KR20040077783A - 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들을 믹싱하기 위한 믹싱시스템 - Google Patents

Abstract

복수의 디지탈 오디오 신호들을 믹싱하기 위한 믹싱 시스템(mixing system)에 있어서, 디지탈 오디오 신호들 중 적어도 하나는 미리 정해진 샘플링 주파수 및 비트 분해능(bit resolution)을 가지는 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호(noise-shaped oversampled digital audio signal)이며, 상기 시스템은, 복수의 입력 신호들의 합 신호를 계산하기 위한 합산 유닛, 상기 합 신호를 수신하기 위한 입력을 가지며, 상기 합 신호를 클리핑하는 상기 클리핑 유닛을 포함하며,상기 합 신호로부터 오디오 주파수 대역 밖의 주파수 성분들을 선택적으로 억제하기 위해 배열된 상기 입력 단자들과 상기 클리핑 유닛사이의 필터 유닛, 및 클리핑 합 신호를 상기 클리핑 유닛으로부터 수신하며, 상기 클리핑된 합 신호를 노이즈-세이핑(noise-shaping)을 이용하여 상기 비트 분해능의 출력 신호로 변환하기 위해 배열된 컨버터 유닛을 더 포함하며, 상기 클리핑 유닛은 상기 입력 값들을 상기 컨버터가 안정된 방법으로 조절할 수 있는 값들의 범위로 제한하기 위해 배열된다.

Description

오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들을 믹싱하기 위한 믹싱 시스템{Mixing system for mixing oversampled digital audio signals}

미국 특허 제 5,581,480호는 다수의 샘플링된 오디오 신호들을 합산하는 믹서(mixer)를 개시한다. 샘플들은 잘 알려진 펄스 코드 변조(Pulse Code Modulation, PCM) 기술을 사용하여 표현되며, 여기서 신호 진폭들은 다비트(이를테면 8-16비트) 워드로서 표현된다. 이 기술에서, 잘 알려진 것과 같이 신호 대역폭에 2배인, 적어도 나이키스트(Nyquist) 정리에 따른 최소 샘플링 주파수인 샘플링 주파수가 사용된다.

본 발명은 미리 정해진 샘플링 주파수 및 비트 분해능(bit resolution)을 가지는 다수의 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들(noise-shaped oversampled digital audio signals)을 믹싱하기 위한 믹싱 시스템(mixing system)에 관한 것이며, 상기 시스템은 상기 복수의 오디오 신호들중의 각각의 하나를 수신하기 위한 다수의 입력 단자들을 각각 가지는, 상기 복수의 입력 신호들의 합 신호(sum signal)를 계산하기 위한 합산 유닛(summing unit), 및 상기 합 신호를 수신하기 위한 입력을 가지며, 상기 합 신호를 클리핑하기 위한 클리핑 유닛을 포함하는 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 믹싱 시스템을 가지는 오디오 시스템의 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 믹서 실시예의 개략도.

이 공보에 개시된 믹서는 입력 신호들(일반적으로 8 또는 16-비트 분해능)과 같은 분해능으로 표현될 수 있는 값들의 범위로 혼합된 신호를 유지하기 위한 클리퍼(clipper)를 가진다. 그런 클리퍼는 상기 합이 최대 값, 이를테면 8 또는 16 비트로 표현될 수 있는 최대 값을 초과하면 2 오디오 샘플들의 합을 낮은 값으로 줄인다.

8 또는 16-비트 PCM 신호들은 오디오 신호들을 표현하는 유용한 방법이지만, 그들은 그들의 큰 워드 사이즈 때문에 어떤 문제점을 가지고 있다. 대안으로서, 그런 큰 워드 사이즈를 갖는 PCM 신호들 대신에 "노이즈 세이프 오버 샘플링된(noise-shaped oversampled)" 오디오 신호들을 사용하는 것이 제안되었다. 노이즈 세이프 오버 샘플링된 오디오 신호들은 오디오 신호의 나이키스트 주파수보다 상당히 위의 샘플링 주파수에서 샘플당 하나 또는 약간의 비트를 포함한다. 그런 신호들의 기본 아이디어는 신호가 적은 수의 비트를 사용한 결과인 큰 양자화 에러들의 스펙트럼 밀도가 높은 샘플링 주파수로 인해 이용 가능한 여분의 대역폭에서 적어도 실질적으로 오디오 대역폭 바깥쪽에 집중되는 식으로 표현된다는 것이다.

