KR101665211B1 - 디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어의 방법 및 장치 - Google Patents

디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어의 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 형성의 방법 및 장치를 공개하며, 본 방법은 1) 디지털 포맷 변환 단계, 2) 채널 등화 처리 단계, 3) 빔 형성 제어 단계, 4) 멀티 비트 Σ-Δ 변조 단계, 5) 온도계 코드 변환 단계, 6) 동적 미스매치-쉐이핑 처리 단계, 7) 채널 정보 추출 단계를 포함하며, 디지털 전력 증폭기로 보내 어레이가 소리를 내도록 구동한다. 본 장치는 음원, 디지털 변환기, 채널 등화기, 빔 형성기, Σ-Δ 변조기, 온도계 코더, 동적 미스매치-쉐이퍼, 추출 선택기, 채널 디지털 전력 증폭기, 스피커 어레이를 포함하며, 각 유닛은 순서대로 연결된다. 본 발명은 시스템의 전 디지털화를 실현하며, 그 체적, 출력 손실, 원가를 절감하며, 그 전기 음성 변환 효율 및 간섭 대항 능력을 향상시키고, 시스템 가청 밴드 내의 주파수 반응 평탄도를 개선하며, 디지털 어레이의 빔 지향 제어를 실현하며, 특수 음성 효과의 생성에 유효한 실현 경로를 제공한다.

Description

디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어의 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CHANNEL EQUALIZATION AND BEAM CONTROL OF DIGITAL SPEAKER ARRAY SYSTEM}
본 발명은 채널 등화(channel equalization)와 빔 제어의 방법 및 장치에 관련되며, 특히 디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어의 방법 및 장치와 관련된다.
대규모 집적 회로 및 디지털 기술의 급속한 발전에 따라, 전통적인 아날로그스피커 시스템의 출력 손실, 체적, 중량과 신호의 전송, 저장, 처리 등 방면의 고유 결함이 점점 더 명백해짐에 따라, 이러한 결함을 극복하기 위해, 스피커 시스템의 연구개발은 점차 저 출력 손실, 소형화, 디지털화 및 집적화의 방향으로 발전하고 있다. PWM 변조 기술에 기반한 class-AD형 디지털 전력 증폭기의 출현에 따라, 스피커 시스템의 디지털화는 전력 증폭기 부분까지 진척되었으나, 디지털 전력 증폭기의 후 단계는 여전히 체적이 비교적 크고, 원가가 비교적 높은 고품질의 인덕터와 커패시터에 의존하여 수동으로 아날로그 저역 필터링(low-pass filtering) 조작을 수행하여 고 주파수 캐리어 성분을 제거하여, 원 아날로그 신호를 복조해 내고 있다.
디지털 전력 증폭기의 체적과 원가를 감축하고, 보다 높은 정도의 집적화를 달성하기 위해, 미국 특허(특허번호 US 20060049889A1, US 20090161880A1)는 PWM 변조 기술과 class-BD 디지털 전력 증폭기 기술에 기반한 디지털 스피커 시스템의 실현 방법을 공개하였다. 그러나 이러한 PWM 변조 기술에 기반한 디지털 스피커 시스템은 두 가지 단점이 있다: (1) PWM 변조 기술에 기반한 코딩 방식은 그 변조 구조 자체가 고유의 비선형 결함을 구비하기 때문에, 코드 신호가 원하는 밴드(band)에서 비선형 왜곡 성분을 발생하게 할 수 있으며, 만약 진일보하게 선형화 수단을 채용하여 개선을 진행한다면, 그 변조방식의 실현 난이도와 복잡도가 대폭 제고되게 된다. (2) 하드웨어의 실현 난이도를 감안하여, PWM 변조방식 자체의 오버 샘플링 레이트(over-sampling rate)가 비교적 낮으면, 일반적으로 200KHz ~ 400KHz의 주파수 범위이면, 코드 신호의 신호 대 잡음비는 오버 샘플링 레이트의 제한을 받아 진일보하게 증가할 수가 없게 된다.
디지털 스피커 시스템에서 PWM 변조 기술의 실현 방면에 존재하는 비선형 왜곡 및 저 오버 샘플링 레이트의 결함과, 또한 시스템 전체 신호 전송 링크를 결합하는 전-디지털화 요구(all-digital demand)에 대해, 중국특허 CN 101803401A는 멀티 비트 Σ-Δ 변조에 기반한 디지털 스피커 시스템을 공개하였는데, 이 시스템에서는, 멀티 비트 Σ-Δ 변조 및 온도계 코딩 기술을 통해 하이-비트 PCM 코드를 1진 코드 벡터(unary code vector)로 변환하여, 스피커 어레이 스위치 동작을 제어하는 제어 백터로 하며, 또한 동적 미스매치-쉐이핑 기술(dynamic mismatch shaping technique)을 통해, 어레이 소자 간의 주파수 반응차에서 인입되는 공간 도메인(spatial domain) 합성 신호 중의 고차 조화파 성분(high-order harmonic components)을 제거한다; 이 특허는 비록 시스템 전체 신호 전송 링크의 전 디지털화를 실현하고, 또한 동적 미스매치-쉐이핑 기술에 의존하여, 공간 도메인 합성 신호의 총 조화파 왜곡비를 감소하였지만, 이러한 동적 미스매치-쉐이핑 기술은 채널의 음성 밴드 내의 주파수 응답 변동에 대해 등화 작용이 없기 때문에, 각 채널의 음성 밴드 내 주파수 응답 변동은 시스템 복원 신호 스펙트럼과 음원 신호 리얼 스펙트럼 사이에 큰 편차를 일으켜, 복원 음장(restoration sound field)과 리얼 음장(real sound field) 간의 큰 차이를 조성하게 되어, 디지털 리플레이 시스템이 실제적으로 원 음원의 리얼 음장 효과를 재현할 수 없게 한다. 그밖에, 이러한 각 채널의 음성 밴드 내 주파수 응답 변동은 다양한 자기 적응(self-adaptive) 어레이 빔 형성 알고리즘의 안정성을 떨어지게도 하고, 수렴속도를 느려지게도 하여, 자기 적응 어레이 빔 형성 알고리즘의 응용성이 나빠지게 한다.
현재 중국특허 CN 101803401A가 공개한 채널 지연 조정에 기반한 빔 조정 방식은 어레이 각 채널 전송 신호의 위상 정보만을 조정할 뿐, 각 채널 전송 신호의 크기 조정은 고려하지 아니하며, 비교적 간단한 빔 형성 방법에 속하며, 그것이 발생하는 빔 제어 능력은 비교적 약해, 근접된 자유장(free field)의 환경에서만 단지 일정한 빔 조정 능력을 구비하며, 어떤 응용의 경우에는 디지털 시스템이 복수의 지향성 빔(directional beam)을 발생할 필요가 있을 때, 이러한 지연 제어에 기반한 방법은 복수의 빔의 조정 제어를 완성할 수가 없다. 그밖에, 실제 응용 환경에서는, 일반적으로 비교적 많은 산란 경계가 존재할 수 있어, 전송 신호가 직접음(direct sound) 이외에 많은 경로의 산란 신호를 포함하게 하며, 이렇게 명백한 복수 경로 산란의 반향 환경(reverberant environment)에서는, 단지 채널 지연 제어의 조정 방법에만 의존해서는 양호한 빔 지향 제어를 획득할 수 없으므로, 반향 환경하의 디지털 스피커 어레이의 빔 지향성 제어 문제에 대해서는, 반향 대항 능력을 구비한 복잡한 빔 형성 방법을 찾아, 각 채널의 전송신호에 대해 동시에 크기와 위상의 조정을 진행함으로써, 원하는 음장의 제어 효과를 도달할 필요가 있다.
현재, 멀티 비트 Σ-Δ 변조에 기반한 디지털 어레이 시스템은, 모두 미스매치-쉐이핑 기술에 의존하여 다채널 간의 주파수 반응차를 제거하지만, 이러한 채널 주파수 반응차 교정 방법은, 단지 소량 주파수 반응 편차의 경우에만 적용되며, 또한 위상 편차에 대한 교정 능력은 아주 약하다; 그 밖에 미스매치-쉐이핑 기술은 각 채널 자체의 음성 밴드 내 주파수 반응 변동에 대해 등화 작용을 할 수 없으며, 이러한 채널 자체의 주파수 반응 변동성은 복원 음장의 음색 성분에 변화를 가져 올 수 있어, 음장의 완전한 복원을 보장하기 어렵다. 전통적인 디지털 스피커 어레이가 채용한 빔 제어 방법은 비교적 간단한 채널 지연 제어 방법이며, 이러한 방법은 단지 이상적인 자유 음장 환경에만 적용되며, 음장이 반사 또는 산란 효과로 인해 많은 복수 경로의 간섭이 출현할 때, 이러한 방법은 적용되지 아니한다. 어떤 응용에 있어서는, 어레이가 복수의 지향성 빔을 발생할 필요가 있을 때, 이러한 지연 제어에 기반한 방법은 복수의 빔의 음장 제어 효과를 획득할 수 없다.
