KR19980048460A - 이동통신 시스템의 선형 예측계수를 이용한 반향 제거방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지틀 이동통신 시스템에서 반향 제거에 관한 것으로, 특히 음성 부호화기와 함께 단일칩에 구성하되, LMS 알고리즘을 사용하면서도 프리화이트닝된 신호를 적응 필터의 입력으로 사용하여 수렴속도를 빠르게 한 반향 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 반향 제거 방법은 LMS 알고리즘을 사용하되, 그 특성상 음성 신호와 같이 신호간의 상관도가 큰 경우에는 수렴속도가 늦어져 초기 상태나 반향 경로의 큰 변화에 빨리 수렴하지 못하는 문제점을 갖고 있다.

이 문제점을 해결하기 위해 음성 부호화기에서 얻어진 선형 예측 계수를 프리화이트닝 필터의 계수로 이용하여 음성 신호를 프리화이트닝하고, 프리화이트닝된 신호를 적응 필터의 입력으로 하여 음성 신호의 고유치 분포율을 낮추어 반향 제거에 있어 개선된 성능을 갖는 반향 제거 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

Description

이동통신 시스템의 선형 예측계수를 이용한 반향 제거방법 및 장치

이동통신 시스템에서 음성 부호화기에 의한 전송 지연, 네트워크 상에서의 전송 지연 등 단 방향으로 총 100ms 이상의 전송 지연이 발생하고 있다. 이런 전송 지연은 전화 가입자 회로에서 야기되는 반향을 통해 통화자에 인식 가능케하며, 이에 따른 통신 품질을 저하시키는 요인이 되고 있다.

이같은 문제점을 해결하기 위한 반향 제거기는 공중 전화망(Public Switched Telephone Network: PSTN)에 위치한 하이브리드(Hybrid) 정합회로에서 4단자/2단자 변환시 존재하는 임피던스 부정합(Impedance Mismatching)에 의해 발생하는 반향을 효과적으로 제거하는 장치이다.

반향 제거기의 설치는 이동통신 교환기의 입력단이나 기지국 제어기의 음성 부호화기가 위치한 보드에 설치될 수 있다. 이동통신 교환기 내에 설치시에는 반향의 원인이 되는 하이브리드 정합 회로에 보다 가깝게 위치되어 구현상의 편의를 제공하나, 기존의 개발된 교환기에 새로운 반향 제거기를 설치하여야 하므로 새로운 이동통신 교환 시스템의 개발에 따른 비용의 증가를 초래한다.

현재 개발되어 있는 CDMA 디지틀 이동통신 시스템의 반향 제거기는 음성 부호화기에 사용되는 DSP칩의 종류에 따라 또 다른 DSP칩을 사용하여 반향 제거 기능을 수행하거나, 음성 부호화기와 반향 제거 기능을 수행하고 있다. 이러한 이동통신 시스템에서 사용되는 반향 제거기는 적응 필터를 사용하는데 적응 필어 알고리즘은 LMS, RLS, LSL, IIR필터 구조등 많은 알고리즘이 발표되었지만 실제 구현된 대부분의 반향 제거기는 가장 계산량이 적은 LMS 계열의 알고리즘을 사용하고 있다.

일반적인 이동통신 시스템에서는 구현상의 용이함 때문에 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 많이 사용하고 있으나 LMS 알고리즘은 그 특성상 음성신호와 같이 신호간의 상관도가 클 경우 수렴 속도가 늦어져 초기 상태나 반향 제거의 큰 변화에 빨리 수렴하지 못하는 문제점을 갖고 있다. RLS(Recursive Least Square)나 LSL(Least Square Lattice) 알고리즘등은 수렴 속도는 빠르나 많은 계산량을 요구하므로 실시간 구현이 어려워진다.

현재까지 수행되어온 적응 필터 알고리즘의 연구 알고리즘 자체의 해석 연구이었으며 반향 제거기 기술 개발은 구현에 관한 내용이 대부분이었다. 초기의 반향 제거기는 PCM 음성 통신 중심이었으며, 이동통신 시스템 환경에서 저 전송률 음성 부호화기가 결합되어 발생하는 문제 해결에 관한 기술은 거의 전무한 상태이다.