예제로서, 표준 DSD(Direct Stream Digital)-신호로서 알려진 포맷에서, 오디오 컨텐츠는 2.8MHz의 샘플링 레이트를 가진 1-비트 샘플 스트림으로 저장된다. 대안으로서 샘플당 2 비트와 같은 약간 더 높은 분해능이 사용될 수 있다.

그런 노이즈 세이프 오버샘플링된 샘플 스트림들은 낮은 가청 잡음을 가지는 상대적으로 낮은 비트 분해능을 사용할 가능성을 제공하는데, 그 이유는 샘플들로부터 오디오 프래그먼트(audio fragment)를 재구성함에 있어서, 다중 샘플들이 신호 분해능을 향상시키는데 사용될 수 있기 때문이다. 게다가, 샘플 스트림이 매우 작은, 심지어 1-비트, 분해능을 가질 수 있을 지라도, 사람의 가청 시스템은 이 레코딩 기술을 종래의 PCM-레코딩 기술(PCM-recording technology)보다 더 좋게 평가할 것이 분명해진다.

그런 노이즈 세이프 오버샘플링된 신호들을 동일 샘플링 주파수를 가진 혼합된 신호들이 생성되는 방식으로 혼합하는 것이 바람직하다. 그래서, 믹서는 노이즈 세이프 오버샘플링된 신호들이 시스템 구성요소들 사이에서 통신하는 시스템에 통합될 수 있다.

그러나 그런 노이즈 세이프 오버샘플링된 오디오 신호들이 혼합될 때, 혼합된 신호는 상기 합이 최대 값을 초과하면 혼합된 신호를 낮은 값으로 줄이기 위해 미국 특허 제 5,581,480호에 개시된 것과 같은 클리핑을 사용하면 심하게 왜곡될수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 왜곡이 적어지는 노이즈 세이프 오버샘플링된 출력 신호를 생성하기 위해 노이즈 세이프 오버샘플링된 신호들을 혼합하는 믹싱 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르면 전제부(preamble)에 기술된 믹싱 시스템은:

상기 합 신호들로부터 오디오 주파수 대역 밖의 주파수 구성성분들을 선택적으로 억제하기 위해 배열된, 상기 입력 단자들과 상기 클리핑 유닛 사이의 필터 유닛과,

상기 클리핑 유닛으로부터 상기 클리핑된 합신호를 수신하고 상기 클리핑된 합 신호를 노이즈 세이핑(noise-shaping)을 이용하여 상기 비트 분해능의 출력 신호로 변환하기 위해 배열된 컨버터 유닛을 포함하고, 상기 클리핑 유닛은 컨버터가 안정한 방법으로 취급할 수 있는 값들의 범위로 입력값을 제한하기 위해 배열되는 컨버터 유닛을 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 컨버터는 혼합된 신호를 노이즈 세이핑을 사용해 저 분해능으로 다시 변환한다. 상기 클리핑 유닛은 컨버터에 대한 입력 값들을 컨버터에 의해 취급될 수 있는 범위로 제한한다. 이것은 미국 특허 제 5,581,480호의 클리핑 유닛과 대조를 이루며, 신호 진폭을 특정 PCM-비트 워드로 표현할 수 있는 원하는 범위로 유지하는 작용을 하며 그 때문에 사실상의 변환 기능을 수행한다. 후자 범위는 컨버터에 의해 취급될 수 있는 범위보다 훨씬 좁다.

그러나, 클리핑 동작을 적용함으로서, 비-선형 효과들(non-linear effects)이 도입된다. 상기 클리핑 기능의 비-선형성은 입력 신호들로부터의 양자화 노이즈를 오디오 대역 위로부터 폴딩 백(folding back) 효과를 가진다. 저-분해능 신호들(low-resolution signals)에서, 양자화 노이즈는 상대적으로 강하다. 본 발명에 따르는 믹싱 시스템은 상기 클리핑 동작의 비-선형 특징으로 인한 폴드백(foldback)을 줄이기 위해, 클리핑 전의 신호로부터 고-주파수 성분들(high-frequency components)을 억제한다.

최선의 실시예에서, 상기 필터 유닛은 입력 채널을 포함하며 상기 입력 신호들의 오디오 대역폭을 제한하기 위해 상기 입력 신호들을 필터링 한다. 그런 상황은 대역폭의 감소가 디지탈 처리 속도에 대한 요구를 완화하는 장점을 가진다. 바람직하게는, 상기 제 1 및 제 2 샘플링 주파수들은 크기가 같으며, 특히, 상기 입력 신호들 및/또는 상기 출력 신호들은 위에 언급된 DSD-포맷으로 만들어진다.