종래의 멀티 비트 Σ-Δ 변조의 디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화 및 빔 제어 방면에 존재하는 결함에 대해, 더욱 유효한 채널 등화 및 빔 제어 방법을 모색하여, 멀티 비트 Σ-Δ 변조에 기반한 디지털 스피커 어레이 시스템의 밴드 내 평탄성(band flatness)과 빔 지향성(beam directivity) 방면의 응용 요구를 만족하게 하며, 또한 채널 등화 기능 및 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치를 제작할 필요가 있다.
본 발명은 종래 디지털 시스템의 채널 등화 방면의 부족함을 극복하는 것을 목적으로 하며, 디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어의 방법과, 채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 시스템 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어의 방법을 제공하며, 이는 다음 절차를 포함한다:
1) 신호를 PCM 코딩에 기반한 디지털 신호로 변환하는, 디지털 포맷 변환 단계;
2) 채널 등화 처리 단계;
3) 빔 형성 제어 단계;
4) 멀티 비트 Σ-Δ 변조 단계;
5) 비트 폭이 M인 로우 비트 PCM 코드 신호를 2M 개 채널에 대응하는 디지털 전력 증폭기와 변환기 로드의 1진 코드 벡터로 변환하는, 온도계 코드 변환 단계;
6) 온도계 코드 벡터(thermometer coded vector)에 대해 재배열을 진행하는, 동적 미스매치-쉐이핑 처리 단계;
7) 디지털 전력 증폭기로 보내 로드가 소리를 내도록 구동하는, 채널 정보 추출 단계.
진일보하게, 단계 1)의 상기 디지털 포맷을 아날로그 신호와 디지털 신호의 두 가지 경우로 변환하며, 아날로그 신호의 경우에는, 먼저 아날로그-디지털(analog-to-digital) 변환 조작을 통해, PCM 코딩에 기반한 디지털 신호로 변환하는 것이 필요하고, 그런 다음 지정 비트 폭과 샘플링 레이트의 파라미터 요구에 따라 변환을 진행하여, 파라미터 요구를 만족하는 PCM 코드 신호로 변환한다. 디지털 신호의 경우에는, 단지 지정 비트 폭과 샘플링 레이트의 파라미터 요구에 따라 변환을 진행하여, 파라미터 요구를 만족하는 PCM 코드 신호로 변환하면 된다.
진일보하게, 단계 2)의 채널 등화 처리에서, 등화기의 파라미터는 측정 방법에 따라 획득될 수 있다. 어레이 소자 수량이 N이고, 원하는 위치 구역의 측정점 수량이 M이며, 어레이 소자가 화이트 노이즈 신호
Figure 112014045451176-pct00001
를 발사(emit)한다고 가정하면, 측정점에서 수신 신호
Figure 112014045451176-pct00002
획득을 통해, 어레이 소자 채널로부터 원하는 측정 위치점까지의 임펄스 반응
Figure 112014045451176-pct00003
를 계산해 낼 수 있으며, 그 중 i는 No. i 어레이 소자의 색인번호이며, j는 원하는 구역 내 No. j 측정점 위치의 색인번호이며; No. i 어레이 소자로부터 모든 측정점까지의 임펄스 반응
Figure 112014045451176-pct00004
을 모두 이미 계산해 냈다고 가정하면, 가중 피팅(weighted fitting)의 방법을 통해 No. i 어레이 소자로부터 원하는 구역까지의 평균 임펄스 반응
Figure 112014045451176-pct00005
를 획득할 수 있으며, 그 중
Figure 112014045451176-pct00006
는 No. i어레이 소자로부터 No. j 측정점까지의 가중 벡터이며; 그런 다음 다시 역 필터의 예상 알고리즘에 따라, 평균 임펄스 반응
Figure 112014045451176-pct00007
의 역 필터 반응
Figure 112014045451176-pct00008
을 계산해 내며; 마지막으로 No. 1어레이 소자로부터 원하는 위치 구역까지의 임펄스 반응
Figure 112014045451176-pct00009
과 그 역 필터의 반응
Figure 112014045451176-pct00010
까지의 컨볼루션(convolution) 결과를 선택하여 참고 벡터
Figure 112014045451176-pct00011
로 하면, 보상 인수
Figure 112014045451176-pct00012
를 설정하여, 기타 나머지 어레이 소자 채널의 역 필터 반응
Figure 112014045451176-pct00013
이 보상되게 한 후, 그 보상 결과
Figure 112014045451176-pct00014
와 평균 임펄스 반응
Figure 112014045451176-pct00015
의 컨볼루션 결과
Figure 112014045451176-pct00016
는 참고 벡터
Figure 112014045451176-pct00017
과 완전히 동일하여, 다음과 같은 등화기의 반응 벡터를 획득한다:
Figure 112014045451176-pct00018
진일보하게, 단계 3)의 빔 형성 제어에서, 빔 형성기의 채널 가중 계수는 통상의 빔 형성의 설계 방법에 따라 채널 가중 계수의 계산을 진행한다. 어레이의 소자 수량이 N이며, 그 공간 도메인의 조정 벡터가
Figure 112014045451176-pct00019
라고 가정하면, 원하는 공간 도메인의 빔 형상은,
Figure 112014045451176-pct00020
, 이며,
구하고자 하는 어레이 가중 계수 벡터가
Figure 112014045451176-pct00021
라고 가정하면, 최소 제곱 법칙에 따라, 다음과 같은 어레이 가중 계수의 계산 공식을 획득할 수 있다:
Figure 112014045451176-pct00022
어레이 가중 벡터를 이용하여 각 채널 전송 신호에 대해 크기 및 위상 조정을 진행하여, 원하는 구역에 음향 빔을 복사하는 어레이 공간 도메인을 조정한다.
진일보하게, 단계 4)의 멀티 비트 Σ-Δ 변조에서, 그 처리 과정은, 먼저 보간 필터(interpolation filter)를 통해, 등화 처리 후의 하이-비트 PCM 코드를 지정된 오버 샘플링 인수에 따라 보간 필터링 처리를 수행하여, 오버 샘플링의 PCM 코드 신호를 획득하고; 그런 다음 Σ-Δ 변조 처리를 수행하여, 음성 밴드 폭 범위 내의 노이즈 에너지를 음성 밴드 밖으로 밀어내어, 시스템이 음성 밴드 내에서 충분히 높은 신호 대 잡음비를 구비하도록 보증하며, 동시에 Σ-Δ 변조 처리를 거친 후, 원 하이-비트 PCM 코드를 로우 비트 PCM 코드로 변환하여, 그 PCM 코드의 비트 수가 감소하게 된다.
진일보하게, 단계 4)의 멀티 비트 Σ-Δ 변조에서, 그가 채용하는 Σ-Δ 변조 방법은, 종래의 각종 Σ-Δ 변조 방법 - 예를 들면, 고차 단단(Higher-Order Single-Stage) 직렬 변조 방법 또는 다단(Multi-Stage (Cascade, MASH)) 병렬 변조 방법을 채용하며, 보간 필터가 출력하는 오버 샘플링 신호에 대해 노이즈 쉐이핑 처리를 수행하여, 노이즈 에너지를 음성 밴드 밖으로 밀어내어, 시스템이 충분히 높은 밴드 내 신호 대 잡음비를 구비하도록 보증한다.
진일보하게, 단계 5) 의 온도계 코드 변환은, 비트 폭이 M인 PCM 코드 신호를 2M 개 채널의 디지털 전력 증폭기 및 변환기 로드의 1진 코드 벡터로 변환하는데 사용된다. 그 1진 코드 벡터의 각 디지트에 대한 코드는 상응하는 디지털 채널로 보내고, 그 각 디지트의 코드는 임의 시각에 단지 "0"과 "1"의 2 레벨 상태를 가지며, "0" 상태 시, 변환기 로드는 오프 되며, "1" 상태 시, 변환기 로드는 온 된다. 온도계 코딩 조작은, 코딩 정보를 복수의 변환기 로드 채널로 분배하는데 사용되어, 변환기 로드를 신호 코딩 흐름에 실어, 변환기 어레이에 대한 디지털 코딩 및 디지털 스위치 제어를 실현한다.
진일보하게, 단계 6)의 상기 동적 미스매치 쉐이핑 처리는, 온도계 변환 코드에 대해 재배열을 진행하는데 사용하며, 진일보하게 1진 코드 벡터의 데이터 분배 방안을 최적화하며, 어레이 간 주파수 반응차로 일어나는 공간 도메인 신호 합성 신호 중의 비선형 고차 조화파 왜곡 성분을 제거한다.
