KR100678770B1 - 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기 - Google Patents

궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기 Download PDF

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지윤상
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기에 관한 것이다. 본 발명에 바람직한 일 실시예에 따르면, 마이크; 상기 마이크로부터 입력되는 외부 소리를 디지털 소리 신호를 변환하는 A/D 변환부; 상기 디지털 소리 신호에서 특정 주파수 영역만을 검사하여 궤환 신호를 검출하는 궤환 신호 검출부; 상기 궤환 신호 검출부의 제어에 의해 동작하며, 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 상관 계수를 갱신하고 상기 궤환 신호를 제거하는 궤환 신호 제거부; 상기 디지털 소리 신호를 미리 정해진 청각 손실 특성에 맞게 주파수별 보상 이득치 정보를 이용하여 증폭하는 주파수별 증폭부; 상기 디지털 소리 신호를 아날로그 소리 신호로 변환하는 D/A 변환부; 및 리시버를 포함하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기가 제공된다. 따라서, 본 발명에 의해 궤환 신호를 제거하여 고품질의 음성 신호만을 전달할 수 있다.
보청기, 궤환 신호, Hearing aid, Feedback signal

Description

궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기{Hearing aid having feedback signal reduction function }
도 1은 일반적으로 보청기에서 발생되는 궤환 신호의 경로를 예시한 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보청기의 구성을 나타낸 블록 다이어그램.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보청기의 신호 처리부의 블록 다이어그램.
도 4는 보청기에 궤환 신호가 발생하기 전의 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환한 그래프를 예시한 도면.
도 5는 보청기에 궤환 신호가 발생한 후의 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환한 그래프를 예시한 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호 처리부의 궤환 신호 검출 및 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 독립성분분석을 적용한 적응 필터를 이용한 궤환 신호 제거를 위한 블록도.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시에에 따른 독립성분분석을 이용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거한 후의 주파수 신호를 예시한 도면.
도 9는 종래의 최소평균제곱법을 이용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거한 후의 주파수 신호를 예시한 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
210 : 마이크
215 : 전-증폭기
220 : A/D 변환부
225 : 신호 처리부
230 : 저장부
235 : D/A 변환부
240 : 후-증폭기
245 : 리시버
310 : 주파수 영역 변환부
320 : 궤환 신호 검출부
330 : 궤환 신호 제거부
340 : 주파수별 증폭부
350 : 시간 영역 변환부
본 발명은 보청기에 관한 것으로, 특히 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기에 관한 것이다.
인간의 청각기관은 외이(external ear), 중이(middle ear), 내이(internal ear)로 구성된다. 인간의 귀에서 소리를 들을 수 있게 되는 경로를 살펴보면, 우선 공기 입자의 연쇄적 전달 과정으로 전해진 소리 에너지는 두개골에서 외이에 의해 모아진다. 공기 입자의 연쇄적 전달 과정으로 전해진 소리 에너지는 두개골에서 외이에 의해 모아지고, 외이도의 구조적 특성에 의해 2,000 ~ 5,500Hz범위에서 공명 특성을 보이며 고막을 진동한다. 이로 인해, 소리 에너지는 중이를 통해 내이로 전달되며, 내이로 전달된 소리 에너지는 달팽이관이라 불리는 와우 내부의 림프액을 움직이고, 와우 내부의 가운데 층에 있는 수천개의 미세한 유모세포들이 림프액의 움직임을 감지하여 전기 에너지로 변환한다. 이와 같이 변환된 전기 에너지가 청신경을 통해 뇌로 전달되어 인간은 소리를 감지하게 된다.
그러나, 이러한 소리 또는 전기 에너지가 원활히 전달되지 않아 청각이 저하되거나 또는 상실된 상태에 있는 난청(難聽, impaired hearing) 환자의 경우 소리 또는 전기 에너지를 보상해줄 수 있는 보청기가 필수적이다. 보청기는 정상인이 들을 수 있는 대역의 음을 증폭 또는 변형하여 난청자로 하여금 정상인과 같은 정도 로 소리를 지각할 수 있도록 만들어 주기 위한 장치이다. 이러한 보청기는 주변 환경의 소음 정도에 관계없이 보청기 착용자에게 정확한 어음을 전달할 수 있어야 한다. 그러나, 보청기는 그 구조적 특성으로 인해 궤환 신호가 너무 쉽고, 빈번하게 발생하는 문제점이 있다.
도 1은 일반적으로 보청기에서 발생되는 궤환 신호의 경로를 예시한 도면이다. 도 1에 보여지는 바와 같이, 보청기(100)는 구조적 특성으로 인해 사람의 외이도에 직접 삽입하도록 설계되어 있다. 이로 인해 폐쇄효과(Occlusion effect)가 발생하게 되어 보청기(100)를 착용하는데 불편함을 느끼게 된다. 따라서, 보청기(100)에 통풍구(vent, 130)를 뚫어 이를 해결하였다. 그러나, 보청기(100)의 마이크(110)를 통해 입력된 외부 신호가 리시버(Receiver, 120)로 출력되고, 리시버(120)로 출력된 신호가 통풍구(130)를 통해 재입력되는 궤환 신호(Feedback signal)가 발생한다. 이러한 궤환 신호(Feedback signal)는 시그널 루프(signal loop)로 인해 하울링(Howling)이 발생하게 되고, 하울링(Howling)은 소리의 피치(찢어지는 듯한 고음, 터질듯한 저음)는 보청기 착용자에게 불쾌감을 유발시키며 나아가 보청기 착용을 어렵게 하는 요인이 된다.
