KR20020055806A - 적응 반향 제거 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 회로의 임피던스 부정합에 의한 반향신호를 제거하기 위하여 상호상관성(Cross-correlation) 지연 추정기법을 이용한 고속 적응 반향 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 적응필터 갱신을 통한 적응반향 제거 방법은

원단화자 신호와 반향신호의 상호 상관성을 구하여 가장 큰 상호 상관성값 P_j를 구하여 반향신호의 지연정도를 추정하는 단계와; 상기 반향신호의 지연정도를 기준으로 정해진 수의 가중치만을 이용하여 필터링한후 필터링 모듈의 가중치를 갱신하는 단계를 포함하는것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의하면, 계산량이 줄어들고 적응필터의 수렴속도도 빨라져 보다 빠르게 반향신호를 제거할 수 있으므로 하나의 DSP에 소프트웨어적으로 보코더와 함께 구현이 용이해진다.

Description

적응 반향 제거 장치 및 방법 {Method and apparatus for removing the adaptive echo}

본 발명은 하이브리드 회로의 임피던스 부정합에 의한 반향신호를 제거하기 위하여 사용되고 있는 적응반향 제거기의 계산량을 감소시키고 수렴속도를 증가시키기 위한 것으로, 특히 적응반향제거기가 DSP에서 소프트웨어적으로 구현되어 보코더와 함께 운용되는 시스템에서 계산속도 및 수렴속도를 향상시키기 위해 상호상관성(Cross-correlation) 지연 추정기법을 이용한 고속 적응 반향 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 본 발명은, 교환기의 스위치 지연, 전송지연등으로 인한 반향신호의 지연을 추정하는 모듈 상호 상관성을 일정한 수식에 의해 미리 추정하고, 상기 추정한 값의 가장 큰 값 이후의 가중치들을 이용하여 적응필터를 갱신하여 반향신호를 제거하기 위한 것이다.

일반적으로 종래의 적응반향제거방법은 반향신호를 제거하기 위해 필터의 길이 즉, 가중치의 개수로서 보상하게 된다. 따라서 이러한 반향신호를 제거하기 위해 수백개의 필터계수를 가지는 적응반향제거기를 시스템에 도입하는 것이 일반적이었다.

도 1은 종래와 본 발명에서 적용가능한 적응반향제거기의 블럭도이다.

도 1의 구성을 살펴보면, 반향신호를 제거하기 위해 반향경로(10b)를 수백개의 계수를 가지는 적응필터(10a)로 모델링하고, 그 계수를 적응신호처리 방법을 사용하여 계속적으로 갱신시키고, 갱신된계수를 이용하여 반향을 제거하고 통화품질을 향상시키는 반향제거부(10)와, 상기 반향제거부의 출력과 근단자 신호를 누산하여 적응필터 계수를 갱신(조정)하여 상기 적응필터(10a)에 입력하는 적응필터 갱신부(11)를 포함하여 구성된다.

도 1의 적응반향제거기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 1의 적응반향제거기는 반향제거부(10)의 적응필터(10a)를 이용하여 반향경로에 입력되는 반향신호를 제거하게 되는데, 이때 상기 적응반향제거기로 입력되는 신호가 순수한 원단자신호(반향신호)만으로 이루어져 있으면 적응필터 갱신부(11)에서 적응필터(10a)의 계수들을 갱신하여 적응반향제거기를 동작하게 한다.

도 2는 종래와 본 발명에서 적용가능하며, 보코더와 함께 구현되는 적응반향제거기의 블럭도이다.

기본적으로 종래 도 1의 구성과 비슷하므로 동일한 번호를 사용하여 설명한다.

도2의 적응반향제거기의 구성을 살펴보면, 반향신호를 제거하기 위해 반향경로(10b)를 수백개의 계수를 가지는 적응필터(10a)로 모델링하고, 그 계수를 적응신호처리 방법을 사용하여 계속적으로 갱신시키고, 갱신된계수를 이용하여 반향을 제거하고 통화품질을 향상시키는 반향제거부(10)와, 상기 반향제거부의 출력과 근단자 신호를 누산하여 적응필터 계수를 갱신(조정)하여 상기 적응필터(10a)에 입력하는 적응필터 갱신부(11)와, 상기 적응필터갱신부에 정보를 인가하는 보코더(12)를포함하여 구성된다.

