KR19990043757A - Structure of Microphone Array Beam Former Using Bandwidth Splitter - Google Patents

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연광일
이찬길
김경수
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정선종
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Abstract

본 발명은 대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a microphone array beam former using a band division processor.

배열 마이크로폰은 무잡음 환경에서 이동하는 음원으로부터 음향 신호를 고감도로 감지하기 위해서 사용된다. 그러나 감도를 유지하기 위해서는 음원의 이동 영역에 걸쳐 마이크로폰을 설치해야 하며, 잡음 환경에서 정지 혹은 이동하는 음향원만의 신호를 추출하기는 불가능하다.Array microphones are used to sense high sensitivity sound signals from moving sources in a noisy environment. However, in order to maintain the sensitivity, the microphone should be installed over the moving area of the sound source, and it is impossible to extract the signal of only the sound source moving or stopping in a noisy environment.

음성 신호는 매우 대역이 넓은 신호이므로 이론적으로는 빔 형성기를 구성하는 것이 불가능하지만, 본 발명에서는 대역 분할 처리기에 의해 광대역 신호를 협대역화한 후 간단한 시간지연 보상기를 사용하여 간단한 빔 형성기를 구현하여 감지되는 음향 신호의 신호 대 잡음비를 최적으로 유지할 수 있는 대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조가 제시된다.Since the speech signal is a wide band signal, theoretically, it is impossible to construct a beamformer. However, in the present invention, after narrowing the wideband signal by a band splitting processor, a simple beamformer is implemented using a simple time delay compensator. A structure of a microphone array beam former using a band splitting processor capable of optimally maintaining a signal-to-noise ratio of a sensed acoustic signal is presented.

Description

대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조Structure of Microphone Array Beam Former Using Bandwidth Splitter

본 발명은 대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조에 관한 것으로, 특히 잡음 환경에서 특정 음원에 마이크로폰의 빔을 형성시키거나 음원의 이동시 자동적으로 음원을 추적하여 신호 대 잡음비를 규정치 이상을 유지할 수 있는 대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a microphone array beam former using a band splitting processor, and in particular, in a noisy environment, a microphone beam can be formed in a specific sound source or automatically tracked when a sound source is moved to maintain a signal-to-noise ratio above a specified value. The present invention relates to a structure of a microphone array beam former using a band splitting processor.

무잡음 환경에서 이동하는 음원으로부터 음향 신호를 고감도로 감지하기 위해서는 배열 마이크로폰을 사용할 수 있다. 그러나 이동하는 음원으로부터 감도를 유지하기 위해서는 음원의 이동 영역에 걸쳐 마이크로폰을 설치해야 하며, 정지 또는 이동하는 음향원만의 신호를 추출하는 것은 불가능하다.Array microphones can be used to detect acoustic signals with high sensitivity from moving sources in a noisy environment. However, in order to maintain the sensitivity from the moving sound source, the microphone must be installed over the moving area of the sound source, and it is impossible to extract a signal of only the sound source moving or stopping.

적응 마이크로폰 배열 빔 형성기(Adaptive Microphone Array Beamformer ;이하 AMAB라 함)는 잡음 환경에서 특정 음원에 마이크로폰의 빔을 형성시켜 잡음을 제거하거나 음원의 이동시 자동적으로 음원을 추적할 수 있는 장치이다. 이 적응형 빔 형성기에 의해 마이크로폰의 빔을 음원 방향으로 자동으로 지향시키는 자동 모드 또는 PC 제어에 의해 특정 방향으로 빔을 지향시키는 수동모드로 동작시킬 수 있으며 수동 모드인 경우에는 단일 또는 다수의 빔을 형성할 수 있다.The adaptive microphone array beamformer (hereinafter referred to as AMAB) is a device that can remove a noise or automatically track a sound source when the sound source is moved by forming a beam of a microphone in a specific sound source in a noise environment. This adaptive beamformer can be operated in either an automatic mode that automatically directs the microphone's beam in the sound source direction or in a manual mode that directs the beam in a specific direction by PC control. In the manual mode, single or multiple beams can be operated. Can be formed.