또한, 보청기에서의 궤환 신호는 보청기 착용 시나 구강 운동에 의한 출력 신호의 누출 경로 발생에 따라 생길 수 있으며, 일상생활 중 마이크 가까이 손을 데거나 전화기 같은 장애물에 의해 반사되어 마이크로 다시 입력되는 경우 등 매우 빈번하게 발생할 수 있다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 보청기의 구조적 특성으로 인해 발생하는 궤환 신호를 제거하여 고품질의 음성 신호만을 전달할 수 있는(정확한 어음을 전달할 수 있는 음성 신호만을) 보청기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 보청기 탈장착시 발생하는 궤환 신호를 제거하여 궤환 신호로 인해 발생하는 하울링 현상을 제거하여 궤환 신호 발생으로 인한 보청기 착용의 불편함 또는/및 불쾌감을 없앨 수 있는 보청기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 보청기에서 발생하는 궤환 신호를 제거하기 위해 보청기 착용자가 보청기를 컨트롤하기 위해 필요한 리모컨을 항상 휴대하지 않아도 되는 보청기를 제공하는 것이다.
이외의 본 발명의 목적들은 하기의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거할 수 있는 보청기가 제공된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 외부의 소리 신호를 입력받아 전기적인 소리 신호로 변환하는 마이크; 상기 전기적 소리 신호를 디지털 소리 신호를 변환하는 A/D 변환부; 상기 디지털 소리 신호에서 궤환 신호가 주로 발생하는 특정 주파수 영역만을 검사하여 상기 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출하는 궤환 신호 검출부; 상기 궤환 신호 검출부의 제어에 의해 동작하며, 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 상관 계수를 갱신하고 상기 디지털 소리 신호에서 궤환 신호를 제거하는 궤환 신호 제거부; 상기 디지털 소리 신호를 미리 정해진 청각 손실 특성에 맞게 주파수별 보상 이득치 정보를 이용하여 증폭하는 주파수별 증폭부; 상기 디지털 소리 신호를 아날로그 소리 신호로 변환하는 D/A 변환부; 및 상기 아날로그 소리 신호를 출력하는 리시버를 포함하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기가 제공된다.
상기 궤환 신호 검출부는 상기 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출하면 상기 궤환 신호 제거부가 동작을 지시하고, 상기 디지털 소리 신호에서 궤환 신호를 검출하지 못하면 상기 디지털 소리 신호를 바이패스하되, 상기 궤환 신호 제거부는 상기 궤환 신호 검출부가 상기 궤환 신호를 검출한 경우에만 상기 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 상관 계수를 갱신할 수 있다.
상기 A/D 변환부에서 변환된 상기 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환하여 상기 궤환 신호 검출부로 출력하는 주파수 영역 변환부; 및 상기 주파수 영역의 상기 디지털 소리 신호를 시간 영역으로 변환하여 상기 시간 영역으로 변환된 디지털 소리 신호를 상기 D/A 변환부로 출력하는 시간 영역 변환부를 더 포함할 수 있다.
보청기 착용자의 상기 청각 손실 특성에 맞는 주파수별 보상 이득치에 관한 정보 또는 신호처리 알고리즘을 저장하고 있는 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 신호와 상기 아날로그 소리 신호는 난-가우시안(non-gaussian) 특성을 지닐 수 있다.
상기 마이크로부터 입력되는 아날로그 소리 신호를 미리 정해진 크기로 증폭하는 전-증폭기; 및 상기 D/A 변환부로부터 입력되는 아날로그 소리 신호를 미리 정해진 크기로 증폭하여 상기 리시버로 출력하는 후-증폭기를 더 포함할 수 있다.
상기 궤환 신호 검출부는 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 상기 디지털 소리 신호의 특정 주파수만을 검사하며, 임의의 주파수를 검사하기 위해 상기 주파수에 상응하는 밴드 적응 노치 필터(BANF)의 상관 계수를 갱신할 수 있다.
