KR101086624B1 - System for removing noise in headset of stfd type - Google Patents
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Abstract
본 발명은 STFD(Single Transducer Full Duplex)에서 헤드셋을 통해 입력되는 음성신호에 포함된 노이즈를 제거하여 음질을 개선하는 STFD용 헤드셋에서의 잡음 제거 시스템에 관한 것으로, 프레임 단위로 입력된 STFD 신호를 타임 도메인에서 주파수 도메인으로 변환하는 직교변환부와, 상기 직교변환부를 통해 입력된 STFD 신호를 교차상관 방식으로 연산하여 현재 잡음에 가장 근접한 추정치를 검출하고, 검출된 추정치와 미리 설정된 임계값을 비교하여 음성 또는 잡음 여부를 판단하는 음성활동검출부와, 상기 음성활동검출부를 통해 신호의 잡음여부에 대한 정보를 제공받고 잡음에 대한 정보가 미리 설정된 시간블록 개수만큼 연속하여 나타나면 잡음 구간으로 규정하여 잡음 에너지를 업데이트하는 잡음업데이트부, 및 상기 음성활동검출부를 통해 입력된 STFD 신호에 상기 입력된 STFD 신호와 상기 잡음업데이트에 저장된 잡음 에너지를 더한 값을 나누고, 상기 나눠진 값에 적어도 1보다 큰 지수값을 곱하여서 잡음을 제거하는 잡음제거부를 포함한다.
STFD, 헤드셋, 음성, 잡음, 직교변환, 위너 필터
The present invention relates to a noise canceling system in a STFD headset that improves sound quality by removing noise included in a voice signal input through a headset in a single transducer full duplex (STFD). An orthogonal transform unit converting the domain into the frequency domain and the STFD signal inputted through the orthogonal transform unit are cross-correlated to detect an estimate closest to the current noise, and compares the detected estimate with a preset threshold. Alternatively, the voice activity detection unit which determines whether or not noise and the voice activity detection unit receive information on whether the noise of the signal, and when the information on the noise is continuously displayed by a predetermined number of time blocks, the noise section is defined to update the noise energy. A noise updater, and an STFD input through the voice activity detector And a noise removing unit configured to divide the signal by adding the input STFD signal and the noise energy stored in the noise update, and multiply the divided value by an exponent value greater than 1 to remove the noise.
STFD, Headset, Voice, Noise, Quadrature, Wiener Filter
Description
본 발명은 STFD(Single Transducer Full Duplex)에서 헤드셋을 통해 입력되는 음성신호에 포함된 노이즈를 제거하여 음질을 개선하는 STFD용 헤드셋에서의 잡음 제거 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a noise reduction system in a STFD headset for improving sound quality by removing noise included in a voice signal input through a headset in a single transducer full duplex (STFD).
기존의 Single Transducer Full Duplex(이하, 'STFD'라 함) 기술은 성대가 진동할 경우에 발생하는 유스타키오관을 통하여 고막으로 전달되는 미세한 음성을 헤드셋의 진동판으로 감지한 후 감지된 신호를 수백 배로 증폭시켜 음성을 전달한다. 즉, STFD 기술은 헤드셋이 음성의 입출력을 모두 담당할 수 있도록 하는 기술이다.Conventional Single Transducer Full Duplex (hereinafter referred to as 'STFD') technology amplifies the detected signal hundreds of times after detecting the fine voice delivered to the eardrum through the Eustachian tube generated when the vocal cords vibrate. To deliver voice. In other words, STFD technology is a technology that allows the headset to handle both the input and output of voice.
만일, 상기 STFD 기술이 탑재된 헤드셋을 휴대폰에서 사용할 경우, 헤드셋을 통해 음악을 듣고 있다가 전화가 오면 별도의 마이크없이 헤드셋으로 전화 통화가 가능하게 된다.When using the headset equipped with the STFD technology in a mobile phone, when a call is received while listening to music through the headset, a telephone call is possible without a separate microphone.
이와 같이 STFD 기술의 경우에는 기존의 입력장치와는 달리 체내의 유스타키오관(Eustachian tube)을 그 음성 전달 채널로 사용함에 따라 열악한 신호대잡음비를 갖는다. 따라서, 음성신호의 모든 주파수대역에서 백색 잡음과 같은 노이즈가 발생함에 따라 STFD 기술을 상용화하는 데 많은 걸림돌이 되므로 이러한 잡음을 없앨 수 있는 알고리즘에 대한 개발이 시급하다.In the STFD technology, unlike the conventional input device, the Eustachian tube of the body is used as the voice transmission channel and thus has a poor signal-to-noise ratio. Therefore, as noise, such as white noise, occurs in all frequency bands of the voice signal, it is an obstacle to commercialize STFD technology. Therefore, it is urgent to develop an algorithm that can eliminate such noise.
