KR20100119114A - Signal processing apparatus for high efficiency ultrasonic speaker system and method thereof - Google Patents

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KR20100119114A KR1020090038063A KR20090038063A KR20100119114A KR 20100119114 A KR20100119114 A KR 20100119114A KR 1020090038063 A KR1020090038063 A KR 1020090038063A KR 20090038063 A KR20090038063 A KR 20090038063A KR 20100119114 A KR20100119114 A KR 20100119114A
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김득만
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경원훼라이트공업 주식회사
고학림
이종현
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Abstract

PURPOSE: An apparatus and a method for processing a signal for a superdirectivity sound-wave transmitting system are provided to improve the sound quality of a speaker by adopting the grid filter coefficient value of a current input signal. CONSTITUTION: A double integral part(100) double integrates an audio input signal. An envelope curve calculating part(110) calculates the envelope curve of a double integrated signal. An energy calculating part(130) calculates the energy of the calculated envelope curve of the double integrated signal. A control part(140) controls the gain of an ultrasonic amplifier according to the calculated energy.

Description

초지향 음파 송신 시스템을 위한 신호 처리 장치 및 신호 처리 방법{Signal processing apparatus for high efficiency ultrasonic speaker system and method thereof}SIGNAL PROCESSING APPARATUS FOR HIGH EFFECTIVE SOUND TRANSMISSION SYSTEMS

초지향 음파 송신 시스템에 관한 것으로, 특히 초지향 음파 송신 시스템에서의 신호 처리 기술에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superdirectional sound wave transmission system, and more particularly, to a signal processing technique in a superdirectional sound wave transmission system.

일반적으로 스피커는 모든 방향으로 소리를 공기 중에 전달한다. 그러나 특정한 방향으로만 소리를 전달할 필요가 있는 전시회나 전람회 같은 장소에서는 소리의 지향성을 필요로 한다. 또한 군사용 목적으로 음향 공격(sound attack)이나 함대함 원거리 음성 통신을 위해서 고지향 스피커 개발이 필수적이다.In general, speakers deliver sound in the air in all directions. But in places such as exhibitions and exhibitions where sound needs to be delivered in a specific direction, sound directivity is needed. In addition, the development of high-direction speakers is essential for sound attack or fleet remote voice communication for military purposes.

초지향 음파 송신 시스템 개발과 관련하여 파라볼릭(parabolic) 접시를 이용하는 방식이 잘 알려져 있다. 이는 접시의 초점에 일반 스피커를 설치하여 음향 출력이 접시에 반사되어 직진성을 갖도록 하는 것이다. 그러나 이러한 방식은 직경이 매우 큰 접시가 필요하고, 소리의 도달거리도 짧으며, 반사된 신호의 상호 간섭으로 인해 음질도 떨어지는 단점을 갖는다. The use of parabolic dishes is well known in connection with the development of super-directional sound wave transmission systems. This is done by placing a normal speaker at the focal point of the dish so that the sound output is reflected by the dish and goes straight. However, this method requires a very large diameter plate, has a short range of sound, and has a disadvantage of poor sound quality due to mutual interference of reflected signals.

이러한 단점을 보완하기 위해 최근에는 공기 매질의 비선형 전파특성을 이용 한 초음파 스피커 기술이 구현되고 있다. 그런데 알려진 초음파 스피커 기술에 따른 신호 처리 방식은 입력 신호의 유무에 상관없이 필터링된 신호를 출력함으로써, 결과적으로 시스템 내의 잡음을 증폭 출력하여 음질 품질을 떨어뜨릴 수 있는 단점을 갖는다. 또한 전력증폭기에서 지속적으로 전력을 소모함으로 인해 전력 효율이 떨어지는 단점이 있다.Recently, ultrasonic speaker technology using nonlinear propagation characteristics of an air medium has been implemented to compensate for these disadvantages. However, the signal processing method according to the known ultrasonic speaker technology outputs a filtered signal regardless of the presence or absence of an input signal, and as a result, amplifies and outputs noise in the system, thereby degrading sound quality. In addition, there is a disadvantage that the power efficiency is lowered because the power amplifier continuously consumes power.

초지향 음파 송신 시스템의 전력 효율을 개선할 수 있는 신호 처리 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a signal processing apparatus and method capable of improving the power efficiency of a super-directional sound wave transmission system.

나아가 초지향 음파 송신 시스템의 고품질, 고음질을 가능하게 하는 신호 처리 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.Furthermore, it is an object of the present invention to provide a signal processing apparatus and method for enabling high quality and high sound quality of a super-directional sound wave transmission system.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치는, 오디오 입력 신호를 이중 적분하는 이중 적분부, 이중 적분된 신호의 포락선 신호를 산출하는 포락선 산출부, 계산된 포락선 신호의 에너지를 산출하는 에너지 산출부, 및 산출된 에너지값에 따라 초음파 증폭기의 이득을 제어하는 제어부를 포함한다.The signal processing device constituting the super-directional sound wave transmission system for achieving the above-described technical problem includes a double integrator that double-integrates an audio input signal, an envelope calculator that calculates an envelope signal of the double-integrated signal, and a calculated envelope signal. An energy calculating unit for calculating the energy of the, and a control unit for controlling the gain of the ultrasonic amplifier according to the calculated energy value.

신호 처리 장치는 계산된 포락선 신호에 필터 계수를 적용하여 출력하는 필터부, 및 필터부의 출력 신호를 변조하는 변조부를 더 포함한다.The signal processing apparatus further includes a filter unit for applying a filter coefficient to the calculated envelope signal and outputting the modulated signal, and a modulator for modulating an output signal of the filter unit.

