KR20040031401A

KR20040031401A - 통신시스템에서의 잔향 제거 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20040031401A
Application number: KR1020020060832A
Authority: KR
Inventors: 김재범
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-10-05
Filing date: 2002-10-05
Publication date: 2004-04-13

Abstract

통신시스템에서 라인 에코에 의해 원단 음성신호가 반사되어 근단 음성신호에 더해지는 잔향경로를 통해 수신되는 잔향을 제거하는 장치 및 방법이 개시되어 있다. 이러한 잔향 제거하는 장치는, 원단 음성신호와 근단 음성신호를 입력하여 지연시간 값을 계산하여 출력하는 지연시간 추정부와, 상기 지연시간 추정부로부터 출력된 상기 지연시간 값을 이용하여 매 순간 잔향을 추정하고 제거하는 잔향 제거부로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

통신시스템에서의 잔향 제거 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CANCELLING LINE ECHOES IN A COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 통신시스템에서의 잔향 제거 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 지연시간 추정 값을 이용하여 잔향을 제거하는 잔향 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.

현재의 유선전화망에서는 가입자 측으로 가까이 감에 따라 디지털 신호가 아날로그 신호로 변환되게 되고 가입자와 중계기 사이에 있는 2선-4선 변환기에 의해 4선(4-wire)이 2선(2-wire)으로 변환된다. 2선-4선 변환기를 통해 4선에서 2선으로 변환되는 과정에서 2선-4선 변환기의 임피던스 부정합에 의해 정확한 임피던스 정합이 되지 않아 보낸 신호의 일부가 반사되어 돌아오는 잔향이 발생하게 되는데 이를 라인 에코(line echo) 또는 하이브리드 에코(hybrid echo)라고 한다. 이동전화 또는 장거리 전화 시스템에서와 같이 지연시간이 길어지게 되면 이와 같은 라인 에코는 통화 품질에 큰 저하를 가져오게 된다. 따라서, 우수한 통화품질의 전화시스템을 구축하기 위해서는 잔향 제거 장치가 필수적으로 필요하게 된다. 일반적으로 잔향신호의 지연시간이 커지게 되면, 잔향제거에 필요한 적응필터의 차수가 커지게 되어 요구되는 계산량도 증가하게 되며, 또한 적응필터가 수렴하는데 필요한 시간도 증가하며 수렴이후 안정상태에서의 잔향 제거 성능도 떨어지게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 잔향 제거 장치의 구조를 도시하고 있다. 도1에 도시된 바와 같이 종래의 잔향 제거 장치(100)는 적응필터(101)와 감산부(103)와 필터계수 갱신부(101)로 구성되어진다. 이하 도 1을 참조하여 종래의 잔향 제거 장치(100)의 동작을 설명한다.

도 1을 참조하면, 적응필터(101)는 하기 수학식 1과 같이 원단음성(far-end speech) x(t)와 필터계수 w(t,i)를 콘볼루션 연산하여 추정된 잔향 신호값 y(t)를 출력한다. 감산부(103)는 잔향경로(echo path)(107)를 통과한 잔향신호가 포함된근단음성(near-end speech) s(t)와 상기 추정된 잔향신호 y(t)를 입력해서 s(t)와 y(t)의 차 신호인 잔차신호 e(t)를 출력한다. 잔향경로(107)는 라인 에코에 의해 원단 음성신호가 반사되어 근단 음성신호에 더해지는 패스를 말한다.

상기 수학식 1에서 t는 시간이며, i는 적응필터 탭(tap)의 인덱스(index)이고, N은 적응필터의 차수이다.

필터계수 갱신부(105)는 상기 원단음성 x(t)와 잔차신호 e(t)를 입력으로 하여 하기 수학식 2와 같은 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 통해 필터계수 w(t,i)를 매 샘플마다 갱신해서 적응필터(101)로 제공한다.

상기 수학식 2에서 μ는 적응속도를 조절하기 위한 상수이다.