본 발명은 STFD(Single Transducer Full Duplex)에서 헤드셋을 통해 입력되는 음성신호에 포함된 백색 잡음과 주변 잡음과 같은 노이즈를 제거하여 보다 향상된 음질을 제공할 수 있는 STFD용 헤드셋에서의 잡음 제거 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a noise reduction system in a headset for STFD that can provide a better sound quality by removing noise such as white noise and ambient noise included in the voice signal input through the headset in a single transducer full duplex (STFD) It is to.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned above may be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 STFD용 헤드셋에서의 잡음 제거 시스템은, 프레임 단위로 입력된 STFD 신호를 타임 도메인에서 주파수 도메인으로 변환 하는 직교변환부; 상기 직교변환부를 통해 입력된 STFD 신호를 교차 상관(cross correlation) 방식으로 연산하여 현재 잡음에 가장 근접한 추정치를 검출하고, 검출된 추정치와 미리 설정된 임계값을 비교하여 음성 또는 잡음 여부를 판단하는 음성활동검출부; 상기 음성활동검출부를 통해 신호의 잡음여부에 대한 정보를 제공받고 잡음에 대한 정보가 미리 설정된 시간블록 개수만큼 연속하여 나타나면 잡음 구간으로 규정하여 잡음 에너지를 업데이트하는 잡음업데이트부; 상기 음성활동검출부를 통해 입력된 STFD 신호에 상기 입력된 STFD 신호와 상기 잡음업데이트에 저장된 잡음 에너지를 더한 값을 나누고, 상기 나눠진 값에 적어도 1보다 큰 지수값을 곱하여서 잡음을 제거하는 잡음제거부; 및 상기 잡음제거부에 의해 잡음이 제거된 주파수 도메인의 신호를 다시 타임 도메인의 음성신호로 변환하는 역직교변환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Noise reduction system in the STFD headset of the present invention for achieving the above object, Orthogonal conversion unit for converting the STFD signal input in units of frames from the time domain to the frequency domain; Voice activity that calculates the STFD signal input through the orthogonal transform unit in a cross correlation method to detect an estimate closest to the current noise, and compares the detected estimate with a preset threshold to determine voice or noise. Detection unit; A noise updater for providing noise information of the signal through the voice activity detection unit and updating noise energy by defining a noise section when information on the noise is continuously displayed by a predetermined number of time blocks; A noise removing unit for dividing the STFD signal input through the voice activity detector by adding the input STFD signal and the noise energy stored in the noise update, and multiplying the divided value by an exponent value greater than 1 to remove the noise. ; And an inverse orthogonal converter converting the signal in the frequency domain from which the noise is removed by the noise canceller, into a voice signal in the time domain.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 STFD 기술을 사용하는 헤드셋에서 음파전송 채널에 포함된 각종 잡음을 제거함에 따라 헤드셋의 음질을 보다 향상시켜 우수한 성능의 응용 기술을 구현할 수 있는 이점이 있다.As described above, the present invention has the advantage that the sound quality of the headset can be improved by removing various noises included in the sound wave transmission channel in the headset using the STFD technology, thereby implementing an excellent application technology.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. Like elements in the figures are denoted by the same reference numerals wherever possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 STFD용 헤드셋의 잡음 제거 시스템을 도시한 도면으로서, STFD용 헤드셋(100)은 샘플링부(110)와 직교변환부(120), 음성활동검출부(130), 잡음업데이트부(140), 잡음제거부(150) 및 역직교변환부(160)를 포함하여 이루어져 있다.1 is a diagram illustrating a noise reduction system of an STFD headset according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the
