KR100715139B1 - 마이크로폰의 캘리브레이션을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

마이크로폰을 캘리브레이팅하기 위한 장치 및 방법은, 스피커 입력 신호(5)를 소리로 변환하기 위한 스피커(3), 수신된 소리를 마이크로폰 출력 신호(16)로 변환하기 위한 마이크로폰(4), 및 원하는 전력 레벨에 대해서 마이크로폰의 출력 전력을 캘리브레이팅하기 위한 캘리브레이션 수단을 포함한다. 캘리브레이션 수단은, 마이크로폰(4)이 스피커(3)로부터 소리를 수신할 때 마이크로폰 출력 신호(6) 및 스피커 입력 신호(5)를 상관시킴으로써 마이크로폰의 음향 임펄스 응답을 추정하기 위한 임펄스 응답 추정 수단(7)을 포함하고, 이로써 스피커(4)의 출력 전력이 추정된다.

캘리브레이션, 마이크로폰, 스피커, 임펄스, 전력 레벨, 필터

Description

마이크로폰의 캘리브레이션을 위한 장치 및 방법{Device and method for calibration of a microphone}

본 발명은 마이크로폰 출력 신호 레벨들에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 원하는 레벨로 마이크로폰의 출력 신호 레벨을 캘리브레이팅하는 것에 관한 것이다. 서로 다른 마이크로폰들의 출력 레벨들이 비교될 때, 마이크로폰의 음향 여기(acoustical excitations)는 동일한 것으로 가정한다. 제조자들은, 특정의 평균값 주변에서 변하는 출력 레벨들을 갖는 마이크로폰들을 제공한다. 종종 사용된 백-일렉트릿 마이크로폰들(back-electret microphones)에 대해, 이러한 허용오차들이 ±4dB이다. 결국, 이러한 마이크로폰들의 출력 레벨들은 8dB까지의 차이를 보일 수 있다. ±2dB의 허용오차들을 갖는 마이크로폰들이 때때로 이용 가능하다. 그러나, 이러한 마이크로폰들은 값이 비싸다.

마이크로폰의 이득 캘리브레이션을 위한 유용한 접근법은, 울림이 없는 챔버(anechoic chamber), 즉 반사들이나 반향(reverberation)이 없는 챔버에서 실행된다. 스피커가 울림이 없는 챔버 내부의 마이크로폰의 정면에 (0°의 각도로) 위치된다. 스피커는 공지된 전력 레벨에서 노이즈 시퀀스를 내며, 마이크로폰 응답의 전력이 측정된다. 결국, 조정 가능한 이득이 설정된다.

또한, 오디오 처리 장치가 특허 출원 WO 제99/27522호에 개시되어 있다. 이 종래의 기술문헌에 따라, 출력에서 전력을 최대화하기 위해 필터링된 합 및 가중된(weighted) 합 빔형성(beamforming)이 개발되었다. 필터링된 합 빔형성(Filtered Sum Beamforming: FSB)은 마이크로폰에 부가 시에 관련 기여를 최대로 간섭한다.

이러한 빔형성과 같은 멀티마이크로폰 알고리즘들로, 원하는 허용오차 내에서 레벨 차들(differences)을 갖는 세트들을 얻기 위해 제조 중에 마이크로폰들을 분류하는 것은 매우 중요하다.

더욱이, 몇몇 멀티-마이크로폰 시스템들로, 소비자는 또한 설치 전에 캘리브레이팅되는 최신형의 부가적인 마이크로폰들(additional microphones)을 구입할 수 있다.

