보코더

Vocoder
1970년대 초 보코더, 일렉트로닉 음악 밴드 Kraftwerk용으로 맞춤 제작

보코더(/voʊkoʊdr/, 음성인코더합성어)는 음성 데이터 압축, 다중화, 음성 암호화 또는 음성 변환을 위해 인간의 음성 신호를 분석 및 합성하는 음성 부호화카테고리입니다.

보코더는 1938년 벨 연구소호머 더들리에 의해 인간의 [1]말을 합성하는 수단으로 발명되었다.이 작업은 전송 시 대역폭을 절약하기 위해 음성 부호화를 위한 통신용 음성 코덱으로 사용되는 채널 보코더로 개발되었습니다.

제어 신호를 암호화하는 것으로, 음성 송신을 대행 수신으로부터 확보할 수 있다.이러한 방식으로 주로 사용되는 것은 안전한 무선 통신입니다.이 암호화 방법의 장점은 원래 신호는 전송되지 않고 밴드 패스필터의 봉투만 전송된다는 것입니다.원래 신호 스펙트럼의 버전을 다시 동기화하려면 수신 장치를 동일한 필터 구성으로 설정해야 합니다.

보코더는 또한 전자 악기로 널리 사용되어 왔다.voder라고 불리는 보코더의 디코더 부분은 음성 합성을 위해 독립적으로 사용될 수 있습니다.

이론.

사람의 목소리는 성대에 의해 성문이 열리고 닫힘으로써 발생하는 소리로 구성되어 있으며, 이는 많은 고조파를 가진 주기적인 파형을 생성한다.그런 다음 이 기본 소리는 코와 목구멍(복잡한 공명 배관 시스템)에 의해 필터링되어 제어된 방식으로 조화 함량(포먼트)의 차이를 만들어 내고, 발화에 사용되는 다양한 소리를 만든다.다른 방식으로 입에서 만들어지거나 변형되는, 목소리를 내지 않는 소리와 소리를 내는 소리로 알려진 또 다른 일련의 소리가 있다.

보코더는 음성의 스펙트럼 특성이 시간에 따라 어떻게 변화하는지 측정하여 음성을 검사합니다.따라서 사용자가 말하는 동안 특정 시간에 이러한 주파수를 나타내는 일련의 신호가 생성됩니다.간단히 말하면, 신호는 다수의 주파수 대역으로 분할되며(이 숫자가 클수록 분석 정확도가 높아진다), 각 주파수 대역에 존재하는 신호의 레벨은 스펙트럼 에너지 함량을 순간적으로 표현한다.음성을 재생성하기 위해서, 보코더는, 최초로 녹음된 일련의 번호에 근거해 주파수 내용을 필터링 하는 스테이지에 통과시킴으로써, 브로드밴드 노이즈 소스를 처리해, 프로세스를 되돌립니다.

구체적으로는 입력이 멀티밴드 필터를 통과해 엔벨로프 팔로어를 이용해 각 대역의 출력을 측정하고 엔벨로프 팔로어로부터의 신호를 디코더에 송신한다.디코더는 이를 출력 필터 채널의 해당 증폭기에 제어 신호로 적용합니다.

원래의 음성 신호의 순간 주파수에 관한 정보(스펙트럼 특성과는 구별됨)는 폐기됩니다.보코더가 암호화 보조 장치로 원래 사용하기 위해 이를 유지하는 것은 중요하지 않습니다.바로 이러한 비인간적인 측면의 보코딩이 대중음악과 오디오 엔터테인먼트에서 특별한 음성 효과를 창출하는데 유용하게 만들었다.

파형의 포인트 바이 포인트 재생 대신 보코더 프로세스는 통신 링크를 통해 음성 모델의 파라미터만 전송합니다.원래의 음성 파형에 비해 파라미터가 서서히 변화하기 때문에 음성 전송에 필요한 대역폭을 줄일 수 있다.이를 통해 더 많은 음성 채널이 라디오 채널이나 해저 케이블과 같은 특정 통신 채널을 사용할 수 있습니다.

