KR20000051747A

KR20000051747A - 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치

Info

Publication number: KR20000051747A
Application number: KR1019990002352A
Authority: KR
Inventors: 엄광섭
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-08-16

Abstract

본 발명은 반향제거장치에 관한 것으로서, 특히 반향제거장치의 반향제거정도를 피드백하여 반향제거장치내의 적응필터를 제어함으로써 반향제거장치의 더블토크에 대한 안정성을 강화하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치는 A측 제1음성신호를 입력받아 NLMS 알고리즘을 사용해서 반향예측신호를 발생시키는 적응필터, 이 적응필터에서 출력되는 반향예측신호와 하이브리드에서 출력된 제2음성신호를 입력받아 제2음성신호에서 반향예측신호를 빼주어 반향제거신호를 발생시키는 상쇄기, A측 제1음성신호와 하이브리드에서 출력된 제2음성신호와 상쇄기에서 출력되는 반향제거신호를 입력받아 적응필터를 제어하는 제어신호와 비선형처리장치로 보내는 반향제거신호를 출력하는 적응필터제어기, 및 이 적응필터제어기의 출력을 입력받아 억압된 반향제거신호를 출력하는 비선형처리장치를 포함한다. 이로써 본 발명은 간단한 계산량 및 메모리 추가로 더블토크에 안정된 방향제거 장치를 공급할 수 있으며, 특히 코드분할다중접속 통신 시스템에서 보코더와 반향제거장치가 한 디지털 신호처리 프로세서내에서 구현될 때 계산량에 부담을 주지 않으므로 많이 이용할 수 있다.

Description

더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치{A robust echo canceller under double-talk conditions}

본 발명은 반향제거장치에 관한 것으로서, 특히 반향제거장치의 반향제거정도를 피드백(feedback)하여 반향제거장치내의 적응필터를 제어함으로써 반향제거장치의 더블토크(double-talk)에 대한 안정성을 강화하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 코드분할다중접속(Code Division Multiple Access : CDMA) 통신 시스템에서 반향 현상은 공중 교환 전화망(Public Switched Telephone Network : PSTN)내의 하이브리드(hybrid)라고 하는 4 - 2 변환장치(4wire - 2wire converter)의 저항 부정합(impedance mismatch)에 의하여 발생한다. 도 1에서 A의 음성이 B측 하이브리드(100)를 통하여 B로 전달될 때 하이브리드의 저항 부정합에 의하여 되돌아오는 반향이 생기게 되고, 이를 제거하는 것이 반향제거장치(200)이다.

반향제거장치(200)는 NLMS(Normalized Least Mean Square)라고 하는 적응필터(210)를 이용하여 하이브리드(100)에서 되돌아오는 반향을 예측할 수 있다. 상기 A의 음성신호와 반향신호는 하이브리드의 입출력 관계를 나타내므로, 적응필터(210)를 이용하여 이 관계를 예측할 수 있다. 즉 A 음성을 적응필터(210)의 입력으로 하고, 이때의 출력이 반향신호와 같게 되도록 적응필터(210)의 계수를 계속적으로 훈련시키면, 결국 적응필터(210)가 하이브리드(100)와 같은 입출력 관계를 가지게 된다. 그 다음 A의 음성을 이 필터(210)에 통과시키면 반향신호가 예측되고, 이 예측된 반향신호를 원래의 반향에서 빼면 반향신호가 제거된다.

상기 적응필터(210)의 계수들은 계속 갱신되어 항상 최적의 상태를 유지한다. 그러나, A와 B의 음성이 동시에 입력되는 더블토크 상태에서는 반향신호에 B의 음성이 합쳐지게 되므로 입출력 상태가 왜곡되게 되고, 이때 적응필터(210)는 발산하는 현상을 보이게 된다. 이를 방지하기 위하여 B의 입력동안 적응필터(210)의 계수 갱신을 일시 중단하여야 하며, 그러기 위해서는 B 입력의 존재 여부를 알아야 한다. 따라서 반향제거장치(200)에서는 B 입력의 존재 여부를 알려주는 장치가 동반되는데, 이 장치를 더블토크검출기(double-talk detector)(230)라고 부른다.