잡음 환경에서 특정 음원으로부터의 신호만을 수집할 경우 배경 잡음으로 인해 신호 대 잡음비가 저하되고, 음원이 마이크로폰에서 멀리 떨어져 있는 경우에도 주위 잡음에 민감하게 영향을 받을 수 있다. 또한 회의환경을 구성할 경우에도 각 패널리스트를 위한 마이크로폰을 탁자 위에 설치하여야 하는 번거로움 있다. 스포츠 구장에서 카메라의 방향에 따라 마이크로폰을 조향시키면 생동감이 있는 음향신호를 수집할 수 있다. 이러한 음향 환경에서 적응형 마이크로폰 빔 형성기를 사용하면 잡음 대 간섭비를 향상시킬 수 있고 저잡음 환경 하에서도 원격 마이크로폰 기능으로 원하는 음향신호를 수집할 수 있다. 그러나 음성 신호는 매우 광대역 신호이므로 음성 신호 감지를 위해 빔 형성기를 적용하는 것이 불가능한 문제점이 있다.Acquiring only signals from a particular sound source in a noisy environment can degrade the signal-to-noise ratio due to background noise, and can be susceptible to ambient noise even when the sound source is far from the microphone. In addition, when configuring a conference environment, it is troublesome to install a microphone for each panelist on the table. Steering the microphone according to the direction of the camera in the sports field can collect lively sound signals. In these acoustic environments, the use of an adaptive microphone beamformer can improve the noise-to-interference ratio and collect the desired acoustic signal with the remote microphone function even under low noise environments. However, since the voice signal is a very wideband signal, there is a problem in that it is impossible to apply a beam former for voice signal detection.

따라서, 본 발명은 대역 분할 처리기를 이용하여 배열 마이크로폰에 감지된 광대역 음원 신호를 협대역 처리한 후 시간 지연 보상기에 의해 빔 형성을 제어하므로써 잡음 대 간섭비를 향상시키고 저잡음 환경에서도 원격 마이크로폰 기능으로 원하는 음향 신호를 수집할 수 있는 대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention improves the noise-to-interference ratio by controlling the beam formation by the time delay compensator after narrowband processing the wideband sound signal sensed by the array microphones using a band splitter, and the remote microphone function is desired even in a low noise environment. It is an object of the present invention to provide a structure of a microphone array beam former using a band splitting processor capable of collecting sound signals.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조는 마이크로폰으로 입력된 수신 신호의 잡음을 낮추기 위한 제 1 저잡음 증폭기와, 상기 제 1 저잡음 증폭기에 의해 증폭된 마이크로폰 입력 신호를 디지털화 하기 위한 아날로그/디지털 변환기와, 상기 디지털화된 광대역 마이크로폰 신호를 협대역화하기 위한 유한 임펄스 응답 필터와, 상기 유한 임펄스 응답 필터에 의해 협대역 신호로 변화된 마이크로폰의 입력 신호를 저장하기 위한 메모리와, 상기 각 마이크로폰과 음원의 거리에 따른 지연차 정보를 이용하여 상기 메모리에 저장된 데이터를 해당 지연차에 따라 읽는 시간지연 보상기와, 상기 시간제연 보상기를 이용하여 읽어낸 상기 메모리에 저장된 데이터를 합성하여 빔을 형성하는 제 1 덧셈기와, 상기 빔 형성된 보조 배열 마이크로폰의 출력에 대해 보조 어레이 간의 합성 신호 전역을 균일하게 하고 합성된 신호의 왜곡을 방지하기 위한 이득 조정기와, 상기 보조 배열 마이크로폰의 출력을 합성하는 제 2 덧셈기와, 상기 합성된 신호를 아날로그화하고 잡음을 제거하는 디지털/아날로그 변환기 및 제 2 저잡음 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A structure of a microphone array beam former using a band splitting processor according to the present invention for achieving the above object includes a first low noise amplifier for reducing noise of a received signal input to a microphone, and a microphone amplified by the first low noise amplifier. An analog-to-digital converter for digitizing an input signal, a finite impulse response filter for narrowbanding the digitized wideband microphone signal, and for storing an input signal of a microphone transformed into a narrowband signal by the finite impulse response filter A time delay compensator for reading the data stored in the memory according to the delay difference using a memory, delay difference information according to the distance between each microphone and the sound source, and data stored in the memory read out using the time delay compensator. To form a beam A first adder, a gain adjuster for equalizing the entire composite signal between the auxiliary arrays with respect to the output of the beamed auxiliary array microphones and preventing distortion of the synthesized signal, and a second adder for synthesizing the outputs of the auxiliary array microphones; And a digital to analog converter for analogizing the synthesized signal and removing noise, and a second low noise amplifier.

