KR100915112B1 - 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템 - Google Patents

음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템

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Abstract

본 발명은 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음원의 위치를 판단하기 위해 2개 이상의 아날로그 음원신호(마이크 신호)를 복수 비트의 디지털 신호로 변환하여 샘플링함으로써 연산부하를 감소시켜 고성능 제어기(예를 들어, 32비트 프로세서)가 아닌 저성능 제어기(예를 들어, 8비트 프로세서)를 통해서도 음원의 지연시간을 산출하여 음원 위치 측정이 가능하므로 시스템 제공을 위한 제작 단가를 낮출 수 있는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템에 관한 것이다.

Description

음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템 {Sound Signal Process System For Measuring Position Of Sound Source}
본 발명은 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음원의 위치를 판단하기 위해 2개 이상의 아날로그 음원신호(마이크 신호)를 복수 비트의 디지털 신호로 변환하여 샘플링함으로써 연산부하를 감소시켜 고성능 제어기(예를 들어, 32비트 프로세서)가 아닌 저성능 제어기(예를 들어, 8비트 프로세서)를 통해서도 음원의 지연시간을 산출하여 음원 위치 측정이 가능하므로 시스템 제공을 위한 제작 단가를 낮출 수 있는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래의 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템은 음원의 위치를 판단하기 위해 2개 이상의 음원신호(마이크 신호)를 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 역할을 수행하는 보이스 코덱(110)을 통해 보통 8KHz (1초당 8000번) 이상으로 고속으로 샘플링한 후 취득된 신호를 디지털 신호 처리기(DSP)와 같은 제어기(120)를 이용하되, 고성능의 제어기(예를 들어, 32비트 프로세서)를 사용하여 지연시간을 측정한 후 3각법 등을 이용하여 음원의 위치를 판별한다.
상기 보이스 코덱(110)은 아날로그 음원 신호를 디지털 신호로 고속으로 샘플링한다.
여기서, 지연시간 측정 후 3각법 등을 이용하여 음원의 위치를 판별하는 방법은 본 발명의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 뿐만 아니라, 본 발명의 핵심에서 벗어나는 부분이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 종래의 음성 신호 처리 시스템은 음원을 16KHz 이상의 고속으로 샘플링할 수 있는 기기와 상기 고속으로 샘플링된 신호를 분석하기 위한 고성능 제어기를 필요로 하므로 시스템 구성을 위한 단가가 지나치게 높아져서 보급화가 어려운 문제가 있었다.
또한, 고성능 제어기를 사용한다 하더라도 음원의 샘플링 및 분석하는 동안에는 제어기가 다른 기능을 수행하지 못하므로 제어기의 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 아날로그 음원신호를 복수 비트의 디지털 신호로 변환하여 연산 부하를 감소시켜 고속의 샘플링을 위한 기기와 고성능 프로세서가 없이도 음원 위치 측정이 가능한 음성 신호 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템은 2 이상의 음원 신호로부터 지연 시간을 산출하여 음원 위치를 측정하는 음성 신호 처리 시스템에 있어서, 상기 2 이상의 음원 신호를 복수 비트의 디지털 신호로 변환하는 아날로그 처리부와 상기 아날로그 처리부로부터 변환된 디지털 신호로부터 지연시간을 산출하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어기는 저성능의 8비트 프로세서로 처리 가능한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 아날로그 처리부는 상기 2 이상의 아날로그 음원신호를 증폭하는 증폭기와 상기 증폭기로부터 증폭된 신호를 복수 비트의 디지털 신호로 변환하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 증폭기와 비교기 사이에 상기 증폭기로부터 증폭된 신호를 정류하는 전파 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 비교기는 상기 증폭기로부터 증폭된 아날로그 음성 신호가 미리 설정된 기준값(REF)보다 큰 구간을 "1"로 판단하고, 기준값(REF)보다 작은 구간을 "O"으로 판단하여 2비트 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비교기 후단에 증폭된 신호를 복수 비트의 디지털 신호로 변경하면서 발생하는 채터링을 방지하기 위해 슈미트 트리거 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 비교기와 제어기 사이 또는 상기 슈미트 트리거 회로와 제어기 사이에 형성되어 상기 디지털 변환된 신호를 고속으로 샘플링하는 시리얼 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 시리얼 메모리는 FIFO(First In First Out) 또는 FILO(First In Last Out) 메모리인 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템은 고속의 샘플링을 위한 기기(예를 들어, ADC)나 고성능 제어기(예를 들어, 32비트 프로세서)가 없이도 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템 구현이 가능하여 연산 부하 감소로 시스템 점유율이 낮을 뿐만 아니라 낮은 시스템 요구조건만으로 처리가 가능하고, 시스템 제작 단가를 낮출 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
도 1은 종래의 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템의 블럭도이다.
