KR19980702171A - 적응잡음 제거장치, 잡음감소 시스템과 트랜시버 - Google Patents

적응잡음 제거장치, 잡음감소 시스템과 트랜시버 Download PDF

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KR19980702171A
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다 코스타 파울로 마이왈드 카스텔로
코르넬리스 피터 얀세
패트릭 아드리아누스 아니타 팀머만스
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요트. 게. 아. 롤페즈
필립스 일렉트로닉스 엔. 브이.
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Abstract

주요신호입력과 기준입력에 존재하며, 상관관계가 있는 잡음을 제거하기 위해서, 피드백 루프내에 있는 적응 크로스톡 필터와 적응잡음필터를 이용하며, 교차형태로 되어 있는 적응잡음제거장치가 개재되어 있다. 기존의 교차형태로 연결된 ANC는 특히 음향잡음제거에 대해서는 만족스럽게 동작하지 않고 있다. 이것은 특히, 원거리에 잡음소스들을 가지고 있는 사무실내에서는, 반향하는 음성신호들을 유도하게 된다. 좀 더 우수한 성능을 나타내는 다른 구성형태를 가지고 있으며, 교차형태로 연결된 적응잡음제거장치가 제안되었다. 적응 크로스톡 필터는 프리필터부와 적응필터부로 나누어지며, 상기 부들은 서로 다른 입력신호들을 사용하고 있다. 프리필터부는 잡음제거장치의 입력신호로부터 원하는 신호를 추정한다. 적응필터부의 입력은 잡음제거장치의 출력에 연결되어 있으며, 지연부가 잡음제거장치의 출력과 입력사이에 제공되어진다. 한 실시예에서는, 프리필터부와 적응 필터부는 분리된 필터들이다.

Description

적응잡음 제거장치, 잡음감소 시스템과 트랜시버
이러한 종류의 적응잡음 제거장치는 1986년도 IEEE ICASSP 동경판 93-96 페이지에 게재되어 있으며, G.Mirchandani에 의해서 쓰여진 Performance of a Hardware Implementation of the cross-talk Resistant Adaptive Noise Canceller에 게재되어 있다. 이러한 장치는 예를 들면, 컨퍼런스(conference) 시스템내에 있는 잡음제거를 위해 사용되러질 수 있다. 디지탈 신호 프로세서(processor)에 의해서 실현되는 피드백 루프(feedback loop)내에 있는 두개의 적응필터들을 이용하는 적응잡음 제거장치가 서술되어져 있다. 잡음필터는 잡음이 있는 신호내의 잡음을 제거하기 위해서, 적응잡음 추정기(estimator)로 동작한다.
크로스톡 필터는 추정하기 위해서 배열되어 있으며, 크로스톡을 제거한다. 또한 많은 마이크로폰들에 나타나는 잡음들은 서로 상관관계가 있다고 가정한다(correlated). 제1 샘플신호, 음성신호와 같은 원하는 신호를 포함하고 있는 일차 신호와 잡음신호는 잡음을 제거하기 위해서, 일차신호로부터 추정된 잡음신호를 제거하는(subtract) 감산기에 공급되어진다. 제2 샘플신호, 잡음신호를 포함하고 있는 기준신호와 크로스톡 때문에 생기는 음성신호의 일부분들은 크로스톡 신호를 제거하기 위해서, 기준신호로부터 추정된 크로스톡 신호를 제거하는 감산기에 공급되어진다. 크로스톡 감산기의 출력은 잡음 추정기의 입력에 공급된다. 이러한 크로스톡의 제거로 인해서, 잡음추정기는 이론적으로 단지 잡음만을 추정한다. 잡음 추정기의 입력신호가 크로스톡을 포함하고 있다. 원하는 신호의 일부분이 스스로 제거되며, 잡음제거장치의 성능을 실제적으로 감소시키게 된다. 크로스톡이 완전히 제거되지 않았다면, 잡음추정기내에 있는 나머지 음성신호들은 반향(reverberation)과 같은 효과를 발생시키거나 또는 일반적으로 음성왜곡을 일으킨다. 이러한 반향효과는 기다란 잡음필터들이 이용된다면, 더욱 강해진다. 사무실에서, 대표적인 잡음 추정기는 8 kHz에서 2048개의 샘플들, 즉, 0.25초 원도우를 사용하게 된다. 기술된 적응 잡음 제거기는 크로스톡 때문에 왜곡을 완전히 제거하지 못하며, 이러한 문제는 한 개 이상의 기준 마이크로폰과 멀티 기준입력 적응잡음제거기(multi-reference-input adaptive noise cancelier)를 이용할 때, 더욱 심각해진다는 것이 알려졌다. 멀티 기준입력 적응잡음제거기에서는, 더욱 높은 자유도(degrees of freedom)가 허용된다. 예를 들면, 필터들과 신호들을 좀 더 자유롭게 사용할 수 있다. 특히, 비교적 적은 잡음 소스들을 가질 때에는, 그 소스들이, 원하는 신호를 좀 더 완전하게 제거할 수 있게 된다. 크로스톡 추정기가 없는 종래의 적응잡음 제거기들은 상기 Mirchandani의 논문에 게재된 제거기보다 더욱 성능이 떨어진다. 이러한 종래의 적은잡음 제거기들에서는, 지연장치가 제거기의 피드순방향 경로(feedforward path)에 배치되게 된다. 이것은 이론적으로 촤적의 해답을 얻어내는 실현성이 없는 넌-코절(non-causal) 필터를 만들기 위한 것이다.
상기 Mirchandani의 논문에 게재된 선택된 피드백 2-필터구조 때문에, 어떠한 피드순방향 지연이 이러한 2-필터 구조내에서는 생기지 않게 된다. 이것은 잡음제거의 성능을 감소시키게 된다. 원거리에 있는 잡음 소스들을 살펴보면, 기존의 피드백 3-필터부에 있는 피드백 루프는 정확하게 동작하지 않기 때문에, 크로스톡이 존재할 때에, 재생된 음성은 반향과 같은 성분들을 여전히 포함한 상태로 있게 된다.
