KR101128353B1 - Method of processing a signal and a High efficiency and directivity speaker system using a Block-based Detecting Signal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 블록단위 입력 신호검출에 기반의 고효율 고지향성 스피커 시스템 및 신호처리에 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency, highly directional speaker system based on block unit input signal detection and a method for signal processing.
상기 블록단위 입력 신호검출에 기반의 고효율 고지향성 스피커 시스템은 현재 입력되는 오디오 입력 신호의 포락선을 계산하는 포락선 검출부; 상기 포락선 계산부에 계산된 신호를 일정 길이의 블록으로 나누고 이 블록 내의 신호를 제곱하고 합하여 블록 에너지를 계산하는 블록단위 신호검출부; 현재 블록 입력 신호와 이전 블록 입력신호로부터 얻어진 블록 필터 계수를 적용한 값을 비교하여 그에 따른 현재 블록 필터 계수를 계산하는 블록 적응 필터계산부; 상기 블록 적응 필터 계수 값이 적용된 입력신호를 SSB 변조시키는 SSB 변조부; 초음파 변환기가 가지는 주파수 특성에 대응되는 역필터를 모델링하고 적용하는 변환기 역필터부; 및 변조된 신호를 초음파로 변환하는 초음파 변환부를 포함하는 것으로서, 시간 블록단위 신호검출이 가능하여 묵음 구간에 사용되는 필요없는 전력소모를 줄일 수 있으며, 블록 단위 신호처리 기술적용으로 인해 매우 빠른 수렴 속도를 얻을 수 있으며, 입력되는 신호에 실시간적으로 적용할 수 있으며, 변조되는 신호를 SSB 변조함으로써 입력되는 신호의 왜곡 변화를 최소화할 수 있으며, 주파수 영역 및 기타 다양한 블록단위 알고리즘이 적용이 가능하며, 신호검출 블록의 길이(N)와 블록 필터의 길이(M)를 상이하게 설정하는 것이 가능하여, 다양한 적용 환경에 적합한 저가의 고효율 고지향성을 지닌 최적의 지향성 시스템을 설계가 가능한 효과가 있다.The high-efficiency high-direction speaker system based on the block unit input signal detection includes: an envelope detector configured to calculate an envelope of an audio input signal currently input; A block unit signal detection unit dividing the signal calculated by the envelope calculation unit into blocks having a predetermined length, and calculating a block energy by squaring and adding the signals in the block; A block adaptive filter calculator configured to compare a value obtained by applying the block filter coefficients obtained from the current block input signal and the previous block input signal and calculate a current block filter coefficient accordingly; An SSB modulator for SSB modulating an input signal to which the block adaptive filter coefficient value is applied; A transducer inverse filter unit for modeling and applying an inverse filter corresponding to a frequency characteristic of the ultrasonic transducer; And an ultrasonic conversion unit for converting the modulated signal into ultrasonic waves, which can detect a time block unit signal, thereby reducing unnecessary power consumption used in the silent section, and a very fast convergence speed due to the block unit signal processing technology. It can be applied to the input signal in real time, and the SSB modulation of the modulated signal can minimize the distortion change of the input signal, frequency domain and various other block unit algorithms can be applied, Since the length N of the signal detection block and the length M of the block filter can be set differently, it is possible to design an optimal directivity system having a low cost, high efficiency and high directivity suitable for various application environments.
블록 신호처리, 신호검출, 고지향성 스피커, 초음파, 초음파 변환기, 단일측파대, SSB, 주파수영역 신호처리 Block Signal Processing, Signal Detection, High-Directional Speaker, Ultrasound, Ultrasonic Converter, Single Sideband, SSB, Frequency Domain Signal Processing
Description
본 발명은 고효율 고지향성 신호를 재생하는 초음파 스피커에 관한 것으로, 특히 초음파 스피커 시스템 전력 효율을 개선하는 동시에 음질을 개선할 수 있는 새로운 신호처리 방식이 적용되는 지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic speaker for reproducing high efficiency high-directional signals, and more particularly, to a directional speaker system and a signal processing method to which a new signal processing method for improving sound quality while improving power efficiency of an ultrasonic speaker system is applied.
최근 신호처리 기술의 발달로 송수 지향성을 갖는 전자기기들이 속속 개발되고 있다. 이동통신 분야에서는 배열 안테나를 이용한 지향성 통신시스템이 개발되고 있으며, 국방 및 엔터테인먼트 산업분야에서 가청 주파수대에서 지향성을 갖는 스피커의 활용도가 증가하고 있으며 현재 이에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 지향성 스피커의 대표적인 기술은 공기의 비선형특성을 이용하는 파라메트릭 스피커 기술이다. 파라메트릭 스피커는 높은 지향 특성을 가지나 효율이 매우 낮은 단점을 지니고 있어 고효율의 고지향성 스피커 원천 기술 개발이 필수적이다.Recently, with the development of signal processing technology, electronic devices having a water-directivity are being developed one after another. In the mobile communication field, a directional communication system using an array antenna has been developed, and in the defense and entertainment industries, the use of a directional speaker in the audible frequency band is increasing, and research and development are being actively conducted. A representative technology of directional speakers is parametric speaker technology that uses the nonlinear characteristics of air. Parametric loudspeakers have high directivity but very low efficiency, so it is essential to develop high-efficiency high-directional loudspeaker source technology.
