KR100624694B1 - 통화 연결음 음질개선장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이통 통신 시스템의 음질개선에 관한 것으로, 특히 통화 연결음의 음질개선장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 통화 연결음 음질개선방법은,

입력되는 음원 데이터의 샘플 크기를 일정 비율 높이는 정규화 처리단계와;

정규화된 상기 음원 데이터의 샘플들 중 음성 성분의 구간을 강화시키는 음성강화 처리단계와; 강화된 샘플들중 최대의 자기 상관(auto correlation)값을 가지는 피치(pitch)를 검출하는 피치 검출단계와; 검출된 피치값에서의 자기 상관값을 저장된 임계값과 비교하여 해당 음원 데이터 샘플의 피치값을 강화시켜 출력하는 피치강화 처리단계;를 포함함을 특징으로 한다.

피치, 음성강화, 정규화.

Description

통화 연결음 음질개선장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR IMPROVING A RING BACK TONE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음질개선장치의 구성도.

도 2는 도 1중 음성강화 처리부(150)로 사용 가능한 음성강화 필터의 특성 예시도.

도 3은 도 1중 피치강화 처리부(250)로 사용 가능한 피치강화 필터의 특성 예시도.

도 4와 도 5는 도 1중 피치강화 처리부(250)로 사용 가능한 피치강화 필터의 특성 예시도.

도 6은 일반적인 통화 연결음과 본 발명의 실시예에 따라 개선 처리된 통화 연결음의 끊김 현상을 비교 설명하기 위한 도면.

본 발명은 이통 통신 시스템의 음질개선에 관한 것으로, 특히 통화 연결음의 음질개선장치 및 그 방법에 관한 것이다.

디지털 이동 통신 시스템에서는 아날로그 음성신호를 PCM(Pulse Code Modulation)형태의 디지털 신호로 바꾼 후 보코더(Vocoder)를 사용하여 압축 전송한다. PCM은 일반 유선 전화에서 주로 사용되는 것으로서 64Kbps의 데이터 전송율을 갖는다.

그러나 디지털 이동통신 시스템에서는 가능하면 낮은 데이터 전송율로 데이터를 전송하기 위해 보코더에서는 64Kbps의 음성 데이터에서 목소리의 특징만을 뽑아 내어 여러 가지의 데이터 전송율(1, 1/2, 1/8)로 선택 변환한다.

사람의 음성통화는 이야기를 하는 구간과 이야기를 하지 않는 쉬는 구간이 존재하게 된다. 보코더는 사람이 이야기하는 구간은 높은 데이터 전송율(1 또는 1/2)로 압축을 수행하고, 쉬는 구간은 낮은 데이터 전송율(1/8)로 압축을 함으로서 효율적인 데이터 전송을 수행할 수 있도록 한다.

현재 디지털 이동 전화 시스템에서 사용하는 보코더는 EVRC 혹은 QCELP 알고리즘을 채용한 것으로서, 그중 EVRC 기술은 사람의 음성 유무에 따라 1, 1/2, 1/8의 세 가지 전송율을 사용함으로서 대역을 효율적으로 사용하고, 통화중 발생하는 잡음을 줄여 주며 잡음이 심할 경우 통화자의 목소리를 자동으로 키워주는 등 사람의 목소리를 원음에 가깝게 재생할 수 있도록 해 준다.

한편 통화 연결음 서비스란, 상술한 기존 시스템을 사용하여 최신 음악, 자연의 소리, 효과음 등을 상대방에게 들려주는 서비스로서 벨소리를 잇는 인기 콘텐츠로 빠르게 잡아가고 있다.

