KR100772279B1 - 음성 신호에서의 고조파를 생성하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

제1 신호선과 제2 신호선으로부터의 신호들을 가산할 수 있는 가산기 단에 의해 음성 신호에 고조파를 생성하여, 고조파를 갖는 음성 신호가 가산기 단의 출력에서 테스트될 수 있고 필터 장치와 비선형 회로 장치가 제2 신호선에 배치된 장치로서, 필터 장치의 코너 주파수가 조정가능한 것에 특징이 있다.

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Description

음성 신호에서의 고조파를 생성하기 위한 장치{APPARATUS FOR GENERATING HARMONICS IN AN AUDIO SIGNAL}

도 1은 하위 기본 주파수의 범위를 정하기 위한 장치를 갖는, 제1 발명의 회로 구성의 블록 회로도.

도 2는 도 1의 블록 회로도를 더 상세하게 나타낸 도면.

도 3은 기본 주파수 신호를 강화하기 위한 장치를 갖는 제2 발명의 회로 구성의 블록 회로도.

도 4는 도 3의 블록 회로도를 더 상세하게 나타낸 도면.

도 5는 도 4의 회로에서 회로 상세 변형을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

si : 신호

BP : 대역 통과 필터

TP : 저역 통과 필터

HP : 고역 통과 필터

PX : 비선형 유닛(강화단)

NL : 비선형 회로 유닛

본 발명은 청구항 1의 전제부의 특징에 따라, 음성 신호에서의 고조파를 생성하기 위한 장치에 관한 것이다.

이와 같은 방법 및 회로는 텔레비전 수상기, 라디오 수신기 또는 스테레오 시스템 등의 음향 재생용 장치에 사용되어 스피커의 주파수 응답을 보상하고, 음향 재생을 개선하고, 또한 장치 또는 시스템이 오버드라이브(overdrive)되는 것을 방지한다.

음향 재생용 장치에서 가장 중요한 요소는 구조에 의거한 한계 주파수 하에서, 그 음향 압력이 10(decade) 당 약 40db 떨어지는 스피커이다. 이것은 제2차 필터의 전송 함수에 해당한다. 한편, 저음 반사 및 송신 선 스피커는 고차 필터에 대응하는 전송 함수를 갖는다. 하한 주파수는 전형적으로 약 50Hz와 200Hz 사이에 있다. 스피커의 한계 주파수가 낮으면 낮을수록 제조 비용이 상승한다. 예를 들어, TV 세트나 휴대용 라디오 수신기와 같은 경제적인 장치는 결과적으로 하한 주파수가 비교적 높은, 보다 간단한 스피커가 장착된다. 하위 주파수 범위에서 음향 재생을 개선하기 위해서, 낮은 주파수들을 사전 증폭함으로써 한계 주파수는 아래쪽으로 이동된다. 그런데, 이것은 최종 증폭기와 스피커가 오버드라이브되게 할 수 있다. 최종 증폭기나 스피커가 오버드라이브되고 이에 의해 심지어 파괴될 수도 있는 것을 방지하기 위해서, 저음 증폭기의 출력 신호는 하위 주파수의 증폭이 큰 출력 신호에 대해 감소되는 식으로 피드백된다. 이와 같은 방법은 US-PS 제5,305,388호로부터 알려져 있다.

US-PS 제5,359,665호는 음성 신호가 제1 경로를 거쳐 가산기의 제1 입력으로 직접 입력되는 동시에 가변 증폭을 갖는 증폭기와 저역 통과 필터를 통해 제2 경로를 거쳐 가산기의 제2 입력으로 입력되는 회로 구성을 기재하고 있다. 증폭기의 출력은 신호 레벨 검출기를 거쳐 그 제어 입력으로 피드백된다. 이 방법은 최종 증폭기의 오버드라이브를 감소시킨다.

