KR100415525B1 - 에코제거장치 - Google Patents

Abstract

휴대용 전화기 등의 소형 사운드 발생 통신 단말기의 스피커로부터 마이크로 되돌아와서 발생된 사운드에 의해 야기된 에코를 감소시키기 위한 에코 제거 장치. 단말기(11)로부터 스피커로 보내진 스피커 출력 신호 X(k)는 탭 계수 평가 회로(21)의 평활화된 전력값 계산 회로(21)로 보내져 제곱합값을 평활화한 것을 계산하여 탭 계수 갱신 회로(22)로 보내게 된다. 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)를 사용하여, 탭 계수 갱신 회로(22)는 필터(15)의 탭 계수를 갱신한다. 필터(15)는 스피커 출력 신호 X(k)를 필터링하여 의사 에코 신호를 출력하여 감산기(14)로 보내 그곳에서 마이크(13)에 의해 수집된 마이크 입력 신호에서 감산된다. 필터 탭 계수는 변동되는 것이 방지될 수 있으며 에코 제거 장치의 에코 제거 특성이 탭 계수 평가를 위한 처리량을 증가시키지 않고 안정화될 수도 있다.

Description

에코 제거 장치

본 발명은 에코 제거 장치(echo removing apparatus)에 관한 것으로서, 특히 휴대용 전화 등의 소형의 사운드 발생 통신 단말기(sound generated communication terminal)의 스피커로부터 마이크로 되돌아오는 사운드에 의해 야기된 에코를 감소시키는 에코 제거 장치에 관한 것이다.

휴대용 전화 등의 사운드 발생 통신 단말기의 크기가 계속해서 감소됨에 따라서, 사운드 생성-수신 스피커(sound generated-receving speaker)로부터 사운드 생성-송신 마이크(sound generated-sending microphone)로 되돌아오는 사운드에 의해 생성된 에코의 효과는 무시할 수 없을 정도가 되었다. 송/수신기에서 되돌아오는 사운드에 의해 야기된 에코를 소거하기 위하여, 예를 들어 도 1에 도시된 에코 제거 장치 또는 에코 소거기(echo canceler)가 사용된다.

도 1을 참조하면, 단말기(11)는 통신 상대방으로부터 스피커(12)로 송신된 스피커 출력 신호 x(k)(여기서, k는 이산 신호의 샘플 번호 또는 시간 위치를 나타냄)를 수신한다. 마이크(13)에 의해 수집되어 전기 신호로 변환된 마이크 입력 신호 y(k)는 필터 회로(15)로부터 공급된 의사 에코 신호(pseudo echo signal)와 함께 감산기(14)로 공급된다. 감산기는 마이크 입력 신호에서, 공급된 의사 에코 신호를 감산하여, 그 결과 입력 단자(16)로 공급될 에코 감소 신호 또는 잔류 에코신호(residual echo signal)를 형성하게 된다. 휴대용 전화기에서, 스피커(12) 및 마이크(13)는 통상적으로 서로 근접 배치되어 있다.

필터 회로(15)는 소위 유한 임펄스 응답(finite impulse response, FIR) 필터로 구성되어 있다. 필터 회로는 탭 계수 추정 회로(17)에 의해 제어되는 필터 계수 또는 탭 계수를 갖는다. 탭 계수 추정 회로는 입력 신호로서의 스피커 출력 신호 x(k) 또는 출력 신호로서의 잔류 에코 신호 e(k)에 근거하여 적당한 적응적 알고리즘에 의해 필터의 탭 계수를 순차적으로 갱신한다. 적응적 알고리즘에서는, 소위 학습 식별법(learning identification method) 또는 정규화된 최소 평균 제곱법(normalized least mean square (LMS) method)이 널리 이용된다.

필터 탭의 수를 L이라고 할 때, 필터 탭 입력 신호로서의 스피커 출력 신호를 벡터 X(k) = (x(k), x(k-1), ‥‥, x(k-L+1))로 나타내고 필터 탭 계수를 벡터

로 나타낼 경우에, 필터 회로(15)(FIR 필터)에 의해 얻어진 의사 에코 신호가 이하의 식에 따라 탭 입력과 탭 계수를 곱함으로써 얻어진다.

이 의사 에코 신호를 마이크 입력 신호 y(k)로부터 감산하여 이하의 식으로 표시되는 잔류 에코 신호 e(k)를 얻게 된다.

이것은 에코 감소 출력 신호 또는 에코 소거 출력 신호를 나타낸다. 탭 계수 추정 회로(17)는 잔류 에코 신호 e(k) 및 탭 입력 신호 X(k)에 근거하여 탭 계수를 추정 및 갱신한다.