본 발명은 이동통신 시스템의 반향 제거에 개선된 성능을 갖는 반향 제거방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

이에 따라, 기지국 제어기에 하나의 DSP칩을 사용하여 음성 부호화기와 반향 제거기를 함께 구현하고, DSP칩의 CPU를 시분할하여 음성 부호화 기능과 반향 제거 기능을 수행하되, 음성 부호화기에서 얻은 선형 예측계수를 프리화이트닝 필터의 계수로 이용하여 음성 신호를 프리화이트닝한 후 그 프리화이트닝된 음성 신호를 적응 필터 입력으로 사용하여 입력 신호의 고유치 분포율을 낮추어 반향 제거의 기능을 크게 개선시키는 특징을 가지고 있다.

도 1은 본 발명의 디지틀 이동통신 시스템에서의 반향 제거기 구조도.

도 2는 본 발명의 디지틀 음성 부호화기의 디코딩 구조도.

도 3은 본 발명의 음성 부호화기에서 얻은 선형 예측계수를 이용한 반향 제거기 구조도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

400 : 반향 제거기410 : 프리화이트닝 필터

420 : 적응 필터700 : 음성 부호화기

710 : 음성 부호화기의 인코딩부720 : 음성 부호화기의 디코딩부

본 발명에 따른 반향 제거 방법은 이동통신 시스템에서 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 사용하되, 음성 부호화기로부터 매 프레임마다 선형 예측계수를 입력받아 메모리에 저장하고, 저장된 선형 예측계수를 음성 부호화기의 카운터 신호에 따라 프리화이트닝 필터의 계수로 이용해서 선형 예측을 하여 음성 신호를 프리화이트닝하고, 그 프리화이트닝된 음성 신호를 적응 필터에서 수렴시켜 반향을 제거하는 특징을 가지고 있다.

프리화이트닝(Prewhitening) 된 음성 신호를 적응 필터의 입력으로 사용할 경우, 입력 신호의 자기 상관 매트릭스의 고유치(Eigenvalue) 분포율이 감소하므로 수렴 속도가 개선된다.

본 발명에 따른 반향 제거 장치는 음성을 부호화하는 음성 부호화기의 디코딩부에서 수신되는 선형 예측계수를 입력받아 프리화이트닝시키는 프리화이트닝 필터와, 그 프리화이트닝된 음성 신호 수렴시키는 적응 필터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 일실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 디지틀 이동 통신망에서의 반향은 일반 통신망에서와 차이가 있다. 이동통신 가입자(111)의 음성 신호는 이동통신 가입자 정합부(110)를 통해 입력되어 음성 디코더(200)에서 PCM데이터로 디코딩되고, 그 디코딩된 음성 데이터는 디지틀 스위치(500)를 통한 후 공중 전화망 가입자 정합부(120)의 하이브리드(600)를 통해 공중 전화망 가입자(121)에게 송신되고, 공중 전화망 가입자(121)의 음성 신호는 공중 전화망 가입자 정합부(120)의 하이브리드(600)를 통해 입력되어 디지틀 스위치(500) 및 음성 인코더(300)를 통하여, 이동통신 가입자 정합부(110)를 통해 해당 이동통신 가입자(111)에게 전달되도록 구성된다. 이때, 본 발명은 공중 전화망 가입자(121)로부터 음성 인코더(300)에 입력되는 수신 데이터의 음성 반향을 제거하는 반향 제거기(400)를 포함하여 구성된다.

디지틀 이동통신 가입자 정합부(110)에는 하이브리드가 없으므로, 공중 전화망(PSTN)에 접속된 가입자(121)의 음성 신호가 이동통신 가입자(111)에게 전달될 때에는 공중 전화망의 가입자(121)는 반향의 영향을 받지 않는다.

그러나, 이동통신망 가입자(111)의 음성 신호가 공중 전화망의 가입자(121)에게 전달될 때에는 정합부의 하이브리드(600)에서 반향 신호가 발생되어 이동 통신망의 가입자(111)에게 되돌아간다.

