KR100240626B1 - 디지털 이동 통신 시스템에서의 반향 제거 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디지털 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 음성 부호화기와 함께 단일칩에 구성하되, NLMS 알고리즘을 사용하면서도 여기 신호를 적응 필터의 입력으로 사용하여 수렴 속도를 향상시키고 또한, 안정된 수렴 특성을 얻을 수 있는 반향 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 반향 제거 방법은 NLMS알고리즘을 사용하되, 그 특성상 음성 신호와 같이 신호간의 상관도가 큰 경우에는 수렴 속도가 늦어져 초기 상태나 반향 경로의 큰 변화에 빨리 적응하지 못하여 나쁜 수렴 특성을 보이는 문제점을 갖고 있다.
이 문제점을 해결하기 위해 음성 부호화기에서 얻어진 여기 신호를 적응 필터의 입력 신호로 사용하여 음성 신호의 고유치 분포율을 낮춤으로써 기존의 방법에 비해 개선된 성능을 갖는 반향 제거 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
Description
본 발명은 디지털 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 음성 부호화기와 함께 단일칩에 구성하되, NLMS 알고리즘을 사용하면서도 여기 신호를 적응 필터의 입력으로 사용하여 수렴 속도를 향상시키고 또한, 안정된 수렴 특성을 얻을 수 있는 반향 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반향 제거기는 공중 전화 교환망(Public Switched Telephone Network : PSTN)에 위치한 하이브리드(Hybrid) 정합 회로에서 4단자/2단자 변환시 존재하는 임피던스 부정합(Impedance Mismatching)에 의해 발생하는 반향을 효과적으로 제거하는 것을 목적으로 한다. 현재 개발되어 있는 코드 분할 다중 접속(CDMA)디지털 이동통신 시스템의 반향 제거기는 음성 부호화기에 사용되는 DSP(Digital Siginal Processor)칩의 종류에 따라 다른 DSP칩을 사용하여 반향 제거 기능을 수행하거나, 음성 부호화기와 반향 제거 기능을 하나의 DSP칩을 사용하여 음성 부호화 기능과 반향 제거 기능을 수행하고 있다. 이러한 이동통신 시스템에서 사용되는 반향 제거기는 적응 필터를 사용하는데 적응 필터 알고리즘은 1960년대 이후부터 연구가 시작되어 많은 응용분야를 갖게 되었다. LMS, RLS, LSL, IIR필터 구조등 많은 알고리즘이 발표되었지만 실제 구현된 대부분의 반향 제거기는 가장 계산량이 적인 NLMS(Normalized LMS) 계열의 알고리즘을 사용하고 있다.
현재 까지 수행되어온 적응 필터 알고리즘의 연구는 알고리즘 자체의 해석 연구이었으며 반향 제거기 기술 개발은 구현에 관한 내용이 대부분이다. 초기의 반향 제거기는 PCM 음성 통신 중심이었으며 이동통신 시스템 환경에서 저 전송률 음성 부호화기가 결합되어 발생하는 문제 해결에 관한 기술은 거의 전무한 상태다. 국내에서는 음향 반향 제거 기술과 이중 통화 검출 알고리즘에 관한 기술 개발이 진행되고 있으나 이동통신 환경과 결합된 기술 개발은 이루어 지지 않은 상태이다.
또한, 일반적인 이동통신 시스템에서는 구현상의 용이함 때문에 NLMS(Normal -ized Least Mean Square) 알고리즘을 많이 사용하고 있으나 NLMS 알고리즘은 그 특성상 음성신호와 같이 신호간의 상관도가 클 경우 수렴 속도가 늦어져 초기 상태나 반향 경로의 큰 변화에 빨리 수렴하지 못하는 문제점을 갖고 있다. RLS(Recursive Least Square)나 LSL(Least Square Lattice) 알고리즘등은 수렴 속도는 빠르나 많은 계산량을 요구하므로 실시간 구현이 어려운 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 이동 통신 시스템에서 단일 DSP칩에서 음성 부호화기와 결합된 형태의 반향 제거기를 구성하되, 종래의 NLMS알고리즘이 음성 신호와 같이 신호간의 상관도가 큰 입력에 대해서는 수렴 속도가 늦어져 초기 상태나 반향 경로의 큰 변화에 빨리 수렴하지 못하는 문제점을 해결하고, 음성 신호의 고유치 분포율을 낮추어 반향 제거에 있어 개선된 성능을 가지며, 비교적 간단한 구조와, 소정의 계산량 및 메모리를 사용하면서도 성능이 개선된 반향 제거 알고리즘을 설계하고, 별도의 부가적인 하드웨어의 구현 없이 알고리즘 상에서 성능을 개선함으로 경제적인 효과가 있는 반향 제거 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지털 이동 통신 시스템에서의 반향 제거 방법은 이동 통신 시스템에서 정규화 최소 제곱 평균(Normalized Least Mean Square) 알고리즘을 사용하되, 매 프레임마다 코드북 인덱스와 이득을 메모리에 저장하는 단계와, 상기 저장된 코드북 인덱스와 이득을 음성 부호화 수단의 카운터 신호에 따라 