KR20040083109A - 간섭신호에 강인한 음향 반향 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향 반향 제거장치에 관한 것이다. 특히, 핸즈프리, 영상회의 시스템과 같은 음성 통신기기에서 발생되는 음향 반향을 근단 화자의 음성과 배경 잡음의 간섭 없이 제거하기 위한 음향 반향 제거장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 원단의 화자로부터 근단의 화자로 수신되어 출력되는 스피커단과, 상기 근단의 화자로부터 원단의 화자로 송신하는 마이크단 및 음향 반향경로를 갖는 음향 반향 제거장치에 있어서, 상기 원단화자의 마이크 신호로부터 갱신된 적응필터 계수를 사용하여 음향 반향 신호를 생성하는 FIR 필터와; 상기 추정된 반향신호를 원단화자의 마이크 신호로부터 뺀 추정 오차신호를 입력으로 하여 배경 잡음 레벨을 구하는 배경잡음 추정기; 상기 배경잡음 레벨과 동시통화 여부에 따라 스텝 크기를 결정하는 스텝크기 조절기; 적응필터 계수 갱신기로부터 미리 계산된 원단 화자의 스피커 신호와 추정 오차신호와의 상호 상관도로부터 동시통화 상태를 결정하는 동시통화 검출기; 및 상기 원단화자의 스피커 신호와 스텝 크기, 추정 오차신호로부터 적응 반향 계수를 갱신하는 적응필터 계수 갱신기를 구비하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치를 제시한다.

Description

간섭신호에 강인한 음향 반향 제거장치{Interference robust acoustic canceller}

본 발명은 간섭신호에 강인한 음향 반향 제거장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 핸즈프리, 영상회의 시스템과 같은 음성 통신기기에서 발생되는 음향 반향을 근단 화자의 음성과 배경 잡음의 간섭 없이 제거하기 위한 음향 반향 제거장치에 관한 것이다.

다양한 서비스의 요구에 따라 무선 통신 및 인터넷 통신의 발전은 급속도로 이루어 지고 있으며, 원거리 회의 시스템, 자동차용 핸즈프리 전화기, 스피커폰 시스템, 회상 회의 등 그 응용분야를 점점 넓혀 가고 있다.

이러한 음성 통신의 응용 분야에 기본적으로 사용되는 공통적인 장치인 스피커와 폰 장치 사이에는 그 공간 환경에 따라 음향 반향의 영향이 크게 작용할 수 있으며, 이러한 음향 반향은 통화 품질을 크게 저하하는 중요한 요인이 된다.

상기와 같은 음향 반향을 제거하기 위한 반향 제거기는 일반적으로 적응 필터를 사용하는데, 마이크로부터 입력되는 통화자(근단 화자)와 배경 잡음의 간섭은 적응 필터의 성능 저하시켜 결국 반향 제거 성능을 크게 저하시키는 요인이 된다. 따라서 간섭 신호에 강인한 구조의 음향 반향 제거장치에 대한 필요성이 제기되었다.

도 1은 종래의 실시예에 따른 음향 반향 제거장치의 블럭 구성도이다. 도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 음향 반향 제거장치의 블럭 구성도이다.

도 1에 도시된 음향 반향 제거장치는 반향 경로의 선형 임펄스 응답 계수를 추적하여 적응 필터의 출력으로 동일한 반향 신호를 추정해 낸다. 그 후, 추정된 반향 신호를 마이크 입력신호로부터 상쇄(140)시킴으로써 반향신호를 제거하게 된다.

여기서, 가장 중요한 부분은 반향 경로의 선형 임펄스 응답 계수를 추정하는 과정으로 이 과정에 따라 실제 반향신호의 추정 정확도 및 수렴속도가 달라지게 된다. 종래에 많이 쓰여지는 방법으로는 LMS(Least Mean Square) 계열의 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘을 들 수 있으며 비교적 복잡도가 낮아 구현이 용이하여 선호되고 있다. NLMS는 수학식 1과 수학식 2와 같이 고정스텝 적응필터 계수 갱신기(120)에서 원단 화자로부터 수신된 스피커 출력신호와 추정된 반향신호를 상쇄한 추정 오차 신호의 상관 값에 적절한 스텝 계수를 곱하고 스피커출력 파워로 정규화하여 선형 임펄스 응답 계수를 갱신하는 방법이다.