일반적으로, 스피커는 모든 방향으로 소리를 공기 중에 전달하게 된다. 그러나 특정 사용자에게만 소리를 전달할 필요가 있는 전시회, 전람회 같은 곳에서는 소리의 지향성을 필요로 한다. 또한, 군사용 목적으로 음향공격(sound attack) 이나 함대한 원거리 음성 통신을 위해서 고지향 스피커 개발이 필수적이다. In general, speakers deliver sound in the air in all directions. However, in places such as exhibitions and exhibitions where sound needs to be delivered only to specific users, sound directivity is needed. In addition, the development of high-direction speakers is essential for sound attack or fleet long range voice communication for military purposes.
전통적으로 파라볼릭 접시를 이용하는 방식은 접시의 초점에 일반 스피커를 설치하여 음향 출력이 접시에 반사되어 직진성을 갖도록 설계된 스피커이다. 이러한 방식은 직경이 매우 큰 접시가 필요하며 소리의 도달거리도 짧고 음질도 반사된 신호의 상호 간섭으로 인해 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 최근에는 공기 매질의 비선형 전파특성을 이용한 초음파 스피커 기술이 구현되고 있다. 공기의 비선형 특성으로 인한 왜곡을 줄이기 위한 기술이 개발하고 있다.Traditionally, a parabolic dish is a speaker designed to have a general speaker at the focal point of the dish so that the sound output is reflected on the dish so that it is straight. This method requires a very large diameter plate, has a short range of sound and has a disadvantage in that sound quality is degraded due to mutual interference of reflected signals. Recently, ultrasonic speaker technology using nonlinear propagation characteristics of an air medium has been implemented to compensate for these disadvantages. Techniques have been developed to reduce distortion due to the nonlinear nature of air.
ATC 사가 출원한 "Modulator Processing for a Parametric Speaker System(US 6,584,205)"는 대역폭의 무한대 증가가 없는 반복적인 오차 보상방법을 제시하였다. ATC filed "Modulator Processing for a Parametric Speaker System (US 6,584,205)" proposed an iterative error compensation method without an infinite increase in bandwidth.
제안된 방식은 SSB(Single Side Band) 채널 모델을 통해서 이상적인 변조신호 파형을 계산한 후, 이를 실제 변조된 신호와 비교해서 오차를 계산하고 이 오차를 변조전의 신호에 보상하는 과정을 몇 차례 반복하여 음질의 왜곡을 보상하는 방식이다. The proposed method calculates the ideal modulated signal waveform through SSB (Single Side Band) channel model, compares it with the actual modulated signal, calculates the error and compensates this error for the signal before modulation several times. This method compensates for the distortion of sound quality.
또한, 종래에는 도 1에 도시한 바와 같은 신호처리 방법에 기인한 방식이 개시되었다.Also, conventionally, a method due to the signal processing method as shown in FIG. 1 has been disclosed.
현재 오디오 입력 신호의 포락선과 이전 단 오디오입력신호로부터 얻어진 적응 필터 계수를 적용한 포락선을 비교하여 그에 따른 현재 적응 필터 계수를 계산하는 적응 필터계산부; 상기 적응 필터 계수 값이 적용된 오디오 입력신호를 VSB 변조시키는 VSB 변조부; 변조된 신호를 초음파로 변환하는 초음파 변환부를 포함하여 구성되며, 적응 필터 계산부는 제 1 포락선 계산부(10), 제곱근 연산부(20), 제 2 포락선 계산부(40), 오차연산부(50), 적응 필터 계수 갱신부(60)를 포함하고 적응 필터 계수를 적용하기 위한 사전 왜곡 적응 필터부(30), VSB 변조부는 동적 VSB 변조부(70), 초음파 변환부는 초음파 변환기 모델(80), 초음파 증폭기(90), 초음파 변환기(100)를 포함하여 구성된다.An adaptive filter calculator for comparing the envelope of the current audio input signal with the envelope to which the adaptive filter coefficients obtained from the previous stage audio input signal are applied and calculating the current adaptive filter coefficient accordingly; A VSB modulator for VSB modulating an audio input signal to which the adaptive filter coefficient value is applied; And an ultrasonic converter for converting the modulated signal into ultrasonic waves, wherein the adaptive filter calculator includes a