진일보하게, 단계 6)의 동적 미스매치-쉐이핑 처리는, 종래의 각종 방식인 알고리즘 - 예를 들면, DWA(Data-Weighted Averaging, 데이터 가중 평균), VFMS(Vector-Feedback mismatch-shaping, 벡터 피드백 미스매치-쉐이핑) 및 TSMS(Tree-Structure mismatch shaping, 트리 구조 미스매치-쉐이핑) 알고리즘의 채용을 통해, 어레이 요소 간의 주파수 반응차로 인입되는 비선형 조화파 왜곡 스펙트럼에 대해 조작을 수행하여, 밴드 내의 조화파 왜곡 성분의 강도를 낮추고, 그 출력을 밴드 밖의 고 주파수 섹션으로 밀어내어, Σ-Δ 코드 신호의 음질 수준을 개선시킨다.
진일보하게, 단계 7)의 상기 채널 정보 추출은, 각 채널에 대해 코드 정보 분배 조작을 실시하며, 그 신호 처리 과정은 다음과 같다: 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 각 채널의 동적 미스패치 쉐이퍼가 동적 미스매치-쉐이핑 처리를 수행하여, 쉐이프 처리 후, 비트 차수가 갱신된 쉐이핑 벡터를 획득하고; 그런 다음 특정의 추출 선택 준칙에 따라, 각 채널의 쉐이핑 벡터의 2 M 개 디지트에서, 하나의 지정된 디지트 코드를 선택하여 그 채널의 출력 코드로 하며, 정보의 완전한 복원을 위해, 각 채널이 선택한 디지트 차수는 중복이 존재해서는 아니 되며, 또한 모든 2 M 개 채널이 선택한 디지트 차수는 1에서 2 M 개의 디지트 차수를 완전히 포함한다. 진일보하게, 채널 정보 추출 선택 과정에서, 일반적으로 No. i 채널은 그 쉐이핑 벡터 중, No. i 디지트 코드 정보를 선택하는 간단한 준칙에 따라 디지트 선택 조작을 수행 한다. 복수의 채널의 멀티 비트 추출 선택과 병합 조작을 거친 후에, 복수의 어레이 채널 상에 사전 설정되는 등화 및 빔 가중 처리 조작은 유효하게 계승되어, 디지털 어레이의 등화 및 지향성 제어 조작에 대해 유효한 실현 경로를 제공한다.
진일보하게, 단계 7)의 상기 로드는 복수의 스피커 유닛으로 구성된 디지털 스피커 어레이이거나, 복수의 보이스 코일 와인딩 스피커 유닛이거나, 또는 복수의 멀티 보이스 코일 스피커 유닛으로 구성된 디지털 스피커 어레이일 수 있다.
본 발명의 다른 하나는 채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치를 제공하며, 그 장치는 다음 사항을 포함한다:
시스템에서 플레이를 대기하는 정보인 음원;
음원의 출력단과 서로 연결되며, 입력 신호를 비트 폭이 N, 샘플링 레이트가 f s 인 하이-비트 PCM 코드 신호로 변환하는 디지털 변환기;
디지털 변환기의 출력단과 서로 연결되어, 각 채널 주파수 반응에 대해 역 필터링 등화 조작을 수행하여, 채널 주파수 반응의 밴드 내 변동을 제거하는 채널 등화기;
채널 등화기의 출력단과 서로 연결되며, 스피커 어레이 빔의 공간 도메인 발사 형상(spatial domain emitting shape)을 제어하여, 3D 스테레오 음장, 가상 서라운드 음장, 지향성 음장 등과 같은 음장 분포 특성을 생성하여, 특수 음향 효과 플레이의 목적을 달성하는 빔 형성기;
빔 형성기의 출력단과 서로 연결되며, 오버 샘플링 보간 필터링 및 멀티 비트 Σ-Δ 코드 변조 처리를 완성하여, 비트 폭이 감소된 로우 비트 PCM 코드 신호를 획득하는 Σ-Δ 변조기;
Σ-Δ 변조기의 출력단과 서로 연결되며, 로우 비트 PCM 코드 신호를 시스템 디지털 채널 수와 서로 같은 1진 벡터로 변환하여, 디지털 채널 스위치의 제어 벡터로 사용하는 온도계 코더;
온도계 코더의 출력단과 서로 연결되며, 어레이 소자 간 주파수 반응차로 인입되는 공간 도메인 합성 신호의 비선형 조화파 왜곡 성분을 제거하여, 음성 밴드 내 조화파 왜곡 성분의 강도를 낮추고, 이들 조화파 성분의 출력을 밴드 밖의 고 주파수 섹션으로 밀어내어, 밴드 내의 조화파 왜곡 강도를 감소하고, 코드 신호의 음질 수준을 개선시키는 동적 미스매치-쉐이퍼;
동적 미스매치-쉐이퍼의 출력단과 서로 연결되며, 각 채널의 쉐이핑 벡터에서, 특정의 디지털 코드 신호를 추출하여, 그 채널의 온/ 오프 동작을 수행하는 제어 신호로 사용하는 추출 선택기;
추출 선택기의 출력단과 서로 연결되며, 각 채널의 제어 코드 신호에 대해 출력의 증폭을 진행하며, 후단계 디지털 로드를 구동하여 온/오프를 수행하는 다채널 디지털 전력 증폭기; 및
다채널 디지털 전력 증폭기의 출력단과 서로 연결되며, 전기 음향 변환(electro-acoustic conversion)을 완성하여, 디지털화된 스위치 전기 신호를 아날로그 포맷의 공기 진동 신호로 변환하는 디지털 어레이 로드.
진일보하게, 음원은 아날로그 신호 또는 디지털 코드 신호일 수 있으며, 각종 아날로그 장치에서 발생하는 음원 신호일 수 있으며, 각종 디지털 장치에서 발생하는 디지털 코드 신호일 수도 있다.
진일보하게, 디지털 변환기는 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter), USB, LAN, COM 등 디지털 인터페이스 회로 및 인터페이스 프로토콜 절차를 포함하며, 기존의 디지털 인터페이스 포맷과 서로 겸용할 수 있으며, 이러한 인터페이스 회로와 프로토콜 절차를 통해, 디지털 스피커 어레이 시스템 장치는 편리하게 기타 장치 설비와 정보의 교환 및 전달을 할 수 있으며, 동시에, 디지털 변환기 처리를 거친 후, 원 출력의 아날로그 또는 디지털 음원 신호를 비트 폭이 N, 샘플링 레이트가 f s 인 하이-비트 PCM 코드 신호로 변환한다.
진일보하게, 채널 등화기는 시간 도메인(time domain) 및 주파수 영역에서 역 필터링의 반응 파라미터에 따라 등화 조작을 수행하여, 각 채널 음성 밴드 내의 주파수 반응 변동을 제거하고; 동시에, 각 채널의 주파수 반응차를 교정하여, 각 채널의 주파수 반응을 일치하도록 한다.
진일보하게, 빔 형성기는 설계된 가중 벡터를 이용하여, 각 채널의 전송 신호에 대해 가중 처리를 수행하여, 복잡한 환경하에서 디지털 어레이의 공간 도메인 패턴이 원하는 설계 요구에 도달하도록 한다.
진일보하게, Σ-Δ 변조기의 신호 처리 과정은 다음과 같다: 먼저 원 비트 폭이 N, 샘플링 레이트가 f s 인 PCM 코드를 오버 샘플링 인자
Figure 112014045451176-pct00023
에 따라 오버 샘플링의 보간 필터링 처리를 수행하여, 비트 폭이 N, 샘플링 레이트가
Figure 112014045451176-pct00024
인 PCM 코드 신호를 획득하고; 그런 다음 멀티 비트 Σ-Δ 변조 방식에 따라, 비트 폭이 N인 오버 샘플링 PCM 코드 신호를 비트 폭이 M(M<N)인 로우 비트 PCM 코드 신호로 변환하여, PCM 코드 신호의 비트 폭을 감소한다.
진일보하게, Σ-Δ 변조기(5)는, 기존 각종 변조기의 신호 처리 구조 - 예를 들면 고차 단단 직렬 변조기 구조 또는 다단 병렬 변조기 구조에 따라, 보간 필터가 출력한 오버 샘플링 신호에 대해 노이즈 쉐이핑 처리를 수행하여, 노이즈 에너지를 음성 밴드 밖으로 밀어내어, 시스템이 충분히 높은 신호 대 잡음비를 구비하는 것을 보증한다.
진일보하게, 온도계 코더는 비트 폭이 N인 로우 비트 PCM 코드 신호를
Figure 112014045451176-pct00025
개 채널에 대응하는 디지털 전력 증폭기 및 변환기 로드의 1진 코드 신호 벡터로 변환하며, 1진 코드 벡터의 각 디지트 코드 정보는 대응하는 디지털 채널로 할당되어, 변환기 로드를 신호 코드 흐름에 실어, 변환기 로드의 디지털 코딩 및 디지털 스위치에 대해 제어를 실현한다.
