KR100850419B1 - 적응 소음 제거 장치 및 방법 - Google Patents

적응 소음 제거 장치 및 방법 Download PDF

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김필운
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

대화가 불가능할 정도의 소음이 발생하는 환경에서 소음만을 제거하고, 음성을 향상시킴으로써, 근로자들 간의 의사소통을 가능하게 하는 적응 소음 제거 장치 및 방법이 제공된다. 적응 소음 제거 장치는, 입력신호에 대해 음성 성분이 존재하지 않는 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하는 유한 임펄스 응답( FIR) 필터; 전처리된 입력신호에 대해 가중치를 필터 계수로 구성하여 횡단선 필터링을 수행하는 횡단선 필터; 횡단선 필터에 의해 출력되는 출력신호가 기준신호를 따라가도록 적응시키기 위하여 가중치를 갱신하고 제어부로부터 갱신과정을 제어 받는 적응 가중치 갱신부; 횡단선 필터로부터 출력된 출력신호가 음성신호인지 판단하기 위해 상기 출력신호를 분석하고 가중치 갱신을 제어하는 제어부; 및 횡단선 필터의 출력신호를 복원 필터링시켜 출력하는 복원 필터를 포함한다.
소음 제거, 음성, 적응, 가중치, 갱신, 소음, 가중치 갱신제어

Description

적응 소음 제거 장치 및 방법 {Adaptive noise canceller and method for cancelling noise}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 복원 필터의 세부 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 방법의 동작 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 방법의 구체적인 동작 흐름도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 음성신호의 시간축 그래프와 주파수축 그래프를 나타내는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 소음과 음성신호가 섞인 신호들을 각각 예시하는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 횡단선 필터의 출력을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소음이 완전히 제거된 복원 필터의 출력을 예시하는 도면이다.
본 발명은 적응 소음 제거 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 소음 환경에서 가중치 갱신 제어 방식의 적응 소음 제거기에 관한 것이다.
최근 소음을 제거하는 기술과 장치가 많이 연구 개발되고 있다. 가장 보편적으로 사용되는 소음 제거 기술은 소음의 역위상 신호를 생성하여 소음을 제거하는 방법이다.
이러한 역위상 신호를 생성하여 소음을 제거하는 방법은 어떤 신호와 크기는 같고, 그 위상이 반대가 되는 신호가 합해지면 신호가 서로 상쇄될 수 있으므로, 크기가 동일한 역위상 신호와 합함으로써 소음을 제거시키는 방법이다. 소음은 소음원에 부착된 마이크로폰을 통해 실시간으로 입력받고, 전기회로나 디지털 신호 처리기에 의해 역위상 신호로 변환되어 스피커를 통하여 출력된다. 이에 따라 소음은 스피커로 출력된 역위상 신호와 합해져 상쇄된다. 이때, 소음의 역위상 신호는 소음원에 근접한 곳에서 획득한 소음만 가지고 생성하기 때문에, 소음원과 떨어진 지역에서 발생한 음성신호는 소음과 관계되지 않고, 결과적으로, 소음만 제거되기 때문에 음성신호가 향상될 수 있다.
그런데 이러한 역위상 신호를 생성하여 소음을 제거하는 방법은 다수의 소음원이 존재할 경우, 소음원마다 독립적으로 소음 제거 장치를 구축하여야 그 효과가 있다. 그러나 각 소음원에 부착된 소음 제거 장치는 근접한 다른 기기에 소음에 영향을 받을 수 있기 때문에, 정확한 역위상 신호 생성이 어렵다는 문제점이 있다. 또한 소음과 역위상 신호가 정확하게 합해져야 서로 상쇄될 수 있는데, 역위상 신호의 생성에 소요되는 시간차로 인해 정확하게 합해질 수 없으므로 소음 상쇄가 효과적으로 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.
한편, 다른 소음 제거 기술로 적응 소음 제거기를 이용하는 방법이 있다. 적응 소음 제거기는 제거 대상인 소음과 완벽한 상관성을 갖는 순수한 소음원을 획득함으로써, 측정된 신호에서 소음을 제거할 수 있는 방법이다.
