KR101009867B1 - 통신 단말을 위한 음향반향 제거기 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통신 단말에서 동시통화구간에서 통화음질 열화를 최소화하는 음향 반향 제거 방법 및 장치에 관한 것이다. 역상관기는 상기 통신 단말의 스피커로 출력되기 이전의 원단화자 신호를 소정 백색화 차수에 의해 백색화하고, 오차전력 계산기는 이전 오차신호의 전력을 계산한다. 적응 필터는 상기 백색화 신호와 상기 백색화 차수와 상기 이전 오차신호의 전력 및 필터링 탭수를 고려하여 반향신호의 추정을 위한 필터링 계수를 갱신하고, 상기 필터링 계수를 상기 원단화자 신호에 적용하여 추정반향 신호를 출력한다. 감산기는 상기 통신 단말의 마이크로 입력되는 기대신호에서 상기 추정반향 신호를 감산하여 오차신호를 생성한다. 여기서 적응 필터는 근단화자 신호와 원단화자 신호가 동시에 나타나는 동시통화 구간과 어느 한 신호만이 나타나는 단일통화 구간에서 동일한 적응 알고리즘을 사용하여 상기 필터링 계수를 갱신한다.

ACOUSTIC ECHO, DOUBLE TALK, AP, LMS, NLMS, LS, PRE-WHITENING

Description

통신 단말을 위한 음향반향 제거기 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CANCELING ACOUSTIC ECHO IN COMMUNICATION TERMINAL}

도 1은 전형적인 음향 반향 제거기의 상세 구성도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음성반향 제거를 위한 동작을 나타낸 흐름도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향반향 제거기의 구성을 나타낸 도면.

본 발명은 음향 반향 제거에 관한 것으로서, 특히 통신 단말에서 동시통화구간에서 통화음질 열화를 최소화하는 방법에 관한 것이다.

통신 단말을 이용하여 통화를 하는 경우 원단화자의 신호가 근단화자 단말기의 스피커를 통해 마이크로 유입되어 근단화자의 전송단으로 되돌아가는 것을 음향 반향(Acoustic Echo)이라고 한다. 특히 회의실에서 스피커폰 모드로 통화하거나 자 동차안에서 핸즈프리 모드로 통화하는 경우 음향반향은 통화 음질을 열화시켜 통화에 지장을 초래할 정도가 된다. 또한 배경잡음은 음향반향과 함께 음질을 저하시키는 주요한 원인이다. 따라서 통신 단말의 스피커와 마이크 사이에서는 적응 필터를 이용하여 반향신호의 경로를 추정하고 기대신호에서 잡음과 반향신호에 의한 영향을 제거하는 반향 제거기(Echo Canceller)가 사용된다.

도 1은 전형적인 음향 반향 제거기의 상세 구성도이다.

상기 도 1을 참조하면, 적응 필터(14)는 기준신호로서 입력되는 원단화자 신호 x(k)와 오차신호 e(k)를 이용하여 지속적으로 반향 발생 경로의 임펄스 응답을 추정한다. 여기서 k는 시간 인덱스를 의미하며, 그 단위는 필터링 탭수에 따라 정해진다. 또한 반향 발생 경로라 함은 근단화자 단말의 스피커(10)로부터 근단화자 단말의 마이크(12)로의 경로를 의미한다. 이때, 추정에 사용되는 적응 알고리즘으로는 최소자승평균(Least Mean Square: LMS), 정규화 최소자승평균(Normalized LMS: NLMS), 정사영(Affine Projection: AP) 등이 사용된다.

적응 필터(14)는 상기 추정된 임펄스 응답을 이용하여 추정 반향 신호 y'(k)를 발생시켜 감산기(16)에 전달한다. 그러면 감산기(16)는 반향을 포함하고 있는 기대 신호 d(k)에서 상기 추정 반향 신호 y'(k)를 차감함으로써 반향이 제거된 오차신호 e(k)를 발생시킨다.