도 1은 본 발명에 따른 능동 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조도.1 is a structural diagram of an active microphone array beam former according to the present invention;

도 2는 디지털 필터 조합에 의해 협대역 신호로 분할된 광대역 마이크로폰 신호를 설명하기 위한 그래프.2 is a graph for explaining a wideband microphone signal divided into a narrowband signal by a digital filter combination;

도 3은 마이크로폰 배열의 구성도.3 is a schematic diagram of a microphone array;

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

101, 102, 115 : 저잡음 증폭기101, 102, 115: low noise amplifier

103, 104 : 아날로그/디지털 변환기103, 104: Analog-to-digital converter

114 : 디지털/아날로그 변환기114: Digital to Analog Converters

105, 106 : FIR 필터105, 106: FIR filter

107, 108 : 메모리107, 108: memory

109 : 이득 조정 및 시간지연 보상기109: Gain Adjustment and Time Delay Compensator

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 능동 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조도이다.1 is a structural diagram of an active microphone array beam former according to the present invention.

마이크로폰의 입력은 제 1 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier ;이하 LNA라 함)(101 및 102)에 의해 증폭된후 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog-Digital Converter)(103 및 104)에 의해 디지털화 된다. 디지털화된 광대역 마이크로폰 신호는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response ;이하 FIR이라 함) 필터(105 및 106)에 의해 협대역화된다.The input of the microphone is amplified by first low noise amplifiers (hereinafter referred to as LNAs) 101 and 102 and then digitized by analog-to-digital converters (ADCs) 103 and 104. The digitized wideband microphone signal is narrowbanded by finite impulse response (FIR) filters 105 and 106.

도 2는 FIR 필터(105 및 106) 조합에 의해 협대역 신호로 분할된 광대역 마이크로폰 신호를 설명하기 위한 그래프로서, 주파수가 수십 Hz 내지 수 KHz인 디지털화된 광대역 마아크로폰 신호가 FIR 필터(105 및 106) 조합에 의해 협대역 신호로 분할되었음을 보여준다. 예를 들어, 90Hz에서 4800Hz까지의 스펙트럼을 갖는 입력 신호를 대역 분할 처리(Band Split Processing)를 하기 위해서는 첫 번째 FIR 필터는 중심 주파수로 120Hz, 차단주파수로 90Hz와 150Hz를 갖으며 8번째 디지털 필터는 3840Hz의 중심주파수, 2880Hz와 4800Hz의 차단 주파수를 갖는다. 대역 분할 처리를 위한 각 필터의 대역폭과 처리 대역폭은 설계 변수이며 이에 따라 필터의 개수 N이 정해진다. 마이크로폰 배열은 N개의 보조 마이크로폰 배열로 구성되며 각 보조 마이크로폰 배열에서 단일 마이크로폰간의 거리는 도 3에 나타낸 바와 같다.FIG. 2 is a graph for explaining a wideband microphone signal divided into a narrowband signal by the combination of the FIR filters 105 and 106, in which a digitized wideband microphone signal having a frequency of several tens of Hz to several KHz is used for the FIR filter 105 and 106 shows that the signal has been divided into narrowband signals by combination. For example, to perform band split processing on an input signal with a spectrum from 90 Hz to 4800 Hz, the first FIR filter has 120 Hz as the center frequency, 90 Hz and 150 Hz as the cutoff frequency, and the eighth digital filter It has a center frequency of 3840 Hz and a cutoff frequency of 2880 Hz and 4800 Hz. The bandwidth and processing bandwidth of each filter for band division processing are design variables, and the number of filters N is determined accordingly. The microphone array consists of N auxiliary microphone arrays, and the distance between single microphones in each auxiliary microphone array is shown in FIG. 3.