본 발명은 잡음이 있는 신호내의 잡음을 제거하기 위한 적응잡음 제거장치(adaptive noise cancellation arrangement)에 관한 것이며, 상기 장치는 잡음이 있는 신호에 대한 주요(primary) 신호 입력, 최소한 한 개의 기준신호 입력, 잡음이 제거된 신호에 대한 신호출력과, 입력이 제1 감산기를 통해서 상기 기준신호 입력에 연결되어 있으며, 출력은 제2 감산기의 제1 입력에 연결되어 있는 적응잡음필터로 구성되어 있다. 일차신호 입력은 제2 감산기의 제2 입력에 연결되어 있으며, 제2 감산기의 출력은 신호출력에 연결되어 있다. 상기 제거장치는 입력이 신호출력에 연결되어 있고, 출력이 제1 감산기의 제1 입력에 연결되어 있는 적응 크로스톡(cross-talk) 필터를 포함하고 있다. 기준신호 입력은 제1 감산기의 제2 입력에 연결되어 있다.
본 발명은 또한 잡음감소 시스템과 트랜시버에 관한 것이며, 이러한 시스템은 음향잡음 제거시스템, 핸즈프리(handsfree) 통신시스템, 멀티미디어 시스템 공중 어드레스(public address) 시스템 또는 그와 유사한 시스템이 될 수 있다.
도1은 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제1 실시예를 도시한 블록도.
도2은 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제2 실시예를 도시한 블록도.
도3은 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제3 실시예를 도시한 블록도.
도4는 후방(background) 주파수영역 적응잡음 필터들을 도시한 도면.
도5는 전방(foreground) 시간영역의 프로그램 가능한 잡음필터들을 도시한 도면.
도6은 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치와 젤린스키 스펙트럼 감산 잡음 감소장치를 직렬로 결합한 것을 도시한 도면.
도7은 본 발명에 따르는 잡음감소 시스템의 한 실시예를 도시한 도면.
도8은 본 발명에 따르는 잡음감소 시스템을 가지고 있는 트랜시버를 도시한 도면.
도9는 제1 마이크로폰 어레이 구성을 도시한 도면.
도10는 제2 마이크로폰 어레이 구성을 도시한 도면.
본 발명의 목적은 우수한 크로스톡 추정능력과 우수한 잡음 추정능력을 가지고 있는 적응잡음 제거장치를, 특히, 원거리에 잡음소스들이 있는 시스템들에 제공하는 것이다.
이러한 목적을 위해서, 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치는 다음과 같은 특징이 있다. 적응 크로스톡 필터는 주요신호를 프리필터(prefilter) 하기위한 프리필터부와 프리필터부의 계수들을 결정하기 위한 적응필터부로 구성되어 있으며, 프리필터부의 입력은 주요신호입력에 연결되어 있으며, 적응필터부의 입력은 신호출력에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 장치는 제1 지연부와 제2 지연부로 구성되어 있으며, 제1 지연부는 주요신호 입력과 제2 감산기의 제2 입력사이에 연결되어 있으며, 제2 지연부는 적응잡음필터의 입력과 적응 크로스톡 필터사이에 연결되어 있다. 본 발명은 일차 신호입력과 제거장치의 신호출력에 존재하는 원하는 신호성분들이 지연부에 의해서 발생된 지연만큼만 다르며, 적응 크로스톡 필터의 적응동작들과 필터링은 서로 다른 입력신호들을 이용하여 수행된다는 이론에 근거하고 있다. 잡음이 들어 있는 입력신호를 프리필터링하는 것을 포함하고 있는 필터링 동작들은 다음과 같은 사실 때문에 가능하게 된다. 즉, 지연을 제외하고, 제거장치의 원하는 입력과 출력 신호성분들은 동일하다는 사실 때문에 가능하다. 입력신호는 적응필터부에 대한 입력으로 사용될 수 없으므로, 제거장치의 출력신호는 이러한 목적을 위해서 사용된다. 선택된 구조로 인해, 지연부는 피드순방향 경로내에서 사용될 수 있다. 프리필터링과 지연 때문에, 크로스톡은 최소한 실제적으로 또는 완전히 제거된다.
프리필터링은 잡음 제거기의 입력에 있는 잡음 성분들에게 영향을 끼치지만, 이러한 사실은 어떤 문제를 일으키지 않는다. 잡음제거는 이러한 변형된 잡음을 제거할 수 있다.
본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제1 실시예에서는, 제 2 지연부의 출력이 적응필터부의 입력에 직접 연결되어 있으며, 적응 필터부는 결정된 계수들을 무조건 프리필터부에 전달하기 위해서, 배열되어 있다. 적응필터부의 어떠한 출력 신호들도 계산될 필요가 없으며, 그로 인해, 계산하는 과정에서는 적은 노력이 요구된다.
본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제2 실시예에서는, 제2 지연부의 출력이 제3 감산기의 제1 입력에 연결되어 있다. 제3 감산기의 제2 입력은 적응필터부의 출력에 연결되어 있다. 제3 감산기의 출력은 적응필터부의 입력에 연결되어 있다. 적응필터부는 결정된 계수들을 프리필터부에 조건부로 전달하기 위해서 배열되어 있다. 이러한 실시예, 즉, 전방/후방(foreground/background)구조는 제1 실시예보다는 더 복잡하기 때문에, 좀 더 많은 계산과정을 요구하고 있지만, 이러한 실시예는 큰 지연 값들에 대해서도 동작하게 된다. 반면에, 제1 실시예는 큰 지연 값에 대해서는 불안정하게 될 수 있다.