상기한 바와 같이 구성되는 종래 기술에 따른 음향 반향 제거기에서 사용되는 적응 알고리즘들은 근단화자 신호의 크기가 갑자기 변할 경우에, 즉 큰 잡음이 발생하는 경우에 필터링 계수들이 발산하여 반향을 정확하게 추정하지 못하였다. 특히 근단화자와 원단화자가 동시에 통화하는 동시통화 상황인 경우에는 원단화자 신호의 반향신호와 더불어 근단화자 신호가 동시에 존재하기 때문에, 적응필터가 근단화자 신호의 영향으로 반향신호를 정확하게 추정하지 못하여 필터의 계수가 발산한다는 문제점이 발생한다. 따라서 종래 기술의 음향 반향 제거기는 동시통화 상황에서는 적응 알고리즘의 수행을 중지하고, 이전 필터링 계수를 사용하여 반향을 제거함으로써 반향 경로의 추정 임펄스 응답이 발산하는 것을 막게 된다.

동시 통화 검출(Double Talk Detection: DTD)을 위한 방법으로는 신호의 전력을 이용하는 방법과 상호 상관도(Cross Correlation)를 이용하는 방법이 있다. 신호의 전력을 이용하는 방법은 원단화자 신호와 기대신호의 전력을 비교하여 그 차이가 크면 동시통화로 판단하는 것인데 계산량에 비해 동시통화 구간을 정확하게 검출하지 못한다는 문제가 있었다. 오차 신호와 기준신호의 상호 상관도를 이용하는 방법 역시 계산량이 많고 또한 통화 음질이 저하되는 문제를 해소하기 위한 어떠한 해결책도 제시하고 있지 못하다는 문제점이 있었다.

따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 통신 단말에서 동시통화 구간에서 통화음질 열화를 최대한 줄이기 위한 방법을 제공한다.

본 발명은 동시통화 검출 알고리즘을 사용하지 않으면서 동시통화 구간에서도 통화음질의 열화를 최소화하는 음향반향 제거 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 통신 단말을 위한 음성반향 제거 방법은, 상기 통신 단말의 스피커로 출력되기 이전의 원단화자 신호를 소정 백색화 차수에 의해 백색화 신호로 백색화하는 과정과, 이전 오차신호의 전력을 계산하는 과정과, 상기 백색화 신호와 상기 백색화 차수와 상기 이전 오차신호의 전력 및 필터링 탭수를 고려하여 반향신호의 추정을 위한 필터링 계수를 적응적으로 갱신하는 과정과, 상기 필터링 계수를 상기 원단화자 신호에 적용하여 추정반향 신호를 생성하고, 상기 통신 단말의 마이크로 입력되는 기대신호에서 상기 추정반향 신호를 감산하여 오차신호를 생성하는 과정을 포함한다.

또한 본 발명에 따른 통신 단말을 위한 음성반향 제거 장치는, 상기 통신 단말의 스피커로 출력되기 이전의 원단화자 신호를 소정 백색화 차수에 의해 백색화 신호로 백색화하는 역상관기와, 이전 오차신호의 전력을 계산하는 오차전력 계산기와, 상기 백색화 신호와 상기 백색화 차수와 상기 이전 오차신호의 전력 및 필터링 탭수를 고려하여 반향신호의 추정을 위한 필터링 계수를 적응적으로 갱신하고, 상기 필터링 계수를 상기 원단화자 신호에 적용하여 추정반향 신호를 생성하는 적응 필터와, 상기 통신 단말의 마이크로 입력되는 기대신호에서 상기 추정반향 신호를 감산하여 오차신호를 생성하는 감산기를 포함한다.

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이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

후술되는 본 발명은 음향반향 제거기에서 동시통화 구간의 잡음 증폭을 해소하기 위한 적응 알고리즘을 제공한다. 음향반향 제거기에서 사용되는 적응 알고리즘은 필터링 차수가 높아질수록 필터링 계수가 임계값을 넘어 발산하여 필터링 계수가 부정확하게 갱신되었으며, 필터링 차수가 높아질수록 근단 화자 신호의 크기에 따라 발산하는 정도가 커졌다. 따라서 본 발명에서는 적응 알고리즘에서 필터링 차수와 백색화 차수 및 오차 신호의 전력에 의한 영향을 감소시켜 동시통화 구간에서 발생하는 문제점을 해소한다.

이하 본 발명에 따른 적응 알고리즘을 설명하기에 앞서 전형적인 적응 알고리즘에 대하여 설명하기로 한다.