도 2는 실제 유선전화망에서의 잔향경로에 의한 라인 에코의 임펄스 응답특성을 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 실제 라인 에코의 임펄스 응답특성은 지연시간 이후의 짧은 구간에서만 값을 갖고 나머지 구간에서는 영에 가까운 값을 가진다. 이러한 임펄스 응답특성 값이 결국에는 잔향경로를 적응필터로 모델링을 할 때 원하는 적응필터 계수들에 해당되므로, 대부분의 적응필터 계수들은 영에 가까운 값이되며 실제로 의미 있는 값을 갖고 갱신되어지는 계수들은 지연시간 이후의 수십 샘플들에 불과하다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 잔향 제거 장치는 상기한 바와 같은 실제 라인 에코의 임펄스 응답특성을 고려하지 않은 채 긴 응답시간을 갖는 잔향경로에 대해서 모든 계수들을 갱신시키는 형태의 적응필터를 사용한다. 따라서, 이러한 종래의 잔향 제거 장치를 사용하게 되면, 요구되는 계산량이 불필요하게 증가하게 되며, 또한 적응필터의 차수가 커짐에 따라 계수의 수렴속도가 떨어지게 되고 잔향 제거 성능 또한 저하된다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 잔향신호의 지연시간이 증가하더라도 계산량이 크게 증가하지 않으며 잔향 제거 성능도 거의 저하되지 않는 잔향 제거 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 잔향 제거하는 장치는, 원단 음성신호와 근단 음성신호를 입력하여 지연시간 값을 계산하여 출력하는 지연시간 추정부와, 상기 지연시간 추정부로부터 출력된 상기 지연시간 값을 이용하여 매 순간 잔향을 추정하고 제거하는 잔향 제거부로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 잔향 제거 방법은, 원단 음성신호와 근단 음성신호를 이용하여 잔향의 지연시간 값을 추정하는 과정과, 상기 추정된 지연시간 값을 이용하여 매 순간 잔향을 추정하고 제거하는 과정으로 구성됨을 특징으로 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 잔향 제거 장치의 구조를 도시하는 도면

도 2는 일반적인 유선전화망에서의 잔향경로(echo path)에 의한 라인 에코의 임펄스 응답특성을 도시하는 그래프

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잔향 제거 장치의 구조를 도시하는 도면

도 4는 도 3의 지연시간 추정부가 매 순간 지연시간 T값을 잔향 제거부로 제공하는 절차를 도시하는 흐름도

도 5는 도 3의 잔향 제거부(310)가 지연시간 추정부(320)로부터 출력된 지연시간 T 값을 이용하여 매 순간 잔향을 추정하고 제거하는 절차를 도시하는 흐름도

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부도면의 구성요소들에 참조번호들을 부여함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들을 부여한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서는 실제 라인 에코의 임펄스 응답 특성이 지연시간 이후의 짧은 구간에서만 값을 갖고 나머지 구간에서는 영에 가까운 값을 가진다는 사실에 착안하여 잔향신호의 지연시간이 증가하더라도 잔향의 추정된 지연시간을 이용함을 통해 계산량의 증가가 크지 않으며 성능저하도 거의 없는 잔향 제거 장치 및 방법을 구현하고자 한다.

이하 도 2 내지 도5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잔향 제거 장치 및 방법을 도시한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잔향 제거 장치를 도시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 잔향 제거 장치(300)는 종래의 잔향 제거 장치에 지연시간을 추정하는 수단이 추가되어 크게 잔향 제거부(310)와 지연시간 추정부(320)로 구성되어 있다. 잔향 제거부(310)는 적응필터(311)와 감산부(313)와 필터계수 갱신부(315)로 구성되며, 지연시간 추정부(320)는 적응필터(321)와 감산부(323)와 필터계수 갱신부(325)와 지연시간 추정기(327)로 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 잔향 제거 장치의 동작은 지연시간 추정부(320)가 잔향의 지연 시간을 추정하는 과정과, 잔향 제거부(310)가 추정된 지연시간 값을 이용하여 잔향을 제거하는 과정으로 구성된다.

도 3을 참조하여 지연시간 추정부(320)가 지연시간을 추정하는 동작을 먼저 설명하면 다음과 같다.

먼저 적응필터(321)는 하기 수학식 3과 같이 원단음성 x(t)와 필터계수 w1(t,i)을 콘볼루션 연산하여 y1(t)을 출력한다. 감산부(323)는 잔향경로(301)를 통과한 잔향신호가 포함된 근단음성 s(t)와 상기 y1(t)을 입력해서 s(t)와 y1(t)의 차 신호인 e1(t)을 출력한다.