다시 말하여, 본 발명의 초지향성 스피커 시스템은 현재 입력되는 오디오 입력 신호 x(t)의 포락선을 계산하여 포락선에 대한 제 1 포락선 신호 E(t)를 생성하는 제 1 포락선 계산부(10), 제 1 포락선 계산부(10)에 의해 생성된 제 1 포락선 신호 E(t)를 이용해서 이상적인 포락선 신호인 E(t)0.5를 계산하는 제곱근 연산부(20), 이전 단 오디오 입력신호 x(t-1)의 포락선으로부터 계산된 적응 필터 계수 갱신항을 적용하여 현재 오디오 입력신호 x(t)의 사전 왜곡 보상을 수행하여 왜곡 보상 신호 x(t)'를 생성하는 사전 왜곡 적응 필터부(30), 사전 왜곡 적응 필터부(30)에서 출력되는 왜곡 보상된 보상신호 x(t)'의 포락선을 계산하여 제 2 포락선 신호 E(t)'을 생성하는 제 2 포락선 계산부(40), 제곱근 연산부(20)의 출력신호인 E(t)0.5와 제 2 포락선 신호 E(t)'를 비교 연산하여 그 오차 신호 e(t)를 출력하는 오차연산부(50), 오차 신호 e(t)에 대응하는 사전 왜곡 적응 필터의 계수 갱 신항을 계산하여 사전 왜곡 적응 필터부(30)에 공급하는 적응 필터 계수 갱신부(60), 사전 왜곡 적응 필터부(30)에서 출력되는 왜곡 보상된 보상신호 x(t)'를 동적으로 초음파 대역으로 변조시켜 변조 신호 x(t)"를 생성하는 동적 VSB 변조부(70), 초음파 변환기(100)가 가지는 주파수 고유의 특성에 대응하는 역필터 h(t)를 모델링하여 변조된 신호 x(t)"에 적용함으로써 변환 신호 x(t)'''를 생성하는 초음파 변환기 모델(80), 초음파 변환기 모델(80)로부터 출력되는 변환 신호 x(t)'''를 증폭하여 증폭 신호 x(t)""를 생성하는 초음파 증폭기(90), 초음파 증폭된 증폭 신호 x(t)""의 출력을 초음파 신호로 변환하는 초음파 변환기(100)를 구비한다.In other words, the super-directional speaker system of the present invention calculates an envelope of the currently input audio input signal x (t) to generate a first envelope signal E (t) with respect to the envelope;
이 방식은 사전 왜곡 적응필터를 이용하여 실시간 재생신호의 왜곡을 최소화하고 잔류측파대 변조를 사용하여 단일측파대 필터의 불완전성을 제거함으로써, 음질을 개선하는 방식이다. This method improves the sound quality by minimizing the distortion of the real-time reproduction signal by using the pre-distortion adaptive filter and by removing the imperfection of the single-side band filter by using the residual sideband modulation.
최초 언급된 방식은 입력 신호 검출 (Input Signal Detection)에 따른 방식이 아닌 방식이기 때문에 전력 증폭기가 항시 전력을 소모함으로 인해 전력 효율이 떨어지는 단점이 있다. Since the first method is not a method based on input signal detection, a power amplifier consumes power at all times, and thus, power efficiency is inferior.
또한 상기의 두 번째로 언급된 방식은 매 입력 신호를 사용하여 적응 필터를 계산하는 방식으로 상황에 따라 수렴시간이 변동할 수 있으며, 왜곡 오차의 양도 변동될 수 있으며 입력 신호의 환경에 따라 그 성능의 변화가 심하게 발생할 수 있는 단점을 가지고 있다. In addition, the second method described above calculates an adaptive filter using every input signal, and the convergence time may vary according to the situation, the amount of distortion error may vary, and the performance of the input signal may vary depending on the environment of the input signal. The disadvantage is that change can occur badly.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 블록단위 신호 검출을 이용하여 전력효율을 높은 지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a directional speaker system and a signal processing method with high power efficiency by using block unit signal detection.
본 발명의 다른 목적은, 블록 단위 입력신호의 신호 및 이전 입력신호의 블록 필터 계수가 적용된 신호를 상호 비교하고 그에 따른 현재 입력신호의 블록 필터 계수값을 계산하여 적용함으로써, 고속 고성능 초음파 스피커 음질을 개선할 수 있는 지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to compare a signal of a block unit input signal and a signal to which a block filter coefficient of a previous input signal is applied to each other, and calculate and apply a block filter coefficient value of a current input signal accordingly, thereby applying high-speed high-performance ultrasonic speaker sound quality. It is to provide a directional speaker system and a signal processing method that can be improved.
본 발명의 또 다른 목적은, 지향성 시스템 구성에 있어서 블록 필터 사용함으로 인해, FFT, DCT(Discrete Cosine Transform) 등과 같은 다양한 주파수 영역(Frequency Domain) 신호처리 방법 및 및 블록 필터 신호처리 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide various frequency domain signal processing methods and block filter signal processing methods such as FFT, Discrete Cosine Transform (DCT), and the like due to the use of block filters in the directional system configuration. .
본 발명의 또 다른 목적은, 입력 신호 검출을 위한 블록 길이(N)와 블록 필터 길이(M)를 서로 다른 길이로 조합이 가능하여, 다양한 입력상황에서 신호 검출 및 시스템 성능을 보장해 줄 수 있는 지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법을 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is that the block length (N) and the block filter length (M) for the input signal detection can be combined in different lengths, the directivity that can ensure signal detection and system performance in a variety of input situations The present invention provides a speaker system and a signal processing method.
