KR101419433B1

KR101419433B1 - 입력 신호에 따라 파라메트릭 이퀄라이저의 게인을 다이나믹하게 조절하는 방법 및 그 방법을 채용한 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저

Info

Publication number: KR101419433B1
Application number: KR1020130009177A
Authority: KR
Inventors: 김덕환; 최영하
Original assignee: 네오피델리티 주식회사
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2014-07-18

Abstract

본 발명은 입력 신호에 따라 파라메트릭 이퀄라이저의 게인을 다이나믹하게 조절하는 방법 및 그 방법을 채용한 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저에 관한 것으로, 파라메트릭 이퀄라이저를 구현하는 필터의 계수를 실시간으로 계산하지 않더라도 입력 디지털 오디오 신호의 레벨에 따라 그 게인이 다이내믹하게 변화하는 파라메트릭 이퀄라이저를 제공한다.

Description

입력 신호에 따라 파라메트릭 이퀄라이저의 게인을 다이나믹하게 조절하는 방법 및 그 방법을 채용한 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저{METHOD FOR DYNAMICALLY CONTROLLING GAIN OF PARAMETRIC EQUALIZER ACCORDING TO INPUT SIGNAL AND DAYNAMIC PARAMETRIC EQUALIZER EMPLOYING THE SAME}

본 발명은 입력 신호에 따라 파라메트릭 이퀄라이저의 게인을 다이나믹하게 조절하는 방법 및 그 방법을 채용한 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저에 관한 것으로, 특히, 입력 디지털 오디오 신호의 레벨에 따라 게인을 다이내믹하게 조절할 수 있는 게인 조절 방법 및 파라메트릭 이퀄라이저에 관한 것이다.

파라메트릭 이퀄라이저는 사용자가 이퀄라이저의 파라미터인 대역이나 게인 등을 임의로 설정할 수 있는 이퀄라이저이다. 파라메트릭 이퀄라이저는 디지털 오디오 신호를 재생하는 장치에 포함된 오디오 튜닝 회로의 일부를 구성하여 디지털 오디오 신호와 스피커의 재생 능력을 매칭시킨다. 예를 들어, 파라메트릭 이퀄라이저는 디지털 텔레비전에 내장된 스피커의 특성에 적합하도록 디지털 오디오 신호의 특성을 튜닝하는데 사용된다. 디지털 텔레비전에 내장된 스피커의 저음 재생 능력이 우수하지 못한 경우, 파라메트릭 이퀄라이저를 이용하여 디지털 오디오 신호의 특성을 적절히 튜닝하면 소리의 왜곡없이 저음의 적절한 재생이 가능하다. 즉, 파라메트릭 이퀄라이저는 스피커의 재생 능력에 적합한 신호를 생성하는데 사용된다. 파라메트릭 이퀄라이저는 디지털 필터를 이용하여 구성되는데, 디지털 오디오 신호를 재생하는 장치의 설계 단계에서 스피커의 재생 능력을 고려하여 설계된다.

도 1a는 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저의 전달 함수의 일례를 도시한 그래프이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 중심 주파수(fc)를 중심으로 일정한 대역폭(Q) 내의 신호를 게인(G)에 따라 증폭한다.

도 1b는 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저의 전달 함수의 다른 예를 도시한 그래프이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 컷-오프(fc)보다 낮은 대역의 신호를 게인(G)에 따라 증폭한다.

도 1c는 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저의 전달 함수의 또 다른 예를 도시한 그래프이다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 컷-오프(fc)보다 높은 대역의 신호를 게인(G)에 따라 증폭한다.

도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 설정된 파라미터에 따라 특정 밴드의 신호를 증폭한다. 파라메트릭 이퀄라이저로 입력되는 입력 신호의 레벨이 작은 경우에는 문제가 없지만, 입력 신호의 레벨이 큰 경우에는 증폭으로 인한 클리핑이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

클리핑을 방지하기 위해서는 입력 신호의 레벨에 따라 파라메트릭 이퀄라이저의 게인을 실시간으로 조절하여야 한다. 즉, 입력 신호의 레벨이 낮아 증폭으로 인한 클리핑이 발생하지 않는 경우에는 설정된 게인(G)로 입력 신호를 증폭하고, 입력 신호의 레벨이 높아 증폭으로 인한 클리핑이 발생하는 경우에는 설정된 게인(G)보다 낮은 게인으로 입력 신호를 증폭하여 클리핑을 방지하여야 한다.

