KR100330237B1

KR100330237B1 - 반향 지연 추정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100330237B1
Application number: KR1019990029138A
Authority: KR
Inventors: 엄광섭
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2002-03-25
Also published as: AU4869200A; CN1281298A; US6625279B1; CN1188959C; CA2313507C; CA2313507A1; AU751184B2; KR20010010326A

Abstract

본 발명은 데시메이터와 적응여파기를 이용하여 반향 제거 장치에 의한 계산시간을 단축하는 반향 지연 추정 장치 및 방법에 대한 것으로서, 제1음성신호를 수신하여 미리 정해지는 대역폭에서 필터링하는 제1저역통과여파기와, 미리 정해지는 데시메이션 율에 따라 상기 제1저역통과여파기의 출력 신호를 데시메이션하는 제1데시메이터와, 상기 제1음성신호에 의해 야기된 반향을 포함하는 제2음성신호를 수신하여 미리 정해지는 대역폭에서 필터링하는 제2저역통과여파기와, 미리 정해지는 데시메이션 율에 따라 상기 제2저역통과여파기의 출력 신호를 데시메이션하는 제2데시메이터와, 상기 제2데시메이터의 출력신호와 상쇄기의 출력신호를 입력받아 반향 지연 추정치를 계산하는 적응여파기와, 상기 제2 데시메이터의 출력신호로부터 상기 반향 지연 추정치를 감산한 결과를 상기 적응여파기로 제공하는 상기 상쇄기로 구성된다.

Description

반향 지연 추정 장치 및 방법{apparatus and method for estimating an echo path delay}

본 발명은 반향 지연을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 데시메이션(Decimation)과 적응여파기(Adaptive Filter)를 사용하여 반향 지연을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 장거리 전화 서비스에서 서로 다른 교환기 지역 내의 교환국과 상기 교환국내의 지역 접속 전화 가입자들 사이에는 본질적인 반향이 존재한다.하이브리드 회로로서 동작하는 2-4 변환장치들(2 wire - 4 wire circuits)의 음성 에너지는 그 임피던스가 완전하게 정합(match)되지 않기 때문에, 공중교환 전화네트워크(Public Switched Telephone Network: PSTN)내에서 반향은 필수적으로 나타나는 특징이다. 이러한 반향을 제거하기 위한 목적으로 반향 제거 장치(Echo Canceller)가 사용된다. 반향 제거 장치는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 적응화 기술을 이용하는 적응여파기를 이용하여 하이브리드 회로에서 되돌아오는 반향을 추정하여 상쇄시킨다.그런데, 이러한 NLMS 적응여파기는 반향 지연이 커질수록 많은 계산량을 필요로 한다. 즉, 전화 서비스에 관련된 지연은 두가지가 있는데, 전송지연과 임펄스 응답 지연이 그것이다. 전송지연은 신호의 전송에 관련된 일반적인 지연이며, 임펄스 응답 지연은 하이브리드 회로에 의하여 야기되는 임펄스 응답 시간이다. 전송지연과 임펄스 응답 지연의 단위가 초(second)라면 자연지연시간에 해당하는 반향 지연시간(echo Delay Time: DL)은 샘플링 율(sampling rate)에 의하여 다중화되고, 임펄스 응답 지연에 해당하는 반향 지속시간(echo Duration Time: DP)은 샘플링 율에 의하여 다중화된다. 예를 들어, 8kHz 샘플링 율에서 측정된 전송지연이 64ms일때 반향 지연시간 DL = 8000Hz ×64ms = 512이다. 따라서 전체 지연 D = DL + DP이고, 반향 제거장치에서 각 샘플당 필요한 계산량은 약 4*D가 된다.

