KR101310231B1

KR101310231B1 - 저음 증강 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101310231B1
Application number: KR1020070005670A
Authority: KR
Inventors: 이준수; 카토나오유키
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2013-09-25
Also published as: US8150050B2; CN101227760A; DE602007007429D1; KR20080068223A; EP1947903A1; CN101227760B; EP1947903B1; US20080175409A1

Abstract

소형 스피커로 신호를 재생할 때 저음역의 배음을 생성하여 저음을 증강하는 저음 증강 장치 및 방법이 개시되어 있다. 본 발명은 저음 증강 방법에 있어서, 입력 신호의 저역 성분을 추출하는 과정, 그 추출된 저역 성분의 배음들을 생성하는 과정, 생성된 배음 신호들을 상기 입력 신호와 합성하는 과정을 포함하며, 상기 배음 생성 과정은 배음 성분의 진폭 레벨의 다이나믹 레인지가 소정 비율로 압축되는 것임을 특징으로 한다.

Description

저음 증강 장치 및 방법{Apparatus and method for enhancing bass}

도 1은 종래 저음 증강 장치의 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제1실시예이다.

도 3은 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제2실시예이다.

도 4는 도 3의 배음 생성 수단의 동작을 보이는 흐름도이다.

도 5는 도 3의 배음 생성 수단에서 처리되는 파형도이다.

도 6은 본 발명에 따른 배음 생성용 지수(r) 및 계수들(A, B)에 따른 전형적인 패턴을 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 배음 생성 처리를 위한 입력 및 출력의 관계를 테이블화한 변환 테이블을 도시한 것이다.

도 8a는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제3실시예이다.

도 8b는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제4실시예이다.

도 9는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제5실시예이다.

본 발명은 오디오 재생 장치에 관한 것이며, 특히 소형 스피커로 신호를 재 생할 때 저음역의 배음을 생성하여 저음을 증강하는 저음 증강 장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로 CD 플레이어나 DVD 플레이어와 같은 멀티미디어 재생 장치를 통해 재생되는 오디오 데이터는 스피커를 통해 재생된다. 사용자는 스피커를 통해 출력되는 사운드를 듣게된다. 이때 스피커의 성능과 플레이어의 오디오 처리 기술에 따라 원음을 충실하게 표현하는 정도가 달라진다. 한편, 오디오 처리 기술의 발전으로 스피커의 크기가 작아졌다. 그러나 스피커의 크기가 작을수록 저음역(bass)의 사운드를 충실하게 재생하는 데 한계가 있다.

따라서 저음역 증강 장치는 소형 스피커를 재생시 부족하기 쉬운 저음역 성분을 증강시킨다.

이러한 저음역 증강 장치에 관련된 기술이 US 200500513446(filed 12 Aug. 2004 entitled Audio System), US2005265561(filed 9 May. 2005 entitled Method and apparatus to generate harmonics in speaker reproducing system)에 개시되어 있다.

US2005013446에 기재된 통상적인 저음 증강 장치의 일 실시예를 보면, 먼저 입력단자(91)로부터 들어온 신호는 저역성분추출수단(92)으로 입력된다.

저역성분추출수단(92)은 입력신호로부터 재생이 곤란한 저음역에 속하는 성분을 추출한다.

배음생성수단(Harmonics generator)(93)은 추출된 저음역 성분에 대한 제2배음, 제3배음, ... , 제n배음을 생성한다.

가산수단(96)은 입력신호와 배음들을 가산하여 출력단자(97)로 출력한다.

여기서, 정수배음 생성 방법은 예를 들면, US2005013446에 기재되어 있는 바와 같이 정류 회로, 적분 회로, 리셋트 회로를 이용해서 구현될수있다.