도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 파라메트릭 이퀄라이저는 필터를 이용하여 구현한다. 예를 들어, 파라메트릭 이퀄라이저를 2차 IIR 필터(Infinite Impulse Response Filter)로 구성하는 경우 파라메트릭 이퀄라이저의 전달 함수 H(z)는 하기의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

클리핑을 방지하기 위해서는, 입력 신호의 레벨에 따라 파라메트릭 이퀄라이저의 게인이 다이내믹하게 변해야 한다. 즉, 파라메트릭 이퀄라이저를 구성하는 필터의 파라미터를 실시간으로 변경하여야 한다. 필터의 파라미터는 수학식 1의 계수에 의해 정의되므로 게인이 변할 때마다 계수 a₁, a₂, b₀, b₁및 b₂를 구하여야 한다.

IIR 필터의 계수를 게인(G)에 따라 실시간으로 계산하는 것은 매우 복잡하므로 고성능의 연산 하드웨어를 필요로 한다. 따라서, 하드웨어 구성이 복잡해지고 제조 비용이 상승한다는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 필터의 계수를 계산하지 않아도 입력 신호의 레벨에 따라 게인을 다이내믹하게 조절하는 게인 조절 방법 및 파라메트릭 이퀄라이저를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 기설정된 게인 G(단 G는 1보다 큰 실수)를 파라미터로 하는 전달 함수 H(z)를 가지며, 상기 게인 G를 다이내믹하게 조절하는 파라메트릭 이퀄라이저는 입력 디지털 오디오 신호 X를 전달 함수 H₁에 따라 처리하여 출력하는 제1 신호 처리부; 상기 제1 신호 처리부의 출력 신호를 그 레벨 Gin에 따른 전달 함수 H₂에 따라 처리하여 출력하는 제2 신호 처리부; 및 상기 제2 신호 처리부의 출력 신호와 상기 입력 디지털 오디오 신호 X를 합산하여 출력 디지털 오디오 신호 Y를 생성하는 합산부를 포함하는 것을 특징으로 한다(단, H₁=[H(z)-1]/(G-1),0<Gin<1/G인 경우 H₂=G-1,1/G≤Gin≤1인 경우 H₂=1/Gin-1,1<Gin인 경우 H₂=0).

본 발명에 따른 기설정된 게인 G(단 G는 1보다 큰 실수)를 파라미터로 하는 전달 함수 H(z)를 가지는 파라메트릭 이퀄라이저의 게인 G를 다이내믹하게 조절하는 게인 조절 방법은 (a) 입력 디지털 오디오 신호 X를 전달 함수 H₁을 가지는 제1 신호 처리부에 입력하여 처리하는 단계; (b) 상기 제1 신호 처리부의 출력 신호 Y₁을 그 레벨 Gin에 따른 전달 함수 H₂를 가지는 제2 신호 처리부에 입력하여 처리하는 단계; 및 (c) 상기 제2 신호 처리부의 출력 신호와 상기 입력 디지털 오디오 신호 X를 합산하여 출력 디지털 오디오 신호 Y를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다(단, H₁=[H(z)-1]/(G-1),0<Gin<1/G인 경우 H₂=G-1,1/G≤Gin≤1인 경우 H₂=1/Gin-1,1<Gin인 경우 H₂=0).

본 발명은 다음과 같은 장점을 가진다.

(i) 파라메트릭 이퀄라이저를 구현하는 필터의 계수를 실시간으로 계산하지 않더라도, 볼륨 레벨이 조절된 디지털 오디오 신호의 레벨에 따라 그 게인이 다이내믹하게 변화하는 파라메트릭 이퀄라이저를 구현할 수 있다.

(ii) 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 볼륨 레벨이 조절된 디지털 오디오 신호의 레벨에 따라 그 게인이 다이내믹하게 변화하므로 신호의 클리핑 및 왜곡을 방지할 수 있다.

(iii) 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저를 구현하는 필터의 계수를 실시간으로 계산하지 않으므로 필터의 계수를 실시간으로 계산하는 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저에 비하여 하드웨어 구조가 간단하다.

(iv) 필터의 계수를 실시간으로 계산하는 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저와 달리, 필터의 계수를 실시간으로 계산하는 고성능의 연산 하드웨어가 필요하지 않으므로 저전력의 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저를 저비용으로 제조할 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저의 전달 함수를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저를 도시한 블록도.
도 3a 내지 도 3c는 전달 함수 H₁을 도시한 그래프.
도 4는 전달 함수 H₂를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저 시스템의 게인 조절 방법을 도시한 흐름도.
도 6은 도 5에 도시된 S120 단계를 상세히 도시한 흐름도.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저(100)는 제1 신호 처리부(110), 제2 신호 처리부(120) 및 합산부(130)를 포함한다.