필터부는 지연부에서 출력되어 입력된 신호에 이전 입력 신호에 대해 결정된 격자 필터 계수를 적용하는 격자 필터부를 포함한다. 나아가 필터부는 포락선 산출부에서 출력된 포락선 신호를 입력받아 제곱근을 연산하여 제곱근 신호를 연산하는 제곱근 연산부, 격자 필터부의 출력 신호와 제곱근 연산부의 제곱근 신호의 오차를 연산하는 오차 연산부, 및 오차 연산부로부터 출력된 오차 신호로부터 격자 필터 계수를 산출하여 격자 필터부로 출력하는 격자 필터 계수 산출부를 더 포함한 다.The filter unit includes a lattice filter unit which applies the lattice filter coefficients determined for the previous input signal to the signal output from the delay unit. Furthermore, the filter unit receives the envelope signal output from the envelope calculator and calculates a square root signal to calculate a square root signal, an error calculator that calculates an error between an output signal of the grid filter unit and a square root signal of the square root operator, and an output from the error calculator. The apparatus further includes a lattice filter coefficient calculator for calculating a lattice filter coefficient from the error signal and outputting the lattice filter coefficient to the lattice filter unit.

신호 처리 장치는 포락선 산출부로부터 출력된 포락선 신호를 일정 시간 지연시킨 후 필터부로 출력하는 지연부를 더 포함한다.The signal processing apparatus further includes a delay unit for delaying the envelope signal output from the envelope calculator and outputting the envelope signal to the filter unit.

신호 처리 장치는 필터부의 출력 신호를 상기 변조부로 인가하기 위한 스위치를 더 포함하며, 제어부는 산출된 에너지값이 임계치 이상일 경우에만 스위치가 온(on) 되도록 제어한다.The signal processing apparatus further includes a switch for applying an output signal of the filter unit to the modulator, and the controller controls the switch to be turned on only when the calculated energy value is greater than or equal to a threshold.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치에서 입력된 오디오 신호를 처리하는 방법은, 오디오 입력 신호를 이중 적분하는 단계; 이중 적분된 신호의 포락선 신호를 산출하는 단계, 산출된 포락선 신호를 일정 프레임 단위로 에너지를 산출하는 단계, 산출된 에너지값이 임계치 이상일 경우 초음파 증폭기를 활성화시키고 임계치 미만이면 비활성화시키는 단계를 포함한다.On the other hand, the method for processing the input audio signal in the signal processing device constituting the super-directional sound wave transmission system for achieving the above technical problem, the step of double integration of the audio input signal; Calculating an envelope signal of the double integrated signal, calculating energy of the calculated envelope signal in units of predetermined frames, and activating the ultrasonic amplifier when the calculated energy value is greater than or equal to the threshold and deactivating the threshold value.

오디오 입력 신호의 에너지 활성화를 기반으로 신호를 산출하고 출력하기 때문에, 고품질의 음성 출력을 생성할 수 있으며, 또한 전력 증폭기의 전력 효율을 높여 경제적인 고지향 스피커 시스템을 구현할 수 있다.By generating and outputting signals based on the energy activation of the audio input signal, high-quality audio output can be generated, and the power amplifier can be powered with high efficiency, resulting in an economical high-direction speaker system.

또한 프레임 단위 에너지 산출에 기인한 신호 처리 방식과, 격자 필터 계수가 적용된 신호와 입력 신호를 상호 비교하고 그에 따른 현재 입력 신호의 격자 필터 계수 값을 계산하여 적용함으로써, 빠른 수렴속도로 인하여 고속으로 고지향 스피커의 음질을 개선할 수 있다.In addition, by comparing the signal processing method due to the calculation of energy in the frame unit with the grid filter coefficient and the input signal, the grid filter coefficient value of the current input signal is calculated and applied. The sound quality of the incense speaker can be improved.

또한 격자 필터를 사용함으로 인해 GAL(Gradient Adaptive Lattice), LSL(Least Square Lattice), QRD-Lattice(QR-Decomposition Lattice) 등과 같은 다양한 격자 필터 신호 처리 방식을 사용할 수 있다.In addition, the use of a lattice filter allows various lattice filter signal processing methods such as gradient adaptive lattice (GAL), least square lattice (LSL), and QR-decomposition lattice (QRD-Lattice).

또한 입력 신호의 에너지 계산을 위한 프레임 길이를 가변하여 다양한 채널 상황에서 신호 산출 및 시스템 성능을 보장해줄 수 있는 지향성 스피커 시스템을 구현할 수 있다.In addition, by varying the frame length for the energy calculation of the input signal, it is possible to implement a directional speaker system that can ensure signal generation and system performance in various channel conditions.

또한 시스템에 적용된 초음파 변환기의 역필터 모델을 생성하여 SSB 변조된 신호에 적용함으로써, 변조된 신호의 초음파 변환시 왜곡을 최소화하여 음질을 개선할 수 있다.In addition, by generating an inverse filter model of the ultrasonic transducer applied to the system and applied to the SSB modulated signal, it is possible to improve the sound quality by minimizing distortion during the ultrasonic conversion of the modulated signal.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.The foregoing and further aspects of the present invention will become more apparent through the preferred embodiments described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described in detail to enable those skilled in the art to easily understand and reproduce the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치의 블록도이다.1 is a block diagram of a signal processing device configuring a super-directional sound wave transmission system according to an embodiment of the present invention.

