KR20100114334A

KR20100114334A - 지향성 입체 음향 시스템

Info

Publication number: KR20100114334A
Application number: KR1020090032822A
Authority: KR
Inventors: 오형렬
Original assignee: (주)캠톤
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-10-25

Abstract

본 발명은 음향 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음향 소음의 방향성 제어를 통하여 타인의 생활에 대한 방해 최소화와 보다 풍부한 입체적 음감 제공이라는 일견 상호 모순된 요구를 동시에 충족시킬 수 있는 휴대용 전자제품에 사용가능한 지향성 입체 음향 시스템에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명 지향성 입체 음향 시스템은, 음원 재생부; 상기 음원 재생부에서 발생되는 아날로그 음원을 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부; 상기 아날로그-디지털 변환부로부터 입력된 디지털 신호 각각에 위상차 조정을 통하여 음향에 지향성과 입체감을 형성하는 신호처리부; 상기 신호처리부에서 출력된 각각의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 디지털-아날로그 변환부; 상기 디지털-아날로부 변환부에서 입력된 음원을 출력하고 2 개 이상의 복수의 채널로 구분되며, 각 채널당 2개 이상의 복수의 스피커로 구성된 음원 출력부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

지향성, 음향, 위상차

Description

지향성 입체 음향 시스템{DIRECTIONAL STEREO SPEAKER SYSTEM}

전자제품, 특히 휴대전화, 노트북, PMP, 게임기 등의 휴대용 전자제품은 버스나 전철 등 공공장소에서도 많이 사용하는데, 공공장소 뿐 아니라 그 외의 장소에서도 타인에 대한 생활방해를 최소화하여야 한다는 요청에 따라 음향에 지향성 부여를 통하여 타인이 느낄 소음을 없애거나 줄일 수 있는 기술이 제시되었고 적용되고 있다.

그 예로서 종래 기술들을 살펴보면, 대한민국 실용신안등록 제 198141호(2000.07.20 등록)의 지향성 스피커 및 대한민국 특허등록 제 878110 호(2009.01.05 등록)의 휴대 단말기의 지향성 스피커 장치의 기술이 개시되어 있 다.

그러나, 상술한 종래 기술들은 한편으로 스피커에 요청되는 생동감 및 입체감 있는 음향 제공이라는 측면은 충족시키지 못하는 것들이다.

이에 본 발명은 전자제품, 특히 휴대용 전자제품에 적용될 때 보다 유용하게 이용될 수 있도록 지향성과 입체감을 동시에 충족시킬 수 있는 음향 시스템을 제공함을 목적으로 하며, 특히, DSP(digital signal processor) 소자를 이용한 신호 처리를 통하여 복수의 채널별로 구비된 복수의 스피커에 위상차를 부여하여 음향의 지향성과 입체감을 형성하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지향성 입체 음향 시스템은 음원 재생부; 상기 음원 재생부에서 발생되는 아날로그 음원을 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부; 상기 아날로그-디지털 변환부로부터 입력된 디지털 신호 각각에 위상차 조정을 통하여 음향에 지향성과 입체감을 형성하는 신호처리부; 상기 신호처리부에서 출력된 각각의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 디지털-아날로그 변환부; 상기 디지털-아날로부 변환부에서 입력된 음원을 출력하고 2 개 이상의 복수의 채널로 구분되며, 각 채널당 2개 이상의 복수의 스피커로 구성된 음원 출력부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호처리부는 상기 아날로그-디지털 변환부에서 변환된 디지털 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT 필터부; 상기 음원출력부의 스피커와 동일한 개수를 갖는 복수개의 신호 채널별로 이루어지고, 각 스피커에서 출력되는 음원이 좌측 또는 우측 음초첨에 동일한 위상으로 도달할 수 있도록 각각의 신호 채널별로 주파수별 위상을 조정하는 위상 필터부; 상기 위상 필터부의 출력을 시간 영역의 신호로 변환시키는 역 FFT 필터부; 상기 역 FFT 필터부의 출력을 각 스피커 채널별로 합산하는 합산부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 음원 출력부는 각 스피커별로 앰프를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명 지향성 입체 음향 시스템은 DSP 에 의한 위상차를 조정하는 신호 처리를 통하여 복수의 채널별로 구비된 복수의 스피커별로 출력 음원에 위상차가 부여되어 좌우측의 음원이 분리되는 스테레오 효과를 내면서 동시에 지향성을 구현할 수 있어, 스피커가 부착되는 물리적인 거리가 짧아 입체 음향감 구현에 한계가 발생하는 휴대전화, 노트북, PMP, 게임기 등의 휴대용 전자제품에 적용할 경우, 지향성에 의하여 타인의 생활 방해를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 위상차가 부여된 음원을 출력함으로써 음원 사이의 전파 간격을 증대시키는 하는 효과를 일으켜, 보다 입체감 있는 음향 제공이 가능하여 타인의 생활에 대한 방해 최소화와 함께 보다 풍부한 입체적 음감 제공이라는 일견 상호 모순된 요구를 동시에 충족시킬 수 있는 고품질의 음향 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 지향성 입체 음향 시스템의 블럭다이어그램이다.