여기 신호로 생성하는 단계와, 상기 여기 신호를 적응 필터의 입력 신호로 사용하여 반향을 제거하는 적응 필터링 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지털 이동 통신 시스템에서의 반향 제거 장치는 이동 통신 시스템에서 기지국 제어기에 디지털 신호처리칩을 사용해 음성부호화 수단과 함께 구현하는 반향 제거기에 있어서, 음성 신호를 부호화 시키는 수단으로부터 그 카운터 타이밍에 따라 코드북 인덱스와 이득을 입력 받아 여기신호를 생성하고, 상기 여기 신호를 이용하여 반향을 제거하는 적응 필터링 수당으로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 이동통신 시스템에서의 반향 제거기 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 디지털 이동통신 시스템에서의 디지털 음성 부호화기의 디코딩 구조도.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 이동통신 시스템에서의 음성 부호화기에서 얻은 여기 신호를 이용한 반향 제거기의 구조도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1 : PSTN 가입자 2 : 하이브리드
3 : 디지털 스위치 4 : 음성 디코더
5 : 반향 제거기 12 : 코드북
13 : 피치 합성 필터 14 : 포만트 합성 필터
21 : 디지털 시그날 프로세서 22 : 음성 부호화기
23 : 반향제거기 24 : 적응필터
25 : 외부명령어 처리부 26 : 시리얼 데이터 처리부
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 이동 통신 시스템의 반향 제거기 구조도로서, 하이브리드(2), 디지털 스위치(3), 반향 제거기(5), 음성 디코더(4) 및 음성 인코더(6)로 구성된다. 디지털 이동통신 가입자 정합부에는 하이브리드(2)가 없으므로 공중 전화 교환망(PSTN)에 접속된 가입자(1)의 음성 신호가 이동 통신망 가입자에게 전달될 때에는 공중 전화 교환망의 가입자(1)는 반향의 영향을 받지 않는다. 그러나, 이동 통신 교환망 가입자의 음성 신호가 공중 전화 교환망의 가입자(1)에게 전달될 때에는 정합부의 하이브리드(2)에서 반향 신호가 발생되어 이동 통신 교환망의 가입자에게 되돌아간다. 그러므로 이동 통신 교환망에서는 음성 신호가 모빌 투 랜드(Mobile-to-Land)의 경로를 갖는 경우에만 반향을 제거한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 음성 부호화기의 디코딩 구조도로서, 코드북(12), 피치 합성 필터(13) 및 포트만 합성 필터(14) 등으로 구성된다. 이동 통신 제어국에 위치한 음성 부호화기는 여러 파라미터를 이용하여 디코딩 과정을 통해 음성을 재생한다. 이때 매 프레임마다 수신되는 새로운 코드북 인덱스와 이득은 메모리에 저장되어 여기 신호로 재생된 후 적응 필터의 입력 신호로 사용된다. 이 과정에서 적응 필터의 출력은 하이브리드에 의해 발생한 반향을 제거한다. 매 프레임마다 도착하는 코드북 인덱스와 이득을 갱신하는 시점은 음성 부호화기에서 제공하는 카운터를 사용한다. 즉, 한 프레임내에서 사용되는 코드북 인덱스와 이득은 매 부프레임마다 갱신되어야 하며 음성 부호화기에서 얻은 타이밍 정보를 통해 새로운 프레임 및 부프레임의 시작을 인식하여 새로운 코드북 인덱스와 이득을 갱신하기 위해 정해진 메모리에 위치시킨다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 음성 부호화기에서 선형 예측 계수를 이용한 반향 제거기의 구조도로서, 디지털 신호 처리기(21)에 음성 부호화기(22), 반향제거기(23), 적응필터(24), 외부명령어 처리부(25) 및 시리얼 데이터 처리부(26)등으로 구성된다. NLMS 알고리즘은 입력 신호가 음성신호와 같이 고유치 분포율이 큰 경우에는 수렴 성능이 매우 저하된다. 그러므로 적응 필터의 수렴 속도를 향상시키려면 입력 신호를 고유치 분포율이 낮은 신호로 바꾸어 주어야 한다. 음성 부호화 과정에서 생성되는 여기 신호는 그 자체가 고유치 분포율이 낮은 특성을 갖는다. 결과적으로 상기 여기 신호를 적응 필터의 입력 신호로 사용함으로써 수렴 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 기존의 반향 제거기에서 사용하는 NLMS 알고리즘을 사용하며 반향 제거기의 적응 필터는 음성 부호화기에서 얻은 음성 파라미터를 이용하는 변형된 적응 알고리즘을 수행한다. 따라서, 음성 신호 중 여기성분(Excitation Component) 을 갖는 여기 신호를 적응 필터의 입력으로 사용할 경우 입력 신호의 자기상관 매트릭스의 고유치(Eigenvalue) 분포율이 감소하므로 수렴 속도가 개선된다. 여기 신호는 음성 부호화기의 인코딩 과정에서 얻어지는 코드북 인덱스와 이득(Codebook Index and Gain)의 곱에 의해 구해지며 매 음성 부프레임(Subframe) 마다 코드북 인덱스와 이득은 갱신된다.