다른 최선의 실시예에서, 상기 컨버터 유닛은 시그마-델타 변조기(Sigma-Delta Modulator)를 포함한다. 게다가, 클리핑된 신호는 상기 시그마-델타 변조기에 유순한 클립 레벨(clip level)까지 최대가 될 수 있다. 특히 상기 신호 출력은 시그마-델타 변조기의 출력 진폭과 비교하여 -3dB까지 최대화 될 수 있다.

상기 입력 채널은 상기 입력 신호를 다운-샘플링(down-sampling)하기 위한 다운 샘플링 유닛을 포함한다. 그런 다운-샘플링 유닛은 대역폭의 감소가 디지탈 처리 속도에 대한 요구를 완화하는 장점을 가진다.

요구된 제 2 샘플링 주파수를 가지는 출력 신호를 출력하기 위해, 상기 컨버터 유닛은 업-샘플링 유닛(up-sampling unit)을 포함할 수 있다.

좋은 사이코-음향 특성들(psycho-acoustical properties)을 얻기 위해, 클리핑 유닛이 소프트 클리핑 유형(soft clipping type)으로 만들어질 수 있다.

본 발명은 제 1 미리 정해진 샘플링 주파수 및 비트 분해능을 가지는 복수의 오디오 입력 신호들을 믹싱하기 위한 방법에 더 관한 것이며, 상기 샘플링 주파수는 오디오 대역폭에 대해 상대적으로 높으며 및 상기 비트 분해능은 상대적으로 낮으며, 상기 방법은 상기복수의 오디오 신호들 중 각각의 하나를 수신하는 단계와, 상기 복수의 입력 신호들의 합 신호를 계산하는 단계와, 상기 입력 신호들 및/또는상기 합 신호에서 오디오 주파수 대역 밖의 주파수 성분들을 선택적으로 억제하는 단계와, 상기 합 신호를 클리핑하는 단계와, 상기 클립된 합 신호를 노이즈 세이핑을 이용하여 상기 비트 분해능의 출력 신호로 변환하는 단계를 포함하고, 상기 입력 값들을 컨버터가 안정한 방법으로 취급할 수 있는 값들의 범위로 제한하기 위해 배열되는 단계를 포함한다.

본 방법은 상기 입력 신호들의 오디오 대역폭을 제한하는 단계를 더 포함한다.

본 발명은 또한 미리 정해진 샘플링 주파수 및 비트 분해능을 가지는 다수의 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들을 믹싱하기 위한, 상기 언급된 특징에 따른 믹싱 시스템을 포함하는 오디오 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 특징 및 다른 특징은 도면으로부터 분명해질 것이다.

도 1에는, 오디오 재생 시스템(1)의 일반적 셋업이 도시되었으며, 이것은 기록 채널들(recorded channels)의 수보다 적은 출력 채널들을 가지는 오디오 셋업을 위해서 슈퍼오디오 CD(Super Audio CD, 2)의 다중채널 기록에 들어있는 오디오 정보를 최적으로 이용할 수 있다. 일 예로, 도 2에서 입력 채널들(3)의 수는 다섯이고, 출력 채널들(4)의 수는 둘이다. 이것을 위해, 오디오 시스템(1)은 미리 정해진샘플링 주파수 및 비트 분해능을 가지는 상기 복수의 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들(6)을 혼합하기 위한 믹서를 포함한다. 그런 노이즈 세이프 오버샘플링된 신호(6)의 예는 DSD-신호 포맷이며, 신호들을 다중-비트 워드들로서 저장하는 종래의 기록 기술들(PCM 즉 펄스 코드 변조로서 알려진)과는 대조적으로, 신호 컨텐츠를 2.8MHz의 샘플링 레이트(매우 높음)을 가진 1-비트 샘플 스트림으로서 신호 컨텐츠를 저장한다. 포맷은 우수한 오디오 품질을 제공할 수 있으며 종래의 CD 기록 캐리어, 즉 SACD(Super-Audio Compact Disc SACD)의 계승자를 위한 표준을 형성한다.