본 발명은, 스피커 입력 신호를 소리로 변환하기 위한 스피커와,

수신된 소리를 마이크로폰 출력 신호로 변환하기 위한 마이크로폰과,

원하는 전력 레벨에 관련하여 마이크로폰의 출력 전력을 캘리브레이팅하기 위한 캘리브레이션 수단으로서, 상기 캘리브레이션 수단은 스피커의 임펄스 응답 및/또는 마이크로폰이 스피커로부터 소리를 수신할 때 마이크로폰 출력 신호와 스피커 입력 신호를 상관시킴으로써 마이크로폰의 마이크로폰에서의 환경을 추정하기 위한 임펄스 응답 추정 수단을 포함하고, 이로써, 마이크로폰의 출력 전력이 추정되는, 상기 캘리브레이션 수단을 포함하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치를 제공한다.

상기한 바와 같이, 마이크로폰들의 캘리브레이션은 종종 멀티마이크로폰 시스템들의 뛰어난 성능을 위해 아주 중요하다. 본 발명은 반향 룸(room) 조건들 하에서 마이크로폰들의 (소프트웨어에서) 적응 캘리브레이션(adaptive calibration)과 관련된다. 본 발명의 이점은, 오디오 시스템을 제조할 때 마이크로폰들이 선택되거나 캘리브레이팅될 필요가 없고 제조 시간 및 때로는 부가적인 하드웨어를 절감하는 것이다. 본 발명은 하나 이상의 마이크로폰들 및 스피커가 이용 가능한 모든 스피치(speech) 통신 시스템에 이용될 수 있다. 예컨대 텔레비전 세트의 음성 제어를 위한 핸즈프리 스피치 인식 시스템들뿐만 아니라 핸즈프리 원격통신 시스템들을 생각할 수 있다.

또한 출력 레벨 차(difference)들을 일으킬 수 있는 마이크로폰들의 불균일 노화(non-uniformly ageing)가 본 발명에 의해 제거된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, a.i.r.의 확산 부분(diffuse part)을 사용하기 위해서 소위 음향 임펄스 응답(a,i,r)의 직접 부분을 제거하는 직접 부분 제거 수단이 특별히 제공된다. 본 발명의 이점은, 정상 환경, 예컨대 마이크로폰의 룸에서 사용 동안, 부가되는 부가 하드웨어에 대한 필요 없이 캘리브레이션이 실행할 수 있는 것이다. 실제 사용 중에 캘리브레이션은 또한 절대 캘리브레이션 또는 상대 캘리브레이션을 허용한다.

또 다른 바람직한 실시예는 저주파수 및 고주파수를 필터링하기 위한 고역 및 저역 통과 필터 수단을 포함하여, 신호 품질이 처리를 위해 가장 적합한 주파수 범위들을 사용함으로써 보다 좋은 캘리브레이션을 가능하게 한다.

또 다른 바람직한 실시예는 원하는 레벨과 관련될 수 있는 값을 만들기 위해서 마이크로폰의 확산 음장(soundfield)의 현재 전력 레벨의 표현을 생생하기 위한 제곱 및 합산 수단을 포함한다.

본 발명은 또한 바람직하게는 (확산) 마이크로폰 응답의 전력 레벨과 원하는 전력 레벨을 연관시키기 위한 연관 수단을 포함한다.

원하는 전력 레벨에 대한 절대값을 얻는 것이 가능하지만, 이 원하는 전력 레벨은 기준 마이크로폰으로부터 바람직하게 이용가능하다.

본 발명의 또 다른 이점, 특징, 상세한 사항은 첨부된 도면을 참조하여 아래의 설명을 읽으면 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 오디오 회의 시스템(audio conferencing system)에서 본 발명의 바람직한 실시예의 투시적이고 부분적인 도면.

도 2는 울림이 없는 챔버에서 마이크로폰의 캘리브레이션을 위한 종래의 설정을 도시하는 도면.

도 3은 시간의 함수로서 0°에서 마이크로폰의 전형적인 a.i.r. 및 대응하는 에너지 감쇠 곡선(e.d.c)의 그래프.

도 4는 도 3에서와 동일한 마이크로폰에 대한 시간의 함수로서 180°에서 전형적인 a.i.r. 및 대응하는 감쇠 곡선(e.d.c.)의 그래프.

