KR102001778B1 - 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법에 관한 것이다. 개시된 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법은, 일반스피커의 기능과 초음파 신호변조 생성을 하는 소프트웨어를 포함하는 프로세서 및 상기 프로세서에서 변조된 신호를 수신하여 실시간으로 재생할 수 있는 중간장치를 포함하는 앰프를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 기존 Amp보다 저렴하고 크기가 작아 원가 감소와 어플리케이션의 다변화를 제공하고, 보다 직관적이고 접근이 용이한 주파수역에서의 설정 및 처리와 더불어 이를 게인 단일화를 통해 처리속도를 개선하는 알고리즘을 구현할 수 있는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공할 수 있다는 이점이 있다.

Description

개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법{Advanced Ultrasonic Ultra Directional Speaker System and Frequency Modulation Processing Method thereof}
본 발명은 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형화, 저전력, 사용자의 설정의 편의성을 제고한 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시 예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
초지향성 스피커는 빛처럼 소리를 조준해 보냄으로써 특정 지역에서만 소리를 들을 수 있도록 만든 스피커로서, 전시회장이나 버스정류장은 물론 시각장애인을 위한 안내시스템 등 활용범위가 무궁무진하다. 초지향성 스피커는 소리신호를 변조한 후 초음파 신호에 실어 전달하는 특수용 스피커이다. 소리전달거리는 최대 300m로 일반스피커에 비하여 훨씬 멀다.
초음파란 음향 진동의 일종으로 사람이 들을 수 있는 범위 이상의 음파를 말한다. 가청 범위는 사람마다 다르지만 보통의 사람이 들을 수 있는 주파수는 20Hz에서 20,000Hz 정도이다. 따라서 초음파 기술에서는 보통 20,000Hz 이상의 주파수를 갖고있는 음파를 초음파라고 부른다.
초음파는 사람이 들을 수 있는 가청범위를 벗어나는 주파수 영역이기 때문에 전혀 들리지가 않는다. 그러나 초음파 빔이 공간을 통과할 때 공간의 고유속성(비선형성)에 의해 이 초음파는 예측 가능한 방향으로 왜곡되는 성질을 가지고 있다. 이러한 왜곡은 가청대역의 주파수 성분으로 바뀔 수가 있는데 이를 정확히 예측하여 정밀하게 조정하면 초지향성 스피커로 이용할 수 있게 된다.
초음파 스피커는 가청대역 이상의 초음파로부터 가청대역의 오디오 신호를 재생시키는 장치로, 초음파와 음파의 합성에 의한 첨단음향 소자이다.
초음파가 가지는 직진성과 초음파 트랜스듀서가 가지는 평탄한 주파수 대역특성과 음향에너지 변환이 고효율이며, 고조파에 의한 음질저하가 없다. 또한 종래 스피커와 같은 기계적 공진에 의한 저역재생 대역의 한계가 없고, 스피커 시스템으로서 인클로저가 불필요하므로 종래의 스피커 시스템에 비해 음질향상과 대역특성의 향상, 고능률화가 가능하다. 더불어 전체 가청음역을 손쉽게 발생시킬 수 있는 장점과 특정 방향으로의 지향형이 매우 커 다양한 IT 분야에 적용이 가능하다.
이러한 장점을 결합한 종래 기술에 따른 초음파 초지향성 스피커는 일반 스피커의 기능뿐만 아니라 초음파 영역으로의 디지털변조 및 증폭을 위한 추가 기능이 앰프(Amplifier)에 탑재되는 것이 필요하다. 소자기술 발달과 디지털 기술의 발달로 스피커와 Amp의 저전력 구동 및 소형화가 요구된다. 스피커(소자)는 소자기술 발달로 저전력 구동 및 소형화가 가능하나, 종래 기술에 따른 앰프에서는 새로운 하드웨어(H/W) 아키텍처가 필요하며 이를 위해서 하드웨어(H/W) 상의 기존 앰프의 기능, 디지털 변조와 증폭 기능의 축소가 요구된다.
