KR20000002639A - 라우드니스 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

라우드니스 제어 방법 및 장치가 개시된다. 사운드 신호를 저주파, 중간 주파 및 고주파의 3개 주파수 대역으로 나누고, 볼륨 레벨에 따라 각각의 주파수 대역에 대해 라우드니스를 제어하는 본 발명에 의한 라우드니스 제어 방법에 있어서, 사운드 신호가 저주파 대역의 신호인가를 판단하는 (a)단계, (a)단계에서 사운드 신호가 저주파 대역의 신호이면, 볼륨 레벨에 라우드니스 보상을 위한 제1 상수를 더하고, 더한 결과를 저주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로서 구하는 (b)단계, (a)단계에서 사운드 신호가 저주파 대역의 신호가 아니면, 사운드 신호가 고주파 대역의 신호인가를 판단하는 (c)단계, (c)단계에서 사운드 신호가 고주파 대역의 신호이면, 볼륨 레벨에 제2 상수를 더하고, 더한 결과를 고주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로 구하는 (d)단계 및 상기 (c)단계에서 사운드 신호가 중간 주파 대역의 신호이면, 볼륨 레벨을 그대로 중간 주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로 구하는 (e)단계로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 볼륨 레벨에 저주파 대역에서 라우드니스 보상을 위한 상수 및 고주파 대역에서 라우드니스 보상을 위한 상수를 각각 더해주는 간단한 방법에 의해 저주파 대역 및 고주파 대역에서 라우드니스 보상 레벨을 구할 수 있으며, 이로인해 라우드니스 제어 장치의 회로 구성을 간단히 할 수 있는 효과가 있다.

Description

라우드니스 제어 방법 및 장치
본 발명은 오디오 시스템에 관한 것으로, 특히, 간단한 방법에 의해 라우드니스 보상 레벨을 구하므로서 회로 구성을 간단히 하는 라우드니스 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
인간의 청각은 사운드 신호의 저주파 대역과 고주파 대역에 대해 낮은 레벨에서는 예민하지 못하다. 예를 들어, 오디오 시스템에서 가청 주파수 전 대역에 대해 잘 들리던 신호의 볼륨(volume)을 낮추어 가면, 중간 주파수 대역(1kHz~10kHz)에 비해 저주파 대역(1kHz이하)과 고주파 대역(10kHz이상)의 소리가 잘 들리지 않게 된다. 즉, 중간 주파수 영역에서는 볼륨을 낮추어 사운드 신호의 인텐서티(intensity)를 작게하면, 인간의 귀로 느끼는 소리의 라우드니스(loudness)도 거의 동일한 비율로 작아지게 된다. 그러나, 저주파 또는 고주파 대역에서 볼륨을 낮추어 사운드 신호의 인텐서티를 작게하면, 인간의 귀로 느끼는 소리의 라우드니스는 인텐서티가 작아지는 것보다 급격히 작아지게 된다. 따라서, 볼륨을 낮추어 사운드 신호의 인텐서티를 작게 하더라도 가청 주파수 전 대역에서 음이 고르게 들리게 하기 위해 즉, 라우드니스를 고르게 하기 위해 저주파 대역과 고주파 대역 부근에서는 라우드니스의 보상이 필요하게 된다.
다음 수학식 1은 라우드니스 보상 레벨(L)에 상응하여 라우드니스가 보상된 사운드 신호의 인텐서티(Io)를 나타내는 수식이다.
Io=Ii*L
여기서, Ii는 볼륨 조정이 되기 전 사운드 신호의 인텐서티를 나타내고, 이때, L은 볼륨 레벨에 상응하는 라우드니스 보상 레벨을 나타낸다.
수학식 1와 같이 각 주파수 대역에서 볼륨 레벨(V)에 상응하여 라우드니스를 보상하기 위해서 각 볼륨 레벨(V)에 따른 라우드니스 보상 레벨 L을 구해야 한다.
도 1(a)~(c)는 사운드 신호를 저주파, 중간 주파 및 고주파의 3개 대역으로 나주고, 각 대역에서 볼륨 레벨(V)과 라우드니스 보상 레벨(L)의 관계를 나타내는 그래프들로서, 도 1(a)는 1kHz 이하의 저주파 대역에서 볼륨 레벨(V)과 라우드니스 보상 레벨(L)의 관계를 나타내고, 도 1(b)는 1kHz ~ 10kHz 사이의 중간 주파 대역에서 라우드니스 보상 레벨(L)과 볼륨 레벨(V)의 관계를 나타내고, 도 1(c)는 10kHz 이상의 고주파 대역에서 라우드니스 보상 레벨(L)과 볼륨 레벨(V)의 관계를 각각 나타낸다.
