果发生器的各种操作参数。这些参数包括选择对于一个给定的输入音符将产生那些谐音音符和各谐音音符在右端和左端立体声通道之间的分布。
微处理器操纵一组显示器150。各个显示器提供了一种视觉指示。表明该音乐效果发生器是如何工作的和使用者选择了什么程式。一个或多个MIDI口154与该微处理器连接，使该音乐效果发生器可从其它的MIDI兼容的乐器或各种效果中接收MIDI数据。MIDI口的详细情况一般对技术普通熟练的人们是众所周知的，因此不需要进一步详细讨论。
最后，该效果发生器还包括二个“性别改变”控制156。该性别改变控制可使得使用者能选择加在所产生的每一个谐音音符上的重新采样的音调改变量。下面将更全面地讨论该二个性别改变控制的工作。
数字信号处理器180为一特殊的计算机芯片，它可完成许多功能。操纵该数字信号处理器的程序编码放在ROM141中。ROM141是与该微处理器连接的ROM140的一部分。在该音乐效果发生器启动时，微处理器138将相应的计算机程序装入该数字信号处理器，以便根据本发明的方法产生各种谐音音符。
音乐效果发生器100包括一个麦克风110。麦克风110接收使用者的输入口头发声音符，并将该口头发生音符转换为一个相应的模拟电气有声信号。输入的有声信号也称为“干的”音频信号。该输入有声信号送至一个低通滤波器114。低通滤波器114去除高频，外来噪声。经过滤波的输入有声信号传送至一个模数(A/D)转换器118。A/D转换器定期地对该输入有声信号进行采样，并将该输入有声信号转换为数字形式。A/D转换器每次采集一个新的采样，它中断该数字信号处理器(DSP)180的工作，促使DSP去读取该采样并将该采样存贮在第一个缓冲存贮器122中。第一个缓冲存贮器122为该音乐效果发生器的随机存取存贮器的一部分。
一旦输入的有声信号被采样和存贮在该第一个缓冲存贮器122中，则数字信号处理器180实现一个音调认别程序188。音调认别程序188分析存贮在缓冲存贮器122中的数据，并决定该输入有声信号的音调。用于决定一个音符音调的方法在我们的美国专利4688464号中作了充分的说明，这里引入这个专利供参考。为了这种说明的目的，一个音符的“音调”和“基频”二个术语是可以互换的。由该输入口头发声音符的音调，可以计算该音符的周期。
通常，一个音符的周期简单地是其基频的倒数，用秒表示。然而，在本发明的当前实施例中，要根据存贮该输入有声信号的一个完整循环所需要的存贮位置数目来计算和存贮该周期。例如，假如在48千赫(1/440×48000)下采样，则440赫兹(HZ)的音符A的一个完整循环占据109个存贮位置。因此，440赫的音符A的周期以109存贮。除了决定一个音符的音调和周期之外，该数字信号处理器还计算一个周期标志。该周期标志为存贮器中一个位置的指针，而该输入有声信号的一个新循环是在该存贮器位置开始的。开始，设置该周期标志去指出存有该输入口头发声音符的缓冲存贮器的开始位置。通过将在输入有声信号一个单一循环(即一个周期)中的数据采样数和先前的周期标志相加，可以计算依次的各个周期标志。当指示下一个拥有的存贮位置减去一个小的滞后的写指针超出新的周期标志要指示的位置之外时，该周期标志被更新。数据信号处理器(DSP)180利用这些周期标志去产生多个谐音音符，这将在下面说明。
音符认别程序188的结果，即存贮在第一个缓冲存贮器122中的该输入有声信号的音调信号，送至微处理器138。在该微处理器的ROM140内有一张查找表。该查找表使一个输入有声信号与一个MIDI音符建立联系。在本发明的当前优选实施例中，每一个MIDI音符被赋予一个0和127之间的一个数。例如，440赫的音符A为MIDI音符数69。假如一个输入信号不是准确地在音调上，则可以将该音符圆整至最接近的MIDI音符，或赋与一个小数的数目。例如，一个稍微平坦的440赫的音符A可以由微处理器赋与一个诸如68.887的数。
一旦，该微处理器将一个音符赋与该输入有声信号，则该微处理器决定要产生那些谐音音符。使用者可以单独地对所产生的特定的谐音音符编程，或从一个或多个预先决定的谐音“规则”中选择该特定的谐音音符。例如，使用者可以给该微处理器编程，以产生四个谐音音符。这四个谐音音符是在该输入音符之上的一个三度音程的音乐片段，一个在该输入音符之上的五度音程的音乐片段，一个在该输入音符之上的七度音程音乐片段和一个在该输入音符之下的三度音程音乐片段。另一种可供选择的方法是，使用者可以选择一条规则，例如“弦谐音”规则，该规则经常产生在该输入旋律线之上和之下的各种和音音调的各种谐音音符。下面将可理解，使用一条规则，例如，弦谐音规则，使用者可输入要唱的许多和音，从而使该微处理器可以决定各种正确的和音音调。预先决定的多个谐音规则存贮在ROM140内，并由使用者利用输入控制148驱动。
另一个选择要产生的谐音音符的方法是通过利用MIDI口154。利用该口，该微处理器可以接收一个指示，表明从一个外部声源可产生那些谐音音符。这些音符可以从一个合成器，一个序列发生器或任何一个其他的MIDI兼容的装置接收。该音乐效果发生器100使该输入有声信号偏离，以接收与该多个谐音音符的音调相等的音调。另一种方法是，可以将要产生那些谐音音符的指令存贮在计算机上，或者作为一种子码存贮在一个激光盘上。该激光盘可以与一个卡拉OK或其他娱乐形式的机器一起工作，使得当使用者唱一个卡拉OK歌的歌词时，该卡拉OK机将一个要产生的各种谐音音符的指示送至该音乐效果发生器100。
