KR101248125B1 - 주변소음 소거와 주파수 채널별 압축 기능을 가진 보청기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주변소음 소거와 주파수 채널별 압축 기능을 가진 보청기에 관한 것으로서, 외부의 소리를 아날로그 신호로 변환시켜 출력하는 마이크로폰, 상기 마이크로폰으로부터 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환시켜 출력하는 아날로그-디지털 변환기, 상기 아날로그-디지털 변환기로부터 입력받은 디지털 신호를 임시로 저장하였다가 출력하는 버퍼, 상기 버퍼에서 출력된 디지털 신호를 N(N은 2 이상의 자연수)개의 주파수 대역별로 분할하기 위한 N개의 디지털필터부, 상기 디지털필터부에 각각 연결되어 상기 디지털필터부에서 필터링된 디지털 신호를 증폭하는 N개의 증폭부를 포함하되, 각각의 상기 디지털필터부는 대역통과필터 및 대역차단필터를 포함하며, 상기 대역통과필터의 통과대역은 상기 대역차단필터의 차단대역과 동일한 것을 특징으로 한다.

Description

주변소음 소거와 주파수 채널별 압축 기능을 가진 보청기 {Hearing aids with environmental noise reduction and frequenvy channel compression features}

주변소음 소거와 주파수 채널별 압축 기능을 가진 보청기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대역통과필터와 대역차단필터를 사용하여 주변소음을 효율적으로 제거할 수 있는 보청기에 관한 것이다.

난청인의 청력 보상을 위해 사용되는 보청기는 외부로부터 입력되는 신호를 난청인이 편안하게 들을 수 있는 레벨로 증폭을 하는 것이 일반적이다. 이때 입력되는 신호를 다수의 주파수 대역으로 분할한 후, 각 대역별로 증폭을 시키는 기술이 사용된다.

즉, 입력되는 신호를 서로 병렬로 연결된 복수의 대역통과필터(band-pass filter)로 동시에 전달을 하여 복수의 주파수 대역으로 분할하고, 각 주파수 대역별로 별도의 증폭기를 할당하여 증폭을 하게 된다. 이때, 불필요한 잡음이 과도하게 증폭되는 것을 방지하기 위하여 증폭기의 증폭률은 각각의 주파수 대역별 신호의 크기에 따라 달라지는 것이 일반적이다.

그러나, 이처럼 복수의 대역통과필터를 병렬로 연결을 하게 되면 모든 대역통과필터로 입력신호가 갖고 있는 모든 주파수 성분이 함께 전달이 되므로 대역통과필터의 통과 대역에 인접한 고주파 또는 저주파 대역의 신호가 대역통과필터에 의해 완전히 제거되지 못하고 통과되는 경우가 빈번하게 발생되고 있었다. 그 결과 주파수 대역별 증폭률을 안정적으로 결정하기 어려웠고 그에 의해 보청기의 사용자에게 최종적으로 전달되는 소리에 왜곡이 발생되어 보청기의 사용자가 불쾌감을 느끼게 되는 문제가 있었다.

한국공개특허 제2005-0119758호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보청기의 입력 신호를 주파수 대역별로 분할하여 증폭을 하는 과정에서 증폭율을 안정적으로 유지할 수 있고 노이즈를 효율적으로 제거할 수 있는 보청기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외부의 소리를 아날로그 신호로 변환시켜 출력하는 마이크로폰, 상기 마이크로폰으로부터 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환시켜 출력하는 아날로그-디지털 변환기, 상기 아날로그-디지털 변환기로부터 입력받은 디지털 신호를 임시로 저장하였다가 출력하는 버퍼, 상기 버퍼에서 출력된 디지털 신호를 N(N은 2 이상의 자연수)개의 주파수 대역별로 분할하기 위한 N개의 디지털필터부, 상기 디지털필터부에 각각 연결되어 상기 디지털필터부에서 필터링된 디지털 신호를 증폭하는 N개의 증폭부를 포함하되, 각각의 상기 디지털필터부는 대역통과필터 및 대역차단필터를 포함하며, 상기 대역통과필터의 통과대역은 상기 대역차단필터의 차단대역과 동일한 것을 특징으로 한다.