적응 소음 제거기는 소음원인 기기에 마이크로폰을 부착하여 순수한 소음만을 측정하고, 또 다른 마이크로폰으로 소음의 혼합된 환경음을 측정한다. 그리고 마이크로프로세서를 통해 측정된 환경음에 포함되어 있는 소음과 순수한 소음간의 오차를 최소화시키는 적응 필터의 가중치 값을 계산한 다음에, 계산된 가중치를 이용하는 필터를 통과한 순수한 소음과 환경음과의 차를 구하는 연산을 통하여 소음을 최대한 제거한다.
이에 따라 적응 소음 제거기는 음성과 소음이 혼합되어 측정되었을 때, 순수한 소음에 의해 생성된 가중치 값을 이용하여 음성과 혼합된 소음에서 소음만 제거할 수 있으므로 음성을 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 적응 소음 제거 기술은 소음원 기기마다 순수한 소음을 입력받기 위한 마이크를 설치해야 하며, 또한 기기가 많아지면 적응 필터의 구조가 복잡해지고, 기기마다 최적의 적응 소음 제거기의 가중치가 필요하므로 오차를 최소화하기 위한 계산량이 급증하게 된다는 문제점이 있다. 그리고 순수한 소음을 측정하기 어려운 환경에서는 적용될 수 없다는 문제점이 있다.
그 외에 소음 제거 방법으로는 독립 성분 분리(Independent component analysis)를 이용하여 여러 개의 마이크로폰으로 입력된 음향신호를 분리하는 기술이 학술적으로 개시되어 있으나, 그 계산 체계가 복잡하여 실시간으로 구현하기 어렵다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 순수한 소음원을 측정하기 어려운 작업 환경에 있어서, 가중치를 제어하는 방식을 이용하여 소음 환경에서 상호간의 대화가 가능하도록 소음만을 제거하고 음성을 향상시키는 적응 소음 제거 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적응 소음 제거 장치는, 입력신호에 대해 음성 성분이 존재하지 않는 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response: FIR) 필터; 상기 전처리된 입력신호에 대해 가중치를 필터 계수로 구성하여 횡단선 필터링을 수행하는 횡단선 필터; 상기 횡단선 필터에 의해 출력되는 출력신호가 기준신호를 따라가도록 적응시키기 위하여 가중치를 갱신하고 제어부로부터 갱신과정을 제어받는 적응 가중치 갱신부; 횡단선 필터로부터 출력된 출력신호가 음성신호인지 판단하기 위해 상기 출력신호를 분석하고 가중치 갱신을 제어하는 제어부; 및 상기 횡단선 필터의 출력신호를 복원 필터링시켜 출력하는 복원 필터를 포함하여 구성된다.
여기서, 기설정된 상수(constant) 또는 백색 잡음(white noise)으로부터 상기 횡단선 필터의 출력을 감산한 오차신호를 상기 적응 가중치 갱신부에 입력하는 가산부를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 출력신호의 크기를 감지하여 입력에 음성신호가 들어 왔는지 여부를 판별하고, 음성신호가 들어온 경우, 상기 적응 가중치 갱신부가 상기 횡단선 필터에 입력되는 가중치 갱신을 멈추게 하는 것을 특징으로 하며, 상기 출력신호에 대해 1㎑ 미만의 주파수 영역에서의 최고값과 1㎑ 이상 주파수 영역에서의 최고값을 비교하여 상기 입력신호가 음성신호로 판별될 경우, 상기 출력신호를 복원필터에 입력하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 적응 가중치 갱신부는 기준신호로 일반 상수 값 또는 백색 잡음을 사용하여 입력받은 신호를 기준신호로 필터링하도록 가중치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 적응 가중치 갱신부는 상기 음성신호가 입력된 경우, 상기 가중치 갱신이 멈추는 시점을 기준으로 바로 이전 횡단선 필터에 입력되는 계수의 역수를 상기 복원 필터의 계수로 정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적응 소음 제거 방법은, 입력신호에 대해 음성 성분이 존재하지 않는 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하는 단계; 상기 전처리된 입력신호에 대해 횡단선 필터링을 수행하는 단계; 상기 횡단선 필터링에 의해 출력되는 출력신호가 기준신호를 따라가도록 적응시켜 가중치를 갱신하는 단계; 상기 출력신호를 기준값과 비 교하는 단계; 상기 출력신호가 기준값보다 클 경우, 상기 가중치 갱신을 정지하고, 복원 필터 계수를 정하는 단계; 및 상기 출력신호가 음성신호인 경우, 상기 복원 필터 계수에 따라 복원 필터링시켜 출력하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 횡단선 필터링 단계는 입력신호의 소음을 제거한 횡단선 필터의 출력신호를 획득하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가중치 갱신 단계의 기준신호는 상수 값(DC 값) 또는 백색 잡음인 것을 특징으로 한다.