샘플링부(110)는 입력된 신호(x STFD (n))를 소정의 샘플링주파수로 샘플링하여 프레임 단위로 출력한다. The
직교변환부(120)는 상기 샘플링부(110)를 통해 입력된 프레임 단위의 STFD 신호를 타임 도메인(x(n))에서 주파수 도메인(x(k))의 신호로 변환하여 출력한다. 상기 직교 변환 방식은 DFT(Discrete Fourier Transform), FFT(Fast Fourier Transform) 또는 QMF(Quadrature Mirror Filterbanks) 등이 있다. 상기에서 직교변환부(120)는 직교 변환할 때 한 프레임의 샘플들을 가지고 직교 변환하는 것이 바람직하다.The
음성활동검출부(130; Voice Activity Detection)는 상기 직교변환부(120)를 통해 입력된 STFD 신호(x STFD (k))를 교차 상관(cross correlation) 방식으로 연산하여 현재 잡음에 가장 근접한 추정치를 검출하고, 검출된 추정치와 미리 설정된 임계값을 비교하여 음성 또는 잡음 여부를 판단하게 된다. Voice
잡음업데이트부(140)는 상기 음성활동검출부(130)를 통해 신호의 잡음여부에 대한 정보를 제공받고 잡음에 대한 정보가 미리 설정된 시간블록 개수만큼 연속하여 나타나면 잡음 구간으로 규정하여 잡음 에너지를 업데이트하여 저장한다.The
잡음제거부(150)는 음성활동검출부(130)를 통해 입력된 STFD 신호에, 상기 입력된 STFD 신호와 상기 잡음업데이트부(140)에 저장된 잡음 에너지를 더한 값을 나누어서 잡음을 제거하게 된다. 상기 잡음제거부(150)에서 잡음을 제거하는 알고리즘은 변형된 위너 필터(Modified Wiener Filter)의 일종으로, 변형된 위너 필터는 잡음을 STFD 신호에서 뺀 뒤에 분자에 대입하게 되지만, 본 발명의 잡음 제거 알고리즘은 STFD 신호에서 잡음을 더한 후 분모에 대입하는 것에 있어서 양자의 차이가 있다.The
역직교변환부(160)는 상기 잡음제거부(150)에 의해 잡음이 제거된 주파수 도메인의 음성신호를 다시 타임 도메인의 음성신호로 변환하여 출력하게 된다.The inverse
상기와 같이 구성된 잡음 제거 장치의 동작과정을 도 2의 플로우챠트를 이용하여 살펴보면 아래와 같다.An operation process of the noise canceling device configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG. 2.
샘플링부(110)는 입력된 STFD 신호(x STFD (n))를 소정의 샘플링주파수로 샘플링하여 프레임 단위로 출력한다(S1). 예컨대, STFD 신호(x STFD (n))의 샘플링주파수가 8kHz인 128개의 샘플을 신호처리 대상인 하나의 프레임으로 처리할 수 있다.The
이어, 직교변환부(120)는 상기 샘플링부(110)를 통해 입력된 프레임 단위의 타임 도메인의 신호(x(n))를 주파수 도메인의 신호(x(k))로 변환하여 출력한다(S2). 상기 직교 변환 방식은 DFT(Discrete Fourier Transform), FFT(Fast Fourier Transform) 또는 QMF(Quadrature Mirror Filterbanks) 등이 있다.Subsequently, the
상기와 같이 주파수 도메인으로 변환된 STFD 샘플들(X STFD (k+n))은 음성활동검출부(130)를 통해 교차 상관(cross correlation) 방식으로 연산되고, 음성활동검출부(130)는 현재 잡음에 가장 근접한 추정치를 검출한 후 검출된 추정치와 미리 설정된 임계값을 비교하여 음성 또는 잡음 여부를 판단하게 된다(S3).STFD samples transformed into the frequency domain as described above ( X STFD (k + n) ) are calculated in a cross correlation manner through the
상기 음성 또는 잡음을 검출하는 교차 상관 알고리즘(VAD)은 아래 수학식 1과 같다.The cross correlation algorithm (VAD) for detecting the speech or noise is expressed by
여기서, N은 샘플 개수이고, n은 샘플의 타임 인덱스이다.Where N is the number of samples and n is the time index of the sample.
즉, 상기 음성활동검출부(130)는 잡음이 시간, 공간에 따라 변하는 경우에는 주기적으로 수학식 1을 계산해서 현재의 잡음에 가장 근접한 추정치를 찾아내고, 그리고 추정치가 미리 설정된 임계치(Threshold)를 초과할 경우에는 유효신호를 의미하는 1을 부여하고, 이하인 경우에는 잡음을 의미하는 0을 부여한다.That is, when the noise varies according to time and space, the
이어, 잡음업데이트부(140)는 상기 음성활동검출부(130)를 통해 신호의 잡음여부에 대한 정보를 제공받고 잡음에 대한 정보가 미리 설정된 시간블록 개수만큼 연속하여 나타나면 잡음 구간으로 규정하여 잡음 에너지를 업데이트하여 저장한다(S4). 즉, 기본적인 신호처리 단위인 8개 시간 블록에 대해서 모두 0이 나온 경우, 즉 8개의 VAD가 모두 0인 경우에만 잡음 구간으로 규정하고, 이때 아래 수학식 2에 의해 잡음 에너지()를 업데이트하여 저장할 수 있다.Then, the
여기서, 는 잡음계수로서, 0보다 크고 1보다 작은 값(예를 들어, 0.99)이다.here, Is the noise coefficient, which is a value greater than 0 and less than 1 (for example, 0.99).
