KR100720337B1

KR100720337B1 - 비선형 증폭기를 이용한 음성처리 시스템

Info

Publication number: KR100720337B1
Application number: KR1020050082606A
Authority: KR
Inventors: 최종석; 김문상; 석청규
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2007-05-22
Also published as: KR20070027221A

Abstract

본 발명은 음성처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비선형 증폭기를 이용함으로써, 시스템의 사용환경에 따라 증폭비 및 압축비를 프로그래머블한 방법으로 적절하게 조절할 수 있는 음성처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 음성처리 시스템은, 음원으로부터 발생하는 소리를 전기적 음성신호로 변환하기 위한 마이크로폰; 프로그래머블한 방법으로 설정된 증폭비 및 압축비에 따라 상기 마이크로폰으로부터 수신한 상기 음성신호를 증폭 및 압축시키는 증폭기; 상기 증폭된 음성신호를 디지털 신호로 변환하여 클럭 신호에 따라 일정 시간 간격으로 신호처리보드로 전송하는 다채널 변환 전송기; 및 상기 다채널 변환 전송기로부터 디지털 신호를 수신하여 상기 음원의 위치를 검출하는 신호처리보드를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은, 음성처리 시스템의 증폭비 및 압축비를 종래의 수동적 조정 방식이 아닌, 사용조건에 알맞도록 프로그래머블한 방법으로 조절할 수 있는 시스템 환경을 제공한다.

음성인식, 음성처리

Description

비선형 증폭기를 이용한 음성처리 시스템{Systems for processing sound using nonlinear amplifier}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음성처리 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기의 구성을 나타낸 블록도.

도 3은 도 2의 증폭기의 입출력 특성을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 변환 전송기의 구성을 나타낸 블록도.

본 발명은 음성처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비선형 증폭기를 이용함으로써, 시스템의 사용환경에 따라 증폭비 및 압축비를 프로그래머블한 방법으로 적절하게 조절할 수 있는 음성처리 시스템에 관한 것이다.

오늘날 로봇 분야에서는, 다양한 종류의 음성 처리 시스템(Speech processing systems)이 소개되고 있다. 특히 음성처리를 통한 방향 검출, 음성인식과 음성합성을 통한 성능 향상으로 인하여 시스템 사양이 높아지고 실시간으로 대처해야 하는 환경 때문에 높은 기술적인 접근이 요구되고 있다.

이와 관련하여, 음성처리 시스템에서 수신한 음성을 증폭 및 압축시키는 경우, 상기 증폭 및 압축 비율은 사용환경(온도, 주변 잡음, 음원과의 거리 등)에 따라 다르게 조정되어야만 효율적인 음성처리가 가능할 것이다. 그런데, 종래 음성처리 시스템의 증폭비 및 압축비는 수동적으로 설정되는 경우가 많은데, 이와 같이 수동적으로 설정하게 되면 다양한 사용환경에 적절하게 대처하는 것이 어렵다. 예컨대, 음성처리 시스템에서 증폭비가 일정한 선형 증폭기를 사용하는 경우, 선형 증폭기의 특성상, 음성신호가 멀어질수록 노이즈(Noise)와 입력 크기가 비슷하기 때문에 음원위치 검출에 어려움이 있으며 또한 왜곡된 신호로 인식하여 오류를 범하는 경우가 많다.　

한편, 다중 채널로부터 실시간으로 동시에 음성신호를 수신하는 경우, 음성신호를 처리하는 데 있어서, 인터럽션(interruption)이나 지연(delay) 현상이 발생할 수 있고, 이로 인해 음원 위치 계산값에 오류가 발생할 가능성이 있다.

예컨대, 음원으로부터의 음성신호가 각 마이크로폰에 도달하는 데 걸리는 시간의 차이를 이용하여 음원의 위치를 검출하는 경우, 많은 수의 마이크로폰이 필요하며 이에 따른 계산량도 많아지게 되어 반향신호의 영향이 많은 곳에서는 방향검출에 대한 신뢰도가 떨어지는 문제점이 발생한다.

이처럼, 현재 음성처리 시스템 기술분야에서는 다양한 사용환경 하에서 음성 신호를 적절히 처리할 수 있도록 증폭비 및 압축비를 효율적으로 조정할 수 있는 기술과, 다중채널을 통해 입력되는 음성신호를 인터럽션이나 지연 현상없이 처리할 수 있는 기술이 요청되고 있는 실정이다.