제1 신호 처리부(110)는 입력 디지털 오디오 신호 X(예를 들면, PCM 신호)를 전달 함수 H₁에 따라 처리하여 출력한다. 즉, 제1 신호 처리부(110)는 입력 디지털 오디오 신호 X에 대하여 출력 신호 Y₁=XH₁를 생성하여 출력한다.

H₁는 하기의 수학식 2와 같이 정의된다.

[수학식 2]

도 3a 내지 도 3c는 H₁을 예시한 그래프이다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, H₁은 H(z)를 1만큼 -y 축 방향으로 시프트시킨 것이다. 구체적으로는, H(z)가 도 1a에 도시된 그래프와 같은 경우, H₁은 도 3a에 도시된 바와 같이 dB 스케일에서 -∞ -> 0 -> -∞ 형태이다. 또한, H(z)가 도 1b에 도시된 그래프와 같은 경우, H₁은 도 3b에 도시된 바와 같이 dB 스케일에서 0 -> -∞ 의 형태이다. 또한, H(z)가 도 1c에 도시된 그래프와 같은 경우, H₁은 도 3c에 도시된 바와 같이 dB 스케일에서 -∞ -> 0의 형태이다. H₁은 도 3a 내지 도 3c에 한정되는 것은 아니고, H(z)에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.

제1 신호 처리부(110)의 전달 함수 H₁은 H(z)를 시프트시킨 것으로 H₁의 계수는 계산된 H(z) 계수를 수학식 2 와 같이 그대로 활용하여 미리 계산해 둘 수 있으므로 실시간으로 계산할 필요는 없다.

제2 신호 처리부(120)는 제1 신호 처리부(110)의 출력 신호 Y₁의 레벨 Gin에 따라 제1 신호 처리부(110)의 출력 신호 Y₁을 전달 함수 H₂에 따라 처리하여 출력한다. 즉, 제2 신호 처리부(120)는 제1 신호 처리부(110)의 출력 신호에 대하여 출력 신호 Y₂=XH₁H₂를 생성하여 출력한다.

H₂는 다음과 같이 정의된다.

[수학식 3]

합산부(130)는 제2 신호 처리부(120)의 출력 신호 Y₂와 입력 디지털 오디오 신호 X를 합산하여 출력 디지털 오디오 신호 Y를 생성한다.

Gin에 따라 출력 디지털 오디오 신호 Y를 계산하면 아래와 같다.

(i) 0<Gin<1/G인 경우

H₂=G-1이므로 출력 디지털 오디오 신호 Y는 하기의 수학식 4와 같다.

[수학식 4]

여기서, Y/X를 구하면 수학식 5와 같다.

[수학식 5]

즉, 0<Gin<1/G인 경우 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저(100)의 게인 G는 변하지 않는다. 즉, 제1 신호 처리부(110)의 출력 신호 Y₁의 레벨 Gin이 1/G보다 작은 경우, 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저(100)는 게인 G를 다이내믹하게 변화시키지 않고, 기설정된 게인 G에 따라 입력 디지털 오디오 신호 X를 처리한다.

(ii) 1/G≤Gin≤1인 경우

H₂=1/Gin-1이므로 출력 디지털 오디오 신호 Y는 하기의 수학식 6과 같다.

[수학식 6]

여기서, Y/X를 구하면 수학식 7과 같다.

[수학식 7]

(1/Gin-1)/(G-1)을 G'이라 하면, Y/X는 수학식 8과 같이 표시된다.

[수학식 8]

도 4에 도시된 바와 같이, (1/Gin-1)은 1/G≤Gin≤1의 범위에서 단조 감소하는 특성을 가지므로 G'도 1/G≤Gin≤1의 범위에서 단조 감소하며, Gin=1/G일 때 최대값 1을 가지며, Gin=1일 때 최소값 0을 가진다. G'=1일 때 Y/X=H(z)이며, G'=0일 때 Y/X=1이다. 따라서, Gin이 1/G 이상, 1이하의 값을 가지는 경우 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저(100)는 그 게인이 단조 감소한다. 즉, 레벨 Gin에 따라 H(z)의 계수를 실시간으로 계산하지 않더라도 레벨 Gin에 대응하여 파라메트릭 이퀄라이저의 게인을 다이내믹하게 변화시킬 수 있다.