그러므로, 음성 디코더(120)의 송신 데이타에 의거해서 음성 인코더(300)에 수신되는 수신 데이타의 반향신호를 제거한다. 즉, 이동 통신망에서는 음성 신호가 이동국에서 기지국방향으로의 경로를 갖는 경우에만 반향을 제거한다.

도 2에 도시된 바와 같이 이동통신 제어국에 위치한 음성 부호화기의 디코딩부(720)는 코드북 인덱스에 의거하여 음성 부호화 코드를 얻기 위한 코드북(721)과, 그 코드북(721)에서 얻어진 코드값에 코드북 이득을 곱하는 승산기(722)와, 그 승산기(722)의 출력에 피치래그와 그 피치이득에 따른 피치합성을 하는 피치 합성필터(723), 그 피치 합성필터(723)의 출력을 선형 예측계수에 의거한 포만트 합성을 하여 음성을 출력하는 포만트 합성필터(723)으로 구성된다.

이와 같이 구성된 디코딩부에서 코드북(721)에 코드북 인덱스, 승산기(722)에 코드북 이득, 피치 합성필터(723)에 피치래그와 피치이득, 포만트 합성필터(723)에 선형 예측계수를 파라미터로 입력 받아 디코딩 과정을 통해 음성을 재생한다. 이때 매 프레임마다 수신되는 새로운 선형 예측계수는 메모리에 저장되어 도 3에 도시된 바와 같이, 프리화이트닝 필터(410)의 계수로 사용된다.

본 발명에 의한 선형 예측계수를 이용한 반향 제거기는 도 3에 도시된 바와 같이 음성 부호화기(700)의 디코딩부(720)에서 선형 예측계수를 입력받아 프리화이트닝하는 프리화이트닝 필터(410)와, 그 프리화이트닝된 출력신호를 입력으로 사용하는 적응 필터(420)로 구성된다.

여기서, 데이터 처리부(800)는 도 1에는 도시되지 않았지만 기지국의 디지틀 신호 프로세서(Dgital Signal Processor)에서의 데이터의 처리를 담당하고 있다. 또한, 도 3의 인코딩부(710)은 도 1의 음성 인코더(300)를 나타내며, 디코딩부(720)는 도 1의 음성 디코더(200)을 나타낸다.

프리화이트닝 필터(410)은 데이터 처리부(800)으로부터 음성 신호를 입력받아 음성 부호화기의 디코딩부(720)에서 얻어진 선형 예측계수(LPC 계수)를 이용하여 프리화이트닝하고, 이렇게 프리화이트닝된 프리화이트닝 필터(410)의 출력은 적응 필터(420)에서 적응 필터의 입력신호로 사용되어 하이브리드(600)에 의해 발생한 반향이 제거되어 반향이 제거된 신호로 출력된다.

매 프레임마다 도착하는 선형 예측계수를 갱신하는 시점은 음성 부호화기(700)에서 제공하는 카운터를 사용한다. 즉, 한 프레임에서 사용되는 선형 예측계수는 동일하며, 음성 부호화기(700)에서 얻은 타이밍 정보를 통해 새로운 프레임의 시작을 인식하여 새로운 선형 예측계수를 갱신하기 위해 정해진 메모리에 위치시킨다.

LMS 알고리즘은 입력 신호가 음성 신호와 같이 고유치 분포율이 큰 경우에는 수렴 성능이 매우 저하된다. 그러므로, 적응 필터(420)의 수렴 속도를 향상 시키려면 입력 신호를 고유치 분포율이 낮은 신호로 바꾸어 주어야 하는데, 프리화이트닝 필터(410)는 선형 예측 필터를 사용하여 입력 신호의 고유치 분포율을 낮추어준다.