이러한 적응필터의 갱신은 마이크 입력으로부터 근단 화자의 음성신호가 같이 들어올 경우 간섭을 일으켜 잘못된 적응필터 계수로 결과할 수 있다. 따라서, 근단 화자의 음성신호가 같이 들어오는 상태를 검출하는 동시통화 검출기(130)를 사용하여 동시통화 상태에서는 적응필터의 갱신을 하지 않는 방법을 사용한다.

도 2에 도시된 또 다른 음향 제거장치는 근단 화자의 음성신호나 배경 잡음과 같은 간섭신호로 인해 적응필터 계수 갱신기(220)에 영향을 미쳐 잘못된 반향신호를 추정하는 것을 방지하기 위해 스텝 크기를 가변 처리한 방법을 사용한다.

종래의 스텝 크기 조절기(230)은 수학식 3에서와 같이 추정 오차신호의 파워를 첨가해 간섭신호가 커지면 그에 반비례하여 억제하는 역할을 하도록 하는 Sum-LMS 방법을 사용하였다. 또한, 수학식 4와 같이 원단화자로부터의 스피커 출력신호와 추정 오차 신호와의 저역 필터링된 상호 상관도 값을 이용하여 Sum-LMS에 비해 향상된 수렴성능을 보여주는 방법도 제시되어있다.

상기의 도 1 및 도 2에 설명된 바와 같이 추정 오차 신호가 스피커 출력의 반향 성분 뿐만 아니라 근단 화자의 음성신호 및 배경 잡음에 의해서 영향 받는다면 잘못된 반향 경로의 선형 임펄스 응답으로 도출되어 반향추정 성능이 급격히 저하된다. 이러한 단점을 극복하기 위한 종래의 기술이 상기 동시통화 검출기를 사용하는 방법, Sum-LMS방법, 상호상관도 값을 이용하는 방법으로 제시되었다.

그러나, 상기의 동시통화 검출기만을 사용할 경우 배경 잡음에 대한 성능저하가 우려되고, 대부분의 음향 반향에 대한 동시통화 검출이 원단 화자의 스피커 출력과 근단 화자의 마이크 입력간의 상호 상관도나 원단화자의 스피커 출력과 추정 오차신호와의 상호 상관도에 바탕을 두기 때문에 많은 계산 량을 요구한다.

즉, Sum-LMS 방법의 경우 추정 오차신호의 영향에 의해 적응상수의 크기가작아져 수렴 속도가 느려지게 되는 단점이 있다. 그리고, 상호 상관도를 이용할 경우 역시 반향경로가 긴 환경일 경우 많은 계산 량을 요구하는 단점이 있고, 추정오차신호의 파워의 영향이 완전히 사라진 것이 아니기 때문에 좀더 낮은 계산량을 만족하면서 간섭신호에 영향 없이 수렴성능을 보장하는 새로운 방법이 필요하다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 원단 화자로부터 수신되는 음향 신호가 반향 경로를 통해 마이크로 입력될 때 반향 신호 이외의 근단 화자의 음향 신호 및 배경 잡음과 같은 간섭신호가 반향 신호 추정 성능을 저하시키는 것을 방지하기 위해 저 복잡도의 배경잡음 추정방식과 동시통화 검출방식을 적용한 음향 반향 제거장치를 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은

원단의 화자로부터 근단의 화자로 수신되어 출력되는 스피커단과, 상기 근단의 화자로부터 원단의 화자로 송신되는 마이크단 및 음향 반향경로를 갖는 음향 반향 제거장치에 있어서,

상기 원단화자의 마이크 신호로부터 갱신된 적응필터 계수를 사용하여 음향 반향 신호를 생성하는 FIR 필터와;

상기 추정된 반향신호를 원단화자의 마이크 신호로부터 뺀 추정 오차신호를 입력으로 하여 배경 잡음 레벨을 구하는 배경잡음 추정기;

상기 배경잡음 레벨과 동시통화 여부에 따라 스텝 크기를 결정하는 스텝크기 조절기;

적응필터 계수 갱신기로부터 미리 계산된 원단 화자의 스피커 신호와 추정 오차신호와의 상호상관도로부터 동시통화 상태를 결정하는 동시통화 검출기; 및

상기 원단화자의 스피커 신호와 스텝 크기, 추정 오차신호로부터 적응 반향 계수를 갱신하는 적응필터 계수 갱신기를 구비하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치를 제공한다.