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 비선형 증폭기를 이용하여 시스템의 사용환경에 따라 증폭비 및 압축비를 프로그래머블한 방법으로 적절하게 조절할 수 있는 음성처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 다중채널을 통해 수신한 음성신호를 더블 버퍼링 방식으로 순차적으로 처리함으로써 음성신호 처리시 인터럽션이나 지연 현상없이 처리할 수 있는 음성처리 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 이하 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에 의해 보다 명확해질 것이다.

상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 음성처리 시스템은, 음원으로부터 발생하는 소리를 전기적 음성신호로 변환하기 위한 마이크로폰; 프로그래머블한 방법으로 설정된 증폭비 및 압축비에 따라 상기 마이크로폰으로부터 수신한 상기 음성신호를 증폭 및 압축시키는 증폭기; 상기 증폭된 음성신호를 디지털 신호로 변환하여 클럭 신호에 따라 일정 시간 간격으로 신호처리보드로 전 송하는 다채널 변환 전송기; 및 상기 다채널 변환 전송기로부터 디지털 신호를 수신하여 상기 음원의 위치를 검출하는 신호처리보드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 음성처리 시스템에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 음성처리 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 음성처리 시스템은 마이크로폰(10), 증폭기(20), 다채널 변환 전송기(30), 및 신호처리보드(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

마이크로폰(10)은 음원(1)으로부터 발생하는 소리를 수신하여 전기적 음성신호로 변환하기 위한 장치이다. 본 발명의 실시예에서는 음원(1)의 위치를 검출하기 위한 방법으로서, 예컨대, 2이상의 마이크로폰을 배치하여, 각 마이크로폰에 도달하는 음성신호의 지연 시간차를 이용할 수 있다.

도착신호 지연차(DOA) 방식을 이용한 음원 방향 검출을 위해서는, 상관계수를 적용할 수 있도록 최소 2개의 마이크로폰이 하나의 세트(Set)로 구성되어야 한다. 평면 (2차원) 전 방향 음원 방향검출을 위해서는 2개 이상의 마이크로폰 세트가 필요하다. 그리고, 공간 (3차원) 전 방향 음원 방향검출을 위해서는 3개 이상의 마이크로폰 세트가 필요하다.

만약, 하나의 마이크로폰이 공통으로 사용된다고 가정할 경우, 전 방향 음원 감지에 필요한 최소 마이크로폰 개수는 평면 3개와 공간 4개가 된다. 그리고, 각도 분해능 및 오차의 향상을 위해서 각 마이크로폰 세트는 길이가 동일한 것이 바 람직하다.

또한, 한 평면에 대한 음원 방향검출용 마이크로폰의 배치는 동일한 평면에 존재해야 하고, 음원 방향 검출에 대한 각도 분해능 및 검출거리와의 관계는 마이크로폰 사이의 거리 및 샘플링 주파수의 크기에 비례해야 한다.

삼각형태 배치의 장점은 최소 마이크로 폰 개수로 평면 전 방위의 음원 방향을 알 수 있다. 세 개의 마이크로폰 개수 중 하나를 공통으로 정하면 각 각 두 개의 마이크로폰으로 구성된 두 쌍 마이크로폰 배치구조가 두 개가 나오며 이 두 개의 조합을 크로스 코릴레이션(cross-correlation)을 수행하게 되면 효과적으로 허상이 제거되면서 전 방위 음원의 방향을 알 수 있게 된다. 상기 마이크로폰을 통해 수신한 소리는 증폭기(20)로 전송된다.

증폭기(20)는 상기 마이크로폰(10)으로부터 수신한 음성신호를 증폭 및 압축하는 기능을 수행한다. 본 발명에 따른 증폭기(20)는 컴퓨터 프로그래밍을 통해 음성신호의 압축비 및 증폭비를 조정하는 것이 가능하도록 구성된다.　

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기(20)의 구성을 나타낸 블록도이다.　 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 증폭기(20)는, 제1 디지털 포텐쇼미터(21), 제2 디지털 포텐쇼미터(22), 자동전압조정기(24) 및 비선형 증폭칩(26)을 포함하여 구성될 수 있다.

자동전압조정기(24)(AVR; Automatic Voltage Regulator)는 증폭기(20)의 증폭비 및 압축비에 대한 데이터를 입력받아서 이를 제1 디지털 포텐쇼미터(21) 및 제2 디지털 포텐쇼미터(22)으로 쉬프트시킨다. 예컨대, 상기 자동전압조정기(24) 에 병렬포트(23)를 연결하여, 증폭기(20)의 증폭비 및 압축비를 새로 설정하고자 할 때마다 상기 병렬포트를 통해 새로운 증폭비 및 압축비에 대한 정보를 상기 자동전압조정기(24)로 전송한다. 자동전압조정기(24)는 상기 수신한 증폭비 및 압축비에 대한 정보를 클럭신호에 따라 제1 디지털 포텐쇼미터(21) 및 제2 디지털 포텐쇼미터(22)으로 쉬프트시킨다.

