KR100795475B1 - 잡음제거기 및 웨이블릿 변환 필터 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LMS 알고리즘으로 설계되는 잡음제거기(혹은 잡음제거필터)를 설계하는 기술에 관한 것으로, 종래의 적응형 잡음제거기는 연산량에서 다른 알고리즘에 비해 우수한 장점을 갖고 있는 반면, 수렴속도나 SNR에 대한 성능이 떨어지면서 특정상황에서 높은 수준의 SNR이 요구되는 경우에는 그 사용이 어려워지는 단점을 갖고 있다.

이에 본 발명은, 신호입력부의 전단에 특별히 고안된 pre-filter로 웨이블릿 변환필터를 장착하므로서, LMS형 잡음제거기가 갖는 장점인 빠른 수렴속도를 더욱 개선하면서 RLS 알고리즘을 사용한 장치에 비해 상대적으로 떨어지는 신호대 잡음비(SNR)를 개선시켜 높은특성의 잡음제거효과와 빠른 속도의 잡음상쇄효과를 얻을수 있도록 하는 SNR과 수렴속도가 향상된 적응형 잡음제거기 및 웨이블릿 변환 필터 설계 방법을 제공한다.

Description

잡음제거기 및 웨이블릿 변환 필터 설계 방법{The noise-eliminator and the designing method of wavelet transformation}

도 1은 종래 적응형 잡음제거기의 블럭회로도.

도 2는 본 발명의 일실시예로 SNR과 수렴속도가 향상된 적응형 잡음제거기의 블럭회로도.

도 3은 본 발명의 일실시예로 웨이블릿 변환 필터를 설계하기 위한 옥타브밴드 트리 구조도.

본 발명은 엘엠에스(LMS) 알고리즘으로 설계되는 잡음제거기(혹은 잡음제거필터)를 설계하는 기술에 관한 것으로서, 특히 신호입력부의 전단에 특별히 고안된 프리 필터(pre-filter)로 웨이블릿 변환필터를 장착하여 LMS형 잡음제거기가 갖는 장점인 빠른 수렴속도를 더욱 개선하면서 알엘에스(RLS) 알고리즘을 사용한 장치에 비해 상대적으로 떨어지는 신호대 잡음비(SNR)를 개선시킬수 있도록 하는 SNR과 수렴속도가 향상된 적응형 잡음제거기 및 웨이블릿 변환 필터 설계 방법에 관한 것이다.

종래의 적응형 잡음제거기는 도 1에 도시된 바와같이, 스피커나 기타 입력장치로 구성되면서 신호원과 잡음원으로 부터 노이즈가 썩여있는 이상신호를 입력받을수 있는 입력부(1), 범용의 디지탈 신호처리(DSP) 프로세서 내부에 입력된 SW 혹은 알고리즘을 구현한 H/W ASIC로서 LMS알고리즘으로 구성되며 SE(Singal Estimate)의 피드백을 통해 SE의 노이즈를 최소화하는 가변변수의 적응필터(2), 가산기(3), 스피커 혹은 특정신호를 출력할수 있는 장치로서 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위하여 상쇄회로를 발생시키는 출력부(4)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래의 적응형 잡음제거기에 있어, 도 1에서와 같이 입력 X는 노이즈와 신호가 상호 비연관(uncorrelated)되어서 오염된 신호이고, 신호 Y(S+N⁺)는 노이즈 N과 어느 정도 연관(uncorrelated)된 신호의 측정치 이다.

여기서, 노이즈 없는 이상적인 신호에 대한 추정치(SE)는 노이즈에 오염된 신호인 X에서 적응필터(2)의 출력신호(NE; Noise Estimate)를 빼줌으로서 얻어진다.

즉, SE = X2 - NE = S + E - NE

이때, 상기 적응형 잡음제거기의 주된 목표는 오염된 신호에 있어서 최적의 노이즈 추정치를 얻으므로서 최적의 이상신호를 얻을수 있는 하는 바, 이것은 SE를 적절한 알고리즘으로 구성된 적응필터(2)로 피드백시켜서 SE가 갖는 잡음을 최소화하므로서 얻어진다.

여기서, 일반적인 잡음제거기에 사용되는 적응필터(2)의 알고리즘은 LMS 알 고리즘이 사용되는데, 이 알고리즘은 범용신호 처리 프로세서에서 소프트웨어적, 혹은 ASIC를 이용한 하드웨어로서 설계된다.