이중 적분부(100)는 오디오 입력 신호 s(t)를 이중 적분하여 이중 적분된 신호 i(t)를 산출하고, 포락선 산출부(110)로 출력한다. 포락선 산출부(110)는 이중 적분된 신호 i(t)에 대한 포락선 신호 E(t)를 산출한다. 일반적으로 알려진 수학식 2를 통해 포락선 신호 E(t)를 계산할 수 있다.The double integrator 100 double-integrates the audio input signal s (t) to calculate the double-integrated signal i (t) and outputs it to the envelope calculator 110. The envelope calculating unit 110 calculates an envelope signal E (t) with respect to the double integrated signal i (t). In general, the envelope signal E (t) may be calculated through Equation 2.

i´(t) = k + m×i(t)i´ (t) = k + m × i (t)

여기서 m은 변조지수이며, k는 오프셋 값이다.Where m is the modulation index and k is the offset value.

지연부(120)는 포락선 산출부(110)에서 출력된 포락선 신호 i´(t)를 입력받는다. 그리고 입력된 포락선 신호 i´(t)를 수학식 2와 같이 일정 시간 지연시켜 출력한다. 일정 시간 지연된 포락선 신호를 E(t)라 한다.The delay unit 120 receives the envelope signal i '(t) output from the envelope calculator 110. The input envelope signal i '(t) is delayed for a predetermined time as shown in Equation 2 and output. The envelope signal delayed for a certain time is called E (t).

E(t) = i´(t-N)E (t) = i´ (t-N)

여기서 N은 에너지 산출부(130)에서 에너지 산출을 위해 소요되는 시간 값을 의미한다. 즉, 지연부(120)는 에너지 산출부(130)의 에너지 산출 시간만큼 포락선 신호의 출력을 지연시키는 역할을 한다.Here, N refers to a time value required for energy calculation by the energy calculator 130. That is, the delay unit 120 serves to delay the output of the envelope signal by the energy calculation time of the energy calculator 130.

에너지 산출부(130)는 포락선 산출부(110)에서 만들어진 포락선 신호 i´(t)의 에너지를 산출한다. 일 실시예에 있어서, 에너지 산출부(130)는 포락선 신호 i´(t)에 대해 일정 길이의 프레임 단위로 프레임 내의 신호를 제곱하고 합하여 프레임 에너지 p(t)를 산출한다.The energy calculator 130 calculates energy of the envelope signal i ′ (t) generated by the envelope calculator 110. In an exemplary embodiment, the energy calculator 130 calculates a frame energy p (t) by squaring and summating signals in a frame in units of a predetermined length with respect to the envelope signal i ′ (t).

제어부(140)는 에너지 산출부(130)에서 산출된 프레임 에너지 p(t)를 입력받는다. 제어부(140)는 입력된 프레임 에너지 p(t)가 기 설정된 임계치 이상인지 아니면 그 미만인지를 판단하여 그 판단 결과에 따라 초음파 증폭기(180)의 이득을 조절하기 위한 신호 g(t)를 생성하여 초음파 증폭기(180)로 출력한다. 이에 의해 초음파 증폭기(180)의 이득이 조절된다. 여기서 임계치는 입력 신호가 실제 오디 오 입력 신호인지 아니면 묵음 구간이나 노이즈 레벨의 입력 신호인지를 구별하기 위한 값을 의미한다.The controller 140 receives the frame energy p (t) calculated by the energy calculator 130. The controller 140 determines whether the input frame energy p (t) is greater than or equal to a predetermined threshold value and generates a signal g (t) for adjusting the gain of the ultrasonic amplifier 180 according to the determination result. Output to the ultrasonic amplifier 180. Thereby, the gain of the ultrasonic amplifier 180 is adjusted. Here, the threshold means a value for distinguishing whether the input signal is an actual audio input signal or a silent signal or a noise level input signal.

일 실시예에 있어서, 프레임 에너지 p(t)가 임계치 이상인 경우에, 제어부(140)는 정상적으로 오디오 입력 신호가 입력되고 있는 구간으로 판단하여 초음파 증폭기(180)가 그 역할을 충분히 수행하도록 이득을 조절한다. 반대로 프레임 에너지 p(t)가 임계치 미만인 경우에, 제어부(140)는 묵음 구간이거나 노이즈 레벨의 입력 신호인 것으로 판단하여 이득을 작게 조절함으로써 초음파 증폭기(180)의 전력소모를 최소화한다. 이 같은 제어부(140)의 이득 제어는 프레임 단위로 계속하여 반복 수행된다.In one embodiment, when the frame energy p (t) is greater than or equal to the threshold, the controller 140 determines that the audio input signal is normally input, and adjusts the gain so that the ultrasonic amplifier 180 sufficiently performs its role. do. On the contrary, when the frame energy p (t) is less than the threshold value, the controller 140 determines that the input signal is the silent section or the noise level and adjusts the gain to minimize the power consumption of the ultrasonic amplifier 180. The gain control of the controller 140 is repeatedly performed in units of frames.

필터부(150)는 지연부(120)에서 시간 지연 출력된 포락선 신호 E(t)를 입력받는다. 필터부(150)는 포락선 신호 E(t)에 대해 필터 계수를 반영하여 변조부(160)로 출력한다. 본 발명의 일 양상에 따라 필터부(150)는 격자 필터부(151)를 포함하며, 추가적인 양상에 따라 제곱근 연산부(152), 오차 연산부(153), 및 격자 필터 계수 산출부(154)를 더 포함한다. 격자 필터부(151)는 현재 입력된 신호 E(t)에 이전 단 입력 신호 E(t-1)에 대해 산출된 격자 필터 계수 w(t)를 적용하여 아래 수학식 3과 같은 방식으로 신호 y(t)를 출력한다.The filter unit 150 receives the envelope signal E (t) output from the delay unit 120 for a time delay. The filter unit 150 reflects the filter coefficients to the envelope signal E (t) and outputs them to the modulator 160. According to an aspect of the present invention, the filter unit 150 includes a lattice filter unit 151, and further includes a square root operator 152, an error operator 153, and a lattice filter coefficient calculator 154 according to an additional aspect. Include. The grating filter unit 151 applies the grating filter coefficient w (t) calculated for the previous stage input signal E (t-1) to the current input signal E (t), and then applies the signal y in the following equation (3). output (t)

y(t)=E(t)Tw(t)y (t) = E (t) T w (t)