한편, 초음파 초지향성 스피커는 48kHz의 음원을 초음파 영역(40kHz 캐리어)의 변조 신호를 송출해야 한다. 이를 위하여는 480kHz(48kHz x 10배, 40kHz x 8배)이상의 변조 신호를 송출해야 함에, 음원의 Oversampling 및 변조 연산이 필요하며, 시간영역에서의 연산을 각각의 Oversampling용 및 변조용(Hilbert Transform) Convolution 과 더불어 기존의 Equalizer용 Recursive Digital Filter가 서로 얽혀 있다.
그러나, 종래기술에 따른 시간영역에서의 설정 방식은 Recursive Digital Filter 파라미터, DRC(Dynamic Range Control) 게인 요소, Convolution 파라미터 개수 등의 설정에 따라 음질의 특성이 다르게 나타날 수 있고, 더불어 서로 엉켜 있어서 파라미터의 영향을 예측하기에는 비전문가인 일반인에게 더욱 어려워 음원의 튜닝이 상당히 어렵다.
이에, 본 발명에서는, 전술한 기술적 제약을 해소시킬 수 있는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법를 제안하고자 한다.
한국등록특허 제10-0622078호, 2006년 9월 1일 공개(명칭: 초지향성 스피커 시스템 및 신호처리 방법) 한국등록특허 제10-1074431호, 2011년 10월 11일 공개(명칭: 초지향성 초음파 스피커 시스템) 한국등록특허 제10-1833892호, 2018년 2월 23일 공개(명칭: 압전 멤스 기반 초지향성 라우드 스피커 및 이의 빔 조향 방법)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 기존 Amp보다 저렴하고 크기가 작아 원가 감소와 어플리케이션의 다변화(유연성)를 제공할 수 있는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 보다 직관적이고 접근이 용이한 주파수역에서의 설정 및 처리와 더불어 이를 게인(Gain) 행렬 단일화를 통해 처리속도를 개선하는 알고리즘을 구현할 수 있는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상은, 일반스피커의 기능과 초음파 신호변조 생성을 하는 소프트웨어를 포함하는 프로세서; 및 상기 프로세서에서 변조된 신호를 수신하여 실시간으로 재생할 수 있는 중간장치를 포함하는 앰프를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 일 양상은, 소스신호를 DFT(Discrete Fourier Transform) 혹은 FFT(Fast Fourier Transform) 행렬을 통한 주파수 분석을 하여 특정 주파수의 Gain을 조절하는 대각행렬로 나타내는 단계; 상기 소스신호를 DFT 상수 행렬의 구성요소에 따라 HFT(Hilbert Fourier Transform) 상수 행렬로 나타내는 단계; 이퀄라이저 및 필터를 주파수 특성 설정에 따라 대각 행렬로 나타내는 단계; 및 상기 이퀄라이저 및 필터를 거친 신호를 변조를 위하여 Sine Carrier 용 대각 상수 행렬과 Cosine Carrier 용 대각 상수 행렬의 곱과 합/차로 나타내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템을 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 양상은, 일반스피커의 기능과 초음파 신호변조 생성을 하는 소프트웨어를 포함하는 프로세서; 및 상기 프로세서에서 변조된 신호를 수신하여 실시간으로 재생할 수 있는 중간장치를 포함하는 앰프를 포함하고, 상기 변조신호를 DFT 및 IDFT를 통한 주파수 분석을 통하여 하나의 통합 게인(Unified Gain) 행렬로 계산하는 것을 특징으로 하는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템을 제공한다.
본 발명의 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법에 의하면, 기존 앰프보다 저렴하고 크기가 작아 원가 감소와 어플리케이션의 다변화(유연성)를 제공할 수 있는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 보다 직관적이고 접근이 용이한 주파수역에서의 설정 및 처리와 더불어 이를 게인 단일화를 통해 처리속도를 개선하는 알고리즘을 구현할 수 있는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 SoC 및 아날로그 입력 증폭기를 사용한 일반 스피커 드라이버 구성을 예시한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 휴대폰 내 디지털 스피커의 개선이 있는 스피커 드라이버 구성을 예시한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 외부 DAC를 사용한 스피커 드라이버 구성을 예시한 도면이다.