도 1은 종래의 실시예에 따른 음향 반향 제거장치의 블럭 구성도이다.

도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 음향 반향 제거장치의 블럭 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 음향 반향 제거장치의 블럭 구성도이다.

도 4는 도 3에 도시된 배경잡음 추정기의 상세 구성도이다.

도 5는 도 3에 도시된 적응필터 계수 갱신기의 상세 구조도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

300,560 : FIR 필터 310 : 적응필터 계수 갱신기

320 : 배경잡음 추정기 330,550 : 스텝크기 조절기

340,540 : 동시통화 검출기 400 : 배경잡음 추정부

500 : 상호상관도 산출기 510 : 적응필터 계수 저장부

520,530 : 시간지연

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 음향 반향 제거장치의 블럭 구성도이다. 4는 도 3에 도시된 배경잡음 추정기의 상세 구성도이다. 도 5는 도 3에 도시된 적응필터 계수 갱신기의 상세 구조도이다.

본 발명의 음향 반향 제거장치는 블록 적응필터에 기반을 두며, 도 3에 도시된 것과 같이 원단의 화자로부터 근단의 화자로 수신되어 출력되는 스피커단과 근단의 화자로부터 원단의 화자에게로 송신되는 마이크단을 갖춘 소정의 음성 입출력 기기가 구비된 상태에서, 원단화자의 마이크 신호 d(k)로부터 갱신된 적응필터 계수 w(k)를 사용하여 음향 반향 신호를 생성하는 FIR(Finite Impluse Response)필터기(300)와; 상기 추정된 반향신호 y(k)를 원단화자의 마이크신호 d(k)로부터 뺀 추정 오차신호를 입력으로 하여 배경 잡음 레벨을 구하는 배경잡음 추정기(320); 상기 배경잡음 레벨 r(k)과 동시통화 여부 g(k)에 따라 스텝 크기 μ(k)를 결정하는 스텝크기 조절기(330); 상기 적응필터 계수 갱신기로부터 미리 계산된 원단 화자의스피커신호 x(k)와 추정오차신호 e(k)와의 상호상관도로부터 동시통화 상태를 결정하는 동시통화 검출기(340); 상기 원단화자의 스피커 신호 x(k)와 스텝 크기 μ(k), 추정오차 신호 e(k)로부터 적응 반향 계수 w(k)를 갱신하는 적응필터 계수 갱신기(310)를 구비한다.

본 발명은 블록 적응필터에 기반을 두어 낮은 복잡도의 특징을 갖는다. 이것은 블록 적응필터 구조가 되면 동시통화 검출시 사용되는 원단화자의 마이크 신호와 추정 오차신호의 상호 상관도 값이 적응 필터 계수 갱신기에서 미리 계산되기 때문이다.

또한, 본 발명은 배경잡음레벨을 따로 추정하여 추정오차신호 레벨에서 빼낸 값을 사용함으로써 배경잡음의 간섭을 제거하는 특징을 갖는다.

이어서, 본 발명이 반향을 제거하는 과정을 상세히 설명하기 위해 각 단계별로 설명하기로 한다.

우선, 원단화자로부터 송신된 스피커 출력신호는 음향 반향경로를 통해 마이크로 입력된다. 이때 마이크에는 외부로부터의 배경잡음 및 근단 화자의 음성 신호가 반향신호와 함께 입력될 수 있다. 음향 반향경로는 일반적으로 원단화자나 공간이동과 공간을 구성하는 물체들의 이동 등에 의해 그 반향특성이 변하게 되므로, 이러한 시변 특성을 정확히 추정하기 위해서는 적응필터가 적합하다.

적응 필터의 계수가 반향 경로에 대한 임펄스 응답을 가지도록 적응하기 때문에 적응필터 계수로부터 추정되는 반향 신호는 FIR 필터(300)에서 다음의 수학식 5와 같이 예측될 수 있다.

예측된 반향신호를 수학식 6과 같이 실제 근단의 마이크로부터 입력된 신호로를 뺀 신호e(k)가 반향제거된 반향 추정오차 신호가 되며 반향 제거기의 적응필터 계수를 갱신하기 위해 다시 사용된다.