상기 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터는 상기 외부 신호와 상기 아날로그 소리 신호간의 정보를 최소화하는 상호간 정보(mutual information)를 이용하여 상기 적응 필터 계수를 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 보청기에서 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거할 수 있는 궤환 신호 제거 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 보청기에서 수행되는 궤환 신호 제거 방법에 있어서, 마이크를 통해 외부 신호를 입력받아 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 전기적 신호를 디지털 소리 신호로 변환하는 단계; 상기 디지털 소리 신호의 특정 주파수를 검사하여 상기 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출하는 단계; 궤환 신호가 검출되면, 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 상기 디지털 소리 신호에서 상기 궤환 신호를 제거하는 단계; 상기 궤환 신호 가 제거된 디지털 소리 신호를 미리 정해진 청각 손실 특성에 맞는 주파수별 보상 이득치 정보를 이용하여 주파수별로 증폭하는 단계; 및 상기 주파수별로 증폭된 디지털 소리 신호를 아날로그 소리 신호로 변환하여 리시버로 출력하는 단계를 포함하는 보청기의 궤환 신호 제거 방법이 제공된다.
상기 밴드 적응 노치 필터(BANF)의 상관 계수를 연속적으로 갱신하는 단계; 및 상기 궤환 신호가 검출되면, 상기 독립성분분석(ICA)을 적용한 상기 적응 필터의 상관 계수를 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보청기의 구성을 나타낸 블록 다이어그램이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보청기의 신호 처리부의 블록 다이어그램이며, 도 4는 보청기에 궤환 신호가 발생하기 전의 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환한 그래프를 예시한 도면이고, 도 5는 보청기에 궤환 신호가 발생한 후의 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환한 그래프를 예시한 도면이다.
도 2에 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 보청기(200)는 마이크(210), 전-증폭기(215), A/D 변환부(220), 신호 처리부(225), 저장부(230), D/A 변환부(235), 후-증폭기(240), 리시버(245)를 포함하여 구성된다.
마이크(210)는 외부의 소리 신호를 입력받아 아날로그 전기적 신호로 변환하여 전-증폭기(215)로 전달한다.
전-증폭기(215)는 마이크(210)로부터 입력된 아날로그 전기적 신호를 미리 정해진 크기에 의해 일정 수준(Level)으로 증폭하여 A/D 변환부(220)로 전달한다.
A/D 변환부(220)는 전-증폭기(215)로부터 입력된 아날로그 전기적 신호를 디지털 소리 신호로 변환하여 신호 처리부(225)로 전달한다.
신호 처리부(225)는 A/D 변환부(220)로부터 전달된 디지털 소리 신호를 저장부(230)에 미리 저장된 알고리즘(예를 들어, 주파수별 보상 알고리즘, 궤환 신호 제거 알고리즘, 음질 향상 알고리즘 등)을 이용하여 신호처리를 수행하여 D/A 변환부(235)로 전달한다. 예를 들어, 신호 처리부(225)는 A/D 변환부(220)로부터 전달된 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되어 있는지를 검사하여, 궤환 신호가 포함되어 있다면 궤환 신호를 제거하여 D/A 변환부(235)로 전달할 수 있다.
도 3에 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 신호 처리부(225)는 주파수 영역 변환부(310), 궤환 신호 검출부(320), 궤환 신호 제거부(330), 주파수별 증폭부(340), 시간 영역 변환부(350)로 구성된다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 신호 처리부(225)의 구성 요소에 대해 상세히 설명하면, 주파수 영역 변환부(310)는 A/D 변환부(220)를 통해 변환된 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환하여 궤환 신호 검출부(320)로 전달한다. 주파수 영역 변환부(310)는 이진 퓨리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform), 고속 퓨리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform), 이진 코사인 변환(DCT: Discrete Cosine Transform), 다중 위상(Polyphase) 필터 뱅크, 직각 대칭 필터(QMF: Quadrature Mirror Filter) 등의 기술이 사용될 수 있으며, 이들 기술에 대한 설명은 당업자에게는 자명한 사항이므로 생략하도록 한다.
궤환 신호 검출부(320)는 A/D 변환부(220)로부터 전달된 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되어있는지 여부를 검출하기 위해 주파수 영역 변환부(310)를 통해 변환된 주파수 영역에서 궤환 신호가 발생하는 특정 주파수 영역을 검색한다. 또한, 궤환 신호 검출부(320)는 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되어 있다고 판단한 경우 궤환 신호 제거부(330)가 동작하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 궤환 신호 검출부(320)는 밴드 적응 노치 필터(BANF : Band Adaptive Notch Filter)를 사용하여 궤환 신호가 발생하는 특정(주된) 주파수 영역만을 검색할 수 있다. 도 4에 궤환 신호가 발생하기 전의 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환한 그래프가 예시되어 있고, 도 5에 궤환 신호가 발생 한 후의 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환한 그래프가 예시되어 있다. 이미 상술한 바와 같이, 궤환 신호 중 대부분이 리시버(245)를 통해 출력된 신호가 보청기 착용에 따른 폐쇄 효과를 방지하기 위한 통풍구(vent)를 통하여 누출되어 마이크(210)로 재입력되어 발생한다. 이러한 궤환 신호 중 입력 신호와 동위상이면서 같거나 더 큰 레벨의 궤환 신호는 궤환 경로를 통과하면서 보통 40 ~ 50 dB가 감쇠되지만 궤환 경로의 일부 좁은 주파수 대역에서는 약 20dB 정도의 적은 감쇠가 일어난다. 반면 보청기의 증폭 이득은 보통 15 ~ 50 dB 정도가 주어지기 때문에 궤환된 음향 신호는 쉽게 입력 신호에 가까운 크기가 될 수 있다. 이로 인해 과증폭이 필요한 난청자에 있어서 최대 안정 이득(maximum usable gain)에 제한을 주는 요인이 된다. 도 4와 도 5에서 보여지는 바와 같이, 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되면 특정 주파수 영역이 과증폭되는 것을 알 수 있다. 따라서, 궤환 신호 검출부(320)는 주파수 영역 변환부(310)에서 변환되어 입력된 디지털 소리 신호의 특정 주파수 영역만을 검색할 수 있는 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출할 수 있다.