여기서, 음성신호가 입력된 경우, 상기 가중치 갱신이 멈추는 시점을 기준으로 바로 이전 횡단선 필터에 입력되는 계수의 역수를 상기 복원 필터의 계수로 정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 출력신호가 기준값보다 크지 않은 경우, 상기 가중치를 계속 갱신하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 적응 소음 제거 장치 및 방법을 상세히 설명한다.
소음은 여러 기기에 의해 발생하지만, 짧은 시간동안에는 소음의 크기와 형태가 시간에 따라 크게 변하지 않고 지속되는 경향이 있기 때문에 혼합된 소음 자체를 단일 소음으로 가정할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 장치는 이러한 사실에 근거하여 혼합된 소음을 하나의 순수 소음으로 이용하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 장치는, 유한 임펄스 응답(finite impulse response: FIR) 필터(100), 횡단선 필터(200), 제어부(300), 적응 가중치 갱신부(400), 가산부(500) 및 복원 필터(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 장치는, 입력신호를 적응 필터링하기 전에 유한 임펄스 응답(finite impulse response: FIR) 필터를 통해 음성 성분이 존재하지 않는 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하고, 이후 적응 필터링으로 인한 출력의 음성신호성분의 손상을 복원하기 위한 후처리 과정을 수행한다. 즉, FIR 필터(100)는 입력신호를 적응 필터링하기 전에 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행한다.
횡단선 필터(200)는 전처리된 입력신호에 대해 횡단선 필터링을 수행하며, 입력신호가 소음일 경우, 필터링을 통해 소음이 제거된 신호를 출력한다.
제어부(200)는 음성신호의 크기를 감지하여 음성신호가 들어 왔는지 여부를 판별하고, 음성신호가 들어온 경우, 적응 가중치 갱신부(400)가 횡단선 필터(200)에 입력되는 가중치 갱신을 멈추게 하는데, 이에 따라 횡단선 필터(200)를 거치면 소음은 제거되고, 음성만이 출력된다.
가산부(500)는 기설정된 상수(constant) 또는 백색 잡음(white noise)으로부터 횡단선 필터(200)의 출력을 감산함으로써 오차신호(e(n))를 출력하여 상기 적응 가중치 갱신부(400)에 입력하게 된다.
적응 가중치 갱신부(400)는 상기 제어부(200)의 제어에 따라 상기 가산부(500)로부터 오차신호(e(n))를 수신하여 가중치를 갱신하게 된다. 즉, 입력신호(x(n))와 기준신호(d(n))의 오차신호(e(n))를 최소화시켜 수렴하기 위해서 출력신호(y(n))가 기준신호(d(n))를 따라가게 된다. 그러므로 기준신호(d(n))를 상수 값(DC 값)이나 백색 잡음으로 하여 출력신호(y(n))가 기준신호(d(n))를 따라가게 하여 적응시키게 한다. 이것을 수식으로 나타내면 수학식 1과 같다.
e(n) = d(n) - y(n)
따라서 횡단선 필터(200)의 출력신호(y(n))가 기준신호(d(n))를 따라 가면서 오차신호(e(n))를 최소값으로 만들도록 가중치의 갱신이 계속된다. 만약, 음성신호가 입력으로 들어오면, 오차신호(e(n))가 갑자기 변하게 되며, 또한 출력신호(y(n))도 같이 변하게 된다.