상기 N개의 디지털필터부 중에서, M(M은 2 이상이며 N 이하인 자연수)번째 디지털필터부는 M-1번째 디지털필터부에 연결되어 M-1번째 디지털필터부에서 출력되는 디지털 신호를 입력받고, 1번째 디지털필터부는 상기 버퍼에 연결되어 상기 버퍼로부터 출력되는 디지털 신호를 입력받는 것이 바람직하다.

상기 버퍼로부터 출력되는 디지털 신호는 상기 1번째 디지털필터부에 포함된 대역통과필터 및 대역차단필터로 입력되며, 상기 M-1번째 디지털필터부에서 출력되는 디지털 신호는 상기 M번째 디지털필터부에 포함된 대역통과필터 및 대역차단필터로 입력되는 것이 바람직하다.

상기 대역통과필터를 통과한 디지털 신호는 상기 증폭부로 입력되는 것이 바람직하다. 상기 대역통과필터를 통과한 디지털 신호는 상기 증폭부에 포함된 이득산출부 및 증폭기로 입력되는 것이 바람직하다.

상기 각각의 증폭부는, 상기 증폭부로 입력되는 디지털 신호에 대한 증폭률을 결정하는 이득산출부 및 상기 이득산출부에서 결정된 증폭률 정보를 수신하여 상기 증폭부로 입력되는 디지털 신호를 상기 증폭률에 따라 증폭시키는 증폭기를 포함할 수 있다.

상기 이득산출부는 상기 증폭부로 입력되는 디지털 신호의 크기(amplitude)에 따라 증폭률을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서는 입력신호를 복수의 주파수 대역으로 분할하는 과정에서 복수의 대역통과필터를 직렬로 연결을 하면서 대역차단필터에 의해 추가적인 필터링을 진행하게 되므로 증폭기로 불필요한 주파수 성분을 갖는 신호가 입력되는 것을 방지할 수 있으므로, 각 증폭기의 증폭률을 안정적으로 유지할 수 있다. 그 결과 보청기의 사용자에게 전달되는 소리의 잡음을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 보청기의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 보청기의 일부 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 대역통과필터의 진폭 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명에 따른 대역차단필터의 진폭 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명에 따른 이득산출부의 구성도이다.
도 6은 입력 신호의 크기에 따른 영역 구분도이다.
도 7은 디텍터의 출력신호에 대한 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 보청기의 구성도이며, 도 2는 보청기의 일부 구성도로서, 디지털필터부(40) 및 증폭부(50)의 구성을 보다 상세히 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보청기는 마이크로폰(10), 아날로그-디지털 변환기(20), 버퍼(30, 70), 디지털필터부(40), 증폭부(50), 혼합기(60), 디지털-아날로그 변환기(80) 및 리시버(90)을 포함한다.

마이크로폰(10)은 외부의 소리를 입력받는 것으로서, 외부의 소리를 입력받아 아날로그 형태의 신호로 출력한다. 마이크로폰(10)에서 출력되는 아날로그 신호에는 음성신호뿐만 아니라 다양한 종류의 노이즈도 포함되어 있다.

마이크로폰(10)에서 출력된 아날로그 신호는 디지털 신호처리를 위해 아날로그-디지털 변환기(20)에서 디지털 신호로 변환된다. 아날로그-디지털 변환기(20)에서 출력된 디지털 신호는 버퍼(30)로 전달되어 임시로 저장된다. 버퍼(30)는 사전에 설정된 크기의 디지털 데이터가 쌓일 때까지 기다린 후 일시에 전송을 하기 위한 것으로서, 버퍼(30)에 임시로 저장되는 데이터의 크기는 메모리 수단의 사양 및필요에 따라 다양하게 조절될 수 있다.