一旦决定了各种谐音音符，该数字信号处理器180实现一个重新采样子程序192。该子程序192以由该二个性别改变控制156的位置决定的速率，对存贮在该缓冲存贮器122中的该输入有声信号进行重新采样。重新采样的数据存贮在二个缓冲存贮器128中。该二个缓冲存贮器128每一个都带有一个性别改变控制。通过以一个较低的速率进行采样，该各个谐音音符的音质将变得更加女性化。另一种方法是，假如提高采样速率，则该多个谐音音符将变得更加男性化。
图4A表示该数字信号处理器是如何对存贮的输入有声数据进行重新采样，以压缩谱色线并使该输入有声信号的声音更加男性化。模拟输入有声信号105，由该A/D转换器118，在许多相等的时间间隔0，1，2，3……11上进行采样。每一个采样具有一个相应的数值a，b，c……，等。将这些采样作为一个环形数组的各个元素依次地存贮在该缓冲存贮器122内。该环形数组有一个写指针(WP)。该指针总是指在要用新的采样数据填充的下一个拥有的存贮位置上。另外，该数字信号处理器还计算最后的周期标志(pm)122b。该最后的周期标志122b指示，在该缓冲存贮器中，该输入有声信号的一个新循环在那里开始。如下面将要了解地那样，在该最后的周期标志122b和先前的周期标志122a之间的采样数目构成了该输入有声信号的一个循环。
为了压缩该输入有声信号的谱内容，可以用一个比原来采样的速率稍微高一点的速率，对所存贮的信号进行重新采样，并存贮在二个缓冲存贮器128中的一个中(如图3所示)。重新采样的速率由设置该二个性别改变控制156决定。在图4A所示的例子中，该输入有声信号被减慢了25％。这点是通过在一个等于原来采样周期的0.75倍的时间周期上，对存贮在该缓冲存贮器122中的数据进行重新采样来完成的。例如，采样a’，b’，c’，d’……是在时间为0，0.75，1.5，2.25等时取的，并存贮在第二个缓冲存贮器128中。
为了在存贮在该第一个缓冲存贮器122中的各个采样之间的时间上，给数据计算数值，可采用插值方法。在本发明的当前优选实施例中，采用线性插值法。例如，为了给在0.75时间的采样填入数据，该数字信号处理器从缓冲存贮器122中读出在时间1时获得的采样值，将此值乘以0.75，再与在0时间获得的采样值的0.25倍相加。虽然，在本发明的当前实施例中采用了线性插值法，但是其他一些更精确的插值方法，例如样条函数插值法也可以应用，只要在该数字信号处理器180内给定足够的计算能力即可。
一旦对数据进行了重新采样，并存贮在该第二个缓冲存贮器128中，该数字信号处理器计算一个周期标志128b，以指向在缓冲存贮器128中，该重新采样的输入有声信号的一个新循环开始的位置。将周期标122b乘以采样速率变化的百分数可以计算出该周期标志128b。这样，将周期标志122h乘以1.33(1/0.75)，并将结果与在第二个缓冲存贮器128中的先前的周期标志128a相加，即可计算出该新的周期标志128b。通过比较图4A所示的二个缓冲存贮器122和128可以看出，增加该输入有声信号的采样速率的效果是增加了为了保持该输入有声信号的一个完全循环所需要的总采样数目。例如，在缓冲存贮器122中，二个周期标志122a和122b之间的采样数目为12。当将采样速率增加33％时，为了保持该输入有声信号的一个完整循环所需要的采样数目，即在二个周期标志128a和128b之间的采样数目，增加至16。
图4B表示该数字信号处理是如何用一个比该A/D转换器118对该输入有声信号原来进行采样和存贮在缓冲存贮器122中的速率低的速率，对该输入有声信号进行重新采样的。该模拟输入有声信号105再次在许多相等的时间间隔0，1，2，3……11上被采样。每一个采样均有一个相应的值a，b，c……1。这个相应的值存贮在第一个缓冲存贮器122中。计算周期标志122b，以指向标志该输入有声信号的一个新循环开始的存贮器位置。
在图4B中，所示出的采样周期被增加了25％。因此，要在原来的采样间隔的0，1.25，2.5，3.75等倍的时间上，对该输入有声信号进行重新采样。每一个采样具有一个新值a’，b’，c’，d’……1’。假如该采样间隔不是精确地与先前存贮的多个采样中的一个对准时，要利用插值方法去决定该重新采样的数据的值。例如，为了计算在3.75时间上采样d’的值，该数字信号处理器要计算在时间4上获得的数据值的0.75倍，和在时间3上获得的数据值的0.25倍等的和。
另外，一旦对数据进行了重新采样，并存贮在第二个缓冲存贮器128中，则该数字信号处理器用与上述相同的方式，为该重新采样的数据重新计算该最后的周期标志128b。在图4B中可以看出，在原来的输入有声信号的二个周期标志122a和122b之间的采样数目为12。当采样周期增加25％时，在周期标志128a和128b之间只有9.6个采样。因此，为了存贮该输入有声信号的一个完整循环所需要的总采样数目减少了20％。
在本发明的当前优选实施例中，使用者可将采样速率增加或减少+/-33％。可能会存在或多或少的重新采样偏移。然而，对于口头发音的应用场合，已经可以决定，当重新采样的速率设定在-18％和+18％之间时，可以得到最逼真的声音音质改变。
一旦用一个由二个性别改变控制指示的速率对该输入有声信号进行重新采样，并存贮在数据缓冲器128中时，该数字信号处理器(DSP)180重新计算该重新采样的数据的周期。例如，使用者可以演唱一个440赫的A音符，该音符的周期为2.27毫秒(在48千赫下为109个采样)，并且二个性别控制中的一个设定为+10％。当用新的速率重新采样时，该重新采样的有声信号的周期将为2.043毫秒(在484千赫下为98个采样)。这个新的周期被窗生成程序196采用，并用于一个音调改变程序200(如图3中所示)。该音调改变程序200由该数字信号处理器实现，用以产生各种谐音音符。