본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 한 실시예에서, 적응잡음 제거장치는 한 개 이상의 신호입력들과 각각의 입력들이 각각의 기준 신호입력들에 연결되어 있는 적응잡음 필터들과 각각의 입력들이 적응잡음 필터들의 각각의 출력들에 연결되어 있는 가산기(adder)로 구성되어 있다. 상기 잡음 제거장치는 청구항1,2,3항에서 청구된 각각의 기준 신호들을 위해서, 크로스톡 적응필터구조를 가지고 있다. 이러한 멀티-기준-입력 구조는 특히 원거리에 잡음소스들을 가지고 있는 컨퍼런스 시스템에서 유용하게 사용된다. 한 실시예에서는, 공간적으로 크로스(cross) 구조내에 있으며, 좁은 간격으로 배열된 방향성 마이크로폰(directional microphones)들이 사용될 수 있으며, 다른 실시예에서는, 공간적으로 선형구조내에 있으며, 좁은 간격으로 배열된 마이크로폰들이 사용될 수 있다.
후자의 경우에서는, 마이크로폰들이 반드시 방향성은 아니며, 마이크로폰 신호들은 청구한 바와 같이 미리 처리된다.
상관 관계가 없는 잡음 소스들이 존재하는, 자동차내의 핸즈프리통신 장치에서는, 적응잡음 제거장치는 청구항1,2,3 또는 4항에서 청구된 젤린스키(zelinski) 잡음 감소장치 또는 젤린스키 스펙트럼 감산 잡음감소장치와 적응잡음 제거장치의 직렬배열이 될 수 있다. 젤린스키 스펙트럼 감산 잡음감소장치는 상관관계가 없는 잡음성분들을 제거하는데 특히 유용하다.
본 발명에 따르는 잡음감소장치의 한 실시예에서는, 적응잡음필터가 적응 크로스톡 필터보다 실제적으로 더 긴 길이를 가지고 있다. 여기에서는, 시스템이 컨퍼런스 시스템내에서 좁은 간격으로 배열된 마이크로폰들과 함께 사용되도록 적응되며, 크로스톡 성분들은 비교적 짧은 필터를 요구하는 마이크로폰들의 가까운 곳에 위치해 있는 스피커에 의해서 만들어진다. 이러한 시스템들에서는, 주요 신호에 대한 마이크로폰은 스피커를 향해 배열되어 있으며, 기준신호들에 대한 마이크로폰들은 스피커로부터 먼 거리에 있는 청중들을 향해 배열되어 있다.
도1은 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제1 실시예를 도시한 도면이다. 상기 장치는 잡음이 있는 아나로그 신호(zz0)를 위한 일차 신호 입력(2), 아나로그 기준 신호(zzi)를 위한 기준신호 입력(3)과 잡음이 제거된 아나로그 신호(ss0)를 위한 신호 입력(4)으로 구성되어 있다. 잡음 제거장치(1)는 입력(6)은 제1 감산기(7)를 통해 기준신호 입력(3)에 연결되어 있고, 출력(8)은 제2 감산기(10)를 통해 제1 입력(9)에 연결되어 있는 적응잡음 필터(5)로 구성되어 있다. 일차신호 입력(2)은 제2 감산기(10)의 제2 입력(11)에 연결되어 있다. 제2 감산기(10)의 출력(12)은 신호출력(4)에 연결되어 있다. 잡음제거장치(1)는 입력(14)은 신호출력(4)에 연결되어 있고, 출력(15)은 제1 감산기(7)의 제1 입력(16)에 연결되어 있는 적은 크로스톡 필터(13)를 추가로 포함하고 있다. 기준신호 입력(3)은 제1 감산기(7)의 제2 입력(17)에 연결되어 있다. 잡음이 있는 아나로그 신호(zz0)는, 잡음이 있는 디지탈 신호(z0)를 얻기 위해서, 아나로그-디지탈 변환기(18)에 의해, 샘플되어진다. 그리고, 아나로그 기준신호(zzi)는 디지탈 기준신호(zi)를 얻기 위해서, 아나로그-디지탈 변환기(19)에 의해 샘플된다.
잡음이 제거된 아나로그 신호(ss0)는 디지탈-아나로그 변환기(20)에 의해 잡음기 제거된 디지탈 신호(s0)로 부터 얻어진다. 잡음이 제거된 신호(zz0)는 컨퍼런스 시스템 또는 차안에 있는 통신신호내에 있는 음성신호가 될 수 있다. 상기 음성신호는 (도시되지 않았지만) 가깝거나 또는 먼거리에 있는 잡음소스들에의해 방해를 받으며, 마이크로폰(21)에 의해 수신된다. 아나로그 기준신호(zzi)는 가깝거나 또는 먼거리에 있는 잡음소스들로부터 발생되어 마이크로폰(22)에 의해 수신된 잡음신호가 될 수 있다. 입력(2,3)에 있는 잡음들은 상관관계가 있는 잡음과 상관관계가 없는 잡음이 될 수 있다. 적응잡음 제거 장치(1)는 상관관계가 있는 잡음을 제거한다. 반면에, 상관관계가 없는 잡음은 다른 수단에 의해서 제거된다. 특히, 차 안에서는, 상기 두 가지 종류의 잡음이 존재한다. 주어진 실시예에서는, 모든 필터링과 동작들이 디지탈 영역에서 수행되며, 잡음제거장치는 프로세서와, ROM, RAM 메모리를 가지고 있는 디지탈 신호 프로세서내에 만들어지며, 적합하게 프로그램되어진다. 모든 신호들은 디지탈이라고 가정하며, 편리를 위해, '디지탈'이라는 표시는 신호를 참조할 때에, 삭제되었다. 본 발명에 따르면, 적응 크로스톡 필터(13)는 주요 신호(z0)를 프리필터하기 위한 프리필터부(23)와, 프리필터부(23)의 계수들을 결정하기 위한 적응필터부(24)로 구성되어 있다. 프리필터부의 입력(25)은 주요 신호입력(2)에 연결되어 있으며, 입력(26)은 신호출력(4)에 연결되어 있다. 잡음제거장치(1)는 주요 신호입력(2)과 제2 감산기(10)의 제2 입력(11) 사이에 연결된 제1 지연부(27)와 적응잡음 필터(5)의 입력(6)과 적응 크로스톡 필터(13)사이에 연결된 제2 지연부(28)를 추가로 포함하고 있다. 그러므로, 제2 지연부(28)의 출력(29)은 저긍필터부(24)의 입력(20)에 직접 연결되어 있다. 지연부들(27,28)은 입력신호들을 Δ샘플들상에서 지연시키기위해 배열되어 있다. 적응잡음필터(5)는 계수(Wi)에 의해서, 프리필터부(23)는 계수(Ws,i)에 의해, 그리고, 적응 필터부(24)는 계수(Wsb, i)에 의해 언급되어진다. 도1에는, 프리필터부(23)의 출력(15)에 있는 원하는 신호 추정치(ys,i)와, 적응필터부(24)의 출력(31)에 있는 출력신호(ysb,i)와 적응잡음 필터(5)의 입력신호(xi), 출력신호(y)가 도시되어 있다.