그러나 종래의 저음 증강 장치는 고정된 게인(gain)을 갖는 신호를 합성하여 배음을 생성한다. 따라서 종래의 저음 증강 장치는 저음역에 과도한 진폭의 신호를 다이나믹 레인지에 제한이 많은 소형 스피커로 재생할 경우 신호가 찌그러지는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 저음역 성분으로부터 생성되는 배음의 레벨을 조정함으로써 통상 레벨 구간에서의 저음 증강 효과를 높이고 피크 레벨 구간에서의 신호 왜곡을 줄이는 저음 증강 장치 및 방법에 관한 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 저음 증강 방법에 있어서,

입력 신호의 저역 성분을 추출하는 과정,

상기 추출된 저역 성분의 배음들을 생성하는 과정,

상기 생성된 배음 신호들을 상기 입력 신호와 합성하는 과정을 포함하며,

상기 배음 생성 과정은 배음 성분의 진폭 레벨의 다이나믹 레인지가 소정 비율로 압축되는 것임을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한 다.

도 2는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제1실시예이다.

도 2의 저음 증강 장치는 저역 성분 추출 수단(22), 배음 생성 수단(23), 게인 조정수단(28), 가산 수단(29)을 포함한다. 배음 생성 수단(23)은 정수 배음 생성 수단(24), 다이나믹 레인지 압축 수단(25), 게인 조정 수단(26)으로 구성된다.

저역 성분 추출 수단(22)은 입력 단자(21)로부터 입력되는 신호의 저역 성분을 추출한다. 저역 성분 추출 수단(22)은 바람직하게 저역 통과 필터를 이용한다.

배음 생성 수단(23)은 저역 성분 추출 수단(22)에서 추출된 저역 성분에 대한 정수차 배음들(제2배음, 제3배음, ... , 제n배음)을 생성하고, 진폭 레벨의 다이나믹 레인지를 소정 비율로 압축한다. 배음 생성 수단(23)을 더 상세히 설명하면, 정수배음 생성 수단(24)은 저역 성분 추출 수단(22)에서 추출된 저음역 성분에 대해 제2배음, 제3배음, ... , 제n배음을 생성한다. 정수배음 생성 방법의 일실시예로서 정류회로, 적분 회로, 리셋트 회로를 이용해서 구현될 수있다.

그리고 다이나믹 레인지 압축 수단(25)은 다이나믹레인지를 넘는 신호를 압축하는 것으로서, 배음 성분의 진폭 레벨의 다이나믹 레인지를 압축한다. 예를 들면, 다이나믹 레인지 압축은 다이나믹 레인지가 20dB인 신호를 10dB로 압축시켜 신호 변화의 범위를 적게 또는 부드럽게 만든다.

따라서 갑작스럽게 큰 피크의 신호가 입력되어도 신호 왜곡이 발생되지 않는다. 게인 조정 수단(26)은 다이나믹 레인지 압축 수단(25)으로부터 출력되는 배음 성분들의 게인을 조정한다. 가산기(도시안됨)는 게인 조정 수단(26)으로부터 출력 되는 배음 성분들을 가산한다.

다시 도 2로 돌아가서, 게인 조정 수단(28)은 입력 단자(21)로부터 입력되는 신호의 게인을 조정한다.

가산 수단(29)은 배음 생성 수단(23)에서 생성된 각각의 배음 성분과 게인 조정기(28)에서 게인 조정된 신호를 합성하여 출력 단자(210)로 출력한다.

도 3은 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제2실시예이다.

도 3의 저음 증강 장치는 회로 규모를 줄이고 정밀도를 향상시키기 위해 도 2의 장치에서 배음 생성 수단(23)만을 다르게 설계한 것으로, 나머지 블록은 도 2의 장치와 동일하다. 즉, 도 3의 배음 생성 수단(23)은 절대치 처리수단(32), 지수처리수단(33), 출력 계수 승산 수단(34), 출력계수선택 수단(35)을 구비한다.

먼저, 절대치 처리 수단(32)은 입력 신호의 진폭을 절대치화한다.

지수처리수단(33)은 절대치 처리 수단(32)에서 절대치 처리된 진폭값을 지수승한다.

출력 계수 승산 수단(34)은 지수처리수단(33)에서 지수승된 진폭값에 출력 계수를 승산한다.

출력 계수 선택 수단(35)은 입력 신호의 극성에 근거하여 출력계수 승산 수단(34)에서 승산하는 출력 계수를 선택한다.