参见图7，该音调改变程序是通过利用一个窗函数402对存贮在缓冲存贮器中的重新采样的输入有声信号400的一部分进行定标而工作的。这样可减小在该部分开始和结束处的采样数值，而保持在该部分中间的各个采样的值。该窗函数402为一个平滑变化的钟形函数。在本发明的优选实施例中，该窗函数为一个汉宁(Hanning)窗。该窗函数402和该重新采样的有声信号400的该部分一点一点相乘的结果为一信号段406。可以看出，该重新采样的有声信号400包含一系列的尖峰401a，401b，401c等。信号段406包含该重新采样数据的一个完整循环(即一个尖峰)，但其开始和结果束处的值较小。
现在参见图7B，通过将一系列的信号段406a，406b，406c和406d连接在一起，可产生一个谐音音符408。将该谐音音符408与该重新采样的有声信号400(如图7A所示)比较可以看出，当与该重新采样的数据比较时，该谐音音符的尖峰数408a，408b，408c为该重新采样数据的尖峰数的一半。因此，该谐音音符408的声音将在该重新采样的有声信号之下一个八音度。下面将会理解，该要产生的谐音音符的音调决定于将各个信号段加在一起的速率。这些信号段是由该窗函数对该重新采样的有声信号进行定标而获得的。如在“671专利”和兰特(Lent)文章中所述那样，为了将一个音符的音调改变至比在原来音调之下高出一个八音度的任何值，需要将各个重叠的信号段加在一起。下面将会看出，减少信号段开始和结束处的采样值的理由是要防止谐音音符的巨大变化。而这种巨大变化正是将各个重叠的信号段加在一起的结果。
图8A和8B表示该数字信号处理器是如何计算用于产生各种谐音音符的汉宁(Hanning)窗的。上述的窗生成程序196存贮了在四个缓冲存贮器134a，134b，134c和134d(图5)中的四个汉宁窗的数字表达。每一个缓冲存贮器134a，134b，134c和134d都带有四个谐音发生器220，230，240和250中的一个(图5)。缓冲存贮器141在ROM140内，它以256个存贮位置存贮一个标准的汉宁窗。存贮在该缓冲存贮器中的数据值a，b，c，d等可用增大的余弦公式(1-cos(2πx/256))计算，(式中x代表存贮在该缓冲存贮器中的每一个采样)。为了在四个缓冲存贮器134中的一个内，产生一个用于生成各种谐音音符的窗，首先要决定该窗的长度，然后，通过插入存贮在缓冲存贮器141中的汉宁窗的各个值，用新的数据点a’，b’，c’等填入该窗。
图8B为该窗生成程序196(图3)所执行的各个步骤的流程图。从步骤420开始，要决定为了产生该谐音音符要使用那个重新采样的输入有声信号。例如，假设使用者已将该二个性别控制设置为+10％和-10％，当使用音乐效果发生器100时，使用者要选择使用那个重新采样的输入有声信号去产生一个谐音音符。使用者可以规定使用在速率为+10％时重新采样的输入有声信号去产生第一个谐音音符，而使用在速率为-10％下重新采样的输入有声信号去产生另一个谐音音符等。一旦该数字信号处理器决定了使用那个重新采样的输入有声信号去产生不同的谐音音符时，在步骤422，开始要将该窗函数的长度设定为与相应的重新采样的输入信号的周期的二倍相等(用多个采样表示)。接着，在步骤424，将要产生的谐音音符的音调与该重新采样的输入信号的音调比较。假如该谐音音符的音调比该重新采样的输入音符的音调高，则该数字信号处理器进行至步骤426。在步骤426，该数字信号处理器决定在一个正的阈值以上的谐音音符的半音数目(X)。在本发明的当前优选实施例中，该正阈值设定为零个半音。在步骤428，通过将在步骤422计算的缓冲存贮器长度乘以下式2-x/12的结果，将存贮了用于产生该谐音音符的汉宁窗的缓冲存贮器的长度减小(式中，x为谐音音符在该正阈值以上的半音数目)。例如，假如该谐音音符有在该阈值以上的5个半音，则该缓冲存贮器的长度减小一个0.75因子。
假如要产生的该谐音音符的音调在该重新采样的输入音符的音调以下，则该窗的长度可以扩展。在步骤430，该数字信号处理器决定该谐音音符在一个负的阈值以下的半音数目(x)。在当前的优选实施例中，该负阈值为在该输入音符音调以下的24个半音。假如该谐音音符在该阈值以下，则保持该窗函数的缓冲存贮器的长度增加一个与下式结果相等的量2+x/12式中，x为在该阈值以下的半音数目。假如，假如要产生的谐音音符为在该输入音符的音调以下的29个半音，则x＝5和保持该窗函数的缓冲存贮器的长度增加一个因子1.33。
在步骤434，要决定该窗函数的长度是否增加至一个比用于存贮该窗函数所要的存贮量大的量。假如是这样，则将窗函数的长度设置为用于存贮该窗函数所需的最大的存贮量。
假如要产生的谐音音符不在该负的阈值以下，则该窗函数的长度仍保持与在步骤422中计算的一样。
在计算了保持该窗函数的缓冲存贮器的长度之后，则要用窗的数据值去填入该缓冲存贮器134。这点，在步骤438是通过决定该缓冲存贮器141的长度(它目前是256)与在步骤428或432中决定的该缓冲存贮器的长度之比来完成的。在步骤440中，利用这个比值去给该窗的数据插值。例如，假如新的缓冲存贮器的长度为284个采样，则通过在点0，0.9，1.8，2.7，用在图4A，4B所示和上述的给输入有声信号重新采样的同样方法，给该数据插值，可以完成该缓冲存贮器134。
使用者还可以为每一个要产生的谐音音符规定一个音量比。这个音量比影响存贮在缓冲存贮器134中的各个采样的大小。假如使用者对该不同谐音音符需要满音量，则将该比值设定为1。假如使用者要求半音量，则将该比值设定为0.5。在步骤440中，决定该音量比。在步骤442中将在该缓冲存贮器134中的每一个值乘以该音量比。