더블토크검출기(230)는 일반적으로 A 음성신호와 반향신호의 크기를 비교하여 반향신호가 상대적으로 크면 B 입력이 있다고 판정한다. 이러한 방법은 구현은 간단한데 정확도가 떨어진다는 단점이 있어 이를 보완하고자 하는 시도가 많이 진행되고 있다. 첫 번째는 더블토크검출기를 개량한 것으로 A 음성신호와 반향신호의 상관관계정도를 구해서 상관관계가 적으면 B 입력이 있다고 판단하는 방법이다. 두 번째는 더블토기검출기는 그대로 두고 더블토크를 대비한 예비 필터를 하나 더 두어서, 더블토크가 아닐 때는 적응필터의 계수값을 저장하고 있다가 더블토크시에는 적응필터가 발산하는 현상을 보이므로 예비 필터를 사용하여 반향을 예측하는 방법으로 반향제거장치의 구조를 개량한 방법이다.

첫 번째 방법은 A 음성신호와 반향신호의 상관관계가 반향신호에 B 입력이 섞여있는지를 판단하는 척도가 되는데 실제 통신 시스템에서는 음성신호의 양자화 잡음(quantization error), 선로상의 잡음, 하이브리드의 비선형 특성으로 인한 반향신호의 왜곡 등에 의해 상관관계를 제대로 구하지 못할 경우가 많다. 뿐만 아니라 적응필터의 계수가 N개인 경우, 상관관계를 구하기 위해 매 음성 샘플마다 적어도 8N개의 곱셈, 4N개의 덧셈, N개의 나눗셈이 필요하며, 2N 워드(word) 혹은 바이트(byte)의 메모리가 필요하다. 하지만 이렇게 많은 계산량 및 메모리를 필요로 하는데 반해서 이 방법으로도 음성신호의 경우 항상 정확한 상관관계를 예측하기가 어렵다.

두 번째 방법은 적응필터와 같은 크기의 예비필터를 하나 더 두어서 적응필터가 반향을 제대로 예측했을 때 그때의 계수값을 저장시킬 필요가 있는데, 언제가 반향이 제대로 예측된 때인지 구분하기가 매우 어려우며, 계산량 측면에서도 N개의 곱셈과 N개의 덧셈을 추가로 요하고, N바이트의 메모리가 추가로 필요하다. 또한, 이 방법은 더블토크일 때 안정된 성능을 보이기는 하지만, 적응필터와 예비필터를 어떻게 제어해주는가에 따라서 그 성능이 크게 좌우되고, 제어가 제대로 되지 않았을 때에는 추가로 계산량과 메모리만 낭비하고 별 효과를 보지 못하는 경우가 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기된 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 반향제거장치의 결과를 다시 피드백하여 반향제거장치내의 적응필터를 제어함으로써 적은 계산량과 메모리로 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 종래의 반향제거장치의 구성도.

도 2 는 본 발명에 따른 반향제거장치의 구성도.

도 3 은 본 발명에 따른 적응필터제어기의 상세 구성도.

도 4 는 본 발명에 따른 정상적인 상태에서 제1더블토크검출기의 성능을 보여주는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 300 : 하이브리드200, 400 : 반향제거장치

210, 410 : 적응필터220, 420 : 상쇄기

230 : 더블토크검출기240, 440 : 비선형처리장치

430 : 적응필터제어기432 : 제1더블토크검출기

434 : 제2더블토크검출기436 : 논리합회로

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치의 바람직한 실시예는, A측 제1음성신호를 입력받아 NLMS 알고리즘을 사용해서 반향예측신호를 발생시키는 적응필터, 상기 적응필터에서 출력되는 반향예측신호와 하이브리드에서 출력된 제2음성신호를 입력받아 상기 제2음성신호에서 상기 반향예측신호를 빼주어 반향제거신호를 발생시키는 상쇄기, 상기 A측 제1음성신호와 상기 하이브리드에서 출력된 제2음성신호와 상기 상쇄기에서 출력되는 반향제거신호를 입력받아 상기 적응필터를 제어하는 제어신호와 비선형처리장치로 보내는 반향제거신호를 출력하는 적응필터제어기, 및 상기 적응필터제어기의 출력을 입력받아 억압된 반향제거신호를 출력하는 비선형처리장치를 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반향제거장치의 구성을 도시한 도면이다. 상기 도 2의 구성을 살펴보면, A측에서 입력되는 제1음성신호 U는 하이브리드(300)를 거쳐 B측으로 전달되고, B측에서 입력되는 음성신호는 하이브리드(300)에서 발생하는 U신호의 반향과 함께 제2음성신호 S를 구성하여 반향제거장치(400)를 거쳐 A측으로 전달된다. 즉, 반향제거장치(400)의 입력으로 들어오는 제2음성신호 S는 A측의 반향신호와 B측의 음성신호로 구성되어있다.