심리음향학에서, 사람은 기본 주파수가 스펙트럼에 전혀 존재하지 않고 단지 기본 주파수의 고조파만이 존재하더라도 톤의 기본 주파수를 여전히 명백하게 판별할 수 있다. 이 심리음향학적 결과는 기본 주파수의 고조파를 생성하고 이를 그 한계 주파수가 이 기본 주파수 위에 있는 스피커로 입력하는데 사용된다. 따라서 청취자는 스피커가 그것을 전혀 방출하지 않더라도 자신이 이 낮은 기본 주파수를 듣고 있다고 생각하게 된다. 예를 들어, 만약 스피커가 실제로 이 낮은 톤을 송신하지 않고 단지 250 Hz의 톤 및 300 Hz의 톤만을 송신한다면 청취자는 그가 50 Hz의 톤을 듣고 있다고 생각한다. 청취자는 주관적으로 50 Hz의 차이를 감지한다.
이 효과는 예를 들면 120Hz의 높은 하한 주파수를 갖는 정성적으로 간단한 스피커가 예를 들면 60Hz의 신호를 송신한다고 가정될 때 이용된다. 그러면 차이가 총 60Hz인 60Hz 신호의 고조파를 생성한다. 그러면 청취자는 비록 60Hz 톤이 스피커에 의해 전혀 방출되지 않더라도 실제로 60Hz 톤을 듣고 있다고 생각한다.

고조파를 생성하기 위해서는, 혼합된 음성 신호에서 기본 주파수를 판별하고 이를 추출하는 한편 이 기본 주파수의 고조파를 생성하는 전자 회로가 필요하다.

US 제5,668,885호와 US 제5,771,296호는 정류기 구성에 의해 절대값을 형성함으로써 고조파를 생성하는 것을 기재하고 있다.

US 제4,150,253호와 US 제4,700,390호는 소정의 레벨 위의 음성 신호의 기본 주파수의 진폭을 클리핑, 즉 절단함으로써 고조파를 생성하는 것에 대하여 기재하고 있다.

이 모든 문서에서는, 고조파가 생성되어야 할 신호를 선택하는 데에 고정 코너 주파수를 갖는 필터가 사용된다.

이것은 다음의 불편한 점이 있다. 주파수 스펙트럼으로 구성되는 실제 음성 신호의 경우처럼, 만약 선택된 주파수 범위에 하나 이상의 신호가 있다면, 현존 신호의 고조파가 생성될 뿐만 아니라 현존하는 모든 신호 주파수와 그 배수의 합으로 구성되는 바람직하지 않는 주파수를 갖는 고조파도 또한 생성된다. 그 결과, 스피커에 의해 마지막으로 방출된 톤이 매우 탁하게 들리게 된다.

본 발명은 이 부분에 착안점을 두고 있다.

본 발명의 목적은 청취자가 비교적 높은 하위 코너 주파수로 스피커에 의해 방출되는 음성 신호를 들을 때, 청취자에 대해 개선된 음감을 만들어내는 회로 구성을 구현하는 것이다.

이 목적은 청구항 1 또는 청구항 2의 특성을 갖는 회로 구성에 의해 달성된다.

바람직하게는 이 2개의 회로 구성이 조합하여 사용된다.

제1 발명적 해결책은 고조파가 생성되어야 할 신호 주파수를 가변 필터, 특히 대역 통과 필터에 의해 가능한 한 정확히 범위를 정하는데 있다.

제2 해결책은 종래 기술의 경우보다 바람직하지 않은 주파수를 훨씬 더 적게 생성하는 방법에 의해 고조파를 생성하는데 있다. 이것은 입력 신호의 n제곱을 사용함으로써 달성된다. 이런 식으로, (n-1)차 고조파가 생성될 수 있다. 선험적으로, n이 2 이상이여야 함을 알 수 있다. 만약 n = 2이면, 즉 입력 신호의 기본 주파수를 제곱하면, 제1 고조파가 생성될 것이다. 기본 주파수는 여기에서 예를 들어 120 Hz 이하의 주파수 범위내에서, 음성 신호에 포함된 주된 주파수를 지시하는 것임이 이해될 것이다. 강화에 의해 고조파를 생성하는 것은 기존의 클리핑 또는 정류 처리에 비해 훨씬 "깨끗"하다. 본 발명에 의하면, 신호의 증폭은 강화 전이나 후에 보정된다.

