KR101566649B1 - 근거리 널 및 빔 형성 - Google Patents

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Abstract

마이크로폰 어레이를 위한 선택적인 음향 근거리 널(null)을 허용하는 장치와 방법이 개시된다. 일 실시예는 스피커와 마이크로폰 어레이를 포함하는 전자 장치의 형태를 취할 수 있다. 마이크로폰 어레이는 스피커로부터 제1 거리에 위치된 제1 마이크로폰과 스피커로부터 제2 거리에 위치된 제2 마이크로폰을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 마이크로폰은 음향 신호를 수신하도록 구성된다. 마이크로폰 어레이는 제2 마이크로폰에 결합된 복소 벡터 필터(complex vector filter)를 추가로 포함한다. 복소 벡터 필터는 제2 마이크로폰의 출력 신호에 적용되어 스피커의 위치에서 음향 널을 제공하는 어레이를 위해 음향 감도 패턴(acoustic sensitivity pattern)을 발생시킨다.

Description

근거리 널 및 빔 형성{NEAR-FIELD NULL AND BEAMFORMING}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은, 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된, "근거리 널(null) 및 빔 형성"이라는 명칭으로 2011년 12월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/312,498호의 일부 계속 출원이다.
본 발명은 마이크로폰 어레이를 위한 음향 잡음 감소에 관한 것으로, 특히 잡음원이 위치되는 마이크로폰을 위한 음향 널(null)의 생성에 관한 것이다.
휴대용 전자 장치는 증가 및 개선된 기능을 제공하면서도 소형화되는 경향이 계속되고 있다. 소형 기기 상의 제한된 공간으로 인하여, 창의적이면서 때로는 이상적이지 못한 구성요소의 위치설정이 일어난다. 예를 들어, 마이크로폰과 스피커는 서로 가까이 인접한 곳에 위치될 수 있다. 이는 스피커 발생 신호로부터 마이크로폰 캡슐로의 높은 수준의 커플링을 초래한다. 이는 마이크로폰이 로컬 토커(local talker)를 수집(pick up)하는데 사용되지 않는다면 큰 문제가 되지 않지만, 음향 반향 제거기(acoustic echo canceller)에 있어서 로컬 토커와 스피커 신호 둘 모두를 포함하는 마이크로폰 신호에서 스피커 재생 신호를 스펙트럼 상에서 차감하는 것은 어려운 과제이다.
또한, 스피커(들)와 마이크로폰의 근접성으로 인하여, 스피커로부터 방사되는 신호의 음압 레벨은 종종 토커의 음압 레벨보다 크다. 이는 전형적으로 열악한 신호 대 잡음 비(SNR)로 이어지고, 스피커에서 마이크로폰으로의 경로가 비선형인 경우 악화될 수 있는 반향 제거기에 대단히 어려운 과제를 나타낸다.
마이크로폰 어레이를 위한 선택적인 음향 근거리 널을 허용하는 장치와 방법이 개시된다. 일 실시예는 스피커와 마이크로폰 어레이를 포함하는 전자 장치의 형태를 취할 수 있다. 마이크로폰 어레이는 스피커로부터 제1 거리에 위치된 제1 마이크로폰과 스피커로부터 제2 거리에 위치된 제2 마이크로폰을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 마이크로폰은 음향 신호를 수신하도록 구성된다. 마이크로폰 어레이는 제2 마이크로폰에 결합된 복소 벡터 필터(complex vector filter)를 추가로 포함한다. 복소 벡터 필터(관심 대상의 주파수 범위에 걸쳐 크기와 위상 둘 모두)는 제2 마이크로폰의 출력 신호에 적용되어 스피커의 위치에서 음향 널(acoustic null)을 제공하는 어레이를 위해 음향 감도 패턴(acoustic sensitivity pattern)을 발생시킨다.
다른 일 실시예는 음향 근거리 단방향(unidirectional) 마이크로폰과 원거리 무지향성(omnidirectional) 마이크로폰을 기능적으로 제공하기 위하여 전자 장치를 동작시키는 방법의 형태를 취할 수 있다. 본 방법은 음향 변환기 어레이(acoustic transducer array)에서 음향 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 음향 변환기 어레이는 복수의 마이크로폰을 가진다. 본 방법은 또한 음향 변환기 어레이의 각각의 마이크로폰이 전기 신호를 발생시키는, 복수의 전기 신호들을 발생시키는 단계를 포함한다. 근거리 잡음원의 위치에 해당하는 위치에서 근거리 널을 생성하는 빔 형성기가 구현된다. 더욱이, 빔 형성기는 원거리에서 일반적으로 무지향성 음향 응답을 제공한다. 원거리 빔 형성기의 감도는 일반적으로 식
Figure 112014052996471-pct00001
에 의해 정의되는데,
여기서, S는 음향신호, φ = kd(1+cosθ), θ는 어레이의 축에 대한 음파의 법선의 입사각, k는 파수, 그리고 d는 제1 마이크로폰과 제2 마이크로폰 사이의 거리이다.
다수의 실시예가 개시된 한편, 본 발명의 또 다른 실시예들은 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확해질 것이다. 실현되는 바와 같이, 실시예들은 모두 실시예들의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 측면에서 변형예가 가능하다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 사실상 예시적인 것으로 간주되며 제한하려는 것이 아니다.
<도 1>
도 1은 음향 근거리 널로 구성되는 마이크로폰 어레이를 갖는 예시적인 전자 장치를 도시하는 도면이다.