본 설명에서는 단일-비트 샘들들로 구성되는 샘플 스트림이 사용되지만, 샘플 스트림은 실제로 1 비트보다 큰 샘플들에 의해서 형성될 수 있다. 본 발명은 오버샘플링이 샘플 스트림에서 사용되는 비트들의 제한된 비트 분해능으로 인한 양자화 잡음 효과들을 제거하기 위해 적용되는 모든 경우에 적용할 수 있다. 믹싱 후, 도 1의 셋업은 출력 신호들(7)을 요구되는 샘플링 주파수 및 비트 분해능으로 제공하기 때문에 비용-효율성(cost-effectiveness) 및/또는 품질(quality)에서 요구되는 균형(trade-off)을 제공하기 위해 배열된 프로세싱 모듈(8)을 포함하는 변조기 신호 처리 시스템(modular signal processing system)을 제공할 수 있는 가능성을 생성한다.

도 2에서, 믹서(5)는 복수의 입력 채널들(3)을 포함한다. 본 예에서, 각 채널(3)은 다운-샘플링 유닛(9)을 포함한다. 입력 신호들(6)의 샘플 레이트를 줄임으로써, 더 많은 비용-효율적인 신호 처리가 상기 입력 채널(3)에 존재하는 신호 프로세서들(signal processors, 10)에 의해 가능하다.

신호 처리 후, 신호(6)는 스케일링 스테이지(scaling stage, 11)에서 스케일링 팩터(C1-CN)로 가중된다. 신호들(6)은 그때 혼합된 신호(13)를 생성하기 위해 가산 유닛(adding unit, 12)에서 가산된다. 가산 후, 클리핑 유닛(14)은 상기 혼합된 신호(13)를 최대 신호 진폭으로 제한하기 위해 혼합된 신호(7)를 클리핑 한다.

클리핑 유닛(14) 때문에, 비-선형 효과들이 신호 처리에 도입되며, 주파수 배가 및 혼합의 양에 이른다. 그러므로, 초고주파수 대역(very high-frequency bands)에 상당히 강하게 존재하는, 양자화 잡음과 관련된 주파수 성분들은 가청 스펙트럼으로 다시 매핑된다. 이와 같은 고-주파수 잡음의 폴드백을 제거하기 위해, 필터 유닛(15)이 클리퍼(14)앞에 도입된다. 이 필터(15)는 상기 비트 분해능으로부터 발생하는 상기 (혼합된) 신호(6,13)에 포함된 주파수 성분들을 제거할 수 있다.

필터(15)는 클리퍼가 고-주파수 양자화 잡음의 원하는 필터링을 달성하기 위해 클리퍼 앞중 어느 곳에나 놓일 수 있다. 일 예로서, 도 1에는 도시되지 않지만, 필터(15)는 원칙적으로 믹서(5) 뒤에 놓일 수 있다. 그러나, 필터(15)의 바람직한 위치는 그런 필터를 도 1에 도시된 것과 같이 다운-샘플링 유닛(9)의 필터와 결합하는 것이다. 이 위치에서, 더 비용-효율적인 신호 처리가 재생된 오디오밴드 스펙트럼(audioband spectrum)을 줄임으로써 수행될 수 있다. 충분히 줄였을 때, 샘플링 주파수 역시 동시에 허용 가능한 신호 분해능을 유지하면서 감소될 수 있다.

이 방법에서, 고-주파수 양자화 잡음을 제거하고 재생된 오디오 스펙트럼을 줄이는 기능은 단일 필터 스테이지(15)에 결합된다.

가산 유닛(15)의 출력은 다양한 신호 처리 단계들, 신호(6)의 스케일링 및 가산으로 인해 멀티-비트이다. 신호(6)를 원하는 포맷의 출력 신호(7)로 변환하기 위해, 업-샘플링 유닛(16) 및 컨버터(17), 바람직하게는 시그마-델타 변조기(SDM)가 도입된다. 그런 컨버터(17)는 본질적으로 미분기(differentiator)로서 오직 신호(13)의 증분을 1-비트 값들로서 출력한다. 업-샘플링은 잘 알려진 많은 절차, 예를 들어, 샘플 유지(sample-and-hold) 및 보간(interpolation)으로 성취될 수 있다.

시그마-델타 변조기의 실제 입력 값들은 안정된 출력을 생성하기 위해서 -3dB 아래에 있을 필요가 있으며, 그럼으로써 입력 전압 범위가 시그마-델타 변조기의 2진의 출력 전압들로부터 -3dB만큼 제한된다. 클리퍼(14)는 바람직하게는 컨버터(14)에 입력된 입력 값들을 제한하기 위해 설계된다.

출력된 신호(7)의 좋은 청 지각(auditory perception)을 얻기 위해서, 소프트 타입의 클리퍼(14)가 사용되며, 이것은 클리핑 기능의 에지를 라운딩(rounding) 함으로써 주파수들의 수를 제한한다.