아날로그 보코더는 일반적으로 신호를 여러 튜닝된 주파수 대역 또는 범위로 분할하여 수신 신호를 분석합니다.신호를 재구성하기 위해 일련의 튜닝된 밴드패스 필터를 통해 반송파 신호가 전송됩니다.일반적인 로봇 음성의 예에서 반송파는 노이즈 또는 톱니 파형입니다.보통 8~20개의 밴드가 있습니다.

각 개별 분석 대역에 대한 변조기의 진폭은 해당하는 각 반송파 대역의 증폭기를 제어하는 데 사용되는 전압을 생성합니다.그 결과 변조 신호의 주파수 성분이 각 주파수 대역에서 이산 진폭이 변경됨에 따라 반송파 신호에 매핑됩니다.

종종 목소리 없는 밴드나 시빌런스 채널이 있다.이는 일반적인 음성의 분석 대역 밖에 있지만 음성에서 여전히 중요한 주파수를 위한 것이다.예를 들어 s, f, ch 또는 다른 sibilant sound로 시작하는 단어가 있습니다.이 밴드를 사용하면 다소 기계적인 소리가 나지만 인식할 수 있는 음성이 생성됩니다.보코더는 종종 기본 주파수 대신 노이즈 발생기를 사용하여 무음성을 생성하는 두 번째 시스템을 포함합니다.이를 캐리어 출력과 혼합하여 선명도를 높입니다.

채널 보코더 알고리즘에서는 분석 신호의 2가지 성분 중 진폭 성분만을 고려하여 위상 성분을 무시하면 음성이 불명확해지는 경향이 있습니다.이를 수정하는 방법에 대해서는 위상 보코더를 참조해 주십시오.

역사

더들리 보코더의 회로도
(기준: Dudley 1940, 508페이지, 그림 7[2])
SIGSALY(1943-1946) 음성 암호화 시스템
HY-2 Vocoder(1961년 설계)는 미국의 [3][4]마지막 세대 채널 보코더입니다.

보코더의 개발은 벨 연구소엔지니어 Homer [5]Dudley에 의해 1928년에 시작되었는데,[6] 그는 1939년 3월 21일과 1937년 [7]11월 16일에 보코더의 특허를 받았다.

디코더 섹션의 음성 합성 능력을 입증하기 위해, 1939-1940년 뉴욕 [9]세계 박람회 AT&T 빌딩에서 보더(음성 작동 시연기)[8]가 대중에게 소개되었다.Voder는 His용 음원소음 발생기, 가변 게인 앰프를 성로하는 10밴드 공진기 필터, 필터 제어를 위한 압력 감지 키 세트 및 [10]음조 제어를 위한페달 등 수동 컨트롤러로 구성되었습니다.키로 제어되는 필터는 톤과 쉿 소리를 모음, 자음굴절변환합니다.이것은 조작이 복잡한 기계였지만 숙련된 조작자가 알아볼 수 있는 음성을 [9][media 1]낼 수 있었다.

더들리의 보코더는 1943년 벨 연구소의 엔지니어들에 의해 만들어진 SIGSALY 시스템에 사용되었다.SIGSALY는 제2차 세계대전암호화된 고급 음성 통신에 사용되었습니다.KO-6 음성 코더는 1949년에 제한된 양으로 출시되었습니다. 1200비트/초의 SIGSALY에 근접한 수치였습니다.1953년 KY-9 THESUS[11] 1650 bit/s 음성 코더는 솔리드 스테이트 로직을 사용하여 SIGSALY의 55톤에서 565파운드(256kg)로 무게를 줄였고, 1961년에는 16채널 2400비트/s 시스템인 HY-2 음성 코더의 무게가 100파운드(45kg)였으며, 안전한 음성 시스템에서 [12]채널 보코더의 마지막 구현이었습니다.