도 5는 도 1의 실시예에 포함된 적응 마이크로폰 캘리브레이션을 도시하는 도면.

도 6은 또한 도 1의 실시예에 사용될 수 있는 기준 마이크로폰에 대한 적응 마이크로폰 캘리브레이션을 도시하는 도면.

도 7은 또한 도 1의 실시예에 사용될 수 있는 기준 마이크로폰에 대한 상대적인 캘리브레이션을 도시하는 도면.

도 8은 도 5 내지 7의 도면에 사용하기 위한 대역 통과 필터 및 다음의 제곱 및 합산 동작을 도시하는 도면.

도 1은 오디오 회의 시스템을 도시한다. 이것은 메인 콘솔(main console:1) 및 각각이 마이크로폰을 포함하고 전력원(24) 및 몇몇 종류 예컨대 PSTN(RJ11) 또는 ISDN(RJ45)의 전화기 네트워크(25)에 접속된 플로어 유닛(floor unit:23)에 접속되는 스피치의 보다 큰 픽업(pick-up) 범위를 위한 하나 또는 두 개의 위성 마이크로폰들(2)을 포함한다. 메인 콘솔은 소리(음성)를 생성하기 위한 스피커, 소리(음성)를 픽업하기 위한 3개의 마이크로폰들을 포함한다. 또한, 전화기 네트워크를 통해 다른 전화기들에 접속하기 위한 전화기 수단이 포함된다. 마이크로폰들은 가능한 무결절로 상호동작하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명은 위성마이크로폰들의 마이크로폰들 또는 메인 콘솔의 마이크로폰들의 선-설치(pre-installation) 캘리브레이션의 포기를 가능하게 하기 위한 수단을 제공한다.

본 발명에 따른 장치의 또 다른 사용 예(도시되지 않음)는, 예컨대 마이크로폰 입력을 사용함으로써 채널들을 스위칭하고 볼륨을 제어하는 음성 기반 명령 텔레비전 세트에 관한 것이다. 마이크로폰 출력 신호를 사용하는 시스템을 위해서, 캘리브레이션이 필요할 수 있다.

캘리브레이션에 대해, 도면들의 상세한 설명을 이해하기 위해 적합한 몇몇 음향 개념들이 설명된다. 도 2에서, 스피커(3) 및 마이크로폰(4)은 룸 내부의 스피커(따라서 0°)가 도시되는 쪽을 향한다.

음향 임펄스 응답(a.i.r.)은 상관 기술들(correlation techniques)에 의해 스피커 여기 신호 및 마이크로폰 응답으로부터 추정될 수 있다. a.i.r.은 임펄스 음향 여기에 대한 응답이다. 이러한 추정된 a.i.r.의 예가 도 3에 도시된다. 처음의 수 밀리초 동안 응답은 대기 중에서 제한된 소리 속도로부터의 지연으로 인해 0이다. 다음으로, 큰 피크가 관찰될 수 있으며, 이것은 마이크로폰 쪽으로 스피커들로부터 소리의 관련 음향 전파에 대한 응답에 의한 것으로 관련 음장 기여(contribution)라고 부른다. 이 피크는 1.0의 정규화된 값을 갖는다. 꼬리부(tail)는 이 그래프에 도시된 바와 같이 이 값과 관련된다. a.i.r.의 꼬리부는 룸 경계들에 대한 반사들로 인한 것으로, 확산 음장 기여(diffuse sound field contribution)라고 부른다. 이들 반사들은 랜덤 기호(character)를 가지며 밀도에 있어 통계적으로 증가하고 시간의 진폭에 있어 지수적으로 감소한다. 반사들의 조합 효과들은 반향이라 불린다.

