KR100350628B1 - 주기성 잡음 제거장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아날로그 회로를 이용하여, LMS(least mean square) 기반의 예측기(adaptive filter)를 이용하여 목적신호와 주기성 잡음의 합으로부터 주기성 잡음 성분을 제거하여 목적신호만을 출력하는 주기성 잡음 제거장치에 관한 것이다.
본 발명은 목적신호와 주기성 잡음이 혼합되어 있는 입력신호가 입력되어 분기되는 입력신호 분기점, 상기 입력신호 분기점에서 분기된 입력신호로부터 주기성 잡음만을 추출하여 출력하는 예측기, 상기 입력신호 분기점에서 분기되지 않은 입력신호로부터 상기 예측기에서 출력되는 주기성 잡음을 빼어 최종적으로 출력하는 감산기로 구성되는데,
상기 예측기는, 입력되는 신호를 다단계로 지연하는 다수의 지연소자가 직렬로 연결되어, 각 지연소자를 거친 신호에 가중치(weight)가 곱해져서 가산기에 의해 가산됨으로써 출력되는 것을 특징으로 한다.

Description

주기성 잡음 제거장치{Periodic noise cancelling device}
본 발명은 목적신호에 혼합되어 있는 주기성 잡음을 제거하여 원하는 목적신호만을 얻을 수 있는 주기성 잡음 제거장치에 관한 것이다.
각종 환경에서 주기성을 갖는 잡음(공장, 채석장, 탄광 등에서의 소음)은 정보통신 및 신호처리에 있어서 커다란 제약요소가 될 뿐 아니라, 작업자에게 청각장애와 같은 직업병을 일으킬 수 있다. 현재 이런 잡음을 제거하기 위하여 특정주파수 대역만을 제거하는 노치필터(notch filter)를 이용하는 것이 일반적이다. 이때 주기성 잡음의 주파수 성분이 알려져 있지 않은 경우에는 이에 적응하여(adaptive) 잡음을 제거하는 기술이 요구된다. 이러한 기술은 지금까지 주로 아날로그-디지털 변환기(ADC: analog-to-digital converter)를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 디지털신호 처리(DSP: digital signal processing) 기법에 의해 소프트웨어적으로 적응형 필터(adaptive filter)를 구현한 방법이 주로 사용되고 있다.
도면을 참조하여 종래의 배경잡음 제거기술에 대해서 몇가지 설명하기로 한다. 도1a는 통신시스템에 사용되는 배경잡음 제거 기술을 나타내는 개념도로서, 목적신호 성분과 배경잡음이 함께 들어오는 입력과 배경잡음만이 들어오는 입력을 갖고 있으며 적절한 적응알고리즘(적응형 필터)을 사용하여 목적신호 및 배경잡음의 크기 및 위상을 조절하여 서로 감산하여 배경잡음을 제거하는 기술이다. 가령, 잡음이 매우 심한 전투기에 탄 파일롯의 입에서 나오는 음성신호가 입력되는 제1마이크와 배경 잡음을 포착하는 제2마이크를 예로 들 수 있다. 제1마이크에는 파일롯의음성신호와 배경잡음이 입력되고, 제2마이크에는 배경잡음이 입력되므로 도1에서와 같이 양 신호를 서로 빼면 음성신호만 출력될 것이다.
도1b는 음파를 이용한 주기적 잡음성분 상쇄기술을 나타내는 것으로, 한정된 영역 내에서 일정한 주기성을 갖는 음파에 의한 잡음을 제거하기 위하여 주기성 잡음과 위상이 반대되는 음파를 스피커로 내보내 한정된 공간 내에서 두 음파가 상쇄되도록 하는 기술이다. 이때, 발생시키는 음파의 위상이 잡음파의 위상과 반대가 되도록 다양한 적응 알고리즘이 사용된다.