이때, 상기 제어부(300)는 출력신호(y(n))의 크기를 기준 값과 비교하여 출력신호(y(n))가 일정 기준 값을 넘어서게 되면, 가중치 갱신을 중단하고, 이전 값을 그대로 유지한다. 즉, 횡단선 필터(200)의 가중치는 소음을 제거하는 가중치로 설정된 상태에서 멈추게 된다.
다시 말하면, 가중치 갱신 제어 적응 제거 장치는 가중치를 이용하여 입력신호(x(n))에서 소음을 제거하고, 음성신호를 통과시킨다. 수학식 2 및 3에서
Figure 112007033243871-pat00001
은 제어기의 상수항으로서, 횡단선 필터(200)의 출력신호(y(n))의 크기가 일정 기준 값(reference value)을 넘었을 때, 가중치 갱신을 멈추게 하는 가중치 갱신 식을 나타내고 있다. 즉, 수학식 2는 다음 가중치를 나타내는 식이고, 수학식 3은 횡단선 필터(200)의 출력신호(y(n))의 크기가 일정 기준 값(reference value)을 넘었을 때, 가중치 갱신을 멈추게 하는 가중치 갱신 식이다.
Figure 112008040679930-pat00002
여기서, μ 는 수렴상수 또는 적용상수이다.
Figure 112007033243871-pat00003
또한, 본 발명의 실시예에 따른 적응 소음 제거 장치는 가중치를 유지하는 지연시간을 두어서 지연시간이 지나면 가중치를 유지할 것인지 갱신할 것인지를 재결정할 수 있다.
또한, 가중치 갱신이 중단되어, 그 계수가 유지된 횡단선 필터(200)에 의해 필터링됨으로써 변형된 음성신호는 횡단선 필터(200) 계수의 역수를 필터 계수로 하는 복원 필터(600)를 통해 복원시키게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 적응 소음 제거 장치의 가중치는 실시간으로 입력된 소음에 따라 갱신되며 소음 제거에 사용된다. 음성이 소음과 함께 입력되었을 때, 적응 소음 제거 장치는 가중치의 갱신을 중단하고, 가장 최신에 생성된 가중치 값을 이용하여 입력된 신호에서 음성을 제외한 소음만 제거한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 복원 필터의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 복원 필터(600)는 횡단선 필터(200)의 출력신호에 역수의 가중치를 곱해주기 위해서, 출력신호에 역수의 가중치와 출력신호를 각각 곱하는 곱셈기(611, 612, 613, 614), 응답함수(621, 622) 및 곱해진 가중치를 누적하기 위한 가산기(631, 632, 633)로 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 음성신호는 소음을 줄이기 위해 정해진 횡단선 필터의 계수에 의해 손상되었으므로, 후처리 과정으로 음성신호의 크기를 복원하는 복원 필터(restoration filter)(600)를 이용하게 된다.
상기 복원 필터(600)는 음성이 있는 구간, 즉, 가중치의 갱신이 멈추는 구간에만 작동함으로써 음성신호만을 출력한다. 이에 따라 음성이 들어와서 가중치 갱신이 멈추는 시점을 기준으로 바로 이전 횡단선 필터의 정해지는 계수를 역수로 하여 복원 필터의 계수를 정하게 된다.
다음의 수학식 4는 횡단선 필터의 출력신호에 역수의 가중치를 곱해주는 식이다.
Figure 112007033243871-pat00004
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 방법의 동작 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 방법은, 먼저, 음성신호 또는 소음이 입력되면(S310), FIR 필터링을 통해 고주 파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하게 된다(S320).
이후, 전처리된 음성신호에 대해 횡단선 필터링을 수행하며(S330), 전술한 방법으로 가중치를 갱신하게 된다(S340).