a.i.r.의 중요한 함수는 에너지 감쇠이다. 시간 감소시에, 샘플 색인이 n이면, 색인 n에서 에너지 감쇠는 a.i.r.의 꼬리부에 남겨진 에너지의 양이다. 도 3에서, a.i.r.에 대응하는 소위 에너지 감쇠 곡선(e.d.c.)은 또한 대수적으로 플로트된다. Y 축 상에서, 그 양은 dB로 측정된다. e.d.c.는 관련 성분으로 인한 갑작스런 변화를 도시한다. 이 점프(jump)의 바로 전 및 바로 후의 에너지 감쇠 차는 명료함 색인(clarity index)라고 한다. 보다 명료함 색인은 보다 큰 관련/확산 비(direct/diffuse rate) 및 보다 작은 반향을 의미한다. a.i.r.의 확산 꼬리부의 엔벨로프(envelope)는 e.d.c.의 꼬리부의 대수의 일정한 기울기를 일으키는 지수적인 감쇠를 갖는다. 반향 시간(T60)은 반향 레벨이 60dB까지 강하되는 시간 구간이다. 이 경우에, T60=0.36s이라는 것을 알 수 있다.

마이크로폰들은 단방향 빔 패턴들을 가질 수 있다. 단방향 마이크로폰들만이 약 0°각도들의 임의 범위로부터 음향 신호들을 픽업하고, 다소의 블록 음향 신호들은 180°에 이른다. 이것은 180°에서 측정된 a.i.r.의 관련 필드가 거의 0이 될 것이다.

도 4에서 도 3과 동일한 (단방향) 마이크로폰들의 a.i.r. 및 e.d.c.가 이제 180°에서 도시된다. 또한 하나에 대해 정규화된 값이 존재하고, 꼬리부만이 확산 응답을 나타내는 것으로 도시된다. 도 3과 도 4를 비교함으로써, 180°에서 직접적인 기여가 소멸하는 반면 확산 기여가 두 개의 도면 모두에서 동일한 지수적인 엔벨로프를 갖는다.

아래에서는, a.i.r.의 확산 꼬리부의 에너지가 룸 내의 마이크로폰 또는 스피커 방향 및 위치에 따르지 않는다고 가정한다. 실제로는, 몇몇 변수가 방향 및 위치에 따르는 것으로 발견되지만, 이들 변수들은 룸 내의 음향 흡수 패턴이 다소 균질할 때 작으며 시간의 반향은 작지(T60 > 100ms) 않다. 통상의 룸은 300ms보다 큰 반향을 갖는다. 일반 규칙은 룸이 클수록 반향 시간이 길어지는 것이다.

본 발명은 입력으로서 마이크로폰뿐만 아니라 스피커의 여기 신호를 사용한다(도 2). 우선, a.i.r.은 추정 수단에서 공지된 상관 방법을 이용하여 스피커에서 마이크로폰으로 추정된다. 음향 삭제(acoustic cancellation)가 행해질 때, 이 적응 필터는 이미 이용가능하다. a.i.r.의 확산 부분은 직접 부분 제거 수단에서 선택된다. 저주파수들에서, 스피커 출력 및/또는 마이크로폰 감도는 낮아지고, 이는 신뢰할 수 없는 a.i.r. 계수들을 일으킨다. 고역 통과 필터는 가장 높은 주파수들, 거의 나이키스트(Nyquist) 주파수에서 a.i.r.의 확산 부분에 이용되고, 신호 레벨들은 반-에일리어싱 필터(anti-aliasing filter)들로 인해 낮아진다. 따라서, 고주파수에서 신뢰할 수 없는 a.i.r.를 다루기 위해, 저역 통과 필터가 이용된다.

도 5에서, 이 고역 및 저역 통과 필터들은 대역 통과 필터에서 조합된다. 필터링된 계수들은 제곱 및 합산 수단에서 제곱되고 더해져서 확산 마이크로폰 응답의 현재 전력을 나타내는 실제 전력 레벨(14)을 일으킨다. 이 전력 레벨은 원하는 전력 레벨(20)과 관계되고 이득 인자는 이 전력 레벨들의 몫의 제곱근으로서 결정된다.