도 4는 도 3의 배음 생성 수단(23)의 동작을 보이는 흐름도이다.

먼저, 입력단자로부터 입력된 신호(x)는 절대치화된다(410 과정).

이어서, 절대치화된 진폭값은 소정 비율(r)의 지수함수의 지수치로 변환된 다(420 과정).

이어서, 입력된 신호(x)의 정부(正負) 극성을 체크한다(430 과정).

이어서, 입력신호(x)의 정부(正負) 극성을 근거로 출력 계수를 선택한다.

이어서, 지수치로 변환된 입력 신호에 출력계수(A 또는 B)를 승산하여 출력한다. 구체적으로는, 입력신호(x)의 극성이 정(+)인 경우는 소정의 계수 A가 선택되고, 입력신호의 극성이 부(-)인 경우는 소정의 계수 B가 선택된다. 이때 입력신호가 “0”인 경우 임의의 계수가 선택되지만, 여기에서는 계수 A가 선택되는 것으로 한다. A, B는 실험치나 사용자에 의해 미리 결정되는 계수이다.

결국, 입력신호(x)의 극성이 정(+)인 경우 A??｜x｜r 을 출력하고(440 과정), 입력신호(x)의 극성이 부(-)인 경우 -B??｜x｜r 을 출력한다(450 과정).

도 5는 도 3의 배음 생성 수단(23)에서 처리되는 파형도이다.

배음 생성을 위한 파라미터들은 각각 r=0.5, A=1.0, B=-0.25 으로 하자.

도 5는 각각 입력레벨 0dB(a), 입력레벨 -6dB(b), 입력레벨 -12dB(c)인 경우의 출력 파형이다. 각각의 입력 사인파를 점선으로 표시하고, 출력 신호를 실선으로 표시하였다. 덧붙여, 출력신호가 서로 닮아있음을 확인할 수 있도록 각각의 출력신호의 레벨로 Y축 스케일을 정규화하였다.

도 5에서 도시된 바와 같이 각 입력 신호에 대한 출력파형은 지수의 성질에 따라 모두 같게 된다. 따라서, 배음구성비는 입력신호의 레벨에 의존하지 않고 일정하게 되는 것을 알 수 있다. 여기서 배음 구성비는 각 배음성분의 상대적인 레벨비이다. 또한, 입력신호가 0dB에서 -12dB까지 12dB 변화하는 동안에 신호의 피크 레벨은 0dB에서 -6dB까지 6dB 변화하고 있다. 따라서, 입력 신호는 0.5의 비율로 압축되고 있는 것을 알 수 있다. 이 압축과정은 각 배음에 각각 적용되게 되므로 결국 각 배음은 각각 r=0.5 의 비율로 압축되게 된다.

또한 도 5의 출력 파형을 보면, 입력 사인파는 도 3의 지수 처리수단(33)과 계수 승산 처리 수단(34)을 거치면서 왜곡된 출력 파형으로 변형된다. 즉, 그 왜곡된 출력 파형은 하나의 주파수 성분(f0)을 갖는 사인파가 아니고 다수의 주파수 성분들(f0, f1, f2, f3....fn)이 합쳐진 파형이다. 따라서 도 3의 배음 생성 수단(23)은 지수 처리수단(33)과 계수 승산 처리 수단(34)을 통해 입력된 파형에 왜곡을 가함으로써 배음 성분들의 합에 의해 변형된 출력 파형을 생성한다. 물론, 지수 처리수단(33)에 의해 다이나믹 레인지 압축이 수행된다. 또한 지수 처리 및 계수 승산 처리를 거치면서 출력 파형을 이루는 배음들간의 구성 및 레벨비는 모두 동일하게 된다.

또한 기본음과 각 배음의 레벨 비율은 지수(r) 및 계수들(A, B)을 이용하여 조절할 수 있다. 예를 들어 A와 B가 같으면 배음 생성 수단(23)은 홀수 배음만을 생성하고, A와 B가 다르면 배음 생성 수단(23)은 짝수 배음 및 홀수 배음을 모두 생성한다. 지수(r) 및 계수들(A, B)은 타겟이 되는 스피커에 따라서 청취실험에 의해 결정해야 한다.