제1 디지털 포텐쇼미터(21) 및 제2 디지털 포텐쇼미터(22)는 상기 자동전압조정기(24)로부터 수신한 정보에 따라 비선형 증폭칩(26)의 저항값을 조정하는 기능을 수행한다. 상기 제1 포텐쇼미터(22)로는, 예컨대 모델명 AD5204 제품을 사용할 수 있고, 상기 제2 디지털 포텐쇼미터(22)로는, 예컨대, 모델명 AD7376 제품을 사용할 수 있다.

도 2의 실시예에서, 제1 디지털 포텐쇼미터(21)는 다채널로 구성할 수 있고, 각각의 제1 디지털 포텐쇼미터(21)는 채널 선택을 위한 어드레스 3비트와 데이터 8비트의 총 11비트로 구성할 수 있다. 이와 같이 8비트 데이터를 이용할 경우, 총 256개의 저항값을 설정할 수 있다. 아래 표 1은 제1 디지털 포텐쇼미터(21)의 저항값과 레지스터값의 상관관계를 나타낸 것이다. 표 1의 기재로부터 알 수 있듯이, 레지스터에 저장되는 각 데이터 값마다 고유의 저항값이 설정되어 있다.

한편, 도 2의 실시예에서, 제2 디지털 포텐쇼미터(22)는 하나의 채널로 이루어져 있기 때문에 어드레스 비트가 필요하지 않고, 단지 7비트의 데이터를 상기 자동전압조정기(24)로부터 수신한다. 따라서, 상기 제2 디지털 포텐쇼미터(22)는 총 128개의 저항값을 설정할 수 있다.

비선형 증폭칩(26)은 상기 제1 디지털 포텐쇼미터(21) 및 제2 디지털 포텐쇼미터(22)의 저항값에 따라 증폭기(20)의 증폭비 및 압축비를 조정하는 기능을 수행한다. 상기 비선형 증폭칩(26)으로는, 예컨대, ANALOG DEVICE 사(社)의 14핀 컴프레서 칩인 SSM2166을 채택할 수 있다.

비선형 증폭은, 신호의 크기 증가가 요구되는 경우 능동적으로 증폭비를 조정하는 것을 가능하게 한다.　 만약, 증폭비가 작은 값으로 고정되면, 먼 거리의 음원으로부터 발생한 음성신호는 잡음과의 구별이 어려울 정도로 그 세기가 작기 때문에 그 수신신호로부터 추출되기 어렵다.　 반대로, 증폭비가 너무 큰 경우에는, 근접 위치의 음원으로부터 발생한 음성신호는, AD 변환에 있어서 때때로 포화현상을 일으킬 수 있을 것이다.　

도 3은 음성신호에 대한 증폭기(20)의 입출력 특성을 나타낸 그래프이다.　 가로축은 입력신호 값, 세로축은 증폭된 값을 데시벨[dB] 단위로 나타낸다.

도시된 바와 같이, 압축비 1:1 인 선형 증폭의 경우에는, 입출력 특성 그래프의 기울기가 일정하다.　 그러나 그 외의 압축비에서의 입출력 특성 그래프는, 음성신호의 압축비가 높아질수록, 낮은 입력 음성신호값 범위에서는 기울기가 급하고, 높은 입력 음성신호 범위에서는 기울기가 완만한 것을 볼 수 있다.　

예컨대, 도 3의 그래프에서, 입력값이 -60dBu 인 경우와 -10dBu 인 두 가지 경우를 살펴본다.　 이 두 입력값은 50dBu 만큼의 차이가 있다.　 압축비가 1:1인 경우, 출력신호 크기의 차이는 입력신호의 차이와 동일한 50dBu 로서, 이는 선형 특성을 나타내는 것이다.　 그러나, 압축비가 10:1 인 경우, 두 신호의 출력값의 차이는 5dBu에 불과하다.　 따라서, 압축비를 조정함으로써 입력신호의 크기에 따라 증폭비가 달라지도록 설정할 수 있다. 이러한 압축비의 조정은 상기 비선형 증폭칩 SSM2166의 특정 핀에 연결된 외부 저항값을 변경시킴으로써 가능하다.