<도 2a>
도 2a는 도 1의 장치의 마이크로폰 어레이 및 어레이와 동축으로 음향 근거리에 위치된 스피커를 도시하는 도면이다.
<도 2b>
도 2b는 도 1의 장치의 마이크로폰 어레이 및 어레이에 대한 비동축 위치에서 음향 근거리에 위치된 스피커를 도시하는 도면이다.
<도 3>
도 3은 도 2에 도시된 스피커가 구동될 때 어레이 내의 마이크로폰들의 예시적인 출력 신호들을 도시하는 도면이다.
<도 4>
도 4는 필터링 후 도 3의 신호들 중 하나의 변형예를 도시하는 도면이다.
<도 5>
도 5는 근거리 널 및 원거리 무지향성 감도를 갖는 예시적인 음향 감도 패턴을 도시하는 도면이다.
<도 6>
도 6은 선택적인 음향 감도 패턴들을 제공하도록 구성된 대안적인 마이크로폰 어레이를 도시하는 도면이다.
<도 7>
도 7은 예시적인 음향 감도 패턴을 도시하는 도면이다.
<도 8>
도 8은 다른 예시적인 음향 감도 패턴을 도시하는 도면이다.
<도 9>
도 9는 3개의 마이크로폰을 갖는 마이크로폰 어레이를 도시하는 도면이다.
<도 10>
도 10은 대략 60 내지 90도에서 널을 갖는 다른 음향 감도 패턴을 도시하는 도면이다.
<도 11>
도 11은 5개의 마이크로폰을 가지며 적어도 3개의 음향 널 영역을 제공하는 마이크로폰 어레이를 도시하는 도면이다.
소정 전자 장치에서 마이크로폰-스피커의 에코 커플링(echo coupling)을 감소시키거나 제거하기 위하여, 스피커의 위치에서 음향 널을 생성하도록 근거리에서 빔 형성 기술이 구현될 수 있다. 특히, 스피커로부터의 소리가 감소되거나 제거되는 방식으로 신호들이 처리되는 어레이를 형성하도록 다수의 마이크로폰들이 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어, 하나의 마이크로폰 어레이를 형성하기 위하여 2개의 마이크로폰이 사용될 수 있다. 마이크로폰 어레이는 스피커와 동축일 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 어레이는 사용자와 동축일 수 있다. 어레이의 마이크로폰들 중의 하나는 다른 마이크로폰들 보다 스피커에 더 가까이 위치될 수 있다. 근거리 효과로 인하여, 이 마이크로폰에서의 음압 레벨은 음원으로부터의 거리와 음압 사이의 역관계로 인하여 스피커로부터 더 멀리 위치된 마이크로폰의 음압 레벨보다 상당히 더 클 수 있다. 주파수에 대한 크기와 위상을 갖는 복소 벡터는 마이크로폰 신호들이 결합될 때 마이크로폰-스피커 에코 커플링을 효과적으로 줄이거나 제거하고 마이크로폰이 출력하는 신호들을 등화(equalize)하는 것을 돕도록 가장 가까운 마이크로폰에 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 복소 보상 벡터의 결과는 근거리에서 마이크로폰 어레이에 의해 형성되는 카디오이드 감도 패턴(cardioid sensitivity pattern)이다. 카디오이드 감도 패턴은 스피커와 같은 근거리 음원의 음향 널을 포함한다. 이와 대조적으로, 벡터는 또한 토커가 위치될 수 있는 원거리에서 마이크로폰 어레이가 무지향성 마이크로폰으로 동작하는 결과를 가져온다. 따라서, 벡터는 로컬 토커의 높은 감도를 달성하면서도 스피커로부터 나오는 소리를 리젝션(rejection)하는 결과를 가져온다.
다른 실시예에서, 추가의 마이크로폰들이 마이크로폰 어레이 내에 구현될 수 있다. 이들 추가의 마이크로폰은 다수의 음향 널을 포함할 수 있는 제2, 제3, 제4 및 제5 감도 패턴을 허용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 3개의 마이크로폰이 어레이 내에 구현될 수 있고, 2개의 음향 널을 포함하는 하나의 음향 감도 패턴이 형성될 수 있는데, 하나는 스피커를 위한 것이고, 하나는 시스템 팬(fan) 등과 같은 제2 잡음원을 위한 것이다. 다른 실시예에서, 음향 널의 배치는 동적일 수 있고, 잡음원의 결정된 위치가 변함에 따라 변한다.
도 1을 참고하면, 예시적인 전자 장치(100)가 도시된다. 전자 장치(100)는 도 1에서 노트북 컴퓨터이다. 그러나, 전자 장치(100)는 단순히 일 예로 제시된 것뿐이고, 본 명세서에서 설명되는 기술들은 휴대 전화, 스마트 폰, 미디어 재생기, 데스크톱 컴퓨터, 텔레비전, 카메라 등을 포함하는 다양한 다른 전자 장치들로서 구현될 수 있음을 이해하여야 한다.
전자 장치(100)는 디스플레이(102), 카메라(106), 스피커(108) 및 마이크로폰 어레이(110)를 포함한다. 전자 장치(100)는 음성 및 영상 재생과, 음성 및 영상의 기록을 제공하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 음성 재생은 스피커(108)를 통하여 제공될 수 있다.
음성 기반 전화 통화 및 영상 통화를 포함하는 전기통신 기능은 장치(100)에 의해 제공될 수 있다. 마이크로폰 어레이(110)는 스피커(108)에 근접하게 위치됨에 따라, 이러한 서비스를 위한 장치(100)의 사용은 신호 대 잡음 비(SNR)와 마이크로폰-스피커 에코 커플링에 관한 전술된 문제를 만나게 된다.
