KR100438442B1 - 이동통신 단말기의 자동이득제어 장치 - Google Patents

Abstract

가. 발명이 속하는 기술분야

본 발명은 이동통신 단말기에 관한 것으로, 특히 이동통신 단말기의 자동이득제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

나. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

본 발명의 목적은 입력신호의 레벨에 관계없이 일정한 레벨을 가지는 신호를 출력할 수 있도록 하는 송신단에서의 자동이득제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

다. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 송신단에서 입력 에너지 레벨을 측정하고 그에 따라 서로 다른 이득인자를 곱해줌으로써 일정한 에너지 레벨을 가지는 신호를 출력할 수 있도록 한다.

라. 발명의 중요한 용도

본 발명은 이동통신 단말기의 자동이득제어를 위해 이용된다.

Description

이동통신 단말기의 자동이득제어 장치{APPARATUS OF AUTOMATIC GAIN CONTROL OF MOBILE STATION}

본 발명은 이동통신 단말기에 관한 것으로, 특히 이동통신 단말기의 자동이득제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

자동이득제어(Automatic Gain Control: AGC)란 무선 수신기 또는 증폭기 등에서 출력이 거의 일정하도록 이득을 자동적으로 제어하는 것을 의미한다. 상기 이동통신 단말기에서도 자동이득제어가 이용되고 있는데 송신단에서 음성신호를 전송할 때, 작은 소리의 신호가 입력되어도 자동적으로 소리를 증폭하여 출력신호 레벨을 일정하게 유지하도록 하는데 이용된다. 수신단에서도 물론 상기와 마찬가지로 출력신호 레벨을 일정하게 유지하는 자동이득제어가 수행될 수 있다.

도 1을 참조하여 종래의 자동이득제어에 대해 설명한다.

도 1은 종래에 단말기의 송신단에서 자동이득제어를 수행하기 위해 이용되는구성을 도시하는 블록구성도이다.

상기 종래의 구성은 곱셈기(110, 130), 반향제거기({Acoustic }Echo Canceler)(120) 및 부호화기(Voice Encoder)(140) 등으로 이루어진다. 상기 반향제거기(120)는 전송채널의 임피던스가 잘 맞춰지지 않은 접합점에서 발생되어 되돌아오는 반향 신호를 제거하는 역할을 하다. 상기 부호화기(140)는 데이터를 부호화하는 역할을 한다. 제곱기(150)는 상기 부호화기(140)에서 출력되는 신호의 에너지 값을 구한다.

한편, 상기 도 1에서 자동이득제어를 수행하는 것은 상기 곱셈기(110, 130)이다. 상기 곱셈기(110, 130)에서 송신할 신호에 이득인자들(Gain Factor 1, Gain Factor 2)(115)(135)을 곱해줌으로써 자동이득제어가 이루어진다. 즉, 종래에는 송신단에서는 마이크 이득인자의 조절을 통해 송신신호의 자동이득제어가 수행되고, 수신단에서는 스피커 이득인자의 조절을 통해 수신신호의 자동이득제어가 수행되었다. 그 결과 입력신호의 크기에 상관없이 일정레벨 증폭되었다.

그런데 상기와 같이 스피커 이득인자와 마이크 이득인자를 이용하여 입력 에너지 레벨에 상관없이 일정하게 증폭시키는 방법으로는 다음과 같은 문제가 발생한다. 첫째, 작은 소리로 얘기할 때 송신단에서 마이크 이득인자를 사용자가 제어할 수 없고, 단지 수신단에서 상대방의 소리가 작을 시 스피커 이득인자를 조절하여야 했다. 둘째, 스피커 이득인자를 크게 해 놓은 경우 상대방이 갑자기 큰소리로 이야기 할 때 이득조절이 안 되었다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 입력신호의 레벨에 관계없이 일정한 레벨을 가지는 신호를 출력할 수 있도록 하는 송신단에서의 자동이득제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은; 이동통신 단말기 송신단에서의 자동이득제어를 위해, 송신신호의 크기를 계산하는 제곱기와, 상기 검출된 신호의 크기에 따라 에러 값을 계산하는 에러 값 결정부와, 상기 에러 값으로부터 이득 값을 결정하는 필터로 이루어짐을 특징으로 한다..

도 1은 종래에 단말기의 송신단에서 자동이득제어를 수행하기 위해 이용되는 구성을 도시하는 블록구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단말기 송신단의 자동이득제어 장치의 구성을 도시하는 블록구성도이다.

도 3은 액추에이터의 특성을 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 자동이득제어 방법을 도시하는 제어흐름도이다.