버퍼(30)를 거쳐서 출력되는 디지털 신호는 여전히 다양한 종류의 노이즈를 포함하고 있다. 본 발명에서는 임의의 N(N은 2 이상의 자연수)개의 디지털필터부(40)를 이용해서 버퍼(30)에서 출력된 디지털 신호를 N개의 주파수 대역으로 분할하고, 분할된 대역별로 증폭률을 조절함으로써 노이즈를 제거하게 된다. 버퍼(30)에서 출력되는 디지털 신호를 몇개의 대역폭으로 분할할 것인지는 필요에 따라 적절히 선택될 수 있음은 물론이다.

종래의 필터링 방식에서는 복수의 디지털필터부를 병렬로 연결한 후 동일한 디지털 신호를 병렬로 연결된 복수의 디지털필터부에 동시에 전달하여 필터링을 진행하였으나, 본 발명에서는 종래와는 달리 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 디지털필터부(40)를 직렬로 연결을 하게 된다. 즉, 버퍼(30)에 직접 연결되는 디지털필터부(40)를 1번째 디지털필터부로 호칭하고, 1번째 디지털필터부에 연결된 디지털필터부(40)를 2번째 디지털필터부로 호칭할 경우, 1번째 디지털필터부에서 출력된 디지털 신호가 2번째 디지털필터부로 입력이 된다. 그 결과 직렬로 연결된 N개의 디지털필터부(40)들은 각각 그 전단의 디지털필터부(40)로부터 입력을 받게 된다. 즉, M(M은 2 이상이며 N 이하인 자연수)번째 디지털필터부는 M-1번째 디지털필터부에 연결되어 M-1번째 디지털필터부에서 출력되는 디지털 신호를 입력받되, 1번째 디지털필터부는 버퍼(30)에 연결되어 상기 버퍼로부터 출력되는 디지털 신호를 입력받게 된다.

한편, 이하에서는 2개의 디지털필터부(40)에 대해 설명을 할때, 디지털 신호의 흐름에 따라 신호를 출력하는 디지털필터부를 '전단'의 디지털필터부로, 상기 전단의 필터부로부터 디지털데이터를 입력받는 디지털필터부를 '후단'의 디지털필터부로 호칭하도록 한다.

각각의 디지털필터부(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 대역통과필터 및 대역차단필터를 포함한다.

대역통과필터(41)는 도 3의 대역통과필터(41)의 진폭 스펙트럼에 도시된 바와 같은 통과대역을 갖는다. 즉, 통과대역의 신호만을 통과시키고, 그 외의 주파수 대역의 신호를 차단시키는 특성을 갖는다. 통과대역은 중심주파수 및 주파수 대역폭으로 정의된다. 중심주파수는 통과대역의 중심 부분의 주파수를 의미한다. 통과대역의 주파수 대역폭은 진폭 스펙트럼에서 투과도가 최대값의 1/2이 되는 지점간의 주파수 대역폭으로 정의되거나, 차단대역간의 주파수 대역폭(A와 B 간의 주파수 대역폭)으로 정의될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 차단대역 간의 주파수 대역폭을 기준으로 설명하기로 한다.

한편, 직렬로 연결된 N개의 디지털필터부(40)에 포함된 N개의 대역통과필터(41)는 서로 상이한 중심주파수를 갖는다. N개의 대역통과필터(41)의 주파수 대역폭은 모두 동일할 수도 있지만 상이할 수도 있다. 즉, N개의 대역통과필터(41)의 통과대역이 겹치지 않도록 하면서 중심주파수의 위치를 고려하여 주파수 대역폭을 적절히 조절할 수 있다.