제1 실시예에서는, 적응필터부(24)가 결정된 계수들을 프리필터부(13)에 조건없이 전달하기위해 배열되어 있다. 이것은 에러신호(Wsb,i)가 Ws,i의 계수들을 이용하여 계산되기 때문이다. 제1 실시예에서는, 출력신호(ysb,i)가 계산되지 않기 때문에, 계산의 복잡성은 감소된다. 시간 영역에서는, 신호들이 괄호로 표시되는 현재의 샘플(k)에 의해서 표시된다. 프리필터부(23)를 이용하기 때문에, 지연부들(27,28)은 교차형식으로 연결된 적응잡음 제거장치(1)내에 배열될 수도 있다. 여기에서는, Δ샘플들만큼의 지연을 가지고 있는 출력신호 so[k]가 이용가능하다.
지연된 출력신호 so[k]는 원하는 신호 추정치(ys,i[k])를 발생하기 위해서, 사용된다. 지연 Δ를 가지고, 잡음필터(5)는 넌-코절(non-causal) 임펄스 응답을 거의 근사치로 만들어낼 수 있다. 가능한 임펄스 응답들에 대해서는, 크로스톡 필터(13)에 제한을 두지 않기 위해서, 지연 Δ이 크로스톡 필터(13)에 의해서 근사화될 수 있는 임펄스 응답들의 범위로부터 분리된다. 이것은 크로스톡 필터(13)를 부(23,24)에 스필리팅(splitting)시키고, 서로 다른 입력 신호들(z0,s0)에 대해 시킴으로써, 이루어진다. 원하는 신호필터는 적응 프리필터가 되며, 적응과정은 원하는 신호, 즉 s0의 추정치를 이용하여 이루어진다. 상기 원하는 신호는 잡음성분들이 이미 제거되었다는 사실 때문에 고정부분에서는 깨끗한 신호이다. 여기에서는, 신호필터들이 크로스톡 성분들과 잡음성분들을 함께 제거하는 상황이 방지된다.
도2는 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제2 실시예를 도시한 블록도이다. 제1 실시예와는 달리, 제2 실시예에서, 바람직한 필터들의 적응속도는 지연 Δ와는 아무 관계가 없다. 또한, 제1 실시예와는 달리, 제2 실시예는 더 큰 Δ값에 대해서도 안정하다. 그러므로 제2 실시예는 비고정(non-stationary) 응답들이 발생하는 상황들과 기다란 잡음 필터들, 즉, 음향 잡음제거에 대해서는 더욱 안정하다. 바람직한 필처들의 적응속도를 지연 Δ와는 아무 관계가 없도록 하기 위해서, 제2 지연부(28)의 출력(29)은 제2 입력(34)이 적응필터부(24)의 출력(31)에 연결되어 있는 제3 감산기(33)의 제1 입력(32)에 연결되어 있다. 제3 감산기(33)의 출력(35)은 적응필터부(24)의 입력(30)에 연결되어 있다. 적응필터부(24)는 결정된 게수들을 프리필터부(23)에 어떤조건 상태에서 전달하기 위해서 배열되어 있다. 적응 필터부(24)와 프리필터(23)는 독립된 필터들이되며, 적응필터는 후방필터이며, 프리필터는 전방필터이다.
도3은 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치의 제4 실시예를 도시한 도면이다. 단일-기준-입력(single-reference-input)을 설명하기 위해서 기술된 제2 실시예에 따르며, 프리필터된 적응잡음제거 기능을 가지고 있는 다중-기준-입력(multiple-reference-input) 형태가 도시되어 있다. 이러한 형태는 사무실과 같은 곳에서 특히 유용하다. 바람직한 신호는 음성신호이다. 신호지수(i) 대신에, 각각의 제거 브랜치(branch)들내에 있는 신호들은 지수 1,2,....,n으로 표시되며, 이 때에 n은 정수이다.
좁은 간격을 두고 떨어져 있는 4개의 마이크로폰들을 가지고 있는 실시예에서는, n=3이다. 브랜치-1에서는 여러 가지 블록들에 대해서, 동일한 참조 번호들이 사용된다. 그러나 신호들은 기준-1로 표시된다. 기준-2에서는, 비슷한 블록들과 신호들이 기준-1의 경우에서처럼 도시되어 있다. 즉, 신호들(x2, ys,2, ysb,2, z2)과 마이크로폰(40), 아나로그-디지탈 변환기(41), 프리필터부(43)와 적응 필터부(44)를 가지고 있는 적응 크로스톡 필터(42), 지연부(45), 감산기(46,48)와 적응잡음필터(49)로 표시되어 있다. 기준-n에 대해서는, 예를 들면, n=3일 경우에는, 비슷한 블록들과 신호들이 기준-1의 경우에서와 같이 도시되어져 있다.
즉, 신호들(x2, ys,2, ysb,n, zn)과 마이크로폰(40), 아나로그-디지탈 변환기(51), 프리필터부(53)와 적응 필터부(54)를 가지고 있는 적응 크로스톡 필터(52), 지연부(55), 감산기(56,58)와 적응잡음필터(59)로 표시되어 있다.