반향제거장치(400)내의 적응필터(410)는 제1음성신호 U를 입력하여 반향예측신호 Y를 발생시킨다. 이때 상기 적응필터(410)는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘을 사용한다. 상쇄기(420)는 적응필터(410)에서 출력되는 반향예측신호 Y와 제2음성신호 S를 입력으로 받아들이며, 제2음성신호 S에서 반향예측신호 Y를 빼주어 반향제거신호 E를 발생시킨다. 적응필터제어기(430)는 상기 A측 제1음성신호 U와 상기 하이브리드(300)에서 출력된 제2음성신호 S와 상기 상쇄기(420)에서 출력되는 반향제거신호 E를 입력으로 받아들이고, 상기 적응필터(410)를 제어하는 제어신호 AFC와 비선형처리장치(440)로 보내는 반향제거신호 Ecanc를 출력한다. 상기 적응필터(410)는 상기 적응필터제어기(430)가 출력하는 AFC 제어신호를 입력으로 받아들이며, 이 신호에 따라 적응필터(410)의 적응속도를 조절하여 적응을 멈추거나 늦추게하거나 빠르게하는 동작을 한다. 상기 비선형처리장치(440)는 상기 적응필터제어기(430)의 출력 Ecanc를 입력으로 받아들여 억압된 반향제거신호 Enlp를 출력한다.

도 3은 적응필터제어기(430)의 상세 구성을 도시한 도면이다. 이를 참조하면, 제1더블토크검출기(432)는 상기 제1음성신호 U와 제2음성신호 S를 입력하여 더블토크 발생유무를 판단한 후 Fdtd를 출력한다. Fdtd1은 더블토크 발생시에 1의 값을 갖고 더블토크가 아니라고 판단되면 0의 값을 갖는다. 이때 제1더블토크검출기(432)의 알고리즘은 가장 간단하고 널리 쓰이는 제1음성신호 U와 제2음성신호 S의 크기를 비교하는 방법을 사용한다. 상기 제2더블토크검출기(434)는 상기 제1음성신호 U와 제2음성신호 S 및 상기 상쇄기의 출력신호 E를 입력으로 받아들여, 더블토크 발생 유무를 판단한 후 Fdtd2 신호를 출력한다. Fdtd2는 프레임의 초기에 0의 값을 갖고 시작하고, 일단 더블토크 발생이라고 판단되면 1의 값을 갖는다. 한번 1의 값을 갖는 Fdtd2는 그 프레임동안 계속 1의 값을 유지한다. 상기 논리합회로(436)는 상기 제1더블토크검출기(432)의 출력 Fdtd1과 제2더블토크검출기(434)의 출력 Fdtd2의 입력으로 받아들여 두 입력중 하나라도 1이면 1의 값을 갖는 출력 F를 내보내고, 그렇지 않으면 0의 값을 갖는 출력 F를 내보낸다.

상기 제2더블토크검출기(434)의 동작원리는 다음 수학식1과 같이 표현된다.

IF (ERLE > ERLE_THRESHOLD) && (E * E > E²_THRESHOLD), Fdtd2 = 1;

상기 수학식 1에서 ERLE(Echo Return Loss Enhancement)는 한 음성 프레임동안 상기 제2음성신호 S의 평균 에너지를 구하고 상기 반향제거신호 E의 평균 에너지를 구하여 그 차이를 다음 수학식 2와 같이 구한 것이다.

ERLE = 10 * log10(S의 평균 에너지) - 10 * log10(E의 평균 에너지)

상기 수학식 2에서 보듯이 ERLE는 매 프레임마다 제2음성신호 S와 반향제거신호 E의 평균 에너지차라고 생각하면 된다. ERLE는 매 프레임마다 구하고 상기 수학식 1은 매 프레임마다 구해진 ERLE를 이용하여 매 샘플마다 구해진 상기 반향제거 신호 E의 값을 이용한다. ERLE_THRESHOLD는 설계시 설계자의 의도대로 정해주면 되는 값이지만, 주변잡음이 많은 열악한 환경일수록 작은 값을 정해주는 것이 좋다. 또한 상기 ERLE_THRESHOLD는 상기 제1음성신호 U의 한 프레임동안의 에너지가 클수록 큰 값을 설정해주면 좋으며, 대개 10dB ~ 30dB 내외의 값을 갖는다. E2_THRESHOLD도 ERLE_THRESHOLD와 같은 방식으로 정해주면 대개 2500 ~ 10000의 값을 갖는다.