예를 들어, 궤환 신호 검출부(320)는 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 특정 주파수 영역을 검색하기 위해 밴드 적응 노치 필터(BANF)의 상관 계수를 갱신하며, 특정 주파수 영역내의 해당 주파수에서 미리 지정된 역치값(Threshold) 이상의 크기가 검출되면 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되었다고 판단하여 궤환 신호 제거부(330)가 동작되도록 제어 할 수 있다.
궤환 신호 제거부(330)는 궤환 신호 검출부(320)의 제어에 의해 동작하며, 궤환 신호 검출부(320)로부터 입력된 궤환 신호가 포함된 디지털 소리 신호에서 궤환 신호를 제거하여 주파수별 증폭부(340)로 전달한다. 예를 들어, 궤환 신호 제거부(330)는 궤환 신호를 제거하기 위해 독립성분분석(ICA: Independent Component Analysis) 기법(알고리즘)을 적용한 적응 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 궤환 신호 제거부(330)는 독립성분분석(ICA) 알고리즘을 이용한 적응 필터 계수 갱신값을 산출하여 적응 필터 계수를 갱신하여 궤환 신호를 제거할 수 있다. 이하에서 이해와 설명의 편의를 위해 독립성분분석(ICA) 알고리즘에 대해 간략히 설명하도록 한다. 독립성분분석(ICA)은 선형적으로 혼합된(mixing) 신호들로부터 통계적으로 상호 독립적인 원신호를 분리해내는 기술이다. 마이크(210)를 통해 입력된 신호원들은 예를 들어 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112005046841743-pat00001
여기서, N은 독립적인 소리 신호의 개수를 나타내는 임의의 정수값이고, s1, s2, …, sN은 N개의 독립적인 소리 신호원들이며,
Figure 112005046841743-pat00002
는 aij에 의해 선형적인 조합으로 만들어진 신호들을 의미한다.
예를 들어, 회의실에 다수의 화자가 동시에 말을 하고 있다고 가정하자. 이때, 회의실에서 발생하는 소리는 다수의 화자의 목소리, 물체(예를 들어, 종이 넘기는 소리, 컴퓨터에 의한 잡음 등) 등의 소리가 뒤섞여 동시에 보청기(200)의 마이크(210)로 입력된다. 독립성분분석 알고리즘은 센서에서 검출된 신호만을 가지고 각각의 소리를 각각 분리하고자 하는 개념이다. 여기서, 각각의 소리들의 뒤섞이는 과정을 혼합 행렬(mixing matrix)로 정의한다. 따라서, 수학식 1에 정의된 수식은 하기 수학식 2와 같이 혼합 행렬(mixing matrix)과 원신호의 곱으로 표현될 수 있다.
Figure 112005046841743-pat00003
여기서, A는 혼합 행렬(mixing matrix)이고, s는 원신호이다. 독립성분분석 알고리즘은 마이크 등의 입력 장치를 통해 측정된 신호 x만을 이용해 혼합 행렬(mixing matrix) A의 역행렬을 찾음으로써 원신호를 복원할 수 있다. 따라서, 혼합 행렬(mixing matrix) A의 역행렬인 분리 행렬(unmixing matrix) W가 추정되어야 하며, 원신호 s는 예를 들어 하기 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112005046841743-pat00004
여기서, 분리 행렬(unmixing matrix) W를 추정하기 위해서 신호원들은 서로 독립이라고 가정한다. 이하, 독립성분분석 알고리즘의 분리 행렬(unmixing matrix) W를 추정하기 위한 신호원들이 서로 독립이라는 것은 독립성분분석 알고리즘의 기본 전제로서 당업자에게는 자명한 사항이므로 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명에 따른 독립성분분석(ICA)을 이용한 궤환 신호 제거 방법은 도 6 내지 도 7을 참조하여 하기에서 상세히 설명하도록 한다.
주파수별 증폭부(340)는 궤환 신호 제거부(330)를 통해 입력된 디지털 소리 신호를 보청기 착용자의 청각 손실 특성에 맞게 주파수별로 증폭하여 시간 영역 변환부(350)로 전달한다. 여기서, 보청기 착용자의 청각 손실 특성에 맞는 주파수별 정보는 저장부(230)에 미리 저장되어 있을 수 있다.