도 4는 일반적인 초음파 초지향성 스피커의 구성을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중간장치를 포함하는 개선된 초지향성 스피커의 구성을 예시한 도면이다.
도 6a는 종래 기술에 따른 일반 스피커의 DRC 기능을 예시한 도면이다.
도 6b는 종래 기술에 따른 일반 스피커의 필터 및 이퀄라이저 기능을 예시한 도면이다.
도 7은 종래 기술을 이용한 초음파 초지향성 스피커용 192kHz 신호 생성을 위한 Oversampling Convolution 처리를 예시한 도면이다.
도 8은 종래 기술에 따른 초음파 초지향성 스피커용 40kHz 변조를 위한 Hilbert Transform용 Convolution처리를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초지향성 스피커 시스템의 주파수 영역에서의 변조 처리방법을 예시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초지향성 스피커 시스템의 주파수 영역에서의 변조 처리시 파형을 예시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간장치를 포함하는 개선된 초지향성 스피커 시스템을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 살펴보기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 SoC 및 아날로그 입력 증폭기를 사용한 일반 스피커 드라이버 구성을 예시한 도면이다.
디지털 휴대폰 스피커의 경우 일반적으로 가지는 구성으로, DAC(Digital-Analog Converter)가 20~20kHz인 가청주파수 영역의 신호만을 재생할 수 있어서 초음파 초지향성 스피커에 적용하기에는 부적합하다.
도 2는 종래 기술에 따른 휴대폰 내 디지털 스피커의 개선이 있는 스피커 드라이버 구성을 예시한 도면이다.
디지털 휴대폰을 예로 들었으나, 프로세서에서 DAC를 탑재하고 스피커 드라이버에서 ADC, DSP, DAC를 탑재한 유사한 가전에서 볼 수 잇는 구성이다.
도 3은 종래 기술에 따른 외부 DAC를 사용한 스피커 드라이버 구성을 예시한 도면이다.
외부 DAC를 사용함으로써 프로세서에 DAC가 필요없고, 스피커 드라이버에는 ADC가 불필요하게 최적화된 구조이다.
도 4는 일반적인 초음파 초지향성 스피커의 구성을 예시한 도면이다.
초음파 지향성 스피커도 동일하게 도 2 및 도 3과 같이 시스템을 구현할 수 있다. 즉, 도 4와 같이 구현할 수 있으나 스피커(소자)는 소형화됨에 따라 Amp(H/W, Speaker Driver)는 기존 일반스피커 기능은 BPF(Band-pass Filter), DRC(Dynamic Range Control), EQ(Equalizer)는 물론, 초음파 신호로의 변조인 MOD(Modulator) 기능 역시 구현되어짐에 따라 기존 일반 스피커보다 부피가 더욱 커질 수 있다.
스피커(소자)는 소자기술 발달로 저전력 구동 및 소형화가 가능하나 기존 Amp에서는 새로운 하드웨어(H/W) 아키텍처가 필요하며 이를 위해서 하드웨어(H/W) 상의 기존 Amp의 기능, 디지털 변조와 증폭 기능의 축소가 요구되어진다.
이에 따라, Amp의 주요 기능을 소프트웨어(S/W, DSP)로 처리하여 스피커(소자)와 바로 연결할 수 있으며 소형화, 편의성, 유연성 및 경제성을 달성할 수 있다.
초음파 스피커는 40kHz 이상의 신호로 변조가 필요하며 이를 위해서는 DAC가 최소 480kHz 이상의 샘플링 주파수가 필요하나, 일반 가전(노트북, 모바일 등)에서는 경제성 등으로 480kHz 이상의 DAC(Digtal to Analog Converter) Chip이 탑재되어 있지 않다.