도1c는 주기적 신호성분 검출기술을 나타내는 것으로서, 통신시스템에서 주기적 신호에 잡음이 가해진 입력신호로부터 원래의 주기적 신호 성분을 재생하는 기술을 나타낸다. 이러한 기술을 "Adaptive Line Enhancer"라 한다.
그러나, 도2와 같이 잡음의 크기가 목적신호와 동등하거나 또는 목적신호보다 큰 경우에는 다이나믹 레인지(dynamic range)가 큰 ADC를 사용하여야 하며 ADC의 다이나믹 레인지 내에서 입력신호의 범위가 유지되도록 이득가변 증폭기(VGA: variable gain amplifier)를 사용하기도 한다. 그러나, 이때에는 신호에 대한 분해능(resolution)이 떨어져 신호에 큰 손실이 발생하게 된다. 따라서, 크기가 큰 주기성 잡음은 AD 변환 전에 아날로그 적응형 필터에 의해 제거되어야 한다.
또한 DSP를 이용한 설계는 ADC 및 DSP에서 많은 전력소모와 큰 실리콘 면적(집적회로 구성면적)을 차지하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 아날로그 회로를 이용하여, LMS(least meansquare) 기반의 예측기(adaptive filter)를 이용하여 목적신호와 주기성 잡음의 합으로부터 주기성 잡음 성분을 제거하여 목적신호만을 출력하는 주기성 잡음 제거장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 주기성 잡음 제거장치를 집적화하여 외부에 신호입력 단자, 신호출력 단자, 전원단자를 포함하는 집적회로 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 주기성 잡음 제거장치에, 입력신호는 마이크로폰을 통해 입력시키고 출력신호는 스피커를 통해 사용자의 귀로 전달하여, 사용자로 하여금 시끄러운 주기성 소음이 제거된 목적신호만을 들을 수 있게 하도록 하는 헤드셋 또는 삽입형의 청각보호 장구를 제공하는 것이다.
도1a~1c는 종래의 잡음제거 장치의 개념도.
도2는 목적신호에 주기성 잡음이 혼합되어 있는 것을 나타내는 개념도.
도3은 본 발명에 따른 주기성 잡음 제거장치의 개념적 구성도.
도4는 본 발명에 따른 주기성 잡음 제거장치의 실제 구성도.
도5는 본 발명에 따른 장치의 시뮬레이션 결과 그래프.
도6a, 6b는 본 발명에 따른 장치의 응용례를 나타내는 그림.
<도면부호의 설명>
목적신호(S), 주기성 잡음(N), 예측기(10), 지연소자(12a,12b,...,12n), 지연소자간 탭(x1,x2,...,xn), 가중치(14), 가산기(16), 입력신호 분기점(20), 분기되지 않은 신호 (S+N)1, 분기된 입력신호 (S+N)2, 감산기(30), 계수 조절부(40), 제1곱셈기(42), 적분기(44), 제2곱셈기(46), 지연시간 조절부(50), 위상감지기(52), 저역필터(54), 에러(E), 지연부(60), 헤드셋(100), 삽입형 귀마개(200), 주기성 잡음 제거장치(104, 204), 마이크로폰(102, 202), 스피커(106, 206)
발명의 개요
도3은 본 발명에 따른 주기성 잡음 제거장치의 개념적 블록도이다. 본 발명은 LMS(least mean square) 기반의 예측기[predictor, 즉 적응형 필터(adaptive filter)]를 채용하여 입력(목적신호와 주기성 잡음의 합)으로부터 주기성 잡음 성분을 제거하여 목적신호만을 출력하도록 하는 구성을 갖는다.
