KR20050080366A - Analysis and synthesis apparatus for voice signal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로폰에 입력되는 음성신호에서 잡음을 제거하기 위한 장치에 있어서, 성능은 그대로 유지하면서 계산량은 종래와 비교해 효율적으로 줄일 수 있도록 하는 음질 향상을 위한 음성 신호의 분석 및 합성 장치에 관한 것으로, 입력 음성신호를 밴드별로 분리하는 분석필터와 각 밴드에 소정의 이득을 곱하여 합성하는 합성필터로 구성되는 음질 향상 장치에 있어서, 상기 분석필터는 입력신호(x(n))를 M배 간축하여 각 밴드별 신호(xk(m))를 얻기 위한 트랜스 멀티플렉서와, 상기 각 밴드별 신호(xk(m))를 콘볼루션하여 출력하는 필터부와, 상기 필터부를 통해 각 밴드별로 콘볼루션되어 출력되는 신호(yk(m))를 결합 고속 푸리에 변환(Conjugate FFT)하여 각 밴드별로 출력하는 결합 FFT부를 포함하여 구성하고, 상기 합성필터는 분석필터를 통해 출력된 각 밴드별 신호(Xk(m))를 M번에 한 번씩 결합 고속 푸리에 변환(Conjugate FFT)하여 출력하는 결합 FFT부와, 상기 결합 FFT에 의해 각 밴드별로 출력되는 신호(yk(m))를 역 콘볼루션하여 출력하는 필터부와, 상기 필터부를 통해 역 콘볼루션되어 출력되는 각 밴드별 신호를 순차로 합성하여 출력하는 트랜스 디멀티플렉서를 포함하여 구성함으로써 달성할 수 있다.The present invention relates to a device for removing noise from a voice signal input to a microphone, and to a device for analyzing and synthesizing a voice signal for improving sound quality so that the amount of calculation can be efficiently reduced as compared with the prior art while maintaining performance. A sound quality enhancement device comprising an analysis filter for separating an input audio signal by band and a synthesis filter for multiplying each band by a predetermined gain, the analysis filter shortening the input signal x (n) by M times trans-multiplexer and the respective band-specific signal (x k (m)) for convolution with the output filter unit, the filter is convolved for each band through an output for obtaining each band signal (x k (m)) signal (y k (m)) coupled to a fast Fourier transform (FFT Conjugate) and comprises an engaging portion that FFT output for each band, and the synthesis filter are output through the analysis filters Each band-specific signal (X k (m)) for the combined FFT unit and outputting a combination every M times, a fast Fourier transform (Conjugate FFT), a signal output for each band by the combined FFT (y k (m And a trans demultiplexer for synthesizing and outputting the signals for each band sequentially reversely convoluted through the filter unit and outputting the same).
Description
본 발명은 폴리페이즈 필터를 사용한 음성 신호의 분석 및 합성 장치에 관한 것으로, 특히 마이크로폰에 입력되는 음성신호에서 잡음을 제거하기 위한 장치에 있어서, 성능은 그대로 유지하면서 계산량은 종래와 비교해 효율적으로 줄일 수 있도록 하는 음성 신호의 분석 및 합성 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for analyzing and synthesizing a speech signal using a polyphase filter, and more particularly, to an apparatus for removing noise from a speech signal input to a microphone. The present invention relates to a device for analyzing and synthesizing speech signals.
일반적으로 음성통신을 하는 경우 주변잡음으로 인하여 통화품질을 떨어뜨리는 경우가 있는데, 이런 경우 마이크로폰에 입력된 음성신호를 신호처리 기법을 사용하여 잡음을 제거하는 음질 향상(Speech Enhancement) 기술이 필요하게 된다.In general, in case of voice communication, call quality may be degraded due to ambient noise. In this case, a speech enhancement technique that removes noise by using a signal processing technique for a voice signal input to a microphone is required. .