상기 수학식 3에서 t는 시간이며, i는 적응필터 탭의 인덱스이고, N은 적응필터의 차수이다.

필터계수 갱신부(325)는 상기 y1(t)과 e1(t)을 입력으로 하여 하기 수학식 4와 같은 LMS 알고리즘을 통해 필터계수 w1(t,i)을 매 샘플마다 갱신해서 적응필터(321)로 제공한다.

상기 수학식 4에서 μ는 적응속도를 결정하는 적응상수이며, 적응필터의 계수는 매 샘플마다 모든 계수를 갱신하는 것이 아니라 P개마다 걸러서 갱신을 한다. 예를 들어, P=3일 경우에 t=0에서는 i=0,3,6,9,...에 해당하는 계수가 갱신되고, t=1에서는 i=1,4,7,10,...,에 해당되는 계수가 갱신되며, t=2에서는 i=2,5,8,11,...,에 해당되는 계수가 갱신되고, t=3에서는 다시i=0,3,6,9,...에 해당하는 계수가 갱신된다. 이 적응필터(321)의 사용목적은 임펄스 응답의 에너지가 대략적으로 어느 위치에 몰려있는 가를 알기 위함이므로 적응속도가 다소 느려도 큰 문제가 되지 않는다. 따라서 계산량의 증가를 방지하기 위해 모든 계수를 갱신하지 않고 일부 계수만을 번갈아 가면서 갱신하게 된다.

지연시간 추정기(327)는 적응필터 계수 w1과 하기 수학식 5를 이용하여 지연시간 T값을 추정하게 된다. 지연시간 추정은 입력되는 매 샘플마다 수행될 수도 있으며, 계산량을 보다 감소하기 위하여 매 샘플이 아닌 수십 또는 수백 샘플마다 수행될 수도 있다.

상기 수학식 5를 이용하여 지연시간추정을 행할 때에는 상기 수학식 3 및 수학식 4로 표현되는 적응필터계수의 갱신을 수행하지 않음으로써 계산량의 증가를 방지한다. 수학식 5에서와 같이 크기가 M인 윈도우를 0 샘플에서 N-M 샘플까지 이동해 가면서 각 이동값(j)에 대해서 윈도우 내에 포함되는 계수들(w1(t,j),...,w1(t,j+M))의 에너지 값을 계산하고 그 에너지 값이 최대가 되는 이동값(j)을 찾음으로써 지연시간 T값을 구할 수 있다.

도 3을 참조하여 잔향 제거부(310)가 지연시간 추정기(327)로부터 출력된 지연시간 T값을 이용하여 잔향을 추정하여 제거하는 동작을 설명하면 다음과 같다.

적응필터(311)는 하기 수학식 6을 이용하여 매 샘플마다 잔향신호를 추정하며, 감산부(313)는 근단음성 신호 s(t)에서 상기 추정된 잔향신호를 차감하고, 필터계수 갱신부(315)는 하기 수학식 7을 이용하여 매 샘플마다 적응필터(311)의 계수를 갱신시킨다.

상기 수학식 6과 같이 적응필터(311)는 전체 N개의 적응필터계수 중에서 지연시간 T 이후의 M개의 계수만을 사용하여 잔향신호를 추정하게 되며, 상기 수학식 7과 같이 필터계수 갱신부(315)도 지연시간 T 이후의 M개의 계수만을 갱신하게 된다.

도 4는 도 3의 지연시간 추정부(320)가 매 순간 지연시간 T값을 잔향 제거부(310)로 제공하는 절차를 도시하는 흐름도이다.

도 4에서는 지연시간 추정부(320)가 계산량을 보다 감소시키기 위하여 입력되는 매 샘플이 아닌 수십 또는 수백 샘플마다 지연시간 T값을 추정하는 경우를 도시하고 있으나, 지연시간 추정부(320)가 입력되는 매 샘플마다 지연시간 T값을 추정하는 것도 가능하다. 매 샘플마다 지연시간 T값을 추정하는 경우에는, 도 4의 흐름도에서 406단계와 408단계와 410단계 대신에 단순히 매 샘플마다 지연시간을 추정하는 동작 단계가 필요하다.