진일보하게, 동적 미스매치-쉐이퍼는 종래의 각종 쉐이핑 알고리즘 - 예를 들면, DWA, VFMS, 및/또는 TSMS 알고리즘을 채용하여, 어레이 소자 간 주파수 반응차에서 인입되는 비선형 조화파 왜곡 스펙트럼에 대해 쉐이핑 조작을 수행하여, 밴드 내 조화파 왜곡 성분의 강도를 낮추며, 그 출력을 밴드 밖 고 주파수 섹션으로 밀어내어, 밴드 내의 조화파 왜곡 강도를 낮추어, Σ-Δ 코드 신호의 음질 수준을 개선시킨다.
진일보하게, 추출 선택기는 특정의 추출 규칙에 따라, 2 M 개 디지털 채널의 각 채널 쉐이핑 벡터에서, 하나의 디지트 정보를 획득하여, 그 채널의 출력 코드 정보로 하여, 후단계의 변환기 로드를 제어하여 온/오프 동작을 수행한다. 추출 선택기의 비트 추출 및 병합 조작을 거친 후, 원 다채널의 등화기 반응 및 채널 지향성 가중 벡터의 조작은 유효한 실현을 획득하여, 디지털 어레이의 주파수 반응 평탄성 및 빔 방향의 제어성을 개선시킨다.
진일보하게, 다채널 디지털 전력 증폭기는 추출 선택기가 출력하는 스위치 신호를 풀 브릿지 전력 증폭 회로의 MOSFET그리드 단(grid end)으로 보내, MOSFET 의 온/오프 제어를 통해, 출력 전원에서부터 로드까지 전원을 공급하는 온/오프를 제어하여, 디지털 로드의 출력 증폭을 실현한다.
진일보하게, 디지털 어레이 로드는, 복수의 스피커 유닛으로 구성되는 디지털 어레이일 수 있으며, 복수의 보이스 코일의 스피커 유닛일 수도 있으며, 복수의 보이스 채널 스피커로 구성되는 어레이일 수도 있다. 디지털 로드의 각 디지털 채널은 하나 또는 복수의 스피커 유닛으로 구성될 수 있으며; 하나 또는 복수의 보이스 코일로 구성될 수도 있으며; 복수의 보이스 코일과 복수의 스피커 유닛으로 조합되어 형성될 수도 있다. 디지털 로드의 어레이 형상은, 변환기 유닛 수량 및 실제 응용 필요에 따라 배열을 진행하여, 실제 응용 요구에 적합한 각종 어레이 형상을 구성한다.
종래기술과 비교하여, 본 발명은 장점은 다음과 같다: 시스템 전체 신호 전송 링크의 전 디지털화를 실현하며, 전체 시스템 장치가 완전히 디지털화 기기로 구성되어, 고도의 집적화 회로 설계에 편리하여, 시스템의 작동 안정성을 향상시키고, 시스템의 출력 손실, 체적 및 중량을 감소시키고; 동시에, 디지털 스피커 어레이 시스템은, 유연하고 편리하게 기타 디지털 시스템 설비와 데이터 교환을 진행할 수 있으며, 더욱 양호하게 디지털화의 발전 요구에 적응할 수 있다. 멀티 비트 Σ-Δ 변조 기술은 노이즈 쉐이핑 방법을 통해, 음성 밴드 내의 노이즈 출력을 밴드 밖의 고 주파수 섹션으로 밀어 내어, 음성 밴드 내의 고 신호 대 잡음비 요구를 보증하며, 이러한 변조 기술의 하드웨어는 회로의 간단을 실현하여, 회로 부품 제조 과정 중 발생하는 파라미터 편차에 대해 양호한 면역력을 구비한다. 그밖에 장점은 다음과 같다:
A. 본 발명이 채용하는 전 디지털화 시스템 실현 방식은 간섭 대항 능력이 강하고, 복잡한 전자 간섭 환경에서 안정되고 신뢰성 있는 동작을 보증할 수 있다.
B. 본 발명이 채용하는 동적 미스매치-쉐이핑 알고리즘은, 어레이 소자 간 주파수 반응차로 인입되는 비선형 조화파 왜곡 강도를 유효하게 낮출 수 있고, 시스템의 음질 수준을 개선시킬 수 있어, 이 시스템은 변환기 유닛 간의 주파수 반응 편차에 대해 양호한 면역력을 구비한다.
C. 온도계 코딩 방법을 통해, 각 변환기 유닛에 상응하는 1진 코드 신호를 분배하여, 각 스피커 유닛(또는 각 보이스 코일)이 온 또는 오프 상태에서 작동하게 하며, 이러한 교대 스위치 동작 상태가 각 스피커(또는 보이스 코일)에 과로드 왜곡 현상이 출현하는 것을 피하게 하여, 각 스피커 유닛(또는 보이스 코일)의 사용 수명을 연장하며; 동시에, 변환기는 스위치 작동 방식을 채용하여, 그 전기 음성 변환 효율이 더욱 높으며, 변환기의 발열이 더욱 낮다.
D. 디지털 전력 증폭 회로는 직접 증폭 후의 스위치 신호를 스피커 단에 보내어, 스피커가 온 및 오프 조작을 수행하도록 제어하므로, 디지털 전원 증폭기 후단계에서 체적이 크고 가격이 비싼 인덕터 및 커패시터를 집어넣어 아날로그 로우 패스(low-pass) 처리를 수행할 필요가 없기 때문에, 시스템의 체적과 원가를 절감하며; 동시에, 용량성 특성의 압전 변환기 로드의 경우, 통상 인덕터를 추가하여 임피던스 매칭을 진행하여, 압전 스피커의 음성 출력을 증가하는 것이 필요하며, 변환기 단에 디지털 신호를 인가 시, 그 임피던스 매칭 효과는 종래의 변환기 단에 아날로그 신호를 인가하는 임피던스 매칭 효과보다 우수하다.
E. 온도계 코딩 방식은 각 조 어레이 소자에 분배된 1진 코드 신호가 단지 원 음원 신호의 부분 정보 성분만을 포함하기 때문에, 단순히 하나 조의 어레이 소자가 복사하는 정보에 의존해서 음원 정보의 완전한 복원을 완성할 수 없으며, 모든 조 어레이 소자가 복사하는 음장의 합성 작용을 연합해야만, 음원 정보를 완전하게 복원할 수 있다; 이러한 복수 조의 어레이 소자가 공간 도메인 복사하는 음장의 합성 작용을 연합하여 정보 복원을 완성하는 작동 방식은, 그 복원 정보가 공간 도메인 지향성을 구비하며, 어레이 대칭축선 상에서 최대 신호 대 잡음비를 구비하며, 축선에서 멀리 떨어질수록, 그 신호 대 잡음비는 감소한다.
H. 채널 등화 방법은 각 채널 음성 밴드 내의 주파수 반응을 평탄하게 유지할 수 있으며, 또한 채널 간의 주파수 반응차를 교정하여, 시스템에 의해 복원된 음원 신호 스펙트럼과 원시 음원 신호의 리얼 스펙트럼이 일치하려는 것을 보증하여, 디지털 리플레이 시스템이 원래 음원의 음장 효과를 리얼하게 재현함을 보장한다; 동시에, 이러한 등화 방법이 가져오는 각 채널 음성 밴드 내 주파수 반응 평탄성과 채널 간 주파수 반응 일치성은, 다양한 자체 적응 알고리즘이 양호한 안정성, 빠른 수렴 속도, 양호한 응용성을 구비하는데 유리한 지지를 제공한다.
I. 추출 선택에 기반한 채널 등화 방법은, 각 채널의 주파수 반응 변동을 유효하게 억제하여, 디지털 시스템의 음장 복원 품질을 개선시킬 수 있으며, 또한 채널 간 비교적 큰 주파수 반응차를 제거할 수 있어, 다채널 등화 처리 후, 채널 간의 주파수 반응 편차에 대해 비교적 큰 정도의 보상을 획득하며, 단지 소량의 잔류 편차만이 남으며, 이러한 잔류 편차는 진일보하게 미스매치-쉐이핑 알고리즘에 의존하여 양호한 교정 처리를 수행하여, 미스매치-쉐이핑 알고리즘이 소량 편차를 제거하는 능력을 발휘할 수 있다. 채널 등화 처리를 거친 후, 어레이 요소의 주파수 반응차는 비교적 양호한 교정을 얻게 되어, 각종 어레이 소자 채널에 기반한 상관 축적의 어레이 빔 제어 알고리즘이 유효하게 수행될 수 있음을 보증한다. 이러한 데이터 추출 선택에 기반한 디지털 어레이 빔 형성 방법은, 복잡한 환경하에서 디지털 어레이의 공간 도메인 음장 제어 능력을 유효하게 개선시킬 수 있다.