본 발명에 따른 지향성 입체 음향 시스템은 음원 재생부(10)와, 상기 음원 재생부(10)에서 발생되는 좌측과 우측 아날로그 음원을 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부(20)와, 상기 좌측과 우측 아날로그 음원 각각에 위상차 조절을 통하여 음향에 지향성과 입체감을 형성하는 신호처리부(30)와, 상기 신호처리부에서 출력된 각각의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 디지털-아날로그 변환부(40)와, 최종 음원을 출력하고 2 개 이상의 복수의 채널로 구분되며, 각 채널당 2개 이상의 복수의 스피커로 구성된 음원 출력부(50)로 대분된다.

음원 재생부(10)는 CD 등의 외장 저장수단이나 기타 내장 메모리에 저장된 음원을 공지의 음원 재생 수단(미도시)를 통하여 재생하는 부분으로서, 이 음원 재생부(10)의 음원 재생을 통하여 아날로그 상태의 좌측 음원 신호와 우측 음원 신호가 각각 생성된다.

상기와 같이 재생된 좌측 음원 신호와 우측 음원 신호는 지향성 및 입체감 부여를 위한 디지털 신호처리 소자(Digital Signal Processor, 이하 DSP 라함)의 신호 처리를 위하여 디지털 신호로 변환된다.

아날로그-디지털 변환부(20)(Analog Digital Converter, 통상적으로 ADC 라함)는 재생된 좌측 음원 신호와 우측 음원 신호를 입력받아 각각의 음원 신호들을 좌측 음원 데이터와 우측 음원 데이터의 디지털 신호로 변환한다. 이때, 변환되는 음원 데이터의 품질을 고려하여 ADC 의 샘플링 비율(Sampling Rate)을 조절할 수 있다.

이어서, 상기 디지털 신호로 변환된 좌측 음원 데이터와 우측 음원 데이터는 신호처리부(30)로 입력되고, 신호처리부(30)는 위상필터부(32)에 의하여 입력된 좌측 음원 데이터와 우측 음원 데이터에 위상차를 부여함으로써 출력되는 음원에 지향성과 입체감을 형성시킨다. 이러한 신호처리부(30)의 상세한 처리 과정은 후술한다.

상기와 같은 신호처리부(30)에서의 신호 처리가 완료되면 디지털-아날로그 변환부(40)(Digital Analog Converter, 통상적으로 DAC 라함)으로 입력되어 음원출력부(50)로 출력될 아날로그 신호로서 변환된다.

음원 출력부(50)는 상기 디지털-아날로그 변환부(40)로부터 아날로그 신호로 변환된 좌측 음원 신호와 우측 음원 신호를 전달받아 출력하는 부분이다. 이를 위하여 상기 음원 출력부(50)는 복수의 채널로 구분되고, 각 채널에 따라서 복수의 스피커를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

도시된 음원출력부(50)는 좌측 및 우측의 음원을 출력하는 2 채널을 상정하여 도시하였지만, 본 발명에 따른 음향시스템 구성은 일반적으로 널리 이용되는 2.1 채널, 4 채널, 5.1 채널의 구성을 배제하지 않으며, 2.1 채널이나 5.1 채널 구성시에는 우퍼(Woofer) 스피커를 위한 저주파 대역 필터가 추가적으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 음원출력부(50)는 출력되는 음향의 증폭을 위하여 각 스피커별로 소정의 앰프(amplifier)를 구비할 수도 있다.