본 발명은 도면을 참조하여 기술된 실시예들에 제한되는 것이 아니라 그것의 모든 종류의 변형예를 포함할 수 있다는 것이 광업자에게는 명백할 것이다. 상기 및 다른 형태는 첨부된 청구항들의 보호 범위에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (14)

1. 복수의 디지탈 오디오 신호들을 혼합하기 위한 믹싱 시스템(mixing system)에 있어서, 디지탈 오디오 신호들의 적어도 하나는 미리 정해진 샘플링 주파수(sampling frequency) 및 비트 분해능(bit resolution)을 가지는 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호(noise-shaped oversampled digital audio signal)이며, 상기 시스템은,

   상기 복수의 오디오 신호들중 각각의 하나를 수신하기 위한 복수의 입력 단자들을 각각 가지는, 상기 복수의 입력 신호들의 합 신호를 계산하기 위한 합산 유닛과,

   상기 합 신호를 수신하기 위한 입력을 가지는 클리핑 유닛으로서, 상기 상기 합 신호를 클리핑하는, 상기 클리핑 유닛과,

   상기 합 신호들로부터 오디오 주파수 대역 밖의 주파수 구성성분들을 선택적으로 억제하기 위해 배열된, 상기 입력 단자들과 상기 클리핑 유닛 사이의 필터 유닛과,

   상기 클리핑 유닛으로부터 상기 클리핑된 합신호를 수신하고 상기 클리핑된 합 신호를 노이즈 세이핑(noise-shaping)을 이용하여 상기 비트 분해능의 출력 신호로 변환하기 위해 배열된 컨버터 유닛을 포함하고, 상기 클리핑 유닛은 컨버터가 안정한 방법으로 취급할 수 있는 값들의 범위로 입력값을 제한하기 위해 배열되는, 믹싱 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 필터 유닛은 입력 채널에 포함되며 상기 입력신호들의 오디오 대역폭을 제한하기 위해 상기 입력 신호들을 필터링하는 것을 특징으로 하는, 믹싱 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 샘플링 주파수들은 크기가 같은 것을 특징으로 하는, 믹싱 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 신호들 및/또는 상기 출력 신호들은 DSD-포맷으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 믹싱 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨버터는 시그마-델타 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 믹싱 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 클립된 신호는 상기 시그마-델타 변조기에 유순한 클립 레벨까지 최대화 되는 것을 특징으로 하는, 믹싱 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 신호 출력은 상기 시그마-델타 변조기의 진폭 출력과 비교하여 -3dB까지 최대화 되는 것을 특징으로하는, 믹싱 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 채널은 상기 입력 신호를 다운-샘플링하기 위한 다운-샘플링 유닛을 포함하는 것을 특징으로하는, 믹싱 시스템.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨버터 유닛은 업-샘플링 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 믹싱 시스템.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클리핑 유닛은 소프트 클리핑 유형으로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 믹싱 시스템.
11. 미리 정해진 샘플링 주파수 및 비트 분해능을 가지는 복수의 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들을 믹싱하는 방법에 있어서,

    상기 복수의 오디오 신호들 중 각각의 하나를 수신하는 단계와,

    상기 복수의 입력 신호들의 합 신호를 계산하는 단계와,

    상기 입력 신호들 및/또는 상기 합 신호에서 오디오 주파수 대역 밖의 주파수 성분들을 선택적으로 억제하는 단계와,

    상기 합 신호를 클리핑하는 단계와,

    상기 클립된 합 신호를 노이즈 세이핑을 이용하여 상기 비트 분해능의 출력 신호로 변환하는 단계를 포함하고, 상기 입력 값들을 컨버터가 안정한 방법으로 취급할 수 있는 값들의 범위로 제한하기 위해 배열되는 단계를 포함하는, 복수의 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들의 믹싱 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 방법은 상기 입력 신호들의 오디오 대역폭을 제한하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 비트 분해능으로부터 생기는 상기 혼합 신호에 포함된 주파수 성분을 필터링하며 상기 입력 신호들의 오디오 대역폭을 제한하는 단계는 단일 스테이지로 결합되는 것을 특징으로 하는, 방법.
14. 미리 정해진 샘플링 주파수 및 비트 분해능을 가지는 복수의 노이즈 세이프 오버샘플링된 디지탈 오디오 신호들을 믹싱하기 위한, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 청구된 것과 같은 믹싱 시스템을 포함하는 오디오 시스템.