返回至图3，将音调改变程序200的输出送至一个加法框210。在加法框210中，将该输出与存贮在缓冲存贮器122中的干的音频信号相加。该干的音频信号和多个谐音信号组合送至一个数模转换器215。数模转换器215产生一个多音的模拟信号。该信号是输入音符和各种谐音音符的组合。如在“671专利”中所述那样，假如该音调认别程序发现使用者唱出一种带咝咝声的音，则不产生输出的各种谐音音符。带咝咝声的声音是诸如“s”，“ch”，“sh”等的声音。为了使各种谐音音符声音逼真，这些信号的音调不改变。假如该音调认别程序发现使用者唱出带咝咝声的声音，则该微处理器将所有要产生的谐音设置成与该输入有声信号一样的音调。这样，所有的各种谐音音符都具有和该输入有声信号相同的音调，但由于重新采样和该音调改变程序200的执行的综合动作造成的音质改变的影响，这些谐音音符的声音与该输入信号稍微有些不同。
为了产生比利用先前技术的音调改变方法所能获得的谐音更自然的声音，本发明再现了该重新采样的输入有声信号的一部分。该一部分作为重新采样的结果，是已经经过音调和音质改变的。再在回到图5，该数字信号处理器180所执行的音调改变程序200是利用四个谐音发生器220，230，240和250系列完成的。每一个谐音发生器产生一个谐音音符。该谐音音符与存贮在缓冲存贮器122中的干的音频信号混合。要产生的各种谐音音符送至在一根引线162上的数字信号处理器，并存贮在一个查找表260中。可以利用在该数字信号处理器内的该查找表为每一个谐音音符决定基频。
在该数字信号处理器内的每一个谐音发生器产生存贮在该查找表260中的各种谐音音符中的一个音符。如上所述，该四个谐音发生器利用存贮在该谐音发生器所带的缓冲存贮器134a，134b，134c或134d中的汉宁窗，以一个与要产生的谐音音符的基频相等的速率，给多个重新采样的输入有声信号中的一个定标。
该干的音频信号和四个谐音发生器220，230，240和250中每一个的输出信号均送至该加法框210。加法框210把左边和右边通道之间的多个信号分开。例如，谐音发生器220的输出送至一个混合器224。该混合器允许使用者将所产生的谐音送往一个左边或右边的音频通道，或送往该右边和左边音频通道的一个混合器。同样地，谐音发生器230，240和250的输出送往相应的混合器234，244和254。每一个混合器供应一个加法框270。该加法框270将所有左边通道的谐音信号综合。同样地，混合器224，234，244和254中的每一个供应一个加法框272。该加法框272将所有右边音频通道的谐音信号综合起来。
该数字信号处理器还从该缓冲存贮器122中读取该干的音频信号，并将它送至混合器284。使用者可以启动该混合器284，将该干的音频信号送往左边和/或右边的音频通道的某种组合中。
虽然表示了包括四个谐音发生器的数字信号处理器180，但是技术熟练的人们会知道，根据所拥有的存贮器和该数字信号处理器的处理速度的不同，可以设置更多或更少的谐音发生器。
现转至图6，图中表示四个谐音发生器中每一个所发挥的功能的详细情况。四个谐音发生器中的每一个包括许多加窗的音频发生器300，310，320和330。如上所述，每一个加窗的音频发生器的工作就是利用汉宁窗给该重新采样的输入有声信号定标。在该加窗的音频发生器内的一个定时器340赋予一个与要产生的谐音音符的基频相等的值。可以从该查找表260(如图5所示)中决定基频。该查找表260将每一个谐音音符与其相应的基频联系起来。当定时器340向下计数至零时，向一个加窗的音频发生器地址分配单元350送出一个信号。该信号寻找加窗音频发生器300，310，320或330中的一个去开始定标过程。例如，假如该加窗音频发生器300不在使用中，则首先用周期标志的值装入一个缓冲器指针302。该周期标志的值标志着在缓冲存贮器128中用于产生谐音信号的重新采样的输入有声信号的一个完整循环开始的位置。其次，装入一个窗指针304，使该指针指向谐音发生器所带的缓冲存贮器134a，134b，134c或134d的开始位置(图5)。最后，将用于存贮所选择的窗函数的采样数目装入一个计数器306中。数字信号处理器将窗函数中的采样数目送经各个谐音发生器，并存贮在存贮器位置370中，以便为所有加窗的音频发生器利用。
在该缓冲器指针302之后，使窗指针304和计数器306初始化。然后，该加窗的音频发生器开始一点一点地将存贮在相应的缓冲存贮器128中的重新采样的输入有声信号和存贮在相应的缓冲存贮器中的汉宁窗相乘。相乘的结果送至一个加法框372。加法框372将从所有加窗的音频发生器300，310，320和330来的输出相加。在乘法完成之后，指针302和304前进，而计数器306减量。当计数器306达到零，和所有乘法已经执行时，该加窗音频发生器给加窗音频发生器地址分配单元350发一信号，说明该加窗音频发生器可以再次使用。加窗音频发生器310，320和330象加窗音频发生器300一样方式工作。
当使用者对着麦克风唱不同的音符时，所有定时器340，存贮在存贮器位置262(图5)中的周期标志，存贮在存贮器位置370中的该窗函数的点数目，和存贮在存贮器位置134中的汉宁窗都动态地更新。
如上所述，对于具有音调在该输入有声信号音调以下的各种谐音音符，要计点汉宁窗，以使其长度等于或大于用来产生该谐音信号的输入信号的周期的二倍。因此，为了产生为在该输入有声信号以下一个八音度的谐音信号，只需要一个加窗音频发生器。然而，为了产生音调大于该输入有声音符音调的各种谐音音符，要缩短汉宁窗的长度。因此，为了产生在该重新采样的输入有声信号音调以上的一个输出信号，只需二个加窗的音频发生器。