도 3은 마이크로폰 배열의 구성도로서, 엘리어싱(aliasing)을 방지하기 위해 FIR 필터의 중심 주파수에 해당하는 파장의 1/2로 마이크로폰을 배열시켰음을 알 수 있다.3 is a configuration diagram of the microphone array, and it can be seen that the microphones are arranged at half of the wavelength corresponding to the center frequency of the FIR filter to prevent aliasing.

FIR 필터(105 및 106)에 의해 협대역 신호로 변화된 마이크로폰의 입력 신호는 메모리(107 및 108)에 저장된다. 음원과 각 마이크로폰의 거리에 따른 지연차 정보를 갖고 있는 시간지연 보상기(109)는 해당 지연차에 따른 데이터를 메모리(107 및 108)로부터 읽어 제 1 덧셈기(110)를 통하여 합성한다. 따라서 원하는 영역으로 빔을 형성할 수 있다. 여기서 빔 형성을 음원의 이동에 따라 자동적으로 추적하기 위해서는 추적 알고리즘이 필요하다.The input signal of the microphone, which has been converted into a narrowband signal by the FIR filters 105 and 106, is stored in the memories 107 and 108. The time delay compensator 109 having delay difference information according to the distance between the sound source and each microphone synthesizes the data according to the delay difference from the memories 107 and 108 through the first adder 110. Therefore, the beam can be formed in a desired area. Here, a tracking algorithm is required to automatically track the beam formation as the sound source moves.

이러한 방법으로 빔을 형성한 배열 마이크로폰의 출력은 보조 어레이간의 합성 신호 전력을 균일하게 하기 위해 이득 조정기(109)와 믹서(111 및 112)에서 결합되어 합성된 신호의 왜곡을 방지하고, 이후 제 2 덧셈기(113)에서 합성된다. 이후 합성된 신호는 디지털/아날로그 변환기(114) 및 제 2 저잡음 증폭기(115)를 거치게 된다.The outputs of the array microphones that form the beam in this way are combined in the gain adjuster 109 and the mixers 111 and 112 to prevent the distortion of the synthesized signal, so as to equalize the composite signal power between the auxiliary arrays, and then the second It is synthesized in the adder 113. The synthesized signal then passes through a digital to analog converter 114 and a second low noise amplifier 115.