이어, 잡음제거부(150)는 음성활동검출부(130)를 통해 입력된 STFD 신호(X STFD (k))에 상기 잡음업데이트부(140)에 저장된 잡음 에너지()를 나누는 잡음제거 알고리즘을 통해 잡음을 제거하게 된다(S5). 상기 잡음제거 알고리즘은 아래 수학식 3과 같다.Subsequently, the
여기서, 지수 p는 1보다 크고 10보다 같거나 작은 수(1<p≤10)이다.Here, the exponent p is a number greater than 1 and greater than or equal to 10 (1 < p ≦ 10).
본 발명에서 잡음을 제거하는 기본적인 원리는 잡음에 의해 훼손되는 신호 복원시 주로 사용되는 위너 필터(Wiener Filter)에 기반한다. 일반적으로 사용되는 위너 필터의 경우 신호대잡음비가 매우 열악한 경우에 적용하였을 때 큰 효과를 보기 어렵다. 이에 따라 최근에는 아래 수학식 4와 같은 변형된 위너 필터(Modified Wiener Filter)가 사용되며, 이러한 변형된 위너 필터는 잡음 에너지에 상수(a)를 곱한 형식으로 유용한 신호까지 제거되는 것을 막는 우수한 알고리즘이다.In the present invention, the basic principle of removing noise is based on a Wiener filter, which is mainly used to recover a signal damaged by noise. In general, the Wiener filter generally used does not show a great effect when it is applied when the signal to noise ratio is very poor. Accordingly, a modified Wiener filter such as Equation 4 is used recently, and this modified Wiener filter is an excellent algorithm that prevents the removal of useful signals in the form of multiplying noise energy by a constant (a). .
여기서, 지수 q는 0보다 크고 1보다 작은 수(0<q<1)이다. Here, the index q is a number greater than 0 and less than 1 (0 < q <1).
본 발명에 의한 알고리즘과 변형된 위너 필터는 지수 값의 범위에 차이가 있고, 또한 변형된 위너 필터는 잡음을 STFD 신호에서 뺀 뒤에 분자에 대입하게 되지만, 본 발명의 잡음 제거 알고리즘은 STFD 신호(X STFD (k))에서 잡음(N(k))을 더한 후 분모에 대입하는 것에 있어서 차이가 있다.Algorithm and the modified Wiener filter according to the present invention can vary in the range of index values, and a modified Wiener filter, but the assignment of noise in the molecule followed by subtracting from STFD signal, noise suppression algorithm of the present invention STFD signal (X There is a difference in substituting denominators after adding noise ( N (k) ) from STFD (k) .
이와 같이 본 발명에서는 p값을 1보다 크게 함으로써 잡음 제거의 강도를 크게 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 p값을 너무 크게 하면 전체적인 주파수 영역의 모습을 바꿀 수 있기에 적절한 p값을 대입하는 것이 중요하다. 예컨대, LPC(Linear Prediction Coding) 기반 알고리즘의 경우 p값을 5로 할 수 있고, SBR(Spectral Bandwidth Replication) 기반 알고리즘의 경우 p값을 7로 할 수 있다.As described above, the present invention has an advantage that the intensity of noise cancellation can be increased by making p value larger than 1. However, it is important to assign an appropriate p value because making the p value too large can change the appearance of the entire frequency domain. For example, in the case of the LPC (Linear Prediction Coding) based algorithms can be a p-value of 5, in the case of (Spectral Bandwidth Replication) SBR-based algorithms can be a p-value of 7.
상기 잡음제거부(150)에 의해 잡음이 제거된 주파수 도메인의 음성신호는 역직교변환부(160)로 입력되고, 역직교변환부(160)는 주파수 도메인의 음성신호를 다시 타임 도메인의 음성신호로 변환하여 출력하게 된다(S6).The voice signal in the frequency domain from which the noise is removed by the
따라서, 본 발명에서는 STFD 입력신호에 포함된 주변 소음이나 장치 잡음 등을 제거하여 입력신호의 음질을 개선할 수 있다.Accordingly, in the present invention, the sound quality of the input signal may be improved by removing ambient noise or device noise included in the STFD input signal.
상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속 하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art to which the present invention belongs to the detailed description of the present invention and other forms of embodiments within the essential technical scope of the present invention Could be implemented. Here, the essential technical scope of the present invention is shown in the claims, and all differences within the equivalent range will be construed as being included in the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 STFD용 헤드셋의 잡음 제거 시스템을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a noise cancellation system of an STFD headset according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 의한 잡음 제거 시스템의 동작 과정을 나타낸 플로우챠트이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation of the noise removing system of FIG. 1.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
100: STFD용 헤드셋 110: 샘플링부100: STFD headset 110: sampling unit
120: 직교변환부 130: 음성활동검출부120: orthogonal transformation unit 130: voice activity detection unit
140: 잡음업데이트부 150: 잡음제거부140: noise updating unit 150: noise removing unit
160: 역직교변환부160: inverse orthogonal transformation unit
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E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
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