여기서 T는 전치행렬을 의미하고, E(t)는 M개의 지연된 입력 신호로 구성된 벡터, 즉[E(t-1)... E(t-M)]이며, w(t)는 길이가 M인 [w(1)... w(M)] 벡터를 의미한다.Where T is the transpose matrix, E (t) is a vector of M delayed input signals, ie [E (t-1) ... E (tM)], and w (t) is of length M [w (1) ... w (M)] means the vector.

제곱근 연산부(152)는 지연부(120)의 출력 신호인 포락선 신호 E(t)에 대해 수학식 4와 같이 제곱근을 수행한다.The square root calculator 152 performs a square root on the envelope signal E (t) which is an output signal of the delay unit 120 as shown in Equation 4.

E´(t) = E(t)1/2 E´ (t) = E (t) 1/2

오차 연산부(153)는 격자 필터부(151)의 출력 신호 y(t)와 제곱근 연산부(152)에 의해 계산된 신호 E´(t)의 오차 신호 e(t)를 계산한다. 오차 연산부(153)에 의해 계산되는 e(t)는 수학식 5와 같다.The error calculator 153 calculates the error signal e (t) of the output signal y (t) of the grid filter unit 151 and the signal E '(t) calculated by the square root calculator 152. E (t) calculated by the error calculating unit 153 is expressed by Equation 5.

e(t) = E´(t) - y(t)e (t) = E´ (t)-y (t)

격자 필터 계수 산출부(154)는 오차 연산부(153)에 의해 계산된 오차 신호 e(t)에 GAL(Gradient Adaptive Lattice), LSL(Least Square Lattice), QRD-Lattice(QR-Decomposition Lattice) 방식 등을 적용하여 격자 필터 계수를 계산한다. 오차 신호 벡터 e(t)로부터 격자 필터 계수를 계산하는 방식은 기타 다양한 방식을 적용하여도 가능하다. 격자 필터의 구조가 도 2에 예시되어 있다. 도 2의 각 변수의 의미는 다음과 같다. u(n)은 n 시점에서의 필터입력신호, z-1은 한 샘플 지연 소자, kbi는 i단 후방 적응 격자 필터 계수(Backward Adaptive Filter Coefficient), fi = u(n-1)*kfi이다. 격자 적응 필터 계수, kbi와 kfi 갱신을 위해 다양한 알고리즘 적용이 가능하며, 자세한 유도 및 수식은 생략한다.The grid filter coefficient calculating unit 154 may include a GAL (Gradient Adaptive Lattice), LSL (Least Square Lattice), QRD-Lattice (QR-Decomposition Lattice) method, and the like. Calculate the grid filter coefficients by applying The method of calculating the lattice filter coefficients from the error signal vector e (t) may be applied to various other methods. The structure of the grating filter is illustrated in FIG. 2. The meaning of each variable in FIG. 2 is as follows. u (n) is the filter input signal at n time point, z -1 is one sample delay element, kb i is i-stage backward adaptive filter coefficient, f i = u (n-1) * kf i . Lattice adaptive filter coefficients, kb i and kf i Various algorithms can be applied for updating, and detailed derivation and formula are omitted.

변조부(160)는 격자 필터부(151)의 출력 신호 y(t)를 변조한다. 본 발명의 일 양상에 따라, 변조부(160)는 SSB 변조 구성이다. 따라서 변조부(160)는 격자 필터부(151)의 출력 신호 y(t)를 상측 또는 하측파대 SSB(Single Side Band) 변조를 통하여 초음파 대역으로 변조한다. 변환기 역필터(170)는 초음파 변환기(190)의 주파수 특성을 파악하여 역필터를 추정하고, 이 역필터를 변조부(160)에 의해 생성된 변조 신호 z(t)에 적용하여 필터링된 신호 x(t)를 생성한다. 초음파 증폭기(180)는 제어부(140)의 이득 조절 신호 g(t)를 입력으로 변환기 역필터(170)의 출력을 증폭한 신호 x´(t)를 생성한다. 초음파 변환기(190)는 초음파 증폭기(180)에 의해 증폭된 신호 x´(t)를 초음파 진동소자를 이용하여 초음파를 방사함으로써, 최종 신호 o(t)를 발생하게 된다. 초음파 변환기(140)에 의해 변환된 초음파 신호는 공기 중으로 방사됨으로써, 공기의 비선형 매질 특성에 의해 복조되게 된다.The modulator 160 modulates the output signal y (t) of the grating filter unit 151. According to an aspect of the present invention, the modulator 160 is of SSB modulation configuration. Accordingly, the modulator 160 modulates the output signal y (t) of the grating filter unit 151 into an ultrasonic band through upper side or lower side band SSB (Single Side Band) modulation. The transducer inverse filter 170 grasps the frequency characteristics of the ultrasonic transducer 190, estimates the inverse filter, and applies the inverse filter to the modulated signal z (t) generated by the modulator 160. produces (t) The ultrasonic amplifier 180 generates a signal x '(t) obtained by amplifying the output of the converter inverse filter 170 with the gain control signal g (t) of the controller 140 as an input. The ultrasonic transducer 190 emits an ultrasonic wave by using the ultrasonic vibration device to the signal x '(t) amplified by the ultrasonic amplifier 180 to generate the final signal o (t). The ultrasonic signal converted by the ultrasonic transducer 140 is radiated into the air, thereby being demodulated by the nonlinear medium characteristic of the air.