본 발명을 실시예에 의해 블록 회로도와 관련하여 이하에서 상세하게 설명할 것이다.

도 1은 음성 입력 신호(si)가 가산기단(AD)의 입력 단자에 입력되는 회로 구성을 나타낸다. 가산기단(AD)의 출력은 예를들어, 스피커 또는 선행 증폭기에 접속된다. 이 신호(si)는 또한 필터 장치, 여기서는 저역 통과 필터(TP) 또는 대역 통과 필터를 거쳐 필터된 신호로부터 고조파를 생성하는 비선형 회로 유닛(NL1)에 입력된다. 필터 구성은 신호(si)에서 주된 기본 주파수를 정확하게 판별하는데 사용된다. 이로부터, 유닛(NL1)은 고조파를 생성하고 이를 가산기단(AD)의 제2 입력 단자에 입력한다. 필터(TP)의 코너 주파수(fc)가 조정가능한 것은 필수적이다.

도 2는 도 1의 보다 상세한 회로도를 나타낸다. 이 필터는 전체가 제1 저역 통과 필터(TP1), 그 다음으로 제2 저역 통과 필터(TP2) 및 그 다음으로 고역 통과 필터(HP1)의 일련의 회로로 구성되어 있다. 각 입력에서의 신호는 s1, s2 및 s3으로 표기된다. 이 신호(s4)는 고역 통과 필터(HP1)의 출력에 제공되고, 이것은 유닛(NL1)에 입력된다. 유닛(NL1)의 출력은 대역 통과 필터(BP2)에 접속되고, 여기에 신호(s5)가 입력된다. 대역 통과 필터의 출력에서의 신호는 s6이라 칭하고, 가능하게는 팩터(g) 만큼 증폭되어 가산기단(AD)에 인가된다.

저역 통과 필터(TP1)는 예를 들어 200 Hz의 고정 코너 주파수를 가진다. 저역 통과 필터(TP2)는 가변 코너 주파수(fc)를 가진다. 고역 통과 필터(HP1)는 예를 들어 50 Hz 또는 k*fc(k는 1보다 작도록 선택됨)의 일정한 코너 주파수를 가진다. 대역 통과 필터(BP2)는 예를 들어 fc에 비례하는 중심 주파수를 가진다.

저역 통과 필터(TP2)의 코너 주파수(fc)는 예를 들어, 신호 s2와 s3이 비교를 위해 입력되는 비교기(KO)가 저역 통과 필터(TP2)의 코너 주파수를 판별하는 제어 신호를 생성한다는 점에서 조정될 수 있다.

도 2의 회로 구성은 다음과 같은 역할을 한다. 낮은 주파수가 저역 통과 필터(TP1)에서 미리 선택된다. 또다른 필터링이 저역 통과 필터(TP2)에서 발생한다. 코너 주파수(fc)는 여기에서 다음이 적용되도록 조정된다.

s3 = q*s2, 여기에서 0 < q < 1

(주의: "*"는 곱셈을 나타냄)

상기 식에서, s3과 s2는 신호 s3과 s2의 신호 진폭 또는 그 신호 에너지를 나타낸다.

따라서 코너 주파수(fc)는 신호(s2)의 특정부(q)가 저역 통과 필터(TP2)의 출력에 있도록 조정된다. 따라서 신호(si = s1)의 가장 낮은 주파수 성분만이 통과될 수 있다. 다른 간섭 신호 주파수는 제거된다.