상기의 예에서, 반향 제거장치는 전체 지연을 처리하여야 하기 때문에 반향 지연에 따라 계산량이 증가한다는 단점을 가지고 있다. 예를 들어 8KHz의 샘플링 주파수에서 MIPS(Million Instructions Per Second) 단위로 계산을 수행하는 경우, 반향 추정 장치를 가지지 않는 통상적인 반향 제거장치는 4 ×D ×8000MIPS의 계산시간을 필요로 한다. 결국 각각의 샘플을 처리하는 데에 전체 지연의 4배에 해당하는 처리시간이 발생한다. 따라서 전체지연이 64ms인 경우(즉 D = 512), 종래기술에 의한 반향 제거장치는 4 ×D ×8000MIPS = 16.384MIPS이다.

하지만, 실제로 순수 반향 지연 DL/8msec를 제외한 DP/8msec는 대개 8msec 이내이므로 계산량은 4*64*8000=2.048MIPS이면 충분하다. 따라서 반향 지연시간 DL이 추정될 수 있다면 반향 지연시간은 더 작아지게 되고 반향을 제거하는데 요구되는 계산량도 시스템의 부하를 가중시키지 않을 정도로 감소시킬 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 반향 지연을 추정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.본 발명의 다른 목적은 하이브리드 회로에 의해 야기되는 반향 인자만을 추정함으로써 반향을 제거하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 제1음성신호를 수신하여 미리 정해지는 대역폭에서 필터링하는 제1저역통과여파기와, 미리 정해지는 데시메이션 율에 따라 상기 제1저역통과여파기의 출력 신호를 데시메이션하는 제1데시메이터와, 상기 제1음성신호에 의해 야기된 반향을 포함하는 제2음성신호를 수신하여 미리 정해지는 대역폭에서 필터링하는 제2저역통과여파기와, 미리 정해지는 데시메이션 율에 따라 상기 제2저역통과여파기의 출력 신호를 데시메이션하는 제2데시메이터와, 상기 제2데시메이터의 출력신호와 상쇄기의 출력신호를 입력받아 반향 지연 추정치를 계산하는 적응여파기와, 상기 제2 데시메이터의 출력신호로부터 상기 반향 지연 추정치를 감산한 결과를 상기 적응여파기로 제공하는 상기 상쇄기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 반향 제거 시스템의 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 반향 지연 추정 장치의 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 반향 지연을 추정하는 과정을 나타내는 도면.

이하 본 발명을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 반향 제거 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, A측에서 입력되는 제1음성신호(R)은 하이브리드 회로(110)를 거쳐 B측으로 전달된다. 그리고, B측에서 입력되는 음성신호(N)은 하이브리드 회로(110)에서 발생하는 제1음성신호(R)의 반향(E)와 함께 제2음성신호(S)를 구성하여 반향 지연 추정 장치(120)로 전달된다. 반향 지연 추정 장치(120)는 제1음성신호(R)와 제2음성신호(S)를 입력받아 반향 지연 추정치(DL)를 구한 다음 반향 제거 장치(130)로 전달한다. 그러면, 반향 제거 장치(130)는 반향 지연 추정 장치(120)로부터 전달받은 반향 지연 추정치(DL)를 이용하여 전체 반향 지연(D)중에서 순수 반향 지연에 해당하는 처음 반향 지연 추정치(DL)만큼의 계수값을 항상 0으로 하고, 나머지 반향 지속 시간에 해당하는 DP만큼의 계수를 이용하여 반향 추정치(EHAT)를 만든다.이를 상세히 설명하면, 반향 제거 장치(130)는 수신 채널상의 개별적인 신호 샘플들을 구한 후 시스템의 임펄스 응답을 가지고 구한 시간을 송신채널상의 실제 반향으로부터 감산함으로써 반향 추정치(EHAT)를 구한다.본 발명에 따라 반향 추정치를 결정함에 있어서 하이브리드 회로(110)의 임펄스 응답 또는 전송 함수를 고려한 모델링이 수행되며 그 입력신호 R과의 컨벌루션이 수행된다. 즉, H는 하이브리드 회로(110)의 임펄스 응답이라고 할 때 반향 추정치(EHAT)는 H×R로 표현되며 이는 반향 제거장치(130)의 적응여파기 계수에 해당한다. 계수의 개수는 전체 지연시간의 지속시간을 커버할 수 있어야 하며 이러한 적응응답필터를 위한 탭 계수는 NLMS(Normalized Least Mean Square)라는 기술에 의하여 구해질 수 있다. 전체 반향지연(D)의 순수한 반향지연에 해당하는 반향 지연 추정치(DL)의 제1부분의 계수값은 항상 '0'으로 설정되어 있다. 이는 나머지 반향 시간을 나타내는 반향 지속시간(DP)의 계수는 상기 반향 추정치(EHAT)를 계산하는데 사용되도록 하기 위해서이다.즉, 반향 제거 장치(130)는 제1음성신호 R와 제2음성신호 S와 반향 지연 추정치(DL)를 입력받아 반향 추정치(EHAT)를 만들어내고, 그 결과를 상쇄기(140)로 전달한다. 상쇄기(140)는 제2음성신호 S에서 반향 추정치(EHAT)만큼을 뺀 결과를 비선형 처리 장치(150)로 전달한다. 그러면, 비선형 처리 장치(150)는 상쇄기(140)로부터의 출력에 잔여 반향이 포함되어 있는지를 결정한다. 잔여 반향이 검출되면 비선형 처리장치(150)는 상기 잔여 반향 신호를 0 또는 잡음(Comfort Noise)의 형태로 변환한다. 그렇지 않은 경우 비선형 처리장치는 수신된 신호를 바이패스한다.