도 5-a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동이득제어 장치에 입력되는 신호를 도시하고 있다.

도 5-b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동이득제어 장치의 동작 중에 나타나는 중간 신호인 에러 값을 도시하고 있다.

도 5-c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동이득제어 장치가 출력하는 자동이득제어 인자 값을 도시하고 있다.

도 5-d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동이득제어 장치가 출력하는 자동이득제어 인자 값을 이용하여 자동이득제어가 수행된 출력신호를 도시하고 있다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

본 발명은 송신단에서 입력 에너지 레벨을 측정하고 그에 따라 적절한 이득인자를 곱해줌으로써 일정한 에너지 레벨을 가지는 신호를 출력할 수 있도록 한다. 본 발명은 입력신호의 에너지 레벨을 일정 구간 단위로 측정하여 각 구간마다 다른 값의 이득인자를 곱해줌으로써 출력신호의 에너지 레벨이 일정 값을 유지하도록 한다. 이때 상기 일정 구간의 예로 프레임(20ms) 단위 등을 들 수 있다. 간단히 말해 본 발명은 작은 에너지 레벨을 가지는 신호가 입력되면 큰 이득인자 값을 곱해주고, 큰 에너지 레벨을 가지는 신호가 입력되면 작은 이득인자 값을 곱해줌으로써 출력신호가 일정 에너지 레벨을 유지하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단말기 송신단의 자동이득제어 장치의 구성을 도시하는 블록구성도이다.

상기 도 2를 보면 본 발명에서는 도 1에 도시된 종래의 구성에서와는 달리, 곱셈기(110,130)에서 고정된 이득인자(115, 135) 값이 아닌, 자동이득제어장치(200)의 출력신호들이 곱해짐을 알 수 있다. 즉, 상기 자동이득제어장치(200)가 작은 에너지 레벨을 가지는 신호가 입력되면 큰 값을 출력하고, 큰 에너지 레벨을 가지는 신호가 입력되면 작은 값을 출력함으로써 본 발명이 그 특징을 가지도록 하는 장치임을 알 수 있다. 하기에서는 상기 자동이득제어장치(200)의 구성 및 그 동작에 대해 설명한다. 한편, 본 발명이 적용되는 것은 음성신호에 한해서이므로, 본 발명에서 이용되는 입력 신호 및 출력신호등은 음성 에너지(Voice Energy) 값이 된다.

수신 음성 실효값 계산부(Receiving Speech RMS Value)(210)는 수신되는 음성신호의 실효값을 구한다. 기준 음성 실효값 계산부(Reference Speech RMS Value)(220)는 송신될 신호의 기준이 되는 에너지 레벨을 구한다. 기준 에러 값 출력부(230)는 수신신호가 존재하거나 송신신호가 존재하지 않을 경우 에러 값을 출력한다.

송신신호 검출부(202)는 송신신호의 존재 여부를 판단한다. 상기 송신신호 검출부(202)는 제곱기(150)에서 출력되는 에너지 값을 입력받아 그 값을 임의의 기준 값(Threshold)과 비교하고, 상기 에너지 값이 상기 기준 값을 초과하는 경우 송신신호가 존재한다고 판단한다. 즉, 에너지 값이 일정 값 이하인 경우에는 신호가 없다고 판단하고, 상기 에너지 값이 일정 값보다 작은 신호는 잡음으로 인식한다. 상기 잡음으로 인식한 경우에는 증폭을 하지 않는다. 상기 송신신호가 존재하는 경우 송신신호 검출부(202)는 '1'값을 앤드게이트(206)로 출력한다.

한편, 수신신호 검출부(204)는 수신신호의 존재 여부를 판단한다. 상기 수신신호 검출부(204)는 상기 수신 음성 실효값 계산부(210)로부터 수신신호 실효값을 입력받아 역시 임의의 기준 값과 비교함으로써 수신신호의 존재 여부를 판단한다. 상기 수신신호가 존재하는 경우에는 상기 수신되는 음성을 잘 들을 필요가 있다. 그러므로, 송신신호의 이득제어의 필요성이 감소한다. 이때 수신신호 검출부(204)는 상기 수신신호 실효값이 상기 기준 값보다 적은 경우 즉, 수신신호가 존재하지 않는 경우에 '1'값을 앤드게이트(206)로 출력한다. 상기 앤드게이트(206)에서 '0'이 출력되는 경우, 출력신호는 증폭되지 않지만, 갑작스러운 변화를 피하기 위해 필터(214)를 통해서 이득 제어값을 서서히 "0"으로 낮춰준다. 상기 증폭이 필요 없는 경우, 상기와 같이 '0'값이 입력됨으로써 상기 필터(214)의 출력은 '0'이 된다. 물론, 사용자의 선택에 따라서는 상기 수신신호가 있는 경우에도 출력신호가 증폭되도록 할 수도 있다. 또한 상기 출력신호를 잡음이라고 판단하는 에너지 레벨은 사용자에 의해 정해질 수 있으며, 물론 상기 잡음 여부에 대한 판단 없이 출력신호의 증폭을 행할 수도 있을 것이다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 무선 통신에서의 "소근소근 모드"에서 작은 목소리로 송신하는 경우 이를 일정한 수준의 출력값으로 증폭하도록 제어하는 것으로 그 제어를 위해 작은 소리에 대해서는 높은 게인을 주고, 큰 소리에 대해서는 낮은 게인을 준다. 따라서, 주어지는 게인의 폭은 사용자에 의해 정해질 수 있는 것이므로 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 에너지 레벨 값 등에 대해서는 실시예로써 기술할 뿐이고 거기에 한정하지는 않는다.

