KR20000035104A

KR20000035104A - 유효 신호를 필터링하고 주위 잡음이 있을 때 이를 복구하기 위한 오디오 처리 장치, 수신기 및 필터링 방법

Info

Publication number: KR20000035104A
Application number: KR1019990047394A
Authority: KR
Inventors: 기으 미에뜨
Original assignee: 요트.게.아. 롤페즈; 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2000-06-26
Also published as: US6487529B1; CN1263426A; EP0998166A1; JP2000163100A

Abstract

본 발명은 많은 오디오 장치에 관한 것으로, 특히 잡음 환경에서 사용자의 청각적인 안락함을 향상시키기 위한 자동차용 무선 전화에 관한 것이다. 특히 유리한 실시예는 "손을 쓸 필요가 없는" 유형이 사용되는 경우에 제시된다. 본 발명은 주위 잡음의 함수로써 오디오 신호의 스펙트럼 포락선을 조절하기 위한 오디오 신호 처리 장치로 구성된다.

Description

유효 신호를 필터링하고 주위 잡음이 있을 때 이를 복구하기 위한 오디오 처리 장치, 수신기 및 필터링 방법{AUDIO PROCESSING DEVICE, RECEIVER AND FILTERING METHOD FOR FILTERING A USEFUL SIGNAL AND RESTORING IT IN THE PRESENCE OF AMBIENT NOISE}

본 발명은, 음성 대역에 존재하는 스펙트럼 포락선을 갖는 유효 신호를 수신 및 필터링하고, 주위 잡음에서 상기 유효 신호를 복구하기 위한 오디오 처리 장치 및 수신기에 관한 것이다.

본 발명은 또한 이러한 수신기를 포함하는 전화기에 관한 것이다.

마지막으로, 본 발명은 필터링 방법 및 음성 대역에 존재하는 스펙트럼 포락선을 갖는 유효 신호를 수신하고, 주위 잡음이 있을 때 유효 신호를 복구하기 전에 유효 신호의 스펙트럼 포락선을 조절하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 시끄러운 환경에서 사용될 수 있는 전자 오디오 장치에서 많은 응용을 갖는다. 본 발명은 특히 자동차 안에서 사용될 수 있고, 엔진 및/또는 자동차 라디오의 잡음에 연관된 청각적인 장해를 감소시킬 수 있는 이동 무선 전화기에 적용된다.

미국 특허(4,052,720)는 서라운드 센서를 구비하여 작업장에서 임의의 주위 잡음을 분산시키고, 다양한 센서를 통해 미리 정해진 시간 간격으로 측정된 특정 서라운드 파라미터의 값에 대한 함수로 분산된 주위 잡음의 스펙트럼 및 진폭을 조정하기 위한 다이내믹 주위 잡음 제어 시스템을 기술하고 있다.

이러한 시스템은, 작업장에서 특히 생산성을 향상시키고, 많은 대화 중에 간섭 효과를 감소시키기 위한 긍정적인 효과를 사용자들에게 제공하려는 것이다. 그것은 오랜 기간에 걸쳐(사용자들에게 특별한 긴장감을 발생시킬 수 있는) 전체 주위 잡음의 음향 레벨을 증가시킨다는 주요 단점을 나타낸다.

본 발명의 목적은, 시끄러운 환경, 심지어는 집중적 및/또는 연장된 사용의 경우에서도 사용자의 청각적인 안락함을 향상시키기 위한 오디오 처리 장치, 무선 수신기, 필터링 방법 및 수신 방법을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 위해, 본 발명은 전문에서 한정된 유형의 오디오 처리 장치를 제공하는데, 상기 오디오 처리 장치는 주위 잡음을 탭핑(tapping)하기 위한 수단, 탭핑된 주위 잡음 포락선의 파라미터를 추출하기 위한 스펙트럼 포락선 추출 수단 및 복구될 유효 신호의 스펙트럼 포락선을 조절하기 위한 상기 포락선 파라미터를 통해 제어되는 디지털 필터 수단을 포함하고, 상기 필터 수단은 파라미터화 될 수 있는 계수를 갖는 디지털 필터를 포함하고, 포락선 파라미터의 도움으로 필터를 파라미터화하기 위한 포락선 추출 수단과 협력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 독특한 특성에 따라, 이미 언급된 것과 같은 장치가 제공되고, 상기 장치는 샘플링된 주위 잡음에 존재하는 청각적인 에코를 억제하고, 주위 잡음의 추정치를 추출 수단에 공급하기 위한 디지털 필터의 출력 신호를 통해 제어되는 에코 제거 루프를 포함한다.