본 발명의 또 다른 목적은, 블록 단위 신호처리 기반의 시스템에 적용된 초음파 변화기의 역필터 모델을 생성하여 SSB 변조된 신호에 적용함으로써, 변조된 신호의 초음파 변환시 왜곡을 최소화하여 음질을 개선할 수 있는 지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법을 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to generate an inverse filter model of an ultrasonic transducer applied to a block-based signal processing system and apply it to an SSB modulated signal, thereby minimizing distortion during ultrasonic conversion of the modulated signal, thereby improving sound quality. To provide a directional speaker system and a signal processing method.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 블록단위 신호검출에 기반의 고효율 고지향성 스피커 시스템은, 현재 입력되는 오디오 입력 신호의 포락선을 계산하는 포락선 검출부; 상기 포락선 계산부에 계산된 신호를 일정 길이의 블록으로 나누고 이 블록 내의 신호를 제곱하고 합하여 블록 에너지를 계산하는 블록단위 신호검출부; 현재 블록 입력 신호와 이전 블록 입력신호로부터 얻어진 블록 필터 계수를 적용한 값을 비교하여 그에 따른 현재 블록 필터 계수를 계산하는 블록 적응 필터계산부; 상기 블록 적응 필터 계수 값이 적용된 입력신호를 SSB 변조시키는 SSB 변조부; 초음파 변환기가 가지는 주파수 특성에 대응되는 역필터를 모델링하고 적용하는 변환기 역필터부; 및 변조된 신호를 초음파로 변환하는 초음파 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high-efficiency high-direction speaker system based on block unit signal detection, including: an envelope detector configured to calculate an envelope of an audio input signal currently input; A block unit signal detection unit dividing the signal calculated by the envelope calculation unit into blocks having a predetermined length, and calculating a block energy by squaring and adding the signals in the block; A block adaptive filter calculator configured to compare a value obtained by applying the block filter coefficients obtained from the current block input signal and the previous block input signal and calculate a current block filter coefficient accordingly; An SSB modulator for SSB modulating an input signal to which the block adaptive filter coefficient value is applied; A transducer inverse filter unit for modeling and applying an inverse filter corresponding to a frequency characteristic of the ultrasonic transducer; And an ultrasonic converter for converting the modulated signal into ultrasonic waves.
하나의 예로써, 상기 블록 적응 필터 계산부는 현재 입력되는 블록 신호의 제곱근을 계산하여 제곱근 신호를 생성하는 제곱근 연산부; 상기 현재 입력되는 블록 신호에 대해서 이전 블록 신호에 의해 계산된 블록 필터 계수를 적용하여 신호 보상을 수행하는 블록 필터부; 상기 블록 필터부 출력 신호와 상기 블록 신호의 제곱근 신호를 비교 계산하여 오차를 계산하는 오차계산부; 상기 오차 신호로부터 블록 적응 필터 계수를 계산하는 블록 적응 필터 계수계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.As an example, the block adaptive filter calculator may include a square root calculator configured to generate a square root signal by calculating a square root of a currently input block signal; A block filter unit for performing signal compensation on the currently input block signal by applying a block filter coefficient calculated by a previous block signal; An error calculator configured to calculate an error by comparing and calculating the block filter output signal and the square root signal of the block signal; And a block adaptive filter coefficient calculator for calculating block adaptive filter coefficients from the error signal.
하나의 예로서, 상기 블록 적응 필터 계수 계산부는 주파수 영역 방식, DFT(Discrete Fourier Transform) 방식, DCT(Discrete Cosine Transform) 방식 중 적어도 하나의 방식을 적용하는 것을 특징으로 한다.As an example, the block adaptive filter coefficient calculating unit may apply at least one of a frequency domain method, a discrete fourier transform (DFT) method, and a discrete cosine transform (DCT) method.
하나의 예로써, 상기 블록 적응 필터 계수 계산부는 현재 블록 입력 신호의 제곱근 값과 이전 블록 입력신호로부터 얻어진 블록 필터부 출력을 비교하여 그에 따른 현재 블록 적응 필터 계수를 계산하는 것을 특징으로 한다.As an example, the block adaptive filter coefficient calculator may compare the square root of the current block input signal with the output of the block filter unit obtained from the previous block input signal, and calculate the current block adaptive filter coefficient accordingly.
하나의 예로써, 상기 블록 필터부는 선형 블록 FIR 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.As an example, the block filter unit may include a linear block FIR filter.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 블록단위 신호검출에 기반의 고효율 고지향성 스피커의 신호처리 방법은, 현재 입력되는 입력 신호의 포락선을 계산하고 생성하는 제 1 단계; 상기 포락선 검출부에 계산된 신호를 일정 길이의 블록으로 나누고 이 블록 내의 신호를 제곱하고 합하여 블록 에너지를 생성하는 제 2 단계; 상기 블록단위 신호검출부에 계산된 블록 신호의 제곱근을 연산하여 제곱근 신호를 생성하는 제 3 단계; 상기 입력되는 블록 신호에 대해서 이전 단에 결정된 블록 필터계수를 적용하여 출력 신호를 생성하는 제 4 단계; 상기 블록 필터부 출력 신호와 상기 블록 신호의 제곱근 신호의 오차 신호를 생성하는 제 5 단계; 상기 오차 신호로부터 블록 필터 계수를 계산하는 블록 적응 필터값을 생산하는 제 6 단계; 상기 블록필터 출력 신호를 초음파 대역으로 변조시켜 SSB 변조신호를 생성하는 제 7 단계; 및 초음파 변환기가 가지는 주파수 특성에 대응되는 역필터를 모델링하고 적용하는 제 8 단계; 상기 필터링 신호를 증폭하고 신호를 초음파 신호로 변환하는 초음파로 변환하는 제 9 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A signal processing method of a high efficiency high-direction speaker based on block unit signal detection for achieving the above object of the present invention, the first step of calculating and generating the envelope of the currently input signal; Dividing the signal calculated by the envelope detector into blocks having a predetermined length, and squaring and adding signals in the block to generate block energy; A third step of generating a square root signal by calculating a square root of the block signal calculated by the block unit signal detection unit; A fourth step of generating an output signal by applying the block filter coefficient determined in the previous stage to the input block signal; Generating an error signal between the block filter output signal and the square root signal of the block signal; A sixth step of producing a block adaptive filter value for calculating a block filter coefficient from the error signal; A seventh step of modulating the block filter output signal into an ultrasonic band to generate an SSB modulated signal; And an eighth step of modeling and applying an inverse filter corresponding to the frequency characteristic of the ultrasonic transducer. And a ninth step of amplifying the filtering signal and converting the filtered signal into an ultrasonic wave for converting the signal into an ultrasonic signal.