이하, 상술한 신호처리부(30)에 의한 음원데이터의 신호처리를 상세하게 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 신호처리부(30)의 블럭다이어그램이다.

본 발명에 따른 신호처리부(30)는 하드웨어적으로 음원 신호 처리를 위한 통상의 DSP(Digital Signal Processor, 이하 DSP 라함) 소자에 의하여 구현되는 것으로서, 이러한 DSP 소자에 상기 블럭다이어그램에 도시된 FFT 필터부(31), 위상필터부(32), 역FFT필터부(33) 및 합산부(34)의 각 블럭 기능들을 통합 구현하는 프로그램을 내장시킨 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 타입의 주문형 반도체의 형태로 구현된다.

상기 FFT 필터부(31)는 상기 아날로그-디지털 변환부(20)에서 변환된 음원 데이터들의 처리를 용이하게 수행할 수 있도록 시간-진폭의 성분으로 이루어진 음원 데이터들을 주파수-진폭 성분으로 이루어진 음원 데이터로서 변환하는 부분으로서, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; 이하 FFT 라함) 방법이 적용되었다.

바람직하게는 상기 FFT 필터부(31)는 도시된 바와 같이 아날로그-디지털 변환부(20)로부터 입력받은 좌측 음원데이터를 주파수 영역의 신호로 변환하는 좌측 FFT 필터부(31a)와 우측 음원데이터를 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT 필터 부(31b)를 포함한다.

한편, 상기 FFT 필터부(31)를 거치기 전에 데이터의 처리 용이성을 기하기 위하여 적당한 재생 음원을 일정 크기의 프레임 단위로 나누는 윈도잉(windowing) 과정을 수행할 수 있다.

상기 위상필터부(32)는 음향출력부(50)에 구비된 스피커에서 출력되는 음원이 좌측 및 우측 음초점에 동일한 위상으로 도달하도록 주파수별로 위상을 조정하는 부분으로서, 재생된 좌측 음원 신호와 우측 음원 신호에 지향성 및 입체감을 부여한다.

이러한 위상필터부(32)는 상기 FFT필터부(31)의 좌측 FFT필터부(31a)가 주파수 영역으로 변환하여 출력하는 좌측 음원 데이터를 입력받아 위상을 조절하는 좌측 위상필터부(32a)와, 상기 FFT필터부(31)의 우측 FFT필터부(31b)가 주파수 영역으로 변환하여 출력하는 우측 음원 데이터를 입력받아 위상을 조절하는 우측 위상필터부(32b)를 포함한다.

이때, 상기 음향출력부(50)에 구비된 스피커들로부터 출력되는 음원이 각각 지향성을 가지도록 하기 위하여, 상기 좌측위상필터부(32a)는 음향출력부(50)에 구비된 스피커의 갯수와 동일한 갯수로 이루어진 주파수별 신호 채널들을 가지고 있으며, 각 스피커 별로 출력되는 음원이 좌측 음초점에 동일한 위상으로 도달할 수 있도록 각각의 신호 채널별로 주파수별 위상을 조정한다.

마찬가지로, 상기 우측위상필터부(32b)도 음향출력부(50)에 구비된 스피커의 갯수와 동일한 갯수로 이루어진 주파수별 신호 채널들을 가지고 있으며, 각 스피커 별로 출력되는 음원이 우측 음초점에 동일한 위상으로 도달할 수 있도록 각각의 신호 채널별로 주파수별 위상을 조정한다.

상기 좌측위상필터부(32a) 및 우측위상필터부(32b)에 의한 각 신호 채널별 주파수 위상 조정의 방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명에 따른 지향성 입체 음향 시스템의 스피커 출력시의 음초점을 나타낸 도면으로서, 음향출력부(50)에 구비된 스피커의 갯수가 3 개일 경우를 상정하여 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명 음향출력부(50)에 구비된 제 1 스피커(SP1), 제 2 스피커(SP2) 및 제 3 스피커(SP3)의 각 스피커별 출력 음원은 각각의 지향성을 가지고 좌측 음 초점(Left Sound Focus, 이하 LSF 라함)과 우측 음초점(Right Sound Focus, 이하 RSF 라함)로 출력된다.