앤드게이트(206)는 상기 송신신호 검출부(202) 및 수신신호 검출부(204)의 출력 값을 앤드 연산하여 에러 값 결정부(208)로 출력한다. 즉, 상기 앤드게이트(206)는 송신신호가 존재하고 수신신호는 존재하지 않는 경우에 '1'값을 에러 값 결정부(208)로 출력한다.

에러 값 결정부(208)는 기준 음성 실효값 계산부(220)의 출력 값과 음(-)의 제곱기(150)의 출력 값이 더해진 값과 기준 에러 값 출력부(230)의 출력 값를 상기 앤드게이트(206)의 출력 값을 이용하여 선택함으로써, 에러 값을 계산한다. 여기서, 에러 값 결정부(208)는 앤드게이트(206)의 출력값이 "1"인 경우는 기준 음성 실효값 계산부(220)의 출력 값과 음(-)의 제곱기(150)의 출력 값이 더해진 값을 출력하고 앤드게이트(206)의 출력값이 "0"인 경우는 기준 에러 값 출력부(230)의 출력 값을 출력한다.

필터(214)는 액추에이터(216)로 입력되는 값에서 갑자기 큰 폭의 변화가 생기는 것을 막기 위해 상기 에러 값 결정부(208)의 출력 값을 저역 통과 필터링한다.

상기 필터링 된 값은 액추에이터(216)를 통과한다. 상기 액추에이터(216)의 역할을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 액추에이터의 특성을 도시하는 도면이다.

상기 도 3을 보면 액추에이터(216)는 일정구간 사이에서는 증가하고, 그 구간보다 작거나 큰 구간에서는 일정한 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 상기 액추에이터(216)는 일정 구간을 벗어날 정도로 작거나 큰 값에 대해서는 입력 값에 관계없이 일정한 값을 출력하도록 하는 작용을 한다. 이는 소리가 너무 커서 이득을 낮추어야 할 경우에 제어값을 하한을 두어 지나치게 작아지지 않도록 하기 위함이다. 즉, 소리의 지나친 울렁거림을 방지하기 위한 조건이다.도 3의 도면을 설명하면, 필터(214)를 통해 전달된 vagc_delta_org 신호(도 3의 가로축)는 다시 한번 물리적 한계를 가지도록 액추에이터(216)을 통과하게 된다. VAGC(Voice Automatic Gain Control)는 작은 소리를 키우는 것이 목적이므로 큰소리에 대해서는 적게 반응하도록 설계된다. 여기서, 필터(214)의 출력인 vagc_delta 의 최대값은 전송 vagc가 동작하지 않을때의 디지털 이득값으로 사용되는 vagc_nominal_gain 값의 9배까지 커질 수 있도록 하였고 최소값은 vagc_nominal_gain 값의 0.9배까지 조절할 수 있도록 하였다. 그리고, vagc_delta는 vagc_nominal_gain 에 더해져서 최종적으로 계산되는 디지털 이득값인 vagc_gain 이 계산되며 이는 디지털 이득값으로 적용되어 입력 음성 신호의 크기를 조절하게 된다. 이에 대한 이득 함수의 그래프를 도 3에서 도시한다.

상기 액추에이터(216)의 출력 값은 기본 이득제어 출력부 1(240)의 출력 값과 더해진 후 자동이득제어인자 값으로써 곱셈기(110)에 입력되어 입력신호(105)의 크기를 조절하는 값으로 사용된다.

상기 기본 이득인자 출력부1(240)은 기본 이득인자 출력부2(250)와 더불어기본 이득인자인 '1'을 출력한다.