도 2의 적응반향제거기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

반향제거부(10)의 적응필터(10a)를 이용하여 반향경로에 입력되는 반향신호를 제거하게 되는데, 이때 상기 적응반향제거기로 입력되는 신호가 순수한 원단자신호(반향신호)만으로 이루어져 있으면 적응필터 갱신부(11)에서 적응필터(10a)의 계수들을 갱신하여 적응반향제거기를 동작하게 한다. 또한 보코더의 정보를 이용하여 적응필터갱신부에서 적응필터계수 갱신여부를 결정한다.

도 3은 종래의 적응 반향 제거기의 구성도이다.

먼저 적응반향신호관련, 일반적인 설명을 하면 현재 서비스중인 디지털 이동전화 시스템에서는 음성의 정보량을 줄이기 위하여 음성을 인코딩, 디코딩하는 보코더를 사용하고 있으나 보코더는 처리 지연시간이 수십 ms 이상 되기 때문에 기존의 아날로그 이동전화 시스템에서는 인식되지 않았던 하이브리드 회로상의 반향신호가 통화품질에 막대한 영향을 끼치는 문제점으로 대두 되었고, 이를 제거하기 위해 적응반향 제거기를 사용하고 있다.

일반적으로 하이브리드 회로의 임피이던스 부정합에 의하여 발생되는 반향신호를 제거하기 위한 적응반향 제거기는 트랜스버셜(Transversal) 구조를 가지는 적응FIR(Finite Impulse Response) 필터로 구현되며, 적응 알고리즘으로는 계산량이 적고 수치적 안정을 가지고 Weighting Factor를 갱신해주는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘이 많이 사용되고 있다.

도 1에 나타난바와 같이 적응반향제거기는 적응필터를 이용하여 원단자신호를 필터링한후, 상기 필터링한 신호와 반향신호의 차이가 감소되도록 적응필터의 가중치들을 변화시킨다.

따라서 적응필터가 반향경로를 정확히 모델링 한다면 입력되는 반향신호는 모두 제거될 수 있다.

그러나 적응필터가 반향경로를 정확히 모델링 하기 위해서는 수백개 이상의 가중치(Weighting Factor)들이 필요한데, 그 이유는 실제 반향경로의 임펄스 응답의 길이는 수 ms이내이지만, 교환기의 스위칭 지연, 전송지연등에 의하여 반향신호가 지연되기 때문이다. 그러므로 실제로 24ms 정도 지연된 반향신호를 제거하기 위해서는 최소한 192개 이상의 가중치를 가진 적응필터를 사용해야지만 반향신호를효과적으로 제거할 수 있다.

한편 상기의 적응반향제거기는 도 2와 같이 보코더와 함께 하나의 DSP에서 소프트웨어적으로 구현되기도 하며, 또는 도 1과 같이 보코더와는 별도로 H/W적인 하나의 시스템으로 구성되어 외장형으로 설치되기도 한다.

도 3의 적응반향 제거를 위한 구성을 설명하면, 원단화자신호 x(k)를 필터링하는 모듈(30)과, 적응필터(도1,10a)의 출력신호를 이용하여 반향신호 r(k)를 제거한후 오차신호(잔여반향신호)를 만드는 모듈(31)과, 상기 오차신호를 이용하여 적응필터의 가중치들을 갱신하는 모듈(32)로 구성된다.

이하 도 3를 참조하여 종래의 적응반향 제거 방법을 설명한다.

첫째로, 원단화자신호를 필터링하는 모듈(30)을 설명하면, 상기 30은 적응필터의 가중치와 메모리를 이용하여 입력되는 원단화자신호를 필터링하는 부분이다. 가중치(Weighting Factor)의 개수를 N이라고 하면, N개의 메모리가 필요하며 그 수식은 아래와 같다.

상기의 x(k)는 원단화자신호, w_k는 적응필터의 가중치 벡터, y(k)는 적응필터의 출력신호, k 는 시간 지수를 나타낸다.