이후 이 분야의 연구는 디지털 음성 부호화를 사용했다.가장 널리 사용되는 음성 부호화 기술은 나고야 대학의 이타쿠라 후미타다와 NTT의 사이토 슈조에 의해 [14]1966년에 처음 제안된 선형 예측 부호화(LPC)[13]이다.또 다른 음성 부호화 기술인 적응 차분 펄스 부호 변조(ADPCM)는 P에 의해 개발되었습니다.Cummiskey, Nikil S. Jayant, 그리고 James L. 1973년 [15]벨 연구소의 플래너건입니다

적용들

  • Digital Mobile Radio(DMR; 디지털 모바일 무선) 기반 시스템용 단말 장치.
  • 디지털 트렁킹
  • DMR TDMA
  • 디지털 음성 스크램블링 및 암호화
  • 디지털 WLL
  • 음성 스토리지 및 재생 시스템
  • 메시징 시스템
  • VoIP 시스템
  • 음성 호출기
  • 재생 디지털 음성 리피터
  • 달팽이관 이식:노이즈 및 톤 보코딩은 달팽이관 삽입물의 효과를 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.
  • 음악 및 기타 예술적[16] 효과

최신 구현

몇 개의 주파수와 추가적인 무음성을 녹음해야 하는 경우에도 보코더 시스템의 압축은 인상적입니다.표준 음성 기록 시스템은 음성에서 사용되는 대부분의 주파수가 존재하는 약 500Hz에서 3,400Hz까지의 주파수를 캡처하며, 일반적으로 8kHz(나이키스트 속도보다 약간 높음)의 샘플링 속도를 사용합니다.샘플링 분해능은 보통 샘플 분해능당 12비트 이상(16비트 표준)이며, 최종 데이터 레이트는 96~128kbit/s입니다만, 양호한 보코더를 사용하면, 불과 2.4kbit/s 의 데이터만으로 음성의 시뮬레이션을 충분히 실시할 수 있습니다.

ITU G.729 등의 "Toll 품질" 음성 코더는 많은 전화 네트워크에서 사용됩니다.특히 G.729는 8kbit/s의 최종 데이터 레이트와 뛰어난 음성 품질을 갖추고 있습니다.G.723은 5.3kbit/s 및 6.4kbit/s의 데이터 레이트로 약간 품질이 저하됩니다.많은 음성 보코더 시스템에서는 낮은 데이터 레이트를 사용하고 있습니다만, 5 kbit/s 미만의 음성 품질은 급속히 저하하기 시작합니다.

NSA 암호화 시스템에는 다음과 같은 여러 보코더 시스템이 사용됩니다.

(ADPCM은 적절한 보코더가 아니라 파형코덱입니다ITU는 G.721과 다른 ADPCM 코덱을 G.726에 수집했습니다).

현재 보코더는 정신물리학, 언어학, 컴퓨터 신경과학, 달팽이관 이식 연구 개발에도 사용되고 있습니다.

오늘날 통신 기기 및 음성 저장 장치에서 사용되는 최신 보코더는 다음 알고리즘을 기반으로 합니다.

  • 대수 코드 들뜸 선형 예측(ACELP 4.7 kbit/s – 24 kbit/s)[17]
  • 혼합 들뜸 선형 예측(MELPe 2400, 1200 및 600비트/초)[18]
  • 멀티밴드 여기(AMBE 2000비트/초~9600비트/초)[19]
  • 사인파 펄스 표현(SPR 600 bit/s ~4800 bit/[20]s
  • 견고한 고도의 저복잡도 파형 보간(RALCWI 2050비트/초, 2400비트/초 및 2750비트/초)[21]
  • Tri-Wave 들뜬 선형 예측(TWELP 600비트/초– 9600비트/초)[22]
  • Noise Robust Vocoder(NRV 300비트/초 및 800비트/초)[23]

선형 예측 기반

1970년대 후반 이후, 대부분의 비음악적 보코더는 선형 예측을 사용하여 구현되어 왔으며, 이 선형 예측은 표적 신호의 스펙트럼 엔벨로프(공식)를 전극 IIR 필터로 추정한다.선형 예측 부호화에서 전극 필터는 이전 대역 필터 뱅크를 대체하고 인코더에서 신호를 희게 하기 위해 사용되며(즉 스펙트럼을 평탄하게 한다), 다시 디코더에서 사용되어 목표 음성 신호의 스펙트럼 형상을 재적용한다.