도 3 및 도 4를 참조하여 상기 지연시간 T값 제공 절차를 설명하면, 지연시간 추정부(320)는 먼저 402단계에서 수학식 3을 이용하여 입력 x(t)에 해당되는 y1(t)을 산출한 후 404단계로 진행한다. 404단계에서는 s(t) 값에서 상기 y1(t) 값을 차감하여 e1(t)을 출력한 후 406단계로 진행한다. 406단계에서는 현재시점 t가 지연시간 추정 시점인지를 판단해서, 현재시점 t가 지연시간 추정 시점이면 408단계로 진행하며, 아니면 410단계로 진행한다. 408단계에서는 수학식 3 및 수학식 4에 따른 필터계수 갱신 동작을 중지하고 수학식 5를 통해 새로운 지연시간 T값을 산출하여 잔향 제거부(310)로 제공한다. 반면 410단계에서는 수학식 3 및 4에 따른 필터 계수 갱신을 수행하며 이전의 지연시간 T값을 잔향 제거부(310)로 제공한다. 상기한 408단계 또는 410단계를 통해 매 순간마다 이루어지는 지연시간 T값 제공 절차가 종료된다.

도 5는 도 3의 잔향 제거부(310)가 지연시간 추정부(320)로부터 출력된 지연시간 T값을 이용하여 매 순간 잔향을 추정하고 제거하는 절차를 도시하고 있다.

도 3, 도 4 및 도 5를 참조하여 상기의 잔향 추정 및 제거 절차를 설명하면, 잔향 제거부(310)는 먼저 502단계에서 x(t)와 지연시간 T값(지연시간 추정부(320)가 도 4의 408단계 또는 410단계에서 제공한 값임)과 수학식 6을 이용하여 y(t)를 산출한다. 504단계에서는 s(t) 값에서 상기 y(t) 값을 차감하여 e(t)를 출력한 후 506단계로 진행한다. 506단계에서는 상기 e(t)와 상기 지연시간 T값과 수학식 7을 이용하여 적응필터(311)의 계수를 갱신한다. 상기한 단계들을 통해 매 순간마다 이루어지는 잔향 제거 절차가 완료된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 실제 라인 에코의 임펄스 응답 특성이 지연시간 이후의 짧은 구간에서만 값을 갖고 나머지 구간에서는 영에 가까운 값을 가진다는 사실에 착안하여, 먼저 지연시간을 추정한 후 전체 N개의 적응필터계수 중에서 추정된 지연시간 이후의 M개의 계수만을 사용하여 잔향신호를 효과적으로 추정해서 제거할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 잔향 제거 장치는 잔향의 지연시간을 추정하고 이 추정된 지연시간 값을 활용하여 잔향을 추정하고 제거하게 되는데, 이러한 본 발명의 잔향 제거 장치를 사용하게 되면 종래의 잔향 제거 장치를 사용하는 것에 비해 잔향의 지연시간이 증가하더라도 잔향 제거시의 계산량이 크게 증가하지 않으며 잔향 제거 성능도 거의 저하되지 않는다.

Claims

통신시스템에서 라인 에코에 의해 원단 음성신호가 반사되어 근단 음성신호에 더해지는 잔향경로를 통해 수신되는 잔향을 제거하는 장치에 있어서,

원단 음성신호와 근단 음성신호를 입력하여 잔향의 지연시간 값을 계산하여 출력하는 지연시간 추정부와,

상기 지연시간 추정부로부터 출력된 상기 지연시간 값을 이용하여 매 순간 잔향을 추정하고 제거하는 잔향 제거부로 구성됨을 특징으로 하는 상기 장치.
제1항에 있어서,

상기 지연시간 값의 계산은 매 입력샘플에 대해서 수행됨을 특징으로 하는 상기 장치.
제1항에 있어서,

상기 지연시간 값의 계산은 소정 지연시간 추정주기마다 수행됨을 특징으로 하는 상기 장치.
제1항에 있어서, 상기 지연시간 추정부는,

원단 음성신호를 입력하여 추정된 잔향신호를 출력하는 제1적응필터와,

상기 추정된 잔향신호와 근단 음성신호를 입력하여 제1잔차신호를 출력하는 제1감산기와,

상기 제1잔차신호를 입력하여 상기 제1적응필터의 계수를 갱신하여 출력하는 제1필터계수 갱신부와,

상기 계수 갱신값을 입력하여 상기 잔향신호의 지연시간을 추정하여 출력하는 지연시간 추정기로 구성됨을 특징으로 하는 상기 장치.
제4항에 있어서, 상기 제1적응필터는 하기 수학식 8에 따라 잔향신호 추정값 y1(t)을 계산함을 특징으로 하는 상기 장치.