上述的音乐效果发生器将一个音质改变的固定量加至一个音调改变的音符上。然而，可以动态地改变音质改变量，以进一步提高一个数字处理的音符的逼真性。
如上所述，本发明的音乐效果发生器可以与具有预先录制的旋律和/或谐音音轨的卡拉OK系统一起使用。另一种可供选择的方法是，可以从一个键盘或一台计算机上接收旋律或谐音音符。通常，预先录制的旋律或谐音音符通过一个MIDI通道，传至该音乐效果发生器。假如只需要产生一个谐音声音，则该音乐效果发生器可从该MIDI口读出所希望的谐音音符，找出要加在音符上的音质改变量，并且通过利用前述的方法，再现该重新采样的输入音符的各个部分而产生该谐音音符。然而，假如需要产生多于一个谐音声音，则通常需要每一个声音的音符传输至它们自己的MIDI通道上。
在大多数情况下，送出谐音音符的MIDI控制器没有足够的空间通道，使每一个声音可以使用一条单独的通道。可以利用一条单一的MIDI通道去形成要产生的每一个旋律或谐音音符。然而，没有一种实际的方法可以告知该音乐效果发生器，需要给一个单独的旋律或谐音音符加多大的音质改变量。从概念上说，可以给MIDI文件编码。该MIDI文件利用经过每一个音符，并决定要加多大的音质改变量的MIDI信息来描述该旋律或谐音音符。但是，这种文件很难建造，并且假如当使用者唱时，要用一个键盘给该旋律/谐音音符编码，则不能实时地建造这种文件。因此，一个音乐效果发生器需要能从一个单一的MIDI通道上接收旋律或谐音音符，并且能够将不同的音质改变量赋与构成不同声音的各种音符。
图9A表示本发明的第一个另一种可供选择的实施例。在这个实施例中，所有构成一支给定歌曲的旋律或各种谐音音符都在一个单一的MIDI通道上编码。给该音乐效果发生器编程，使它能读出该各种音符，并能动态地实时将音质改变量赋与该各种音符。用于实现本发明的这个实施例的硬件与图3所示和上述的一样。然而，该数字信号处理器180用略微不同的方式编程。
当使用者唱歌时，该音乐效果发生器500在一个单一的MIDI通道505上，从一个MIDI卡拉OK系统，一个键盘或计算机系统上接收一连串的旋律或不同的谐音音符。该数字信号处理器读出该旋律或各种谐音音符，并且自动地将一个音质改变量赋与一个处理单元515。最好，通过给该数字信号处理器编程，将要产生的旋律或谐音音符的音调与一个或多个音调阈值比较，来实现该自动音质赋与单元515。
根据一个旋律或谐音音符在什么地方与阈值相关，可以按照某条预先决定或预先编程的规则来设定该音符的音质。例如，假如有二个阈值，则音调比二个阈值高的一些音符可以用-10％的速率来重新采样，而在二个阈值之间的一些谐音音符可以用-2％的速率来重新采样，而在二个阈值以下的一些谐音音符可以用+5％的速率来进行重新采样等。当然，对于在一个或多个音调阈值以上或以下的一些音符，音质改变量可以是相同的。另一种可供选择的方法是，可以给该音乐效果发生器编程，使得不需要给该音符加上音质改变。可以预先决定一个或多个音调阈值，或者通过引入该一个或多个阈值音符作为构成该歌曲的MIDI文件开始处的MIDI信息，而为每一支歌曲编程。
作为将旋律或谐音音符的音调与一个音调阈值比较的另一种可供选择的方案是，通过给该数字信号处理器编程，将该谐音音符的音调与存贮在一个单独的MIDI文件中，并传输至在一个MIDI通道510上的音乐效果发生器的理想的旋律音符的音调进行比较，可以实现该自动音质赋与单元515。通过读取该理想的旋律音符，该音乐效果发生器可以向前搜索，以决定为了产生该谐音音符所需要的一个期望的音调改变量(假设歌唱者倾向于按键歌唱)。然后，根据期望的音调改变量的不同，该音乐效果发生器可以给每一个旋律音符修改音质改变量。
作为又一个可供选择的方案，通过给该数字信号处理器编程，将该一些旋律音符的音调与该输入有声音符的音调进行比较，以决定该谐音音符是在该旋律线之上或之下，可以实现该自动音质赋与单元515。可以将该谐音音符的音质作为该谐音音符的音调与该输入有声音符的音调之间的音调差的函数来改变。因为所产生的一些谐音音符的音质与该输入口头发声音符不同，它们的声音不象该输入音符的音调改变的形式，因此增加了该复合声音的逼真性。
图9B表示根据本发明的音乐效果发生器的第二个可供选择的实施例。这里，一个谐音音符的音质不是用将各种谐音声音从该输入声音中区分开来的方法来改变的，而是用模仿当歌唱者唱较高或较低的音符时，歌唱者的声音是如何改变的方法来改变的。
音乐效果发生器520从歌唱者那里接收一个输入的有声信号，并分析该信号以决定其音调。该音乐效果发生器在一个MIDI通道530上接收一连串理想的旋律或谐音音符。这些谐音音符指示该输入有声信号应该改变达到的音调。该数字信号处理器在该音乐效果发生器内动态地将音质改变量赋与要产生的一个音符，如方框540所表示的那样。最好，该数字信号处理器将理想的音符的音调与该输入有声信号的音调比较，以选择应该将多大的音质改变量加在音调改变了的输出音符上。例如，音质改变量可以随着该输入有声信号和该理想谐音或旋律音符之间的音调差而线性变化。另一种可供选择的方案是，可以采用阶跃函数。这样，在该理想音符的音调与该输入有声信号音调相差大于某个预先决定的量之前，该音质不会改变。一旦决定了该音质改变量，要对该数字输入有声信号进行重新采样，并且如上所述，通过利用一个与该理想输出音符的基频相等的速率，再现该重新采样的输入音符的各个部分，而产生该输出音符。