따라서, 초음파 신호로의 변조 기능 구현과 기존 Amp의 소형화를 위해서 디지털 변조 및 신호발생을 위한 중간장치(Middleware & Middle Device)가 필요하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중간장치를 포함하는 개선된 초지향성 스피커의 구성을 예시한 도면이다.
프로세서(100)는 소프트웨어, 디지털 신호처리(DSP)로 처리하며, 일반 스피커 기능을 처리하는 일반코어(General Core,110)와 초음파 신호 및 디지털 신호 스트림(Stream)을 처리할 수 있는 미들웨어(Middleware(Ultrasonic Core),120)로 구성된다.
앰프(200), 즉, 디지털 휴대폰 등에서는 스피커 드라이버는 디지털 신호 데이터를 수신하여 실시간으로 PWM(Pulse Width Modulation, 혹은 DAC)으로 생성해주는 중간장치(Middle Device, 210)를 포함한다.
본 발명에 따른 스피커 시스템은 프로세서(100)에서 일반 스피커 기능과 더불어 초음파 신호 변조 생성 부분을 소프트웨어로 구현을 하고, 하드웨어부분인 앰프(200)에서는 이를 재생할 수 있는 중간장치(210)를 하드웨어 요소를 소형화 및 저가화하였기 때문에, 기존 앰프보다 저렴하고 크기가 작아 원가 감소와 어플리케이션의 다변화(유연성)을 제공할 수 있다.
한편, 미들웨어(120)에서 초음파 신호 변조 생성과정에서 “변조 및 복조” 혹은 일반 음원을 디지털 신호 데이터로 변경해주면 일반 스피커에 적용이 가능한데, 더불어 좌/우를 나누어 한쪽은 일반스피커로, 다른 한쪽은 초음파 초지향성 스피커로 연결하여 동시 재생하는 것이 가능하다.
도 6a는 종래 기술에 따른 일반 스피커의 DRC 기능을 예시한 도면이다.
도 6b는 종래 기술에 따른 일반 스피커의 필터 및 이퀄라이저 기능을 예시한 도면이다.
도 6a는 기존 일반 스피커의 기능으로 DRC(Dynamic Range Control)를 도 6b에서는 이퀄라이저(Equalizer) 및 필터 기능을 도시하였다. DRC의 경우에는 이전 상태의 음원 진폭의 파워를 리커시브(Recursive)하게 게인(Gain) 조절을 수행하게 되어 있다. 더불어 이퀄라이저 및 필터는 2차 디지털 시스템으로 결과의 1~2 샘플 이전의 출력값과 1~2 샘플 이전의 입력, 현재의 입력으로 현재의 출력이 나오게 되어 있다.
밴드패스필터(Band-pass Filter), 로우패스필터(Low-pass Filter), 하이패스필터(High-pass Filter), EQ 등의 최소 7개(BPF(1개), EQ(5개), LPF(1개))의 필터가 통과되게 된다. 대략적으로 14개 샘플 전의 입력과 출력의 신호 데이터가 존재하게 된다.
도 7은 래 기술을 이용한 초음파 초지향성 스피커용 192 kHz 신호생성을 위한 오버샘플링 콘볼루션(Oversampling Convolution) 처리를 예시한 도면이다.
초음파 초지향성 스피커는 48kHz의 음원을 초음파 영역(40kHz 캐리어)의 변조 신호를 송출해야 한다. 사인(Sine) 파형의 기준으로 할 때 8~10개의 샘플링이 되어야 음원 형태가 유지가 되므로 음원 및 캐리어의 최대 주파수의 최소 8~10배 정수배에 해당하는 샘플링이 필요하다.
이를 위해서는 480kHz(48kHz x 10배, 40kHz x 8배) 이상의 변조 신호를 송출해야 함에, 음원의 오버샘플링(Oversampling) 및 변조 연산이 필요하다.
도 8은 종래 기술에 따른 초음파 초지향성 스피커용 40kHz 변조를 위한 힐버트 트랜스폼(Hilbert Transform) 용 콘볼루션(Convolution) 처리를 예시한 도면이다.