시간 영역 변환부(350)는 주파수별 증폭부(340)로부터 입력된 디지털 소리 신호를 시간 영역으로 변환하여 D/A 변환부(235)로 출력한다.
다시 도 2를 참조하여 저장부(230)는 보청기(200) 착용자의 청각 손실 특성에 맞는 주파수별 정보, 궤환 신호 제거부(330)의 적응 필터 계수 갱신값, 본 발명에 따른 보청기(200)에 적용되는 알고리즘(예를 들어, 밴드 적응 노치 필터(BANF)의 알고리즘, 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 알고리즘 등) 등을 저장하고 있다.
D/A 변환부(235)는 신호 처리부(225)를 통해 입력된 디지털 소리 신호를 아날로그 소리 신호로 변환하여 후-증폭기(240)로 전달한다.
후-증폭기(240)는 D/A 변환부(235)로부터 입력된 아날로그 소리 신호를 미리 지정된 크기로 증폭하여 리시버(245)로 전달한다.
리시버(245)는 후-증폭기(240)로부터 증폭되어 입력된 아날로그 소리 신호를 출력한다. 이로 인해, 난청환자(보청기 착용자)는 보청기(220)를 통해 제공되는 소리를 인지할 수 있다.
도 2에는 도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 보청기(200)의 각각의 장치에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부, 배터리 소켓(Battery Socket) 등을 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호 처리부의 궤환 신호 검출 및 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 독립성분분석을 적용한 적응 필터를 이용한 궤환 신호 제거를 위한 블록도이며, 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시에에 따른 독립성분분석을 이용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거한 후의 주파수 신호를 예시한 도면이며, 도 9는 종래의 최소평균제곱법을 이용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거한 후의 주파수 신호를 예시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 단계 610 내지 615에서 궤환 신호 검출부(320)는 디지털 소리 신호가 입력되면 특정 주파수 대역을 검색한다. 이미 상술한 바와 같이 궤환 신호 검출부(320)는 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 포함하여 구성될 수 있다. 궤환 신호가 발생할 수 있는 경로는 한정되어 있기 때문에 특정 주파수 영역만을 검색하는 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 입력된 디지털 소리 신호의 특정 주파수 영역만을 검색하여 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 보여지는 바와 같이, 궤환 신호는 주로 1000 ~ 8000 Hz대에서 과 증폭되므로 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 1000 ~ 8000 Hz대를 검사하여 궤환 신호를 검출할 수 있다.
이미 상술한 바와 같이, 궤환 신호 중 대부분이 리시버(245)를 통해 출력된 신호가 보청기 착용에 따른 폐쇄 효과를 방지하기 위한 통풍구(vent)를 통하여 누출되어 마이크(210)로 재입력되어 반복적으로 증폭됨으로 인해 발생한다. 이와 같은 궤환 신호는 소리의 피치(찢어질듯한 고음, 터질것 같은 저음) 현상을 발생시켜 보청기 착용자에게 많은 불쾌감을 유발시키는 원인이 된다.
밴드 적응 노치 필터(BANF)는 주파수 영역별로 검색하기 위해 밴드 적응 노치 필터(BANF) 상관 계수를 갱신하며 특정 주파수 영역의 주파수를 검색한다. 여기서, 밴드 적응 노치 필터(BANF) 상관 계수를 갱신하는 이유는 밴드 적응 노치 필터 (BANF)는 임의의 주파수를 검색하기 위해 해당 주파수에 상응하는 필터 계수를 필요로 하기 때문이다.
단계 620에서 궤환 신호 검출부(320)는 입력된 디지털 소리 신호가 미리 설정된 역치값(Threshold)을 초과하는지 여부를 판단하여 디지털 소리에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단한다. 예를 들어, 궤환 신호 검출부(320)는 디지털 소리 신호의 입력 신호 레벨이 미리 설정된 역치값(Threshold)을 초과하면 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되었다고 판단한다. 일반적으로 궤환 신호는 반복적으로 증폭이 어루어지기 때문에 데시벨(dB)이 상당히 높은 특징이 있다. 예를 들어, 역치값(Threshold)은 실험에 의해 궤환 신호가 발생된 경우로 판단할 수 있는 최소 궤환 신호 세기로 결정할 수 있다. 그리고, 궤환 신호 검출은 예를 들어, 마이크(210)로 입력되는 신호들의 성분 중 가장 큰 신호의 파워 레벨을 실험에 의해 설정된 실험적 역치값(Threshold)과 비교함으로써 궤환 신호를 검출할 수 있다.
만일 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되었다고 판단되면, 단계 625에서 궤환 신호 검출부(320)는 궤환 신호 제거부(330)가 동작하도록 제어한다. 그리고, 궤환 신호 제거부(330)는 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 상관 계수를 갱신한다. 이해와 설명의 편의를 위해, 본 발명에 따른 보청기의 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 필터계수를 산출하는 과정을 우선 설명하도록 한다. 도 7을 참조하여,
Figure 112005046841743-pat00005
과
Figure 112005046841743-pat00006
은 서로 독립이며, 난-가우시안(non-gaussian)의 분포를 갖는다고 가정하자.