이렇게 얻어진 추정오차 신호는 반향제거가 처음 시작되는 초기에는 다량의 제거되지 않은 반향신호를 포함하고 있다가 서서히 감소하게 된다. 포함된 반향 정보의 성분은 적응필터 계수 갱신기(310)에서 수학식 8과 같이 원단화자의 스피커 신호와의 상호상관을 구하는데 사용되어 수학식 7과 같이 적응 필터 계수를 갱신하는데 사용된다.

근단 마이크에서 들어오는 신호가 순수한 반향신호라면 적응필터의 계수 갱신기는 최적 적응 필터 계수 값으로 수렴하게 된다. 그러나, 배경잡음이 있을 경우 수학식 9, 10, 11과 같이 반향신호에 의한 성분이외에도 잡음에 해당하는 간섭항이 존재하게 되어 잡음성분이 클 경우 최적 계수 값과는 많이 다른 값을 얻을 수 있다.

따라서, 상기 배경잡음 추정기(320)에서는 배경 잡음의 에너지를 추정하여 추정오차신호 에너지와의 비율을 구함으로써 스텝크기를 조절하는 인자로 사용한다. 배경잡음의 성분이 추정오차신호에 포함된 비율이 커지면 그만큼 간섭이 심해지므로를 곱하여 스텝크기를 줄이는 방법으로 간섭을 최소화 시킨다.

상기 스텝크기 조절기(330)는 배경잡음 뿐만 아니라 근단 화자의 음향성분의 간섭도 제거해야 하므로 동시 통화 검출기를 필요로 한다. 근단 화자의 음향성분은 배경잡음에 비해 간섭정도가 심하기 때문에 상기 동시 통화 검출기(340)를 따로 두어 스텝 크기를 조절하는데 사용한다. 수학식 15와 같이 스탭 크기가 결정된다. 동시통화 검출의 결과인 동시통화 상태 g(k)는 수학식 17과 같이 적응필터 계수 갱신기(310)에서 미리 계산된 값을 사용함으로써 낮은 계산량을 가진다.

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상기 배경잡음 추정기(320)와 스텝 크기 조절기(330)는 부 대역 적응 필터와 함께 적용될 수 있는데, 적용될 경우 수학식 18과 같이 각 대역(Sub-band)별로 나뉘어져 각 대역별 파워로 정규화하여 화이트화 하는 동시에 대역별 배경잡음 추정정확도가 높아지게 되어 수렴성능 향상을 기대할 수 있다.

도 4는 배경잡음 추정기의 상세 구성도로서, 추정된 반향신호를 근단 마이크 신호 d(k)로부터 뺀 추정 오차 신호 e(k)를 입력으로 하여 수학식 19, 20과 같이 배경잡음 레벨을 구한다. 상기 수학식 12와는 구현시 복잡도의 감소와 배경잡음 레벨의 범위를 감소시키기 위해 절대값의 합산을 사용한다.

배경잡음 레벨은 배경잡음의 에너지변화가 정적이라는 특성을 사용하여 수학식 20에서와 같이 시간에 따라 작게 증가하는 항과 추정오차 신호 중 작은 것을 선택하게 함으로써 간단히 추정된다.

도 5는 적응필터 갱신기와 동시통화 검출 및 스텝 크기조절에 대한 구성도로서, 적응필터 갱신기 내부의 추정오차 신호 e(k)와 원단 화자의 스피커 출력신호 x(k)의 상호상관도 산출기(500)와 동시통화 검출기(540), 스텝크기 조절기(550)의 상관 관계를 나타내었다.

상기 동시통화 검출기(540)는 적응필터 갱신기 내부에서 미리 계산된 상호상관도 산출기(500)의 출력 값을 사용하여 계산량을 감소시킨다. 수학식 21과 같이 상호상관 값들의 절대값에 대한 합을 x(k)의 파워로 정규화 한 값을 관찰함으로써 동시통화 여부를 판단한다. 이것은 동시 통화 시에 얻는 추정오차 신호 e(k)와 스피커 출력신호 x(k)의 상관 계수의 절대치가 갑자기 증가하는 원리를 이용한다.

스텝 크기 조절기(550)의 구현 시는 2승수로 16비트 범위에 비해 상당히 큰 값의 범위를 가지므로 수학식 22와 같이 2의 승수를 구하는 양자화기능 또는 테이블 비교법을 통해 구현하여 쉬프트 연산으로 곱셈 및 나눗셈 연산을 대체하여 계산량을 감소시킨다.