도 2a로 돌아가서, 마이크로폰 어레이(110)는 스피커(108)에 근접하게 도시된다. 스피커(108)는 장치(100)의 시스템으로부터 음성 신호를 수신할 수 있는 스피커 드라이버(112)에 의해 구동된다. 마이크로폰 어레이(110)는, 마이크로폰 어레이(110)의 마이크로폰들로부터의 신호를 처리하고 그들 신호를 장치(100)의 시스템에 제공하도록 구성될 수 있는 음성 처리기(114)에 결합될 수 있다. 음성 처리기(114)는 마이크로폰 어레이(110)로부터 수신된 신호를 처리하기 위한 프로세서, 필터, 디지털 신호 처리 소프트웨어, 메모리 등을 포함할 수 있다. 마이크로폰 어레이(110)로부터 수신된 신호를 처리하기 이전에 신호를 증폭하기 위하여 증폭기(116)가 제공될 수 있다. 디지털 신호가 음성 처리기(114)에 제공될 수 있도록 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음)가 또한 증폭기(116)와 함께 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 아래에서 더욱 자세히 논의되는 바와 같이 마이크로폰 어레이(110)의 마이크로폰들 중 적어도 하나가 복소 벡터 필터(118)에 결합될 수 있다. 또한, 마이크로폰들 중 적어도 하나는 다른 필터(119)에 결합될 수 있다.
일반적으로, 마이크로폰 어레이(110)는 스피커(108)와 동축일 수 있는 2개의 마이크로폰을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서 스피커(108)가 어레이(110)와 동축이 아닐 수도 있음을 이해하여야 한다. 또한, 일부 실시예에서, 마이크로폰 어레이(110)는 사용자의 예상 위치와 대략적으로 동축일 수 있다. 2개의 마이크로폰은 거리 "d"만큼 서로 떨어져 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 거리 d는 10 내지 40 mm, 예를 들어 대략 20 mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로폰 사이의 거리 d는 더 크거나 더 작을 수 있다.
도시된 바와 같이, 어레이(110)의 제1 마이크로폰(120)은 제2 마이크로폰(122)보다 스피커(108)로부터 더 멀리 떨어져 위치될 수 있다. 제1 마이크로폰(120)과 제2 마이크로폰(122) 사이의 스피커(108)로부터의 거리 차이는 제1 마이크로폰이 제2 마이크로폰보다 더 낮은 진폭으로 추후에 음파를 수신하는 결과를 가져온다. 일반적으로, 지연은 (d2-d1)/c로 정의될 수 있으며, 여기서 c는 소리의 속도이다. 또한, 음파의 진폭은 스피커로부터 각 마이크로폰의 거리에 기초한다. 제1 마이크로폰에 대해서는 1/d2, 제2 마이크로폰에 대해서는 1/d1 로 정의될 수 있다. 따라서, 수신되는 신호들 사이의 진폭 차이는 근거리에서 스피커로부터의 마이크로폰의 상대 거리에 주로 기초될 수 있으며, 이는 역관계일 수 있다(예를 들어, 거리가 멀수록 진폭이 작아짐). 이와 대조적으로, 원거리의 음원은 대체로 동일하거나 실질적으로 유사한 진폭을 통상 가질 것이다. 실제로, 음향 원거리는 각각의 마이크로폰에 의해 감지된 음파의 진폭이 대략 동일한 진폭을 가지는 어레이(110)로부터의 거리에 기초하여 근사적으로 정의될 수 있다. 즉, 음원이 어레이로부터 충분히 떨어진 거리에 위치되고, 어레이의 마이크로폰들 사이의 거리는 음원으로부터의 소리에 응답하여 마이크로폰들에 의해 발생되는 신호들의 상대 진폭에 대하여 통상 중요하지 않다.
도 3은 음파를 감지할 때 제1 및 제2 마이크로폰(120, 122)으로부터 출력되는 예시적인 신호들(124, 126)을 도시한다. 도 3에 시간 지연이 도시되지 않았음은 이해하여야 한다. 도시된 신호들(124, 126)이 유사한 형상(예를 들어, 유사한 스펙트럼 분포)을 가지는 한편, 제2 마이크로폰(122)에 의해 출력되는 신호(126)의 진폭은 제1 마이크로폰(120)의 신호의 진폭보다 훨씬 크다.
복소 벡터는 근거리 효과를 보상하는 제2 마이크로폰(122)의 신호(126)에 적용될 수 있고, 마이크로폰 어레이(110)의 원하는 음향 감도를 발생시키기 위하여 빔 형성 필터로서 동작한다. 예를 들어, 본 예에서, 원하는 음향 감도는 스피커(108)의 위치에서 음향 널을 제공하는 카디오이드의 형태를 취할 수 있다. 일반적으로, 원하는 카디오이드 감도 패턴을 형성하기 위하여 마이크로폰(122)으로부터의 신호는 지연되고 마이크로폰(120)의 신호에서 감산된다. 스피커(108)의 마이크로폰 어레이(110)에 대한 공간적 관계에 따라, 상이한 근거리 감도 패턴이 요구될 수 있음을 이해하여야 한다. 즉, 스피커(108)가 어레이(110)에 동축일 경우 카디오이드 패턴이 적합할 수 있으나, 스피커와 어레이가 동축이 아닐 경우 다른 패턴이 더 적합할 수도 있다.