한편, 상기 비선형 증폭칩 SSM2166의 또 다른 특정 핀에 연결된 외부 저항값을 변경시킴으로써 VCA(Voltage Controlled Amplifiers) Gain 을 조정할 수 있고, 비선형 증폭칩 SSM2166의 총 이득값(Total Gain)은 다음과 같은 수학식1로 정의될 수 있다.

Total Gain= VCA Gain + 20 log (1+ R1/R2)

R1, R2는 입력버퍼 Gain을 조정하여 들어오는 입사신호의 증폭비를 조정할 수 있는 저항값으로서, VCA Gain 을 조정하는 저항과 함께, SSM2166의 총 이득값을 조정할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 비선형 증폭칩(26)을 제1 및 제2 디지털 포텐쇼미터와 연결함으로써, 상기 증폭기(20)의 증폭비 및 압축비를 수동방식이 아닌, 프로그램 가능한 방법으로 변경하는 것이 가능하다. 증폭기(20)를 통해 증폭 및 압축된 신호는 다채널 변환 전송기(30)로 전송된다.

다채널 변환 전송기(30)는 상기 비선형 증폭기(20)로부터 수신하는 음성신호를 디지털 신호 정보로 변환하는 한편, 상기 디지털 신호정보를 일정시간 저장하였다가, 일정시간 간격으로 상기 신호처리보드(40)로 송출하는 기능을 수행한다.　 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 변환 전송기(30)의 구성을 나타낸 블록도이다.　 도시된 바와 같이, 다채널 변환 전송기(30)는, AD컨버터(31,32), 로컬 메모리(33,34,35,36), 및 제어기(37)를 포함하여 구성할 수 있다.

도 4의 실시예에서, 다채널 변환 전송기(30)는 2개의 AD컨버터(31) 및 4개의 로컬 메모리(33,34,35,36)를 포함하고 있으며 총 8개의 채널로 구성할 수 있다. 각 AD컨버터(31)는 동시 4채널, 14비트 분해능을 가진 것을 채택할 수 있다. 이러한 다채널 변환 전송기(30)의 구성은, 도 3의 실시예에 따른 증폭기(20)에 대응하기 위한 구성이다.

AD컨버터(31)는 상기 비선형 증폭기(20)로부터 증폭된 아날로그 형태의 음성신호를 수신하여, 이를 디지털 신호로 변환하는 기능을 수행한다.　 상기 디지털 신호 정보는 버퍼(32)에 저장되었다가 일정시간 간격으로 제어기(37)의 제어에 따라 로컬 메모리(33,34,35,36)로 전송된다.

로컬 메모리(33,34,35,36)는 상기 AD컨버터(31)로부터 상기 디지털 신호 정보를 수신하여, 일정시간 저장하였다가 일정 시간 간격으로 신호처리보드(40)로 송출한다.　 이 경우, 바람직하게는, 더블버퍼링(double buffering) 방식으로 상기 디지털 신호 정보를 저장하고 송출할 수 있다.　 도 4를 참조하여 더블버퍼링 방식에 대해 설명하면 다음과 같다.

더블 버퍼링 방식을 채택하기 위해 상기 4개의 로컬 메모리(33,34,35,36)를 상위 블록(38) 및 하위 블록(39)의 2개의 블록단위로 나누고, 각 블록 내에 있는 두 메모리를 다시 제1 메모리와 제2 메모리로 구분한다.　 도 4에서 화살표는 음성 데이터의 흐름을 나타낸다.

이와 같이 설정된 상태에서, 상기 AD컨버터(31)로부터 송출되는 디지털 음성데이터는, 버퍼(32) 및 제어기(37)를 거쳐서, 먼저 상기 상위 블록의 메모리(33,34)에 저장된다. 이 때, 상기 음성데이터는 상기 상위 블록의 제1 메모리(33) 및 제2 메모리(34)에 번갈아 저장하도록 구성할 수 있다.　 예컨대, 4개 단위의 데 이터 중에서 첫 번째 데이터를 제1 메모리(33)에 저장한 후, 두 번째 데이터를 제2 메모리(34)에 저장한다. 그러고 나서, 세 번째 데이터를 다시 제1 메모리(33)에 저장한 후, 마지막 네 번째 데이터를 제2 메모리(34)에 저장한다.

이와 같이, 상위 블록(38)의 메모리에 음성데이터를 저장한 후, 새롭게 수신하는 음성데이터에 대하여 동일한 방식으로 하위 블록(39)의 제1 메모리(35) 및 제2 메모리(36)에 번갈아 저장한다.　 이와 동시에, 앞서 상위 블록(38)에 저장되었던 음성 데이터를 상기 신호처리보드(40)로 전송하고 상기 신호처리보드(40)는 읽어들인 데이터에 대하여 신호처리 알고리즘을 수행한다.　