Figure 112005046841743-pat00007
과
Figure 112005046841743-pat00008
는 각각
Figure 112005046841743-pat00009
과
Figure 112005046841743-pat00010
의 누적분포함수 (CDF : Cumulative Distribution Function)를 근사화 하는 비선형 함수를 통과한 값으로 예를 들어 하기 수학식 4와 수학식 5에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112005046841743-pat00011
Figure 112005046841743-pat00012
여기서, g()는 누적분포함수(CDF)를 근사화한 비선형 함수이다.
입력 신호
Figure 112005046841743-pat00013
과 출력 신호
Figure 112005046841743-pat00014
두 신호 사이의 조인트 엔트로피(joint entropy)는 각각의 신호에 대한 엔트로피(entropy)과 두 신호들의 상호간 정보(mutual information)의 차와 같으므로 예를 들어, 하기 수학식 6에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112005046841743-pat00015
여기서, E는 기대값(expectation value)을 나타내며,
Figure 112005046841743-pat00016
는
Figure 112005046841743-pat00017
에 대한 확률질량함수(PMF: Probability Mass Function)이다. 그리고, 주변 엔트로피(marginal entropy)를 구하기 위하여 출력 신호의 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function)는 입력 신호의 확률밀도함수(PDF)에 야코비안의 행렬식(jacobian determinant)을 나누어도 변하지 않으므로 수학식 6을 정리할 수 있다. 즉,
Figure 112005046841743-pat00018
는
Figure 112005046841743-pat00019
와 같다. 또한,
Figure 112005046841743-pat00020
는 야코비안 행렬식(jacobian determinant)으로 수학식 7과 같다.
Figure 112005046841743-pat00021
수학식 6에서 비선형 함수의 출력에 대한 엔트로피(entropy)를 최대로 하기 위해서 통계적 그레디언트 증가 기법을 적용하여 w로 편미분을 하면
Figure 112005046841743-pat00022
이 되어 수학식 6은 하기 수학식 8과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112005046841743-pat00023
여기서, 야코비안(jacobian)식으로 표현된 시스템 출력들 간의 정보가 최대가 되도록 적응 필터의 계수 w를 갱신하고 시그모이드(sigmoid) 함수 e가 초가우시안(super-gaussian) 확률밀도함수(PDF)의 누적분포함수(CDF)일때 w의 학습 알고리즘은 하기 수학식 9와 같다.
Figure 112005046841743-pat00024
여기서,
Figure 112005046841743-pat00025
는 스코어 함수(score function)로, 입력 신호
Figure 112005046841743-pat00026
과 적응 필터에 의해 갱신되어 출력되는 출력 신호
Figure 112005046841743-pat00027
의 차를 나타내는
Figure 112005046841743-pat00028
의 확률밀도함수(PDF)다. 본 명세서에서는 스코어 함수(score function)를 초가우시안(super-gaussian) 분포의 누적분포함수(CDF)를 근사 함수로 하는 사인(sign) 함수를 이용한다. 이에 의해 독립성분분석 알고리즘을 이용한 적응 필터 계수 갱신값은 예를 들어, 하기 수학식 10을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112005046841743-pat00029
예를 들어, f(n)은 궤환 경로(410)를 통해 유입되는 신호를 나타낸다. 입력 신호
Figure 112005046841743-pat00030
은 궤환 신호 (f(n))과 마이크(210)에서 혼합된다. 즉, 혼합 신호 s(n)은 입력 신호
Figure 112005046841743-pat00031
과 궤환 신호 f(n)의 합이다. 여기서, 궤환 신호 f(n)은 혼합 신호 s(n)의 특정 주파수 영역을 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 연속적으로 검사함으로써, 궤환 신호 f(n)가 발생했는지 여부를 알 수 있다. 또한, u(n)은 혼합 신호 s(n)에서 출력 신호 z(n)이 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터(440)를 통과한 신호 y(n)를 감하여 산출할 수 있다. 즉, u(n)은 궤환 경로(410)에서의 출력과 적응 필터의 출력의 차에 의해 산출될 수 있다. u(n)을 보청기 착용자의 청각 손실 특성에 맞게 주파수별로 증폭(420)하여 출력 신호
Figure 112005046841743-pat00032
을 출력한다. 여기서, 궤환 신호 검출부(320)가 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되어 있다고 판단하면, 궤환 신호 검출부(320)는 궤환 신호 제거부(330)가 동작하도록 제어할 수 있다. 궤환 신호 검출부(320)의 동작 제어에 의해 동작된 궤환 신호 제거부(330)는 u(n)의 조인트 엔트로피(joint entropy)를 최대로 하는 H(e)를 산출하여(예를 들어, 수학식 6을 이용하여) 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 상관 계수 갱신값을 산출하여(예를 들어, 수학식 10을 이용하여) 적을 필터 상관 계수를 갱신할 수 있다. 그리고, 궤환 신호 제거부(330)는 출력 신호 z(n)을 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 통과시켜 y(n)을 출력하고, 혼합 신호 s(n)에서 y(n)을 감하여 궤환 신호가 제거된 u(n)을 출력할 수 있다. 도 7의 블록도에서 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터(440)를 통과한 신호 y(n), 궤환 경로를 통해 유입된 궤환 신호 f(n)과 입력 신호
Figure 112005046841743-pat00033
, u(n)은 각각 어느 정도 시간 차이가 존재하나 시간 차이가 매우 미약하므로 설명의 편의를 위해 시간 차이를 무시하고 설명하도록 한다.