각각의 출력신호들(y1, y2, yn)은 신호 y를 형성하기 위해서, 가산기(60)에 의해 더해진다. 원거리에 잡음소스들을 가지고 있는 대표적인 사무실에서, 음향잡음을 제거하는 분야에서는, 적응잡음 필터들(5,49,59)이 시간 윈도우(time window)를 커버(cover)하기 위해서 요구된다. 상기 시간 윈도우는 이러한 사무실의 반향시간(reverberation time)의 중요한 부분을 의미한다. 반향시간이란 예를 들어 60dB만큼 감소하는 반향하는 소리 피일드(sound field)를 의미한다. 8kHz의 샘플속도와 0.5 초의 반향시간을 가지고 있는 방의 경우에는, 1024개의 탭(taps)들을 가지고 있는 적응 잡음필터들은 약 15dB의 잡음을 제거한다. 한 실시예에서는, 적응잡음필터들이 상술한 바와 같이 전방과 후방 형태로된 주파수-영역 적응필터들로 만들어 진다. 음향 잡음제거 과정에서는, 크로스톡 필터들(13,42,52)이 휠씬 짧은 형태로 되어 있다. 이것은 크로스톡 성분들이 좁은 간격을 두고 배열된 마이크로폰들과 가까운 곳에 위치해 있는 스피커에 의해서 발생되기 때문이다. 한 실시예에서는, 크로스톡 필터들(13,42,52)이 정규화된(normalized) LMS(Least-Mean-square) 적응 필터들로 덩작하게 된다.
도4와 도5에서는 음향잡음제거를 설명하기 위해서, 도3에 도시된 실시예들에 있는 필터들이 서술되어질 것이다. 적응 크로스톡필터들(13,42,52) 뿐만아니라, 적응잡음필터들(5,49,59)도 동일하다. 주어진 실시예에서는, n=3이다. 세 개의 잡음 필터들(5,49,59)은 적응잡음제거장치(1)내의 잡음을 제거하는 기다란 형태의 필터들이다. 그리고, 도4에 도시된 후방 주파수영역 필터들(200,201,202)과 도5에 도시된 전방 시간영역 필터들(220,221,222)을 가지고 있다.
필터들(200,220)은 필터(W1)를 형성하며, 필터들(201,221)은 필터(W2)를 형성하며, 필터들(201,222)은 필터(W3)를 형성한다. 전방 크로스톡 필터들(Ws,1, Ws,2, Ws,3)은 전방 잡음필터들에비해 보다 더 비슷한 구조를 가지고 있으나, 더 짧은 형태이며, 자세히 도시되지 않았다. 후방 적응 크로스톡 필터들(Wsb,1, Wb,2, Wsb,3)은 전방 크로스톡 필터들을 갱신하기 위해서 LMS-갱신 방정식 형태로 서술되어질 것이다. 디지탈 신호 프로세서는 이러한 LMS 방정식을 처리하고, 갱신하기 위해서, 알맞게 프로그램 되어진다. 주파수 영역 계수들은 대문자로 표시되어 있으며, 시간영역 계수들은 소문자로 표시되어 있다.
도4는 후방 주파수영역 적응잡음필터들(200,201,202)을 도시하고 있다. 후방 필터들은 n-탭 주파수영역 적응필터들이며, 각각의 필터들은 L개의 샘플들로된 블록들에 대해서 동작한다. 이때에, N,L은 정수들이다. 한 실시예에서는, 주파수 영역 적응 필터의 길이 n=2048이고, 블록길이 L=2048이 된다.
L개의 샘플마다, 한 번씩, 입력들 x1[k], x2[k], x3[k]들 중 가장 최근의 샘플들이 이산 푸리어변환(FFT1, FFT2, FFT3)에 의해서 주파수영역으로 변환된다. 주파수 영역 출력 Yb[m]은 복잡한 후방필터 계수들(Wb,1,Wb,2,Wb,3)을 이용하여 계산되어진다.
Yb[l][m] =iWb,i[l][m].Xi[l][m] ---------(1)
l,m은 정수들이며, b는 후방필터를 표시하고 후방을 표시하고 있다. 출력값들에 가중치가 붙은 FFT블록들(203,204,205)이 도시되어 있다. 각각의 가중치가 붙은 출력들은 각각 가산기들(206,207,208)에 더해진다. 출력레지스터(209)는 출력(Yb[m])을 포함하고 있다. 계수 레지스터들(210,211,212)이 또한 도시되어져 있다. 주파수영역 출력 (Yb[l][m])은 이산 역푸리어 변환을 이용하여 시간영역으로 다시 변환된다. 그리하여, 가산기(60)의 출력에서는 L개의 샘플들과, 좌측에 있는 최초의 N개의 샘플들이 제거되는 출력신호(ybf[k])가 만들어진다. N+L개로된 한 개의 블록을 얻기 위해서, 좌측에 0을 입력시켜 놓은 나머지 신호 rb[k], 즉 rb[k] =x0[k-Δ]-ybf[k]는 디지탈 신호처리기에 의해서 형성된다. 채워진(padded) 나머지 신호rb[k]는, 나머지 주파수영역 신호 Rb[m]를 만들기 위해서, 주파수영역으로 푸리어 변환된다. 나머지 주파수영역 신호 Rb[m]는 다음과 같은 복소수 LMS알고리즘에 따라서, 복소수 후방필터계수들 (Wb,i)을 갱신하는데 사용된다.
Wb,i[l][m]=Wb,i[l][m]+2μ[l][m]Rb[l][m](Xi[l][m])*-----(2)
* 표시는 켤레복소수(complex conjugate)를 표시하고 있다. μ는 갱신상수(update constant)이다. 복소수 후방필터 계수들(Wb,i)은 시간영역으로 역 푸리어 변환되었으며, Np개의 샘플들의 시간영역으로 프로그램된 필터길이로 트렁케이트(truncate)되었다. 이렇게 얻어진 Np개의 샘플들은 전방필터들(W1, W2, W3)내에서 복사된다. 한 실시예에서는, Np=N이다. 음성신호와 같은 바람직한 신호가 존재할 때에는, 어떠한 적응도 행해지지 않는다. 이러한 조건은 출력전력으로부터 검출될 수 있다. 계수들은 후방출력전력이 필터들의 전방출력전력보다 작을 때에, 전달된다. 이러한 조건은 후방필터계수들이 잡음제거를 더욱 잘 할 수 있는 조건이다.