다음으로, 출력신호가 기준값보다 큰지를 확인하고(S350), 만일, 출력신호가 기준값보다 클 경우, 가중치 갱신을 정지하고, 복원 필터 계수를 정의하게 된다(S360). 즉, 음성이 들어와서 가중치 갱신이 멈추는 시점을 기준으로 바로 이전 횡단선 필터의 정해지는 계수를 역수로 하여 복원 필터의 계수로 정하게 된다.
만일, 출력신호가 기준값보다 크지 않은 경우, 전술한 가중치 갱신 단계(S340)로 되돌아가게 된다.
다음으로, 출력신호도 또한 그만큼 지연되어 복원 필터의 입력으로 들어가서 복원 필터를 적용하고(S370), 필터링된 최종 출력신호를 출력하게 된다(S380).
즉, 입력신호가 들어오면 저역통과 필터를 거치고 적응 필터링하게 된다. 초기에 가중치 갱신이 계속되고, 음성신호가 입력되어 출력신호가 기준 값보다 크면 갱신은 정지되고, 정지된 시점에서 필터의 계수가 역으로 카운팅되어 복원 필터의 계수를 정하게 되고, 출력신호도 또한 그만큼 지연되어 복원 필터의 입력으로 들어가서 필터를 거친 다음에 최종적으로 출력된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 방법의 구체적인 동작 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 방법은, 먼저, 입력 데이터의 수인 N을 정의하고(S401), 음성신호 또는 소음이 입력되면, FIR 필터링을 통해 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하게 된다(S402).
이후, 입력 데이터 어레이로서, 입력수[N], 필터 계수(W[n]), 합계(sum), 중단값, 기준신호(d(k)) 및 기준값(reference value)에 대해 초기화한다(S403).
다음으로, 전처리된 음성신호에 대해 횡단선 필터링을 수행하여 출력신호(y(k))를 출력한다(S404).
다음으로, 기준신호(d(k))와 출력신호(y(k))의 차인 오차신호(e(k))를 구하고(S405), 중단값(Stop)이 '0'인지 여부를 확인한다(S406).
다음으로, 상기 중단값(Stop)이 0'인 경우, 출력신호(y(k))가 기준 값(reference value)보다 큰지를 확인한다(S407). 이때, 출력신호(y(k))가 기준 값(reference value)보다 큰 경우, 지연 카운트(Delay count)는 셋(set)시키고, 중단 값(Stop)을 1로 재결정한다(S408). 만일, 출력신호(y(k))가 기준 값(reference value)보다 같거나 작은 경우, 상기 필터 계수(W[n])를 전술한 방법으로 갱신한다(S409). 이후, 전술한 S404 단계로 되돌아간다.
다음으로, 전술한 S406 단계에서, 중단값(Stop)이 '0'이 아닌 경우, 카운트 값(count)이 '0'인지 여부를 확인하고(S410), 카운트 값(count)이 '0'이 아닌 경우, 지연을 카운트한다(S412). 만일, 카운트 값(count)이 '0'인 경우, 중단값(Stop)을 '0'으로 유지한다(S411).
전술한 S412 단계에서, 지연을 카운트하여, 출력신호가 음성신호인지 여부를 확인하고(S413), 음성신호가 아닌 경우, 전술한 S404 단계로 되돌아간다.
다음으로, 상기 출력신호가 음성신호인 경우, 출력신호(y(k))를 출력하고(S414), 다음으로, 출력신호도 또한 그만큼 지연되어 복원 필터의 입력으로 들어가서 복원 필터를 적용하고(S415), 필터링된 최종 출력신호(yc(k))를 출력하게 된다(S416).