하나의 예로써, 상기 초음파 신호가 공기 중에서 비선형 복조되어 출력으로 변환되는 제 10 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.As an example, the method may further include a tenth step in which the ultrasonic signal is nonlinearly demodulated in air and converted into an output.
하나의 예로써, 상기 역필터는 상기 제 8 단계에서 이용되는 초음파 변환기를 특정 필터로 모델링 하고 주파수 특성들을 이용하여 계산되고 적용되는 것을 특징으로 한다.As an example, the inverse filter is characterized in that the ultrasonic transducer used in the eighth step is modeled as a specific filter and calculated and applied using frequency characteristics.
본 발명의 실시 예에 따른 블록단위 신호검출에 기반한 고효율 고지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법은, 블록단위로 신호를 검출하고 처리하기 때문에 전력 증폭기의 전력 효율을 높여 경제적인 고지향 스피커 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.The high efficiency high directional speaker system and signal processing method based on block unit signal detection according to an exemplary embodiment of the present invention can implement an economical high oriented speaker system by increasing power efficiency of a power amplifier because signals are detected and processed on a block basis. It has an effect.
또한, 블록 단위 입력신호의 신호 및 이전 입력신호의 블록 필터 계수가 적용된 신호를 상호 비교하고 그에 따른 현재 입력신호의 블록 필터 계수값을 계산하여 적용함으로써, 빠른 수렴속도로 인하여 고속으로 고지향 스피커의 음질을 개선할 수 있으며, 지향성 스피커 시스템 구성에 있어서 블록 필터 사용함으로 인해, FFT, DCT(Discrete Cosine Transform) 등과 같은 다양한 주파수 영역 신호처리 방법 및 블록 필터 신호처리 방법 사용을 사용할 수 있다. In addition, by comparing the signal of the block unit input signal and the signal to which the block filter coefficients of the previous input signal is applied to each other and calculates and applies the block filter coefficient value of the current input signal according to the high speed of the high-directional speaker due to the fast convergence speed The sound quality can be improved and various frequency domain signal processing methods such as FFT, Discrete Cosine Transform (DCT), and the like can be used due to the use of block filters in directional speaker system construction.
그리고, 입력 신호 검출을 위한 블록 길이(N)와 블록 필터 길이(M)를 서로 조합으로 사용가능하여 다양한 입력상황에서 신호 검출 및 시스템 성능을 보장해 줄 수 있는 지향성 스피커 시스템을 구현할 수 있으며, 시스템에 적용된 초음파 변화기의 역필터 모델을 생성하여 SSB 변조된 신호에 적용함으로써, 변조된 신호의 초음파 변환시 왜곡을 최소화하여 음질을 개선할 수 있는 효과가 있다.In addition, the block length (N) and the block filter length (M) for input signal detection can be used in combination with each other to implement a directional speaker system that can ensure signal detection and system performance in various input situations. By generating an inverse filter model of the applied ultrasonic transducer and applying it to the SSB modulated signal, there is an effect of improving the sound quality by minimizing distortion during ultrasonic conversion of the modulated signal.
이하, 본 발명의 실시 예를 도 2 내지 도 3에 의해 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
도 2은 본 발명의 블록단위 신호검출 기반한 고효율 고지향성 스피커 시스템을 도시한 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating a high efficiency high-direction speaker system based on block unit signal detection according to the present invention.
도 2를 참조하면, 고지향성 스피커 시스템은 현재 입력되는 오디오 입력 신호의 포락선을 계산하는 포락선 검출부(101)와 상기 포락선 검출부(101)에 계산된 신호를 일정 길이의 블록으로 나누고 이 블록 내의 신호를 제곱하고 합하여 블록 에너지를 계산하는 블록단위 신호검출부(102)와 현재 블록 입력 신호와 이전 블록 입력신호로부터 얻어진 블록 필터 계수를 적용한 값을 비교하여 그에 따른 현재 블록 필터 계수를 계산하는 블록 적응 필터계산부(110)와 상기 블록 적응 필터 계수 값이 적용된 입력신호를 SSB 변조시키는 SSB 변조부(120)와 변조된 신호를 초음파로 변환하는 초음파 변환부(140)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the high-directional speaker system divides the signal calculated by the
상기 블록 적응 필터 계산부(110)는 제곱근 연산부(112), 블록 적응 필터 계수 계산부(118), 블록 필터 계수를 적용하기 위한 블록 필터부(114)로 구성된다. The block
좀더 자세히 설명하면, 본 발명의 고효율 고지향성 스피커 시스템은 현재 입력되는 입력 신호 s(t)의 포락선을 검출하여 포락선 신호 E(t)를 생성하는 포락선 검출부(101), 포락선 검출부(101)에 의해 생성된 포락선 신호 E(t)를 일정 길이의 블록으로 나누고 이 블록 내의 신호를 제곱하고 합하여 블록 에너지를 계산하는 블록단위 신호 검출부(102), 블록단위 신호 검출부(102)에 의해 생성된 블록 신호 b(t)를 이용해서 이상적인 포락선 신호인 를 계산하는 제곱근 연산부(112), 이전 블록 입력신호 b(t-1)에 사용된 블록 적응 필터 계수를 현재 블록 입력신호 b(t)에 적용하여 블록 필터 출력 y(t)를 생성하는 블록 필터부(114), 상기 블록 필터부(114) 에서 출력되는 신호 y(t)와 제곱근 연산부(112)의 출력신호인 를 비교 계산하여 그 오차 신호 e(t)를 출력하는 오차계산부(116), 오차 신호 e(t)에 따라 블록 적응 필터의 계수를 계산하고 수정하여 블록 필터부 (114)에 공급하는 블록 적응 필터 계수 계산부(118), 블록 필터부(114)에서 출력되는 신호 y(t)를 초음파 대역으로 변조시켜 변조 신호 z(t)를 생성하는 SSB 변조부(120), 초음파 변환부(140)가 가지는 주파수 응답 특성을 보상하는 역필터를 추정하여 변조된 신호 z(t)에 적용함으로써 변환 신호 x(t)를 생성하는 초음파 변환기 역필터(130), 상기 변환기 역필터(130)로부터 출력되는 변환 신호 x(t)를 증폭하고 출력을 초음파 신호 o(t) 로 변환하는 초음파 변환부(140)로 구성되어 있다. In more detail, the high-efficiency high-directional speaker system of the present invention includes an
각 단계별 구체적인 설명은 아래와 같다. Detailed explanation of each step is as follows.