먼저, 도 1(b)를 참조하면, 라우드니스 보상 레벨(L)과 볼륨 레벨(V)이 동일하다. 즉, 위에서 언급했듯이 중간 주파수 대역(1kHz ~ 10kHz)에서는 볼륨 레벨(V)을 낮추어 사운드 신호의 인텐서티를 작게할 때, 인간의 귀으로 느끼는 라우드니스도 비슷한 레벨로 작아진다. 따라서, 중간 주파수 대역에서는 볼륨 레벨(V)에 따라 라우드니스를 보상해줄 필요가 없게 되며, 결과적으로, 수학식 1에 의해 최종 출력되는 인텐서티는 볼륨 레벨(V)에 상응하여 변화된다.
다음으로, 도 1(a) 및 도 1(c)를 참조하면, 저주파 대역(1kHz이하) 및 고주파 대역(10kHz이상)에서는 각 볼륨 레벨(V)에 대해 라우드니스가 보상되었음을 알 수 있다. 즉, 위에서 언급했듯이 저주파 및 고주파 대역에서는 볼륨 레벨을 낮추어 사운드 신호의 인텐서티를 작게할 때, 인간의 귀로 느끼는 라우드니스는 인텐서티가 작아지는 것보다 급격히 작아진다. 따라서, 저주파 및 고주파 대역에서는 볼륨 레벨(V)에 따라 라우드니스를 보상해주어야 한다.
도 1(a)를 참조하여 더욱 상세히 설명하면, 예를들어 볼륨 레벨(V)을 -80[dB]로 하였을 경우 이때의 라우드니스 보상 레벨(L)은 -60[dB]이다. 이때, 볼륨 레벨(V)에 따른 라우드니스 보상 레벨(L)은 다음 수학식 2와 같이 일반화하여 나타낼 수 있다.
L=(-60/-80)*V = 3/4*V
이때, 라우드니스 보상 레벨(L) 및 볼륨 레벨(V)은 각각 데시벨 단위의 레벨이다. 따라서, 수학식 2에 나타난 식은 다음 수학식 3과 같이 실제 라우드니스 보상 레벨(l) 및 볼륨 레벨(v)을 이용하여 나타낼수 있다. 결과적으로, 수학식 3에 의해 실제 회로 구현상에서 필요로하는 라우드니스 보상 레벨(l)을 구할 수 있고, 이를 수학식 4에 나타내었다.
20*log(l)=3/4*20*log(v)
l=10(3/4)*log(v)
수학식 4를 참조하면, 라우드니스 보상 레벨(l)을 구하기 위해 복잡한 지수승 계산 과정을 필요로 하며, 이로인해 회로 구현이 복잡해지는 문제점이 발생한다. 또한, 이러한 복잡한 과정을 피하기 위해 각 볼륨 레벨(v)에 대한 라우드니스 보상 레벨(l)을 룩업 테이블로 만들어 사용할 수도 있으나, 이 경우 룩업 테이블 저장을 위한 메모리가 추가적으로 필요하다는 문제점이 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복잡한 계산 과정 또는 별도의 메모리를 사용하지 않고 사운드 신호의 주파수 대역에 따라 간단히 라우드니스를 제어하는 라우드니스 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 방법에 의한 라우드니스 제어 장치를 제공하는 데 있다.
도 1a~도1c는 사운드 신호의 각 주파수 대역에서 볼륨 레벨과 라우드니스 보상 레벨의 관계를 나타내는 그래프들이다.
도 2는 가청 주파수에 대한 음의 인텐서티와 라우드니스의 관계를 나타낸 플레쳐-먼슨 곡선(Fletcher-Munson curve)이다.