이러한 음질 향상 기술로는 도1에 도시된 바와 같은 구성의 음성 분석과 합성 방법이 많이 사용된다. 즉, 도1을 참조하면, 마이크로폰(미도시)에 입력된 입력신호(x(n))를 분석필터(Analysis Filter, 101)를 통과시켜 밴드별 신호(Xk(m))를 만든 후, 각각의 밴드에 소정의 이득(gk(m))을 곱하여 합성필터(Synthesis Filter, 102)를 통과시킴으로써 잡음이 제거된 음성신호(y(n))를 출력하게 된다.As such a sound quality improvement technique, a voice analysis and synthesis method having a configuration as shown in FIG. 1 is frequently used. That is, referring to FIG. 1, after the input signal x (n) input to the microphone (not shown) is passed through an analysis filter 101 to generate a band-by-band signal X k (m), Each band is multiplied by a predetermined gain g k (m) and passed through a synthesis filter 102 to output a noise-free speech signal y (n).
이때, 상기 마이크로폰에 입력되는 입력신호(x(n))가 음성신호(s(n))와 잡음신호(n(n))로 이루어져 있을 때, 밴드별 이득(gk(m))은 다음 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.In this case, when the input signal x (n) input to the microphone consists of a voice signal s (n) and a noise signal n (n), the gain per band gk (m) is It can be expressed as Equation 1.
여기서, 상기 'Psk(m)'은 k 밴드의 음성신호의 파워 스펙트럼이고, 'Pnk(m)'는 잡음신호의 파워 스펙트럼을 나타낸다. 상기 수학식1과 같이 구한 이득을 사용하는 방법을 위너 필터링(Wiener Optimum Filtering)이라고 하며 현재 가장 널리 쓰이고 있는 방식이다.Here, 'Ps k (m)' is the power spectrum of the k-band speech signal, 'Pn k (m)' represents the power spectrum of the noise signal. The method using the gain obtained as in Equation 1 is called Wiener Optimum Filtering and is the most widely used method.
이하, 상기 도1에서 사용되는 종래 중첩 가산 방식(Overlap-Add Method)의 음성 신호 분석필터와 합성필터에 대하여 설명한다.Hereinafter, a speech signal analysis filter and a synthesis filter of the conventional overlap-add method used in FIG. 1 will be described.
우선, 도2는 종래 중첩 가산 방식의 음성 신호 분석 과정을 설명하기 위해 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 K-샘플(Sample) 크기의 시프트 레지스터(201)에 M-샘플씩의 음성 신호를 입력한 후, 소정의 분석 윈도우(202, Analysis window)와 곱하여 이산 푸리에 변환(DFT : Discrete Fourier Transform)을 취함으로써 M-밴드의 밴드별 신호를 생성하게 된다.First, FIG. 2 is an exemplary view illustrating a conventional process of analyzing a speech signal using a superimposed addition method. As shown in FIG. 2, a M-sample speech signal is applied to a shift register 201 having a K-sample size. After inputting, a discrete Fourier transform (DFT) is performed by multiplying with a predetermined analysis window 202 to generate a band-specific signal of an M-band.
다음, 도3은 종래 중첩 가산 방식의 음성 신호 합성 과정을 설명하기 위해 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 M-밴드의 밴드별 신호를 DFT를 거친 후, 소정의 합성 윈도우(203)를 곱하고 그 결과를 중첩 가산(Overlap-add)하여, K-샘플 크기의 누산 시프트 레지스터(Accumulator Shift Register, 204)에 저장한 후, M-샘플씩 출력하여 합성 신호를 만들게 된다.Next, FIG. 3 is a diagram illustrating a conventional process of synthesizing a speech signal using a superimposed addition method. As shown in FIG. The result is overlap-added, stored in an accumulator shift register 204 having a K-sample size, and then output by M-samples to produce a composite signal.