스위치(200)는 격자 필터부(151)의 출력단에 그리고 변조부(160)의 입력단에 연결되며, 제어부(140)의 제어에 따라 스위칭 동작하여 격자 필터부(151)의 출력 신호를 변조부(160)로 전달하거나 차단하는 역할을 한다. 이 경우, 제어부(140)는 에너지 산출부(130)에 의해 산출된 프레임 에너지 p(t)가 기 설정된 임계치 이상인지 아니면 그 미만인지를 판단하여 그 판단 결과에 따라 스위치(200)를 제어한다. 즉, 프레임 에너지 p(t)가 임계치 이상인 경우에, 제어부(140)는 정상적으로 오디오 입력 신호가 입력되고 있는 구간으로 판단하여 스위치(200)를 온(on) 제어한다. 반대로 프레임 에너지 p(t)가 임계치 미만인 경우에, 제어부(140)는 묵음 구간이거나 노이즈 레벨의 입력 신호인 것으로 판단하여 이득을 작게 조절함으로써 초음파 증폭기(180)의 전력소모를 최소화한다. 이 같은 제어부(140)의 스위치(200) 제어는 프레임 단위로 계속하여 반복 수행된다.The switch 200 is connected to an output terminal of the grating filter unit 151 and an input terminal of the modulation unit 160, and is switched under the control of the control unit 140 to switch the output signal of the grating filter unit 151 to the modulation unit ( 160) or to block. In this case, the controller 140 determines whether the frame energy p (t) calculated by the energy calculator 130 is greater than or equal to a predetermined threshold value and controls the switch 200 according to the determination result. That is, when the frame energy p (t) is greater than or equal to the threshold value, the controller 140 determines that the audio input signal is normally input, and controls the switch 200 on. On the contrary, when the frame energy p (t) is less than the threshold value, the controller 140 determines that the input signal is the silent section or the noise level and adjusts the gain to minimize the power consumption of the ultrasonic amplifier 180. The control of the switch 200 of the controller 140 is repeatedly performed in units of frames.

제1실시예에 있어서, 제어부(140)는 에너지 산출부(130)에 의해 산출된 에너지값에 따라 초음파 증폭기(180)의 이득만을 제어하고 스위치(200)는 에너지값에 상관없이 온(on) 상태를 지속적으로 유지시킨다. 제2실시예에 있어서, 제어부(140)는 에너지 산출부(130)에 의해 산출된 에너지값에 따라 스위치의 온/오프를 제어하고 초음파 증폭기(180)는 지속적으로 활성화 유지시킨다. 제3실시예에 있어서, 제어부(140)는 에너지 산출부(130)에 의해 산출된 에너지값에 따라 초음파 증폭기(180)의 이득을 제어하여 활성화 혹은 비활성화시키고, 동시에 스위치(200)를 제어하여 온 혹은 오프시킨다.In the first embodiment, the controller 140 controls only the gain of the ultrasonic amplifier 180 according to the energy value calculated by the energy calculator 130 and the switch 200 is on regardless of the energy value. Keep it steady. In the second embodiment, the controller 140 controls the on / off of the switch according to the energy value calculated by the energy calculator 130 and maintains the ultrasonic amplifier 180 continuously. In the third embodiment, the controller 140 controls the gain of the ultrasonic amplifier 180 to be activated or deactivated according to the energy value calculated by the energy calculator 130, and simultaneously controls the switch 200. Or turn it off.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치의 오디오 입력 신호 처리 흐름도이다.3 is an audio input signal processing flowchart of a signal processing device configuring a super-directional sound wave transmission system according to an embodiment of the present invention.

이중 적분부(100)는 오디오 입력 신호 s(t)의 이중 적분을 계산한다(S1). 포락선 산출부(110)는 이중 적분 계산된 신호 i(t)에 이득과 오프셋을 주어 포락선 신호 i´(t)를 계산한다(S2). 에너지 산출부(130)는 계산된 포락선 신호 i´(t)에 대해 일정 길이의 프레임 단위로 프레임 내의 신호를 제곱하고 합하여 프레임 에너 지 p(t)를 산출한다(S8). 제어부(140)는 산출된 프레임 에너지 p(t)를 임계치와 비교하고, 비교 결과 프레임 에너지 p(t)가 임계치보다 작으면 묵음 또는 신호가 없는 구간이라 판단하여 d(t)=0, g(t)=0으로 세팅하며, 반대로 프레임 에너지 p(t)가 임계치 이상이면 정상적인 오디오 신호가 존재하는 구간이라 판단하여 d(t)=1, g(t)=k로 세팅한다(S9). 프레임 에너지 p(t)와 임계치의 비교 결과에 따라 d(t)와 g(t)를 모두 세팅하는 것으로 설명하였으나, 어느 한 값은 고정적으로 두고 나머지 값만을 새롭게 세팅할 수도 있다.The double integrator 100 calculates a double integral of the audio input signal s (t) (S1). The envelope calculating unit 110 calculates the envelope signal i '(t) by giving a gain and an offset to the double-integrated signal i (t) (S2). The energy calculator 130 calculates a frame energy p (t) by squaring and summing signals in a frame in units of a predetermined length with respect to the calculated envelope signal i '(t) (S8). The controller 140 compares the calculated frame energy p (t) with a threshold value, and if the comparison indicates that the frame energy p (t) is smaller than the threshold value, the controller 140 determines that there is no silence or a signal and that d (t) = 0, g ( t) = 0. On the contrary, if the frame energy p (t) is greater than or equal to the threshold, it is determined that a normal audio signal exists and d (t) = 1 and g (t) = k (S9). It has been described that both d (t) and g (t) are set according to the comparison result of the frame energy p (t) and the threshold, but one value may be fixed and only the remaining value may be newly set.