한편, 상기 액추에이터(216)의 출력 값과 더해져서 자동제어인자 값으로써 출력되는 기본 이득인자 출력부1(240)의 출력 값과는 달리, 기본 이득인자 출력부2(250)의 출력 값은 '1'이라는 값 그대로 곱셈기(130)로 입력됨으로써 신호의 크기 조절에는 그다지 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 자동이득제어 방법을 도시하는 제어흐름도이다.

자동이득제어 과정이 시작 또는 재 설정되면, 먼저 400단계에서 과정 중 사용되는 각 매개변수들이 초기화된다. 410단계에서는 자동이득제어 과정의 최초 실행인지를 판단한다. 여기서, 자동이득제어 과정의 최초 실행은 "소근소근 모드"인지? 이전의 모드가 "소근소근 모드"였는지?를 판단함으로써 수행된다. 상기 410단계에서의 판단결과 최초 실행이면 420단계에서 버퍼를 초기화하고, 최초 실행이 아니면 버퍼 초기화 없이 바로 430단계의 에러 값 계산을 수행한다. 상기 에러 값은 에러 값 결정부(208)에서 송신신호(Vagc_TxEng) 및 수신신호(Vagc_RxEng)를 이용하여 계산된다. 이에 대해서는 상기의 도 2에서 기술한 바와 같다. 440단계에서 필터(214)는 상기 에러 값을 필터링한다. 450단계에서 액추에이터(216)는 상기 필터링 된 신호를 액추에이팅한다. 상기 액추에이팅된 신호는 460단계에서 기본 이득인자와 더해진다. 이 값이 자동이득제어 인자가 된다. 470단계에서는 상기 자동이득제어인자를 출력한다. 상기 출력된 자동이득제어인자는 곱셈기(110)로 입력되어 본 발명에 따른 자동이득제어를 수행한다.

한편, 상기에서는 본 발명에 따른 자동이득제어 방법을 수행하는 단계들에 대해서만 기술하고 있으나, 표 1에서 상기 방법에서 이용되는 매개변수들을 상세히 보이고 있으므로 이들에 대한 별도의 설명은 생략한다.

주요변수명	역할	초기값
Vagc_TxEng	Tx단 음성의 20msec Energy로 제어 대상이 된다. 20msec 마다 변한다. 제곱합을 루트를 취해 얻는다. 이 값은 Threshold를 넘어야만 의미있는 값으로 인식되고 못 넘으면 free-wheeling된다.	0x0000
Vagc_RxEng	Rx단 음성의 20msec Energy로 참조되며 이 값이 정해진 Threshold를 넘으면 필터는 free-wheeling된다.	0x0000
Vagc_TxEng_TH	Tx Energy의 Threshold	30
Vagc_RxEng_TH	Rx Energy의 Threshold	300
Vagc_ref_TxEng	Vagc_TxEng의 reference 값으로 기준이 되는 Volume을 대표한다.	4400
Vagc_nominal_gain	Tx VAGC가 동작하지 않을 때 Digital Gain으로 사용되는 값이다.	0x0100
Vagc_delta	필터의 출력으로 최대/최소값이 존재한다.	0
Vagc_gain	최종적으로 계산되는 Digital Gain이다.	0x0100
Vagc_min_delta	필터의 출력을 최소치로 Saturation시키기 위한 값	-26
Vagc_max_delta	필터의 출력을 최대치로 Saturation시키기 위한 값	2304
Vagc_error	Rx/Tx 에너지가 각각 Threshold 조건을 만족할 때는 ref_TxEng-TxEng로 계산되고 그렇지 않으면 0이 된다.	0
Vagc_fir_mem[2]	IIR필터의 분자를 위한 메모리이다.	0x0000
Vagc_iir_mem[2]	IIR필터의 분모를 위한 메모리이다.	0x00000000
Vagc_IIR2_A1	IIR필터의 분모 계수(Q13)	15802(1.97894)
Vagc_IIR2_A2	IIR필터의 분모계수(Q13)	-7630(-0.931382)
Vagc_IIR2_B1	IIR필터의 분자계수(Q14)	10(0.000609855)

상기 표 1에서 필드 상황에 맞게 조정해야 할 부분은 vagc_TxEng_TH와 vagc_Rx-Eng_TH이다. 이때 vagc_ref_TxEng값도 적절한 값으로 설정되어야 한다. vagc_TxEng가 vagc_TxEng_TH를 넘는 경우 Tx 단에 신호가 있는 것으로 판단하고 자동이득제어 기능을 수행하므로 실험에 의해 선택해야 하는 매개변수이다.