도 3은 종래의 ADC를 이용하여 아날로그 음성 신호를 디지털 신호로 변환하하는 것(a)과 본 발명에 따른 증폭기 및 비교기를 이용하여 아날로그 음성 신호를 2비트 디지털 신호로 변환하는 것(b)을 비교한 파형도이다.
도 4는 도 1에 전파 정류기를 더 포함하는 시스템 구성도이고, 도 5는 도 1에 슈미트 트리거 회로와 시리얼 메모리를 더 포함하는 시스템 구성도이다.
도 6은 지연시간 산출을 위한 음원신호의 파형 예시도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
20 : 아날로그 처리부 210 : 증폭기
220 : 비교기 230 : 전파 정류기
240 : 슈미트 트리거 회로 30 : 제어기
40 : 시리얼 메모리
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템의 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 음성 신호 처리 시스템은 2 이상의 아날로그 음원 신호를 ON/OFF 제어에 의해 2비트(0,1)의 디지털 신호로 변환하는 아날로그 처리부(20)와 상기 아날로그 처리부로부터 변환된 디지털 신호로부터 지연시간을 산출하는 제어기(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 실시예는 아날로그 음원 신호를 2비트(0,1)의 디지털 신호로 변환하는 경우에 대한 것이지만, 이외에도 복수 비트의 디지털 신호(예를 들어, 4비트, 8비트)로 변환할 수도 있음은 자명한 것이다.
여기서, 상기 제어기(30)는 8비트 프로세서와 같은 저성능의 제어기로 구현될 수 있다.
상기 아날로그 처리부(20)는 2 이상의 음원 신호를 증폭하는 증폭기(210)와 상기 증폭기로부터 증폭된 신호를 2비트(0,1)의 디지털 신호를 변환하는 비교기(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 증폭기(210)는 상기 비교기(220)가 정밀하게 디지털 신호 검출을 하기 위해 마이크를 통해 입력된 2 이상의 아날로그 음원 신호를 증폭하는 기능을 수행한다. 여기서, 상기 증폭기(210)를 디지털 차동 증폭기로 구성할 경우, 상기 비교기(220) 없이 구성할 수 있다.
그리고, 상기 비교기(220)는 상기 증폭기(210)로부터 증폭된 신호를 입력받아 미리 설정된 기준값(REF)을 초과하는지 여부를 비교하여 2비트(0,1)의 디지털 신호로 변환한다.
도 3은 종래의 ADC를 이용하여 아날로그 음성 신호를 디지털 신호로 변환하하는 것(a)과 본 발명에 따른 증폭기 및 비교기를 이용하여 아날로그 음성 신호를 2비트 디지털 신호로 변환하는 것(b)을 비교한 파형도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 도 3(a)와 같이 ADC를 이용하여 아날로그 음성 신호를 디지털 신호로 변환하는 경우 모든 아날로그 구간에 대한 고속의 샘플링이 반드시 필요하지만, 도 3(b)와 같이 본 발명에 따른 증폭기(210) 및 비교기(220)를 이용한 아날로그 음성신호의 디지털 신호로의 변환은 2비트(0,1)의 단순한 디지털 데이터로 변환하기 때문에 별도의 샘플링이 필요하지 않다.