이러한 유형의 필터링의 장점 중 하나는 선형 예측기의 스펙트럼 피크 위치가 목표 신호에 의해 완전히 결정되며 필터링되는 시간 주기에 의해 허용되는 만큼 정밀할 수 있다는 것이다.이는 고정 폭 필터 뱅크를 사용하여 구현되는 보코더와 대조적이며, 여기서 스펙트럼 피크는 일반적으로 주어진 주파수 대역의 범위 내에서만 결정될 수 있다.LP 필터링은 구성 주파수가 많은 신호가 선형 예측 필터로 나타낼 수 있는 주파수 수를 초과할 수 있다는 단점도 있습니다.이 제약사항은 LP 코딩이 고압축 음성 코더에서 다른 방식과 함께 사용되는 주된 이유입니다.

파형 인터폴레이션

Waveform-Interpolative(WI) 보코더는 1995년 경 W.B.에 의해 AT&T Bell Laboratories에서 개발되었습니다.Kleijn, 이후 DoD 보안 보코더 경쟁을 위해 AT&T에 의해 저복잡도 버전이 개발되었습니다.캘리포니아 대학 샌타바바라에서는 WI 코더가 눈에 띄게 개선되었습니다.와이파이 관련 핵심 특허는 AT&T가 보유하고 있고 다른 기관도 추가로 [24][25][26]보유하고 있다.

예술적 효과

음악에서 사용

음악 어플리케이션으로서의 채널보코더 설정

음악 어플리케이션에서는 기본 주파수를 추출하는 대신 음악 음원을 반송파로 사용합니다.를 들어, 신시사이저 소리를 필터 뱅크의 입력으로 사용할 수 있습니다. 필터 뱅크는 1970년대에 유행한 기술입니다.

역사

특히 전자음성합성에 관심이 많은 독일 과학자 베르너 마이어 에플러는 1948년 음향합성 [27]관점에서 전자음악과 음성합성관한 논문을 발표했다.이후 1951년 [28]쾰른에서 WDR일렉트로닉 뮤직 스튜디오를 설립하는 데 중요한 역할을 했습니다.

Siemens Studio for Electronic Music의 Siemens 신시사이저(c.1959)는 보코더를 사용하여 음악을 만든 최초의 시도 중 하나였다.

음악을 만들 때 보코더를 사용한 최초의 시도 중 하나는 1956년과 [29][30][media 2]1959년 사이에 개발된 Siemens Studio for Electronic Music의 "Siemens 신시사이저"였다.

1968년 로버트 무그[31]버팔로 대학의 전자 음악 스튜디오를 위한 최초의 솔리드 스테이트 음악 보컬리스트 중 하나를 개발했다.

1968년, 브루스 해크는 마이클 패러데이[32]이름을 딴 "파라드"라는 이름의 보코더를 제작했다.이 곡은 1969년에 발매된 "아이들을 위한 전자 레코드"에 처음 실렸으며 1970년에 [33][media 3]발매된 그의 록 앨범 "The Electric Lucifer"에 실렸다.

1970년 웬디 카를로스와 로버트 무그는 호머 더들리의 보코더 디자인에서 영감을 얻은 10밴드 장치인 또 다른 음악 보코더를 만들었다.원래는 스펙트럼 인코더-디코더로 불리다가 나중에 단순히 보코더로 불리게 되었습니다.반송파 신호는 Moog 모듈러 신시사이저에서, 변조기는 마이크 입력에서 나왔습니다.10밴드 보코더의 출력은 꽤 알기 쉬웠지만 특별히 명료한 음성에 의존했다.일부 보코더는 하이패스 필터를 사용하여 마이크에서 약간의 동료를 통과시킵니다.이것은 원래의 음성 부호화 어플리케이션의 디바이스를 망가뜨리지만, 말하는 신시사이저의 효과를 훨씬 [citation needed]더 알기 쉽게 합니다.