또한 더블토크(Double Talk)까지 고려한다면 상대방이 이야기를 하고 있는 수신 모드일 경우에는 송신 출력을 증폭할 필요가 없어진다. 따라서 vagc_TxEng가vagc_TxEng_TH를 넘는 경우에도 음성 자동이득제어 기능은 수행되지 않게 된다. 식에서 보는 것처럼 이 두가지 조건을 고려하여 vagc_error가 계산된다.

한편, 하기에서는 도 5-a 내지 도 5-d를 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 적용한 수행 결과를 보임으로써 본 발명의 이해를 돕도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동이득제어 장치(200)를 이용하여 자동이득제어를 수행한 결과를 도시하는 도면이다.

도 5-a는 상기 장치에 입력되는 신호를 도시하고 있다. 세로축은 입력신호의 크기이며, 가로축은 샘플의 수를 의미한다.

도 5-b는 에러 값 결정부의 출력 값 즉, 에러 값을 도시하고 있다. 세로축은 에러값의 크기이며, 가로축은 샘플의 수를 의미한다.

도 5-c는 상기 에러 값에 필터링 및 액추에이팅 등의 동작을 수행함으로써 얻게 되는 이득인자 값을 도시하고 있다. 세로축은 이득 인자의 크기이며, 가로축은 샘플의 수를 의미한다.

도 5-d는 상기 이득인자 값을 이용하여 자동이득제어가 수행된 출력신호를 도시하고 있다. 세로축은 출력신호의 크기이며, 가로축은 샘플의 수를 의미한다.여기서, 도 5-a, 도 5-d는 같은 샘플을 예로하고 있고, 도 5-b, 도 5-c는 상기 도 5-a, 도 5-d의 샘플 중의 일부를 추출한 예를 든 것이다.

상기 도 5-a에 도시된 입력신호와 도 5-d에 도시된 출력신호를 비교해 봄으로써 본 발명이 효과를 가짐을 알 수 있다. 상기 두 도면에 도시된 입력신호와 출력신호를 비교해 보면, 작은 신호가 입력되는 0.25~0.4 구간 및 0.9~1.25 구간의 신호는 크게 증폭되고, 큰 신호가 입력되는 0.6~0.9구간, 1.25~1.4구간 및 1.7~1.75구간의 신호는 거의 증폭되지 않았음을 볼 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 특히 조용한 환경에서 아주 작은 소리로 이야기하는 음성 신호를 상대방이 적당한 크기의 음성 신호로 들을 수 있도록 한다. 또한 갑자기 큰 신호가 입력되었을 때도 출력신호가 일정한 에너지 레벨을 유지하도록 한다.

Claims (6)

1. 이동통신 단말기 송신단에서의 자동이득제어 장치에 있어서,

   상기 이동통신 단말기의 수신 신호 및 송신 신호의 여부에 따라 자동이득제어 동작 여부를 판단하여 그에 따른 제어 신호를 출력하는 제어 선택부와,

   상기 송신신호의 크기를 계산하는 제곱기의 출력과 기설정된 기준 송신 신호 세기와의 차를 계산하여 출력하는 에러 값 계산부와,

   기설정된 기준 에러값을 출력하는 기준 에러 값 출력부와,

   상기 제어 선택부의 제어 신호에 따라 상기 에러 값 계산부와 상기 기준 에러 값 출력부의 출력 중의 하나를 출력하는 에러 값 결정부와,

   상기 에러 값 결정부의 출력 값이 급격히 변화하는 것을 막기 위하여 저역 통과 필터링을 하는 필터와,

   상기 필터로부터 필터링 된 값을 이용하여 이득 제어 입력을 생성하는 액추에이터와,

   일정한 기본 이득과 상기 액추에이터에서 출력된 이득 제어 입력을 합하여 상기 송신 신호에 대한 이득 값을 출력하는 덧셈기로 이루어짐을 특징으로 하는 자동이득제어 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제어 선택부는, 송신신호의 존재여부를 판단하는 송신신호 검출부를 구비하여 상기 송신신호가 존재하지 않을 시 상기 송신신호의 증폭이 이루어지지 않도록 함을 특징으로 하는 자동이득제어 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제어 선택부는, 수신신호의 존재여부를 판단하는 수신신호 검출부를 더 구비하여 상기 수신신호가 존재할 시 송신신호의 증폭이 이루어지지 않도록 함을 특징으로 하는 자동이득제어 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 필터는 루프 무한 충격 응답 필터임을 특징으로 하는 자동이득제어 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 액추에이터는

   상기 필터링 된 신호를 일정 범위 내로 제한하도록 하는 것을 특징으로 하는 자동이득제어 장치.
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