다시 도 2a를 참고하면, 마이크로폰들에 의해 발생된 신호들은 다음과 같이 표현될 수 있다.
x1 = Sn(ω), 및
Figure 112014052996471-pct00002
.
일반적으로,
Figure 112014052996471-pct00003
는 공기 중에서 소리의 전파로 인한 스피커들 사이의 물리적 이득 관계를 정의한다. 이는 전형적으로 디지털 영역에서 처리되고, 따라서 마이크로폰들 사이의 물리적인 관계는 최소 표본율(sampling rate)에 의해 제한을 받았다. 즉, 마이크로폰들 사이의 거리는 시스템의 표본율과 상관관계가 있었다. 그러나, 본 목적을 위하여, 동일한 제한이 나타나지 않도록 아날로그 영역이 사용된다. 필터링 이후 신호의 결합은 다음과 같다.
Figure 112014052996471-pct00004
여기서, S는 음향 신호, ω는 신호의 주파수, θ는 제1 마이크로폰에 이르는 음파들의 경로와 직각 삼각형을 형성하는 제2 마이크로폰으로부터의 선과 어레이(110)의 축 사이의 각도, k는 파수, T는 추가된 시간 지연, d는 마이크로폰들(120, 122) 사이의 거리, 그리고 j는 허수를 나타낸다. 빔 형성기가 본질적으로 주파수 의존적이므로, 주파수 의존성을 조절하고 보상하는 것을 돕기 위하여 ("이득 계수 A"라고도 또한 할 수 있는) 보상 벡터 "A"가 제공된다. 필터링이 물리적 관계와 정합(예를 들어, A =
Figure 112014052996471-pct00005
및 T =
Figure 112014052996471-pct00006
)하도록 필터(118)가 설계되면,
y = 0이다.
따라서, 어레이(110)는 근거리에 음향 널을 생성함으로써 근거리 신호를 제거하도록 구성된다. 널의 위치설정은 필터들(118, 119)(예를 들어, 계수 T 및 A)을 설계/조절함으로써 달성될 수 있다. 특히, T를 0과 d/c 사이에서 변경시키면 (도 2a에 도시된 바와 같이) 널의 위치가 회전하여 장치 아래에 있을 것이고(즉 T = d/c), T = 0이면 널을 어레이의 측면으로 조정할 것이다. A를 변경시키면 널이 장치를 향하여 이동하거나 장치로부터 멀어지게 이동한다(즉, A = 1이면 널이 원거리로 이동하고, A < 1로 설정하면 널을 장치에 더 가까이 가져온다).
도 2b는 근거리 음원이 어레이의 축으로부터 오프셋(offset)되어 있는 예시적인 실시예를 도시한다. 상기한 수식을 사용하면,
Figure 112014052996471-pct00007
이다.
다시, 스피커의 위치에 근거리 널을 제공하기 위해 y = 0인 원하는 위치에 널을 배치하도록 T는
Figure 112014052996471-pct00008
로 설정될 수 있고, A는
Figure 112014052996471-pct00009
로 설정될 수 있다. T를
Figure 112014052996471-pct00010
(또는 dcos(θ), 여기서 d는 마이크로폰들 사이의 거리)로 설정하면 어레이에 대한 잡음원의 물리적인 관계에 기초하여 널의 배치가 변경된다. 일부 실시예에서, A 및/또는 T는 근거리 감도 패턴과 근거리에서 널의 배치를 변경하도록 조작될 수 있다. 따라서, 빔 형성기는 음향 널을 근거리에 배치시켜 스피커(108)와 같은 근거리 잡음원을 줄이도록 맞춤 형성되고 그리고/또는 동적으로 구성될 수 있다.
근거리 음향 감도가 카디오이드 감도 패턴으로부터 생성되는 것과 같은 널을 갖는 한편, 일부 실시예에서 원거리 음향 감도는 무지향성일 수 있다. 다른 실시예에서, 원거리 감도 패턴은 하나 이상의 널을 가질 수 있고, 널 및 원거리에서의 감도 패턴은 근거리의 것과 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 원거리에 대한 필터링 후의 출력 신호는 다음의 수식으로 정의될 수 있다.
Figure 112014052996471-pct00011
즉, 상기 수식은 어레이(110)의 원거리 감도를 보여준다. 따라서, 어레이(110)는 근거리에서 널을 제공할 수 있지만, 원거리에서는 무지향성 감도를 갖는다.
보상 벡터 A를 포함하는 수식의 단계별 유도는 아래에서 보는 바와 같이 분배법칙, 삼각항등식, 복소 지수를 포함한다. 근거리에 대해 사용된 동일한 방정식
y = As(ω) - A S(ω) [e-jwTekd]
으로부터 시작하여, 분배법칙을 이용하여
Figure 112014052996471-pct00012
를 유도하면 다음의 수식이 주어진다.
Figure 112014052996471-pct00013
여기서, k와 d 둘 모두는 벡터들로, 이들의 곱이 kd cos θ로 주어지고 k와 d는 지금은 벡터들의 크기이다. 이 수식은 원거리에서 음원으로 인한 빔 형성기의 출력을 설명한다(즉, 음원 S(ω)로 인한 2개의 마이크로폰에서의 압력이 동일하다). 이어서, 지수 -j를 곱하면 다음의 수식이 주어진다.
Figure 112014052996471-pct00014
복소 지수의 분배법칙으로 다음의 수식이 주어진다.
Figure 112014052996471-pct00015
오일러 공식이 복소 지수를 삼각함수와 관련지어 다음의 수식이 주어진다.