J. 빔 제어 방법은 복잡한 환경 하에서 디지털 스피커 어레이가 비교적 양호한 빔 지향성을 구비하는 것을 보증하며, 추출 선택한 정보의 병합 방식을 통해, 통상의 빔 형성 제어 방법이 디지털 어레이 빔 제어에 응용될 수 있도록 하여, 실용 환경에서 특수 음장 효과의 생성(예를 들면, 3D 스트레오 음장, 아날로그 음장 환경, 지향성 음장 등)에 유효한 실현 경로를 제공한다.
K. 데이터 추출 선택 방법은 전통적인 PCM 코딩 포맷의 채널 등화 및 빔 형성 알고리즘을, 멀티 비트 Σ-Δ 변조의 디지털 어레이 시스템에 직접 확장 응용하여, 전통적인 채널 등화 및 빔 제어 알고리즘과 멀티 비트 Σ-Δ 변조의 디지털 어레이 시스템 간에 브리지를 생성하여, 전통 알고리즘이 멀티 비트 Σ-Δ 변조에 기반한 어레이 시스템에서 유효한 채널 등화 및 빔 조정 작용을 계속 할 수 있도록 보증한다.
도 1은 본 발명에 따른 채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 시스템 장치의 각 구성 모듈을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 채널 등화 파라미터 예상 과정 중의 채널 파라미터 측정 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 빔 제어 과정 중의 채널 중량 벡터 로딩을 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 채널 정보 추출 과정 중 채용하는 추출 규칙을 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 채널 등화 과정 중 채용하는 역 필터의 크기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 Σ-Δ 변조기가 채용하는 5차 CIFB 변조 구조의 신호 처리를 보여주는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도계 코드 벡터의 온/오프 제어를 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 동적 미스매치-쉐이퍼가 채용하는 VFMS 미스매치-쉐이핑 알고리즘의 신호 처리를 보여주는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 추출 선택기가 채용하는 추출 규칙을 보여주는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 8-소자 스피커 어레이의 배열을 보여주는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스피커 어레이와 마이크로폰 유닛의 배열 위치를 보여주는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 어레이 축선으로부터 1미터 떨어진 위치점에서 등화 전후의 그 시스템의 주파수 반응의 크기 스펙트럼 그래프를 나타내는 대비도이다.
도 13은 본 발명 제1 실시예에 따른 -60도, 0도 및 +30도의 3개 예정 방향에서 생성되는 빔 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명 제1 실시예에 따른 Σ-Δ 변조기가 채용하는 파라미터 값을 나타낸다.
다음은 첨부 도면과 구체적인 실시 방식을 결합하여 본 발명에 대해 진일보하게 상세히 설명한다:
본 발명은 먼저 디지털 변환 인터페이스를 통해, 가청 범위 내의 음원 신호를 비트 폭이 N인 하이-비트 PCM 코드 신호로 변환하고; 그런 다음 채널 등화 기술을 이용하여, 각 채널의 디지털 음원 신호에 대해 역 필터 등화 처리를 수행하여, 각 채널 음성 밴드 내 주파수 반응 변동을 제거하며, 동시에 채널 간 주파수 반응차를 제거한다; 그런 다음, 빔 형성 기술을 이용하여, 등화 후의 각 채널 신호에 대해 가중 처리를 수행하여, 어레이가 원하는 공간 방향으로 조종되게 한다; 그런 다음 멀티 비트 Σ-Δ 변조 기술을 다시 이용하여 비트 폭이 N인 하이-비트 PCM 코드 신호를 비트 폭이 M (M<N) 인 로우 비트 PCM 코드 신호로 변환한다; 그런 다음, 다시 온도계 코딩 방법을 통하여 비트 폭이 M인 PCM 코드 신호를 비트 폭인
Figure 112014045451176-pct00026
인 온도계 코드로 변환하여,
Figure 112014045451176-pct00027
조(set)의 변환기 어레이로 분배되는 1진 코드 신호를 형성한다; 그런 다음, 다시 동적 미스매치-쉐이핑 기술을 통하여, 각 셋 어레이로 분배되는 1진 코드 신호에 대해 동적 미스매치-쉐이핑 처리를 수행하여, 각 조 어레이 주파수 반응차로 인입되는 고차 조화파 성분을 제거하여, 시스템의 총 조화파 왜곡을 낮추어, 시스템의 음질 수준을 개선시킨다; 마지막으로, 추출 선택 기술을 이용하여, 각 채널의 미스매치-쉐이핑 벡터로부터 하나 디지트의 비트 정보를 추출하여, 그 채널의 디지털 전력 증폭기로 보내 출력 신호를 형성하여, 그 채널의 디지털 로드를 구동하여 온/오프 조작을 수행하며, 모든 채널의 디지털 로드가 발사하는 공간 도메인 음장은 중첩을 진행한 후 어떤 공간 소정 영역 내에서 원 신호를 복원한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 시스템 장치는 음원(1), 디지털 변환기(2), 채널 등화기(3), 빔 형성기(4), Σ-Δ 변조기(5), 온도계 코더(6), 동적 미스매치-쉐이퍼(7), 추출 선택기(8), 다채널 디지털 전력 증폭기(9) 및 디지털 어레이 로드(10) 등으로 구성된다.
음원(1)은 PC의 하드 디스크 내에 저장된 MP3 포맷의 음원 파일을 사용할 수 있으며, USB 포트를 통해 디지털 포맷으로 출력될 수 있으며; MP3 플레이어에 저장된 음원 파일을 선택하여, 아날로그 포맷으로 출력될 수도 있으며; 신호 소스가 발생하는 가청 주파수 내의 테스트 신호를 이용하여, 아날로그 포맷으로도 출력될 수 있다.
디지털 변환기(2)는 상기 음원(1)의 출력단과 연결되며, 디지털 입력 포맷과 아날로그 입력 포맷의 두 종류 입력 인터페이스를 포함하며, 디지털 입력 포맷의 경우, Ti사의 PCM2706의 USB 인터페이스 칩을 채용하여, PC 내 저장된 MP3 유형 파일을 USB 포트를 거쳐 비트 폭 16, 샘플링 레이트(sampling rate) 44.1KHz로, 12S 인터페이스 프로토콜을 통해 실시간으로 Cyclone III EP3C80F484C8의 FPGA 칩 내로 읽어 들일 수 있다; 아날로그 입력 포맷의 경우에는, Analog Devices의 AD1877의 아날로그-디지털 변환 칩을 채용하여, 아날로그 음원 신호를 16비트, 44.1KHz의 PCM 코드 신호로 변환하며, 또한 12S 인터페이스 프로토콜을 통해 실시간으로 FPGA 칩 내로 읽어 들인다.
채널 등화기(3)는 상기 디지털 변환기(2)의 출력단과 서로 연결되며, 측정 방식에 따라, 각 채널의 역 필터 파라미터를 계산해 낸다. 도 5는 채널 1~8의 역 필터 크기 스펙트럼 그래프를 보여주며, 역 필터 파라미터에 따라 각 채널에 대해 등화 처리를 수행하여, 등화 후의 16비트, 44.1KHz 샘플링 레이트의 PCM 신호를 얻는다.
빔 형성기(4)는 상기 채널 등화기(3)의 출력단과 서로 연결되며, 원하는 빔 패턴에 따라 8-소자 어레이의 가중치 벡터를 계산한 후, FPGA 내부에서, 곱셈기 유닛(multiplier unit)을 통해 계산된 가중치 벡터를 각 어레이 채널의 전송 신호 즉, 등화 후의 16비트, 44.1KHz 샘플링 레이트의 PCM 신호에 실어, 방향 가중 조정을 가진 다채널 PCM 신호를 형성한다.
Σ-Δ 변조기(5)는 상기 빔 형성기(4)의 출력단과 서로 연결되며, 먼저, FPGA 칩 내부에서, 업 샘플링(up-sampling)의 보간(interpolation) 필터링 조작을 수행하여, 44.1KHz, 16 비트의 PCM 코드 신호를, 3레벨로 업 샘플링 보간 처리를 수행하는데, 제1 레벨 보간 인자는 4이고, 샘플링 레이트는 176.4KHz이며, 제2 레벨 보간 인자는 4이고, 샘플링 레이트는 705.6KHz이며, 제3 레벨 보간 인자는 2이고, 샘플링 레이트는 1411.2KHz이다. 32배 보간 처리 후, 원 44.1KHz, 16 비트의 PCM 신호는 1.4112MHz, 16비트의 업 샘플링 PCM 신호로 변환되며; 그런 다음, 3비트의 Σ-Δ 변조 방식에 따라, 업 샘플링의 1.4112MHz, 16비트의 PCM 코드 신호를 1.4112MHz, 3비트의 PCMb 코드 신호로 변환한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, Σ-Δ 변조기는 5차(fifth-order) CIFB (Cascaded Integrators with Distributed Feedback)의 토폴로지 구조를 채용한다. 이 변조기의 계수는 도 1에 도시된 바와 같다. 하드웨어의 자원을 절약하고, 실현 원가를 절감하기 위하여, FPGA 칩 내부에, 일반적으로 시프트 가산 덧셈(shift addition operation)을 채용하여 상수 곱셈 연산(constant multiplication operation)을 대체하며, Σ-Δ 변조기가 사용하는 파라미터를 CSD 코드를 사용하여 표시한다.