도 6의 상단은 A≠B 일 경우 홀수배음과 짝수배음을 모두 포함하는 패턴이 다. 도 6의 하단은 A=B 일 경우 홀수배음만 포함하는 패턴이다. 홀수배음만 포함하는 패턴일 경우 배음 주파수(300Hz,500Hz,700Hz,...)의 최대공약수는 100Hz가 된다. 따라서 홀수배음 패턴의 경우에도 그 최대 공약수 100Hz가 원래의 기본파 100Hz와 일치하므로 미싱 펀더멘털(missing fundamental) 현상에 의한 기본파 강조 효과를 얻을 수 있다.

다른 실시예로, 본 발명의 배음 생성 처리를 고정소수점형 DSP(Digital Signal Processor)에 실장할 수 있다. 예를 들면, 입력과 출력의 관계를 테이블화한 테이블 룩업(table look up)방식에 의해 배음 생성을 실현할 수 있다. 또는 입력 및 출력 특성을 다항식 근사 등으로 근사화하여 배음 생성을 실현할 수도 있다.

또 다른 실시예로, 비교적 메모리 용량에 여유가 있을 경우 도 6에 도시된 바와 같이 배음 생성처리는 1회의 테이블 룩업을 이용하여 고속화를 도모할 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 배음 생성 처리를 위한 입력 및 출력의 관계를 테이블화한 변환 테이블을 도시한 것이다.

도 8a는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제3실시예이다.

도 3의 저음 증강 장치는 도 2의 장치에서 음질 조정 수단(811)을 더 구비한다. 즉, 음질조정수단(811)은 저역통과특성을 갖는 디지털 필터로서, 배음 새성 수단(22)에서 생성된 고차 이상의 배음성분의 제거와, 배음의 감쇠도 조정 기능을 한다. 또한 음질조정수단(811)은 과부하 방지를 위하여 생성된 배음에 포함된 원음을 제거하는 고역통과 특성을 갖을 수도 있다.

도 8b는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제4실시예이다.

도 2의 장치에서 과 부하 방지를 위해 저역 성분 제거 수단(812)을 더 구비한다. 즉, 저역 성분 제거 수단(812)은 고역통과특성을 갖는 디지털 필터로서, 입력신호로부터 타겟으로 하는 스피커가 재생하기 곤란한 저음역에 속하는 성분을 제거한다.

도 9는 본 발명에 따른 저음 증강 장치의 제5실시예이다.

일반적으로 저음 성분은 양 채널의 입력 신호(21a, 21b)에 공통적으로 포함되어 있다. 따라서 도 9와 같이, 제1가산기(813)는 양 채널의 신호를 모노럴 믹스한다. 저역 성분 추출 수단(22)은 제1가산기(813)로부터 가산된 신호의 저역 성분을 추출한다. 배음 생성 수단(23)은 저역 성분 추출 수단(22)에서 추출된 저역 성분에 대한 정수차 배음들(을 생성하고, 각 배음 성분의 진폭 레벨의 다이나믹 레인지를 일괄적으로 소정 비율로 압축한다. 제1게인 조정기(28a)는 제1입력 단자(21a)로부터 입력되는 신호의 게인을 조정한다. 제2게인 조정기(28b)는 제2입력 단자(21b)로부터 입력되는 신호의 게인을 조정한다. 제2가산기(29a)는 배음 생성 수단(23)에서 생성된 각각의 배음 성분과 제1게인 조정기(28a)에서 게인 조정된 신호를 합성하여 제1출력 단자(210a)로 출력한다. 제2가산기(29b)는 배음 생성 수단(23)에서 생성된 각각의 배음 성분과 제2게인 조정기(28b)에서 게인 조정된 신호를 합성하여 제2출력 단자(210b)로 출력한다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

또한 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 저음역 성분으로부터 생성되는 배음의 다이나믹 레인지 압축을 수행함으로써 통상 레벨 구간에서의 저음 증강 효과를 높이고 피크 레벨 구간에서의 신호 왜곡을 줄일 수 있다. 또한 배음에 대한 배음구성비가 일정하게 유지되고 있기 때문에 다이나믹레인지 압축에 의한 음색의 변화를 최소한의 정도로 억제할 수 있다. 또한 배음 생성 처리와 다이나믹 레인지 압축 처리를 일체화하여 회로 규모를 최소로 줄일 수 있는 동시에 그 처리 과정에서 발생하는 오차를 최소화할 수 있다.

