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基于鼎銘可編程交換機的大型分布式TTS系統

2006/02/07

一、TTS簡(jiǎn)介

　　TTS文語(yǔ)轉換用途很廣，包括電子郵件的閱讀、IVR系統的語(yǔ)音提示等等，目前IVR系統已廣泛應用于各個(gè)行業(yè)（如電信、交通運輸等）。

　　TTS所用的關(guān)鍵技術(shù)就是語(yǔ)音合成(Speech Synthesis)。早期的TTS一般采用專(zhuān)用的芯片實(shí)現，如德州儀器公司的TMS50C10/TMS50C57、飛利浦的PH84H36等，但主要用在家用電器或兒童玩具中。
而基于微機應用的TTS一般用純軟件實(shí)現，主要包括以下幾部分：

文本分析 - 對輸入文本進(jìn)行語(yǔ)言學(xué)分析，逐句進(jìn)行詞匯的、語(yǔ)法的和語(yǔ)義的分析，以確定句子的低層結構和每個(gè)字的音素的組成，包括文本的斷句、字詞切分、多音字的處理、數字的處理、縮略語(yǔ)的處理等。

語(yǔ)音合成 - 把處理好的文本所對應的單字或短語(yǔ)從語(yǔ)音合成庫中提取，把語(yǔ)言學(xué)描述轉化成言語(yǔ)波形。

韻律處理 - 合成音質(zhì)(Quality of Synthetic Speech)是指語(yǔ)音合成系統所輸出的語(yǔ)音的質(zhì)量，一般從清晰度(或可懂度)、自然度和連貫性等方面進(jìn)行主觀(guān)評價(jià)。清晰度是正確聽(tīng)辨有意義詞語(yǔ)的百分率；自然度用來(lái)評價(jià)合成語(yǔ)音音質(zhì)是否接近人說(shuō)話(huà)的聲音，合成詞語(yǔ)的語(yǔ)調是否自然；連貫性用來(lái)評價(jià)合成語(yǔ)句是否流暢。

TTS純軟件處理的流程如下：

　　在語(yǔ)音輸出階段，語(yǔ)音輸出的方式取決于具體的應用。

　　要合成出高質(zhì)量的語(yǔ)音，所采用的算法是極為復雜的，因此對機器的要求也非常高。算法的復雜度決定了目前微機并發(fā)進(jìn)行多通道TTS 的系統容量。

二、TTS在CTI 的應用中的基本構架

　　在一般的CTI應用系統中，都會(huì )有IVR（交互式語(yǔ)音應答系統）。IVR系統是呼叫中心的重要組成部分，通過(guò)IVR系統，用戶(hù)可以利用音頻按健電話(huà)輸入信息，從系統中獲得預先錄制的數字或合成語(yǔ)音信息。具有TTS功能的IVR可以加快服務(wù)速度，節約服務(wù)成本，使IVR為呼叫者提供7*24小時(shí)的服務(wù)。

　　目前常見(jiàn)的IVR系統大都是通用的工控機平臺上插入語(yǔ)音板卡組成，并支持中文語(yǔ)音合成TTS等技術(shù)。

基本構成如下圖所示：

一個(gè)典型的包含ＴＴＳ服務(wù)的電話(huà)服務(wù)流程可分為：

用戶(hù)電話(huà)撥入，系統ＩＶＲ響應，獲得用戶(hù)按鍵等信息。

ＩＶＲ根據用戶(hù)的按鍵信息，向數據庫服務(wù)器申請相關(guān)數據。

數據庫服務(wù)器返回文本數據給ＩＶＲ。

ＩＶＲ通過(guò)其ＴＣＰ通訊接口，將需要合成的文本信息發(fā)送給ＴＴＳ服務(wù)器。

ＴＴＳ服務(wù)器將用戶(hù)文本合成的語(yǔ)音數據分段通過(guò)ＴＣＰ通訊接口發(fā)送給ＩＶＲ服務(wù)器。

ＩＶＲ服務(wù)器把分段語(yǔ)音數據組裝成為獨立的語(yǔ)音文件。

ＩＶＲ播放相應的語(yǔ)音文件給電話(huà)用戶(hù)。

　　一般的公網(wǎng)接入（IVR）大都采用工控機+語(yǔ)音板卡，而合成的語(yǔ)音數據則通過(guò)局域網(wǎng)傳給IVR。這種結構只適用于簡(jiǎn)單的應用場(chǎng)合。