앞서 언급한 도 1을 참조하면, 적응 필터(14)는 원단화자의 신호 x(k)를 입력으로 이용하고 음성반향 제거 알고리즘에 따라 구해진 필터링 계수를 상기 x(k)에 적용하여 추정반향 신호 y'(k)를 기대신호 d(k)에서 감산하여 원단화자의 신호를 제거한다. 여기서 기대신호 d(k)는 근단화자 단말의 스피커(10)로부터 근단화자 단말의 마이크(12)로 유입되는 반향 신호 y(k)와 근단화자의 음성신호 s(k)와 주변잡음 신호 n(k)의 합으로 이루어진다. 즉, 하기의 <수학식 1>이 성립한다.

오차신호 e(k)는 기대신호 d(k)로부터 추정반향 신호 y'(k)를 감산함으로써 하기의 <수학식 2>에 따라 구해진다.

여기서 r(k)은 반향제거 알고리즘의 성능이 좋을수록 작아지며, r(k)이 작을수록 원단화자에게 전달되는 반향신호가 작게 된다. r(k)를 최소화하기 위한 알고리즘으로 대표적인 것은 최소자승평균(Least Mean Square: LMS)이다. LMS 알고리즘의 갱신 결과식은 다음 <수학식 3>과 같다.

여기서 W(k)는 적응 필터의 계수들을 나타내는 벡터로서, 적응 필터의 탭수가 L(통상의 경우 128탭)인 경우 L개의 계수들 w₁, w₂, ... w_L로 이루어진다. 또한 mu(k) 는 실험적으로 결정되는 적응상수이며, e(k)는 근단화자의 마이크로 입력되는 기대신호에서 적응 필터로부터의 추정반향 신호 y'(k)를 감산한 오차신호이고, X(k)는 원단화자의 신호이다. X(k) 또한 마찬가지로 적응 필터의 탭수 L에 따라 L개의 샘플들로 이루어진다.

상기 <수학식 3>와 같이 대표되는 LMS 알고리즘은 원단화자의 신호 X(k)가 계수의 갱신에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 개발된 정규화 LMS(Normalized LMS: 이하 NLMS라 칭함)는 적응상수

을 하기 <수학식 4>와 같이 원단화자 신호의 전력으로 정규화하여 사용함으로써 원단화자의 신호 X(k)의 변화에 따른 영향을 감소시킨다.

여기서 위첨자 T는 벡터의 전치(Transpose)를 의미한다.

그러나 상기한 NLMS 또한 자기 상관도가 높은 유색신호에 대해서는 취약하다는 단점이 있다. 여기서 유색신호라 함은 전 주파수 영역에 걸쳐서 발생하는 백색신호와는 달리 특정 주파수 영역에서만 발생하는 신호를 말하는 것으로서, 100MHz와 1KHz 사이에서 발생하는 음성 신호는 대표적인 유색신호가 된다. 따라서 음성신호에 보다 적합한 적응 필터의 개발을 위하여 정사영(Affine Projection: AP) 알고리즘이 개발되었다.

AP 알고리즘은 과거 신호들을 고려하여 원단화자 신호를 백색화(Pre-Whitening)함으로써 원단화자 신호의 상관도(Correlation)를 줄여 유색신호의 경우 필터링 계수의 적응 속도가 느려지는 단점을 해소한다. 차수가 높아질수록 계산량이 크게 증가함을 고려하여 2차의 정사영 알고리즘을 사용한다고 할 때 원단화자 신호 X(k)는 하기 <수학식 5>와 같이 백색화된다.

여기서 U(k)는 하나의 과거 신호 X(k-1)를 고려하여 백색화된 신호를 의미한다. 그러면 적응 필터의 필터링 계수는 하기 <수학식 6>에 의하여 적응적으로 갱신 된다.

앞서 설명한 바와 같이 오차신호 e(k)는 y(k) - X^T(k)·W(k)로 표현된다. 여기서 X(k)와 W(k)의 길이는 필터링 탭수와 동일한 L이므로 L 값이 커지게 되어 X^T(k)·W(k)가 너무 크게 되어 필터링 계수의 발산이 일어난다. 이러한 필터링 탭수에 의한 영향을 가급적 제거하기 위하여 본 발명에서는 적응 상수

을 정규화함에 있어서 입력신호의 전력뿐 아니라 필터링 탭수를 고려한다.

필터링 탭수 이외에 적응 알고리즘의 성능에 영향을 미치는 파라미터는 백색화 차수 P이다. 여기서 백색화 차수란 백색화에 고려되는 과거 신호의 개수를 의미하는 것으로서, 통상의 경우에는 성능의 개선과 계산량의 증가를 모두 고려하여 2차의 백색화가 사용되므로 P는 2가 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음성반향 제거를 위한 동작을 나타낸 흐름도이다.