수학식 7에서 H(z)의 게인은 G이므로 [H(z)-1]/(G-1)]의 게인은 1이다. 따라서 X의 레벨은 Y₁의 그것(Gin)과 동일하다. 또한, 수학식 7에서 Y/X의 게인은 1/Gin이며, X의 레벨은 Gin 이므로 결국 1/G≤Gin≤1의 범위에서 Y 의 레벨은 X의 레벨과 무관하게 1로 일정하게 유지된다.

(iii) 1<Gin인 경우

H₂=0이므로 출력 디지털 오디오 신호 Y는 하기의 수학식 9와 같다.

[수학식 9]

1<Gin인 경우, 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저(100)는 입력 디지털 오디오 신호 X를 출력 디지털 오디오 신호 Y로 그대로 출력한다. 즉, 제1 신호 처리부(110)의 출력 신호 Y₁의 레벨 Gin이 1보다 큰 경우, 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저 시스템(100)은 입력 디지털 오디오 신호 X를 증폭하지 않고 그대로 출력한다.

도 5는 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저의 게인 조절 방법을 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 입력 디지털 오디오 신호 X를 전달 함수 H₁을 가지는 제1 신호 처리부에 입력하여 처리한다(S110). 여기서, H₁은 상기의 수학식 2와 같이 정의된다.

즉, 입력 디지털 오디오 신호 X를 전달 함수 H₁을 가지는 제1 신호 처리부에 입력하고, 제1 신호 처리부는 디지털 오디오 신호 X를 처리하여 출력 신호 Y₁=XH₁을 생성한다.

다음에는, 제1 신호 처리부의 출력 신호 Y₁을 전달 함수 H₂를 가지는 제2 신호 처리부에 입력하여 처리한다(S120). H₂는 상기의 수학식 3과 같이 정의된다.

즉, 제1 신호 처리부의 출력 신호 Y₁을 전달 함수 H₂를 가지는 제2 신호 처리부에 입력하고, 제2 신호 처리부는 제1 신호 처리부의 출력 신호 Y₁을 신호 처리하여 출력 신호 Y₂=XH₁H₂를 생성한다.

S120 단계를 도 6을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

0<Gin<1/G인 경우(S120a), 수학식 3에 따라 H₂=G-1이며(S120b), 제2 신호 처리부는 출력 신호 Y₂=X[H(z)-1]를 생성한다(S120c).

1/G≤Gin≤1인 경우(S120d), 수학식 3에 따라 H₂=1/Gin-1이며(S120e), 제2 신호 처리부는 출력 신호 Y₂=X[{(H(z)-1)/(G-1)}(1/Gin-1)]를 생성한다(S120f).

1<Gin인 경우, 수학식 3에 따라 H₂=0이며(S120g), 제2 신호 처리부는 출력 신호 Y₂=0을 생성한다(S120h).

다음에는, 제2 신호 처리부의 출력 신호 Y₂와 출력 신호 X를 합산하여 출력 디지털 오디오 신호 Y를 생성한다(S130).

0<Gin<1/G인 경우, 출력 디지털 오디오 신호 Y는 상기의 수학식 4와 같다. 0<Gin<1/G인 경우 본 발명에 따른 파라메트릭 이퀄라이저의 게인 G는 변하지 않고 기설정된 게인 G에 따라 입력 디지털 오디오 신호를 처리한다.

1/G≤Gin≤1인 경우 출력 디지털 오디오 신호 Y는 상기의 수학식 6과 같다. Gin이 1/G 과 1 사이의 값을 가지는 경우 게인이 단조 감소한다. 즉, 레벨 Gin에 따라 H(z)의 계수를 실시간으로 계산하지 않더라도 레벨 Gin에 대응하여 파라메트릭 이퀄라이저의 게인을 다이내믹하게 변화시킬 수 있다.

1<Gin인 경우 출력 디지털 오디오 신호 Y는 상기의 수학식 9와 같다. 1<Gin인 경우, 디지털 오디오 신호 X와 출력 디지털 오디오 신호 Y는 동일하다. 즉, 디지털 오디오 신호 X의 레벨 Gin이 1보다 큰 경우, 디지털 오디오 신호 X를 증폭하지 않고 그대로 출력한다.

본 발명에 따른 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저는 다음과 같은 점에서 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저와 상이하다.