온도계 코더(6)는 상기 Σ-Δ 변조기(5)의 출력단과 서로 연결되며, 1.4112MHz, 3비트의 Σ-Δ 변조 신호를 온도계 코딩 방식에 따라 1.4112MHz, 비트 폭 8인 1진 코드로 변환한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 3비트 PCM 코드는 "001"이며, 변환된 온도계 코드는 "00000001"이며, 이 코드는 변환기 어레이의 1개 소자는 온 되고, 다른 7개 소자는 오프되게 제어하는데 사용된다; 3비트 PCM 코드가 "001"일 때, 변환된 온도계 코드는 "00001111"이며, 이 코드는 변환기 어레이의 4개 소자는 온 되고, 다른 4개 소자는 오프되게 제어하는데 사용된다; 3비트 PCM 코드가 "111"일 때, 변환된 온도계 코드는 "01111111"이며, 이 코드는 변환기 어레이의 7개 소자는 온 되고, 잔여 1개 소자만이 오프되게 제어하는데 사용된다.
동적 미스매치-쉐이퍼(7)는 온도계 코더(6)의 출력단과 서로 연결되며, 어레이 소자 간의 주파수 반응차로 일어나는 비선형 조화파 왜곡 성분을 제거한다. 동적 미스매치-쉐이퍼(7)는 비선형 조화파 왜곡 성분 최소의 최적화 준칙(criteria)에 따라 8비트 온도계 코드에 대해 배열을 진행하여 8개 변환기 어레이 소자의 코드 분배 방식 결정하며, 도 7에 도시된 바와 같이, 온도계 코드가 "00001111"일 때, 동적 미스매치-쉐이퍼를 통해 순서대로 배열한 후, 변환기 어레이 소자 1, 4, 5, 7에 코드 "1"을 분배하고, 변환기 어레이 소자 2, 3, 6, 8에 코드 "0"을 분배하기로 결정하여, 이 분배 방식에 따라, 변환기 어레이 소자 1, 4, 5, 7은 온되고, 변환기 2, 3, 6, 8은 오프되므로, 이 코드 분배 방식에 따라 변환기 어레이의 스위치 제어를 진행하면, 어레이 발사 음장이 합성하는 신호 중에 최소의 조화파 왜곡 성분이 포함되게 된다. 본 실시예에서, 동적 미스매치-쉐이퍼는 VFMS 알고리즘을 채용하며, 그 신호 처리 흐름은 도 8에 도시된 바와 같으며, 그 중 굵은 선은 N차원 벡터를 표시하며, 가는 선은 스칼라를 나타내며, 입력 신호 V는 Σ-Δ 변조기와 온도계 코더를 거쳐 처리된 후의 N차원 코드 벡터이며, 이 코드 벡터 중에는
Figure 112014045451176-pct00028
개의 "1" 상태와
Figure 112014045451176-pct00029
개의 "0" 상태를 포함하며, 출력 신호 SV는 미스매치-쉐이핑을 거쳐 처리된 후의 N차원 벡터이며, 미스매치-쉐이핑 처리를 통해, 출력 벡터의 "1" t상태와 "0"상태의 터에서의 배열 순서는 조정되나, "1"상태와 "0"상태의 수량은 여전히 변하지 않으며, 또한 벡터 중의 각 원소는 어레이 중의 상응하는 어레이 소자 채널을 제어하여, 그 상태에 따라 온/오프 조작을 수행한다. 유닛 선택 모듈은 어떠한 선택 책략을 통해 주파수 반응차로 인해 발생하는 오차가 스펙트럼에서 비교적 양호한 쉐이핑 효과를 얻을 수 있음을 보증하며,
Figure 112014045451176-pct00030
모듈은 N차원 벡터 중 수치가 최소인 원소를 선택하고 동시에 그것을 버리는 것을 표시하며,
Figure 112014045451176-pct00031
모듈 조작을 통해 획득하는 스칼라 원소는
Figure 112014045451176-pct00032
이며,
Figure 112014045451176-pct00033
는 미스매치-쉐이핑 함수이며, 그의 일반적인 포맷은
Figure 112014045451176-pct00034
이며, M은 차수(order)이며, 본 실시에서 채용하는 미스매치-쉐이퍼 차수는 2차이다. 도 8의 신호 처리 순서도에 따라, 미스매치-쉐이핑 처리 후의 출력 벡터 표현식은 다음과 같이 획득될 수 있다:
Figure 112014045451176-pct00035
여기서
Figure 112014045451176-pct00036
이다. 만약 N차원 벡터
Figure 112014045451176-pct00037
가 어레이 각 유닛 간의 불일치 오차를 표시하고,
Figure 112014045451176-pct00038
의 모든 원소의 합이 "0"이라면, 스피커 어레이에 의해 공간 임의 위치점에서 각 어레이 소자의 출력 음장의 중첩을 통해 획득된 어레이의 출력 음성 신호의 표현식은 다음과 같다:
Figure 112014045451176-pct00039
어레이의 출력 음성 신호의 표현식에서,
Figure 112014045451176-pct00040
정형 함수는 어레이 오차
Figure 112014045451176-pct00041
에 대해 쉐이프 처리를 수행하며, 비교적 양호한 미스매치-쉐이핑 함수
Figure 112014045451176-pct00042
를 선택하기만 하면, 어레이 오차
Figure 112014045451176-pct00043
에 대한 비교적 양호한 쉐이핑 효과를 획득할 수 있다. FPGA 칩 내부에서, 동적 미스매치-쉐이퍼를 통해 처리한 후, 원 Σ-Δ 코드 신호에 존재하는 조화파 성분은 밴드 밖의 고주파 섹션으로 밀려나, 밴드 내 음원 신호의 음질 수준을 개선시킨다.
추출 선택기(8)는 동적 미스매치-쉐이퍼(7)의 출력단과 서로 연결되며, 각 채널의 쉐이핑 벡터로부터 디지트 추출 조작을 수행하며, 후단계의 전력 증폭기와 디지털 로드에 보내는데 사용된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각 채널은 미스매치-쉐이핑 처리를 거쳐 8-소자의 1진 코드 벡터를 발생하며, 추출 선택기(7)는 ith 채널은 쉐이핑 벡터 ith 디지트를 추출하는 규칙에 따라, 각 채널은 하나의 상응하는 디지트의 1진 코드 신호를 추출하여, 후단계 디지털 전력 증폭기의 입력 신호로 한다.
다채널 디지털 전력 증폭기(9)는 추출 선택기(8)의 출력단과 서로 연결되며, 본 실시예에서, 디지털 전력 증폭기 칩은 Ti사의 TAS5121의 디지털 전력 증폭기 칩을 사용하며, 그 칩의 반응 시간은 100ns로서, 무 왜곡 반응 1.4112MHz의 1진 코드 흐름 신호를 실현할 수 있다. 전력 증폭기의 입력단에는, 차분 입력 포맷(differential input format)을 채용하여, FPGA 내부에서, 동적 미스매치-쉐이핑이 보낸 출력 데이터를 하나는 바로(directly) 출력하고, 다른 하나는 반대로(inversely) 출력하여, 두 경로의 차분 신호를 형성하여, TAS5121의 차분 입력단에 보내며; 전력 증폭기의 출력단에도, 동일하게 차분 출력 포맷을 채용하여, 두 경로의 차분 신호를 직접 단일 변환기의 어레이 소자 채널의 포지티브 및 네가티브 리드선에 인가한다.
디지털 어레이 로드(10)는 다채널 디지털 전력 증폭기(9)의 출력단과 서로 연결된다. 본 실시예에서, 디지털 로드 유닛은 HuiWei사가 생산한 B2S의 풀 주파수 밴드의 스피커 유닛을 채용하며, 그 유닛의 주파수 밴드 범위는 270Hz ~ 20KHz이고, 감도(2.83V/1m)는 79dB이며, 최대 출력은 2W이고, 규정 저항은 8Ω이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 디지털 로드는 8-소자 스피커 어레이로서, 어레이는 8개 상기 스피커 유닛이 선형 어레이 방식에 따라 배열되며, 어레이 소자의 간격은 4cm이고, 각 스피커 유닛은 하나의 디지털 채널과 대응한다.