为了达到使一个逼真的音质改变与在一个歌唱者声带内发生的实际变化极其相似，对于一些音调比该输入口头发声音符高的音符，该重新采样的速率应比原来的采样速率慢。相反，对于音调在该输入口头发声音符以下的一些音符，该重新采样速率应比该原来的采样速率快。作为根据所需要的音调改变量来改变一个音符的音质的另一个可供选择的方案是，也可以根据该输入有声信号的响亮程度的变化，来改变音质。该数字信号处理器分析该数字输入有声信号的大小，并且作为该输入信号的大小的函数来选择音质改变量。另外，还可根据该输入有声信号唱的时间长度大小来改变音质。一旦该音乐效果发生器决定了该输入有声信号的音调，则该数字信号处理器启动一个内部定时器。该内部定时器始终监视该音调保持在某些重新决定的极限内的时间长度。该音质改变量可以作为由该定时器记录的时间长度的函数来选择。技术熟练的人们将会理解，为了控制加在音符上的音质改变量，可以使用许多不同的准则。
采用图9B所示的音乐效果发生器时，该复合输出信号的声音更加逼真，因为该一些音符可以模仿当一个唱出的音符音调变化时，歌唱者声音的音符音质自然改变的方法。
虽然，本发明是针对各种口头发声的谐音发生器说明的，但本发明也有其他一些用途。一个例子是作为一个声音假扮者，这时使用者对着麦克风说话，而会产生具有不同音质和/或音调的一个输出信号。假如该输出信号具有一个在该输入信号以下一个八音度的频率，则可以建造一个装置，其中用于数据重新采样的音调改变量是固定的，并且只需要一个加窗的音频发生器。这样一种装置对于执行法律需要假装证人的声音的情况是有用的，或者作为应答机的一部分，以隐蔽使用者的声音。另一个可供选择的用途是，希望使自己的声音更低沉的无线电广播员可以使用本发明。此外，当各种输入音符是从各种乐器上接收的时，可以使用本发明。音质改变和音调改变综合的结果使得一种乐器的声音好象另一种乐器的声音。
另外，本发明的优选实施例道先使用了重新采样的音调改变方法，后面又采用根据兰特(Lent)方法的音调改变方法。还可以理解，也可以使用相反的处理。这时，将利用兰特方法产生的各种输出信号存贮在一个缓冲存贮器中，并用一个新的速率重新采样，以进一步改变音调。每一种方法一兰特方法和利用重新采样的音调改变方法，都如前述那样工作。当按照相反次序实现各个步骤时，要记住二个问题。第一问题是，根据兰特方法工作的音调改变器的输出不再直接控制整个输出信号的基频。因此，必需补偿作为重新采样结果出现的音调改变。例如，假如设置音质改变控制，以便使歌唱者的声音更女性化，则重新采样的音调改变器可将音调向上调节，比如，12％。假如希望在440赫的频率下产生一个音质改变的输出信号，则必须设置根据兰特方法工作的该音调改变器，以便输出一个具有基频为440/1.12＝392.86赫的信号。一般，该关系为TSF＝LF*PSR式中TSF--音质改变的输出信号的基本音调的频率；LF--根据兰特方法工作的音调改变器的输出信号的基本音调的频率；PSR--重新采样的音调改变器的音调改变66。这是(输入采样速率)/(重新采样速率)的比值。
第二个问题是如图6所示的谐音定时器340的时钟源不同。当在处理中，兰特方法的音调改变器是最后一个步骤时，则在具有CD(激光唱盘)质量的音频的系统中，使这个定时器以系统采样速率，例如，44.1千赫减量。这可保证该兰特方法音调改变器能以那个速率提供一个连续的音调改变音频信号串。当该兰特方法音调改变器通过其输出端，达到重新采样的音调改变器，而不是直接达到其输出端时，该定时器340以该重新采样的速率计时。这可保证二个处理同步进行。假如重新采样以一个较高的速率进行，如图4A所示那样，则兰特方法必须以一个较高的速率产生再现的音调周期，以便使数据可连续地供给该重新采样的音调改变器。同样，假如重新采样以一个较低的速率进行，如图4B所示那样，则兰特方法只需以一个较低的速率产生再现的音调周期，以便使数据可以连续地供给该重新采样的音调改变器。
虽然表示和说明了本发明的优选实施例，但是可以理解，还可以作许多改变，而不会偏离本发明的精神和范围。这样，本发明的范围仅由下列的权利要求来决定。
权利要求
1.一种从一个输入信号产生一个音质改变的输出信号的方法，它包括下列步骤接收一个已经用一个第一速率采样的一个输入信号的数字表达；利用一个与该第一速率不同的第二速率，对一个输入信号的所述数字表达进行重新采样；通过周期性地抽取该重新采样的输入信号的一个片段，并且以一个与该输出信号的基频相等的速率，再现该各个抽取片段来产生该音质改变了的输出信号的一个数字表达。
2.一种从一个输入信号产生一个音质、音调改变的输出信号的方法，它包括下列步骤接收已经用一个第一速率采样的一个输入信号的一个数字表达；通过周期性地抽取该输入信号的一个片段，并且以一个与该音调改变了的输出信号的基频相等的速率，再现该抽取的各个片段来产生一个音调改变的输出信号的数字表达；通过以一个和该第一速率不同的第二速率，对该音调改变的输出信号的数字表达进行重新采样，来产生该音质改变的输出信号的一个数字表达。
3.如权利要求1或2所述的方法，它还包括将该音质改变的输出信号的数字表达送至一个数模转换器，以便将该音质改变的输出信号的数字表达转换为该音质改变的输出信号的模拟表达的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中该输入信号具有一个基频，并且其中，该音质改变的输出信号具有一个与该输入信号的基频一样的基频。