여기 신호의 생성은 아래 [수학식 1]과 같이 수행된다.
[수학식 1]에서 y(n)는 음성신호 및 여기신호, C는 코드북 값, g는 코드북 이득을 나타낸다.
인지하고자 하는 시스템을 선형 시 불변이라고 가정한다면 시스템의 입출력 관계는 아래 [수학식 2]와 같이 표현되고, 여기서 인지하고자 하는 시스템은 하이브리드 정합 회로가 된다.
[수학식 2]에서 r(n)은 반향신호, h'는 반향 경로의 임펄스 응답을 나타낸다.
하이브리드에서 발생한 반향 신호는 반향 제거기에 의래 제거되며 반향이 제거된 잔향 신호는 아래 [수학식 3]과 같이 표현된다.
[수학식 3]에서 e(n)는 잔향 신호, r'(n)은 적응 필터의 출력신호를 나타낸다.
여기신호를 생성하기 위해 필요한 코드북 인덱스와 이득은 매 프레임마다 새로운 값으로 대치된다. 이들은 각 부 프레임별로 다른 값을 가지므로 각 부 프레임마다 새로운 코드북 인덱스와 이득 값을 이용하여 여기 신호를 생성한다.
반향 제거를 효과적으로 수행하기 위해서는 하이브리드에서 발생하는 반향 경로의 길이를 인지하는 것이 중요하지만 이를 정확히 예측하는 것은 거의 불가능하며 이들은 시간에 따라 천천히 변하기 때문에(Slowly Time-Varying) 일정한 수의 선형 예측 계수들을 메모리에 저장한 후 반향을 제거하는 방식이 사용된다.
상술한 바와같이 본 발명에 따른 반향 제거기는 음성 부호화기에서 제공되는 음성 정보를 이용여 변형된 NLMS 알고리즘을 통해 적응 필터의 수렴 속도 개선에 있어 이점을 얻을 수 있어 종래의 반향 제거기 보다 개선된 성능을 가질 수 있다. 이러한 성능 개선은 현재 CDMA 이동통신 시스템 운용 시 전송 경로의 빠른 변화를 적절히 예측치 못해 가끔씩 발생하는 반향 문제도 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 반향 제거기는 DSP 프로그램의 변경만으로 쉽게 이동 통신 기지국의 음성 부호화기 칩에 적용할 수 있다. 이와 같이 음성 부호화기와 결합된 형태의 반향 제거 알고리즘은 이동통신 단말기에서 차량 전화 핸즈 프리(Hands-Free) 기능을 사용할 때 통화 품질을 저하시키는 음향 반향(Acoustic Echo) 제거에도 적용할 수 있다. 그리고, 개인 이동통신 시스템(PCS : Personal Communication System)과 위성 통신을 포함하는 차세대 육상/해상 이동통신 시스템인 IMT-2000(International Mobile Telecommunication - 2000)에서도 반드시 필요한 기술로서 본 발명을 통해 제안된 반향 제거 알고리즘이 위와 같은 시스템에서도 적용될 수 있다.
Claims (2)
- 이동 통신 시스템에서 정규화 최소 제곱 평균(Normalized Least Mean Square) 알고리즘을 사용하되, 매 프레임마다 코드북 인덱스와 이득을 메모리에 저장하는 단계와,상기 저장된 코드북 인덱스와 이득을 음성 부호화 수단의 카운터 신호에 따라 여기 신호로 생성하는 단계와,상기 여기 신호를 적응 필터의 입력 신호로 사용하여 반향을 제거하는 적응 필터링 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 이동 통신 시스템에서의 반향 제거 방법.
- 이동 통신 시스템에서 기지국 제어기에 디지털 신호처리칩을 사용해 음성부호화 수단과 함께 구현하는 반향 제거기에 있어서, 음성 신호를 부호화 시키는 수단으로부터 그 카운터 타이밍에 따라 코드북 인덱스와 이득을 입력 받아 여기신호를 생성하고, 상기 여기 신호를 이용하여 반향을 제거하는 적응 필터링 수당으로 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 이동 통신 시스템에서의 반향 제거 장치.
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