예측기는 입력신호로부터 다음 시간에 오는 신호를 예측하는 일종의 필터로서, 입력신호의 주기적 성분에 대하여는 비교적 정확한 예측이 가능하나 음성신호 등과 같이 주기성이 없는 신호에 대하여는 예측을 하지 못한다. 예측기는 여러가지 방식으로 구현할 수 있으나, 기본적으로 FIR(finite impulse response) 구조를 갖는 것이 대부분이다. FIR형 예측기는 도3에서 보듯이, 입력신호를 다수의 지연소자(12a, 12b, ..., 12n)를 통과시키면서 각 지연소자가 연결된 탭(x1, x2, ..., xn)마다 가중치(weight)를 곱한 신호를 합산하여 출력(yn)함으로써 특정시간 이후의 신호를 예측하는 기능을 한다.
따라서, 본 발명의 기본 원리는 도3에서 보는 것과 같다. 입력신호로서 음성신호 등의 목적신호(S)와 주기성 잡음(N)이 혼합되어 들어올 때, 예측기(10)를 통과한 신호중에서 주기성 잡음 성분(N)이 예측되므로(즉, 필터링), 입력신호(S+N)와 예측된 주기성 잡음(N)의 차를 구하기만 하면 최종 출력되는 신호는 주기성 잡음 성분 N이 제거된 목적신호(S)만이 출력될 것이다. (도3의 최종출력 "S"자 위의 물결 표시는 신호가 완전하게 복원되는 것은 아니라는 의미로 사용하였다.)
본 발명에 따른 주기성 잡음제거 장치는 기본적으로 아날로그 회로로서, 하나의 IC 패키지에 집적화하기가 매우 용이하다. 따라서, 주기성 잡음 제거장치에 입력신호를 인가하기 위한 신호입력 단자, 출력신호를 외부로 인출하기 위한 신호출력 단자, 전원을 인가하는 전원단자를 포함하도록 집적회로를 설계할 수 있다.
본 발명에 따른 주기성 잡음제거 장치에 있어서, 입력신호는 마이크로폰에 의해 인가되고, 출력신호는 스피커에 의해 재생되도록 헤드셋을 구성하거나, 귀에 삽입하는 형태로 구성하여 공장이나 채석장 등에서 작업자가 귀 보호용 보호장구로 활용할 수 있다.
발명의 구체적 구성 및 작용
도3을 참조할 때, 본 발명에 따른 주기성 잡음 제거장치는,
목적신호(S)와 주기성 잡음(N)이 혼합되어 있는 신호가 입력되어 분기되는 입력신호 분기점(20),
상기 입력신호 분기점(20)에서 분기된 입력신호중 하나로부터 주기성 잡음만을 추출하여 출력하는 예측기(10),
상기 입력신호 분기점(20)에서 분기되지 않은 입력신호로부터 상기 예측기(10)에서 출력된 주기성 잡음을 빼어 최종 출력하는 감산기(30)로 크게 구성된다.
예측기(10)에는, 상기 감산기(30)에서 출력되는 신호와 각 지연소자의 탭으로부터 입력되는 신호를 제1곱셈기(42)로 곱하여 적분기(44)에 의해 적분을 해서 다시 각 탭에서 입력되는 신호와 제2곱셈기(46)로 곱하여 가산기(16)를 향해 출력하는 계수 조절부(40)가 포함된다.
본 발명에는 또한, 상기 예측기(10)의 각 지연소자(12)의 지연시간을 입력되는 잡음의 주기에 따라 자동으로 조절하기 위하여 입력신호중 분기되지 않은 신호 (S+N)1와 예측기(10)의 출력신호(yn)를 입력으로 하여 위상차이를 이용하여 지연시간을 조절한 다음에 각 지연소자(12)를 콘트롤하는 지연시간 조절부(50)가 추가로 포함된다.
예측기(10)는 FIR형 필터로 이루어지는데, 입력되는 신호를 다단계로 지연하는 다수의 지연소자(12a, 12b, ..., 12n))가 직렬로 연결되어, 각 지연소자(12)를 거친 신호에는 가중치(weight)가 곱해져서 가산기(16)에 의해 가산됨으로써 출력된다. 이러한 방식은 FIR형 예측기(필터)의 기본적인 구성이다. 최종 출력신호로부터 적응형 필터(adptive filter)를 조절하기 위한 "에러"를 예측기의 출력(yn)과 입력신호(S+N)의 차이(도3의 "E")로 정의한다면, 가중치를 곱하는 이유는 이 에러(E)를 최소화하기 위해서이다.