그러나, 상기와 같은 중첩 가산 방식은 그 구현이 용이하지만, 도2와 도3에 도시된 바와 같이 시프트 레지스터를 사용하기 때문에 계산량이 많아지는 문제점이 있다. 예컨대, K=240의 시프트 레지스터를 사용하여 M=120의 입력신호를 중첩시킬 경우, 이를 처리하기 위해서는 매번 120 샘플의 메모리 복사가 발생하는 것이다.However, although the above-described overlap addition method is easy to implement, there is a problem in that the amount of calculation increases because the shift register is used as shown in FIGS. For example, when the input signal of M = 120 is superimposed using a shift register of K = 240, a memory copy of 120 samples is generated each time to process this.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 마이크로폰에 입력되는 음성신호에서 잡음을 제거하기 위한 장치에 있어서, 성능은 그대로 유지하면서 계산량은 종래와 비교해 효율적으로 줄일 수 있도록 하는 음성 신호의 분석 및 합성 장치를 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems. In the apparatus for removing noise from a voice signal input to a microphone, the calculation amount can be efficiently reduced compared to the conventional one while maintaining the performance. It is an object of the present invention to provide an apparatus for analyzing and synthesizing a speech signal.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입력 음성신호를 밴드별로 분리하는 분석필터와 각 밴드에 소정의 이득을 곱하여 합성하는 합성필터로 구성되는 음질 향상 장치에 있어서, 상기 분석필터는 입력신호(x(n))를 M배 간축하여 각 밴드별 신호(xk(m))를 얻기 위한 트랜스 멀티플렉서와, 상기 각 밴드별 신호(xk(m))를 콘볼루션하여 출력하는 필터부와, 상기 필터부를 통해 각 밴드별로 콘볼루션되어 출력되는 신호(yk(m))를 결합 고속 푸리에 변환(Conjugate FFT)하여 각 밴드별로 출력하는 결합 FFT부를 포함하여 구성하고, 상기 합성필터는 분석필터를 통해 출력된 각 밴드별 신호(Xk(m))를 M번에 한 번씩 결합 고속 푸리에 변환(Conjugate FFT)하여 출력하는 결합 FFT부와, 상기 결합 FFT에 의해 각 밴드별로 출력되는 신호(yk(m))를 역 콘볼루션하여 출력하는 필터부와, 상기 필터부를 통해 역 콘볼루션되어 출력되는 각 밴드별 신호를 순차로 합성하여 출력하는 트랜스 디멀티플렉서를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a sound quality improving apparatus comprising an analysis filter for separating an input voice signal by band and a synthesis filter for multiplying each band by a predetermined gain, wherein the analysis filter comprises an input signal ( a trans multiplexer for obtaining signals x k (m) for each band by shortening x (n)) by M times, a filter unit for convolving and outputting the signals x k (m) for each band; And a combined FFT unit configured to perform a combined fast Fourier transform (conjugate FFT) on the convoluted output signal y k (m) through the filter unit and output the respective bands, and the synthesis filter comprises an analysis filter. A combined FFT unit for outputting a combined signal X k (m) for each band output through M-times by combining fast Fourier transform (Conjugate FFT) and a signal output for each band by the combined FFT (y k). Reverse convolution of (m)) to output Characterized in that portion, and configured to include a transport demultiplexer for combining the output of each band-specific signals which are sequentially output through the inverse convolution is Pollution the filter.
본 발명은 마이크로폰에 입력되는 음성신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 것으로, 그 구성이 중첩 가산 방식에 비하여 복잡하지만 계산량을 줄일 수 있는 폴리페이즈 필터를 사용함으로써, 음성 시스템의 부하를 줄일 수 있도록 하는 음성 처리 장치의 제공을 요지로 한다.The present invention is to remove the noise contained in the voice signal input to the microphone, the configuration is more complicated than the overlap addition method, but by using a polyphase filter that can reduce the amount of calculation, it is possible to reduce the load on the voice system It is a summary of the provision of a speech processing device.
일반적인 서브밴드 적응필터에서 각 밴드별 대역통과(band-pass) 필터를 유한 응답 필터(FIR) 구조로 만들면, 밴드 수가 많아지거나 좋은 차단(cut-off) 특성이 요구될수록 필터 계수가 증가하게 되어 많은 계산량이 소모되는 문제점이 있는데, 본 발명에서는 폴리페이즈(Polyphase) 형태의 필터를 사용하여 그러한 문제점을 해결한다.In a typical subband adaptive filter, if a band-pass filter for each band is formed into a finite response filter (FIR) structure, the filter coefficient increases as the number of bands or a good cut-off characteristic is required. There is a problem in that a calculation amount is consumed, and the present invention solves such a problem by using a filter in the form of polyphase.
이러한 폴리페이즈 필터를 이용한 방법은 프로토타입(Prototype) 저역통과 필터에 의한 출력값을 다른 밴드들에서 공유하는 형태로 되어 있는데, 본 발명에서는 이 방식의 필터를 사용해 음질 향상 시스템을 구현하였다. The method using the polyphase filter has a form in which the output value of the prototype low pass filter is shared by other bands. In the present invention, the sound quality enhancement system is implemented using this type of filter.