도 2는 본 발명에 따른 반향 지연 추정 장치의 구성도로서, 제1저역통과여파기(211)와 제2저역통과여파기(212)와 제1데시메이터(221)와 제2데시메이터(222)와 적응여파기(230)과 상쇄기(240)로 구성된다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 반향 지연 추정 장치의 동작을 설명한다. 제1저역통과여파기(211)는 입력되는 제1음성신호(R)를 미리 정해지는 대역폭에 따라 저역만 통과시켜 출력한다. 즉, 제1저역통과여파기(211)는 엘리어싱(aliasing)을 피하기 위한 것으로 제1 음성신호의 대역폭을 4KHz로 낮추어 주는 역할을 수행한다. 제1데시메이터(221)는 제1저역통과여파기(211)로부터 출력된 신호를 입력받아 데시메이션하여 출력한다.

제2저역통과여파기(212)는 입력되는 제2음성신호(S)를 미리 정해지는 대역폭에 따라 저역만 통과시켜 출력한다. 즉, 제2저역통과여파기(212)는 엘리어싱(aliasing)을 피하기 위한 것으로 음성신호의 대역폭을 4KHz로 낮추어 주는 역할을 수행한다. 제2데시메이터(222)는 제2저역통과여파기(212)로부터 출력된 신호를 입력받아 데시메이션하여 출력한다.

이때, 저역통과여파기의 대역폭은 데이메이션 율(decimation grade)에 따라 결정된다. 예를 들어 1/4데시메이션을 사용할 경우에는 수학식 1과 같이 대역폭이 1kHz인 저역통과여파기를 사용할 수 있다.

y(n) = 0.9428y(n-1) - 0.3333y(n-2) + 0.0976(x(n) + 2x(n-1) + x(n-2))

여기서 x(n)은 저역통과여파기의 입력이고 y(n)은 저역통과여파기의 출력이며 n은 시간 인덱스이다.

이와 같이 데시메이션 율은 목적에 따라 정도를 달리할 수 있겠지만 본 발명에 따른 반향 지연 추정 장치에서는 1/4 데시메이션 정도면 적합한 성능을 얻을 수 있다.