유사하게, 본 발명은 전문에서 언급된 필터링 방법을 제공하고, 상기 필터링 방법은, 다음의

·주위 잡음을 탭핑하고, 거기로부터 스펙트럼 포락선의 추정치를 추출하고, 거기로부터 포락선 파라미터를 유도하는 획득 및 스펙트럼 분석 단계,

·소위 제어 파라미터인 평균 파라미터를 획득하기 위해 포락선 파라미터 사이의 시간 평균을 계산하는 단계,

·상기 계산된 제어 파라미터의 도움으로 디지털 필터를 파라미터화 하는 파라미터화 단계, 및

·상기 디지털 필터의 도움으로 유효 신호를 필터링하는 필터링 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이러한 양상 및 다른 양상이 이후에 기술된 실시예(들)를 참조 하여, 제한적이지 않은 예를 통해 명확해지고 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 오디오 처리 장치의 동작에 대한 예를 나타내는 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예를 기술하는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 무선전화 수신기의 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 수신 방법을 기술하기 위한 흐름도.

〈도면 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 마이크로폰 12 : 획득 및 변환 블록

13 : 스펙트럼 분석 블록 14 : 필터 블록

15 : 증폭 및 변환 블록 16 : 스피커

도 1에 도시된 장치의 예는 시끄러운 환경, 특히 자동차 안에서 사용될 수 있는 "손을 쓸 필요가 없는" 유형의 이동 무선 전화기에서 사용될 수 있는 임의의 전자 오디오 장치와 함께 집적될 수 있다. 이러한 장치는 자동차의 라디오가 전화 통화 중에 켜졌을 경우, 엔진의 잡음 및 자동차 라디오 잡음과 관련된 청각적인 장해를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 동작에 대한 예에서, 유효 신호는 종래 디지털 수신 회로의 코더/음성 디코더의 출력단에서 얻어진다. 동작에 대한 다른 예에 따라, 유효 신호는 무선 장치, 일예로 자동차 라디오의 출력단으로부터 직접적으로 탭핑 될 수 있다. 제 1 실시예는 무선 전화 통신이 시끄러운 환경, 특히 공공 장소 또는 자가용 안에서 수신되는 일반적인 상황에 해당한다. 이런 경우, 이것은 엔진 및 자동차 라디오의 잡음으로 인한 청각적인 불쾌감을 거의 감소시킨다. 제 2 실시예는 자신의 자동차 안에서 라디오나 녹음된 음악 방송을 무선 장치(레이저디스크, 카세트, 자동차 라디오 등)를 통해 듣고 있는 사용자, 특히 자동차 운전자에 적용된다. 이러한 장치는, 주로 오디오 장치에 의해 방출된 오디오 신호 상에서 엔진 잡음의 영향으로 야기된 선택적인 스펙트럼 마스킹 효과를 실제적으로 거의 감소시킨다.

특정 주파수 스펙트럼 및 특정 진폭을 갖는 주위 잡음은 오디오 주파수 신호 상에서 이중의 마스킹 효과를 발생시킨다. 유효 신호와 잡음 신호 사이의 너무 낮은 진폭비로 인한 글로벌(global) 마스킹이라 불리는 제 1 효과는, 일예로 유효 신호의 음향 볼륨을 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이 효과는 더 긴 장시간 동안 사용되어질 때에는 피곤하게 된다. 주위 잡음의 스펙트럼 합성으로 인한 선택적인 스펙트럼 마스킹이라 불리는 제 2 효과는, 유효 신호 스펙트럼의 선택적인 변경을 유발한다. 이러한 효과는 매우 유해한데, 그 이유는 그것이 유효 신호의 성질을 변화시킴으로써 유효 신호의 청각적인 인지를 변경시키기 때문이다.