여기서 t는 시간이고, i는 상기 제1적응필터의 탭 인덱스이며, N은 상기 제1적응필터의 차수이고, w1(t,i)은 상기 제1적응필터의 계수이며, x(t)는 상기 제1적응필터에 입력되는 원단음성 신호이다.
제4항에 있어서, 상기 제1필터계수 갱신부는 하기 수학식 9에 따라 상기 제1적응필터의 계수를 갱신하여 출력함을 특징으로 하는 상기 장치.

여기서 t는 시간이고, i는 상기 제1적응필터의 탭 인덱스이며, N은 상기 제1적응필터의 차수이고, μ는 상기 제1적응필터의 적응속도를 결정하는 적응상수이며, P는 상기 제1적응필터의 계수를 갱신하는 샘플주기이고, w1(t,i)은 상기 제1적응필터의 계수이며, x(t)는 상기 제1적응필터에 입력되는 원단음성 신호이고, e1(t)은 상기 제1잔차신호이다.
제4항에 있어서, 상기 지연시간 추정기는 하기 수학식 10에 따라 지연시간 T를 추정함을 특징으로 하는 상기 장치.

여기서 t는 시간이고, i는 상기 제1적응필터의 탭 인덱스이며, N은 상기 제1적응필터의 차수이고, w1(t,i)은 상기 제1적응필터의 계수이며, M은 윈도우의 크기이다.
제1항에 있어서, 상기 잔향 제거부는,

원단 음성신호를 입력하여 추정된 잔향신호를 출력하는 제2적응필터와,

상기 추정된 잔향신호와 근단 음성신호를 입력하여 제2잔차신호를 출력하는 제2감산기와,

상기 제2잔차신호와 상기 지연시간 추정부로부터 출력된 지연시간 값을 입력하여 상기 제2적응필터의 계수를 갱신하여 출력하는 제2필터계수 갱신부로 구성됨을 특징으로 하는 상기 장치.
제8항에 있어서, 상기 제2적응필터는 하기 수학식 11에 따라 잔향신호 추정값 y(t)를 계산함을 특징으로 하는 상기 장치.

여기서 t는 시간이고, i는 상기 제2적응필터의 탭 인덱스이며, M은 윈도우의 크기이며, T는 상기 지연시간 추정부로부터 출력된 지연시간 추정값이고, w(t,i)는 상기 제2적응필터의 계수이고, x(t)는 상기 제2적응필터에 입력되는 원단음성 신호이다.
제8항에 있어서, 상기 제2필터계수 갱신부는 하기 수학식 12에 따라 상기 제2적응필터의 계수를 갱신하여 출력함을 특징으로 하는 상기 장치.

여기서 t는 시간이고, i는 상기 제1적응필터의 탭 인덱스이며, μ는 상기 제2적응필터의 적응속도를 결정하는 적응상수이고, w(t,i)는 상기 제2적응필터의 계수이며, x(t)는 상기 제2적응필터에 입력되는 원단음성 신호이고, e(t)는 상기 제2잔차신호이다.
통신시스템에서 라인 에코에 의해 원단 음성신호가 반사되어 근단 음성신호에 더해지는 잔향경로를 통해 수신되는 잔향을 제거하는 방법에 있어서,

원단 음성신호와 근단 음성신호를 이용하여 잔향의 지연시간 값을 추정하는 과정과,

상기 추정된 지연시간 값을 이용하여 매 순간 잔향을 추정하고 제거하는 과정으로 구성됨을 특징으로 하는 상기 방법.
제11항에 있어서,

상기 지연시간 값의 추정은 매 입력샘플에 대해서 수행됨을 특징으로 하는 상기 방법.
제11항에 있어서,

상기 지연시간 값의 추정은 소정 지연시간 추정주기마다 수행됨을 특징으로 하는 상기 방법.