한편, 격자 필터부(151)는 S3 단계를 거친 신호 E(t)에 이전 단의 신호 E(t-1)에 대한 격자 적응 필터 계수 벡터를 적용하여 출력 신호 y(t)를 생성한다(S7). 그리고 오차 연산부(153)는 S3 단계를 거친 신호 E(t)를 S9 단계와 S10 단계에 소요되는 시간만큼 지연시켜 출력한다(S3). 제곱근 연산부(152)는 시간 지연된 출력 신호 E(t)에 대해 제곱근 연산을 수행하여 신호 E(t)1/2를 생성한다(S4). 오차 연산부(153)는 S7 단계를 거친 격자 필터 출력 신호 y(t)와 E(t)1/2의 차이를 계산하여 그 오차 신호 e(t)를 생성한다(S5). 다음으로 격자 필터 계수 산출부(154)는 S5 단계를 거쳐 출력된 신호 e(t)에 따라 격자 적응 필터 계수를 계산하여 격자 필터부(151)로 출력한다(S6). 여기서 격자 적응 필터 계수 계산을 위해 GAL, LSL, QRD-lattice 적응 방식 등이 이용될 수 있다.Meanwhile, the grating filter unit 151 generates an output signal y (t) by applying the grating adaptive filter coefficient vector of the signal E (t-1) of the previous stage to the signal E (t) having undergone the step S3 (S7). ). The error calculator 153 delays and outputs the signal E (t) having passed through the step S3 by the time required for the steps S9 and S10 (S3). The square root calculator 152 generates a signal E (t) 1/2 by performing a square root operation on the time-delayed output signal E (t) (S4). The error calculating unit 153 calculates the difference between the lattice filter output signal y (t) and E (t) 1/2 that have passed through step S7 and generates the error signal e (t) (S5). Next, the lattice filter coefficient calculator 154 calculates the lattice adaptive filter coefficients according to the signal e (t) output through the step S5 and outputs the lattice adaptive filter coefficients to the lattice filter unit 151 (S6). Here, GAL, LSL, QRD-lattice adaptation, etc. may be used to calculate the grid adaptive filter coefficients.

변조부(160)는 S7 단계를 통해 격자 적응 필터 계수가 적용된 출력 신호를 SSB 변조하여 변조 신호 z(t)를 생성한다(S10). 다음으로 SSB 변조된 신호 z(t)에 초음파 변환기 역필터(170)를 적용한다(S11). 이때 적용되는 역필터는 시스템에서 사용되는 초음파 변환기(190)의 주파수 응답 특성 분석 등을 통해 계산될 수 있다. 다음으로 초음파 증폭기(180)는 변환기 역필터(170)의 출력신호 x(t)를 증폭하여 증폭된 신호 x´(t)를 생성한다(S12). 다음으로 증폭된 신호는 초음파 변환기(190)를 통해 초음파 신호로 변환된다(S13). 마지막으로 초음파 신호는 공기 중에서 비선형 복조되어 출력신호인 o(t)로 출력된다.The modulator 160 performs SSB modulation on the output signal to which the lattice adaptive filter coefficient is applied in step S7 to generate a modulated signal z (t) (S10). Next, the ultrasonic transducer inverse filter 170 is applied to the SSB modulated signal z (t) (S11). In this case, the inverse filter applied may be calculated through analysis of frequency response characteristics of the ultrasonic transducer 190 used in the system. Next, the ultrasonic amplifier 180 amplifies the output signal x (t) of the converter inverse filter 170 to generate an amplified signal x '(t) (S12). Next, the amplified signal is converted into an ultrasonic signal through the ultrasonic transducer 190 (S13). Finally, the ultrasonic signal is nonlinearly demodulated in air and output as an output signal o (t).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치의 블록도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a block diagram of a signal processing device constituting a superdirectional sound wave transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 격자 필터 예시도.2 is an exemplary grid filter.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치의 오디오 입력 신호 처리 흐름도.3 is an audio input signal processing flowchart of a signal processing device configuring a super-directional sound wave transmission system according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 이중 적분부 110 : 포락선 산출부100: double integration unit 110: envelope calculation unit

120 : 지연부 130 : 에너지 산출부120: delay unit 130: energy calculation unit

140 : 제어부 150 : 필터부140: control unit 150: filter unit

151 : 격자 필터부 152 : 제곱근 연산부151 lattice filter unit 152 square root calculator

153 : 오차 연산부 154 : 격자 필터 계수 산출부153: error calculation unit 154: grid filter coefficient calculation unit

160 : 변조부 170 : 변환기 역필터160: modulator 170: converter reverse filter

180 : 초음파 증폭기 190 : 초음파 변환기180: ultrasonic amplifier 190: ultrasonic transducer

200 : 스위치200: switch

Claims (21)