참고로, 상승 코사인(Raised-Cosine) 함수를 이용한 저역통과 필터를 수학식2~4의 과정을 이용하여 설계할 수 있는데, 프로토타입 저역통과 필터는 상승 코사인 함수를 사용할 경우, 'fs'의 샘플링 주파수에 대하여 차단 주파수(fc)는 fs/32 가 되고 128개의 탭을 갖는다. For reference, a lowpass filter using a raised-cosine function can be designed using the procedures of Equations 2 to 4. A prototype lowpass filter is a sample of 'fs' when using a raised cosine function. For frequency the cutoff frequency fc is fs / 32 and has 128 taps.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described.
우선, 도4는 본 발명에 따른 폴리페이즈 필터를 사용하여 구성한 분석 필터의 블록도로서, 입력신호(x(n))를 M배 간축하여 각 밴드별 신호(xk(m))를 얻기 위한 트랜스 멀티플렉서(301)와, 상기 각 밴드별 신호(xk(m))를 콘볼루션하여 출력하는 필터부(302)와, 상기 필터부(302)를 통해 각 밴드별로 콘볼루션되어 출력되는 신호(yk(m))를 결합 고속 푸리에 변환(Conjugate FFT)하여 각 밴드별로 출력하는 결합 FFT부(303)로 구성된다.First, Fig. 4 is a block diagram of an analysis filter constructed using a polyphase filter according to the present invention. The input signal x (n) is reduced by M times to obtain a signal for each band x k (m). A transformer multiplexer 301, a filter unit 302 for convolving the band-specific signals x k (m), and a signal convoluted for each band through the filter unit 302 and outputted ( by y k combining (m)) a fast Fourier transform (FFT Conjugate) it consists of a combination FFT section 303 to output for each band.
여기서, 상기 필터부는 각 밴드별로 간축된 음성신호를 콘볼루션하기 위한 하나 이상의 필터()로 구성되며, 각 필터의 'h(n)'은 필터계수를 의미한다.The filter unit may include one or more filters for convolution of the audio signal condensed for each band. ), And 'h (n)' of each filter means a filter coefficient.
즉, 트랜스 멀티플렉서(301)는 입력신호(x(n))를 시계 방향으로 통과시켜 M배 간축(Decimation)하여 각 밴드별로 얻은 신호(xk(m))를 필터부(302)를 통해 콘볼루션(Convolution)하여 'yk(m)' 신호를 출력하고, 그 값을 M번에 한번씩 결합 FFT(Conjugate FFT, 303)를 수행함으로써 각 밴드별 신호(Xk(m))를 출력한다.That is, the trans multiplexer 301 passes through the input signal x (n) clockwise to condense M times and concatenates the signal x k (m) obtained for each band through the filter unit 302. It outputs a 'y k (m)' signal by convolution and outputs a signal X k (m) for each band by performing a combined FFT (303) once every M times.
다음, 도5는 본 발명에 따른 폴리페이즈 필터를 사용하여 구성한 합성 필터의 블록도로서, 상기 도4와 같이 구성된 분석 필터를 통해 출력된 각 밴드별 신호(Xk(m))를 M번에 한 번씩 결합 고속 푸리에 변환(Conjugate FFT)하여 출력하는 결합 FFT부(304)와, 상기 결합 FFT에 의해 각 밴드별로 출력되는 신호(yk(m))를 역 콘볼루션하여 출력하는 필터부(305)와, 상기 필터부(305)를 통해 역 콘볼루션되어 출력되는 각 밴드별 신호를 순차로 합성하여 출력하는 트랜스 디멀티플렉서(306)로 구성된다.Next, FIG. 5 is a block diagram of a synthesis filter constructed using a polyphase filter according to the present invention, and the signal X k (m) for each band output through the analysis filter configured as shown in FIG. A combined FFT unit 304 for outputting a combined fast Fourier transform (Conjugate FFT) once, and a filter unit 305 for inversely convolving and outputting a signal (y k (m)) output for each band by the combined FFT. ), And a trans demultiplexer 306 for sequentially synthesizing and outputting the signals for each band output by inverse convolution through the filter unit 305.