대역차단필터(42)는 도 4의 대역차단필터(42)의 진폭 스펙트럼에 도시된 바와 같은 차단대역을 갖는다. 즉, 차단대역의 신호만을 제거시키고, 그 외의 주파수 대역의 신호는 통과시키는 특성을 갖는다. 차단대역은 중심주파수 및 주파수 대역폭으로 정의된다. 중심주파수는 차단대역의 중심 부분의 주파수를 의미한다. 차단대역의 주파수 대역폭은 진폭 스펙트럼에서 투과도가 최대값의 1/2이 되는 지점간의 주파수 대역폭으로 정의되거나, 통과대역간의 주파수 대역폭(C와 D 간의 주파수 대역폭)으로 정의될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 통과대역 간의 주파수 대역폭을 기준으로 설명하기로 한다.

한편, 직렬로 연결된 N개의 디지털필터부(40)에 포함된 N개의 대역차단필터(42)는 서로 상이한 중심주파수를 갖는다. N개의 대역차단필터(42)의 주파수 대역폭은 모두 동일할 수도 있지만 상이할 수도 있다. 즉, N개의 대역차단필터(42)의 차단대역이 겹치지 않도록 하면서 중심주파수의 위치를 고려하여 주파수 대역폭을 적절히 조절할 수 있다.

버퍼(30)에서 출력되는 디지털 신호는 도 2에 도시된 바와 같이 대역통과필터(41)와 대역차단필터(42)로 전달된다. 즉, 버퍼(30)에 직접 연결된 대역통과필터(41)와 대역차단필터(42)는 동일한 디지털 신호를 입력받는다. 대역통과필터(41)를 통과한 신호는 이후 증폭부(50), 디지털-아날로그 변환기(80)를 거쳐 리시버(90)로 전달된다. 한편, 대역차단필터(42)를 통과한 디지털 신호는 후단의 디지털필터부(40)로 전달된다. 이때, 본 발명에서는 1개의 디지털필터부(40)에 포함되는 대역통과필터(41)의 통과대역과 대역차단필터(42)의 차단대역이 동일하도록 형성한다.

즉, 동일한 디지털 신호에 대해서 대역통과필터(41)는 통과대역(α대역)에 해당하는 신호를 통과시켜 증폭부(50)로 전달하지만, 대역차단필터(42)는 입력받은 신호에서 대역통과필터(41)의 통과대역(α대역)에 해당하는 신호를 제거한 후 나머지 주파수 성분만을 후단의 디지털필터부(40)로 전달을 한다. 그 결과 후단의 디지털신호부(40)에서 처리되는 디지털 신호에서는 전단 디지털신호부(40)의 대역통과필터(41)를 통과하여 증폭부(50)로 전달이 된 주파수 성분이 원천적으로 제거될 수 있게 된다.

전단 디지털필터부(40)의 대역차단필터(42)를 통과한 신호는 후단 디지털필터부(40)의 대역통과필터(41)와 대역차단필터(42)로 전달이 된다. 즉 후단 디지털필터부(40)의 대역통과필터(41)와 대역차단필터(42)는 전단 디지털필터부(40)의 대역차단필터(42)를 통과한 신호를 동시에 수신하게 된다. 이후 후단 디지털필터부(40)의 대역투과필터(41)는 사전에 설정된 투과대역(β대역)의 신호를 투과시켜 증폭부(50)로 전달한다. 한편 후단 디지털필터부(40)의 대역차단필터(42)는 입력받은 신호에서 β대역을 제거하여 출력하게 되므로, 후단 디지털필터부(40)의 대역차단필터(42)를 통과한 신호는 α대역 및 β대역이 모두 제거된 상태가 된다.

본 발명에서는 필요에 따라 N개의 디지털필터부(40)를 사용하게 되는데, 1번째 디지털필터부로부터 N번째 디지털필터부로 디지털 신호가 전달되면서 필터링이 진행되는 과정은 상기에서 설명한 바와 동일하므로 반복 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 각각의 디지털필터부(40)로부터 신호를 입력받아 증폭을 수행하게 되는 증폭부(50)에 대해 설명하기로 한다.

각각의 증폭부(50)는 도 3에 도시된 바와 같이 이득산출부(51) 및 증폭기(52)를 포함한다. 대역통과필터(41)를 통과한 신호는 이득산출부(51) 및 증폭기(52)로 동시에 전달된다.