즉, 도3에서 각 지연소자(12)가 연결된 탭을 각각 x1, x2, ..., xn이라 하고 예측기의 출력을 yn이라 할 때,가 된다. 여기서 T는 지연소자의 지연시간을 나타낸다.
상기 계수 조절부(40)는 본 발명에 채용한 FIR형 예측기의 가중치를 적응성을 갖도록(adaptive 하게) 조절하기 위한 구성요소이다. 즉, 최종출력되는 목적신호 S와 예측기(10)에 입력되는 분기 신호 (S+N)2의 크기에 따라 가중치를 자동으로 콘트롤하도록 하는 구성요소이다. 계수 조절부(40)의 구현은 임의의 공지된 방법으로 수행할 수 있는데, 본 발명에서는 도4에서와 같이 LMS(least mean square) 알고리즘으로 구현하였다. 즉, 각 계수 조절부(40)를 도4에서와 같이 구성하여 가중치를 적용토록 하였다. 최종 출력신호(S)와 각 탭으로부터 입력되는 신호를 제1곱셈기(42)로 곱하여 적분기(44)에 의해 적분을 해서 다시 각 탭에서 입력되는 신호와 제2곱셈기(46)로 곱하여 가산기(16)를 향해 출력한다.
한편, 지연시간 조절부(50)는 입력되는 주기성 잡음의 주파수는 예측이 불가능하므로 적은 개수의 지연소자(12)로서 필터링 효과를 높이기 위한 구성요소이다. 다시 말해서, 예측기(10) 내의 지연소자(12)의 개수는 입력되는 주기성 잡음의 주기(즉, 주파수)에 따라 달라지기 때문에(주기가 크면, 즉 주파수가 낮아지면 지연소자가 더 많이 필요해 진다) 각 지연소자(12)의 지연시간(delay time)을 입력되는 잡음(N)의 주기에 따라 자동으로 조절할 수 있다면 고정된 적은 수의 지연소자로서 임의의 주기성 잡음에 최적한 지연시간을 결정할 수 있게 된다. 지연시간 조절부(50)는 입력신호중 분기되지 않은 신호 (S+N)1과 예측기의 출력신호(yn)를 입력으로 하여 지연시간을 조절한 다음에 각 지연소자를 콘트롤하는 원리로 구현된다.
실제로 본 발명에서는 도4에서와 같이, 입력신호(S+N)와 예측기 출력(yn)의 위상차를 최소화하기 위하여 위상감지기(phase detector, 52)의 출력을 저역필터(low-pass filter, 54)로 필터링하여 각 지연소자의 최적 지연시간을 자동적으로 결정하도록 하였다.
한편, 도3의 개념도에는 표시하지 않았지만, 도4에는 분기된 입력신호 (S+N)2가 직접 예측기(10)로 입력되지 않고 별도의 지연부(60)를 통해 입력될 수 있음을 표시하고 있다. 이는, 입력신호 중 분기되지 않은 입력신호 (S+N)1과 분기된 입력신호 (S+N)2사이의 상관관계(correlation)가 없게 하여 예측기(10)에 입력된목적신호로 인하여 최종 출력에서 목적신호가 왜곡되는 것을 최소화하기 위한 역할을 한다.
즉, 주기성 잡음은 시간차에 관계없이 상관관계가 깊지만, 음성신호 등의 목적신호는 임의의 지점에서 시간적으로 멀수록 상관관계가 희박해지는 성질을 이용하여, 입력신호가 예측기(10)에 입력되기 전에 지연부(60)를 거침으로써 (S+N)1과 (S+N)2사이의 상관관계를 낮추도록 하였고, 이에 따라, 비주기성 신호인 목적신호에 대한 왜곡을 최소화할 수 있다.