여기서, 상기 필터부(305)는 각 밴드별로 고속 푸리에 변환된 음성신호를 역 콘볼루션하기 위한 하나 이상의 필터()로 구성되며, 각 서브밴드 필터의 'h(n)'은 필터계수를 의미한다. 그리고, 상기 도4에 도시된 분석 필터와 도5에 도시된 합성 필터 사이의 각 밴드별 이득은 수학식1에 의해 구한 이득을 사용하는 위너 필터링(Wiener Optimum Filtering)을 이용한다.Here, the filter unit 305 is one or more filters for inverse convolution of the fast Fourier transformed speech signal for each band ( ), And 'h (n)' of each subband filter means a filter coefficient. The gain for each band between the analysis filter shown in FIG. 4 and the synthesis filter shown in FIG. 5 uses Wiener Optimum Filtering using the gain obtained by Equation (1).
즉, 상기 결합 FFT(304)는 분석 필터를 통해 출력된 각 밴드별 신호(Xk(m))를 M번에 한 번씩 결합 FFT(conjugate FFT)를 수행한 후, 그 결합 푸리에 변환된 각 밴드별 신호를 필터부(305)의 각 필터(Pk(m))와 역 콘볼루션을 수행한 다음, 트랜스 디멀티플렉서(306)를 통해 반 시계 방향으로 통과시켜 각 밴드별 신호를 순차로 합성하여 출력한다.That is, the combined FFT 304 performs a conjugate FFT (conjugate FFT) on each band signal (X k (m)) output through the analysis filter once every M times, and then each of the combined Fourier transformed bands. Inverse convolution is performed with the respective signals P k (m) of the filter unit 305, and then passed through the trans demultiplexer 306 in the counterclockwise direction to synthesize the signals for each band sequentially. do.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 음질 향상을 위한 음성 신호의 분석 및 합성 장치는, 마이크로폰에 입력되는 음성신호에서 잡음을 제거하기 위한 장치에 있어서, 성능은 그대로 유지하면서 계산량은 종래와 비교해 효율적으로 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.As described above, the apparatus for analyzing and synthesizing a speech signal for improving sound quality of the present invention is an apparatus for removing noise from a speech signal input to a microphone. It is effective.
본 발명에서 음성 개선 시스템을 구현하기 위하여 사용된 폴리페이즈 필터는, 설계나 구현이 복잡한 반면 계산량이 기존의 중첩 가산 방식보다 적기 때문에 실시간 시스템에 적용이 가능하며, 따라서, 음성회의 시스템이나 화상회의 시스템과 같이 필연적으로 주변 잡음으로 인해 통화품질의 저하가 있는 제품에 사용함으로써 그 품질을 높일 수 있는 효과가 있다.The polyphase filter used to implement the voice enhancement system in the present invention can be applied to a real-time system because the design or implementation is complicated while the calculation amount is smaller than the existing superimposed addition method. Inevitably, it is possible to increase the quality of the product by using it in a product having a deterioration in call quality due to ambient noise.
도 1은 일반적인 음질 향상을 위한 분석 및 합성 과정을 설명하기 위한 예시도.1 is an exemplary view for explaining the analysis and synthesis process for improving the general sound quality.
도 2는 종래 중첩 가산 방식의 음성 신호 분석 과정을 설명하기 위해 보인 예시도.Figure 2 is an exemplary view shown to explain a conventional speech signal analysis process of the superimposed addition method.
도 3은 종래 중첩 가산 방식의 음성 신호 합성 과정을 설명하기 위해 보인 예시도.3 is an exemplary view illustrating a conventional process of synthesizing a speech signal using an overlap addition method.
도 4는 본 발명에 따른 폴리페이즈 필터를 사용하여 구성한 분석 필터의 블록도.4 is a block diagram of an analytical filter constructed using a polyphase filter in accordance with the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 폴리페이즈 필터를 사용하여 구성한 합성 필터의 블록도.5 is a block diagram of a synthesis filter constructed using a polyphase filter according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings
301 : 트랜스 멀티플렉서 302 : 필터부301: transformer multiplexer 302: filter unit
303 : 결합 FFT부 304 : 결합 FFT부303: combined FFT portion 304: combined FFT portion
305 : 필터부 306 : 트랜스 디멀티플렉서305: Filter unit 306: Trans demultiplexer
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Cited By (1)
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2004
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| KR101725664B1 (en) * | 2015-10-01 | 2017-04-12 | 세종대학교산학협력단 | Mimo system and power control method for transmitted signal based on mimo system |
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| WITN | Withdrawal due to no request for examination |