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또한, 상기 스텝 크기 조절기(550)는 부 대역으로 나뉘어 질 때, 수학식 23과 같이 계산량을 줄이기 위해 2의 승수로 양자화 하는기능 또는 테이블 비교법으로 양자화하는 단계를 적용하여 쉬프트 연산으로 곱셈 및 나눗셈 연산을 대체하여 계산량을 감소시킨다.

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이상에서와 같이 본 발명에 의한 음향 반향 제거장치에 따르면, 마이크로부터 입력되는 동시 통화 상태의 근단 화자의 음향 신호나 배경잡음 신호에 상관 없이 핸즈프리 폰이나 화상회의 폰 등에서 발생되는 음향 반향을 깨끗이 제거하는 효과를 가진다. 또한, 장치 구현시 저 복잡도로 구현되기 때문에 개발 비용 절감에 더욱 유리하다.

Claims (9)

1. 원단의 화자로부터 근단의 화자로 수신되어 출력되는 스피커단과, 상기 근단의 화자로부터 원단의 화자로 송신하는 마이크단 및 음향 반향경로를 갖는 음향 반향 제거장치에 있어서,

   상기 원단화자의 마이크 신호로부터 갱신된 적응필터 계수를 사용하여 음향 반향 신호를 생성하는 FIR 필터와;

   상기 추정된 반향신호를 원단화자의 마이크 신호로부터 뺀 추정 오차신호를 입력으로 하여 배경 잡음 레벨을 구하는 배경잡음 추정기;

   상기 배경잡음 레벨과 동시통화 여부에 따라 스텝 크기를 결정하는 스텝크기 조절기;

   적응필터 계수 갱신기로부터 미리 계산된 원단 화자의 스피커 신호와 추정 오차신호와의 상호 상관도로부터 동시통화 상태를 결정하는 동시통화 검출기; 및

   상기 원단화자의 스피커 신호와 스텝 크기, 추정 오차신호로부터 적응 반향 계수를 갱신하는 적응필터 계수 갱신기를 구비하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 배경잡음 추정기의 배경잡음 레벨은

   아래의 수학식 24에 의해 한 단계 전(前) 블록의 배경잡음 레벨과 현재 블록 반향 추정 오차신호 레벨 중 최소 값을 선택하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 반향 추정 오차신호 레벨은

   아래의 수학식 25에 의한 절대 값을 사용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 동시통화 검출기는

   아래의 수학식 26에 의해 동시통화 검출 파라메터 p(k)를 고정 값를 사용하여 동시통화 상태 g(k)를 검출하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 동시통화 검출 파라메터 p(k)는

   아래의 수학식 27에 의해 적응 필터 계수 갱신기로부터 미리 계산된 상기 원단화자의 스피커출력 음향신호와 상기 반향추정 오차 신호의 상호상관 값을 상기 원단화자의 스피커출력 음향신호의 파워로 정규화한 값을 파라메터로 이용하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.

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6. 청구항 1에 있어서, 상기 스텝 크기 조절기는

   아래의 수학식 28에 의해 상기 배경잡음에너지와 반향 추정오차 신호의 에너지 비율값과 상기 동시통화 상태g(k)를 사용하여 상기 스텝 크기값을 산출하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 스텝 크기 조절기는

   부 대역으로 나뉘어 사용될 때 아래의 수학식 29에 의해 각 대역별 상기 배경잡음에너지와 대역별 반향 추정오차 신호의 에너지 비율 값과 상기 동시통화 상태g(k)를 사용하여 상기 스텝 크기값을 산출하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 스텝 크기 조절기는

   아래의 수학식 30에 의해 계산량을 줄이기 위해 2의 승수로 양자화 하는기능 또는 테이블 비교법으로 양자화하는 단계를 적용하여 쉬프트 연산으로 구현하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.

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9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 스텝 크기 조절기는

   부 대역으로 나뉘어 질 때, 아래의 수학식 31에 의해 계산량을 줄이기 위해 2의 승수로 양자화 하는기능 또는 테이블 비교법으로 양자화하는 단계를 적용하여 쉬프트 연산으로 구현하는 것을 특징으로 하는 음향 반향 제거장치.

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