코너 주파수(fc)는 예를 들어 다음 법칙 알고리즘에 의해 결정될 수 있다.

s3 < q*s2인 경우, fc = fc + df

s3 > q*s2인 경우, fc = fc - df

여기에서 df는 이 법칙의 변환율을 결정하며 1이하로 선택되는 것이 유리하다.

다시 말해, 예를 들어 1 Hz 단계로, 음성 신호(si = s1)의 낮은 주파수 범위가 질문되고, 신호가 최대 진폭 또는 에너지를 갖게 되는 주파수가 결정된다. 그러면 이 주파수가 소망의 기본 주파수가 되고, 이로부터 고조파가 비선형 유닛(NL1)에서 생성될 것이다.

신호(s3)는 고역 통과 필터(HP1)에서 고역 통과 필터링된다. 코너 주파수는 일정하게 되거나 fc의 함수로서 선택될 수 있다. 신호(s5)에서 소망되지 않은 주파수는 대역 통과 필터(BP2)에 의해 제거된다. 여기에서는 또한 코너 주파수(fc)의 함수로서의 대역 통과 필터(BP1)의 중심 주파수를 변화시키는 것이 유리하다.

예를 들어, 유닛(NL1)이 주로 제1 고조파를 갖는 신호를 생성하면, 즉 기본적인 신호 주파수를 2배로 하면, 중심 주파수는 fbp = 2*fc로 선택될 수 있다.

대역 통과 필터(BP2)의 출력에서의 신호(s6)는 가산기단(AD)에서의 신호(si)에 가산되기 전에 팩터(g) 만큼 증폭되는 것이 바람직하다.

도 3은 예를 들어 저역 통과 필터(TP)와 그 다음으로 고역 통과 필터(HP)를 갖는 대역 통과 필터(BP1)와 같은 필터 구성이 가산기단(AD)으로 직접 안내되지 않는 신호 브랜치에 배치된 회로 구성을 나타낸다. 소정의 방식으로 결정된 기본 주파수를 나타내는 신호(s4)는 필터 장치(BP1)의 출력에 제공된다. 필터 장치(BP1)는 바람직하게는 도 1 및 2와 관련하여 도시된 것이다.

신호(s4)는 비선형 유닛(PX)에서 제곱되어 제1 고조파가 생성된다. 이로부터의 신호(s5)는 또다른 필터, 여기서는 대역 통과 필터(BP2)에 입력된다. 마지막으로, 대역 통과 필터(BP2)의 출력에서의 신호(s6)는 직접 또는 팩터(g) 만큼 먼저 곱해져서 가산기단(AD)에 입력된다. 신호는 제곱되는 대신에, 3이나 4, 또는 더 높은 정수로 제곱될 수도 있다.

도 4와 5는 여기서는 신호가 강화 전(도 4)이나 후(도 5)에 정규화되어 도 3의 회로 구성이 개선된 것을 나타낸다.

도 4에서, 신호(s2)는 이러한 목적을 위해 RMS 검출기(RMS)에 추가적으로 입력된다. 이 RMS 검출기는 디바이더(divider) 단(1/RMS)에 접속되고, 이것은 유닛(PX)의 출력에 접속되어 있으며 출력 신호(s3)를 값(RMS)으로 나눈다. 디바이더 단(1/RMS) 다음에는 리미터(limiter)(LIM)가 오고, 그 출력은 대역 통과 필터(BP2)에 접속된다.

검출기(RMS)에 의해 계산된 신호의 RMS 값으로 정규화됨으로써, 신호(s3)는 다시

s4 = (s2^2)/RMS(s2)

에 따라 그 원래 진폭을 회복한다. 검출기(RMS)는 예를 들어 0.2 초의 시간 상수(타우)를 가진다. 더 높은 시간 상수를 갖는 몇몇 환경 하에서의 s3의 진폭은 RMS 값보다 훨씬 빨리 상승할 수 있으므로, 매우 높은 값들이 신호(s4)에서 발생할 수 있다. 결과적으로, 신호(s4)의 값은 리미터(LIM)에서의 허용가능 값으로 한정된다. 생성된 고조파는 다시 대역 통과 필터(BP2)에서 중심 주파수(fbp2)로 한정되고 그리고나서 가산기단(AD)에서 음성 신호(si)에 가산된다.