도 3은 본 발명에 의한 사운드 신호의 주파수 대역에 따른 라우드니스 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 4(a)~(b)는 본 발명에 의해 구한 라우드니스 보상 레벨과 볼륨 레벨의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 라우드니스 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
상기 과제를 이루기 위해, 사운드 신호를 저주파, 중간 주파 및 고주파의 3개 주파수 대역으로 나누고, 볼륨 레벨에 따라 각각의 주파수 대역에 대해 라우드니스를 제어하는 본 발명에 의한 라우드니스 제어 방법에 있어서, 사운드 신호가 저주파 대역의 신호인가를 판단하는 (a)단계, (a)단계에서 사운드 신호가 저주파 대역의 신호이면, 볼륨 레벨에 라우드니스 보상을 위한 제1 상수를 더하고, 더한 결과를 저주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로서 구하는 (b)단계, (a)단계에서 사운드 신호가 저주파 대역의 신호가 아니면, 사운드 신호가 고주파 대역의 신호인가를 판단하는 (c)단계, (c)단계에서 사운드 신호가 고주파 대역의 신호이면, 볼륨 레벨에 제2 상수를 더하고, 더한 결과를 고주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로 구하는 (d)단계 및 상기 (c)단계에서 사운드 신호가 중간 주파 대역의 신호이면, 볼륨 레벨을 그대로 중간 주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로 구하는 (e)단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 라우드니스 제어 장치는 입력된 사운드 신호의 저주파수 성분만을 필터링하는 저역 통과 필터, 입력된 사운드 신호의 중간 주파수 성분만을 필터링하는 대역 통과 필터, 입력된 사운드 신호의 고주파수 성분만을 필터링하는 고역 통과 필터, 저역 통과 필터로부터 출력된 신호를 다음 식에서 구해진 라우드니스 보상 레벨 ll(n)에 상응하여 증폭하는 제1 증폭기,
ll(n)=v(n)+C1
(여기서, v(n)은 볼륨 레벨을 나타내고, C1은 저주파 대역에서의 라우드니스 보상 상수를 나타내고, n은 볼륨 인덱스를 각각 나타낸다.)
대역 통과 필터로부터 출력된 신호를 다음 식에서 구해진 상기 라우드니스 보상 레벨 lm(n)에 상응하여 증폭하는 제2 증폭기,
lm(n)=v(n)
고역 통과 필터로부터 출력된 신호를 다음 식에서 구해진 상기 라우드니스 보상 레벨 lh(n)에 상응하여 증폭하는 제3 증폭기 및
lh(n)=v(n)+C2
(여기서 , C2는 고주파 대역에서의 라우드니스 보상 상수를 나타낸다.)
상기 제1, 제2 및 제3 증폭기로부터 출력된 신호를 합성하고, 합성된 신호를 라우드니스가 보상된 사운드 신호로서 출력하는 신호 합성 수단으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 라우드니스 제어 방법 및 장치를 설명하기 전에 라우드니스에 대한 일반적인 특성을 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
일반적으로, 인간이 느끼는 소리의 크기는 실제 소리의 물리적 크기와는 어느 정도 차이가 있다. 여기서, 실제 소리의 물리적 크기를 인텐서티라 하고, 이와 구별하여 인간이 느끼는 심리적 소리의 크기를 라우드니스라 한다.
도 2는 플레쳐-먼슨 곡선(Fletcher-Munson curve)으로서, 가청 주파수에 대한 음의 인텐서티와 라우드니스의 관계를 나타낸 등감도 곡선으로서, 인텐서티를 데시벨[dB]로 나타내고, 라우드니스를 폰[phon]으로 나타낸다.
도 2에 도시된 플레쳐-먼슨 곡선을 참조하면, 제1 곡선(10)과 같이 라우드니스 레벨이 120[phon]인 크기로 들리기 위해, 주파수가 1kHz인 신호는 120[dB]의 인텐서티 레벨을 갖고, 주파수가 100Hz 또는 주파수가 10kHz인 신호는 약 122[dB]의 인텐서티 레벨을 가지면 된다. 그러나, 제2 곡선(12)을 보면 라우드니스 레벨이 20[phon]인 크기로 들리기 위해, 가청 주파수가 1kHz인 신호는 20[dB]의 인텐서티 레벨이면되지만, 100Hz인 신호는 50[dB]의 인텐서티 레벨을 가져야 하고, 10kHz인 신호는 30[dB]의 인텐서티 레벨을 가져야 한다.
결과적으로, 라우드니스 레벨이 큰 신호의 경우 가청 주파수 전 대역에 대해 거의 일정한 인텐서티 레벨을 갖지만, 라우드니스 레벨이 낮은 신호의 경우 가정 주파수 대역에 따라 인텐서티 레벨의 차이가 큼을 알 수 있다. 즉, 인텐서티 레벨이 낮은 신호에 대해서는 저주파 대역과 고주파 대역에서 인간의 귀가 예민하지 못함을 알 수 있다. 이러한 인간의 청각 특성을 고려하여, 라우드니스 레벨이 낮아지더라도 전 주파수 영역에서 고르게 들을 수 있도록 사운드 신호를 녹음 및 재생할 때, 라우드니스 제어를 통해 사운드 신호의 고주파 대역과 저주파 대역을 강조하게 된다.