상기 포락선 검출부(101)는 현재 입력 신호 s(t)에 대한 포락선 신호 E(t)을 계산되며, 일반적으로 알려진 포락선 신호는 아래와 같이 계산된다. The
수학식 1Equation 1
E(t)' = 1 + ms(t)E (t) '= 1 + ms (t)
여기서 m은 변조지수이다.Where m is the modulation index.
상기 블록단위 신호검출부(102)는 포락선 검출부(101)에 의해 생성된 포락선 신호 E(t)를 일정 길이의 블록으로 나누고 이 블록 내의 신호를 제곱하고 합하여 블록 에너지를 계산하는 부로서 에너지가 일정한 임계치가 넘는 신호 블록 b(to) 만을 다음 단계에서 처리할 수 있도록 한다. The block
블록의 길이가 N일 경우 b(to)는 아래와 같이 표현된다. If the length of the block is N, b (to) is expressed as
수학식 2Equation 2
b(to) = E(to), 만약 || E(to) ||> 임계치b (to) = E (to), if || E (to) ||> threshold
여기서 N은 신호검출을 위한 블록의 길이, E(to)는 길이가 N이고 시작점이 to인 블록 신호 벡터를 의미한다. Where N is the length of the block for signal detection and E (to) is the block signal vector of length N and the starting point to.
다음 블록의 시작점은 아래와 같은 식에 의해 갱신되어 새로운 블록 신호 검출을 수행한다.The starting point of the next block is updated by the following equation to perform a new block signal detection.
수학식 3Equation 3
to = to + Nto = to + N
제곱근 연산부(112)는 현재 t1 시점에서 블록단위 신호검출부(102)에 의해 검출된 포락선 신호 b(t1)의 이상적인 제곱근 포락선 신호인 를 계산한다. The
블록 필터부(114)는 현재 t1 시점에 입력된 블록 입력신호 b(t1)에 이전 단 입력 신호 b(t1-M)에 의해 계산된 블록 적응필터 계수 w(t1)를 적용하여 아래 수학식 4과 같은 방식으로 신호 y(t)를 출력하게 된다.The
수학식 4Equation 4
y(t1) = diag(b(t1))w(t1)y (t1) = diag (b (t1)) w (t1)
여기서 diag 는 벡터를 대각행렬를 바꾸는 것을 의미하며, w(t1)은 t1 시점에서의 길이가 M 인 블록 필터계수 벡터를 의미한다. Here diag means changing a diagonal matrix of a vector, and w (t1) means a block filter coefficient vector having a length M at a time point t1.
블록 적응필터 계산을 위한 다음 블록의 시작점은 아래와 같은 식에 의해 갱신된다.The starting point of the next block for the block adaptive filter calculation is updated by the following equation.
수학식 5Equation 5
t1 = t1 + Mt1 = t1 + M
위식에 의하면, 다양한 N과 M의 조합이 가능하고 이에 따라 to와 t1이 변하게 됨을 알 수 있다. According to the above equation, it can be seen that various combinations of N and M are possible, and to and t1 change accordingly.
예를 들어, 신호검출을 위한 블록의 길이 N=512, 블록 필터의 길이 M=64일 경우, 매 512 샘플 주기로 입력 신호의 에너지를 계산하고, 검출된 신호 블록은 N/M = 8번 블록 적응 계산부에 의해 갱신되며 블록 필터부에 의해 필터링 된다. For example, if the block length N = 512 and the block filter length M = 64 for the signal detection, the energy of the input signal is calculated every 512 sample periods, and the detected signal block is N / M = 8 block adaptation. Updated by the calculator and filtered by the block filter.