도5는 전방 시간영역으로 프로그램된 잡음필터들(221,222), 즉 Np-탭 필터들을 도시하고 있다. (Np는 정수). 동일한 지연블록들(T)이 도시되어 있다. 입력신호들(x1,x2,x3)에는 도시된 가중치 인자들, w1[0], w2[0], w3[0]로 각각 가중치가 매겨진다. 그리고, 각각의 가산기들(223,224,225), (226,227,228), (229,230,231) 내에 있는 입력신호들의 지연된 신호들이 더해진다. 출력신호 y[k]는 신호들 y1[k], y2[k], y3[k]을 더해주는 가산기(232)의 출력신호이다.
세 개의 크로스톡 필터들(13,42,52)은 짧은 프리필터들(23,43,54)과 적응필터부(24,44,54)을 포함하고 있으며, 프리필터들은 음향잡음 제거에 적용되고, 프리필터된 적응잡음 제거장치(1)내에 있는 크로스톡을 제거한다. 프리필터 계수들은 어떠한 음성도 존재하지 않는다는 조건하에서, 갱신된다. 프리필터들(23,43,53)은 시간영역 필터링 동작에 따라 동작하는 전방 잡음필터들(220,221,222)보다 더욱 비슷한 구조를 가지고 있는 세 개의 Np,s-탭 필터들을 이용하여 일차 입력신호z0[k]로부터 크로스톡 추정치ys,i[k]를 발생시킨다.
ys,i[k] = ∑nws,i[n][k]zs[k-n]----(3)
I=1,2,3,...... n=0,1,2,3,.......Np,s-1 한 실시예에서는, Np,s= 64이다.
Np,s-탭 필터들은 자세히 도시되지 않았다. 추정치 ys,i[k]는 신호xi[k]를 발생시키기 위해서, 기준 입력신호 zi[k]로부터 감산된다.
xi[k] = zi[k] - ys,i[k] ------(4)
또한 전방에서는, 잡음추정치 신호 y[k]rk y[k] = Σiyi[k]에 따라서, 가산기(60)의 출력에 나타난다.
yi[k] = Σnwi[n][k]xi[k-n] ------(5)
n=0,1,2,....,Np-1. 한 실시예에서는, Np=N이다. 필터는 도5에 서술된 구조를 이용하여 만들어진다. 추정치 y[k]는 출력신호 s0[k] = z0[k-Δ] - y[k]를 만들기 위해서, 지연된 일차신호 z0[k-Δ]로부터 감산된다. 후방 적응필터부(24,44,54:Wsb,i)는 적응이 되므로, 지연된 입력신호들 zi[k-Δ]과, 적응필터부(24,44,54)의 각출력신호들 ysb,i[k] 및 상기 신호들의 공통 입력 신호 s0[k]로부터 계산되고, 감산기들(33,48,58)의 출력에 존재하는 에러신호들(ε1, ε2, ε3)의 상관관계를 없애게 된다. 후방출력신호들 ysb,i[k]은 다음과 같이 표시된다.
ysb,i[k] = Σnwsb,i[n][k]xs[k-n] ------(6)
n=0,1,2,3,...,Np,s-1, 후방에러신호들 rsb,i[k]은 다음과 같이 표시된다.
rsb, i= zi[k-Δ] - ysb,i[k] -------(7)
적응필터부(24,44,54)는 LMS-갱신수단에 의해서 갱신된다.
wsb,i[n][k] = wsb,i[n][k-1] = 2μs[k]rsb,i[k]xsb[k-n] -----(8)
상기 LMS-갱신은 적응속도가 바람직한 신호의 레벨과는 관계없도록 하기 위해서 알맞게 정규화되어진다. 갱신상수(μs)는 바람직한 신호출력 추정치와 필터길이 (Np,s)의 함수이다. 전력추정치는 지연된 일차 입력신호 z0[k-Δ]의 제1차 필터링에 의해서 결정된다.
후방필터들(24,44,54)에서 전방필터들(23,43,53)로 필터계수들을 어떤 조건하에서 전달하는 것은 전달변수 ts[k]에 따라서 행해진다.
만약 ts[k] = 1이라면, 후방-전방 갱신이 행해진다.
ws,i[n][k+1] = wsb,i[n][k] -------(9)
만약 ts[k] = 0 이라면, 전방갱신은 다음과 같이 행해진다.
ws,i[n][k+1] = ws,i[n][k] -------(10)
종래의 잡음 제거단께에서, 필터길이 Np,s= 64일 경우에는, 8-10dB의 더 좋은 크로스톡 제거방법이 발견되어졌다.
도6은 본 발명에 따르는 적응잡음 제거장치(1)와 젤린스키 스펙트럼 감산 잡음감소장치(70)를 결합한 직렬구조를 도시하고 있다. 이러한 결합된 잡음제거구성은 특히 자동차안에 있는 핸즈프리 통신을 위해 유용하다. 그 이유는 상관관계가 있는 잡음과 없는 잡음들이 사실상 제거되기 때문이다. 도6에서는, 다른 적응잡음 제거장치들(71,72)은 도3에 도시된 실시예들처럼 비슷한 형태를 가지고 있다. 잡음제거장치(71)는 4개의 마이크로폰들(73,74,75,76)을, 그리고, 잡음제거장치(72)는 4개의 마이크로폰들(77,78,79,80)을 가지고 있다. 젤린스키 스펙트럼 감산 잡음 감소장치는 PCT 출원 WO 95/16259호에 게재된 구조를 가지고 있다. 그 구조에 관한 내용은 참조난에 포함되어 있다. 도6에 도시된 형태중에서, 장치(1,71,72)에서는, 디지탈-아나로그 변환기(20)가 필요 없으며, 젤린스키 스펙트럼 감산 잡음감소장치(70)는 시간영역에서 실현될 수 있다. PCT 출원 WO 95/16259호에 게재된 상기 장치(70)는 장치들(1,71,72)의 출력신호들을 시간적으로 배열하기 위해서, 조정가능한 지연보상부(delay compensation sections: 91,92,93)를 가지고 있는 지연보상수단(90)으로 구성되어 있다. 시간적으로 배열된 신호들은 적응 비너(Wiener) 필터(95)에 연결된 가산기(94)에 공급된다. 비너 필터갱신 블록(96)은 상기 WO 95/126259호에 기제된 수정된 젤린스키 갱신 알고리즘을 응용함으로써, 이용될 수 있다. WO 95/16259호에서는, 스펙트럼 감산과정은, 각각의 입력신호에 응답하여, 크로스(cross) 스펙트럼들 중 결합된 크로스 스펙트럼에 대해 행해진다.