이러한 구조를 갖는 능동 빔 형성기의 구현을 위해서는 설명한 바와 같이, 아날로그/디지털 변환기, 디지털/아날로그 변환기와 FIR 필터가 필요한데 음성 신호는 주파수 대역이 보통 4KHz 이하로 국한되므로, 고속 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing ;DSP)나 특정 용도 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit ;ASIC)를 사용하면 용이하게 구현될 수 있다. 또한 마이크로폰 빔은 수동 또는 자동으로 형성 가능하고 자동 모드인 경우 빔 추적 알고리즘이 필요하며, 동작에 필요한 모든 제어는 PC 또는 전용 프로세서로 구현할 수 있다.As described in order to implement an active beam former having such a structure, an analog / digital converter, a digital / analog converter, and a FIR filter are required. Since a voice signal is usually limited to 4 KHz or less, high-speed digital signal processing (Digital Signal Processing) ; DSP or Application Specific Integrated Circuit (ASIC) can be easily implemented. In addition, the microphone beam can be manually or automatically formed and a beam tracking algorithm is required when in automatic mode, and all the controls required for operation can be implemented with a PC or a dedicated processor.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 배경 잡음 환경에서 특정 음원으로부터의 신호만을 수집하거나 음원이 마이크로폰에서 멀리 떨어져 있는 경우 적응형 마이크로폰 빔 형성기를 사용하므로써 잡음 대 간섭비를 향상시킬 수 있으며 저잡음 환경 하에서도 원격 마이크로폰 기능으로 원하는 음향 신호를 수집할 수 있다. 또한 적응형 마이크로 빔 형성기는 지연 보상기와 대역 분할 처리기에 의해 마이크로폰 빔을 형성하므로 그 구조가 간단하여 범용 디지털 프로세서에 의해 필터, 시간지연 보상 및 이득 조정기를 용이하게 구현할 수 있고 시스템 규격에 따라 시스템의 확장 및 변경이 유연하게 이루어질 수 있는 탁월한 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the noise-to-interference ratio can be improved by collecting the signal from a particular sound source in a background noise environment or by using an adaptive microphone beam former when the sound source is far from the microphone, even in a low noise environment. The remote microphone function allows you to collect the desired acoustic signal. In addition, the adaptive micro beamformer forms the microphone beam by the delay compensator and the band division processor, so its structure is simple, so that the filter, time delay compensation and gain adjuster can be easily implemented by the general-purpose digital processor, There is an excellent effect that the expansion and change can be made flexibly.

Claims (1)

마이크로폰으로 입력된 수신 신호의 잡음을 낮추기 위한 제 1 저잡음 증폭기와,A first low noise amplifier for reducing noise of a received signal input to the microphone, 상기 저잡음 증폭기에 의해 증폭된 마이크로폰 입력 신호를 디지털화 하기 위한 아날로그/디지털 변환기와,An analog / digital converter for digitizing a microphone input signal amplified by the low noise amplifier, 상기 디지털화된 광대역 마이크로폰 신호를 협대역화하기 위한 유한 임펄스 응답 필터와,A finite impulse response filter for narrowbanding the digitized wideband microphone signal; 상기 유한 임펄스 응답 필터에 의해 협대역 신호로 변화된 마이크로폰의 입력 신호를 저장하기 위한 메모리와,A memory for storing an input signal of a microphone converted into a narrowband signal by the finite impulse response filter; 상기 각 마이크로폰과 음원의 거리에 따른 지연차 정보를 이용하여 상기 메모리에 저장된 데이터를 해당 지연차에 따라 읽는 시간지연 보상기와,A time delay compensator for reading data stored in the memory according to a delay difference by using delay difference information according to a distance between each microphone and a sound source; 상기 시간제연 보상기를 이용하여 읽어낸 상기 메모리에 저장된 데이터를 합성하여 빔을 형성하는 제 1 덧셈기와,A first adder for synthesizing the data stored in the memory read using the time delay compensator to form a beam; 상기 빔 형성된 보조 배열 마이크로폰의 출력에 대해 보조 어레이 간의 합성 신호 전역을 균일하게 하고 합성된 신호의 왜곡을 방지하기 위한 이득 조정기와,A gain adjuster for equalizing the entire synthesized signal between the auxiliary arrays with respect to the output of the beamed auxiliary array microphones and preventing distortion of the synthesized signal; 상기 보조 배열 마이크로폰의 출력을 합성하는 제 2 덧셈기와,A second adder for synthesizing the output of the auxiliary array microphone, 상기 합성된 신호를 아날로그화 하고 잡음을 제거하는 디지털/아날로그 변환기 및 제 2 저잡음 증폭기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대역 분할 처리기를 이용한 마이크로폰 배열 빔 형성기의 구조.And a second low noise amplifier and a digital to analog converter for analogizing and synthesizing the synthesized signal.
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