도 1의 장치는 잡음 신호의 스펙트럼 포락선의 함수로써 유효 신호의 스펙트럼 포락선을 선택적으로 조절함으로써 이러한 두 마스킹 효과를 제거할 수 있다. 상기 장치는 N으로 표기된 주위 잡음을 포획하기 위한 마이크로폰(11), 마이크로폰(11)을 통해 수신된 아날로그 잡음 신호를 주위 잡음에 해당하는 디지털 잡음 신호로 변환하기 위한 획득 및 변환 블록(12)을 포함한다. 이러한 디지털 잡음 신호는 상기 신호의 스펙트럼 포락선을 추출하고 거기로부터 a_i로 표기된 신호의 파라미터를 유도하기 위한 스펙트럼 분석 블록(13)을 통해 처리된다. 스펙트럼 분석 블록(13)을 통해 제어되는 필터 블록(14)은 입력단에서 수신하여 S로 표기된 오디오 신호(유효 신호)를, 신호(S)에 계수가 스펙트럼 분석 블록을 통해 생성된 포락선 파라미터(ai)의 값에 대한 함수로써 변화하는 디지털 필터를 인가한다. 그런 후에 상기 필터의 출력 신호는 스피커(16)의 출력단으로 보내지기 전에 증폭 및 변환 블록(15)을 통해 아날로그 신호로 변환되고 증폭된다.

제 1의 동작에 대한 예에서, 경우에 따라서, 마이크로폰(11)을 통해 포획된 주위 잡음(N)은 자동차 라디오(또는 오디오 장치)의 잡음에 부가된 엔진으로부터의 잡음으로 구성된다. 주위 잡음 소스에 대해 마이크로폰(11)의 위치는 장치의 효과를 최적화하기 위해 중요하다. 사실, 마이크로폰은 잡음에 대해 단지 작은 진폭을 갖는 유효 신호를 포획하기 위해 배치되어진다. 일예로, 자동차에서는, 유효 신호가 주위 잡음으로 처리되지 않도록 하기 위해 엔진으로부터는 가까운 곳에, 그리고 유효 신호 소스(사용자 도는 오디오 장치)로부터는 먼 곳에 마이크로폰이 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 제 2의 동작에 대한 예에서, 주위 잡음은 엔진으로부터의 잡음만을 포함한다.

도 2는 유효 신호가 스피커 출력단에서 증폭되기 전에, 전화의 출력단으로부터 얻어진 디지털 전화 신호에 의해 형성되는 "손을 쓸 필요가 없는" 형(type)의 디지털 무선 전화 장치에 대해 특히 효과적인 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내고 있다. 본 장치의 어셈블리는 일예로 "손을 쓸 필요가 없는" 기능을 구비하는 자동차용 전화 키트로 집적될 수 있다. 아날로그 유효 신호(S)에 대해, 상기 신호를 디지털 필터에 인가하기 전에, 유효 신호를 디지털화하기 위한 디지털화 수단을 도 1의 필터 블록(14)과 도 2의 블록(25)에 제공하는 것이 필요하다.

바람직한 실시예에 따라, 에코-제거 루프는 주위 잡음의 추정치에 대한 유효 신호의 영향을 최소로 하기 위해 제공된다. 실제, "손을 쓸 필요가 없는" 시스템이 수신된 음성 신호를 증폭함으로써, 상기 음성 신호는 국부 사용자 음성 신호와 동일시간에 마이크로폰을 통해 포획된다. 운전자의 좌석과 같은 제한된 공간에서 현상이 더욱 증폭됨에 따라, 원거리의 화자는 그 자신의 음성의 에코를 듣기 쉽다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 에코 제거 루프는 엔진 및 가능한 자동차 라디오 유형의 오디오 장치에 의해 주로 생성되는 주위 잡음에 대한 원거리 화자의 증폭된 음성 신호의 관여를 억제하기 위해 사용된다. 따라서 대부분의 "손을 쓸 필요가 없는" 자동차 장치에 집적된 에코 제거 루프가 효과적으로 재사용된다.