도 2는 탭 계수 추정 회로(17)로서 상기한 정규화된 LMS법의 알고리즘을 사용하는 일례를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 탭 계수 추정 회로(17)는 제곱합 계산 회로(18) 및 탭 계수 갱신 회로(19)로 구성되어 있다. 제곱합 계산 회로(18)는 스피커 출력 신호의 탭 입력, 또는 X(k) = (x(k), x(k-1), ‥‥, x(k-L+1))로부터, 제곱합

을 계산한다.

이 제곱합은 입력 신호 전력과 등가이다. 이와 같이 계산한 제곱합, 잔류 에코 신호 e(k) 및 탭 입력 신호 X(k)를 사용하여, 탭 계수 갱신 회로(19)는 탭 계수를 다음 식 (3)에 의해 주어지는 값으로 갱신한다.

여기서 μ는 0 < μ < 2인 상수이다. 상기 식 (3)으로부터 각 성분은 다음 식으로 표시된다.

여기서, i = 0, 1, ..., L이다.

필터로의 탭 입력 신호 X(k)는 사운드 발생 신호로서 통상 도 3에 도시한 바와 같은 피치 주기 구조를 갖는 주기 함수이다. 샘플링 주파수가 8KHz인 경우, 피치 주기는 발생된 여자 사운드 및 발생된 남자 사운드에 대해서 각각 50 내지 90 샘플 및 20 내지 35 샘플이 된다. 이와 같이, 필터 탭의 수 L이 피치 주기의 샘플 수보다 충분히 크지 않으면, 식 (2)에 의해 도 3의 범위 a 또는 b와 관련하여 주어진 입력 신호 전력은 도 4에 도시된 바와 같이 상당히 변동된다.

입력 신호 전력이 이와 같이 크게 변화하는 경우, 식 (3)에 의해 갱신된 탭 계수는 변동되며 따라서 안정된 에코 소거 특성을 달성할 수 없다.

이 때문에, 휴대용 전화의 스피커(12)로부터 마이크(13)로 되돌아옴으로써 발생되는 에코를 제거하는 것과 관련된 소형 에코 제거 장치의 경우에 예를 들어 필터 탭의 수가 50 이하이면 중대한 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 안정된 에코 제거 특성 및 에코 소거 특성을 보장하기 위하여 입력 신호 전력 변동을 억제할 수 있는 에코 제거 장치를 제공함에 있다.

본 발명에 따르면, 사운드 발생 수단으로부터 발생된 사운드가 사운드 발생 수단에 인접하여 배치된 사운드 수집 수단으로 되돌아옴으로써 생성된 에코를 제거하는 에코 제거 장치가 제공된다. 에코 제거 장치는 사운드 생성 수단으로 공급된 생성된 사운드 신호로부터 도출된 에코 성분 및 상기 수집 수단으로 되돌아오는 에코 성분을 추정하는 의사 에코 신호를 출력하기 위한 필터 수단, 상기 수집 수단으로부터 공급된 수집된 신호에서, 필터 수단으로부터 공급된 의사 에코 신호를 감산하기 위한 감산 수단 및 발생된 사운드 신호의 평활화된 것(smoothed version)을 사용하여 필터 수단이 필터 계수를 추정 및 갱신하기 위한 필터 계수 추정 수단을 갖고 있다.

필터 계수 추정 수단은 발생된 사운드 신호의 이전 N 샘플 중 L 샘플(여기서, L은 필터 수단의 탭 수이고 N은 L보다 큰 수임)에 걸친 평균 전력을 사용한다.

필터 계수 추정 수단은 과거에 발생된 사운드 신호들의 지수적으로 평활화된 제곱합(exponentially smoothed square sum)을 평활화된 값(smoothed value)으로 사용한다.

필터 추정 동안에 평활화된 값을 사용함으로써, 필터 계수 또는 탭 계수가 억제되는 것을 방지할 수 있으므로 안정화된 에코 제거 또는 에코 소거 특성을 달성할 수 있게 된다.

실시예

도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 에코 제거 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

단말기(11)에는 스피커 출력 신호 x(k)가 통신 상대방으로부터 사운드 생성 수단인 스피커(12)로 송신되어 생성된 사운드 신호로서 공급된다. 사운드 생성 수단인 스피커(12)에 근접하여 수집 수단으로서 배치된 마이크(13)에 의해 수집되어 전기 신호로 변환된 마이크 입력 신호 y(k)는 필터 회로(15)로부터 에코 제거 수단인 감산기(14)로 공급된 의사 에코 신호와 함께 공급된다. 감산기(14)는 마이크 입력 신호 y(k)로부터, 공급된 의사 에코 신호를 감산하고, 그 결과로 형성된 에코 감소 신호 또는 잔류 에코 신호 e(k)를 형성하여 입력 단자(16)에 공급한다.