도 3은 본 발명에 의한 사운드 신호의 주파수 대역에 따른 라우드니스 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 차트로서, 사운드 신호의 주파수 대역을 판단하는 단계들(제30~32 단계) 및 각 주파수 대역의 볼륨 레벨에 따라 라우드니스 보상 레벨을 구하는 단계들(제34~36 단계)을 포함한다.
먼저, 사운드 신호는 위에서 설명한대로 3개의 주파수 대역으로 나눌수 있다. 즉, 볼륨 레벨을 낮추어 사운드 신호의 인텐서티 레벨을 줄일 때, 라우드니스 레벨이 인텐서티 레벨과 비슷한 레벨로 줄어드는 중간 주파수 대역(1~10kHz)과 라우드니스 레벨이 인텐서티 레벨에 대비하여 급격히 떨어지는 저주파(1kHz이하)대역 및 고주파(10kHz이상) 대역으로 나뉘어진다. 이에 따라, 먼저, 사운드 신호가 저주파 영역의 신호인가를 판단한다(제30 단계). 제30 단계 후에, 사운드 신호가 저주파 영역의 신호이면, 다음 수학식 5에 따라 저주파 영역에서의 라우드니스 보상 레벨 ll(n)을 구한다(제34 단계).
ll(n)=v(n)+C1
여기서, y(n) 및 v(n)은 라우드니스 보상 레벨 및 볼륨 레벨을 각각 나타내고, C1은 저주파 영역에서 라우드니스 보상 레벨을 구하기 위한 제1 상수이다.
제30 단계 후에, 사운드 신호가 저주파 영역의 신호가 아니면, 고주파 영역의 신호인가를 판단한다(제32 단계). 제32 단계 후에, 사운드 신호가 고주파 영역의 신호이면, 다음 수학식 6에 따라 고주파 영역에서의 라우드니스 보상 레벨 lh(n)을 구한다(제36 단계).
lh(n)=v(n)+C2
여기서, C2는 고주파 영역에서 라우드니스 보상 레벨을 구하기 위한 제2 상수이다.
제32 단계 후에, 사운드 신호가 고주파 영역이 아니면, 즉, 사운드 신호가 중간 주파수 영역이면, 수학식 7과 같이 볼륨 레벨을 그대로 중간 주파수 대역에서의 라우드니스 보상 레벨 lm(n)로 한다(제38 단계).
lm(n)=v(n)
즉, 종래에는 라우드니스 보상 레벨 l(n)을 구하기 위해 복잡한 지수승 계산이 필요하였으나, 본 발명에서는 저주파 및 고주파 영역에서 제1 및 제2 상수를 볼륨 레벨 v(n)에 더해주는 간단한 계산에 의해 각 주파수 영역별 라우드니스 보상 레벨 l(n)을 구할 수 있다.
또한, 볼륨 레벨에 더해주는 제1 상수 또는 제2 상수(C1 또는 C2)는 일정하므로, 낮은 볼륨 레벨의 경우 상대적으로 상수(C1 또는 C2)의 비중이 크므로 라우드니스 보상 레벨이 그만큼 커지고, 반대로 볼륨 레벨이 높은 경우 상대적으로 상수(C1 또는 C2)의 비중이 작아지므로 라우드니스 보상 레벨이 작아지는 효과가 생긴다.
도 4(a)~(b)는 본 발명에 의해 구한 라우드니스 보상 레벨(L)과 볼륨 레벨(V)의 관계를 나타내는 그래프로서, 도 4(a)는 저주파 영역에서 제1 상수(C1)를 30으로 했을 때, 라우드니스 보상 레벨(L)과 볼륨 레벨(V)의 관계를 데시벨[dB] 단위로 비교하여 나타내고, 도 4(b)는 고주파 영역에서 제2 상수(C2)를 8로 했을 때, 라우드니스 보상 레벨(L)과 볼륨 레벨(V)의 관계를 데시벨[dB] 단위로 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 라우드니스 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다. 본 발명에 의한 라우드니스 제어 장치는 저역 통과 필터(50), 대역 통과 필터(52), 고역 통과 필터(54), 제1 증폭기(56), 제2 증폭기(58), 제3 증폭기(60) 및 신호 합성부(62)를 포함한다.
도 5에 도시된 저역 통과 필터(50)는 입력단자 IN으로 입력되는 입력 사운드 신호(Si)중에서 저주파 대역(1kHz 이하)의 신호만을 필터링하고, 대역 통과 필터(52)는 중간 주파수 대역(1~10kHz)의 신호만을 필터링하고, 고역 통과 필터(54)는 고주파 대역(10kHz이상)의 신호만을 필터링하여 출력한다.