상기 도 2를 참조하면, 과정(20)에서는 원단화자 신호 X(k)를 입력으로 하여 P차의 백색화된 신호 U(k)를 출력한다. 예를 들어 2차의 백색화를 수행하는 경우 U(k)는 앞서 언급한 <수학식 5>와 같다. 과정(22)에서는 기대신호 d(k)에서 추정반향 신호 y'(k)를 감산하여 생성되는 오차신호 e(k)를 이용하여 오차전력

을 구한다. 그러면 과정(24)에서는 상기 U(k)와 상기

에 의해 이전 필터링 계수 W(k-1)를 갱신함으로써 현재의 필터링 계수 W(k)를 적응적으로 구한다.

여기서 상기 과정(24)에서는 필터링 탭수 L과 백색화 차수 P 및 상기 오차전력에 따라 하기 <수학식 7>과 같이 필터링 계수를 갱신한다.

앞서 설명한 바와 같이 X^T(k)·W(k) 는 L에 비례하여 커지기 때문에 e(k)가 발산하게 되는데 그 영향을 없애기 위해 L을 사용하였다. 또한 P의 값이 커질수록 수렴속도는 빨라지지만 정상상태에서의 오차가 커지게 되는 문제를 해결하기 위해 P를 삽입하였다. 즉 상기 <수학식 7>에서 P 값이 커질수록 e(k)를 나누는 수도 커지게 되므로 정상상태에서 필터계수의 갱신과정에서의 영향을 줄일 수 있습니다. 마지막으로

을 사용하는 것은 e(k) 내에 있는 근단화자 주변잡음 및 원단화자의 음성신호, 그리고 근단화자의 음성신호에 의해 생길 수 있는 발산을 막기 위해서이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향반향 제거기의 구성을 나타낸 것이다.

상기 도 3을 참조하면, 역상관기(de-correlator)(38)는 원단화자 신호 x(k) 에 대하여 백색화를 수행하여 U(k)를 출력한다. 적응 필터(34)는 상기 U(k)와 오차전력 계산기(40)로부터 제공되는 오차전력을 이용하여 이전 필터링 계수를 갱신함으로써 적응적으로 필터링 계수를 계산하고, 상기 필터링 계수를 상기 U(k)에 적용하여 반향추정 신호 y'(k)를 출력한다.

여기서 상기 적응 필터(34)는 상기 언급한 <수학식 7>에 의하여 필터링 계수를 갱신한다. 상기 <수학식 7>은 동시통화 구간과 단일통화(Single Talk) 구간 모두에서 동일하게 적용 가능하다. 이는 필터링 탭수 L과 백색화 차수 P 및 오차전력을 고려함으로써 동시통화 구간에서 근단화자의 신호에 의해 필터링 계수가 부정확하게 갱신되는 현상을 최소화하였기 때문이다.

그러면 감산기(36)는 반향신호 y(k)와 잡음신호 n(k) 및 근단화자 신호 s(k) 등을 포함하고 있는 기대신호 d(k)에서 상기 추정반향 신호 y'(k)를 차감함으로써 반향이 제거된 오차신호 e(k)를 발생시킨다. 상기 오차신호 e(k)는 오차전력 계산기(40)로 제공되어 다음 필터링 계수의 갱신에 적용되기 위한 오차전력을 계산하는데 이용된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 구체적으로 상기 <수학식 7>은 AP 알고리즘에서 필터링 탭수와 백색화 차수 및 오차전력을 적용한 것이나, 음향반향 제거를 위해 알려진 다른 적응 알고리즘, 예를 들어 LMS, NLMS 및 LS(Least Square) 등에 본 발명을 적용 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 음향반향 제거기에서 동시통화를 검출하지 않고도 동시통화에 의한 필터링 계수 발산의 문제점을 해소함으로써 동시통화 검출의 정확도가 떨어질 경우에도 통화음질의 왜곡 현상을 최소화할 수 있다. 또한 본 발명에서는 동시통화 구간에서도 적응계수 갱신을 수행함으로써 통화 음질에 왜곡없이 원단화자의 신호를 제거 하여 근단화자의 신호를 좀더 좋은 음질로 청취할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 발명은 핸즈프리나 원격 회의용 통신 단말에서 통화 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 통신 단말을 위한 음성반향 제거 방법에 있어서,