단계 630에서 궤환 신호 제거부(330)는 갱신된 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호 검출부(320)로부터 입력된 디지털 소리 신호에서 궤환 신호를 제거하여 주파수별 증폭부(340)로 전달한다.
그러나 만일 단계 620에서 궤환 신호 검출부(320)가 디지털 소리 신호에 궤환 신호가 포함되지 않았다고 판단하면, 궤환 신호 검출부(320)는 디지털 소리 신호를 주파수별 증폭부(340)로 전달한다.
도 8은 본 발명에 따른 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거한 후의 신호를 주파수 영역으로 나타낸 도면이고, 도 9는 종래의 최소평균제곱법(NLMS : Normalized Least mean Square)을 적용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 제거한 후의 신호를 주파수 영역으로 나타낸 도면이다. 도 8과 도 9를 비교하여 보면, 즉, 도 8에서 보는 바와 같이 3300 ~ 5500 Hz사이의 신호를 보면 최소평균제곱법(NLMS)에 비해 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터가 궤환 신호를 효과적으로 제거하고 있음을 확인할 수 있다. 도 8과 도 9에서 보여지는 바와 같이, 독립성분분석(ICA) 알고리즘이 입력 신호와 궤환 신호의 차에 대한 2차 통계기법을 이용한 정규화 최소평균제곱법(NLMS) 알고리즘보다 실제 음성분포와 같은 난-가우시안(non-gaussian) 특성의 신호를 표현하는데 더 효과적인 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10을 참조하면, 단계 1010에서 본 발명에 따른 보청기(200)는 마이크(210)를 통해 외부의 신호를 입력받아 전기적 신호로 변환하여 전-증폭기(215)로 전달한다. 상술한 바와 같이, 예를 들어, 마이크(210)를 통해 입력되는 외부 신호는 보청기(200)의 마이크(210)를 통해 입력되어 리시버(245)를 통해 출력된 신호가 통풍구(vent)를 통해 궤환 되어 입력되는 궤환 신호(feedback signal), 사람의 음성, 물체의 소리 신호 등이 합성된 신호일 수 있다.
단계 1015에서 전-증폭기(215)는 마이크(210)로부터 입력된 전기적 신호를 미리 정해진 크기로 증폭하여 A/D 변환부(220)로 전달한다.
단계 1020에서 A/D 변환부(220)는 전-증폭기(215)에서 증폭되어 입력된 전기적 신호를 디지털 소리 신호로 변환하여 주파수 영역 변환부(310)로 전달한다.
단계 1025에서 주파수 영역 변환부(310)는 A/D 변환부(220)로부터 입력된 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환하여 궤환 신호 검출부(320)로 전달한다.
단계 1030에서 궤환 신호 검출부(320)는 주파수 영역 변환부(310)에서 변환된 디지털 소리 신호의 주파수 대역을 검사하여 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출한다. 예를 들어, 궤환 신호 검출부(320)는 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 특정 주파수 대역을 검사하여 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단한다.
만일 궤환 신호가 검출되지 않으면, 단계 1040으로 진행한다.
그러나 만일 궤환 신호가 검출되면, 궤환 신호 검출부(320)는 궤환 신호 제거부(330)로 디지털 소리 신호를 전달하고 궤환 신호 제거부(330)의 동작을 지시를 제어하고, 단계 1035에서 궤환 신호 제거부(330)는 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 디지털 소리 신호에서 궤환 신호를 제거하여 주파수별 증폭부 (340)로 전달한다.
그리고, 주파수별 증폭부(340)를 통해 디지털 소리 신호는 보청기(200) 착용자의 청각 손실 특성에 맞게 주파수별로 증폭되고(단계 1040), 시간 영역 변환부(350)를 통해 주파수 영역에서 시간 영역으로 변환된다(단계 1045).
단계 1050에서 D/A 변환부(235)는 디지털 소리 신호를 아날로그 소리 신호로 변환하여 후-증폭기(240)로 전달한다. 그리고, 후-증폭기(240)로 입력된 아날로그 소리 신호는 미리 정해진 크기에 상응하여 증폭된 후 리시버(245)를 통해 출력된다(단계 1055).
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 보청기에서 궤환 신호가 발생한 경우 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 궤환 신호를 효과적으로 제거함으로써 고품질의 신호만 보청기 착용자에게 전달할 수 있다. 이로 인해 보청기 착용자는 보다 정확하기 어음을 인지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 궤환 신호를 제거할 수 있는 보청기를 제공함에 따라, 보청기의 구조적 특성으로 인해 발생하는 궤환 신호를 제거하여 고품질의 음성 신호만을 전달할 수 있는(정확한 어음을 전달할 수 있는 음성 신호만을) 효과가 있다.