예를 들어, 휴대용 전화의 사운드 생성 통신 단말기의 일례로서 사용되는 본 발명의 에코 제거 장치에서, 스피커(12) 및 마이크(13)는 보통 휴대용 전화의 핸드셋으로서 서로 근접하여 배치되어 있다.

필터 회로(15)는 소위 유한 임펄스 응답(FIR) 필터로 구성되어 있다. 필터 회로는 필터 계수 추정 수단인 탭 계수 추정 회로(20)에 의해 제어된 필터 계수 또는 탭 계수를 갖는다. 탭 계수 추정 회로는 에코 제거 장치로의 입력 신호인 스피커 출력 신호 x(k) 또는 출력 신호인 잔류 에코 신호 e(k)에 근거하여 적당한 적응 알고리즘에 의해 필터 탭 계수를 순차적으로 갱신한다. 적응 알고리즘으로는 소위 학습 식별법 또는 정규화된 최소 평균 제곱(LMS)법이 널리 사용된다.

탭 계수 추정 회로(20)는 평활화된 전력 값 계산 회로(21) 및 탭 계수 갱신 회로(22)를 구비하고 있다. 평활화된 전력값 계산 회로(21)는 종래 시스템에서 탭 수 L에 대한 샘플의 제곱합 대신에 평활화된 공표 신호(enunciated signal)로서 에코 제거 장치로의 입력 신호인 스피커 출력 신호 x(k)의 평활화된 전력이 되는 평활화된 입력 신호 전력 Px(k)를 발생시킨다. 평활화된 전력값 계산 회로(21)로부터의 평활화된 입력 신호 전력 Px(k)가 계수 갱신 회로(22)에 공급된다. 탭 계수 갱신 회로(22)는 스피커 출력 신호 x(k)의 탭 수 L에 대응하는 벡터 X(k) = (x(k), x(k-1), ..., x(k-L+1))의 수, 잔류 에코 신호 e(k) 및 평활화된 전력값 계산 회로(21)로부터의 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)에 근거하여 탭 계수를 갱신한다.

즉, 학습 식별법의 알고리즘에서는, 종래 시스템에 따라 계수를 갱신하기 위한 식

의 분모의 제곱합이

(여기서,)이기만 하면 충분하다.

이와 같이, 식 (3)의 분모로서 많은 스피커 출력 신호 x(k) 또는 탭 수 L의 수와 같은 입력 신호의 제곱합 대신에 이후에 설명하는 방법으로 평활화된 입력 신호 전력값을 사용함으로써, 입력 신호 레벨에서의 변동을 제거하는 것이 가능하게 된다.

평활화된 입력 신호 전력의 일례가 도 6에 도시되어 있는데, 여기서 곡선 a 및 b는 식 (3)의 분모의 제곱합으로서 계산된 입력 신호 전력과 평활화된 입력 신호 전력으로서의 평활화된 입력 신호 전력 Px(k)를 나타낸다. 도 6으로부터 알 수 있듯이, 평활화시에 상당한 변동을 갖는 곡선 a의 제곱합은 곡선 b로 도시된 바와 같이 변동이 없다.

평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)를 사용하여, 탭 계수 갱신 회로(22)에 의한 탭 계수 갱신은 다음 식에 의해 행해진다.

식 (5)에 의해 계산된 탭 계수는 변동이 없다.

이와 같이, 입력 신호 전력을 평활화하고 입력 신호 전력 또는 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)를 사용함으로써, 탭 계수의 추정시에 변동으로 인한 역효과를 방지하여, 입력 신호 전력으로서의 제곱합이 작은 탭 수 L로 인해 변동되어 안정된 에코 소거 특성을 보장할 수 없게 되는 경우에도 안정된 에코 제거 특성 또는 에코 소거 특성을 달성할 수 있게 된다. 종래 실시예의 학습 식별법에 필요한 것과 실질적으로 같은 탭 계수를 추정하는데 필요한 처리량으로 충분하다.

다음에, 도 5의 실시예에서 탭 계수 추정 회로(20)의 평활화된 전력값 계산 회로(21)의 양호한 예시적인 구성을 설명한다.