시뮬레이션 결과
도5는 본 발명에 따른 주기성 잡음 제어장치에 대한 시뮬레이션 결과로서, 시간에 따른 주파수 성분의 변화를 나타내는 그래프이다. 위쪽의 그래프는 목적신호와 주기성 잡음이 합해진 입력신호를 나타내는데, 시간이 지남에 따라 주파수 성분이 바뀌지 않는 주기성 잡음은 그림에서 수평선으로 표시되고 있다. 아래쪽 그래프는 본 발명에 따른 잡음 제거장치를 사용하여 필터링한 결과를 나타내는 것으로서, 주기성 잡음이 제거되어 있음을 볼 수 있다.
발명의 응용예
본 발명에 따른 주기성 잡음 제거장치는 다양한 분야에서 응용할 수 있다. 우선, 본 발명에 따른 주기성 잡음 제거장치는 집적회로화하여 단일 패키지로서 생산할 수 있을 것이다. 필요한 외부 단자로 전원단자, 신호입력단자, 신호출력단자 정도 밖에 필요치 않으므로 매우 작은 규격의 패키지로 설계하여 생산할 수 있다. 이로써 종래의 DSP 방식의 설계와 달리, 전력소모가 적고 실리콘 면적을 작게 집적할 수 있다.
본 발명의 장치를 작게 구성함으로써(집적회로가 바람직하나 이에 한정되지는 않는다), 도6a,b와 같이 귀를 덮는 헤드셋 형태(100) 또는 귀에 삽입하는 형태(200)의 청각보호 장구로 응용할 수 있다. 본 발명에 따른 장치(104, 204)를 작게 구성하여 입력신호는 마이크로폰(102, 202)을 통해 입력시키고 출력신호는 스피커(106, 206)를 통해 귀로 전달하면, 사용자는 시끄러운 주기성 소음이 제거된 목적신호(이 경우에는 음성신호)만을 들을 수 있게 된다. 이로써, 공장이나 채석장에서와 같은 환경에서 일하는 작업자를 난청 등의 직업병으로부터 보호할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 의료용 생체신호 측정에 응용할 수 있다. 예를 들어, 심장의 주기적인 박동으로 인한 잡음 및 수술실의 타장비에서 발생하는 잡음은 일반적으로 목적신호보다 크고 주기성을 갖는 특징이 있으므로, 원하는 비주기적 생체신호(예컨대, 뇌파)만을 추출하여 측정할 수 있다. 일반적으로 심장의 박동 잡음을 제거하기 위해서는 기준전극(reference electrode)을 이용하여 심전도를 검출하고 이를 제거하는 기술이 사용되고 있다. 또한, EMI(electro-magnetic interference)에 의한 타의료장비로부터의 주기성 잡음은 기준신호를 얻어낼 수가 없는 경우가 대부분이다. 그러나, 본 발명에 따르면 기준전극이 필요없이 원하는 비주기적 생체신호만을 얻을 수 있다.