5.如权利要求1所述的方法，其中，该输入信号具有一个基频，并且其中，该音质改变的输出信号具有一个与该输入信号的基频不同的基频。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中，接收该输入信号的一个数字表达的步骤包括下列步骤接收该输入信号的一个模拟表达；和将该输入信号的该模拟表达送至一个模数转换器，以便将该输入信号的该模拟表达转换为该输入信号的一个数字表达。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中，该输入信号为由一种乐器产生的一个音符。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，该输入信号为一口头发音的音符。
9.一种从一个输入的有声信号产生一个音质改变的输出有声信号的方法，它包括下列步骤接收一个已经以一个第一速率采样的该输入有声信号的一个数字表达，并且以一个与该第一采样速率不同的第二采样速率，对该输入有声信号的该数字表达进行重新采样，以产生一个重新采样的输入有声信号；和通过利用一个窗函数周期性地抽取该重新采样的输入有声信号的一个片段，并且以一个与该输出有声信号的基频相等的速率，再现该多个抽取片段而产生该音质改变的输出有声信号的一个数字表达。
10.一种从一个输入有声信号产生一个音质，音调改变的输出有声信号的方法，它包括下列步骤接收一个已经以一个第一速率采样的该输入有声信号的一个数字表达，并且通过利用一个窗函数周期性地抽取该输入有声信号的一个片段，并以一个与该输出有声信号的基频相等的速率再现该被抽取的多个片段而产生该音调改变的输出有声信号的一个数字表达；和通过以一个和该第一采样速率不同的第二采样速率，对该音调改变的输出有声信号的该数字表达进行重新采样，而产生该音质改变的输出有声信号的一个数字表达。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，接收该输入有声信号的一个数字表达的步骤包括下列步骤接收该输入有声信号的一个模拟表达；和将该输入有声信号的该模拟表达送至一个模数转换器，以便将该输入有声信号的该模拟表达转换为该输入有声信号的一个数字表达。
12.如权利要求9或10的方法，它还包括将该音质改变的输出有声信号的该数字表达送至一个数模转换器，以便将该音质改变的输出有声信号的该数字表达转换为该音质改变的输出有声信号的一个模拟表达的一些步骤。
13.如权利要求9或10的方法，其中，该输入有声信号具有一个基频，并且该音质改变的输出有声信号具有一个与该输入有声信号的基频相同的基频。
14.如权利要求9或10所述的方法，其中，该输入有声信号具有一个基频，而该音质改变的输出有声信号具有一个与该输入有声信号的基频不同的基频。
15.如权利要求9所述的方法，其中，该输入有声信号和该音质改变的输出有声信号具有一个基频，而且其中，抽取该重新采样的输入有声信号的一个片段的步骤还包括下列步骤产生一个窗函数，该窗函数的持续时间为该输入有声信号的基频和该音质改变的输出有声信号的基频之差的函数；和将该窗函数与该重新采样的输入有声信号的该数字表达相乘。
16.如权利要求10所述的方法，其中，该输入有声信号和该音调改变的输出有声信号具有一个基频，并且其中，抽取该输入有声信号的一个片段的步骤还包括下列步骤产生一个窗函数，该窗函数的持续时间为该输入有声信号的基频和该音调改变的输出有声信号的基频之差的函数；和将该窗函数与该音调改变的输出有声信号的该数字表达相乘。
17.如权利要求9所述的方法，其中，在重新采样之前，将该输入有声信号的该数字表达存贮在一个数字存贮器中，并且其中，该输入有声信号的该数字表达包括许多循环，每一个循环占据许多存贮位置，对该输入有声信号的该数字表达进行重新采样的步骤还包括下列步骤假如该第二采样速率比该第一采样速率快，则将每个循环的重新采样的输入有声信号存贮在比该输入有声信号的该数字表达所占据的存贮器位置数目更多的存贮器位置中；和假如该第二采样速率比该第一采样速率慢，则将每个循环的该重新采样的输入有声信号存贮在比该输入有声信号的该数字表达所占据的存贮器位置数目更少的存贮器位置中。
18.如权利要求10所述的方法，其中，在重新采样之前，将该音调改变的输出有声信号的该数字表达存贮在一个数字存贮器中，并且其中，该音调改变的输出信号的该数字表达包括许多循环，每一循环占据许多存贮器位置，对该音调改变的输出有声信号的该数字表达进行重新采样的步骤还包括下列步骤假如该第二采样速率比该第一采样速率快，则将每循环的该重新采样的音调改变的输出有声信号存贮在比该音调改变的输出有声信号的该数字表达所占据的存贮器数目更多的存贮器位置中；和假如该第二采样速率比该第一采样速率慢，则将每循环的该重新采样的音调改变的输出有声信号存贮在比该音调改变的输出有声信号的该数字表达所占据的存贮器位置数目更少的存贮器位置中。
19.如权利要求9所述的方法，其中，对该输入有声信号重新采样的步骤是通过对该输入有声信号的该数字表达进行插值来执行的。
20.如权利要求19所述的方法，其中，对该输入有声信号的该数字表达进行插值的步骤是利用线性插值进行的。
21.如权利要求10所述的方法，其中，对该音调改变的输出有声信号进行重新采样的步骤是通过对该音调改变的输出有声信号的该数字表达进行插值来执行的。
22.如权利要求21所述的方法，其中，对该音调改变的输出有声信号的该数字表达插值的步骤是利用线性插值进行的。