초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치에 있어서,In the signal processing device constituting the super-directional sound wave transmission system, 오디오 입력 신호를 이중 적분하는 이중 적분부;A double integrator for double integrating the audio input signal; 상기 이중 적분된 신호의 포락선 신호를 산출하는 포락선 산출부;An envelope calculating unit for calculating an envelope signal of the double integrated signal; 상기 계산된 포락선 신호의 에너지를 산출하는 에너지 산출부; 및An energy calculator configured to calculate energy of the calculated envelope signal; And 상기 산출된 에너지값에 따라 초음파 증폭기의 이득을 제어하는 제어부;A control unit controlling a gain of the ultrasonic amplifier according to the calculated energy value; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 에너지 산출부는 상기 포락선 신호를 일정 프레임 단위로 프레임 내 신호를 제곱하고 합하여 프레임 에너지를 산출함을 특징으로 하는 신호 처리 장치.And the energy calculator calculates a frame energy by squaring and adding the envelope signals by a predetermined frame unit. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제어부는 상기 산출된 에너지값이 임계치 미만이면 상기 초음파 증폭기가 비활성되도록 그리고 임계치 이상이면 상기 초음파 증폭기가 활성되도록 상기 초음파 증폭기의 이득을 제어함을 특징으로 하는 신호 처리 장치.And the controller controls the gain of the ultrasonic amplifier to deactivate the ultrasonic amplifier if the calculated energy value is less than a threshold and to activate the ultrasonic amplifier if it is above a threshold. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 계산된 포락선 신호에 필터 계수를 적용하여 출력하는 필터부; 및A filter unit which applies a filter coefficient to the calculated envelope signal and outputs the filter coefficient; And 상기 필터부의 출력 신호를 변조하는 변조부;A modulator for modulating an output signal of the filter unit; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus comprising a. 제4항에 있어서, 상기 필터부는 :The method of claim 4, wherein the filter unit: 상기 지연부에서 출력되어 입력된 신호에 이전 입력 신호에 대해 결정된 격자 필터 계수를 적용하는 격자 필터부;A lattice filter unit applying a lattice filter coefficient determined with respect to a previous input signal to a signal output from the delay unit; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus comprising a. 제5항에 있어서, 상기 필터부는 :The method of claim 5, wherein the filter unit: 상기 포락선 산출부에서 출력된 포락선 신호를 입력받아 제곱근을 연산하여 제곱근 신호를 연산하는 제곱근 연산부;A square root calculator which calculates a square root signal by calculating a square root by receiving an envelope signal output from the envelope calculator; 상기 격자 필터부의 출력 신호와 상기 제곱근 연산부의 제곱근 신호의 오차를 연산하는 오차 연산부; 및An error calculator configured to calculate an error between an output signal of the lattice filter unit and a square root signal of the square root calculator; And 상기 오차 연산부로부터 출력된 오차 신호로부터 격자 필터 계수를 산출하여 상기 격자 필터부로 출력하는 격자 필터 계수 산출부;A lattice filter coefficient calculator for calculating a lattice filter coefficient from the error signal output from the error calculator and outputting the lattice filter coefficient to the lattice filter unit; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus further comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 격자 필터 계수 산출부는 상기 오차 신호에 GAL(Gradient Adaptive Lattice), LSL(Least Square Lattice), QRD-Lattice(QR-Decomposition Lattice) 방 식 중 어느 하나를 적용하여 격자 필터 계수를 산출함을 특징으로 하는 신호 처리 장치.The lattice filter coefficient calculating unit calculates a lattice filter coefficient by applying any one of a method of gradient adaptive lattice (GAL), least square lattice (LSL), and QRD-Lattice (QR-decomposition lattice) to the error signal. Signal processing device. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 변조부는 SSB(Single Side Band) 변조부임을 특징으로 하는 신호 처리 장치.The modulator is a signal processing device characterized in that the SSB (Single Side Band) modulator. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 4 to 6, 상기 포락선 산출부로부터 출력된 포락선 신호를 일정 시간 지연시킨 후 상기 필터부로 출력하는 지연부;A delay unit for delaying the envelope signal output from the envelope calculator and outputting the envelope signal to the filter unit for a predetermined time; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus further comprising a. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 지연부는 적어도 상기 에너지 산출부의 에너지 산출 소요 시간만큼 지연시킴을 특징으로 하는 신호 처리 장치.And the delay unit delays at least the energy calculation time required by the energy calculator. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 필터부의 출력 신호를 상기 변조부로 인가하기 위한 스위치;를 더 포함하며,And a switch for applying an output signal of the filter unit to the modulator. 상기 제어부는 상기 산출된 에너지값이 임계치 이상일 경우에만 상기 스위치 가 온(on) 되도록 제어함을 특징으로 하는 신호 처리 장치.And the controller controls the switch to be turned on only when the calculated energy value is greater than or equal to a threshold. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 변조부에 의해 변조된 신호를 초음파 변환기가 가지는 주파수 특성에 대응되는 역필터로 필터링하여 상기 초음파 증폭기로 출력하는 변환기 역필터;A transducer inverse filter for filtering the signal modulated by the modulator with an inverse filter corresponding to a frequency characteristic of the ultrasonic transducer and outputting the inverse filter to the ultrasonic amplifier; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus further comprising a. 