본 발명은 또한 통신분야에 활용될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 목소리보다 더 큰 주위의 주기성 잡음(자동차, 비행기, 기차 등의 소음)을 차단하지 못해 발생하는 통화품질의 저하를 본 발명에 따른 장치로 개선할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따르면, 고정된 수의 지연소자를 갖는 예측기를 사용하여 목적신호와 혼합된 주기성 잡음의 주기에 관계없이 적응하여 주기성 잡음을 제거할 수 있는 아날로그 회로로서, 종래의 DSP 방식에 비해 월등히 적은 전력소모와 실리콘 면적이 소요되므로 집적화가 용이하며 우수한 잡음 제거 능력을 발휘하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 목적신호와 주기성 잡음이 혼합되어 있는 입력신호가 입력되어 분기되는 입력신호 분기점,
    상기 입력신호 분기점에서 분기된 입력신호로부터 주기성 잡음만을 추출하여 출력하는 예측기,
    상기 입력신호 분기점에서 분기되지 않은 입력신호로부터 상기 예측기에서 출력되는 주기성 잡음을 빼어 최종적으로 출력하는 감산기로 구성되어 목적신호와 주기성 잡음이 혼합되어 있는 신호로부터 주기성 잡음을 제거하는 장치로서,
    상기 예측기는, 입력되는 신호를 다단계로 지연하는 다수의 지연소자가 직렬로 연결되어, 각 지연소자를 거친 신호에 가중치(weight)가 곱해져서 가산기에 의해 가산됨으로써 출력되는 것을 특징으로 하고,
    상기 예측기는, 가중치를 적응성을 갖도록 조절하기 위하여, 상기 감산기에서 최종 출력되는 목적신호와 예측기에 입력되는 분기된 신호의 크기에 따라 가중치를 자동으로 콘트롤하는 계수조절 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주기성 잡음 제거장치.
  2. 청구항 1에서, 상기 계수조절 수단은 감산기에서 출력되는 신호와 각 지연소자의 탭으로부터 입력되는 신호를 제1곱셈기로 곱하여 적분기에 의해 적분을 해서 다시 각 탭에서 입력되는 신호와 제2곱셈기로 곱하여 가산기를 향해 출력하는 것으로 구현되는 주기성 잡음 제거장치.
  3. 청구항 1에서, 상기 예측기의 각 지연소자의 지연시간을 입력되는 잡음의 주기에 따라 자동으로 조절하기 위하여 입력신호중 분기되지 않은 신호와 예측기의 출력신호를 입력으로 하여 지연시간을 조절한 다음에 각 지연소자를 콘트롤하는 지연시간 조절 수단이 추가로 포함되는 주기성 잡음 제거장치.
  4. 청구항 3에서, 상기 지연시간 조절 수단은 입력신호와 예측기 출력의 위상차를 최소화하기 위하여 위상감지기의 출력을 저역필터로 필터링하여 각 지연소자의 최적 지연시간을 자동적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 주기성 잡음 제거장치.
  5. 청구항 1 또는 3에서, 분기된 입력신호가 예측기에 입력되기 전에 지연부를 거침으로써 분기된 입력신호와 분기되지 않은 입력신호 사이의 상관관계를 최소화하는 것을 특징으로 하는 지연부가 추가로 포함되는 주기성 잡음 제거장치.
  6. 청구항 1~5중 어느 한 항과 같이 구성되는 주기성 잡음 제거장치,
    상기 주기성 잡음 제거장치에 입력신호를 인가하기 위한 신호입력 단자,
    상기 주기성 잡음 제거장치의 출력신호를 외부로 인출하기 위한 신호출력 단자,
    상기 주기성 잡음 제거장치에 전원을 인가하는 전원단자를 포함하고 있는 집적회로 패키지.
  7. 청구항 1~5중 어느 한 항과 같이 구성되는 주기성 잡음 제거장치,
    상기 주기성 잡음 제거장치에 인가되는 입력신호를 발생하기 위한 마이크로폰,
    상기 주기성 잡음 제거장치의 출력신호를 재생하는 스피커,
    상기 주기성 잡음 제거장치, 마이크로폰, 스피커가 내장되는 하우징으로서 인간의 귀를 가리는 귀마개로 구성되는 헤드셋형 청각보호 장구.
  8. 청구항 1~5중 어느 한 항과 같이 구성되는 주기성 잡음 제거장치,
    상기 주기성 잡음 제거장치에 인가되는 입력신호를 발생하기 위한 마이크로폰,
    상기 주기성 잡음 제거장치의 출력신호를 재생하는 스피커,
    상기 주기성 잡음 제거장치, 마이크로폰, 스피커가 내장되어 인간의 귀속에 삽입되는 하우징으로 구성되는 삽입형 청각보호 장구.
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