그러나 낮은 전송율을 유지하면서 일정 수준 이상의 음성 전달을 목적으로 하는 EVRC 음성 코덱의 특성상 음악 전송에서 왜곡, 끊김 등의 현상이 발생하게 된 다. 왜냐하면, EVRC 음성 코덱은 사람의 음성에 맞게 제작되었기 때문에 사람의 음성과 같이 주기(pitch)성이 높은 신호에는 많은 비트(전송율 1 또는 1/2)를 할당하게 되지만, 음악과 같이 주기성이 낮은 신호는 적은 비트(전송율 1/8)를 할당함으로서 끊김, 왜곡과 같은 문제를 발생시킨다. 따라서 통화 연결음 서비스와 같은 음악 전송 서비스의 품질 유지에 어려움이 발생하고, 따라서 서비스 확산의 장애 요소가 된다.

그러므로, 음성 코덱을 통한 음악 신호 전달에서의 품질 저하 방지를 위해 새로운 음원의 전처리 과정이 필요하며, 많은 수요의 처리와 품질 향상을 위한 알고리즘 개발이 요구되는 바이다.

이에 본 발명의 목적은 기존의 EVRC 음성 코덱이 갖고 있는 단점을 보완하기 위한 것으로, 대부분의 음악신호를 높은 전송율로 전송토록 하여 음악의 끊김 현상 및 왜곡 현상을 방지할 수 있는 통화 연결음 음질개선장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 통화 연결음 음질개선방법은,

입력되는 PCM 음원 데이터의 샘플 크기를 일정 비율 높이는 정규화 처리단계와;

정규화된 상기 음원 데이터의 샘플들 중 음성 성분의 구간을 강화시키는 음성강화 처리단계와;

강화된 샘플들중 최대의 자기 상관(correlation)값을 가지는 피치(pitch)를 검출하는 피치 검출단계와;

검출된 피치값에서의 자기 상관값을 저장된 임계값과 비교하여 해당 음원 데이터 샘플의 피치값을 강화시켜 출력하는 피치강화 처리단계;를 포함함을 특징으로 한다.

아울러 상기 정규화 처리단계는,

미리 설정된 임계치 이상의 크기를 가지는 음원 데이터의 샘플 크기를 클리핑(clipping)하는 단계와;

상기 클리핑 처리된 음원 데이터 샘플들의 크기 각각을 하기 수학식에 따른 비율(rate)만큼 높이는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상기 피치강화 처리단계에서, 상기 검출된 피치값에서의 자기 상관값이 저장된 임계값 보다 작을수록 음원 데이터 샘플의 피치값을 강화시킴을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

우선 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음질개선장치의 구성도를 도시한 것이며, 도 2는 도 1중 음성강화 처리부(150)로 사용 가능한 음성강화 필터의 특성을, 도 3은 도 1중 피치강화 처리부(250)로 사용 가능한 피치강화 필터의 특성을 각각 도시한 것이다. 아울러 도 4와 도 5는 도 1중 피치강화 처리부(250)로 사용 가능한 피치강화 필터의 특성을 예시한 것이다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 우선 이동 전화 시스템에서 사용되는 보코더(예를 들면 EVRC)는 입력 신호의 피치(pitch)주기와 밴드 에너지값을 팩터로 하여 음성구간 또는 잡음 구간을 판단한다. 이러한 사실에 기초하여 본 발명에서는 통화 연결음인 음원이 보코더에서 음성구간으로 판단되도록 주요 피치성분을 강화하고, 일정한 밴드 에너지를 유지하도록 하는 음원 전처리(preprocessing)과정에 해당한다 할 수 있다. 예를 들어, 음성이 강한 구간에서는 피치 성분의 강화를 줄이고, 음성이 약한 구간에서는 피치 성분의 강화를 높이는 것이다.

도 1을 참조하면, 우선 정규화 처리부(100)는 프레임 단위로 입력되는 음원 데이터(PCM)의 샘플 크기를 일정 비율로 높이는 역할을 수행한다. 이러한 정규화 과정은 음악 신호의 전체 볼륨을 높이는 과정으로서 전송해야 할 신호의 입력 크기를 균일하게 하는 것이다. 특히 음악에서 갑자기 튀는 샘플값으로 인해서 전체적으로 음원의 크기가 작아지는 현상을 방지하기 위해 음원의 히스토그램을 조사하여 튀는 값들을 적절히 클리핑(clipping)하는 과정도 이러한 정규화 과정에 포함된다.