초음파 초지향성 스피커용 기능은 도 7의 오버샘플링용 콘볼루션과 도 8의 변조용 콘볼루션 처리가 필요하며, 연산 샘플 데이터 개수가 많아질수록 음질이 원형에 가까워진다.
오버샘플링의 경우에는 점들간의 평균 필터의 개념으로 왜곡 등이 있을 수 있다.
변조용 콘볼루션 시에 오버샘플링된 음원을 코사인 캐리어(Cosine Carrier)와의 연산 곱과 힐버트 트랜스폼(Hilbert Transform) 신호와의 사인 캐리어(Sine Carrier) 연산 곱으로 구해진다.
종래 기술에 따른 시간영역 디지털 신호처리 시에는 도 6a, 도6b, 도 7 및 도 8을 모두 거쳐야 최종 신호가 생성됨에 따라, 초기 지연은 물론 마지막에 잔향이 남게 된다
종래의 시간영역에서의 연산은 각각의 오버샘플링(Oversampling)용 및 변조용(Hilbert Transform) 콘볼루션(Convolution)과 더불어 기존의 이퀄라이저(Equalizer)용 리커시브 디지털 필터(rsive Digital Filter)가 서로 얽혀 있다.
리커시브 디지털 필터(Recursive Digital Filter) 파라미터, DRC(Dynamic Range Control) 게인 요소, 콘볼루션(Convolution) 개수 등의 설정에 따라 음질의 특성이 다르게 나타날 수 있고, 더불어 서로 엉켜 있어서 파라미터의 영향을 예측하기에는 비전문가인 일반인에게 더욱 어려워 음원의 튜닝이 어렵다.
본 발명에 따른 기술은 주파수 관점에서의 설정을 하고 모니터를 수행토록 함에 일반인도 쉽게 접근할 수 있도록 한다. 더불어 설정된 직관적인 파라미터 기준으로 각각의 선형행렬 게인을 최종으로 통합된 단일 게인 행렬로 처리알고리즘을 단순화하여 처리 속도를 개선이 가능하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초지향성 스피커 시스템의 주파수 영역에서의 변조 처리방법을 예시한 도면이다.
도 9에 도시된 주파수 처리 방식은 소스신호를 DFT(Discrete Fourier Transform, 혹은 FFT(Fast Fourier Transform) 행렬(상수)을 통한 주파수 분석을 하여 특정 주파수의 게인(Gain)을 조절하는 대각행렬로 나타나며, 이퀄라이저 및 필터 역시 주파수 특성 설정에 따라 대각 행렬로 나타날 수 있다. 힐버트 트랜스폼(Hilbert Transform)은 +/- 90도 Shift 된 것으로 DFT 상수 행렬의 구성요소에 따라 HFT(Hilbert Fourier Transform) 상수 행렬로 구현이 된다.
오버샘플링(Oversampling)의 경우 IDFT(Invert Discrete Fourier Transform) 행렬의 오버샘플링 행의 개수(10배)에 맞게 푸리에(Fourier) 계수로 정의한 상수 행렬로 주파수 특성을 그대로 살릴 수 있는 오버샘플링이 가능하다.
변조의 경우는 사인 캐리어(Sine Carrier) 용 대각 상수 행렬과 코사인 캐리어(Cosine Carrier) 용 대각 상수 행렬의 곱과 합 또는 차로 구해질 수 있다. 상기에 기술된 바와 같이 모두 상수 행렬 및 대각 행렬로써 주파수 영역 특성을 직관적으로 설정하면 하나의 통합 게인(Unified Gain)으로 표현될 수 있는 선형 처리 시스템으로써 초음파용, 일반용 등 좌(Left)/우(Right) 각각의 게인 행렬로 표현이 될 수 있다.