이득산출부(51)는 증폭부(50)로 입력되는 신호에 대한 증폭률을 결정하는 것으로서, 신호처리를 수행할 수 있는 회로부, 제어부 또는 알고리즘을 의미한다. 증폭기(52)는 이득산출부(51)에서 결정된 증폭률을 전달받아 대역통과필터(41)로부터 입력받은 신호를 증폭하여 출력한다. 도 5는 본 발명에 따른 이득산출부(51)의 구성도이며, 도 6은 입력 신호의 크기에 따른 영역 구분도이다. 이득산출부(51)는 도 5에 도시된 바와 같이 디텍터(53), dB변환기(54), 게인결정부(55)를 포함한다.

이득산출부(51)의 디텍터(53)는 입력 신호의 크기(amplitude)를 검출하는 것이다. 도 7은 디텍터(53)에서 검출된 신호의 크기(amplitude)를 도시한 것이다. 디텍터(53)에 의해서 입력 신호의 크기가 검출되면, 입력 신호는 dB변환기(54)에 의해 dB 스케일로 변환된다. 게인결정부(55)는 dB변환기(54)에서 출력된 신호의 크기에 따라 필요한 증폭률을 결정하게 된다. 이때, dB변환기(54), 게인(gain)결정부(55)는 상기에서 설명한 기능을 수행할 수 있는 회로 또는 제어부를 의미한다. 상기 이득산출부(51)는 상기의 dB변환기(54)에 의해 dB 스케일로 변환된 신호를 다시 역변환하는 dB역변환기(미도시)를 추가로 포함할 수도 있다.

게인결정부(55)에는 도 6과 같은 영역구분 정보가 사전에 저장되어 있다. 게인결정부(55)는 dB변환기(54)의 출력값을 영역구분 정도와 대비하여 증폭률을 결정한 후, 결정된 증폭률을 증폭기(52)로 전달한다.

도 6의 영역구분 정보에 대해 보다 상세히 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이 디텍터((53)에서 검출된 신호는 그 크기에 따라 스퀄치 영역(R1), 선형증폭영역(R2), 비선형증폭영역(R3), 자동이득조절영역(R4) 및 포화영역(R5)으로 구분된다. 스퀄치 영역(R1)은 신호의 크기가 가장 작은 영역이며, 포화영역(R5)으로 갈수록 신호의 크기가 큰 경우에 해당된다.

스퀄치 영역(R1)에서는 신호의 크기가 작아질수록 증폭률도 작아진다. 입력되는 신호의 크기가 작을 경우에는 주변의 작은 소음과 같은 노이즈에 해당되는 경우가 많기 때문에 상대적으로 증폭률을 감소시키는 것이 노이즈 감소에 유리하기 때문이다.

선형 증폭 영역(R2)은 신호를 동일한 비율로 증폭시키는 영역으로서 음성 신호 등과 같이 사용자가 청취가 필요한 신호의 대부분이 선형 증폭 영역(R2)에 해당된다. 비선형 증폭 영역(R3)에서는 신호의 크기가 클수록 증폭률은 작아진다. 포화영역(R5)은 입력되는 신호의 크기가 스피커와 같은 리시버(90)의 최대 출력에 인접한 영역으로서 증폭을 진행할 필요가 없는 영역이다. 자동이득조절영역(R4)은 입력 신호의 크기가 리시버(90)의 포화상대를 초과하게 되는 것을 방지하기 위하여 입력 신호의 크기가 커질수록 증폭률을 급격하게 감소시키는 영역이다. 이와 같이 입력 신호의 크기에 따라 증폭률을 달리하게 되면 신호에 포함된 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있음과 아울러 사용자에게 전달되는 신호의 왜곡을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에서는 입력 신호를 크기에 따라 5개의 영역으로 구분을 하고, 영역의 특성에 맞게 증폭률을 달리 적용하였지만, 영역의 구분 및 각 영역에서의 증폭율은 필요에 따라 적절한 개수 및 정도로 조절될 수 있음은 물론이다.