평활화된 전력값 계산 회로(21)의 예시적인 구성에서, 입력 신호 전력의 변동을 제거하기 위하여 이전의 입력 샘플의 L 제곱합을 계산하는 대신에, 에코 제거 장치로 입력되는 발생된 사운드 신호로서의 스피커 출력 신호 x(k)의 전력은 이전의 입력 신호의 제곱합의 큰 수 N 중 L (N > L)제곱합에 걸친 평균값을 계산함으로써 계산된다.

이 때에 평활화된 입력 신호 전력 Px(k)는 다음 식으로 계산된다.

이것은 입력 신호의 이전의 N 샘플의 제곱합 값들의 L 샘플에 걸친 평균값또는 정규화된 값을 찾는 것에 등가이다. 식 (6)에 의해 얻은 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)를 식 (5)로 치환하여 현재의 탭 계수로부터 그 다음 탭 계수를 추정 및 갱신하게 된다.

평활화된 전력값 계산 회로(21)의 제2의 예시적인 구성에서, 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)는 지수적인 평활화에 의해 얻어진다. 이 예시적 일례는 도 7을 참조하여 설명한다.

제2의 예시적인 일례에서, 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)는 식 (7)에 의해 계산된다.

여기서, λ는 0 < λ < 1인 상수이다. 식 (7)에 의해 계산된 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)는 시상수 1/(1-λ)로 지수적으로 평활화된 이전의 입력 신호 샘플의 제곱합이다. 실제로, 식 (7)은 이하의 점화식(recurrence formula)으로 표시될 수도 있다.

도 7은 식 (8)을 구현하기 위한 탭 계수 추정 회로(20)의 예시적인 구성을 나타낸다.

도 7에서, 탭 계수 추정 회로(20)의 평활화된 전력값 계산 회로(21)에는 에코 제거 장치로의 입력 신호로서 스피커 출력 신호 x(k)가 공급된다. 제곱값 계산 회로(23)는 가산기(24)에 보내어지는 제곱값을 계산한다. 가산기(24)의 출력은 1-샘플 지연 회로(25) 및 계수 승산기(26)를 거쳐 가산기(24)로 피드백된다. 가산기(24)는 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)을 출력한다. 즉, 1-샘플 지연 회로(25)는 1 샘플만큼 지연된 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k-1)을 계수 승산기(26)로 출력하고 그에 λ를 곱하여 λPx(k-1)을 주게 된다. 이 값 λ Px(k-1)은 가산기(24)에 의해에 가산되어 식 (8)의 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)를 얻게 된다. 가산기(24)에 의해 출력된 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)는 탭 계수 갱신 회로(22)로 제공된다.

탭 계수 갱신 회로(22)는 필터 회로(15)의 탭 계수를 갱신하기 위하여 평활화된 전력값 계산 회로(21)로부터의 평활화된 입력 신호 전력값 Px(k)를 사용하여 식(5)를 계산한다.

반면에, 식 (5)의 탭 계수 벡터의 각각의 성분은 다음과 같이 주어진다.

도 8은 제2 예의 알고리즘을 사용하여 탭 계수 추정을 행한 에코 제거 장치의 에코 소거 특성(곡선 a) 및 종래의 알고리즘을 사용하여 얻은 에코 소거 특성(곡선 b)을 도시하고 있다. 도 8의 예에서, 탭의 수 L이 40인 적응 필터가 도시되어 있다.

도 8의 세로 좌표상에 도시된 에코 소거 특성 ERLE는 이하와 같이 정의된다.

값이 클수록 특성도 더 좋아지게 된다. 반면에, 식 (10)에서 E[]는 괄호 [ ]내의 기대값을 복원하는 함수이다.

도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 에코 제거 장치는 종래의 장치보다 더 안정되고 더 만족할만한 에코 소거 특성을 보여준다.

게다가, 종래의 학습 식별법의 알고리즘에 대한 처리량의 절반 정도로 본 실시예의 탭 계수의 추정에 충분하다.

이와 같이 본 실시예의 에코 제거 장치는 적응 필터의 탭 수를 10 정도로 작게하여 소형 휴대용 전화에 종래와 같이 적용할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명은 휴대용 전화뿐만 아니라 각종 사운드 생성 통신 단말기에 적용할 수도 있다. 사운드 생성 수단 및 수집 수단은 스피커 또는 마이크에 한정되지 않으며, 각종 적응 필터를 FIR 필터에 부가하여 필터 수단으로서 사용될 수도 있다. 게다가, 필터 계수는 학습 식별법에 한정되지 않고 각종 적응 알고리즘에 의해 추정될 수도 있다.

도 1은 종래의 에코 제거 장치의 개략적인 배열을 도시한 블럭도.