이러한, 두가지로 설계되는 방식은 실질적으로 W_n+1(k) = W_n(k) + mu * SE(n) * X^*(n-k)와 같은 결과를 갖는 된다.

W는 적응필터 계수, mu는 스텝크기, k는 계수위치, n은 갱신스텝(혹은 시간)을 나타낸다.

그러나, 상기와 같은 종래의 적응형 잡음제거기는 연산량에서 다른 알고리즘에 비해 우수한 장점을 갖고 있는 반면, 수렴속도나 SNR에 대한 성능이 떨어지면서 특정상황에서 높은 수준의 SNR이 요구되는 경우에는 그 사용이 어려워지는 단점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 신호입력부의 전단에 특별히 고안된 프리 필터(pre-filter)로 웨이블릿 변환필터를 장착하므로서, LMS형 잡음제거기가 갖는 장점인 빠른 수렴속도를 더욱 개선하면서 RLS 알고리즘을 사용한 장치에 비해 상대적으로 떨어지는 신호대 잡음비(SNR)를 개선시켜 높은특성(high quality)의 잡음제거효과와 빠른 속도의 잡음상쇄효과를 얻을수 있도록 하는 SNR과 수렴속도가 향상된 적응형 잡음제거기 및 웨이블릿 변환 필터 설계 방법을 제공하려는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적응형 잡음 제거기에 있어서, 오염된 신호에 있어서 최적의 노이즈 추정치를 얻으므로서 최적의 이상신호를 얻을수 있도록 입력부, 적응필터, 가산기, 출력부를 포함하는 적응형 잡음제거기에 있어서,

상기 입력부의 전단에 입력부에서 입력된 잡음원에 대한 자기상관 행렬의 고유치분포를 변환시키는 웨이블릿 변환필터를 장착 구성함에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적응형 잡음제거기의 웨이블릿 변환 필터 설계 방법은, N개 단위로 입력되는 신호에 대하여(N×N) 필터링과 다운 샘플링을 나타내는 원형형태의 부블럭들로 웨이블릿 변환행렬을 구성함에 있어,

상기 변환행렬은 저역밴드 부분은 계속 대역분할 해주고 고역부분은 남겨 두면서 시간-주파수 해상도가 조절됨과 동시에 주파수 영역에서 옥타브밴드 트리구조를 구성하도록 W_1 = D_1,,

로 하고,

상기 변환행렬을 사용하여 입력신호 벡터 x(n) = [ x(n),......, x(n-N+1)]^T의 다해상도 계수를 계산하여 W_ x = W_

(W_

-1 (…(W_2 (W_1 x ))…)) 의 웨이블릿 변환필터를 설계함을 그 특징으로 한다.

여기서, 상기 웨이블릿 변환 필터는 에스엔알 및 수렴 속도를 개선시키도록 자기 상관 행렬의 고유치 분포를 감소시키는 점을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다 음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예로 SNR과 수렴속도가 향상된 적응형 잡음제거기의 블럭회로도 이다.

도 2에 도시된 바와같이, 오염된 신호에 있어서 최적의 노이즈 추정치를 얻으므로서 최적의 이상신호를 얻을수 있도록 입력부(1), 적응필터(2), 가산기(3), 출력부(4)를 포함하는 적응형 잡음제거기에 있어서,

상기 적응필터(2)의 수렴속도나 신호대 잡음비를 개선시키도록 상기 입력부(1)의 전단에 입력부(1)에서 입력된 잡음원에 대한 자기상관 행렬의 고유치분포를 감소시키는 웨이블릿 변환필터(10)를 장착 구성함을 특징으로 한다.

이와같이 구성된 본 발명의 적응형 잡음제거기는 도 2에 도시된 바와같이, 입력부(1)의 전단에 장착된 웨이블릿 변환필터(10)가 입력부(1)의 잡음원에 대한 자기상관 행렬의 고유치분포를 감소시킨다.

그러면, 상기 적응필터(2)에서는 가산기(3)를 통해 출력부(4)로 출력되는 SE가 피드백될 때, 상기 웨이블릿 변환필터(10)로 부터 감소된 자기상관 행렬의 고유치 분포에 따라 SE가 갖는 잡음을 최소화시키고, 이에따라 입력부(1)를 통해 입력되는 오염된 신호에 있어서 최적의 노이즈 추정치를 얻으면서 최적의 이상신호를 얻을수 있게 되는 것이다.