보다 구체적으로, 상기 비교기(220)는 미리 설정된 기준값(REF)을 저장하고, 상기 증폭기(210)로부터 증폭된 신호 중 상기 기준값(REF)보다 큰 신호 구간을 "1(ON)"로 판단하고, 상기 기준값(REF)보다 작은 신호 구간을 "0(OFF)"으로 판단하여 2비트의 디지털 신호로 변환한다. 따라서, 본 발명은 아날로그 음성신호를 단순한 2비트(0,1) 디지털 신호로 변환하기 때문에 고속의 샘플링 기기(예를 들어, ADC)가 필요 없다.
여기서, 상기 기준값(REF)은 증폭기로부터 음원신호가 증폭되는 비율에 따라 임의대로 결정될 수 있다.
그리고 도 4와 같이 상기 증폭기(210)와 비교기(220) 사이에 정류기(230)를 더 포함하여, 기준값(REF) 보다 신호크기가 작더라도 음성 신호의 특징을 포함하는 신호가 검출되도록 하여 정밀도를 높일 수 있다.
그리고, 도 5와 같이 비교기 후단에 아날로그 신호를 2비트 디지털 신호로 변경하면서 발생하는 채터링(Chattering)을 방지하기 위해 슈미트 트리거 회로(Schmitt trigger circuit, 240))를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 슈미트 트리거 회로(240)는 히스테리시스(hysteresis) 특성에 의해 디지털 신호가 "0"에서 "1"로 변할때, 또는 "1"에서 "0"으로 변할때 잡음(noise)에 의한 변화인지를 구분하게 되어 채터링을 방지할 수 있다.
상기와 같이 증폭기(210) 및 비교기(220)를 통해 2비트의 디지털 신호로 변환된 후에는 상기 변환된 디지털 신호를 이용하여 제어기(30)를 통해 지연시간을 산출한다.
여기서, 2 개의 음성 신호(마이크 신호)로부터 지연시간을 산출하는 방법은 도 6과 하기의 수학식으로부터 산출될 수 있다.
상기 수학식에서 f가 최대가 되는 경우를 찾으면 지연시간을 알 수 있으며, τ= m인 경우에 f가 최대가 된다.
상기의 수학식은 종래에도 지연시간을 산출하기 위해 사용되는 일반적인 식이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
결국, 본 발명의 특징은 아날로그 음성 신호를 2비트(0,1)의 디지털 신호로 변환하여 연산부하를 최소화한 상태에서 상기의 일반적인 수학식을 통해 f의 최대값을 찾는 방법에 의해 신호 지연을 산출하는 것이다.
즉, 종래의 고속 샘플링 기기(예를 들어, ADC)를 사용하는 경우 8KHz 이상 통상적으로 16KHz의 고속 샘플링이 필요하고 통상적으로 16비트로 샘플링하므로 음성 신호는 0 ~ 65,535(0 ~ 216-1) 값을 갖기 때문에 예를 들어, 1000개의 샘플일 경우(n=1000) f의 값이 지나치게 커지게 되므로 소수점 연산을 하게 되지만, 본 발명에 따라 아날로그 음성신호가 2비트(ON/OFF, 0/1)의 디지털 신호로 변환된 경우 f값을 구하기 위해 정수 연산으로 충분하며, f값이 아무리 커져도 1000이상이 될 수 없으므로 연산기간을 단축할 수 있으며, 연산 부하가 적기 때문에 8비트 프로세서 만으로도 신호 처리가 가능하게 된다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 상기 2비트의 디지털 신호(ON/OFF, 1/0)는 아날로그 신호의 특성(음의 크기와 주파수)을 완벽히 나타낼 수 없고 단지 아날로그 신호의 주파수와 음 크기 2가지 요소의 변화에 따라 ON되는 시간이 변화한다. 따라서 음 크기의 변화에 따른 ON되는 시간이 길어지는 것과 주파수가 낮아짐으로 인한 ON되는 시간이 길어지는 것을 구분할 수 없다.
이러한 이유로 인하여 ON/OFF(1/0) 디지털 신호를 이용하여 아날로그 신호의 원 특성을 복원할수 없으며 신호의 주파수와 음량을 적절히 조절하면 아날로그 신호 파형은 다르지만 ON/OFF 디지털 신호는 동일하게 나타날 수 있는 문제가 있다.