둘째로, 반향신호를 제거하여 오차신호를 제거하는 모듈(31)를 설명하면, 상기 31은, 상기 31에 인가되는 반향신호 r(k)로 부터 상기 식 (1)에서 구한 적응필터의 출력신호를 마이너스하는 모듈로서 그 수식은 다음과 같다.

상기의 r(k)는 반향신호이며, y(k)는 적응필터의 출력신호, e(k)는 오차신호(잔여반향신호)이다.

셋째로, 적응필터의 가중치를 갱신하는 모듈(32)을 설명하면, 상기 (식2)에서 구한 오차신호를 이용하여 적응필터의 가중치들을 갱신하는 모듈로서 그 수식은 다음과 같다.

상기의 u는 적응필터의 수렴속도 및 안정성을 보장하는 스텝크기를 의미한다.

그런데 상기와 같은 종래의 적응반향제거기의 동작은, (식1)과 (식3)에 나타난 바와 같이 적응필터의 가중치 w_k들을 이용하여 반향경로를 모델링한다. 즉, 반향신호의 지연을 필터의 길이(가중치의 개수)로서 보상하게 된다.

그러므로 반향경로의 임펄스 응답의 길이는 매우 짧다 하더라도 교환기의 스위치 지연등으로 인하여 반향신호가 상당히 지연되기 때문에 반향신호의 지연을 보상하기 위해서는 매우 많은 가중치가 필요하게 된다. 따라서 기존의 적응 반향 제거기는 많은 계산량이 필요하며 또한 수렴속도도 매우 느린 단점이 있다. 결국 하나의 DSP에 적응반향제거기와 보코더가 함께 구현되기가 어려운 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 반향신호의 지연의 원인이 되는 교환기의 스위치 지연과 전송지연등으로 인한 반향신호의 지연을 미리 추정하여, 실제로 반향경로의 임펄스 응답이 존재하는 구간만을 모델링하는 방법으로, 원단자 신호와 반향신호의 상호상관성을 이용하여 반향신호의 지연을 보상하는 장치와 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 종래와 본 발명에서 적용가능한 적응반향제거기의 블럭도

도 2는 종래와 본 발명에서 적용가능하며, 보코더와 함께 구현되는 적응반향제거기의 블럭도

도 3은 종래의 적응 반향 제거기의 구성도

도 4는 본 발명의 적응 반향 제거기의 구성도

본 발명의 적응필터 갱신을 통한 적응반향 제거 방법은,

원단화자 신호와 반향신호의 상호 상관성을 구하여 가장 큰 상호 상관성값 P_j를 구하여 반향신호의 지연정도를 추정하는 단계와; 상기 반향신호의 지연정도를 기준으로 정해진 수의 가중치만을 이용하여 필터링한후 필터링 모듈의 가중치를 갱신하는 단계를 포함하는것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 적응반향제거기는 원단화자신호 x(k)와 반향신호 r(k)와의 상호상관성 값을 구하여 상기 반향신호의 지연정도를 추정하는 상호상관성 계산 모듈과; 상기 상호상관성 계산모듈의 출력신호를 이용하여 상기 원단화자신호를 필터링하는 필터링 모듈과; 상기 필터링 모듈의 출력신호를 이용하여 상기 반향신호를 제거하여 오차신호를 생성하는 반향신호 제거모듈과; 상기 반향신호 제거모듈의 출력신호와 상기 상호 상관성 계산모듈의 출력신호를 이용하여 상기 필터링 모듈의 가중치를 계산하여 가중치를 갱신하는 필터 가중치 갱신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 적응반향제거기 동작과 방법을 설명한다.

도 4의 적응반향 제거를 위한 구성을 설명하면, 원단화자신호 x(k)와 반향신호 r(k)와의 상호상관성을 구하여 반향신호의 지연정도를 추정하는 모듈(40)과, 상기 추정된 정보 j를 이용하여 원단화자신호 x(k)를 필터링하는 모듈(41)과, 적응필터(도1,10a)의 출력신호를 이용하여 반향신호 r(k)를 제거한후 오차신호(잔여반향신호)를 만드는 모듈(42)과, 상기 오차신호를 이용하여 적응필터의 가중치들을 갱신하는 모듈(43)로 구성된다.