1972년 도미타 이사오의 첫 전자 음악 앨범 일렉트릭 사무라이: 스위치 온 록은 일렉트로닉 록과 팝 음악에서 보코더[citation needed] 통해 음성 합성 기술을 적용하려는 초기 시도였다.이 앨범은 인간의 목소리 대신 합성된 목소리를 이용하면서 현대 과 팝송을 전자적으로 연주했다.1974년 그는 그의 인기 클래식 앨범 Snowflakes is Dancing에 합성된 목소리를 활용했는데, 이것은 세계적인 성공을 거두었고 전자음악의 대중화에 도움을 주었다.

1973년 영국 밴드 에머슨, 레이크, 파머는 "Karn Evil 9: 3rd Impression"이라는 곡에 보코더를 그들의 앨범 Brain Salad Sugition에 사용했다.

The Alan Parsons Project의 앨범 Tales of Mystery and Imagination에 수록된 1975년 곡 "The Raven"은 Alan Parsons가 EMI 보코더를 통해 보컬을 연주하는 것을 특징으로 한다.앨범의 라이너 노트에 따르면, "The Raven"은 디지털 보코더를 피처링한 최초의 록 곡이었다.

핑크 플로이드는 또한 1977년 Animals에서 "Sheep"과 "Pigs (Three Different Ones)"라는 곡으로, 그리고 "A New Machine Part 1"과 "A New Machine Part 2" (1987년)의 "A Memantial Except of Reason" (1987년) 그리고 마침내 1994년 의 "Keep Talking"에서 보코더를 사용했다.

Electric Light Orchestra1977년 앨범 Out of the Blue에서 보코더를 상업적 맥락에서 사용한 최초의 사람들 중 하나였다.이 밴드는 히트곡인 "Sweet Talking' Woman"과 "Mr. Blue Sky"[34]를 포함하여 앨범에서 이 곡을 광범위하게 사용하고 있다.후속 앨범에서 밴드는 특히 1979년 앨범 디스커버리의 히트곡 "The Diary of Horace Wimp"와 "Confusion", 1981년 앨범 "Time",[35] "Yours Truly, 2095"와 "Epilogue" 그리고 1986년 앨범 "Power of America"에 산발적으로 사용했다.

1970년대 후반, 프랑스 듀오 스페이스 아트는 그들의 두 번째 앨범인 Trip in the Centre [36]Head의 녹음 중에 보코더를 사용했다.

콜린스는 1981년 세계적인 히트곡 "In the Air Tonight"[37]의 보컬 효과를 제공하기 위해 보코더를 사용했다.

보코더들은 종종 팝 녹음에 등장했는데, 대부분의 경우 작품의 특징적인 측면이라기 보다는 특별한 효과로 나타났다.그러나 뉴에이지 음악 장르의 많은 실험적인 일렉트로닉 아티스트들은 종종 Jean-Michel Jarre(Zoolook, 1984년)와 Mike Oldfield(QE2, 1980년 Five Miles Out, 1982년)와 같은 특정 작품에서 보다 포괄적인 방식으로 보코더를 사용한다.

보코더 모듈로 M에 의해 사용됩니다.올드필드는 그의 "Live At Montreux 1981" DVD (트랙 "Sheba")에서 분명히 볼 수 있다.

또한 전체적으로나 장기간에 걸쳐 보컬리스트를 음악의 필수적인 부분으로 만든 아티스트도 있다.독일의 신스팝 그룹 크라프트베르크, 일본의 뉴웨이브 그룹 폴리식스, 스티비 원더 ("Send One Your Love", "A Seed's a Star")와 1970년대 후반의 재즈/퓨전 키보디스트 허비 핸콕이 그 예다.1982년 Neil [38]Young은 트랜스의 9개 트랙 중 6개 트랙에 Sennheiser Vocoder VSM201을 사용했습니다.마이클 잭슨의 'P.Y.T.(예쁜 영씽)' 후렴구와 브릿지.세션 뮤지션 마이클 보디커의 보코더("예쁘고 젊은 것/You make me sing")를 제공한다.