상기 오차 연산부(116)는 블록 필터부(114)의 출력 신호 벡터 y(t1)와 제곱근 연산부(112)에 의해 계산된 신호 벡터 b'(t1)의 오차 신호 벡터 e(t1)를 계산하며 오차연산부(116)에 의해 계산되는 e(t)는 수학식 5와 같다.The
수학식 6Equation 6
e(t1) = b'(t1) - y(t1)e (t1) = b '(t1)-y (t1)
블록 적응 필터 계수 계산부(118)는 오차연산부(116)에 의해 계산된 오차 신호 e(t)에 DFT(Discrete Fourier Transform), DCT(Discrete Cosine Transform), 주파수 영역(Frequency Domain) 방식 등을 적용하여 블록 적응 필터 계수 벡터를 계산한다. 본 발명의 오차 신호 벡터 e(t)로부터 블록 필터 계수 계산하는 방식은 기타 다양한 방식 적용도 가능하다. 본 발명의 이해를 돕기 위해 이하에서는 FFT 방식을 중심으로 설명하기로 한다. 적응 필터 계수 계산부(118)에 의해 새롭게 계산되는 w(t1+1)은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.The block adaptive
수학식 7Equation 7
w(t1+1) =w(t1) + β*FFT[Q(t1) 0]Tw (t1 + 1) = w (t1) + β * FFT [Q (t1) 0] T
여기서 β는 적응계수이고 0은 인자가 모두 0 이고 크기가 Mx1인 벡터이며 β는 시간에 크기가 작은 양의 상수이다. Where β is an adaptive coefficient, 0 is a vector of all zero factors, Mx1, and β is a positive constant of small magnitude in time.
그리고 상기 식에서 Q(t1)는 아래와 같다.And Q (t1) is as follows.
수학식 8Equation 8
Q(t1) = IFFT([D(t1)UT(t1)Er(t1)])의 첫 M 인자Q (t1) = first M factor of IFFT ([D (t1) UT (t1) Er (t1)])
상기 식에서 Er(t1)는 e(t1)을 FFT 벡터로 아래와 같다.In the above equation, Er (t1) is e (t1) as the FFT vector.
수학식 9Equation 9
Er(t1) = FFT([0 e(t1)]T)Er (t1) = FFT ([0 e (t1)] T)
그리고 상기 식에서 e(t1)은 수학식 6과 동일하다. In the above equation, e (t1) is equal to Equation 6.
e(t1) = b'(t1) - y(t1)e (t1) = b '(t1)-y (t1)
여기서 y(t1)은 아래와 같이 표현된다.Where y (t1) is expressed as
수학식 10
yT(t1) = IFFT([B(t1)w(t1)])의 마지막 M 인자yT (t1) = last M factor of IFFT ([B (t1) w (t1)])
그리고 B(t1)는 b'(t1)를 FFT 하고 대각행렬로 구성한 것으로 아래와 같은 수학식으로 쓸 수 있다. B (t1) is composed of a diagonal matrix by FFT of b '(t1) and can be written as the following equation.
수학식 11Equation 11
B(t1) = diag(FFT(b'(t1))) B (t1) = diag (FFT (b '(t1)))
상기 블록 필터부(114)는 블록 적응 필터 계수 계산부(118)에 의해 구해진 갱신항 w(t1+1)을 이용하여 다음단에 입력되는 블록 입력신호 b(t1)에 실시간적으로 적용하게 된다. The
상기 블록 필터부(114)는 FIR(Finite Impulse Response), IIR(Finite Impulse Response) 격자구조(Lattice Structure) 구조등을 이용하여 구현할 수 있다. The
SSB 변조부(120)는 상기 블록 필터부(114)에 의해 출력 블록 신호 y(t)를 상측 또는 하측파대 SSB 변조를 통하여 초음파 대역으로 변조하게 된다. The SSB modulator 120 modulates the output block signal y (t) into the ultrasonic band through the upper or lower band SSB modulation by the
변환기 역필터(130)은 초음파 변환부(140)의 주파수 특성을 파악하여 역필터를 추정하고, 이 역필터를 SSB 변조부(120)에 의해 생성된 변조 신호 z(t)에 적용하여 필터링된 신호 x(t)를 생성한다.The converter
초음파 변환부(140)는 변환기 역필터로 필터링한 신호 x(t)를 초음파 진동소자를 이용하여 초음파를 방사함으로서 최종 신호 o(t)를 발생하게 된다. 초음파 변환기(140)에 의해 변환된 초음파 신호는 공기 중으로 방사됨으로써 공기의 비선형 매질 특성에 의해 복조되게 된다.The
이와 같은 구조를 가지는 본 발명의 실시예에 따른 블록단위 신호검출 기반한 고효율 고지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법를 도 3를 이용하여 다음과 같이 설명한다. A high-efficiency high-directional speaker system and signal processing method based on block unit signal detection according to an embodiment of the present invention having such a structure will be described with reference to FIG. 3 as follows.
본 발명의 블록단위 신호검출 기반한 스피커 시스템의 신호처리 방법은, 현재 입력되는 신호 s(t)의 포락선을 계산하고(S300), 계산된 포락선 신호 E(t)의 블록단위 신호 b(t)의 에너지를 계산하여 그 에너지를 임계치와 비교한다. 만약, 그 값이 작으면 다음 신호 블록을 취하여 동일한 비교 과정을 수행하는데 이러한 과정은 블록 신호가 검출될 때까지 반복 된다(S302).The signal processing method of the block-based signal detection-based speaker system of the present invention calculates an envelope of the currently input signal s (t) (S300), and calculates a block unit signal b (t) of the calculated envelope signal E (t). Calculate the energy and compare it with the threshold. If the value is small, the next signal block is taken and the same comparison process is performed. This process is repeated until the block signal is detected (S302).