如果用這種方式去組建較大的系統，則會(huì )存在諸多問(wèn)題：

1、兩個(gè)瓶頸

（1）接入瓶頸：
　　單臺工控機的接入容量一般不超過(guò)8E1為宜。除了運行應用程序外，它還要控制兩個(gè)實(shí)時(shí)端口：實(shí)時(shí)地通過(guò)局域網(wǎng)接收語(yǔ)音數據，并要實(shí)時(shí)地將接收到的語(yǔ)音數據通過(guò)PCI（或ISA）總線(xiàn)傳遞給語(yǔ)音板卡，如下圖所示。

　　通過(guò)局域網(wǎng)傳遞語(yǔ)音數據本來(lái)就不能保證其時(shí)實(shí)時(shí)性，其結果就是用戶(hù)聽(tīng)到的語(yǔ)音經(jīng)常斷續，保證不了語(yǔ)音質(zhì)量。如果傳遞的語(yǔ)音數據是經(jīng)過(guò)壓縮的，語(yǔ)音數據本來(lái)就是通過(guò)TTS進(jìn)行合成的，再經(jīng)過(guò)壓縮，則音質(zhì)會(huì )有很大的損傷，因此同樣保證不了語(yǔ)音質(zhì)量。從上圖中我們可以看到，經(jīng)TTS合成的語(yǔ)音數據從局域網(wǎng)經(jīng)過(guò)網(wǎng)卡，再通過(guò)主板PCI（或ISA）總線(xiàn)進(jìn)入語(yǔ)音卡，最后進(jìn)入電信網(wǎng)，同樣語(yǔ)音數據通過(guò)計算機主板經(jīng)PCI（或ISA）總線(xiàn)進(jìn)入語(yǔ)音卡也要求是實(shí)時(shí)的。這兩種實(shí)時(shí)性的要求會(huì )導致在接入量比較大的情況下，會(huì )給計算機的總線(xiàn)造成很大的負擔。因為總線(xiàn)的帶寬（數據吞吐量）是有限的。況且其它的板卡和接口（如聲卡、顯示卡等）也要直接或間接地占用總線(xiàn)。因此在接入量比較大的情況下，計算機的總線(xiàn)帶寬會(huì )成為一個(gè)比較關(guān)鍵的瓶頸。即便提高語(yǔ)音板卡的接入能力。在有大量電話(huà)接入的情況下，由于語(yǔ)音數據實(shí)時(shí)性的要求，也不能保證語(yǔ)音質(zhì)量。

（2）I/O插槽和語(yǔ)音板卡容量的限制：

　　目前計算機的I/O插槽，特別是PCI插槽有限，不可能插入大量的語(yǔ)音板卡，再加上語(yǔ)音板卡的容量不會(huì )太高，因此單臺計算機的接入能力相對較小。要組建比較大的系統，就必須采用多臺計算機接入，這就必然會(huì )引入機間交換的問(wèn)題。用語(yǔ)音板卡和多臺機器構建大中型CTI系統時(shí)，機器間要通過(guò)電纜連接才能使系統同步運行，但交換用的時(shí)鐘同步信號和數據信號的頻率很高，極易受到外界干擾，造成系統的不穩定。

2、系統復雜度的限制
　　基于語(yǔ)音板卡構建較大規模的應用系統時(shí)，除了系統穩定性的因素外，還要考慮系統的復雜度。對一個(gè)應用系統來(lái)說(shuō)，除上面提到的因素外，復雜度本身就是影響系統穩定性的要素之一。除此之外，系統復雜度的增加，會(huì )使系統的靈活性和可維性降低，從而導致系統未來(lái)維護、升級的成本和難度大大增加。

3、開(kāi)發(fā)成本的考慮
　　很大一部分系統集成商，對硬件設備的一次購入成本考慮地較多，而開(kāi)發(fā)方面的成本往往容易忽略。隨著(zhù)人力成本的日益凸顯，使得一個(gè)應用系統的開(kāi)發(fā)成本越來(lái)越不容忽視。系統的開(kāi)發(fā)如同搭積木，系統規模較小，用小積木搭建會(huì )更經(jīng)濟一些。而用小積木構建大系統會(huì )使積木塊的數量增加，而這些積木塊又要協(xié)同工作，因而對開(kāi)發(fā)人員能力和經(jīng)驗的要求會(huì )增加，同時(shí)系統開(kāi)發(fā)周期也會(huì )加長(cháng)，而系統的維護難度也隨之增加。這些因素都會(huì )導致在一個(gè)系統的生命周期內，其綜合運行成本的增加。