제1 증폭기(56)는 저역 통과 필터(50)에서 출력된 신호를 수학식 5에 의해 생성된 저주파 대역에서듸 라우드니스 보상 레벨 ll(n)을 다음 수학식 8의 l(n)에 대입하므로서 발생되는 출력 신호(So)를 저주파 영역에서 라우드니스가 보상된 신호로서 출력한다.
So=Si*l(n)
제2 증폭기(58)는 대역 통과 필터(52)에서 출력된 신호를 수학식 7에 의해 생성된 중간 주파수 대역에서의 라우드니스 보상 레벨 lm(n)을 수학식 8의 l(n)에 대입하므로서 발생되는 출력 신호(So)를 중간 주파 영역에서 라우드니스가 보상된 신호로서 출력한다.
제3 증폭기(60)는 고역 통과 필터(54)에서 출력된 신호를 수학식 6에 의해 생성된 고주파 대역에서의 라우드니스 보상 레벨 lh(n)을 수학식 8에 대입하므로서 발생되는 출력 신호(So)를 고주파 영역에서 라우드니스가 보상된 신호로서 출력한다.
신호 합성부(62)는 제1, 제2 및 제3 증폭기(56, 58 및 60)에서 출력된 신호들을 합성하여 저역 및 고역에서 라우드니스가 보상된 사운드 신호를 출력단자 OUT으로 출력한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 라우드니스 보상 레벨 생성 방법 및 라우드니스 제어 장치는 볼륨 레벨에 저주파 대역에서 라우드니스 보상을 위한 상수 및 고주파 대역에서 라우드니스 보상을 위한 상수를 각각 더해주는 간단한 방법에 의해 저주파 대역 및 고주파 대역에서 라우드니스 보상 레벨을 구할 수 있으며, 이로인해 라우드니스 제어 장치의 회로 구성을 간단히 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 오디오 시스템에서, 사운드 신호를 저주파, 중간 주파 및 고주파의 3개 주파수 대역으로 나누고, 볼륨 레벨에 따라 각각의 주파수 대역에 따른 라우드니스 제어 방법에 있어서,
    (a) 상기 사운드 신호가 상기 저주파 대역의 신호인가를 판단하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계에서 상기 사운드 신호가 상기 저주파 대역의 신호이면, 상기 볼륨 레벨에 라우드니스 보상을 위한 제1 상수를 더하고, 더한 결과를 저주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로서 구하는 단계;
    (c) 상기 (a)단계에서 상기 사운드 신호가 상기 저주파 대역의 신호가 아니면, 상기 사운드 신호가 고주파 대역의 신호인가를 판단하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계에서 상기 사운드 신호가 상기 고주파 대역의 신호이면, 상기 볼륨 레벨에 제2 상수를 더하고, 더한 결과를 고주파 대역의 라우드 니스 보상 레벨로 구하는 단계; 및
    (e) 상기 (c)단계에서 상기 사운드 신호가 상기 중간 주파 대역의 신호이면, 상기 볼륨 레벨을 그대로 상기 중간 주파 대역의 라우드니스 보상 레벨로 구하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라우드니스 제어 방법.
  2. 입력된 사운드 신호의 저주파수 성분만을 필터링하는 저역 통과 필터;
    입력된 상기 사운드 신호의 중간 주파수 성분만을 필터링하는 대역 통과 필터;
    입력된 상기 사운드 신호의 고주파수 성분만을 필터링하는 고역 통과 필터;
    상기 저역 통과 필터로부터 출력된 신호를 다음 식에서 구해진 라우드니스 보상 레벨 ll(n)에 상응하여 증폭하는 제1 증폭기;
    ll(n)=v(n)+C1
    (여기서, v(n)은 볼륨 레벨을 나타내고, C1은 저주파 대역에서의 라우드니스 보상 상수를 나타내고, n은 볼륨 인덱스를 각각 나타낸다.)
    상기 대역 통과 필터로부터 출력된 신호를 다음 식에서 구해진 상기 라우드니스 보상 레벨 lm(n)에 상응하여 증폭하는 제2 증폭기;
    lm(n)=v(n)
    상기 고역 통과 필터로부터 출력된 신호를 다음 식에서 구해진 상기 라우드니스 보상 레벨 lh(n)에 상응하여 증폭하는 제3 증폭기; 및
    lh(n)=v(n)+C2
    (여기서 , C2는 고주파 대역에서의 라우드니스 보상 상수를 나타낸다.)
    상기 제1, 제2 및 제3 증폭기로부터 출력된 신호를 합성하고, 합성된 신호를 라우드니스가 보상된 사운드 신호로서 출력하는 신호 합성 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라우드니스 제어 장치.
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