자유 공간(free space)에서, 스피커 어레이와 마이크로폰 유닛의 배치가 도 11과 도시된 바와 같다고 가정하고, 시뮬레이션 실험 방법에 따라, 디지털 스피커 시스템 장치에 주파수 범위 100Hz ~ 20KHz의 스윕(swept) 신호를 입력한다고 가정하여, 스피커 어레이 축선으로부터 1미터 떨어진 위치에서 시스템의 주파수 응답 특성을 관찰한다. 도 12는 등화 인가 전후, 축선으로부터 1미터 떨어진 거리에서 시스템 주파수 반응의 크기 스펙트럼 그래프 대비표를 나타내며, 등화기를 적용하기 전에, 시스템 주파수 반응의 크기 스펙트럼은 2KHz ~ 20KHz의 범위 내에서 아주 명백한 하강 추세가 존재하며, 주파수가 2KHz에서 20KHz로 증가함에 따라, 시스템 주파수 반응의 크기 스펙트럼은 65dB에서 45dB로 하강하여, 20dB의 크기 차이가 존재한다; 등화기를 적용한 후, 시스템 주파수 반응의 크기 스펙트럼은 2KHz ~ 20KHz의 범위 내에서 57dB 부근을 계속 유지하여, 아주 평탄한 스펙트럼 특성을 나타내어, 시스템의 합성 신호(synthetic signal)의 리얼 복원을 보장한다. 등화 결과에 근거하여 알 수 있듯이, 추출 선택의 다채널 비트 정보 합성 방식을 채용하여, 유효하게 각 채널의 등화기 응답 정보를 승계할 수 있어, 각 채널의 주파수 응답 평탄성을 보장한다.
채널 등화의 디지털 스피커 어레이 시스템에 기반하여, 각 채널 음성 밴드 내의 주파수 반응 변동을 유효하게 제거할 수 있으며, 또한 채널 간의 주파수 반응차를 교정하여, 시스템이 원하는 공간 구역 내에서 아주 평탄한 시간 도메인 주파수 반응 특성을 보장하여, 모든 채널의 공간 합성 신호의 스펙트럼이 원시 음원 신호의 리얼 스펙트럼을 복원할 수 있게 보장하며, 디지털 리플레이 시스템이 원래 음원의 음장 효과를 리얼하게 재현하는 것을 보장한다. 그 밖에, 각 채널 음성 밴드 내 주파수 반응 변동의 제거를 통해, 자체 적응 공간 도메인 어레이 빔 형성 알고리즘이 보다 빠른 수렴 속도와 비교적 양호한 응용성을 구비하는 것을 보장한다.
자유 공간에서, 여전히 도 11에 표시된 스피커 어레이 배열 방식에 따라, -60도, 0도 및 -30도의 3가지 예정된 빔 메인 로브(lobe) 방향에 따라, 어레이 빔 제어의 시뮬레이션 실험을 진행하며, 3가지 경우의 어레이 로브 폭을 20도로 설정한다. 도 13은 3가지 예정 방향 경우에 어레이의 공간 도메인 패턴을 나타내며, 이들 그래프를 관찰하면, 어레이의 빔 메인 로브가 예정 방향을 지향하며, 빔 폭이 원하는 요구에 도달하였으며, 메인 로브 크기 차이 값이 15dB에 도달함을 알 수 있으며, 이들 어레이 빔 제어 결과에 따라, 추출 선택을 채용한 다채널 정보 합성 방식이 빔 형성기가 각 채널에 로딩하는 크기와 위상 조정 정보를 유효하게 계승할 수 있음을 알 수 있어, 어레이의 빔 지향성 제어를 실현한다. 이러한 추출 선택 방식의 디지털 어레이 빔 형성 방법은 복잡한 환경에서 디지털 어레이의 공간 도메인 지향성 능력을 유효하게 개선시킬 수 있으며, 디지털 어레이 특수 음장(예를 들면, 3D 스트레오 음장, 가상 서라운드 음장, 지향성 음장 등)의 효과의 생성에 신뢰성 있는 실험 경로를 제공한다.
이상의 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 제한하는 것은 아니다. 비록 실시예를 참고하여 본 발명에 대해 상세한 설명을 행하였지만, 본 영역의 보통 기술자는 본 발명의 기술방안에 대해 수정 또는 균등 치환을 행하여, 본 발명의 청구범위를 커버할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (25)

1) 신호를 PCM 코딩에 기반한 디지털 신호로 변환하는, 디지털 포맷 변환 단계;
2) 채널 등화 처리 단계;
3) 빔 형성 제어 단계;
4) 멀티 비트 Σ-Δ 변조 단계;
5) 비트 폭이 M인 로우 비트 PCM 코드 신호를 2M 개 채널에 대응하는 디지털 전력 증폭기와 변환기 로드의 1진 코드 벡터(unary code vector)로 변환하는, 온도계 코드 변환 단계;
6) 온도계 코드 벡터에 대해 재배열을 진행하는, 동적 미스매치-쉐이핑(dynamic mismatch-shaping) 처리 단계;
7) 디지털 전력 증폭기로 보내 로드가 소리를 내도록 구동하는, 채널 정보 추출 단계;를 포함하며,
단계 3)의 빔 형성 제어에서, 빔 형성기의 채널 가중 계수는 통상의 빔 형성의 설계 방법에 따라 계산을 행하며, 계산 공식은 식 (1)이며:
Figure 112016056907312-pct00064
식 (1)
여기서, a(θ)는 공간 도메인의 조정 벡터로서,
Figure 112016056907312-pct00065
이며, N은 어레이 소자의 수량을 표시하며, D(θ)는 원하는 공간 도메인의 빔 형상으로서,
Figure 112016056907312-pct00066
인,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 1)의 디지털 포맷을 아날로그 신호로 변환할 때는; 먼저 모듈 변환 조작을 통해, PCM 코딩의 디지털 신호로 변환하고, 그런 다음 지정 비트 폭과 샘플링 레이트의 파라미터 요구에 따라 변환을 행하여, 파라미터 요구를 만족하는 PCM 코드 신호로 변환하는 것을 포함하는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 1)의 디지털 포맷을 디지털 신호로 변환할 때는; 지정 비트 폭과 샘플링 레이트의 파라미터 요구에 따라 변환을 진행하여, 파라미터 요구를 만족하는 PCM 코드 신호로 변환하는 것을 포함하는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 2)의 채널 등화 처리에서, 등화기의 파라미터는 측정 및 계산에 따라 획득되는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
단계 4)의 멀티 비트 Σ-Δ 변조에서, 그 처리 과정은, 먼저 보간 필터를 통해, 등화 처리 후의 하이-비트 PCM 코드를 지정된 오버 샘플링 인수에 따라 보간 필터링 처리를 수행하여, 오버 샘플링의 PCM 코드 신호를 획득하고; 그런 다음 Σ-Δ 변조 처리를 수행하여, 음성 밴드 폭 범위 내의 노이즈 에너지를 음성 밴드 밖으로 밀어내어, 원 하이-비트 PCM 코드를 로우 비트 PCM 코드로 변환하는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 4)의 멀티 비트 Σ-Δ 변조는, 고차 단단 직렬 변조 방법(higher-order single-stage serial modulation method) 또는 다단 병렬 변조 방법(multi-stage parallel modulation method)을 채용하며, 보간 필터가 출력하는 오버 샘플링 신호에 대해 노이즈 쉐이핑 처리를 수행하여, 노이즈 에너지를 음성 밴드 밖으로 밀어내는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 5)의 상기 1진 코드 벡터의 각 디지트의 코드는 상응하는 디지털 채널로 보내며, 상기 각 디지트의 코드는 임의 시각에 "0"과 "1"의 2 레벨 상태를 가지며, "0" 상태 시 변환기 로드는 오프되고, "1" 상태 시 변환기 로드는 온 되는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 6)의 동적 미스매치-쉐이핑 처리는, DWA, VFMS 및/또는 TSMS 쉐이핑 알고리즘을 채용하며, 어레이 요소 간의 주파수 반응차로 인입되는 비선형 조화파 왜곡 스펙트럼에 대해 조작을 행하여, 밴드 내의 조화파 왜곡 성분의 강도를 낮추고, 그 출력을 밴드 밖의 고 주파수 섹션으로 밀어내는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 7)의 채널 정보 추출은, 각 채널에 대해 코드 정보 분배 조작을 행하며, 그 신호 처리 과정은, 먼저 각 채널의 동적 미스패치 쉐이퍼가 동적 미스매치-쉐이핑 처리를 행하고, 쉐이프 처리 후, 비트 차수가 갱신된 쉐이핑 벡터를 획득하며; 그런 다음 특정의 추출 선택 기준에 따라, 각 채널의 쉐이핑 벡터의 2 M 개 디지트에서, 하나의 지정된 디지트 코드를 선택하여 그 채널의 출력 코드로 하며, 정보의 완전한 복원을 위해, 각 채널이 선택한 디지트 차수는 중복이 존재해서는 아니되며, 또한 모든 2 M 개 채널이 선택한 디지트 차수는 1에서 2 M 개의 디지트 차수를 완전히 포함하는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 10에 있어서,
채널 정보 추출 선택 과정에서, No. i 채널은 그 쉐이핑 벡터 중 No. i 디지트 코드 정보를 선택하는 간단한 규칙에 따라 디지트 선택 조작을 행하는,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
단계 7)의 상기 로드는 복수의 스피커 유닛으로 구성된 디지털 스피커 어레이이거나, 복수의 보이스 코일 와인딩(voice-coil winding) 스피커 유닛이거나, 또는 복수의 멀티 보이스 코일 스피커 유닛으로 구성된 디지털 스피커 어레이인,
디지털 스피커 어레이 시스템의 채널 등화와 빔 제어 방법.