도 4 는 도 3 의 좌측 음초점에 대한 각 스피커들의 위상차를 나타낸 도면으로서 좌측 음초첨(LSF)과 상기 제 1 스피커(SP1)와의 각도를 0 도로 가정하고 좌측 음초점(LSF)와 상기 제 1 스피커(SP1)와의 거리를 L1 라하고,

상기 제 2 스피커(SP2)와 제 3 스피커(SP3)는 좌측 음초점(LSF)으로부터 각각 소정의 각도를 가지고 위치하고, 좌측음초점(LSF)와 상기 제 2 스피커(SP2)와의 거리를 L2, 좌측음초점(LSF)와 상기 제 3 스피커(SP3)와의 거리를 L3 라 하고,

상기 L2 의 길이와 상기 L1 의 길이의 차를 d_L2, 상기 L3 의 길이와 상기 L1 의 길이의 차를 d_L3 라 가정하면, 각 스피커별로 출력되는 음원의 위상차는 하기의 공식에 따라 산출된다.

* 좌측 음초점에 대한 제 1 스피커(SP1) 출력 음원의 위상차

ΦL1(f)= 0 도

* 좌측 음초점에 대한 제 2 스피커(SP1) 출력 음원의 위상차

ΦL2(f)= (360도 x d_L2) / λ(f)

* 좌측 음초점에 대한 제 3 스피커(SP1) 출력 음원의 위상차

ΦL3(f)= (360도 x d_L3) / λ(f)

(범례 λ: 주파수별 파장)

마찬가지로, 도 5 는 도 3 의 우측 음초점에 대한 각 스피커들의 위상차를 나타낸 도면으로서, 우측 음초첨(RSF)과 상기 제 3 스피커(SP1)와의 각도를 0 도로 가정하고 우측 음초점(RSF)와 상기 제 3 스피커(SP1)와의 거리를 R3 라하고,

상기 제 2 스피커(SP2)와 제 3 스피커(SP3)는 우측 음초점(RSF)으로부터 각각 소정의 각도를 가지고 위치하되, 우측음초점(RSF)와 상기 제 2 스피커(SP2)와의 거리를 R2, 우측음초점(RSF)와 상기 제 3 스피커(SP3)와의 거리를 R1 라 하고,

상기 R2 의 길이와 상기 R3 의 길이의 차를 d_R2, 상기 R1 의 길이와 상기 R3 의 길이의 차를 d_R1 라 가정하면, 각 스피커별로 출력되는 음원의 위상차는 하기의 공식에 따라 산출된다.

* 우측 음초점에 대한 제 3 스피커(SP1) 출력 음원의 위상차

ΦR3(f)= 0 도

* 우측 음초점에 대한 제 2 스피커(SP1) 출력 음원의 위상차

ΦR2(f)= (360도 x d_R2) / λ(f)

* 우측 음초점에 대한 제 1 스피커(SP1) 출력 음원의 위상차

ΦR1(f)= (360도 x d_R1) / λ(f)

(범례 λ: 주파수별 파장)

따라서, 상기와 같이 각 스피커별로 산출된 위상차에 따라서 좌측위상필터부(32a) 및 우측위상필터부(32b)의 신호 채널들의 주파수별 위상차 연산은 도 6 에 나타낸 바와 같이, 각각의 채널별로 위와 같이 산출된 위상차의 값을 합산함으로써 위상차가 조정된다.

즉, 좌측 음초점(LSF)에는 제 1 스피커(SP1)로부터 0 도의 위상차를 가진 음원 신호와 제 2 스피커(SP2)로부터 위상차 ΦL2(f) 만큼 지연된 음원 신호와, 제 3 스피커(SP3)로부터 위상차 ΦL3(f) 만큼 지연된 음원 신호가 각각 도달하게 되어 음원에 지향성과 입체성을 부여한다.