이때, 상기 웨이블릿 변환필터(10)의 설계는, 유한지속시간을 갖는 신호나 티디엘(TDL) 형태의 적응필터에 웨이블릿 변환을 적용하기 위해 N개 단위로 입력되는 신호에 대하여(N×N) 웨이블릿 변환행렬을 구성하게 되는데,

상기 웨이블릿 변환행렬은 필터링과 다운 샘플링(down sampling)을 나타내는 원형형태의 부블럭들로 구성된다.

이때, 임의의 k단계에서 저역 및 고역통과필터를 H_i ^(k) 라 하면(저역 i=0, 고역 l=1), 이들을 결합하여 수학식1과 같은 해석뱅크(analysis bank)를 정의할수 있다.

여기서, l은 필터의 길이,

와,

는 원형구조를 갖는 행렬이고, D_k는 입력신호를 두개의 대역으로 분할된다.

만약 k단계까지 분해가 가능하다고 한다면 각 단계에서의 변환행렬은 수학식2와 같이 정의된다.

W_1 = D_1,,

여기서,

,

이다.

이것은 전단계에서 얻어진 저역밴드 부분은 계속 대역분할 해주고 고역부분 은 남겨 두므로서, 시간-주파수 해상도가 조림됨과 동시에 주파수 영역에서 도 3과 같은 옥타브밴드 트리구조를 구성함을 의미한다.

그러므로, 상기와 같은 수학식2의 변환행렬을 사용하면 입력신호 벡터 x (n) = [ x (n),......, x (n-N+1)]^T의 다해상도 계수를 다음과 같이 계산할수 있다.

W_ x = W_ x (W_

-1 (…(W_2 (W_1 x ))…)) 과 같은 웨이블릿 변환필터(10)가 설계 완성되는 것이다.

여기서, W가 구하고자 하는 웨이블릿 변환행렬이 된다.

이고, N=2^j이면,

=2^m을 필터의 길이 l보다 크거나 같은 2의 배수라고 정의하였을 경우에 변환행렬의 가능분해단계는

=j-m+1이 된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 신호입력부의 전단에 특별히 고안된 프리 필터(pre-filter)로 웨이블릿 변환필터를 장착하므로서, LMS형 잡음제거기가 갖는 장점인 빠른 수렴속도를 더욱 개선하면서 RLS 알고리즘을 사용한 장치에 비해 상대적으로 떨어지는 신호대 잡음비(SNR)를 개선시켜 높은 특성(high quality)의 잡음제거효과와 빠른 속도의 잡음상쇄효과를 얻을수 있도록 하는 SNR과 수렴속도를 향상시키는 효과를 제공한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (3)

1. 오염된 신호에 있어서 최적의 노이즈 추정치를 얻으므로서 최적의 이상신호를 얻을 수 있도록 입력부, 적응필터, 가산기, 출력부를 포함하는 적응형 잡음제거기에 있어서,

   상기 입력부의 전단에 입력부에서 입력된 잡음원에 대한 자기상관 행렬의 고유치 분포를 변환시키는 웨이블릿 변환 필터를 장착 구성하되, 상기 웨이블릿 변환 필터는 에스엔알 및 수렴 속도를 개선시키도록 자기상관 행렬의 고유치 분포를 감소시키는 것을 특징으로 하는 적응형 잡음제거기.
2. N개 단위로 입력되는 신호에 대하여(N×N) 필터링과 다운 샘플링을 나타내는 원형형태의 부블럭들로 웨이블릿 변환행렬을 구성함에 있어,

   상기 변환행렬은 저역밴드 부분은 계속 대역분할 해주고 고역부분은 남겨 두면서 시간-주파수 해상도가 조절됨과 동시에 주파수 영역에서 옥타브밴드 트리구조를 구성하도록 W_1 = D_1,,

   

   로 하고,

   상기 변환행렬을 사용하여 입력신호 벡터 x (n) = [ x (n),......, x (n-N+1)]^T의 다해상도 계수를 계산하여 W_ x = W_

   

   (W_

   

   -1 (…(W_2 (W_1 x ))…)) 의 웨이블릿 변환필터를 설계함을 특징으로 하는 적응형 잡음제거기의 웨이블릿 변환 필터 설계 방법.
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