그 후에는, 비너 필터(95)의 필터 계수들은 음성 세그먼트 단위 형태로, 결합된 자동 전력 스펙트럼(auto power spectrum)과 결합된 크로스 전력 스펙트럼으로부터 결정된다. 스펙트럼 감산은, 상관관계가 있는 잡음 성분들이 존재하는 경우에, 주파수 범위의 하부부분에 대해서 행해진다.
도7은 본 발명에 따르며, 마이크로폰(21,23,...,50)들을 가지고 있는 마이크로폰 어레이(array:100)로 구성되어 있는 잡음감소 시스템(99)의 실시예를 도시하고 있다. 잡음제거장치(1)는 아나로그-디지탈 변환기들(18,19,...,51)로부터 나온 출력신호들(z0, z1,...zn)을 입력시키기 위해서, 입력 인터페이스(102)를 가지고 있는 마이크로제어기(101)와 디지탈-아나로그 변환기(20)에다 디지탈 신호(sout)를 출력시키는 출력 인터페이스(103), 그리고 RAM과 ROM메모리로 구성되어 있다. 최소한 한개의 디지탈 신호 처리기(106)는 마이크로제어기(101)에 연결되어 있으나, 신호처리부하(signal processing load)는 다른 디지탈 신호 처리기들(107,108)에 의해서, 공유될 수 있다. 마이크로제어기(101)는 아나로그-디지탈 입력/출력 동작과 그 반대동작들을 제어하고, 디지탈 신호처리기들(106,107,108)을 제어하기 위해서 프로그램되어져 있다. 이 실시예에서는, 도6에 도시된 잡음감소가 실현되며, 디지탈 신호처리기들(106,107,108)은 본 발명에 따르는 젤린스키 스펙트럼 감산 잡음감소와 적응잡음제거를 수행하기 위해서, 계산된 부하를 공유하고 있다.
디지탈-아나로그 변환기(20)는 감소되고, 상관관계가 있는 잡음과 감소되고 상관관계가 없는 잡음을 가진 디지탈 출력 신호(sout)를 변환시킨다. 이러한 잡음 감소 시스템(99)은 예를 들면, 핸즈프리 통신을 위해 이용된다.
도8은 본 발명에 따르는 적응잡음감소 장치(1)를 포함하고 있는 트랜시버(11)를 도시하고 있다. 트랜시버는 무선 통신 트랜시버, 셀룰러(cellular) 자동차폰(phone)등이 될 수 있다. 트랜시버(110)는 마이크로폰 어레이(100)와 전송/수신 안테나(111)에 연결되어 있다. 트랜시버(110)는 또한 잡음감소 시스템(99)에 연결되어 있는 베이스밴드(baseband) 처리기(112)와 베이스밴드에서 처리된 신호를 변조하는 변조기(113)를 추가로 포함하고 있다. 출력측에서는, 변조기(113)가 혼합기(mixer:114)에 연결되어 있다. 혼합기의 입력은 국부 발진기(local oscillator : 115)에, 출력은 무선주파수 전력증폭기(116)에 연결되어 있다. 무선주파수 전력증폭기(116)는 전송 프론트-앤드(front-end:118)를 통해 듀플렉서 (duplexer:117)에 연결되어 있다. 듀플레서(117)는 수신 프론트-앤드(119)에 연결되어 있다.
다른 트랜시버 회로는 자세히 도시되지 않았다. 트랜시버(110)는 DECT(Digital European Cordless Telecommunications) 트랜시버, GSM(Global System for Mobile Communications) 트랜시버 또는 다른 적합한 트랜시버가 될 수 있다. 잡음감소 시스템(99)은 마이크로폰 어레이(100)와 종래의 트랜시버의 마이크로폰 입력 사이에 연결될 수 있는 독립된 시스템이될 수 있다.
도9는 마이크로폰 어레이(100)의 제1 마이크로폰 형태를 도시하고 있다. 이 실시예에서는, 상기 어레이가 공간적으로 선형힌 형태이며, 마이크로폰들(21,22,40,50)은 방향성을 가질 필요는 없다. 마이크로폰들은 인라인(inline)이며, (도시가 안된) 스피커쪽으로 향해 있으며, 화살표(AR)는 스피커로부터 외부쪽으로 나가는 방향을 표시하고 있다. 마이크로폰 어레이(100)는 마이크로폰(21), 아나로그-디지탈 변환기(18), 일차 신호(z0)를 위한, 조정가능한 지연(24)과 가산기(224), 마이크로폰들(22,40,50)의 각 캐스케이드(cascades), 아나로그-디지탈 변환기들(19,41,51), 그리고, 각각의 기준신호들(z1, z2, z3)을 위한 조정가능한 지연들(241,242,243)과 감산기들(245,246,247)로 구성되어 있다. 조정가능한 지연들(240,241,242,243)의 출력들은 가산기(244)에 더해진다. 감산기(245)는 조정가능한 지연(241)의 출력신호로부터 조정가능한 지연(240)의 출력신호를 감산한다.
감산기(246)는 조정가능한 지연(242)의 출력신호로부터 조정가능한 지연(241)의 출력신호를 감산한다. 감산기(247)는 조정가능한 지연(243)의 출력신호로부터 조정가능한 지연(242)의 출력신호를 감산한다. 조정가능한 지연들(240,241,242,243)은 조정이 되기 때문에, 샘플로 선택된 마이크로폰 신호들은 위상이 조정이 되게 된다.