적응여파기(230), 즉 해당하는 탭 계수를 각각 가지는 다수의 탭을 가지는 디지털 유한 임펄스 응답 필터는 제1데시메이터(212)에서 출력되는 신호와 제2데시메이터(222)에서 출력되는 신호와 상쇄기(240)에서 출력되는 신호를 수신하여 반향 지연 추정치를 계산한다. 본 발명에 따른 적응여파기(230)는 반향 지연 추정치를 계산하기 위하여 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘을 사용한다. 예를 들어, 1/4 데시메이션 율과 8KHz의 샘플링 율을 사용한다고 했을때 총 64msec 반향 지연에 대해 계산량은 512/4*8000/4 = 0.256MIPS이므로 이는 종래기술에 의해 요구되는 16.384MIPS의 계산량에 비하여 매우 향상된 값을 가짐을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 반향 지연을 추정하는 과정을 나타낸다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반향 지연을 추정하는 방법을 설명한다. 제310단계에서 적응여파기(230)는 크기가 3인 3개의 버퍼를 만들고, 초기값을 모두 0으로 만든다. 여기서, 3개의 버퍼는 다음과 같다.

positon[3], height[3], erle[3]

제320단계에서 적응여파기(230)는 하이브리드 회로(110)의 반향 전달 함수를 모델링한다. 여기서, 반향 전달 함수는 전체 시스템의 반향 응답과 매치되도록 적응여파기(230)의 계수값으로서 지속적으로 저장된다.

제330단계에서 적응여파기(230)는 계수값중에서 절대값이 가장 큰 계수의 위치를 찾는다. 예를 들면, 총 반향 지연 시간 64msec와 1/4데시메이션에 대해 적응여파기(230)는 128개의 개수를 갖고, 그중에서 절대값이 가장 큰 계수가 어느 것인가를 찾는다.

제340단계에서 적응여파기(230)는 가장 큰 절대값을 가지는 계수의 실제값을 저장하기 위하여 다음과 같은 동작을 수행한다.

position[2]=position[1]; position[1]=position[0]; position[0]=절대값이 가장 큰 계수의 위치

height[2]=height[1]; height[1]=height[0]; height[0]=절대값이 가장 큰 계수의 실제값

제350단계에서 적응여파기(230)는 제2음성신호(S)의 출력을 이용하여 하기 수학식 2에 의해 ERLE(Echo Return Loss Enhancement)값을 계산한다.

제360단계에서 적응여파기(230)는 ERLE값을 구했으면, 다음과 같이 erle버퍼에 저장된 데이터를 쉬프트시킨다.

erle[2]=erle[1]; erle[1]=erle[0]; erle[0]=ERLE값

제370단계에서 적응여파기(230)는 반향 지연(DL)을 구하기 위해 다음과 같은 동작을 수행한다.

if((position[0]==position[1] && position[1]==position[2])

&& ((height[0] > 0 && height[0] >= height[1] && height[1] >= height[2])

|| (height[0] < 0 && height[0] <= height[1] && height[1] <= height[2]))

&& (erle[0] >= erle[1] && erle[1] >= erle[2]))

then, DL = 현재 찾은 위치*4

else, DL = 이전 DL

즉, 적응여파기(230)는 절대값이 가장 큰 계수의 위치가 이전에 절대값이 가장 큰 계수의 위치와 동일한지의 여부를 판단한다. 적응여파기(230)는 절대값이 가장 큰 계수의 값이 점차 증가하는 것(+방향으로 점점 커짐)인지 또는 절대값이 가장 큰 계수의 값이 점차 감소하는 것(-방향으로 점점 커짐)인지를 판단한다. 또한 적응여파기(230)는 erle 버퍼에 저장된 값이 점차적으로 작아지는지의 여부를 판단한다. 상기 판단 조건을 만족하는 위치를 4배하면 반향 지연이 된다. 여기서, 상기 조건을 만족하는 위치를 4배하는 것은 1/4데시메이션하였기 때문이다.

이와 같이 반향 추정 장치(120)는 적응여파기(230)를 통해 상기 과정들을 되풀이 수행함으로써 반향 지연 추정치를 구하여 반향 제거 장치(130)로 제공한다.