이 선형 예측 필터의 출력 신호를 적응 필터(420)의 입력 신호로 사용함으로써 수렴 속도를 향상 시킬 수 있게 된다. 선형 예측 과정은 다음과 같이 수행된다.

y'(n) = 프리화이트닝 필터의 출력신호 y(n) : 음성신호

a_k: 선형 예측 계수P : 프리화이트닝 필터 차수

인지하고자 하는 시스템을 선형 시 불변이라고 가정한다면, 시스템의 입출력 관계는 다음과 같이 표현된다. 여기서 인지하고자 하는 시스템은 공중전화망의 하이브리드 정합 회로가 된다.

r(n) : 반향 신호 h' : 반향 경로의 임펄스 응답 TAP : 적응 필터의 탭수

하이브리드에서 발생한 반향 신호는 반향 제거기에 의해 제거되며, 반향이 제거된 잔향 신호는 다음과 같이 표현된다.

e(n) : 잔향 신호 r'(n) : 적응 필터의 출력신호

선형 예측 과정에서 사용되는 필터는 10개의 차수를 가지며, 이들은 음성 부호화기의 디코딩 과정에서 구성되는 선형 예측 계수이다. 즉, 매 프레임마다 생성되는 선형 예측 계수는 프리화이트닝 필터(410)의 계수로 사용되며 매 프레임마다 갱신된다.

반향 제거를 효과적으로 수행하기 위해서는 하이브리드(600)에서 발생하는 반향 제거의 길이를 인지하는 것이 중요하지만, 이를 정확히 예측하는 것은 거의 불가능하며, 이들은 시간에 따라 천천히 변하기 때문에(Slowly Time-Varying) 일정한 수의 선형 예측 계수들을 메모리에 저장한 후, 반향을 제거하는 방식을 사용한다.

본 발명에 의한 음성 부호화기에서 제공되는 음성 신호를 이용한 반향 제거기는 변형된 LMS 알고리즘을 통해 적응 필터의 수렴 속도에 큰 개선을 주어 종래의 반향 제거기 보다 성능이 개선되는 효과가 있으며, 이러한 성능 개선은 현재 CDMA 이동통신 시스템 운용시 전송 경로의 빠른 변화를 적절히 예측치 못해 가끔씩 발생하는 반향 문제도 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 반향 제거기는 DSP 프로그램의 소프트웨어의 변경을 통해 이동통신 기지국의 음성 부호화기 칩에 적용할 수 있어 큰 경제적인 효과가 있다. 그리고, 이와 같이 음성 부호화기와 결합된 형태의 반향 제거 알고리즘은 이동통신 단말기에서 차량 전화 핸즈프리(Hands-Free) 기능을 사용할 때 통화 품질을 저하시키는 음향 반향(Acoustic Echo)을 제거할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 이동통신 시스템에서 단일 DSP칩에서 음성 부호화기와 결합된 반향 제거기를 구성하되, 종래의 LMS 알고리즘이 음성 신호와 같이 신호간 상관도가 큰 입력에 대해서는 수렴속도가 늦어져 초기 상태나 반향 경로의 큰 변화에 빨리 수렴하지 못하는 문제점을 해결하고, 음성 신호의 고유치 분포율을 낮추어 반향 제거에 있어 개선된 성능을 가지며, 비교적 간단한 구조와, 소정의 계산량 및 메모리를 사용하면서도 성능이 개선된 반향 제거 알고리즘을 설계하고, 별도의 부가적인 하드웨어의 구현 없이 알고리즘상에서 성능 개선을 이룸으로써 경제적인 효과가 있는 반향 제거 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.

Claims (2)

1. 이동통신 시스템에서 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 사용하되, 매 프레임마다 선형 예측 계수를 입력받아 메모리에 저장하는 단계와, 저장된 선형 예측 계수를 음성 부호화 수단의 카운터 신호에 따라 프리화이트닝 필터의 계수로 갱신하는 단계와, 그 프리화이트닝 필터의 계수를 이용하여 선형 예측을 하여 음성 신호를 프리화이트닝하는 단계와, 상기 프리화이트닝된 음성 신호를 이용하여 반향을 제거하는 적응 필터링 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 반향 제거 방법.
2. 이동통신 시스템의 기지국 제어기에 DSP칩을 사용해 음성 부호화 수단과 함께 구현하는 반향 제거기에 있어서, 음성 신호를 부호화시키는 수단으로부터 그 카운터 타이밍에 따라 선형 예측 계수를 입력받아 선형 예측하여 음성 신호를 프리화이트닝하는 수단과, 그 프리화이트닝된 음성 신호를 입력받아 수렴속도를 향상시켜 반향을 제거하는 적응 필터링 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 반향 제거기.