Figure 112014052996471-pct00016
분배법칙을 이용하여 kd 항을 곱하여 다음의 수식이 제공된다.
Figure 112014052996471-pct00017
Y의 크기를 찾고 삼각항등식을 이용하면 다음의 수식이 주어진다.
Figure 112014052996471-pct00018
여기서, Φ는 kd(1+cos θ)에 의해 주어진다.
Figure 112014052996471-pct00019
와
Figure 112014052996471-pct00020
를 곱하여 다음의 수식이 주어진다.
Figure 112014052996471-pct00021
삼각항등식은 이를 다음 수식으로 간단히 할 수 있다.
Figure 112014052996471-pct00022
, 및
Figure 112014052996471-pct00023
주파수 보상 벡터 A는 음향 널을 스피커(108)가 있는 위치 위에 배치하기 위하여 경험적으로 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수 보상 벡터 A는 일반적으로 1 미만의 어떤 수일 수 있다. 다른 실시예에서, 보상 벡터 A는 1 초과일 수 있고, 이는 널을 어레이(110)의 다른 측에 배치시킬 것이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 주파수 보상 벡터 A는 0.6 미만, 예를 들어 대략 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 또는 0.1일 수 있다. 그러나, 원하는 음향 감도 패턴을 제공하는 (예를 들어, 스피커의 위치에 음향 널을 배치시키는) 1 미만의 임의의 적합한 값도 주파수 보상 벡터 A가 될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 필터가 신호(126)에 적용된 후의 출력 신호(126')를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 신호들(126', 124)의 진폭은 대략 동일하다. 더욱, 필터의 적용으로 원하는 음향 감도 패턴을 달성한다. 패턴은 널(140)이 스피커(108)의 위치에 있는 카디오이드로서 도 5에 도시되어 있다. 도 5에서, 마이크로폰들(120, 122)은 대략 20 mm로 이격될 수 있고, 제2 마이크로폰(122)은 스피커(108)로부터 대략 20 mm에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로폰들(120 및 122)과 스피커(108) 사이의 거리는 변할 수 있고, 따라서 주파수 보상 요소가 조절될 수 있다. 일반적으로, 음향 널(140)은 널이 위치되는 근거리에서 대략 6dB 이상 음향 신호를 감소시키는 효과를 가질 수 있다. 이와 대조적으로, 마이크로폰 어레이의 음향 감도는 원거리에서 무지향성으로 기능을 할 수 있다(예를 들어, 어레이는 원거리에서 무지향성 마이크로폰을 대략적으로 대표하는 음향 감도 패턴을 제공한다). 이는 어레이로부터의 거리에 따라 원거리에서 대략 균일한 감도를 제공하는 어레이(110)에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 필터는 사용자의 음성에 대한 높은 감도를 달성하면서, 스피커(108)에 대하여 원하는 리젝션을 달성할 수 있다.
도 5에서, 사용자(150)는 음향 원거리에 있고 마이크로폰 어레이(110)에 동축인 것으로 도시되어 있어서, 사용자가 근거리 널의 방향에 위치될 수 있고 그 방향에서의 원거리 감도가 영향을 받지 않을 것이라는 것을 보여준다. 즉, 원거리에서의 무지향성 감도로 인하여 사용자(150)는 널과 동일 선 상에 있을 수 있고 여전히 사용자의 음성을 수집할 것이다. 다른 실시예에서, 사용자는 어레이와 동축이 아닐 수 있고, 어레이는 여전히 사용자의 음성을 수집할 것이다. 또한, 사용자(150)는 마이크로폰 어레이(110)와 동일 평면 상에 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 실제로, 사용자(150)는 어레이(110) 및 스피커(108)의 평면에 대해 상승되어 있을 수 있다. 예를 들어, 마이크로폰 어레이에 대해 사용자는 20 내지 60도로 상승되어 있을 수 있다(일 실시예에서, 사용자는 대략 40도로 상승되어 있을 수 있다). 원거리에서 마이크로폰 어레이(110)의 대략적 무지향성 음향 감도로 인하여, 사용자(150)는 원거리에서 다양한 위치에 위치될 수 있고, 마이크로폰 어레이는 근거리에서 (예를 들어, 스피커(108)로부터) 유래할 수 있는 "잡음"을 리젝션하면서 사용자의 음성을 수집할 수 있을 것이다.
복소 벡터와 이득 계수 A를 활용하는 상기의 원리에 기초하여 더 복잡한 빔 형성 방식이 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시예에서, 널의 동적 배치를 허용하는 동적 빔 형성기가 구현될 수 있다. 도 6은 동적 널 배치 회로(200)에 대한 예시적인 회로도를 도시한다. 고 수준에서, 도 6에 도시된 회로는 도 2a의 회로 2개를 포함한다. 앞의 예에서와 같이, 동적 널 배치 회로(200)는 거리 d만큼 떨어진 마이크로폰들(120, 122)을 포함할 수 있다. 마이크로폰(122)으로부터 출력된 신호는 이득 계수 A로 복소 벡터에 의해 필터링되도록 필터(118)를 통해 보내질 수 있다. 또한, 마이크로폰(122)으로부터의 신호는 지연 T(202)가 생길 수 있고, 마이크로폰(120)으로부터 차분 회로(difference circuit)(204)에 전달되어 필터링된 (필터(209)에 의해 필터링된) 신호로부터 감산될 수 있다. 그 차이는 아래에서 더 상세히 논의될 2차 필터(206)에 제공된다.