또한, 우측 음초점(RSF)에는 제 3 스피커(SP1)로부터 0 도의 위상차를 가진 음원 신호와 제 2 스피커(SP2)로부터 위상차 ΦR2(f) 만큼 지연된 음원 신호와, 제 1 스피커(SP3)로부터 위상차 ΦR1(f) 만큼 지연된 음원 신호가 각각 도달하게 되어 음원에 지향성과 입체성을 부여한다.

역 FFT 필터부(33)는 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform) 의 방법을 적용한 것으로서, 상기와 같이 위상필터부(30)로부터 각각의 위상차가 산출된 음원 신호를 주파수-진폭의 영역을 가진 신호에서 시간-진폭의 영역을 가진 신호로 변환하는 부분이다.

합산부(34)는 상기 역FFT 필터부(33)의 출력을 각 스피커 채널별로 합산시키는 부분이다.

이어서, 상기 합산부(34)에서 각 스피커 채널별로 합산된 신호는 디지털-아날로그 변환부(40)(Digital Analog Converter, 통상적으로 DAC 라함)로 입력되어 음원출력부(50)로 출력될 아날로그 신호로서 변환되고, 음원 출력부(50)는 상기 디지털-아날로그 변환부(40)로부터 아날로그 신호로 변환된 좌측 음원 신호와 우측 음원 신호를 전달받아 각 스피커 채널별로 음원을 출력시킨다.

이상의 설명에서 지향성 및 입체감 부여 등과 관련된 통상의 공지된 기술을 생략되어 있으나, 당업자라면 용이하게 이를 추측 및 추론하고 재현할 수 있으며, 이러한 일례로서 공지의 ADC 및 DAC 회로를 각각 FFT 필터 및 IFFT 처리부와 혼성하여 구성할 수 있으며, 본 발명의 보호범위는 이러한 경우를 배제하지 않는다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 구성의 음향 변환 과정을 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 지향성 입체 음향 시스템의 블럭다이어그램,

도 2 는 본 발명에 따른 신호처리부의 블럭다이어그램,

도 3 은 본 발명에 따른 지향성 입체 음향 시스템의 스피커 출력시의 음초점을 나타낸 도면,

도 4 는 도 3 의 좌측 음초점에 대한 각 스피커들의 위상차를 나타낸 도면,

도 5 는 도 3 의 우측 음초점에 대한 각 스피커들의 위상차를 나타낸 도면,

도 6 은 본 발명에 따른 위상필터부의 위상차 연산을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10; 음원 재생부

20; 아날로그-디지털 변환부

30; 신호처리부

31; FFT 필터부 32; 위상 필터부

33; 역 FFT 필터부 34; 합산부

40; 디지털-아날로그 변환부

50; 음원 출력부

Claims

음향 시스템에 있어서,

음원 재생부;

상기 음원 재생부에서 발생되는 아날로그 음원을 디지털 신호로 변환시키는 아날로그-디지털 변환부;

상기 아날로그-디지털 변환부로부터 입력된 디지털 신호 각각에 위상차 조정을 통하여 음향에 지향성과 입체감을 형성하는 신호처리부;

상기 신호처리부에서 출력된 각각의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 디지털-아날로그 변환부;

상기 디지털-아날로부 변환부에서 입력된 음원을 출력하고 2 개 이상의 복수의 채널로 구분되며, 각 채널당 2개 이상의 복수의 스피커로 구성된 음원 출력부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지향성 입체 음향 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 신호처리부는,

상기 아날로그-디지털 변환부에서 변환된 디지털 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT 필터부;

상기 음원출력부의 스피커와 동일한 개수를 갖는 복수개의 신호 채널별로 이루어지고, 각 스피커에서 출력되는 음원이 좌측 또는 우측 음초첨에 동일한 위상으 로 도달할 수 있도록 각각의 신호 채널별로 주파수별 위상을 조정하는 위상 필터부;

상기 위상 필터부의 출력을 시간 영역의 신호로 변환시키는 역 FFT 필터부;

상기 역 FFT 필터부의 출력을 각 스피커 채널별로 합산하는 합산부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지향성 입체 음향 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 음원 출력부는 각 스피커별로 앰프를 구비한 것을 특징으로 하는 지향성 입체 음향 시스템.