   상기 통신 단말의 스피커로 출력되기 이전의 원단화자 신호를 소정 백색화 차수에 의해 백색화 신호로 백색화하는 과정과,

   이전 오차신호의 전력을 계산하는 과정과,

   상기 백색화 신호와 상기 백색화 차수와 상기 이전 오차신호의 전력 및 필터링 탭수를 고려하여 반향신호의 추정을 위한 필터링 계수를 적응적으로 갱신하는 과정과,

   상기 필터링 계수를 상기 원단화자 신호에 적용하여 추정반향 신호를 생성하고, 상기 통신 단말의 마이크로 입력되는 기대신호에서 상기 추정반향 신호를 감산하여 오차신호를 생성하는 과정을 포함하고,

   상기 필터링 계수는,

   하기 <수학식 8>에 의하여 갱신되고,

   <수학식 8>

   

   여기서 W(k)는 이전의 필터링 계수이고, U(k)는 상기 백색화 신호이고, L은 상기 필터링 탭수이고, P는 상기 백색화 차수이고,

   

   는 상기 이전 오차신호의 전력이고, e(k)는 상기 이전 오차신호임,

   상기 P는 2이며,

   상기 백색화 신호는,

   하기 <수학식 9>에 의하여 생성됨,

   <수학식 9>

   

   여기서 X(k)는 상기 원단화자 신호임을 특징으로 하는 음성반향 제거 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 필터링 계수를 적응적으로 갱신하는 과정은,

   근단화자 신호와 상기 원단화자 신호가 동시에 나타나는 동시통화 구간과, 상기 근단화자 신호와 상기 원단화자 신호 중 어느 한 신호만이 나타나는 단일통화 구간에서 동일한 적응 알고리즘을 사용하여 상기 필터링 계수를 갱신함을 특징으로 하는 음성반향 제거 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 기대신호는,

   근단화자 신호와 배경잡음과 상기 스피커로부터 상기 마이크로 입력되는 반향신호를 포함함을 특징으로 하는 음성반향 제거 방법.
7. 통신 단말을 위한 음성반향 제거 장치에 있어서,

   상기 통신 단말의 스피커로 출력되기 이전의 원단화자 신호를 소정 백색화 차수에 의해 백색화 신호로 백색화하는 역상관기와,

   이전 오차신호의 전력을 계산하는 오차전력 계산기와,

   상기 백색화 신호와 상기 백색화 차수와 상기 이전 오차신호의 전력 및 필터링 탭수를 고려하여 반향신호의 추정을 위한 필터링 계수를 적응적으로 갱신하고, 상기 필터링 계수를 상기 원단화자 신호에 적용하여 추정반향 신호를 생성하는 적응 필터와,

   상기 통신 단말의 마이크로 입력되는 기대신호에서 상기 추정반향 신호를 감산하여 오차신호를 생성하는 감산기를 포함하고,

   상기 필터링 계수는,

   하기 <수학식 10>에 의하여 갱신되고,

   <수학식 10>.

   

   여기서 W(k)는 이전의 필터링 계수이고, U(k)는 상기 백색화 신호이고, L은 상기 필터링 탭수이고, P는 상기 백색화 차수이고,

   

   는 상기 이전 오차신호의 전력이고, e(k)는 상기 이전 오차신호이고,

   상기 P는 2이고,

   상기 백색화 신호는,

   하기 <수학식 11>에 의하여 생성되고,

   <수학식 11>

   

   여기서 X(k)는 상기 원단화자 신호임을 특징으로 하는 음성반향 제거 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 적응 필터는,

   근단화자 신호와 상기 원단화자 신호가 동시에 나타나는 동시통화 구간과, 상기 근단화자 신호와 상기 원단화자 신호 중 어느 한 신호만이 나타나는 단일통화 구간에서 동일한 적응 알고리즘을 사용하여 상기 필터링 계수를 갱신함을 특징으로 하는 음성반향 제거 장치.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 7 항에 있어서, 상기 기대신호는,

    근단화자 신호와 배경잡음과 상기 스피커로부터 상기 마이크로 입력되는 반향 신호를 포함함을 특징으로 하는 음성반향 제거 장치.

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