화자의 증폭된 음성 신호와 혼합된 주위 잡음은 마이크로폰(21)을 통해 포획되고, 획득 및 변환 블록(22)을 통해 디지털화된다. 이러한 변환의 결과인 디지털 신호는, 특히 유효 신호로부터의 에코 현상이 제거된 주위 잡음에 해당하는 디지털 잡음 추정치를 복구하기 위해 종래 유형의 에코 제거 블록(23) 입력단에 공급된다. 잡음 억제 기술은 피터 베리(Peter Vary)에 의한 논문 "스펙트럼 크기 추정-메커니즘 및 이론적 제한을 통한 잡음 억제"으로 1985년 7월에 정기간행물 IEEE 신호 처리(vol.8, no.4, 387-400쪽)에서 기술되어 있다. 디지털화된 잡음 추정치는 그런 후에 포락선 추출 장치(24)의 입력단에 공급되고, 상기 포락선 추출 장치는 잡음 신호(또는 그것의 추정치)의 스펙트럼 포락선을 결정하고, 그것으로부터 ai로 표기된 파라미터 신호의 스펙트럼 포락선의 LPC 포락선 파라미터 특성을 추출하기 위한 LPC 유형(선형 예측 코딩)의 예측 분석기를 포함한다. 다음으로, 파라미터(ai)는, 일예로 10 데이터 프레임마다 또는 대략 200ms마다 공급된 값(ai)에서의 임의의 갑작스런 변화를 보상하기 위해 적절한 계산 소자를 통해 평활 처리된다. 계산 소자는 평균 파라미터 또는 유효 신호(S)를 필터링하기 위한 길이(m)를 갖는 디지털 필터를 파라미터화하기 위해 디지털 필터 블록(25)에 입력되는 제어 파라미터(ci)를 얻는다.

일예로, 필터의 방정식은로 표현되고, 여기서,

·α는 필터의 가중치를 제어할 수 있도록 0과 1 사이의 실계수이다.

·심벌 *는 곱셈을 나타낸다.

·γ₁및 γ₂는 0＜γ₁＜γ₂＜1을 갖는 다항식와의 근으로부터 단위원까지의 각 거리를 나타내는 가중치 인자이다.

그런 다음, 필터링된 신호는 스피커(27)를 통해 출력단에 보내지기 위해 증폭 및 변화 블록(26)을 통해 증폭되고, 아날로그 신호로 변환된다.

본 발명의 실시예의 변화에 따라, 필터 블록(25)에서 사용된 디지털 필터 대신에, 포락선 추출 블록을 통해 생성된 잡음의 포락선 추정치에 의해 제어되는 시간-가변 등화기가 사용될 수 있다. 이것은 주어진 값 보다 더 높은 에너지를 갖는 잡음 신호의 주파수 대역에 해당하는 유효 신호의 주파수 대역을 개선한다는 것을 제한한다. LPC 분석 방법 및 필터의 파리미터화 기술은 엘세비어사에 의해 출판된 클레이진(Kleijin) 등에 의한 "음성 코딩 및 합성"이라는 제목은 상세히 설명되었고, 따라서 그것들은 본 명세서에서 거론되지 않을 것이다.

도 3은 디지털 무선전화를 나타내는 블록도이다. 상기 블록도는 마이크로폰(31), 아날로그/디지털 변환기(A/D), 음성 코더(32), 채널 코더(33) 및 트랜시버 안테나(36)에 연결된 듀플렉서(35)와 연결된 무선 주파수부(34)를 위한 구성된 모듈로 형성되는 송신 체인을 포함한다. 또한 상기 블록은 안테나(36), 듀플렉서(35), 무선 모듈(34), 채널 디코더(37), 음성 디코더(38), 디지털/아날로그 변환기(D/A) 및 스피커(39)로 형성된 수신 회로를 포함한다. 코딩 및 디코딩 모듈(32,33,37 및 38)은 디지털 신호 처리기(DSP)로 구현될 수 있다.

효과적인 실시예에 따라, 음성 코더(32)는 일예로, 전화 음성 신호나 유효 신호의 LPC 분석 수단과 같은 포락선 추출 수단을 포함한다. 이들 수단은 특히 GSM 유형의 디지털 무선 전화 표준을 통해 제공된다. LPC 분석의 결과는 음성 디코더(38)로 전달되고, 상기 음성 디코더는 도 2에 기술된 것과 같은 장치를 이용하여, 수신된 신호를 필터링하기 위한 파라미터로써 사용될 수 있는 계수를 갖는 필터를 구비하는 포스트-필터링 블록을 포함한다. 조절된 신호는 그런 후에 스피커 출력단에 보내진다.

도 4는 도 3에 도시된 무선 수신기로 구현된 본 발명에 따른 필터링 방법을 포함하는 수신 방법을 나타내고 있다. 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.