三、鼎銘基于分布式構架的可編程交換機在大容量TTS中的應用

　　深圳鼎銘電子技術(shù)有限公司推出的基于分布式構架的具有高速數據傳輸性能的可編程交換機，給CTI應用帶來(lái)了革命性的變化，獨有的分布式傳輸構架使其交換機的整體性能和目前國內外同類(lèi)可編程交換機比較，有了根本上的超越。

　　鼎銘高速數據傳輸板置于其可編程交換機內，外部可以和多臺PC或工控機相連，因為可編程交換機可以級聯(lián)，所以可以和外部連接的PC或工控機理論上沒(méi)有特別限制。這樣可編程交換機的內部I/O總線(xiàn)（類(lèi)比于PC機的PCI或ISA總線(xiàn)）就不再傳輸實(shí)時(shí)數據（如語(yǔ)音數據），而只負責非實(shí)時(shí)性的管理和信令數據，語(yǔ)音或其它實(shí)時(shí)數據從外部PC直接傳入可編程交換機的高速數據傳輸板，然后通過(guò)交換直接進(jìn)入外部公共電信網(wǎng)（PSTN）。

　　而對于需要錄音的語(yǔ)音或其它實(shí)時(shí)數據則從外部公共電信網(wǎng)（PSTN）通過(guò)可編程交換機內部的交換直接進(jìn)入高速數據傳輸板，再輸出到外部PC或工控機。這就解決了上面提到的實(shí)時(shí)語(yǔ)音數據的傳輸瓶頸問(wèn)題。而可編程交換機本身的優(yōu)勢就在于它的高密度接入，對可編程交換機而言就不存在接入瓶頸問(wèn)題。

除了解決上述兩個(gè)瓶頸問(wèn)題，我們再來(lái)看看這種結構的交換機帶來(lái)的其它優(yōu)勢：
　　首先，在解決實(shí)時(shí)數據瓶頸問(wèn)題的同時(shí)，因為實(shí)時(shí)數據不再通過(guò)內部的I/O總線(xiàn)，從而減輕了I/O總線(xiàn)負擔，同時(shí)CPU的負擔也大大減輕了，而和高速數據板連接的外部PC所運行的應用程序也單一化了（如錄音/放音、TTS、ASR 等），而且具有了很強的可復制性。從而使基于可編程交換機構建的應用系統的復雜度大大降低，穩定性和可靠性大大提高，從而在很大程度地降低了系統的開(kāi)發(fā)成本和運行維護成本。另外，可編程交換機的專(zhuān)有電源系統也使系統穩定性和可靠性大大加強。

　　另外，鼎銘可編程交換機的這種構架，使整個(gè)交換機平臺具備了很強的開(kāi)放性，捆綁獨立的第三方產(chǎn)品（如TTS、ASR等）非常方便，第三方產(chǎn)品只須改向一下輸出管道就可以了，產(chǎn)品本身無(wú)需作任何改動(dòng)，因此更好地實(shí)現了第三方產(chǎn)品的價(jià)值。同時(shí)，又降低了最終客戶(hù)的系統構建成本。

　　正是因為鼎銘可編程交換機從技術(shù)上突破了高速實(shí)時(shí)數據傳輸的瓶頸問(wèn)題，真正意義上實(shí)現了分布式的客戶(hù)機/服務(wù)器體系結構，所以也特別適合構建大容量的彩話(huà)系統、彩鈴系統、電話(huà)QQ等電信增值系統，以及大容量的錄放音系統、TTS、ASR等應用系統。

下圖示意了基于鼎銘可編程交換機構建的大容量TTS IVR系統。ＴＴＳ服務(wù)的電話(huà)服務(wù)流程變?yōu)椋?br>

用戶(hù)電話(huà)撥入，接入系統（ＩＶＲ）響應，獲得用戶(hù)按鍵等信息。

ＩＶＲ根據用戶(hù)的按鍵信息，向數據庫服務(wù)器申請相關(guān)數據。

數據庫服務(wù)器返回文本數據給ＩＶＲ。

ＩＶＲ通過(guò)局域網(wǎng)，將需要合成的文本信息發(fā)送給ＴＴＳ服務(wù)器。

ＴＴＳ服務(wù)器將用戶(hù)文本合成的語(yǔ)音數據直接輸出到可編程交換機的高速數據傳輸板。

高速數據傳輸板再將語(yǔ)音數據變成串行數據輸出到交換總線(xiàn)（無(wú)需CPU干預）。

交換總線(xiàn)的語(yǔ)音數據通過(guò)接入端口進(jìn)入公用電話(huà)網(wǎng)或公用數據網(wǎng)，電話(huà)用戶(hù)聽(tīng)取相關(guān)語(yǔ)音。

深圳鼎銘電子公司

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