필터링되어 차분 회로(204)에 제공되는 것에 더하여, 마이크로폰(120)의 출력은 지연 회로(208)에 제공된다. 지연 회로(208)의 출력은 필터(118)의 출력도 또한 수신하는 차분 회로(210)에 제공된다. 차분 회로(210)의 출력은 필터 회로(206)의 출력도 또한 수신하는 또 다른 차분 회로(212)에 제공된다. 차분 회로(212)의 출력은 잡음원을 설명하기 위하여 마이크로폰 어레이(110)의 감도 내에 음향 널을 생성하기 위하여 잡음원의 위치를 결정하고 필터 회로(206)의 필터를 동적으로 조절하도록 하나 이상의 프로세서, 메모리 등을 포함할 수 있는 빔 형성 회로(214)에 제공된다.
빔 형성 회로(214)를 위한 차등 빔 형성 방정식은 일반적으로 상기에서 설명된 방정식과 유사한 형태를 취한다. 그러나, A와 β는 마이크로폰들 사이의 지연 시간에 의해 T가 고정된 상태, 즉 T = d/c인 동안 원하는 널의 위치를 변경하기 위하여 선택될 수 있다. 이러한 경우, A는 (상기와 같이) 널을 장치에 더 가까이 가져오기 위하여 사용될 수 있고(A = 1이면 원거리이고, A<1이면 널을 장치에 더 가까이 가져오는 것임), β는 널의 위치를 장치에 대해 회전시킨다. 일반적으로, β = 0이면 널을 어레이 아래에 배치하고, β = 1이면 널을 어레이의 측면에 배치한다.
일반적으로, A가 1로 선택되는 경우, 출력은 반대 방향으로 배향되는 2개의 카디오이드 감도 패턴의 형태를 취할 수 있다. A가 더 이상 1로 선택되지 않으면, 감도 패턴은 더 이상 카디오이드 패턴이 아니다. 위에서 논의된 바와 같이, A의 선택은 또한 근거리에서 널을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 형상설정(shaping)은 모노폴 및 다이폴 구성요소를 포함할 수 있다. 다른 필터링 파라미터들의 선택은 다른 감도 패턴들을 제공할 수 있다. 따라서, 원거리 잡음원을 배제하기 위한 원거리의 널이 음향 감도를 잃지 않고 사용자에게 제공될 수 있다. 더욱, 사용자는 원거리 어느 곳에도 위치될 수 있다.
또한, 필터(206)는 원하는 빔 형태 감도를 제공하기 위하여 출력들을 결합하는 β를 포함한다. β는 A와 마찬가지로 주파수 도메인에서 동작한다. 즉, A와 β는 주파수의 함수이다. 간단한 카디오이드 패턴을 달성하기 위하여, β는 0으로 설정될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 다이폴 감도 패턴을 달성하기 위하여, β는 -1로 설정될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같은 하이퍼 카디오이드를 달성하기 위하여, β는 -26으로 설정될 수 있다. 이러한 빔 형태들은 예로서 제공되고 다른 형상들이 또한 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, β는 빔 형성기 회로(214)로부터의 피드백에 기초하여 동적으로 선택될 수 있다. β는, 하나 이상의 대안이 어느 대안이 가장 큰 잡음 여유도(immunity)를 제공하는가를 결정하기 위하여, 시험된 후에 설정될 수 있다. 예를 들어, A는 사전에 설정될 수 있고, β는 원하는 감도 패턴이 찾아질 때까지 조작/시험될 수 있다. 그와 같이, β의 선택은 원거리에 대해 잡음을 최소화하기 위하여 자동화될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 빔 형성 형상에 기초하여 원하는 잡음 여유도를 달성하기 위하여 β와 A 둘 모두가 선택적으로 수정될 수 있다. 이런 경우, 빔 형성 회로(214)는 필터 회로들(118, 206)의 각각에 피드백을 제공할 수 있다. 이는 선택된 A 의 값이 실내에 상당한 양의 음향 반사가 있을 경우와 같이 특정 상황에 잘 적합하지 않는 것으로 판단될 수 있을 경우에 특히 유용할 수 있다.
일부 실시예에서, 2개 초과의 마이크로폰이 널 배치에 보다 높은 유연성을 제공하기 위하여 활용될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 3개의 마이크로폰(120, 122, 224)을 가지는 어레이(220)가 제공될 수 있다. 3개의 마이크로폰(120, 122, 224)을 이용하여, 어레이(220)의 음향 감도 패턴의 형상뿐만 아니라 음향 감도 패턴의 배향에 의해 음향 널이 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 10에서, 도시된 바와 같이, 대략 60도와 90도에서 효과적으로 음향 널들을 생성하기 위하여 하이퍼 카디오이드 감도 패턴이 생성되고 이어서 회전될 수 있다.
일반적으로, 널 배치의 자유도의 수는 마이크로폰의 수와 같다. 일부 실시예에서, 마이크로폰의 수만큼 또는 마이크로폰이 존재하는 것보다 한층 더 많은 널을 생성하는 것이 가능할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 널은 다른 널에 공간적으로 의존적이거나 다른 널에 대해 고정될 수 있다.