·음향 센서, 특히 마이크로폰(31)의 도움으로 주위 잡음을 탭핑(tapping)하는 획득 단계(K0),

·일예로 음성 코더(32) 및/또는 음성 디코더(38)로 구현되어, 탭핑된 잡음 신호로부터 스펙트럼 포락선의 추정치를 추출하고, 거기로부터 포락선 파라미터를 유도하는 스펙트럼 분석 단계(K1),

·평균 파라미터를 얻기 위해 포락선 파라미터들, 또는 제어 파라미터들 사이의 시간 평균을 계산하는 단계(K2),

·계산된 제어 파라미터들의 도움으로 디지털 필터를 파라미터화 하는 파라미터화 단계(K3), 및

·이러한 방식으로 파라미터화된 디지털 필터의 도움으로 유효 신호를 필터링하는 필터링 단계(K4).

이런 방식으로, 오디오 처리 장치, 수신기 및 주위의 잡음에서 사용자의 청각적인 안락함을 향상시키는 방법이 예를 통하여 묘사되고 기술되어지고 있다. 명확하게, 본 발명의 범주, 특히 사용된 필터의 구조 및 주위 잡음 획득 또는 포락선 추출의 기술을 벗어나지 않는 범위에서 실시예의 변경이 제공될 수 있다.

Claims

음성 대역 내에 존재하는 스펙트럼 포락선을 갖는 유효 신호를 필터링하고, 주위 잡음이 존재할 때 상기 유효 신호를 복구하기 위한 오디오 처리 장치에 있어서,

주위 잡음을 탭핑(tapping)하기 위한 수단과,

탭핑된 상기 주위 신호 포락선의 파라미터를 추출하기 위한 스펙트럼 포락선 추출 수단과,

복구될 상기 유효 신호의 상기 스펙트럼 포락선을 조절하기 위한 상기 포락선 파라미터를 통해 제어되는 디지털 필터 수단으로서 파라미터화 될 수 있는 계수를 갖는 디지털 필터 수단을 포함하고,

상기 포락선 파라미터의 도움으로 필터를 파라미터화 하기 위하여 상기 포락선 추출 수단과 협력하는 것을 특징으로 하는, 오디오 처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 탭핑된 주위 잡음에 존재하는 청각적인 에코를 억제하고, 상기 주위 잡음의 추정치를 상기 추출 수단에 공급하기 위하여 상기 디지털 필터의 출력 신호를 통해 제어되는 에코 제거 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 오디오 처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 포락선 추출 수단은 LPC 포락선 파라미터를 상기 디지털 필터에 공급하기 위한 LPC 유형의 예측 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 오디오 처리 장치.
제 1항에 있어서, 상기 디지털 필터 수단은 상기 추출 수단을 통해 생성된 포락선 파라미터들 사이의 시간 평균을 계산하기 위한 계산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 오디오 처리 장치.
음성 밴드에 존재하는 스펙트럼 포락선을 갖는 유효 신호를 수신하는 수신기에 있어서,

청구항 1항에서 청구된 것과 같은 오디오 처리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수신기.
제 5항에 있어서, 무선 신호를 수신하기 위한 안테나로서, 기저대역 오디오 신호를 복구하고, 상기 수신된 무선 신호에 기초하여 상기 유효 신호를 복구하기 위한 수단에 연결된, 안테나 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수신기.
전화 장치에 있어서,

청구항 6항에서 청구된 것과 같은 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전화 장치.
소위 유효 신호라 불리는 오디오 신호를 필터링하고, 주위 잡음이 존재할 때 상기 유효 신호를 복구하기 위한 필터링 방법에 있어서,

·주위 잡음을 탭핑하고, 그것으로부터 스펙트럼 포락선의 추정치를 추출하고, 그것으로부터 포락선 파라미터를 유도하는, 획득 및 스펙트럼 분석 단계,

·소위 제어 파라미터인 평균 파라미터를 획득하기 위해 포락선 파라미터 사이의 시간 평균을 계산하는 단계,

·상기 계산된 제어 파라미터의 도움으로 디지털 필터를 파라미터화 하는 파라미터화 단계, 및

·상기 디지털 필터의 도움으로 유효 신호를 필터링하는 필터링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 필터링 방법.
소위 유효 신호라 불리고, 상기 음성 대역에 존재하는 스펙트럼 포락선을 갖는 주파수 신호를 수신하는 방법에 있어서,

주위 잡음이 존재할 때 상기 유효 신호를 복구하기 전에, 상기 유효 신호의 상기 스펙트럼 포락선을 조절하기 위한, 청구항 8항에서 청구된 필터링 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수신 방법.