따라서 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거 장치는, 다수의 소음원이 존재하며, 이들에 대한 복합적인 소음이 발생하게 됨으로써 순수한 소음을 획득할 수 없는 소음 환경에서 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 적응 소음 제거 장치는 기존의 적응 소음 제거 장치에서 기준신호와 입력신호 사이의 오차신호가 수렴되기 위해서 출력신호가 기준신호를 따라 가는 점을 이용한다. 즉, 기준신호를 상수 값(DC 값) 혹은 백색 잡음으로 두고, 출력신호가 이 기준신호를 따라 가면서 수렴하도록 하여 소음을 제거한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 가중치 갱신 적응 소음 제거 장치는 기존의 입력이 두개인 적응 소음 제거기 구조에서 필수적인 기준신호를 획득하는 입력이 필요하지 않고 입력이 하나인 구조가 되며, 이에 따라 입력이 하나인 적응 신호선 보정 구조의 전제 조건인 제거하고자 하는 소음이 완전히 주기적이어야 한다는 조건도 필요하지 않게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 제어기는 가중치 갱신을 멈추게 하는 입력신호가 음성신호인지 소음에 의한 것인지 구별하기 위해서 음성신호의 주파수 특성을 이용한다. 일반적으로, 음성신호는 저주파수에 에너지의 분포가 매우 크며, 특히, 1㎑ 미만의 포만트(Formant)의 기본 주파수 영역에서 생기는 포만트의 첫 번째 공명 주파수인 제1 포만트에 에너지가 집중되어 있다. 표 1은 화자들이 국어의 모음을 발음할 때, 모음의 제1 포만트의 주파수를 나타낸다.
이 에 어 아 우 오
남성 341 ㎐ 526 ㎐ 593 ㎐ 755 ㎐ 374 ㎐ 456 ㎐
여성 350 ㎐ 536 ㎐ 668 ㎐ 937 ㎐ 462 ㎐ 464 ㎐
표 1을 참조하면, 화자들이 국어의 모음을 발음할 때, 모음의 제1 포만트 주파수를 분석하면 전반적으로 1㎑ 미만에 분포한다. 따라서 음성은 횡단선 필터의 출력에서 1㎑ 미만과 1㎑ 이상에서의 최고값(peak value)을 비교하여 판별할 수 있다. 다음의 수학식 5는 음성신호 판별식이다.
Figure 112007033243871-pat00005
여기서, Vp는 1㎑ 미만의 주파수 영역에서의 최고값이고, Sp는 1㎑ 이상 주파수 영역에서의 최고값이고, k는 상수로서, 출력신호(Vd)가 k보다 클 경우에 음성신호로 판별하는 것을 나타낸다.
예를 들면, 1㎑ 미만의 주파수 영역에서의 최고값이 1㎑ 이상의 주파수 영역에서의 최고값보다
Figure 112007033243871-pat00006
배 이상 크면, 횡단선 필터의 출력을 음성신호로 판단한 후, 후속적으로 복원 필터에 입력하게 된다.
한편, 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 음성신호의 시간축 그래프와 주파수축 그래프를 나타내는 도면이다.
도 5a는, 예를 들어, "네 알겠습니다"라는 음성신호의 시간축 그래프를 나타내고, 도 5b는 주파수축 그래프를 나타내고 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 소음과 음성신호가 섞인 신호들을 각각 예시하는 도면들이다.
도 6a는 도 5a의 음성신호에 공장 소음을 섞은 신호의 시간축 그래프이고, 도 6b는 도 5a의 음성신호에 도 6a와 다른 공장의 소음을 섞은 신호의 시간축 그래프이다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 횡단선 필터의 출력을 예시하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소음이 완전히 제거된 복원 필터의 출력을 예시하는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 소음은 횡단선 필터에 의해 효과적으로 제거되었지만 음성신호는 손상되었음을 알 수 있다. 도 8은 손상된 음성신호가 발명에서 제안한 복원 필터에 의해 복원된 결과로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 가중치 갱신 제어 적응 소음 제거기를 통해 소음 환경에서 효과적으로 소음이 제거되고, 음성신호가 향상된 것을 알 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 적응 소음 제거 장치는, 짧은 시간 동안에는 소음이 시간에 따라 소리의 크기와 형태가 크게 변하지 않는 특성을 이용하여 순수한 소음만 발생하는 동안에는 적응 소음 제거기의 필터 가중치를 지속적으로 갱신한 후 소음을 제거하고, 또한, 음성과 소음이 동시에 발생하는 동안에는 가장 최근 에 갱신된 가중치를 고정하여 소음만을 제거함으로써 음성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 따르면, 가중치를 제어하는 방식을 이용하여 소음 환경에서 상호간의 대화가 가능하도록 소음만을 제거하고 음성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 혼합된 소음을 하나의 순수 소음으로 이용함으로써 가중치 계산량을 줄일 수 있고, 또한, 한 개의 마이크로폰만 이용하게 되므로 장치의 구조가 간단해진다.