콜드플레이는 그들의 노래 중 일부에 보코더를 사용했다.를 들어, 앨범 Mylo Xyloto (2011)의 "Major Minus"와 "Hurts Like Heaven"에서 크리스 마틴의 보컬은 대부분 보코더 처리되었다.고스트 스토리(2014)의 "미드나잇"은 또한 마틴이 보코더를 [39]통해 노래하는 모습을 담고 있다.A Head Full of Dreams의 히든트랙 "X Marks The Spot"도 보코더를 통해 녹음되었다.

노이즈코어 밴드 아타리 틴에이저 라이엇은 신구 디지털 오디오 기술과 함께 그들의 다양한 노래와 라이브 공연(2002년)에 보컬을 사용했다.

Red Hot Chili Peppers의 노래 "By the Way"는 앤서니 키디스의 보컬에 보코더 효과를 사용합니다.

인간의 음성을 에뮬레이트할 때 보코더를 가장 일관되게 사용하는 사람 중 하나는 Daft Punk로, 첫 번째 앨범 Homes(1997년)부터 최신작 Random Access Memories(2013년)까지 이 악기를 사용했으며 기술과 인간의 음성의 융합을 [40]"음악 프로젝트의 정체성"으로 간주했다.예를 들어, "Around the World"(1997년)의 가사는 보코더로, "Get Lucky"(2013년)는 자연과 가공된 인간의 목소리가 혼합된 것을, "Instant Crush"(2013년)는 줄리안 카사블랑카스가 보코더로 노래하는 것을 특징으로 한다.

프로듀서 제드, 미국 컨트리 가수 마렌 모리스, 그리고 미국 뮤지컬 듀오 그레이는 보코더가 참여한 The Middle이라는 곡을 만들었고 2018년 차트 [41]10위 안에 들었다.

기타 예술에서의 음성 효과

"로봇 보이스"는 20세기 동안 대중음악에서 반복되는 요소가 되었다.보코더 외에도, 이 효과에 대한 변형을 생성하는 몇 가지 다른 방법에는 Sonovox, Talk box 및 Auto-Tune,[media 4] 선형 예측 보코더, 음성 합성,[media 5][media 6] 변조 및 콤 필터가 포함됩니다.

보코더는 텔레비전 제작, 영화 제작 및 게임에 사용되며, 보통 로봇이나 말하는 컴퓨터를 위해 사용됩니다.배틀스타 갈락티카사이롱족 로봇 목소리는 EMS 보코더 [38]2000으로 만들어졌다.피터 하웰이 편곡하고 녹음한 1980년 버전의 닥터 후 테마는 롤랜드 SVC-350 보코더가 만들어내는 메인 멜로디의 단면을 가지고 있다.유사한 Roland VP-330 보코더를 사용하여 트랜스포머 시리즈의 캐릭터인 Soundwave의 음성을 만들었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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    (2008년 제3판 페이지 157-160의 발췌(ISBN978-0-415-95781-6)도 참조).
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멀티미디어 레퍼런스
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    Voder 데모(Vocoder가 아님)
  2. ^ Siemens Electronic Music Studio in Deutsches Museum (multi part) (Video).
    독일 박물관에 전시된 Siemens Electronic Music Studio 세부 사항.
  3. ^ Bruce Haack (1970). Electric to Me Turn – from "The Electric Lucifer" (Phonograph). Columbia Records.
    이전 Vocoder 샘플입니다.
  4. ^ T-Pain (2005). I'm Sprung (CD Single/Download). Jive Records.
    Auto-Tune 효과의 샘플(일명.k.a).T-Pain 효과).
  5. ^ Earlier Computer Speech Synthesis (Audio). AT&T Bell Labs. c. 1961.
    IBM 704 컴퓨터를 사용Bell Labs의 John Larry Kelly, Jr. Louis Gerstman의 초기 컴퓨터 기반 음성 합성 및 노래 합성 샘플.맥스 매튜스가 반주한 데모곡 "데이지 벨"은 아서 C에게 깊은 인상을 주었다. 클라크와 나중에 그는 그의 소설 2001: 우주 오디세이에서 극본의 절정 장면에서 그것을 사용했다.
  6. ^ TI Speak & Spell (Video). Texas Instruments. c. 1980.
    음성 합성 샘플입니다.

외부 링크