바람직한 실시예에서, 이 캘리브레이션 방법은 적응 필터가 a.i.r.의 새로운 추정을 제안하는 매시간 적용될 수 있다. 음향 에코 소거기(canceller)의 증가된 강인함(robustness)을 위해, 프로그램가능 필터가 종종 (US 제4,903,247호에 개시된 바와 같이) 사용된다. 적응 필터는 배경(background)으로 동작하며, 적응 필터로부터 조건적으로 계수들을 취하는 프로그램가능 필터는 실제 에코 제거를 위해 사용된다. 이 경우에, 프로그램가능 필터의 계수들을 취하고 각각의 계수 전달 후 캘리브레이션 과정을 적용하는 것이 최상이다.

스피커(3)(도 5)는 스피커 입력 신호(5)를 취한다. 마이크로폰(4)은 스피커(3)에 의해 생성되는 소리를 수신하여 마이크로폰 출력 신호(6)에 이것을 전달한다. 신호들(5,6)의 디지털 값들은 추정기(7)에 제공된다. 추정기(7)는, 소프트웨어에 내장된 직접 부분 제거부(8)를 통과하는 추정된 값들(9)을 생성한다. 이것으로부터, 디지털 값들(10)은 디지털 대역 통과 필터들(11)에 제공된다. 이들 대역 통과 필터들로부터의 신호들(12)은 제곱 및 합산 프로그램(13)에 제공된다.

추정된 실제 전력 레벨(P)(14)은 (외부의) 원하는 전력 레벨(Q)(20)과 같은 관련 프로그램(15)에 공급된다. 조정된 캘리브레이션 이득 인자(18)는 캘리브레이트된 신호(19)를 형성하기 위해서 마이크로폰 출력 신호로 피드백된다.

특히, 음향 에코 캘리브레이션을 위한 적응 필터와 조합될 때, 제안된 마이크로폰 캘리브레이션 방법은 시스템이 활성인 때에는 언제든지 적용될 수 있다. 도 5에서, 실제 전력 레벨로 나눈 원하는 전력 레벨의 제곱근인 캘리브레이션 인자는 연속적인 캘리브레이션 이득 인자들이 부드럽게 변하는 것을 보장하도록 평균화된다. 이러한 평균화는 제 1 차 회귀(recursion)를 처리할 수 있다. 이 평균화 과정은 또한 실제 전력 레벨로 나눈 원하는 전력 레벨의 제곱근의 캘리브레이션 전에 실제 전력(14) 및 원하는 전력(20)에 적용될 수 있다.

이하, 도 5의 실시예의 처리를 설명한다. 본 발명의 이 양호한 실시예는 입력으로서 마이크로폰 응답(6)뿐만 아니라 스피커(도2)의 여기 신호(5)를 요구한다. 우선, a.i.r.은 스피커로부터 추정 수단(7)에서의 정정 방법을 이용하는 마이크로폰으로 추정된다. 대역 통과 필터(11)는 고주파수 및 저주파수를 필터링 아웃(out)하기 위해 사용된다. 필터링된 계수들은 제곱 및 합산 수단(13)에서 제곱되고 더해져서, 확산 마이크로폰 응답의 현재 전력을 나타내는 실제 전력 레벨(14)을 일으킨다. 이 전력 레벨은 원하는 전력 레벨(20)과 관련되며, 이득 인자는, 실제 전력 레벨로 나눈 원하는 전력 레벨의 제곱근으로서 결정된다.

도 6은 평균화 수단(17) 및 관련 프로그램(15)을 제외하고는 도 5와 동일한 구성을 도시한다. 이 구성은 원하는 전력 레벨(20)이 기준으로서 기준 마이크로폰을 이용하는 다른 마이크로폰들 캘리브레이션 수단의 관련 수단(15)을 위한 입력인 기준 마이크로폰용 기준 캘리브레이션의 경우에 사용된다.