상기 정규화 과정을 보다 구체적으로 부연 설명하면, 우선 정규화 처리부(100)는 미리 설정된 임계치 이상의 크기를 가지는 음원 데이터의 샘플 크기를 클리핑(clipping)하고, 이어서 상기 클리핑 처리된 음원 데이터 샘플들의 크기 각각을 하기 수학식 1에 따른 비율(rate)만큼 높여 출력한다.

상기 클리핑 과정을 구체적으로 부연 설명하면 우선 상기 임계치(nMax)는 제1임계치와 제2임계치중 어느 하나의 값을 가지도록 한다.

이때 상기 제1임계치는 입력되는 음원 데이터(x[i])의 RMS(Root Mean Square)가 실험에 의해 얻어진 기준값 보다 작은 경우에 설정되어지는 값으로, 입력값중 상위 0.5%에 해당하는 값이다.

한편 제2임계치는 음원 데이터(x[i])의 RMS(Root Mean Square)가 상기 기준값 이상인 경우에 설정되어지는 값으로, 입력값중 상위 0.1%에 해당하는 값이다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 음원 데이터(x[i])의 RMS(Root Mean Square)를 상기 기준값과 비교하여 임계치(nMax)를 상기 제1임계치와 제2임계치중 어느 하나의 값으로 설정한 이후에 하기 수학식 2에 기초하여 음원 데이터의 샘플 크기를 클리핑할 수 있다.

x[i] : 입력신호(음원 데이터)

N : 입력신호의 전체 길이

gain : 0.1∼0.5

nMax : 임계치

상술한 수학식 2에 기초하여 음원 데이터의 샘플 크기가 클리핑 처리되면, 이후 정규화 처리부(100)는 상기 클리핑 처리된 음원 데이터 샘플들의 크기 각각을 상기 수학식 1에 따른 비율(rate)만큼 높여 출력한다. 따라서 정규화 처리부(100)에서 출력되는 음원 데이터(x[i])는 하기 수학식 3으로 표현 가능하다. 즉, 입력신호의 크기가 충분히 큰 경우에는 rate값이 1.0에 근사하므로 정규화에 의한 샘플 변화가 거의 없지만, 크기가 작을수록 rate의 값은 1.0 보다 커지게 되어 전체적으로 입력신호의 크기가 증가하게 된다.

한편 음성강화 처리부(150)는 상기 정규화 처리부(100)에서 정규화된 음원 데이터의 샘플들 중 음성 성분의 구간을 강화시키는 역할을 수행한다.

이러한 음성강화 처리부(150)로서 사용 가능한 필터는 입력 프레임의 100∼3000KHz 대역의 신호는 통과시키고 그 이외의 대역신호는 제거되도록 설계할 수 있다. 이러한 음성강화 필터의 스펙트럼을 도 2에 도시하였다.

다시 도 1을 참조하면, 피치 검출부(200)는 상기 음성강화 처리부(150)를 통해 강화된 샘플들중 최대의 자기 상관(correlation)값을 가지는 피치를 검출하는 역할을 수행한다.

상기 피치 검출부(200)에서 수행되는 피치 검출과정을 상세히 설명하면,

일반적으로 음악 신호의 경우 뚜렷한 피치가 존재하지는 않지만 그 중에서도 가장 강한 상관성을 가지는 샘플의 거리를 구할 수 있다. 즉, 압축을 하여 전송해야 할 신호를 x[n]이라고 할 때, x[n]에서 가장 강한 자기 상관을 가지는 샘플간의 거리(τ)를 하기 수학식 4를 통해 구한다.

x(n) : 입력신호

N : 입력 신호의 전체 길이

k : 자기 상관 간격(10<k<30)

τ: 피치(k를 10에서 30까지 변화시키면서 자기 상관값이 최대가 되는 k값.