이와 같이, 본 발명에 따른 음성처리 시스템에서는, 하나의 메모리 블록에 음성데이터가 저장될 때, 다른 메모리블록에 저장되어 있던 음성데이터는 상기 신호처리보드(40)로 전송되는 더블버퍼링 방식을 사용할 수 있다.　 이러한 더블버퍼링 방식에 의해, 시간적인 차이를 두어 먼저 입력되는 음성데이터에 대한 음성처리과정을 수행하는 동안에 다음 시간구간 동안에 처리할 데이터를 메모리에 저장함으로써 음원데이터의 손실없이 연속적으로 처리하는 것이 가능하다.

신호처리보드(40)는 상기 다채널 변환 전송기(30)로부터 수신한 디지털 음성신호를 기초로 해당 음성이 발생한 음원의 위치를 추적하고, 음원의 피치를 검출하는 VAD(Voice Activity Detection) 기능을 수행한다. 상기 신호처리보드(40)에서 음원의 위치를 검출하는 방식으로는, 예컨대, 음원에서 발생한 소리가 각 마이크로폰(10)에 도달한 시간차이를 계산하여 검출할 수 있다.

한편, 상기 신호처리보드(40)의 음성신호 처리 기능은, PC 또는 워크스테이 션으로 구현하거나, 또는 시스템의 소형화, 경량화 및 저가격화를 고려할 경우, 임베디드(Embeded) 형태로서 시스템에 내장되는 방식으로 구현될 수 있을 것이다.

이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.　

이상 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 음성처리 시스템은, 디지털 포텐쇼미터 및 비선형 증폭칩을 포함하는 증폭기를 이용함으로써, 시스템의 사용환경에 따라 증폭비 및 압축비를 프로그래머블한 방법으로 적절하게 조절하는 것이 가능하다. 또한, 디지털 신호로 변환된 다중채널의 음성신호를 더블 버퍼링 방식에 의해 순차적으로 신호처리보드에 전송함으로써, 인터럽션이나 지연 현상없이 처리하는 것이 가능하다.

Claims

음원으로부터 발생하는 소리를 전기적 음성신호로 변환하기 위한 마이크로폰;

기설정된 증폭비 및 압축비에 따라 상기 마이크로폰으로부터 수신한 상기 음성신호를 증폭 및 압축시키는 증폭기;

상기 증폭된 음성신호를 디지털 신호로 변환하여 클럭 신호에 따라 일정 시간 간격으로 신호처리보드로 전송하는 다채널 변환 전송기; 및

상기 다채널 변환 전송기로부터 상기 디지털 신호를 수신하여 상기 음원의 위치를 검출하는 신호처리보드를 포함하되, 상기 증폭기는

디지털 포텐쇼미터의 저항값을 설정하기 위한 정보를 출력하는 자동전압조정기;

상기 자동전압조정기로부터 출력된 설정 정보를 수신하여 그에 대응하는 저항값을 출력하는 제1 디지털 포텐쇼미터와 제2 디지털 포텐쇼미터; 및

상기 제1 디지털 포텐쇼미터와 제2 디지털 포텐쇼미터의 저항값에 따라 상기 증폭기의 증폭비 및 압축비를 조정하는 비선형 증폭칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 음성처리 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 자동전압조정기는,

병렬포트로 연결된 외부장치로부터 증폭비 및 압축비의 설정정보를 수신하고, 상기 수신한 증폭비 및 압축비에 대한 정보를 클럭신호에 따라 상기 제1 디지털 포텐쇼미터 및 제2 디지털 포텐쇼미터로 쉬프트시키는 것을 특징으로 하는 음성처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다채널 변환 전송기는,

상기 증폭기로부터 수신한 음성신호를 디지털 신호로 변환하는 AD컨버터; 및

상기 디지털 신호를 저장하였다가 상기 신호처리보드로 전송하는 로컬 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 음성처리 시스템.
제4항에 있어서, 상기 로컬메모리는,

2개의 블록단위로 구분되어 어느 하나의 블록단위에서 상기 디지털 신호를 저장하는 동안 다른 블록단위에 저장되었던 데이터는 상기 신호처리보드로 전송되어 처리되는 더블버퍼링 방식을 채택한 것을 특징으로 하는 음성처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 마이크로폰은, 음성신호의 도착시간 지연차를 이용하는 방식으로 상기 음원의 위치를 추적할 수 있도록, 2이상 배치되는 것을 특징으로 하는 음성처리 시스템.