그러나, 음원의 위치를 찾는 경우 동일 신호에 대한 2개 이상의 마이크 응답 차이가 주된 요소이기 때문에 상기에서 언급한 문제점은 음원 위치 추적의 경우 적용되지 않는다.
즉 동일한 소리에서 각각 측정된 ON/OFF(1/0) 디지털 신호는 음의 시간 지연을 측정하기에는 충분한 원음의 특성을 포함하고 있기 때문에 음의 시간 지연만을 측정하는 음원위치 파악의 경우 아날로그 신호를 ON/OFF(1/0) 디지털 신호로 변경하여 측정해도 무리가 없으며 연산부하를 대폭 감소시킬 수 있다.
그리고, 상기와 같은 방법에 의해 지연시간이 측정되면 3각법 등을 이용하여 음원의 위치를 판별한다.
여기서, 구체적인 음원의 위치 산출 방법은 다수의 논문을 통해 개시되어 있으므로 본 발명의 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명할 뿐만 아니라, 본 발명의 특징에서 벗어나는 부분이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 본 발명은 저성능의 제어기(예를 들어, 8비트 프로세서)만으로 지연시간을 산출할 때 정밀도가 낮은 경우, 도 5와 같이 상기 슈미트 트리거 회로와 제어기 사이(슈미트 트리거 회로가 없는 경우 비교기와 제어기 사이)에 고속 샘플링이 가능한 시리얼 메모리(40)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 시리얼 메모리는 FIFO(First Input First Output) 또는 FILO(First Input Last Output) 메모리 등으로 구성될 수 있다.
상기 시리얼 메모리는 시리얼로 입력되고 시리얼로 출력되므로 상기 비교기로부터 입력된 2비트 디지털 신호를 고속으로 샘플링하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있으므로 저성능의 제어기(예를 들어, 8비트 프로세서)를 사용한다 하더라도 처리가 가능하며, 상기 시리얼 메모리(40)에 저장한 후 시리얼로 출력하여 처리가 가능하므로 제어기(30)가 다른 기능을 수행하는 경우 중단없이 처리가 가능한 탁월한 효과가 발생한다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 2 이상의 음원 신호로부터 지연 시간을 산출하여 음원 위치를 측정하는 음성 신호 처리 시스템에 있어서,
    상기 2 이상의 아날로그 음원 신호를 4비트 이하의 복수 비트의 디지털 신호로 변환하는 아날로그 처리부 및;
    상기 아날로그 처리부로부터 변환된 4비트 이하의 복수 비트의 디지털 신호로부터 지연시간을 산출하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는
    저성능의 8비트 프로세서인 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아날로그 처리부는
    상기 2 이상의 아날로그 음원신호를 증폭하는 증폭기와;
    상기 증폭기로부터 증폭된 신호를 복수 비트의 디지털 신호로 변환하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 증폭기와 비교기 사이에 상기 증폭기로부터 증폭된 신호를 정류하는 전파 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 비교기는
    상기 증폭기로부터 증폭된 아날로그 음성 신호가 미리 설정된 기준값(REF)보다 큰 구간을 "1"로 판단하고, 기준값(REF)보다 작은 구간을 "O"으로 판단하여 2비트 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 비교기 후단에
    증폭된 신호를 복수 비트의 디지털 신호로 변경하면서 발생하는 채터링을 방지하기 위해 슈미트 트리거 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  7. 제 1에 있어서,
    상기 아날로그 처리부와 제어기 사이에 형성되어 상기 디지털 변환된 신호를 고속으로 샘플링하는 시리얼 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 슈미트 트리거 회로와 제어기 사이에 형성되어 상기 디지털 변환된 신호를 고속으로 샘플링하는 시리얼 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
  9. 제 7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 시리얼 메모리는
    FIFO(First In First Out) 또는 FILO(First In Last Out) 메모리인 것을 특징으로 하는 음원 위치 측정을 위한 음성 신호 처리 시스템.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20020010258A (ko) * 2000-07-28 2002-02-04 김인광 자동 방향 검출 장치 및 그 방법
KR20060086231A (ko) * 2005-01-26 2006-07-31 삼성전자주식회사 이동체 제어 장치 및 방법

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