도 2는 도 1에 도시한 에코 제거 장치에 이용된 탭 계수 추정 회로의 일례를 도시한 블럭도.

도 3은 입력 신호들의 피치 주기와 입력 신호 전력의 계산 영역과의 관계를 도시한 그래프.

도 4는 필터 탭의 수가 더 작은 경우에 입력 신호 전력의 변동 상황을 도시한 그래프.

도 5는 본 발명을 실시한 에코 제거 장치의 개략적인 배열을 도시한 블럭도.

도 6은 입력 신호 전력의 평활화를 설명한 그래프.

도 7은 도 1에 도시한 에코 제거 장치의 탭 계수 추정 회로의 일례를 도시한 회로 블럭도.

도 8은 에코 소거 특성을 도시한 그래프.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 : 단말기 12 : 스피커

13 : 마이크 14 : 감산기

15 : 필터 회로 16 : 입력 단자

20 : 탭 계수 추정 회로 21 : 평활화된 전력값 계산회로

22 : 탭 계수 갱신 회로

Claims (2)

1. 사운드 생성 수단으로부터 생성된 사운드가 상기 사운드 생성 수단에 근접하여 배치된 사운드 수집 수단으로 되돌아오게 됨으로써 생성된 에코를 제거하기 위한 에코 제거 장치에 있어서,

   상기 사운드 생성 수단에 공급되는 생성된 사운드 신호로부터 유발되어 상기 수집 수단으로 되돌아오는 에코 성분을 추정하는 의사 에코 신호(pseudo echo signal)를 출력하기 위한 필터 수단;

   상기 수집 수단에 의해 공급되는 수집된 신호로부터, 상기 필터 수단에 의해 공급되는 상기 의사 에코 신호를 감산하기 위한 감산 수단; 및

   상기 생성된 사운드 신호의 평활화된 입력 전력값(smoothed input power value)을 사용하여 상기 필터 수단의 필터 계수를 추정 및 갱신하기 위한 필터 계수 추정 수단을 구비하며,

   상기 필터 계수 추정 수단은 상기 생성된 사운드 신호의 이전의 N개 샘플 중 L개의 샘플(여기서, L은 상기 필터 수단의 탭 수이고, N은 L보다 큰 수임)에 걸친 평균 전력을 사용하여 평활화된 입력 전력값을 계산하고,

   상기 필터 계수 추정 수단은 학습 식별법(learning identification method)에 의해 필터 탭 계수를 추정하며, 이전의 N개의 제곱합 중 상기 생성된 사운드 신호의 L개의 제곱합에 걸친 평균값이 상기 학습 식별법에 의해 상기 탭 계수를 추정하는데 사용되는 식에서의 제곱합의 값으로 사용되는 것을 특징으로 하는 에코 제거 장치.
2. 사운드 생성 수단으로부터 생성된 사운드가 상기 사운드 생성 수단에 근접하여 배치된 사운드 수집 수단으로 되돌아오게 됨으로써 생성된 에코를 제거하기 위한 에코 제거 장치에 있어서,

   상기 사운드 생성 수단에 공급되는 생성된 사운드 신호로부터 유발되어 상기 수집 수단으로 되돌아오는 에코 성분을 추정하는 의사 에코 신호(pseudo echo signal)를 출력하기 위한 필터 수단;

   상기 수집 수단에 의해 공급되는 수집된 신호로부터, 상기 필터 수단에 의해 공급되는 상기 의사 에코 신호를 감산하기 위한 감산 수단; 및

   상기 생성된 사운드 신호의 평활화된 입력 전력값(smoothed input power value)을 사용하여 상기 필터 수단의 필터 계수를 추정 및 갱신하기 위한 필터 계수 추정 수단을 구비하며,

   상기 필터 계수 추정 수단은 이전에 생성된 사운드 신호 샘플들의 지수적으로 평활화한 제곱합을 상기 평활화된 입력 전력값으로 사용하고,

   상기 필터 계수 추정 수단은 학습 식별법에 의해 필터 탭 계수를 추정하고, 현재의 평활화된 입력 전력값 Px(k)는 식

   (여기서, x(k)는 상기 생성된 사운드 신호의 현재의 샘플이고, Px(k-1)은 현재의 샘플보다 한 샘플 이전의 평활화된 값이며, λ는 0 < λ < 1인 계수임)에 의해 얻게 되며, 상기 평활화된 값 Px(k)는 상기 학습 식별법에 의해 상기 탭 계수를 추정하는데 사용되는 식에서의 제곱합의 값으로 사용되는 것을 특징으로 하는 에코 제거 장치.