도 4의 동작을 설명한다.

첫째로, 원단화자신호 x(k)와 반향신호 r(k)와의 상호상관성을 구하여 반향신호의 지연정도를 추정하는 모듈(40)을 설명한다.

먼저, 상호상관성을 구하는 수식은 다음과 같다.

상기에서는 평균값을 구하기 위한 요소로 감쇄인자(Forgetting factor)라고 한다.

상기 (식 4)를 이용하여 구한중에서 가장 큰 값이라면, j는 반향신호의 지연된 정도를 모두 포함할수 있는 요소이므로 N개의 가중치중에서 j번째 이후의 가중치들을 이용하여 필터링하고, 적응필터를 갱신하여도 반향경로를 충분히 모델링 할 수 있다.

또한 실제로 하이브리드 회로의 임펄스 응답을 구해보면 대부분의 경우가 1~4ms 이내에 집중되어 있으므로 매우 적은수의 가중치만을 이용하여도 반향신호를 대부분 제거할 수 있다.

또한 하이브리드 회로의 임펄스 응답은 시간에 따라 거의 변하지 않으므로 상호상관성은 매 샘플당 계산하지 않고 일정시간에 한번씩만 계산하고, i는 n,12,14,...,N-m만을 사용하여 계산하여도 충분한 성능을 얻을 수 있다.

N은 적응필터의 길이 즉, 가중치 개수를 의미하며 n+m은 실제로 사용할 가중치의 개수로서 추정된 상호상관성 지수 j을 중심으로 앞으로 n개, 뒤로 m개 가중치를 의미한다. 구하는 방법은 실험적으로 결정되며 반향경로의 임펄스 응답의 길이 보다는 길어야만 충분한 성능을 얻을수 있다.

둘째로, 원단화자신호를 필터링하는 모듈(41)을 설명하면, 종래 도 1의 필터링 모듈(30)은 모든 가중치 N을 이용하여 필터링하나, 본 발명에서는 n + m개만의 적응필터의 가중치와 메모리를 이용하여 입력되는 원단자 신호를 필터링 하며 그 수식은 아래와 같다.

상기의 x(k)는 원단화자신호, w_k는 적응필터의 가중치 벡터, y(k)는 적응필터의 출력신호, k 는 시간 지수를 나타내며, 또한 상기식에서 보는바와 같이 추정된 반향신호의 지연정도인 'j' 주변의 n + m개의 가중치만을 이용하여 필터링하는 것이다. 상기에서 n과 m은 여러가지 상황에 따라 변동될 수 있으나, 하이브리드 회로상의 반향경로를 제거하는 경우라면 n=10, m=32 정도로 설정하더라도 충분한 성능을 얻을 수 있다.

세째로, 반향신호를 제거하여 오차신호를 제거하는 모듈(42)를 설명하면, 상기 42는, 상기 42에 인가되는 반향신호 r(k)로 부터 상기 식 (1)에서 구한 적응필터의 출력신호를 마이너스하는 모듈로서 그 수식은 다음과 같다.

상기의 r(k)는 반향신호이며, y(k)는 적응필터의 출력신호, e(k)는 오차신호(잔여반향신호)이다.

네째로, 적응필터의 가중치를 갱신하는 모듈(43)을 설명하면, 상기 (식6)에서 구한 오차신호를 이용하여 적응필터의 가중치들을 갱신하는 모듈로서 그 수식은 다음과 같으며, 종래에는 모든 가중치(N)을 갱신하였으나 본 발명에서는 n + m 개만의 가중치를 갱신한다.

상기의 u는 적응필터의 수렴속도 및 안정성을 보장하는 스텝크기를 의미한다.

또한 상기식에서 보는바와 같이 추정된 반향신호의 지연정도인 'j' 주변의 n + m개의 가중치만을 갱신하는 것이다. 이렇게 n + m 개의 가중치만을 이용하여도 반향경로를 충분히 모델링 할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 반향신호의 지연의 원인이 되는 교환기의 스위치 지연과 전송지연등으로 인한 반향신호의 지연을 미리 추정하여, 실제로 반향경로의 임펄스 응답이 존재하는 구간만을 모델링하는 방법으로, 원단자 신호와 반향신호의 상호상관성을 이용하여 반향신호의 지연을 보상한 것이다.