또한, 본 발명은 보청기 탈장착시 발생하는 궤환 신호를 제거하여 궤환 신호로 인해 발생하는 하울링 현상을 제거하여 궤환 신호 발생으로 인한 보청기 착용의 불편함 또는/및 불쾌감을 없앨 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 보청기에서 발생하는 궤환 신호를 제거하기 위해 보청기 착용자가 보청기를 컨트롤하기 위해 필요한 리모컨을 항상 휴대하지 않아도 되는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 외부의 소리 신호를 입력받아 전기적인 소리 신호로 변환하는 마이크;
    상기 전기적 소리 신호를 디지털 소리 신호를 변환하는 A/D 변환부;
    상기 디지털 소리 신호에서 궤환 신호가 주로 발생하는 미리 설정된 특정 주파수 영역만을 검사하여 상기 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출하는 궤환 신호 검출부;
    상기 궤환 신호 검출부의 제어에 의해 동작하며, 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 상관 계수를 갱신하고 상기 디지털 소리 신호에서 궤환 신호를 제거하는 궤환 신호 제거부;
    상기 디지털 소리 신호를 미리 정해진 청각 손실 특성에 맞게 주파수별 보상 이득치 정보를 이용하여 증폭하는 주파수별 증폭부;
    상기 디지털 소리 신호를 아날로그 소리 신호로 변환하는 D/A 변환부; 및
    상기 아날로그 소리 신호를 출력하는 리시버를 포함하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 궤환 신호 검출부는 상기 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출하면 상기 궤환 신호 제거부의 동작을 지시하고, 상기 디지털 소리 신호에서 궤환 신호를 검출하지 못하면 상기 디지털 소리 신호를 바이패스하되,
    상기 궤환 신호 제거부는 상기 궤환 신호 검출부가 상기 궤환 신호를 검출한 경우에만 상기 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터의 상관 계수를 갱신하는 것을 특징으로 하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 A/D 변환부에서 변환된 상기 디지털 소리 신호를 주파수 영역으로 변환하여 상기 궤환 신호 검출부로 출력하는 주파수 영역 변환부; 및
    상기 주파수 영역의 상기 디지털 소리 신호를 시간 영역으로 변환하여 상기 시간 영역으로 변환된 디지털 소리 신호를 상기 D/A 변환부로 출력하는 시간 영역 변환부를 더 포함하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  4. 제1 항에 있어서,
    보청기 착용자의 상기 청각 손실 특성에 맞는 주파수별 보상 이득치에 관한 정보 또는 신호처리 알고리즘을 저장하고 있는 저장부를 더 포함하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 외부의 신호와 상기 아날로그 소리 신호는 난-가우시안(non-gaussian) 특성을 지니는 것을 특징으로 하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로부터 입력되는 아날로그 소리 신호를 미리 정해진 크기로 증폭하는 전-증폭기; 및
    상기 D/A 변환부로부터 입력되는 아날로그 소리 신호를 미리 정해진 크기로 증폭하여 상기 리시버로 출력하는 후-증폭기를 더 포함하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 궤환 신호 검출부는 밴드 적응 노치 필터(BANF)를 이용하여 상기 디지털 소리 신호의 특정 주파수만을 검사하며, 임의의 주파수를 검사하기 위해 상기 주파수에 상응하는 밴드 적응 노치 필터(BANF)의 상관 계수를 갱신하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터는 상기 외부의 신호와 상기 아날로그 소리 신호간의 정보를 최소화하는 상호간 정보(mutual information)를 이용하여 상기 적응 필터 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기.
  9. 보청기에서 수행되는 궤환 신호 제거 방법에 있어서,
    마이크를 통해 외부의 신호를 입력받아 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 전기적 신호를 디지털 소리 신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털 소리 신호의 특정 주파수를 검사하여 상기 디지털 소리 신호에 포함된 궤환 신호를 검출하는 단계;
    궤환 신호가 검출되면, 독립성분분석(ICA)을 적용한 적응 필터를 이용하여 상기 디지털 소리 신호에서 상기 궤환 신호를 제거하는 단계;
    상기 궤환 신호가 제거된 디지털 소리 신호를 미리 정해진 청각 손실 특성에 맞는 주파수별 보상 이득치 정보를 이용하여 주파수별로 증폭하는 단계; 및
    상기 주파수별로 증폭된 디지털 소리 신호를 아날로그 소리 신호로 변환하여 리시버로 출력하는 단계를 포함하는 보청기의 궤환 신호 제거 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 밴드 적응 노치 필터(BANF)의 상관 계수를 연속적으로 갱신하는 단계; 및
    상기 궤환 신호가 검출되면, 상기 독립성분분석(ICA)을 적용한 상기 적응 필터의 상관 계수를 갱신하는 단계를 더 포함하는 보청기의 궤환 신호 제거 방법.
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