위에서 유닛(PX)는 신호(s2)를 제곱하는 것으로, 즉 1차 고조파를 생성하는 것으로 가정하였다. 이런 선택이 주어지면, 제2 대역 통과 필터(BP2)의 중심 주파수(fbp2)는 제1 대역 통과 필터의 중심 주파수(fbp1)의 두 배로 선택되어야 한다.

그런데, 유닛(PX)이 이를 위해 적절히 설계되면, 고차의 고조파가 생성될 수도 있다. 3의 팩터 만큼 강화를 위해서는 주파수가 3배가 되므로, fbp2 = fbp1*3 으로 하여야 한다.

본 발명의 구성은 또한 예를 들어 제1 및 제2 고조파의 몇몇 고조파를 동시에 생성하도록 상기한 몇몇 회로의 병렬 접속으로 구성된다.

본 발명에 의하면, 청취자가 비교적 높은 하위 코너 주파수로 스피커에 의해 방출되는 음성 신호를 들을 때, 청취자에 대해 개선된 음감을 만들어낼 수 있다.

Claims (14)

1. 음성 입력 신호에 응답해서 상기 음성 입력 신호 내의 주된 기본 주파수(dominant fundamental frequency) 성분을 결정하고 상기 주된 기본 주파수 성분을 나타내는 필터된 음성 신호를 제공하는 필터링 장치;

   상기 필터된 음성 신호에 응답해서 상기 주된 기본 주파수의 고조파 주파수 성분을 생성하고 상기 고조파 주파수 성분을 나타내는 비선형 유닛 출력 신호를 제공하는 비선형 유닛;

   상기 비선형 유닛 출력 신호에 응답해서 제1 대역 통과 필터된 신호를 제공하는 제1 대역 통과 필터; 및

   상기 음성 입력 신호 및 상기 제1 대역 통과 필터된 신호를 가산해서 상기 주된 기본 주파수 성분의 고조파를 포함하는 시스템 출력 신호를 제공하는 가산기

   를 포함하는 음성 신호에서 고조파를 생성하는 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 비선형 유닛은 상기 필터된 음성 신호를 제곱하고(squaring) 상기 비선형 출력 신호를 제공하는 수단을 포함하는 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 비선형 유닛은 상기 필터된 음성 출력 신호에 응답해서 상기 필터된 음성 신호를 정수로 거듭제곱(power)하는 수단을 포함하는 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 필터링 장치는

   상기 음성 입력 신호에 응답해서 제1 필터된 신호를 제공하는 제1 저역 통과 필터;

   상기 제1 필터된 신호 및 명령 신호에 응답하는 조정가능한 제2 저역 통과 필터 - 상기 명령 신호는, 제2 필터된 신호를 제공하는 상기 조정가능한 제2 저역 통과 필터의 브레이크 주파수를 설정함 -;

   상기 제2 필터된 신호에 응답해서 상기 필터된 음성 신호를 나타내는 신호를 제공하는 고역 통과 필터

   를 포함하는 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 조정가능한 제2 저역 통과 필터는 상기 제1 필터된 신호 및 상기 제2 필터된 신호에 응답해서 상기 명령 신호를 결정하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 명령 신호를 결정하기 위한 수단은 상기 제1 및 제2 필터된 신호들을 비교하기 위한 비교기를 포함하는 시스템.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제1 대역 통과 필터는 상기 명령 신호에 응답해서 상기 제1 대역 통과필터의 통과 대역의 중심 주파수를 설정하는 시스템.
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