도10은 마이크로폰 어레이(100)의 제2 마이크로폰 어레리 형태를 도시하고 있다. 이 실시예에서는, 마이크로폰들(21,22,40,50)은 방향성(directional) 마이크로폰들이며, 어레이는 공간적인면에서 고찰했을 때에, 마이크로폰(21)이 스피커 쪽으로 향해 있는 크로스(cross) 형태를 띠고 있다.

Claims (10)

  1. 잡음이 있는 신호에 대한 주요 신호 입력과, 최소한 한 개의 기준 신호입력, 잡음이 제거된 신호에 대한 신호출력, 입력이 제1 감산기를 통해서 기준신호입력에 연결되어 있고, 출력은 제2 감산기의 제1 입력에 연결되어 있는 적응잡음필터와 입력이 신호출력에 연결되어 있고, 출력이 제1 감산기의 제1 입력에 연결되어 있는 적응 크로스톡 필터로 구성되어 있으며,
    상기 주요신호입력은 제2 감산기의 제2 입력에 연결되어 있고, 제2 감산기의 출력은 신호출력에 연결되어 있으며, 기준신호입력은 제1 감산기의 제2 입력에 연결되어 있고, 잡음이 있는 신호내의 잡음을 제거하는 적응잡음제거장치에 있어서,
    적응 크로스톡 필터는 주요신호를 프리필터하는 프리필터부와, 프리필터부의 계수들을 결정하는 적응 필터부로 구성되어 있으며, 프리필터부의 입력은 주요신호 입력에 연결되어 있고, 적응필터부의 입력은 신호출력에 연결되어 있으며,
    상기 적응잡음제거장치는, 제 1 지연부와, 제2 지연부로 구성되어 있으며, 제1 지연부는 주요신호입력과 제2 감산기의 제2 입력 사이에 연결되어 있으며, 제2 지연부는 적응잡음필터의 입력과 적응 크로스톡 필터 사이에 연결되어 있는 것을 특징으로하는 적응잡음제거장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    제2 지연부의 출력은 적응필터부의 입력에 직접 연결되어 있으며, 적응필터부는 결정된 계수들을 프리필터부에 무조건 전달하기 위해서 배열되어 있는 적응잡음 제거장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    제2 지연부의 출력은 제2 입력이 적응필터부의 출력에 연결되어 있는 제3 감산기(subtracter)의 제1 입력에 연결되어 있으며, 제3 감산기의 출력은 적응필터부의 입력에 연결되어 있고, 적응필터부는 결정된 계수들을 프리필터부에 어떤 조건하에서 전달하도록 배열되어 있는 적응잡음 제거장치.
  4. 제1, 2, 또는 3항에 있어서,
    적응잡음 제거장치는 한 개 이상의 기준신호 입력들과, 각각의 입력들이 각각의 기준 신호입력들에 연결되어 있는 적응잡음 필터들, 그리고, 각각의 입력들이 적응잡음필터들의 각 출력들에 연결되어 있고, 출력이 신호출력에 연결되어 있는 가산기로 구성되어 있으며,
    청구항 제1, 2, 또는 3항에서 청구된 각각의 기준 신호들에 대해서는 크로스톡 적응필터 구조를 가지고 있는 적응잡음 제거장치.
  5. 적응잡음 제거장치에 있어서,
    청구항 제1, 2, 3 또는 4항에서 청구된 적응잡음 제거장치와, 젤린스키 스펙트럼감산 잡음감소장치를 직렬로 배열한 장치인 적응잡음 제거장치.
  6. 잡음감소 시스템에 있어서,
    최소한 한 개의 디지탈 신호 처리기에 샘플이 된 마이크로폰 신호들을 제공하기 위해서, 각 아나로그-디지탈 변환기들에 연결되어 있으며, 좁은 간격을 두고 배열되어 있는 최소한 두 개의 마이크로폰들과, 일차 신호를 제공하는 한 개의 디지탈-아나로그 변환기, 그리고, 기준신호를 제공하는 최소한 한 개의 다른 마이크로폰으로 구성되어 있고,
    또한, 상술한 항들 중 어느 한 항에서 청구된 적응잡음 제거장치를 포함하고 있으며, 상기 최소한 한 개의 디지탈 신호 처리기는 적응잡음 제거장치를 구현하기 위해서, 프로그램되어져 있는 잡음감소 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    적응잡음필터의 길이가 적응 크로스톡필터의 길이보다 더 긴 잡음감소시스템.
  8. 제6 또는 7항에 있어서,
    좁은 간격으로 배열된 마이크로폰들은 공간적인 면에서 보았을 때에, 선형형태로 구성되어 있으며, 마이크로폰 신호들에 대한 사전처리(pre-processing)장치가 포함되어 있으며,
    상기 사전처리 장치는, 지연조정수단과 주요 신호경로내에 있는 가산기의 캐스케이드(cascade), 그리고, 지연조정수단과 기준신호경로들내에 있는 감산기들의 캐스케이드들, 지연조정수단의 출력신호들을 더해주는 가산기와, 지연된 제1 기준 신호로부터 지연된 주요 신호를, 그리고, 지연된 제2 기준신호에서 지연된 제1 기준신호를, 지연된 제2 기준신호에서 지연된 제2 기준 신호를 빼는 감산기들로 구성되어 있는 잡음감소 시스템.
  9. 제6항 또는 제7 항에 있어서,
    좁은 간격으로 배열된 마이크로폰들은 공간적인 면에서 보았을 대에, 크로스형태로 구성되어 있으며, 마이크로폰들은 방향성 마이크로폰들이라는 것이 특징인 잡음감소 시스템.
  10. 트랜시버에 있어서,
    베이스밴드 처리기, 변조수단, 전송경로내에 있는 혼합수단과 전송/수신 안테나와 수신경로로 구성되어 있으며, 베이스밴드 처리기는 전술한 항들 중 어느 한항에서 청구된 적응잡음 제거장치 또는 잡음감소 시스템에 연결되어 있는 트랜시버.
KR1019970705566A 1995-12-15 1996-11-26 적응잡음 제거장치, 잡음감소 시스템과 트랜시버 KR19980702171A (ko)

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