도 9에 도시된 바에 따르면 종래의 일반 스피커의 처리에 따른 시간영역 방식과는 달리 DFT와 IDFT 처리부가 존재하며 이에 따라 시간영역의 리커시브(Recursive) 한 부분이 주파수영역의 직관적 주파수 조절의 개념으로 변경된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초지향성 스피커 시스템의 주파수 영역에서의 변조 처리시 파형을 예시한 도면이다.
도 10의 STFT(Short-Time Fourier Transform)에서 보여주듯이 주파수 관점에서 모니터링이 가능하며 이를 기반으로 직관적인 주파수 조절을 할 수 있다.
주파수 조절 부분은 각각 기능의 파라미터로 설정이 되고, 수식을 기반으로 통합게인(Unified Gain) 행렬이 도출된다. 이 도출된 게인 행렬이 입력대비 출력신호를 낼 수 있는 오픈-루프(Open-Loop)의 시스템으로 작용할 수 있다.
한편, 특정 파라미터의 변수화를 통해, 특정 성능인 코스트(Cost) 함수를 정의하고 이를 최소화(Minimizing) 하는 피드백(Feedback) 시스템으로 확장이 가능하며 적응형 제어(Adaptive Control) 시스템처럼 특정 주파수의 음원을 다이나믹(Dynamic) 하게 조정이 가능하다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간장치를 포함하는 개선된 초지향성 스피커 시스템을 예시한 도면이다.
이는 도 9의 주파수 기반의 알고리즘을 도 5의 시스템에 적용하여 일반 스피커 처리기능 및 초음파 신호 변조 기능을 도 9에서와 같이 간략화된 통합게인(Unified Gain)으로 구현하여 시스템을 간단히 할 수 있으며, 더불어 이를 임베디드(Embedded)화 하여 초음파 지향성 스피커용 Amp 시스템(AUX →Amp)과 함께 Core를 공유할 수 있다.
본 명세서에 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법에 의하면, 기존 Amp보다 저렴하고 크기가 작아 원가 감소와 어플리케이션의 다변화를 제공하고, 보다 직관적이고 접근이 용이한 주파수역에서의 설정 및 처리와 더불어 이를 게인 단일화를 통해 처리속도를 개선하는 알고리즘을 구현할 수 있는 개선된 초음파 초지향성 스피커 시스템 및 이를 위한 주파수 변조 처리 방법을 제공하는 솔루션으로 활용 가능하다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.
100: 프로세서 110: 일반코어 120: 미들웨어
200: 앰프 210: 중간장치

Claims (11)

  1. 삭제
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  6. 소스신호를 DFT(Discrete Fourier Transform) 혹은 FFT(Fast Fourier Transform) 행렬을 통한 주파수 분석을 하여 특정 주파수의 게인(Gain)을 조절하는 대각행렬로 나타내는 단계;
    상기 소스신호를 DFT 상수 행렬의 구성요소에 따라 HFT(Hilbert Fourier Transform) 상수 행렬로 나타내는 단계;
    이퀄라이저 및 필터를 주파수 특성 설정에 따라 대각 행렬로 나타내는 단계; 및
    상기 이퀄라이저 및 필터를 거친 신호를 변조를 위하여 사인 캐리어(Sine Carrier) 용 대각 상수 행렬과 코사인 캐리어(Cosine Carrier) 용 대각 상수 행렬의 곱과 합 또는 차로 나타내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 초지향성 스피커 시스템을 위한 주파수 변조 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    오버샘플링(Oversampling)의 경우 IDFT(Invert Discrete Fourier Transform) 행렬의 오버샘플링 행의 개수에 맞게 푸리에(Fourier) 계수로 정의한 상수 행렬로 나타내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 초지향성 스피커 시스템을 위한 주파수 변조 처리 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 상수 행렬 및 대각 행렬의 특정 파라미터의 변수화를 통해, 특정 성능인 코스트(Cost) 함수를 정의하고 이를 최소화하는 피드백(Feedback) 시스템으로서 특정 주파수의 음원을 동적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 초음파 초지향성 스피커 시스템을 위한 주파수 변조 처리 방법.
  11. 삭제
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