참고적으로 입력신호가 정규화되었다고 가정하면 음성신호의 경우 기본 주파수(fundamental frequency)를 기본으로 강한 자기 상관성을 가지므로

는 큰 값을 가지게 된다. 하지만 음성의 특징이 약한 음악 신호의 경우에는

이 큰 값을 나타내지 않는다. 그 이유는 기본 주파수가 존재하지 않아 여러 주파수 성분을 서로 상쇄하는 방향으로 작용하기 때문이다.

마지막으로 피치강화 처리부(250)는 상기 피치 검출부(200)에서 검출된 피치값에서의 자기 상관값을 저장된 임계값과 비교하여 해당 음원 데이터 샘플의 피치 값을 강화시키는 역할을 수행한다. 이러한 피치강화 처리부(250)는 피치강화 필터로 구현 가능하며, 이러한 필터 특성은 하기 수학식 5로 표현 가능하고, 시간영역에서의 필터강화 특성은 도 3에 도시한 바와 같이 나타낼 수 있다.

[k] = 필터,

N : 2*τ + 1,

peak : 0.8 또는 0.5.

상기 수학식 5와 같은 필터 특성을 가지는 필터를 통과시키면 자기 상관성과 기본 주파수가 더욱 강화되어 EVRC 코덱의 고유 특징상 나타나게 되는 음악 소리의 열화와 끊김 현상을 억제할 수 있다. 하지만 모든 종류의 소리에 대해서 차별 없이 같은 필터를 통과시킨다면 적절한 양의 상관값과 기본 주파수를 가지는 신호의 경우에는 오히려 음질의 열화를 초래하게 된다.

따라서

의 값을 기준으로 필터의 모양이 달라져야 한다. 이에 본 발명에서는 주관성 테스트를 통해 얻게 된 결과를 바탕으로 적절한 임계치를 정하였다. 그리고 정해진 임계치를 바탕으로 그 임계치 보다 자기 상관성(

)의 값이 크다면 이미 강한 상관성을 가지고 있는 신호이기 때문에 자기 상관성을 강화시킬 필요가 없다. 따라서 필터 계수를 0.1, 0.8, 0.1로 조정한다. 이러한 피치강화 필터의 주파수 특성을 예시한 것이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 알 수 있듯이 피치강화 필터는 특정 기본 주파수를 기본으로 하여 그 배수들을 강화하는 역할을 한다.

반면에, 자기 상관성(

)이 작은 값을 가지고 있다면 해당 음원 데이터 샘플의 피치값을 강화시켜 주어야 한다. 따라서 피치강화 필터의 필터 계수를 0.25, 0.5, 0.25로 조정한다. 이러한 필터의 주파수 특성은 도 5에 도시되어 있다. 이 필터 역시 linear phase이며, 필터는 특정 기본 주파수(fundamental frequency)를 기본으로 하여 그 배수들을 강화하는 역할을 한다. 그리고 필터 계수가 0.1, 0.8, 0.1인 필터에 비해서 뚜렷한 주파수 특성을 보이도록 설계하면, 휴대폰 소리의 끊김 현상을 제거할 수 있어 결과적으로 통화 연결음의 음질개선효과를 이룰 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 구성 가능한 본 발명의 실험 결과를 부연 설명하면,

우선 음의 끊김 현상의 발생은, EVRC 코덱이 통화 연결음을 프레임 단위로 나누어 압축하는 경우 해당 프레임을 잡음구간으로 판단하여 압축 비율을 하프 레이트(half rate) 또는 1/8 레이트로 결정하는 경우에 나타난다고 볼 수 있다. 이에 대한 실험 방식은 EVRC 코덱 시뮬레이터를 이용하여 원음과 개선음(본 발명에 따라 전처리를 한 음)에 대해서 각각 인코딩을 수행하였고, 이때 하프 레이트 및 1/8 레이트로 압축되는 프레임의 수를 측정하여 비교한 결과를 도 6에 도시하였다.