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치에 있어서,In the signal processing device constituting the super-directional sound wave transmission system, 입력 신호를 이중 적분하는 이중 적분부;A double integrator for double integrating the input signal; 상기 이중 적분된 신호의 포락선 신호를 산출하는 포락선 산출부;An envelope calculating unit for calculating an envelope signal of the double integrated signal; 상기 포락선 산출부로부터 출력된 포락선 신호를 일정 시간 지연시킨 후 출력하는 지연부;A delay unit configured to delay the envelope signal output from the envelope calculator and to output the delayed signal for a predetermined time; 상기 지연부로부터 출력된 포락선 신호에 필터 계수를 적용하여 출력하는 필터부;A filter unit for applying a filter coefficient to the envelope signal output from the delay unit and outputting the filter coefficient; 상기 필터부의 출력 신호를 SSB(Single Side Band) 변조하는 변조부;A modulator for SSB modulation of the output signal of the filter unit; 상기 필터부의 출력 신호를 상기 변조부로 인가하기 위한 스위치;A switch for applying an output signal of the filter unit to the modulator; 상기 포락선 신호의 에너지를 산출하는 에너지 산출부; 및An energy calculator configured to calculate energy of the envelope signal; And 상기 산출된 에너지값이 임계치 이상일 경우에만 상기 스위치가 온(on) 되도록 제어하는 제어부;A control unit which controls the switch to be turned on only when the calculated energy value is greater than or equal to a threshold; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus comprising a. 제13항에 있어서, 상기 필터부는 :The method of claim 13, wherein the filter unit: 상기 지연부에서 출력되어 입력된 신호에 이전 입력 신호에 대해 결정된 격자 필터 계수를 적용하여 출력 신호를 생성하는 격자 필터부;A lattice filter unit generating an output signal by applying a lattice filter coefficient determined with respect to a previous input signal to the signal output from the delay unit; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus comprising a. 제14항에 있어서, 상기 필터부는 :The method of claim 14, wherein the filter unit: 상기 포락선 산출부에서 출력된 포락선 신호를 입력받아 제곱근을 연산하여 제곱근 신호를 연산하는 제곱근 연산부;A square root calculator which calculates a square root signal by calculating a square root by receiving an envelope signal output from the envelope calculator; 상기 격자 필터부의 출력 신호와 상기 제곱근 연산부의 제곱근 신호의 오차를 연산하는 오차 연산부; 및An error calculator configured to calculate an error between an output signal of the lattice filter unit and a square root signal of the square root calculator; And 상기 오차 연산부로부터 출력된 오차 신호로부터 격자 필터 계수를 산출하여 상기 격자 필터부로 출력하는 격자 필터 계수 산출부;A lattice filter coefficient calculator for calculating a lattice filter coefficient from the error signal output from the error calculator and outputting the lattice filter coefficient to the lattice filter unit; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus further comprising a. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 격자 필터 계수 산출부는 상기 오차 신호에 GAL(Gradient Adaptive Lattice), LSL(Least Square Lattice), QRD-Lattice(QR-Decomposition Lattice) 방식 중 어느 하나를 적용하여 격자 필터 계수를 산출함을 특징으로 하는 신호 처리 장치.The lattice filter coefficient calculating unit calculates a lattice filter coefficient by applying any one of a gradient adaptive lattice (GAL), a least square lattice (LSL), and a QR-decomposition (QR-decomposition lattice) scheme to the error signal. Signal processing device. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 변조부에 의해 변조된 신호를 초음파 변환기가 가지는 주파수 특성에 대응되는 역필터로 필터링하여 초음파 증폭기로 출력하는 변환기 역필터;A transducer inverse filter for filtering the signal modulated by the modulator with an inverse filter corresponding to a frequency characteristic of the ultrasonic transducer and outputting the inverse filter to an ultrasonic amplifier; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.Signal processing apparatus further comprising a. 초지향 음파 송신 시스템을 구성하는 신호 처리 장치에서 입력된 오디오 신호를 처리하는 방법에 있어서,In the method for processing the audio signal input from the signal processing device constituting the super-directional sound wave transmission system, 오디오 입력 신호를 이중 적분하는 단계;Double integrating the audio input signal; 상기 이중 적분된 신호의 포락선 신호를 산출하는 단계;Calculating an envelope signal of the double integrated signal; 상기 산출된 포락선 신호를 일정 프레임 단위로 에너지를 산출하는 단계;Calculating energy of the calculated envelope signal in units of predetermined frames; 상기 산출된 에너지값이 임계치 이상일 경우 초음파 증폭기를 활성화시키고 임계치 미만이면 비활성화시키는 단계;Activating an ultrasonic amplifier when the calculated energy value is greater than or equal to a threshold and deactivating the threshold if less than a threshold; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.Signal processing method comprising a. 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 산출된 포락선 신호의 출력을 일정 시간 지연시킨 후 출력하는 단계;Outputting the output of the calculated envelope signal after a predetermined time delay; 상기 일정 시간 지연 후 출력된 신호에 이전 입력 신호에 대해 결정된 격자 필터 계수를 적용하는 단계; 및Applying a lattice filter coefficient determined for a previous input signal to the signal output after the predetermined time delay; And 상기 격자 필터 계수가 적용된 신호가 SSB(Single Side Band) 변조되도록 변 조부로 출력하는 단계;Outputting a signal to which the lattice filter coefficients are applied to a modulator to perform SSB (Single Side Band) modulation; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.Signal processing method further comprising. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 산출된 에너지값이 임계치 이상일 경우에만 상기 격자 필터 계수가 적용된 신호가 상기 변조부에 인가되도록 상기 변조부 입력단에 위치한 스위치를 온(on) 제어하는 단계;Turning on a switch located at the input of the modulator so that the signal to which the lattice filter coefficient is applied is applied to the modulator only when the calculated energy value is greater than or equal to a threshold; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.Signal processing method further comprising. 제17항에 있어서, 상기 필터 계수를 적용하는 단계는 :The method of claim 17, wherein applying the filter coefficients comprises: 상기 일정 시간 지연 후 출력된 포락선 신호의 제곱근을 연산하는 단계;Calculating a square root of an envelope signal output after the predetermined time delay; 상기 필터 계수가 적용된 신호와 상기 제곱근 연산된 신호의 오차를 연산하는 단계; 및Calculating an error between the signal to which the filter coefficient is applied and the square root calculated signal; And 상기 연산된 오차 신호에 대해 격자 필터 계수를 산출하는 단계;Calculating a grating filter coefficient for the calculated error signal; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.Signal processing method comprising a.
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