23.一种用于从一个输入信号产生一个音质改变的输出信号的装置，它包括一个数字存贮器；一个数字信号处理器，它用于接收已经用一个第一速率进行采样的该输入信号的一个数字表达，并且用于在该数字存贮器中存贮该输入信号的该数字表达；一种用于以一个与该第一速率不同的第二速率，对存贮在该数字存贮器中的该输入信号的该数字表达进行重新采样，和在该数字存贮器中存贮该重新采样的输入信号的装置；和一个音调改变器，它用于通过周期性地抽取该重新采样的输入信号的一个片段，并且以一个和该音质改变的输出信号的一个基频相等的速率，再现该多个被抽取的片段而产生该音质改变的输出信号的一个数字表达。
24.如权利要求23所述的装置，它还包括一个麦克风，它用于将该输入信号转换为一个相应的电气输入信号；和一个模数转换器，它用于以一个第一速率对该电气输入信号进行采样，并将该电气输入信号转换为该输入信号的数字表达。
25.如权利要求23所述的装置，它还包括一个数模转换器，它用于将该音质改变的输出信号的该数字表达转换为该音质改变的输出信号的一个模拟表达。
26.如权利要求23所述的装置，它还包括一个用于改变对该输入信号进行重新采样的该第二速率的控制。
27.如权利要求23的装置，其中，该音调改变器通过利用一个窗函数对该重新采样的输入信号进行定标，而抽取该重新采样的输入信号的一个片段。
28.如权利要求27所述的装置，其中，该音调改变器以一个和该输入信号的基频呈谐和相关关系的速率，利用该窗函数对该重新采样的输入信号进行定标。
29.如权利要求27所述的装置，其中，该输入信号具有一个基频，和该音质改变的输出信号具有一个基频，并且其中，该音调改变器还包括一个用于根据该输入信号的基频和该音质改变的输出信号的基频之差，来调节该窗函数的持续时间的装置。
30.如权利要求29所述的装置，其中，假如该音质改变的输出信号的基频大于该输入信号的基频，则该用于调节该窗函数持续时间的装置使该窗函数的持续时间减少；并且假如该音质改变的输出信号的基频小于该输入信号的基频，则该装置使该窗函数的持续时间增加。
31.一个用于从一个输入信号产生一个音质改变和/或音调改变输出信号的系统，它包括一个用于接收已经以一个第一速率采样的该输入信号的一个数字表达的装置；一个用于接收决定该音质改变的输出信号的第一个理想的基频的第一个参考音符的装置；一个比较器，它对所述参考音符进行分析，并作为所述分析的函数来选择一个重新采样的速率；一个数字信号处理器，它以该选择的重新采样速率，对该输入信号的该数字表达进行重新采样；和一个音调改变器，它用于通过周期性地抽取该重新采样的输入信号的一个片段，并且以一个和该参考音符的基频相等的速率，再现该多个被抽取的片段而产生该音质改变的输出信号。
32.如权利要求31所述的系统，其中，该比较器通过将该参考音符的基频与一个或多个阈值比较，而对该参考音符进行分析。
33.如权利要求31所述的系统，它还包括一个用于决定该输入信号基频的装置；其中，该比较器通过将该参考音符的所述基频与该输入信号的所述基频进行比较，而分析该参考音符，并且作为该参考音符的所述基频与该输入信号的所述基频之差的函数来选择该重新采样的速率。
34.如权利要求31所述的系统，它还包括一个用于接收决定第二个基频的第二个参考音符的装置；其中，该比较器通过将所述第一个参考音符的所述基频与该第二个参考音符的所述基频进行比较，对该参考音符进行分析，并且作为该参考音符的该基频与该第二个参考音符的该基频之差的函数来选择该重新采样的速率。
35.一种从一个输入信号产生一个音质改变和/或音调改变的输出信号的系统，它包括一个用于接收已经以一个第一速率采样的该输入信号的一个数字表达的装置；一个用于接收决定该音质改变的输出信号的一个理想基频的参考音符的装置；一个用于计算接收该输入信号的时间长度的装置；一个比较器，它分析用于接收该输入信号的所述时间长度，并且作为所述时间长度的函数来选择重新采样的速率；一个数字信号处理器，它用于以所述的选择的重新采样速率对该输入信号的该数字表达进行重新采样；和一个音调改变器，它用于通过抽取该重新采样的输入信号的一个片段，并且以一个基本上与所述参考音符的基频相等的速率，再现该多个被抽取的片段来产生该音质改变的输出信号。
36.一种用于从一个输入信号产生一个音质改变和/或音调改变的输出信号的系统，它包括一个用于接收已经用一个第一速率采样的一个输入信号的一个数字表达的装置；一个用于接收决定该音质改变的输出信号的一个理想基频的一个参考音符的装置；一个比较器，它分析该输入信号的该数字表达的大小，并且作为该数字表达大小的函数选择一个重新采样的速率；一个数字信号处理器，它以该选择的重新采样速率，对该输入信号的该数字表达进行重新采样；和一个音调改变器，它通过周期性地抽取该重新采样的输入信号的一个片段，并且以一个基本上和该参考音符的所述基频相等的速率再现该多个被抽取的片段，来产生该音质改变的输出信号。
全文摘要
一种用于调整输入信号的音质和/或音调的方法，将输入信号在第一速率采样并将其贮存于存储缓冲器122中。数字信号处理器180将贮存的输入信号区别于第一速率重新采样，输入音符以该速率被原始采样，并将该重新采样的输入信号贮存在第二存储缓冲器128中。通过一个窗函数196、134用音调改变器200对该重新采样的输入信号进行定标，可以改变该重新采样的输入信号的音调从而产生一个输出信号。重新取样的数据以该速率被窗函数再现，该速率能决定输出信号的音调。
文档编号G10H1/043GK1145679SQ96190038
公开日1997年3月19日 申请日期1996年1月18日 优先权日1995年1月18日
发明者布赖恩·查尔斯·吉布森, 克里斯托弗·迈克尔·朱宾, 布赖恩·约翰·罗登 申请人:Ivl技术有限公司