도 7은 도 5와 6의 블록들이 도 1에서와 같이 예컨대 오디오 회의 시스템에 사용하기 위한 기준 캘리브레이션을 위해 조합될 수 있는 방법을 보여준다.

도 8은 평균화 알고리즘이 마이크로폰의 확산 음장 전력(P)을 캘리브레이팅하는 방법을 보여준다. 그 방법은 제곱된 출력 값들의 합에 뒤따르는 대역 통과 필터로 구성된다. 8kHz의 샘플링 레이트로, 각각 약 200Hz 및 3.6kHz의 저역 및 고역 차단 주파수들(-3dB)을 일으키는 양호한 필터 파라미터들은 b=0.8000, a1=0.128, 및 a2=0.621 이다.

본 발명은 상기 양호한 실시예들에 제한되지 않으며, 출원된 권리는 첨부된 청구범위로 정의된다.

Claims (12)

1. 마이크로폰의 캘리브레이션(calibration)을 위한 장치에 있어서:

   스피커 입력 신호(5)를 소리(sound)로 변환하기 위한 스피커(3);

   수신된 소리를 마이크로폰 출력 신호(16)로 변환하기 위한 마이크로폰(4); 및

   원하는 전력 레벨과 관련하여 상기 마이크로폰의 출력 전력을 캘리브레이팅하기 위한 캘리브레이션 수단(calibration means)으로서, 상기 캘리브레이션 수단은, 상기 마이크로폰(4)이 상기 스피커(3)로부터 상기 소리를 수신할 때 상기 마이크로폰 출력 신호(6)와 상기 스피커 입력 신호(5)를 상관(correlating)시킴으로써 상기 마이크로폰의 음향 임펄스 응답(acoustic impulse response)을 추정하기 위한 임펄스 응답 추정 수단(impulse response estimating means:7)을 포함하고, 이로써 상기 마이크로폰(4)의 출력 전력이 추정되는, 상기 캘리브레이션 수단을 포함하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 음향 임펄스 응답의 직접 부분(direct part)을 추출하기 위한 직접 부분 추출 수단(direct part extraction means: 8)을 더 포함하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 저주파수 및 고주파수를 필터링하기 위한 고역 및 저역 통과 필터 수단(11)을 더 포함하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 확산 마이크로폰 응답(diffuse microphone response)의 현재 전력 레벨의 표현을 생성하기 위한 제곱 및 합산 수단(squaring and summation means:13)을 더 포함하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 확산 마이크로폰 응답의 전력 레벨(14)과 원하는 전력 레벨(10)을 연관시키기 위한 연관 수단(relationg means: 15)을 더 포함하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 연관 수단(15) 또는 평균화 수단(averaging means: 17)의 출력은 캘리브레이션 인자(18)로서 상기 마이크로폰 출력 신호(6)로 피드백되는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 원하는 전력 레벨(20)은 상기 마이크로폰의 절대 캘리브레이션(absolute calibration)에 대한 소정의 값을 갖는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
8. 제 5 항에 있어서, 기준 마이크로폰(reference microphone; B)에 관한 하나 이상의 마이크로폰들(A)의 상대 캘리브레이션(relative calibration)을 위한 상기 기준 마이크로폰(B)을 포함하고, 상기 기준 마이크로폰의 제곱 및 합산 수단(13)의 출력은 다른 마이크로폰들에 대한 상기 연관 수단(15)에 대한 입력을 형성하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 고역 및 저역 통과 필터 수단은 대역 통과 필터(11)로 조합되는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 캘리브레이션 인자(16)가 평균화되는 평균화 수단을 더 포함하는, 마이크로폰 캘리브레이션 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 실제 전력(14)으로 나눈 상기 원하는 전력(20)의 제곱근의 캘리브레이션 전에, 상기 평균화가 수행되는, 마이크로폰 캘리브이션 장치.
12. 제 1 항에 따른 장치를 사용하는 마이크로폰들을 캘리브레이팅하는 방법.

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