도 4는 정상적인 상태에서 상기 반향제거장치(430)의 제1더블토크검출기(432)가 항상 0의 값을 갖는 Fdtd1을 출력한다고 가정하고 상기 제2더블토크검출기(434)의 성능을 보여준다. 최악의 경우에 제1더블토크검출기(432)가 더블토크발생유무를 잘못 판단한다고 해도 제2더블토크검출기(434)가 상기 적응필터(410)의 동작을 멈춤으로써 반향제거장치(400)의 발산현상을 막는다. 도 4는 51번째 프레임부터 70번째 프레임까지 더블토크가 발생한 경우이다. 제2더블토크검출기(434)가 없을 때에는 ERLE값이 음수로 가고 이것은 적응필터(410)가 발산하고 있다는 의미이다. 제2더블토크검출기(434)가 있을 때는 이러한 현상이 발생하지 않는다.

상기와 같이 동작하는 본 발명의 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 반향제거장치는 적응필터와 두 개의 더블토크검출기를 구비한다. 제1더블토크검출기는 가장 간단한 구조의 에너지비교방법을 사용하고, 제2더블토크검출기는 제1더블토크검출기가 오동작했을 때 반향제거장치의 결과를 피드백받아 적응필터를 멈춤으로써 반향제거장치의 발산현상을 막아준다. 이로써 본 발명은 간단한 계산량 및 메모리 추가로 더블토크에 안정된 방향제거 장치를 공급할 수 있으며, 특히 코드분할다중접속 통신 시스템에서 보코더(Vocoder)와 반향제거장치가 한 디지털 신호처리 프로세서(Digital Signal Processor : DSP)내에서 구현될 때 계산량에 부담을 주지 않으므로 많이 이용할 수 있다.

Claims

A측 제1음성신호를 입력받아 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘을 사용해서 반향예측신호를 발생시키는 적응필터;

상기 적응필터에서 출력되는 반향예측신호와 하이브리드에서 출력된 제2음성신호를 입력받아 상기 제2음성신호에서 상기 반향예측신호를 빼주어 반향제거신호를 발생시키는 상쇄기;

상기 A측 제1음성신호와 상기 하이브리드에서 출력된 제2음성신호와 상기 상쇄기에서 출력되는 반향제거신호를 입력받아 상기 적응필터를 제어하는 제어신호와 비선형처리장치로 보내는 반향제거신호를 출력하는 적응필터제어기; 및

상기 적응필터제어기의 출력을 입력받아 억압된 반향제거신호를 출력하는 비선형처리장치를 포함하는, 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치.
제 1 항에 있어서, 상기 적응필터는, 상기 적응필터제어기가 출력하는 제어신호를 입력받아 상기 제어신호에 따라 적응속도를 조절하여 적응을 멈추거나 늦추게 하거나 빠르게 하는 동작을 수행하는, 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치.
제 1 항에 있어서, 상기 적응필터제어기는,

상기 제1음성신호와 제2음성신호를 입력받아 더블토크 발생 유무를 판단한 후 그 결과를 출력하는 제1더블토크검출기;

상기 제1음성신호와 제2음성신호 및 상기 상쇄기의 반향제거신호를 입력받아 더블토크 발생 유무를 판단한 후 그 결과를 출력하는 제2더블토크검출기; 및

상기 제1더블토크검출기의 출력값과 제2더블토크검출기의 출력값을 입력받아 논리합하는 논리합 회로로 구성되는, 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치.
제 3 항에 있어서, 상기 제2더블토크검출기는, 상기 제1더블토크검출기가 더블토크 발생유무를 잘못 판단할 경우 상기 반향제거장치의 결과를 피드백받아 상기 적응필터를 멈추게 함으로써 상기 반향제거장치의 발산현상을 막는, 더블토크 상황에서 안정되게 동작하는 반향제거장치.