Claims (12)

  1. 입력신호에 대해 음성 성분이 존재하지 않는 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response: FIR) 필터;
    상기 전처리된 입력신호에 대해 가중치를 필터 계수로 구성하여 횡단선 필터링을 수행하는 횡단선 필터;
    상기 횡단선 필터에 의해 출력되는 출력신호가 기준신호를 따라가도록 적응시키기 위하여 가중치를 갱신하고, 상기 제어부로부터 갱신 과정을 제어받는 적응 가중치 갱신부;
    상기 횡단선 필터로부터 출력된 출력신호가 음성신호인지 판단하기 위해 상기 출력신호를 분석하고, 상기 가중치 갱신을 제어하는 제어부; 및
    상기 횡단선 필터의 출력신호를 복원 필터링시켜 출력하는 복원 필터
    를 포함하는 적응 소음 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    기설정된 상수(constant) 또는 백색잡음(white noise)으로부터 상기 횡단선 필터의 출력을 감산한 오차신호를 상기 적응 가중치 갱신부에 입력하는 가산부를 추가로 포함하는 적응 소음 제거 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 음성신호의 크기를 감지하여 음성신호가 들어왔는지 여부를 판별하고, 상기 음성신호가 들어온 경우, 상기 적응 가중치 갱신부가 상기 횡단선 필터에 입력되는 가중치 갱신을 멈추게 하는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 출력신호에 대해 1㎑ 미만의 주파수 영역에서의 최고값과 1㎑ 이상 주파수 영역에서의 최고값을 비교하여 상기 입력신호가 음성신호로 판별될 경우, 상기 출력신호를 복원필터에 입력하는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적응 가중치 갱신부는 기준신호로 일반 상수값 또는 백색 잡음을 사용하여 입력받은 신호를 기준신호로 필터링하도록 가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적응 가중치 갱신부는 상기 음성신호가 입력된 경우, 상기 가중치 갱신이 멈추는 시점을 기준으로 바로 이전 횡단선 필터에 입력되는 계수의 역수를 상기 복원 필터의 계수로 정하는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 장치.
  7. 입력신호에 대해 음성 성분이 존재하지 않는 고주파 대역을 차단하고, 음성 대역만 통과시키는 전처리 과정을 수행하는 단계;
    상기 전처리된 입력신호에 대해 횡단선 필터링을 수행하는 단계;
    상기 횡단선 필터링에 의해 출력되는 출력신호가 기준신호를 따라가도록 적응시켜 가중치를 갱신하는 단계;
    상기 출력신호를 기준값과 비교하는 단계;
    상기 출력신호가 기준값보다 클 경우, 상기 가중치 갱신을 정지하고, 복원 필터 계수를 정하는 단계; 및
    상기 출력신호가 음성신호인 경우, 상기 복원 필터 계수에 따라 복원 필터링시켜 출력하는 단계
    를 포함하는 적응 소음 제거 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 횡단선 필터링 단계는 소음과 음성신호가 섞여있는 입력신호에서 상기 소음을 제거한 출력신호를 만드는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 음성신호는 1㎑ 미만의 주파수 영역에서의 최고값과 1㎑ 이상 주파수 영역에서의 최고값을 비교하여 판별되는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 가중치 갱신 단계의 기준신호는 상수 값(DC 값) 또는 백색 잡음인 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    음성신호가 입력된 경우, 상기 가중치 갱신이 멈추는 시점을 기준으로 바로 이전 횡단선 필터에 입력되는 계수의 역수를 상기 복원 필터의 계수로 정하는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 출력신호가 기준값보다 크지 않은 경우, 상기 가중치를 계속 갱신하는 것을 특징으로 하는 적응 소음 제거 방법.
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