만약, 현재 신호 블록의 에너지가 임계치보다 크면 제곱근 연산을 수행하여 신호 를 생성한다(S304).If the energy of the current signal block is greater than the threshold, the square root operation is performed to perform the signal To generate (S304).
한편, 계속하여 블록단위 신호 검출 단계 300 및 단계 302이 진행되는 동안, 현재 입력 신호 b(t)는 이전 단의 입력 신호 b(t-1)에서 계산된 블록 필터 벡터를 적용하여 출력신호'를 생성한다(S312).Meanwhile, while the block unit signal detection step 300 and step 302 continue, the current input signal b (t) applies the block filter vector calculated from the input signal b (t-1) of the previous stage to output the output signal '. It generates (S312).
다음으로, 블록 필터 출력 신호와 이상적인 의 차이를 계산하여, 그 블록 오차 신호 e(t)를 생성한다(S308).Next, the block filter output signal and the ideal Is calculated, and the block error signal e (t) is generated (S308).
다음으로, s4단계에서 계산된 e(t) 신호에 따라 블록 가중 벡터량을 계산한다(S5). 이때 DFT(Discrete Fourier Transform), DCT(Discrete Cosine Transform), 주파수 영역(Frequency Domain) 적응 방식 등을 이용한다.Next, the block weight vector amount is calculated according to the e (t) signal calculated in step s4 (S5). At this time, a Discrete Fourier Transform (DFT), a Discrete Cosine Transform (DCT), and a Frequency Domain (Frequency Domain) adaptation scheme are used.
다음으로, 단계 312에서 계산된 블록 적응 필터 계수가 적용된 출력 신호를 SSB 변조하여 변조 신호 x(t)"를 생성한다(S314).Next, the output signal to which the block adaptive filter coefficient calculated in step 312 is applied is SSB modulated to generate a modulated signal x (t) "(S314).
다음으로, SSB 변조된 신호 y(t)에 초음파 변환기 역필터를 적용한다(S316). Next, the ultrasonic transducer inverse filter is applied to the SSB modulated signal y (t) (S316).
이때, 적용되는 역필터는 시스템에서 사용되는 초음파 변환기(140)의 추파수 응답 특성 분석등을 통해 계산될 수 있다.In this case, the applied inverse filter may be calculated through analysis of frequency response characteristics of the
다음으로, 초음파 변환기(140)는 변환기 역필터(130)의 출력신호 x(t)를 증폭하고 증폭된 신호를 초음파 변환된다(S318).Next, the
마지막으로, 초음파 신호는 공기 중에서 비선형 복조되어 출력신호인 o(t)로 출력된다.Finally, the ultrasonic signal is nonlinearly demodulated in air and output as an output signal o (t).
이러한 본 발명의 실시예에 따른 블록단위 신호검출에 기반한 고효율 고지향성 스피커 시스템은 블록 적응필터를 사용하기 때문에 블록 신호 단위로 왜곡 보상을 실시간으로 처리 할 수 있다.Since the high-efficiency high-directional speaker system based on block unit signal detection according to an embodiment of the present invention uses a block adaptive filter, distortion compensation may be processed in block signal units in real time.
따라서, 본 발명의 블록단위 신호검출 기반한 고효율 고지향성 스피커 시스템은 빠른 수렴특성이 있어 시스템 지연이 적으며, 효율성이 높은 시스템 구축이 용이하다. 또한, 본 발명의 블록 단위 신호처리를 기반으로 하기 때문에 블록의 크기를 조절하여 다양한 시스템을 구축할 수 있다. Therefore, the high-efficiency high-directional speaker system based on the block unit signal detection according to the present invention has a fast convergence characteristic, thereby reducing system delay and making it easy to construct a highly efficient system. In addition, since the block-based signal processing of the present invention, it is possible to build a variety of systems by adjusting the size of the block.
이상 설명된 내용은 본 발명의 실시 예에 의하여 일례로 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서에 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.The above description has been described as an example by the embodiment of the present invention, but is not limited to the above-described embodiment and those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. . Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description in the specification but should be defined by the claims.
도 1은 종래의 고지향성 스피커 시스템에서 사전 왜곡 적을 필터 방식을 이용한 오디오 입력 신호처리 방법을 나타낸 도면.1 is a view showing an audio input signal processing method using a pre-distortion less filter method in a conventional high-directional speaker system.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 블록단위 신호검출에 기반한 고효율 고지향성 스피커 시스템을 나타낸 도면.2 is a diagram illustrating a high efficiency high-direction speaker system based on block unit signal detection according to an embodiment of the present invention.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 블록단위 신호검출에 기반한 고효율 고지향성 스피커 시스템의 신호처리 방법을 나타낸 순서도.3 is a flowchart illustrating a signal processing method of a high efficiency high-direction speaker system based on block unit signal detection according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
101 : 포락선 검출부 101: envelope detection unit
102 : 블록 단위 신호 검출부102: block unit signal detection unit
112 : 제곱근 연산부112: square root calculator
114 : 블록 필터부114: block filter unit
116 : 오차계산부116: error calculation unit
118 : 블록 적응 필터 계수 계산부 118: block adaptive filter coefficient calculation unit
120 : SSB 변조부120: SSB modulator
130 : 변환기 역필터 130: converter reverse filter
140 : 초음파 변환기140: ultrasonic transducer
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