주파수 대역별로 분할되어 각각의 증폭부(50)에서 증폭된 신호는 혼합기(60)에 의해 혼합된 후 버퍼(70)로 전달된다. 버퍼(70)는 입력 신호가 축적되어 일정한 크기를 갖는 데이터가 형성되면 이를 디지털-아날로그 변환기(80)로 전달한다. 디지털 신호는 디지털-아날로그 변환기(80)에 의해 아날로그 신호로 변환되며, 변환된 신호는 리시버(90)를 거쳐 사용자에게 전달된다. 리시버는 보청기에 장착되는 스피커 등을 의미한다.

10 : 마이크로폰 20 : 아날로그-디지털 변환기
30 : 버퍼 40 : 디지털필터부
41 : 대역투과필터 42 : 대역차단필터
50 : 증폭부 51 : 이득산출부
52 : 증폭기 53 : 디텍터
54 :dB변환기 55 : 게인(gain) 결정부
60 : 혼합기 70 : 버퍼
80 : 디지털-아날로그 변환기 90 : 리시버

Claims (7)

1. 외부의 소리를 아날로그 신호로 변환시켜 출력하는 마이크로폰;
   상기 마이크로폰으로부터 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환시켜 출력하는 아날로그-디지털 변환기;
   상기 아날로그-디지털 변환기로부터 입력받은 디지털 신호를 임시로 저장하였다가 출력하는 버퍼;
   상기 버퍼에서 출력된 디지털 신호를 N(N은 2 이상의 자연수)개의 주파수 대역별로 분할하기 위한 N개의 디지털필터부;
   상기 디지털필터부에 각각 연결되어 상기 디지털필터부에서 필터링된 디지털 신호를 증폭하는 N개의 증폭부;를 포함하되,
   각각의 상기 디지털필터부는 대역통과필터 및 대역차단필터를 포함하며, 상기 대역통과필터의 통과대역은 상기 대역차단필터의 차단대역과 동일한 것을 특징으로 하는 보청기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 N개의 디지털필터부 중에서,
   M(M은 2 이상이며 N 이하인 자연수)번째 디지털필터부는 M-1번째 디지털필터부에 연결되며,
   상기 M번째 디지털필터부에 포함된 대역통과필터 및 대역차단필터는 상기 M-1번째 디지털필터부에 포함된 대역차단필터에서 출력되는 디지털 신호를 입력받고,
   1번째 디지털필터부는 상기 버퍼에 연결되어 상기 버퍼로부터 출력되는 디지털 신호를 입력받는 것을 특징으로 하는 보청기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 버퍼로부터 출력되는 디지털 신호는 상기 1번째 디지털필터부에 포함된 대역통과필터 및 대역차단필터로 입력되며,
   상기 M-1번째 디지털필터부에 포함된 대역차단필터에서 출력되는 디지털 신호는 상기 M번째 디지털필터부에 포함된 대역통과필터 및 대역차단필터로 입력되는 것을 특징으로 하는 보청기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 대역통과필터를 통과한 디지털 신호는 상기 증폭부로 입력되는 것을 특징으로 하는 보청기
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 대역통과필터를 통과한 디지털 신호는 상기 증폭부에 포함된 이득산출부 및 증폭기로 입력되는 것을 특징으로 하는 보청기.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 각각의 증폭부는,
   상기 증폭부로 입력되는 디지털 신호에 대한 증폭률을 결정하는 이득산출부; 및
   상기 이득산출부에서 결정된 증폭률 정보를 수신하여 상기 증폭부로 입력되는 디지털 신호를 상기 증폭률에 따라 증폭시키는 증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보청기.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 이득산출부는 상기 증폭부로 입력되는 디지털 신호의 크기(amplitude)에 따라 증폭률을 산출하는 것을 특징으로 하는 보청기.

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