(i) 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 각종 파라미터에 의해 전달 함수가 정의되면, 입력 신호의 레벨에 관계없이 전달 함수에 따라 입력 신호를 처리한다. 반면에, 본 발명에 따른 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저는 입력 신호의 레벨을 검출하고, 검출된 레벨에 따라 입력 신호를 처리하는 방법이 변경된다.

(ii) 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 전달 함수의 파라미터가 설정되면 이를 변경하지 않고 입력 신호를 처리한다. 반면에, 본 발명에 따른 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저는 입력 신호의 레벨을 검출하고, 검출된 레벨에 따라 파라미터 중 하나인 게인을 유지 또는 변경하여 입력 신호를 처리한다.

즉, 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저와 본 발명에 따른 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저는 기설정된 전달 함수에 따라 입력 신호를 처리한다는 점은 유사하지만, 종래 기술에 따른 파라메트릭 이퀄라이저는 입력 신호의 레벨과 무관하게 입력 신호를 처리하는 반면, 본 발명에 따른 다이내믹 파라메트릭 이퀄라이저는 입력 신호의 레벨에 따라 입력 신호를 처리하는 방식이 달라진다는 점에서 상이하다.

100: 파라메트릭 이퀄라이저 110: 제1 신호 처리부
120: 제2 신호 처리부 130: 합산부

Claims

기설정된 게인 G(단 G는 1보다 큰 실수)를 파라미터로 하는 전달 함수 H(z)를 가지며, 상기 게인 G를 다이내믹하게 조절하는 파라메트릭 이퀄라이저에 있어서,
입력 디지털 오디오 신호 X를 전달 함수 H₁에 따라 처리하여 출력하는 제1 신호 처리부;
상기 제1 신호 처리부의 출력 신호를 그 레벨 Gin에 따른 전달 함수 H₂에 따라 처리하여 출력하는 제2 신호 처리부; 및
상기 제2 신호 처리부의 출력 신호와 상기 입력 디지털 오디오 신호 X를 합산하여 출력 디지털 오디오 신호 Y를 생성하는 합산부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메트릭 이퀄라이저(단, H₁=[H(z)-1]/(G-1),0<Gin<1/G인 경우 H₂=G-1,1/G≤Gin≤1인 경우 H₂=1/Gin-1,1<Gin인 경우 H₂=0).
제1항에 있어서,
0<Gin<1/G인 경우 Y=H(z)X를 만족하는 것을 특징으로 하는 파라메트릭 이퀄라이저.
제1항에 있어서,
1/G≤Gin≤1인 경우 기설정된 게인 G를 단조감소시켜 출력 디지털 오디오 신호 Y의 레벨을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 파라메트릭 이퀄라이저.
제1항에 있어서,
1<Gin인 경우 출력 디지털 오디오 신호 Y와 입력 디지털 오디오 신호 X는 동일한 것을 특징으로 하는 파라메트릭 이퀄라이저.
기설정된 게인 G(단 G는 1보다 큰 실수)를 파라미터로 하는 전달 함수 H(z)를 가지는 파라메트릭 이퀄라이저의 게인 G를 다이내믹하게 조절하는 게인 조절 방법에 있어서,
(a) 입력 디지털 오디오 신호 X를 전달 함수 H₁을 가지는 제1 신호 처리부에 입력하여 처리하는 단계;
(b) 상기 제1 신호 처리부의 출력 신호 Y₁을 그 레벨 Gin에 따른 전달 함수 H₂를 가지는 제2 신호 처리부에 입력하여 처리하는 단계; 및
(c) 상기 제2 신호 처리부의 출력 신호와 상기 입력 디지털 오디오 신호 X를 합산하여 출력 디지털 오디오 신호 Y를 생성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 게인 조절 방법(단, H₁=[H(z)-1]/(G-1),0<Gin<1/G인 경우 H₂=G-1,1/G≤Gin≤1인 경우 H₂=1/Gin-1,1<Gin인 경우 H₂=0).
제5항에 있어서,
0<Gin<1/G인 경우 Y=H(z)X를 만족하는 것을 특징으로 하는 게인 조절 방법.
제5항에 있어서,
1/G≤Gin≤1인 경우 기설정된 게인 G를 단조감소시켜 출력 디지털 오디오 신호 Y의 레벨을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 게인 조절 방법.
제5항에 있어서,
1<Gin인 경우 출력 디지털 오디오 신호 Y와 입력 디지털 오디오 신호 X는 동일한 것을 특징으로 하는 게인 조절 방법.