따라서, 본 발명의 매 샘플당 계산량(곱셈수)를 살펴보면, 상호상관성을 구하는 상기 (식4)에서 매 샘플당 i는 n, 12, 14,...,N-m만을 사용하여 상호상관성을 계산할 경우에는 N-(n+m)+1 개, 상기 (식5)와 (식7)의 경우에는 2(n+m)+1 개의 곱셈이 필요하게 된다. 그러므로 총 필요한 곱셈수는 N+n+m+2가 된다. 이에비해 종래의 방법, (식1)과, (식3)에서는 2N+1의 곱셈이 필요하게 된다.

식 (4)에서 곱하기 수는 i에 대해 상수인 r(k),를 미리 구하고, 각 i에 대한 곱셈이,와가 되므로 i=0부터 N-1까지라면, 곱셈수는 2N+1이 된다. 그러나 i는 짝수이며, (n+m)개가 빠지므로 곱셈수는 N-(n+m)+1이 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다.

따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

본 발명에 따른 적응반향제거기를 사용하게 되면 종래의 방법보다 계산량을 크게 줄일수 있다. 즉, 종래의 일반적인 NLMS 알고리즘을 사용하는 적응반향제거기의 매 샘플당 계산량(곱셈수)을 비교했을때 종래의 방법은 2N+1이며, 본 발명을 적용시는 N+n+m+2이다. 상기에서 n+m은 N보다 매우 작은값으로 설정되므로 적응필터 가중치의 수(N)가 많아지면 많아질수록 즉, 반향신호의 지연이 길어지면 길어질수록 두 방법의 계산량은 커지게 된다.

따라서 본 발명에 의할시 계산량이 줄어들고, 적응필터의 수렴속도도 빨라져 보다 빠르게 반향신호를 제거할 수 있으므로 하나의 DSP에 소프트웨어적으로 보코더와 함께 구현이 용이해진다.

Claims (6)

1. 원단화자신호 x(k)와 반향신호 r(k)와의 상호상관성 값을 구하여 상기 반향신호의 지연정도를 추정하는 상호상관성 계산 모듈과; 상기 상호상관성 계산모듈의 출력신호를 이용하여 상기 원단화자신호를 필터링하는 필터링 모듈과; 상기 필터링 모듈의 출력신호를 이용하여 상기 반향신호를 제거하여 오차신호를 생성하는 반향신호 제거모듈과; 상기 반향신호 제거모듈의 출력신호와 상기 상호 상관성 계산모듈의 출력신호를 이용하여 상기 필터링 모듈의 가중치를 계산하여 가중치를 갱신하는 필터 가중치 갱신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 적응반향 제거 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 필터링 모듈은 상기 반향신호의 지연정도를 기준으로 정해진 수(n+m)의 가중치만을 이용하여 필터링하는 것을 특징으로 하는 적응반향제거장치.
3. 원단화자 신호와 반향신호의 상호 상관성을 구하여 가장 큰 상호 상관성값 P_j를 구하여 반향신호의 지연정도를 추정하는 단계와; 상기 반향신호의 지연정도를 기준으로 정해진 수의 가중치만을 이용하여 필터링한후 필터링 모듈의 가중치를 갱신하는 단계를 포함하는것을 특징으로 하는 적응반향 제거 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상호상관성값을 구하는 식은,인것을 특징으로 하는 적응반향 제거 방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 반향신호의 지연정도 추정은 상기 원단화자 신호 X(k)와 상기 반향신호 r(k)의 상호상관성 값 N개 중에서 가장 큰 상호상관성 값의 순번에 의해 추정되는 것을 특징으로 하는 적응반향 제거 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상호상관성을 구하는 수식은,이고; 원단자 신호를 필터링하는 수식은,

   이고; 오차신호를 생성하는 수식은,

   이고;

   상기 오차신호를 이용하여 적응필터의 가중치들을 갱신하는 수식은,

   인것을 특징으로 하는 적응반향 제거장치.