도 6을 참조해 보면, 프레임 수가 많을수록 음의 끊김 현상이 더 심하게 발 생한다는 것을 알 수 있다. 아울러 도 6에서 끊김 현상이 발생하던 원음들(도 6에서 왼쪽에 위치한 음원들)은 개선 후에 그 값이 크게 줄어 든 것을 확인할 수 있다. 즉, 음질이 EVRC 코덱을 거치며 음질이 급격히 나빠지는 곡들은 낮은 레이트(rate)의 압축율을 거치는 프레임수가 많은 것이며, 그러한 경우 음질개선을 통하여 그 수를 대폭 줄일 수 있다.

또한 끊김 현상이 상대적으로 적은 것으로 나타나는 원음(도 6에서 오른쪽에 위치한 음원들)들의 경우 본 발명에 따른 전처리가 매우 미약하게 적용됨으로서 원음의 음질변화를 최대한 줄이는 것으로 나타났다.

결론적으로 EVRC 인코딩/디코딩시 상대적으로 음질이 매우 좋지 않은 원음의 경우에는 본 발명에 따른 전처리를 통하여 음질이 개선됨을 확인할 수 있었으며, EVRC에 상대적으로 영향을 덜 받는 음원의 경우에는 각종 전처리 과정이 미약하게 적용됨으로서, 그 본래 음질의 변화가 최대한 억제되는 것으로 나타났다.

상술한 바와 같이 본 발명은 잡음으로 간주될 수 있는 통화 연결음의 음원 데이터 크기를 일정 비율로 높이고 임의적으로 상관성을 높여 줌으로서, 음악신호 자체가 높은 전송율로 전송되어 결과적으로는 음악의 끊김 현상이 방지될 수 있는 효과를 얻게 되는 것이다.

한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정 한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 통화 연결음의 음질을 개선하기 위한 방법에 있어서,

   입력되는 음원 데이터의 샘플 크기를 일정 비율 높이는 정규화 처리단계와;

   정규화된 상기 음원 데이터의 샘플들 중 음성 성분의 구간을 강화시키는 음성강화 처리단계와;

   강화된 샘플들 중 최대의 자기 상관(correlation) 값을 가지는 피치(pitch)를 검출하는 피치 검출단계와;

   상기 검출된 피치 값에서의 자기 상관 값을 저장된 임계값과 비교하여 해당 음원 데이터 샘플의 피치 값을 강화시켜 출력하는 피치 강화 처리단계;를 포함하되,

   상기 정규화 처리단계는;

   미리 설정된 임계치 이상의 크기를 가지는 음원 데이터의 샘플 크기를 클리핑(clipping)하는 단계와;

   상기 클리핑 처리된 음원 데이터 샘플들의 크기 각각을 하기 수학식에 따른 비율(rate)만큼 높이는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 통화 연결음 음질개선방법.

   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 검출된 피치값에서의 자기 상관 값이 저장된 임계값보다 작을수록 음원 데이터 샘플의 피치 값을 강화시키도록 필터 계수를 조정하는 것을 특징으로 하는 통화 연결음 음질개선방법.
4. 통화 연결음의 음질을 개선하기 위한 장치에 있어서,

   입력되는 음원 데이터의 샘플 크기를 일정 비율로 높이는 정규화 처리부와;

   정규화된 상기 음원 데이터의 샘플들 중 음성 성분의 구간을 강화하는 음성강화 처리부와;

   강화된 샘플들중 최대의 자기 상관(correlation)값을 가지는 피치(pitch)를 검출하는 피치 검출부와;

   검출된 피치값에서의 자기 상관값을 저장된 임계값과 비교하여 해당 음원 데이터 샘플의 피치값을 강화시키는 피치강화 처리부;를 포함함을 특징으로 하는 통화 연결음 음질개선장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 정규화 처리부는;

   미리 설정된 임계치 이상의 크기를 가지는 음원 데이터의 샘플 크기를 클리핑(clipping)하는 클리핑 처리부와;

   상기 클리핑 처리된 음원 데이터 샘플들의 크기 각각을 하기 수학식에 따른 비율(rate)만큼 높이는 샘플크기 확장부;를 포함함을 특징으로 하는 통화 연결음 음질개선장치.

   

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