그러면, 반향 제거 장치(130)는 반향 지연 추정 장치(120)에서 구한 반향 지연(DL)을 이용하여 반향 추정치를 구하여 반향을 제거한다. 반향 제거 장치(130)는 상기 반향 지연과 수신 채널의 입력신호와 시스템으로부터의 반향을 보상하는 신호 대 잡음 조합된 신호를 이용하여 반향 추정치(EHAT)를 계산한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 반향 지연에 상관없이 항상 일정한 계산량으로 반향 추정치를 구할 수 있다. 즉, 본 발명은 적은 계산량으로 반향 지연 추정치를구할 수 있으므로 계산량에 대한 부담이 없어지는 이점이 있다.

Claims

반향 지연 추정 장치에 있어서,

제1음성신호를 수신하여 미리 정해지는 대역폭에서 필터링하는 제1저역통과여파기와,

미리 정해지는 데시메이션 율에 따라 상기 제1저역통과여파기의 출력 신호를 데시메이션하는 제1데시메이터와,

상기 제1음성신호에 의해 야기된 반향을 포함하는 제2음성신호를 수신하여 미리 정해지는 대역폭에서 필터링하는 제2저역통과여파기와,

미리 정해지는 데시메이션 율에 따라 상기 제2저역통과여파기의 출력 신호를 데시메이션하는 제2데시메이터와,

상기 제2데시메이터의 출력신호와 상쇄기의 출력신호를 입력받아 반향 지연 추정치를 계산하는 적응여파기와,

상기 제2 데시메이터의 출력신호로부터 상기 적응여파기의 출력신호를 감산한 결과를 상기 적응여파기로 제공하는 상기 상쇄기로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1데시메이터는,

1/4 데이메이션하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2데시메이터는,

1/4 데이메이션하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1저역통과여파기는,

하기 수학식 3과 같이 대역폭이 1kHz인 저역통과여파기임을 특징으로 하는 장치.

y(n) = 0.9428y(n-1) - 0.3333y(n-2) + 0.0976(x(n) + 2x(n-1) + x(n-2))

여기서 x(n)은 상기 저역통과여파기의 입력이며 y(n)은 상기 저역통과여파기의 출력이고 n은 시간 인덱스이다.
제1항에 있어서, 상기 제2저역통과여파기는,

하기 수학식 4와 같이 대역폭이 1kHz인 저역통과여파기임을 특징으로 하는 장치.

y(n) = 0.9428y(n-1) - 0.3333y(n-2) + 0.0976(x(n) + 2x(n-1) + x(n-2))

여기서 x(n)은 상기 저역통과여파기의 입력이며 y(n)은 상기 저역통과여파기의 출력이고 n은 시간 인덱스이다.
제1항에 있어서, 상기 적응형여파기는,

NLMS 알고리즘에 의해 반향 지연 추정치를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 적응형여파기는,

반향 전달 함수를 모델링하는 것을 특징으로 하는 장치.
복수의 탭 계수를 가지는 적응여파기를 구비하는 반향 지연 추정 장치에서 반향 지연 추정 방법에 있어서,

3개의 버퍼를 만들고 초기화하는 과정과,

상기 적응여파기의 탭 계수들을 이용하여 상기 반향 지연을 모델링하는 과정과,

상기 적응여파기의 계수값중에서 절대값이 가장 큰 계수의 위치를 구하는 과정과,

상기 절대값이 가장 큰 계수의 실제 값을 구하는 과정과,

상기 적응여파기의 입력과 출력을 이용하여 ERLE(Echo Return Loss Enhancement)값을 구하는 과정과,

하기 수학식 5에 의해 반향 지연 추정치를 구하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.

if((position[0]==position[1] && position[1]==position[2])

&& ((height[0] > 0 && height[0] >= height[1] && height[1] >= height[2])

|| (height[0] < 0 && height[0] <= height[1] && height[1] <= height[2]))

&& (erle[0] >= erle[1] && erle[1] >= erle[2]))

then, DL = (현재 찾은 위치)*4

else, DL = 이전 DL
제8항에 있어서, 상기 3개의 버퍼는, 상기 위치, 상기 실제 값, 상기 erle을 각각 저장함을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 반향 전달 함수는,

상기 적응여파기의 계수값에 저장되는 것을 특지응로 하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 ERLE값은,

하기 수학식 6에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.