일부 실시예에서, 마이크로폰들(120, 122, 224) 중 하나는 팬에 의해 발생되는 잡음을 상쇄시키기 위하여 시스템 팬 가까이에 위치될 수 있다. 2개 초과의 마이크로폰을 가지는 마이크로폰 어레이의 회로도는 일반적으로 2개의 마이크로폰의 경우에 대한 도 6에 도시된 것과 유사한 형태를 취할 수 있음을 이해하여야 한다. 단순화하기 위하여, 회로는 도시되지 않았다. 그러나, 더 많은 마이크로폰들이 점차 추가됨에 따라 회로의 크기는 증가할 것이다. 특히, 근거리 에코를 필터링하는데 도움을 주기 위하여 하나 초과의 필터(118)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 음향 잡음을 발생시키는, 예를 들어, 시스템 팬, 하드 디스크 드라이브, 또는 키보드 가까이에 위치될 수 있는 하나 이상의 마이크로폰에 대하여 필터가 제공될 수 있다. 일반적으로, 알려진 각각의 잡음원에 대한 음향 널을 생성하기 위하여 충분한 마이크로폰들 및/또는 필터들을 제공함으로써 시스템이 수신하기를 사용자가 바라는 사용자의 음성이나 소리를 등록시키는 시스템의 능력을 시스템의 동작이 간섭하거나 열화시키지 않도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 하나 이상의 마이크로폰이 컴퓨팅 장치의 엔클로저(enclosure)의 내부에 위치될 수 있음을 이해하여야 한다. 그와 같이, 어레이의 마이크로폰들은 서로 동일 평면 상에 존재하지 않을 수 있고, 더욱이, 서로 동축이 아닐 수 있다. 또한, 음향 감도 패턴의 윤곽을 추가로 정의하는 것을 돕고 근거리뿐만 아니라 원거리에서도 음향 널을 생성하도록 하나 초과의 필터(206)가 제공될 수 있다.
일반적으로, 어레이 내에 한층 더 많은 마이크로폰들이 있으면, 널 배치 및 음향 감도 패턴 둘 모두의 추가의 선택성이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 11에서, 5개의 마이크로폰(122, 124, 224, 232, 234)을 가지는 어레이(230)가 3개의 음향 널 영역(240, 242, 244)을 제공하는 것으로 도시되어 있다. 3개 초과의 음향 널 영역이 정의 될 수 있고 널 영역들은 공간적으로 분포될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 널 영역들은 잡음원의 위치에 기초하여 적응형으로 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 장치는 하나 이상의 필터링 값(예를 들어, A 및/또는 β)을 선택적으로 시험하여 시험된 값들 중에서 어떤 값이 최선의 잡음 감소 및/또는 개선된 신호 대 잡음 비를 제공하는가를 판단할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 예를 들어 테이블 또는 데이터베이스로부터 제공되는 필터링 값들을 순차적으로 시험하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 선택된 수(예를 들어, 2 내지 100)의 필터 값들을 시험하고 이어서 이 값들의 상대적인 효율성에 기초하여 새로운 값들을 반복적으로 수정 및 시험하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 초기에, 제1 값 및 제2 값이 시험될 수 있다. 제1 값이 제2 값보다 더 좋은 결과를 달성하였다면, 제1 값이 수정될 수 있고 (예를 들어, 약간 증가 또는 약간 감소될 수 있고) 이어서 다시 시험될 수 있다. 이 프로세스는 한정된 횟수에 대해서 또는 시스템이 값의 수정을 통해 추가의 개선을 달성하지 못할 때까지 반복할 수 있다.
또한, 수신된 신호들의 진폭은 어느 마이크로폰 출력이 필터링되어야 하고 그들이 어떻게 필터링되어야 하는가를 판단하기 위하여 활용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 마이크로폰이 다른 마이크로폰들보다 더 큰 진폭 신호를 제공한다면, 잡음원의 위치는 다른 마이크로폰들보다 더 큰 진폭을 가지는 마이크로폰의 어딘가 더 가까이에 있는 것으로서 초기에 정의될 수 있다. 그와 같이, 필터링 및 필터 값들은 잡음원이 가능하게 위치될 수 있는 공간에 널을 생성하기 위하여 선택적으로 적용될 수 있다. β를 회전함으로써, 특정 각도들에 위치되는 널들과 함께 다양한 빔 패턴이 생성될 수 있다.
게다가, 일부 실시예에서, 잡음원의 위치가 판단되어 그 위치에 대하여 음향 널이 생성된 경우, 장치가 이동하는 동안 널을 적응형으로 유지하도록 장치가 구성될 수 있다. 즉, 이동 및 방위 센서들(예를 들어, 가속도계 및/또는 자이로스코프)은 잡음원에 대한 장치의 이동 및/또는 방위를 판단하고, 음향 널의 효과를 유지하도록 어레이의 음향 감도 패턴을 적응시키는데 사용될 수 있다.