시스템에서 플레이를 대기하는 정보인 음원(1);
상기 음원(1)의 출력단과 서로 연결되며, 입력 신호를 비트 폭이 N, 샘플링 레이트가 fs 인 하이-비트 PCM 코드 신호로 변환하는 디지털 변환기(2);
상기 디지털 변환기(2)의 출력단과 서로 연결되어, 각 채널 주파수 반응에 대해 역 필터링 등화 조작을 수행하여, 채널 주파수 반응의 밴드(band) 내 변동을 제거하는 채널 등화기(3);
상기 채널 등화기(3)의 출력단과 서로 연결되며, 스피커 어레이 빔의 공간 도메인 발사 형상(spatial domain emitting shape)을 제어하여, 3D 스테레오 음장(stereo sound field), 가상 서라운드 음장(virtual surround sound field), 지향성 음장(directional sound field) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 음장 분포 특성(sound field distribution characteristic)을 생성하여, 특수 음향 효과 플레이의 목적을 달성하는 빔 형성기(4);
상기 빔 형성기(4)의 출력단과 서로 연결되며, 오버 샘플링 보간 필터링(over-sampling interpolation filtering) 및 멀티 비트 Σ-Δ 코드 변조 처리를 완성하여, 비트 폭이 감소된 로우 비트 PCM 코드 신호를 획득하는 Σ-Δ 변조기(5);
상기 Σ-Δ 변조기(5)의 출력단과 서로 연결되며, 로우 비트 PCM 코드 신호를 시스템 디지털 채널 수와 서로 같은 1진 벡터로 변환하여, 디지털 채널 스위치의 제어 벡터로 사용하는 온도계 코더(6);
상기 온도계 코더(6)의 출력단과 서로 연결되며, 어레이 소자 간 주파수 반응차로 인입되는 공간 도메인 합성 신호(spatial domain synthetic signal)의 비선형 조화파 왜곡 성분(nonlinear harmonic distortion component)을 제거하여, 음성 밴드 내 조화파 왜곡 성분의 강도를 낮추고, 이들 조화파 성분의 출력을 밴드 밖의 고 주파수 섹션으로 밀어내어, 밴드 내의 조화파 왜곡 강도를 감소하고, 코드 신호의 음질 수준을 개선시키는 동적 미스매치-쉐이퍼(7);
상기 동적 미스매치-쉐이퍼(7)의 출력단과 서로 연결되며, 각 채널의 쉐이핑 벡터에서, 특정의 디지털 코드 신호를 추출하여, 그 채널의 온/ 오프 동작을 수행하는 제어 신호로 사용하는 추출 선택기(8);
상기 추출 선택기(8)의 출력단과 서로 연결되며, 각 채널의 제어 코드 신호에 대해 출력의 증폭을 진행하며, 후단계 디지털 로드를 구동하여 온/오프를 수행하는 다채널 디지털 전력 증폭기(9); 및
상기 다채널 디지털 전력 증폭기(9)의 출력단과 서로 연결되며, 전기 음향 변환(electro-acoustic conversion)을 완성하여, 디지털화된 스위치 전기 신호를 아날로그 포맷의 공기 진동 신호(air vibration signal)로 변환하는 디지털 어레이 로드(10);를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 빔 형성기는 아래 공식 식 (1)을 활용한 통상의 빔 형성 방법에 의하여 계산된 채널 가중 계수를 사용하며,
Figure 112016056907312-pct00067
식 (1)
여기서, a(θ)는 공간 도메인의 조정 벡터로서,
Figure 112016056907312-pct00068
이며, N은 어레이 소자의 수량을 표시하며, D(θ)는 원하는 공간 도메인의 빔 형상으로서,
Figure 112016056907312-pct00069
인,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
음원(1)은 아날로그 신호 또는 디지털 코드 신호인,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
디지털 변환기(2)는 아날로그-디지털 변환기, USB, LAN, COM 중 어느 하나의 디지털 인터페이스 회로 및 인터페이스 프로토콜 절차를 포함하는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
채널 등화기(3)는 시간 도메인 또는 주파수 영역에서 역 필터링의 반응 파라미터에 따라 등화 조작을 수행하여, 각 채널 음성 밴드 내의 주파수 반응 변동을 제거하며, 또한 각 채널의 주파수 반응차를 교정하는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
빔 형성기(4)는 설계된 가중 벡터를 이용하여, 각 채널의 전송 신호에 대해 가중 처리를 수행하여, 그 크기 및 위상 정보를 조정하는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
Σ-Δ 변조기(5)의 신호 처리 과정은, 먼저 원 비트 폭이 N, 샘플링 레이트가 f s 인 PCM 코드를 오버 샘플링 인자
Figure 112014045451176-pct00047
에 따라 오버 샘플링의 보간 필터링 처리를 수행하여, 비트 폭이 N, 샘플링 레이트가
Figure 112014045451176-pct00048
인 PCM 코드 신호를 획득하고; 그런 다음 멀티 비트 Σ-Δ 변조 방식에 따라, 비트 폭이 N인 오버 샘플링 PCM 코드 신호를 비트 폭이 M (M<N)인 로우 비트 PCM 코드 신호로 변환하는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
Σ-Δ 변조기(5)는, 고차 단단 직렬 변조기 구조 또는 다단 병렬 변조기 구조에 따라, 보간 필터가 출력한 오버 샘플링 신호에 대해 노이즈 쉐이핑(noise shaping) 처리를 행하여, 노이즈 에너지를 음성 밴드 밖으로 밀어내는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
온도계 코더(6)는 비트 폭이 N인 로우 비트 PCM 코드 신호를
Figure 112014045451176-pct00049
개 채널에 대응하는 디지털 전력 증폭기 및 변환기 로드의 1진 코드 신호 벡터로 변환하며, 1진 코드 벡터의 각 디지트 코드 정보는 대응하는 디지털 채널로 할당되어, 변환기 로드를 신호 코드 흐름에 실어, 변환기 로드의 디지털 코딩 및 디지털 스위치에 대해 제어를 실현하는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
동적 미스매치-쉐이퍼(7)는 DWA, VFMS, 및/또는 TSMS 쉐이핑 알고리즘을 채용하여, 어레이 소자 간 주파수 반응차에서 인입되는 비선형 조화파 왜곡 스펙트럼에 대해 쉐이핑 조작을 수행하여, 밴드 내 조화파 왜곡 성분의 강도를 낮추며, 그 출력을 밴드 밖 고 주파수 섹션으로 밀어내어, 밴드 내의 조화파 왜곡 강도를 낮추는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
추출 선택기(8)는 특정의 추출 규칙에 따라, 2 M 개 디지털 채널의 각 채널 쉐이핑 벡터에서, 하나의 디지트 정보를 획득하여, 그 채널의 출력 코드 정보로 하여, 후단계의 변환기 로드를 제어하여 온/오프 동작을 수행하는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
다채널 디지털 전력 증폭기(9)는 추출 선택기(8)가 출력하는 스위치 신호를 풀 브릿지 전력 증폭 회로의 MOSFET 그리드 단으로 보내, MOSFET의 온/오프 제어를 통해, 출력 전원에서부터 로드까지 전원을 공급하는 온/오프를 제어하는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13에 있어서,
디지털 어레이 로드(10)는, 복수의 스피커 유닛으로 구성되는 디지털 어레이로, 그의 각 디지털 채널은 하나 또는 복수의 스피커 유닛으로 구성되거나; 또는 복수의 보이스 코일의 스피커 유닛으로, 그의 각 디지털 채널은 하나 또는 복수의 보이스 코일로 구성되거나; 또는 복수의 보이스 채널 스피커로 구성되는 어레이로, 그의 각 디지털 채널은 복수의 보이스 코일과 복수의 스피커 유닛으로 조합되어 형성되는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
청구항 13 또는 청구항 24에 있어서,
디지털 어레이 로드(10)의 어레이 형상은, 변환기 유닛 수량 및 실제 응용 필요에 따라 배열되는,
채널 등화와 빔 제어 기능을 구비한 디지털 스피커 어레이 시스템 장치.
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