Claims

저음 증강 방법에 있어서,

입력 신호의 저역 성분을 추출하는 과정,

상기 추출된 저역 성분의 배음들을 생성하는 과정,

상기 생성된 배음 신호들을 상기 입력 신호와 합성하는 과정을 포함하며,

상기 배음 생성 과정은 배음 성분의 진폭 레벨의 다이나믹 레인지가 소정 비율로 압축되며,

상기 배음들을 생성하는 과정은 배음 성분의 진폭값을 지수승하고, 지수승 된 진폭값에 입력 신호의 극성에 따라 미리 결정된 출력 게인 계수를 승산하는 것임을 특징으로 하는 저음 증강 방법.
제1항에 있어서, 상기 배음 생성 과정은

상기 입력 신호의 진폭값의 크기를 지수함수에 기초하여 압축하는 과정,

상기 입력 신호의 정부 극성에 따라 출력 게인 계수를 선택하는 과정,

상기 선택된 출력 게인 계수를 상기 압축 결과에 적용하는 과정을 구비하는 것을 특징으로 하는 저음 증강 방법.
제2항에 있어서, 상기 지수함수의 지수값 및 상기 출력 게인 계수를 조정하여 배음 구성비를 조정하는 것임을 특징으로 하는 저음 증강 방법.
제1항에 있어서, 상기 배음 생성 과정에서 생성된 배음 성분의 배음 구성비를 조정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저음 증강 방법.
제1항에 있어서, 상기 배음 생성 과정은 테이블 룩-업으로 수행되는 임을 특징으로 하는 저음 증강 방법.
입력 신호의 저역 성분을 추출하는 저역 성분 추출 수단;

저역 성분 추출 수단에서 추출된 저역 성분의 복수개 배음들을 생성하고, 배음 성분의 진폭 레벨의 다이나믹 레인지가 소정 비율로 압축하는 배음 생성 수단;

상기 배음 생성 수단에서 생성된 복수개 배음 신호들을 상기 입력 신호와 합성하는 합성 수단을 포함하며,

상기 배음 생성 수단은 배음 성분의 진폭값을 지수승하고, 지수승 된 진폭값에 입력 신호의 극성에 따라 미리 결정된 출력 게인 계수를 승산하는 것임을 특징으로 하는 저음 증강 장치.
제6항에 있어서, 상기 배음 생성 수단은

상기 입력 신호의 진폭을 절대치화하는 절대치 처리 수단;

상기 절대치 처리 수단에서 절대치 처리된 진폭값을 지수승하는 지수처리수단;

상기 지수처리수단에서 출력되는 신호에 출력 계수를 승산하는 출력계수 승산 수단;

상기 출력계수 승산 수단에서 승산하는 출력 계수를 입력 신호의 극성에 근거하여 선택하는 출력 계수 선택 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 저음 증강 장치.
제6항에 있어서, 상기 배음 생성 수단에서 생성된 배음 성분의 배음 구성비를 조정하는 음질 조정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저음 증강 장치.
제8항에 있어서, 상기 음질 조정 수단은 저역 통과 특성 또는 고역 통과 특성을 갖는 디지털 필터임을 특징으로 하는 저음 증강 장치.
제6항에 있어서, 상기 입력 신호의 저역 성분을 제거하는 저역 성분 제거 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 저음 증강 장치.
제10항에 있어서, 상기 저역 성분 제거 수단은 고역 통과 특성을 갖는 디지털 필터임을 특징으로 하는 저음 증강 장치.