스피커들과 마이크로폰들 사이의 에코 커플링을 감소시키고 시스템의 신호 대 잡음 비를 개선시키는 것을 돕도록 선택적인 널 위치설정을 구체적인 음향 감도 패턴들에 제공하는 일부 실시예들을 상기에서 설명하고 있다. 특히, 실시예들은 근거리 단방향 마이크로폰과 유사한 것과 원거리 무지향성 마이크로폰을 달성하기 위한 신호의 소프트웨어 처리를 제공하여, 근거리 잡음이 감소될 수 있고 원거리 음향이 개선될 수 있도록 한다. 비록 상기의 논의에서 구체적인 실시예를 제시하였지만, 당업자는 본 실시예들의 사상과 범주를 벗어나지 않으면서 형식과 상세한 내용에 변형이 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예들은 그의 범주를 제한하는 것이 아니라 예로서 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 전자 장치로서,
    스피커; 및
    마이크로폰 어레이
    를 포함하고, 상기 마이크로폰 어레이는
    상기 스피커로부터 제1 거리에 위치된 제1 마이크로폰;
    상기 스피커로부터 제2 거리에 위치된 제2 마이크로폰;
    상기 제2 마이크로폰에 결합된 복소 벡터 필터(complex vector filter);
    상기 제2 마이크로폰에 결합된 제1 지연 회로;
    상기 제1 지연 회로 및 상기 제1 마이크로폰에 결합된 제1 차분 회로(difference circuit);
    상기 제1 차분 회로의 출력에 결합된 체배기 회로(multiplier circuit);
    상기 체배기 회로의 출력에 결합된 제2 차분 회로;
    상기 제1 마이크로폰에 결합된 제2 지연 회로;
    상기 제2 지연 회로 및 상기 복소 벡터 필터의 출력에 결합된 제3 차분 회로; 및
    상기 제2 차분 회로의 출력에 결합된 빔 형성 회로
    를 포함하고, 상기 제1 및 제2 마이크로폰은 음향 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 복소 벡터 필터는 상기 제2 마이크로폰의 출력 신호에 적용되어 상기 스피커의 위치에서 음향 널(acoustic null)을 제공하는 상기 어레이를 위해 음향 감도 패턴(acoustic sensitivity pattern)을 발생시키고, 상기 제3 차분 회로의 출력은 상기 제2 차분 회로에 제공되며, 상기 빔 형성 회로는 상기 복소 벡터 필터 또는 상기 체배기 회로에 대한 값들을 조절함으로써 상기 어레이를 위해 음향 감도 패턴을 형성하도록 구성되는, 전자 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복소 벡터 필터는 상기 제2 마이크로폰의 상기 출력 신호와 상기 제1 마이크로폰의 출력 신호 사이의 진폭 차이를 보상하기 위한 이득 계수(gain factor) A를 포함하는, 전자 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 상기 빔 형성 회로는 값을 상기 체배기 회로에 선택적으로 제공하도록 구성되고, 상기 음향 감도 패턴은 적어도 부분적으로 상기 제공되는 값에 기초하여 결정되는, 전자 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 빔 형성 회로는 상기 이득 계수 A를 상기 복소 벡터 필터에 선택적으로 제공하도록 구성되고, 상기 음향 감도 패턴은 적어도 부분적으로 상기 제공되는 값에 기초하여 결정되는, 전자 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 빔 형성 회로는 상기 제공되는 값을 동적으로 변경하도록 구성되는, 전자 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 이득 계수 A는 고정된, 전자 장치.
  8. 제2항에 있어서, 원거리에서 상기 필터의 효과는 하기 수식으로 설명되고:
    Figure 112015064008907-pct00038
    ,
    여기서, S는 음향 신호, ω는 신호의 주파수, θ는 신호의 전파 각도, φ = kd(1+cosθ)이고, 여기서, k는 파수, d는 상기 제1 마이크로폰과 상기 제2 마이크로폰 사이의 거리인, 전자 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 마이크로폰, 제2 마이크로폰 및 스피커는 동축인, 전자 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 마이크로폰은 상기 제1 마이크로폰보다 상기 스피커에 더 가까이 위치된, 전자 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 마이크로폰 어레이는 근거리에서 단방향 (unidirectional) 마이크로폰의 역할을 하는, 전자 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 근거리는 상기 제1 마이크로폰으로부터 100 mm 미만의 거리를 포함하는, 전자 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 마이크로폰 어레이는 원거리에서 무지향성(omnidirectional) 마이크로폰의 역할을 하는, 전자 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 원거리는 상기 제1 및 제2 마이크로폰으로부터 100 mm 초과의 거리를 포함하는, 전자 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로폰은 10 내지 60 mm 떨어져 위치된, 전자 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로폰은 20 mm 떨어져 위치된, 전자 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 스피커는 상기 제2 마이크로폰으로부터 10 내지 30 mm에 위치된, 전자 장치.
  18. 음향 근거리 단방향 마이크로폰과 원거리 무지향성 마이크로폰을 기능적으로 제공하도록 전자 장치를 동작시키는 방법으로서,
    복수의 마이크로폰을 포함하는 음향 변환기 어레이(acoustic transducer array)에서 음향 신호를 수신하는 단계;
    복수의 전기 신호들을 발생시키는 단계 - 상기 음향 변환기 어레이의 각각의 마이크로폰이 전기 신호를 발생시킴 -;
    출력이 수식
    Figure 112015064008907-pct00039
    에 의해 정의되도록 복소 벡터에 따라서 상기 전기 신호들 중 적어도 하나를 필터링하는 단계
    를 포함하고,
    여기서, S는 음향 신호, ω는 신호의 주파수, θ는 신호의 전파 각도, A는 이득 계수, φ = kd(1+cosθ)이고, 여기서, k는 파수, d는 제1 마이크로폰과 제2 마이크로폰 사이의 거리이고,
    필터링하는 단계는 근거리 널(near-field null)을 제공하는 상기 음향 변환기 어레이를 위해 음향 감도 패턴을 발생시키는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전기 신호들 중 상기 적어도 하나를 지연시키는 단계;
    상기 지연된 신호를 상기 전기 신호들 중 하나의 다른 신호로부터 감산하여 상기 지연된 신호와 상기 하나의 다른 신호와의 차이를 출력하는 단계; 및
    상기 음향 감도 패턴의 형상을 적어도 부분적으로 결정하는 값과 상기 차이를 곱하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 값과 상기 이득 계수 A 중 적어도 하나를 동적으로 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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