KR20110007394A - 실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법 - Google Patents

실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110007394A
KR20110007394A KR1020090064894A KR20090064894A KR20110007394A KR 20110007394 A KR20110007394 A KR 20110007394A KR 1020090064894 A KR1020090064894 A KR 1020090064894A KR 20090064894 A KR20090064894 A KR 20090064894A KR 20110007394 A KR20110007394 A KR 20110007394A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
howling
notch filter
refractive
iir notch
Prior art date
Application number
KR1020090064894A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101090865B1 (ko
Inventor
조정권
Original Assignee
(주)시그젠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)시그젠 filed Critical (주)시그젠
Priority to KR1020090064894A priority Critical patent/KR101090865B1/ko
Publication of KR20110007394A publication Critical patent/KR20110007394A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101090865B1 publication Critical patent/KR101090865B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/02—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for preventing acoustic reaction, i.e. acoustic oscillatory feedback
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L21/00—Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
    • G10L21/02—Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
    • G10L21/0208—Noise filtering
    • G10L21/0216—Noise filtering characterised by the method used for estimating noise
    • G10L21/0232—Processing in the frequency domain
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/005—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for combining the signals of two or more microphones
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2210/00—Details of active noise control [ANC] covered by G10K11/178 but not provided for in any of its subgroups
    • G10K2210/50—Miscellaneous
    • G10K2210/506—Feedback, e.g. howling
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L21/00—Speech or voice signal processing techniques to produce another audible or non-audible signal, e.g. visual or tactile, in order to modify its quality or its intelligibility
    • G10L21/02—Speech enhancement, e.g. noise reduction or echo cancellation
    • G10L21/0208—Noise filtering
    • G10L2021/02082—Noise filtering the noise being echo, reverberation of the speech

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Audiology, Speech & Language Pathology (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)

Abstract

본 발명은 하울링 신호를 매우 짧은 시간 내에 검출하고 제거함으로써 장비의 손실을 막고, 청중들의 불쾌감을 방지하기 위한 실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 입력 신호의 기울기 포락선 추정기와 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수 값들의 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 계산하여 실험적 임계치와 각각 비교한 후 하울링 신호의 유무를 판별하고, 하울링 신호의 존재로 판별되면 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수 값들을 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후 입력 신호를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 통과시킴으로써 하울링 신호를 제거함과 동시에 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터를 순환 형태의 뱅크로 구현하여 한번 발생한 특정 주파수 대역의 하울링 신호가 다시 발생하지 않도록 하여 하울링 현상이 없는 고품질의 대음량 출력을 사용자나 청중들에게 제공하기 위한 것이다.
하울링, 적응 굴절, 고정 굴절, IIR 노치 필터, 필터계수, 이산 분산

Description

실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법{Real-time howling signal eliminating system and method}
본 발명은 실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 2차 굴절 IIR 노치 필터 계수들의 통계적 특성과 기울기 포락선 추정기를 이용하여 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링(피드백) 신호를 검출하고, 원음의 손실을 최소화하면서 하울링 신호를 제거하는 디지털 신호 처리 기반의 실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로폰과 스피커가 함께 사용되는 공간에서 필연적으로 발생하는 하울링 현상은 앰프와 스피커에 치명적인 손상을 입히고, 청중들에게 불쾌감을 주게 된다. 또한 잦은 하울링 현상은 방송 사고의 발생 및 라이브 공연의 실패로 이어지게 된다.
이러한 하울링 신호를 효과적으로 없애기 위해서 하울링 신호가 발생했을 때 신호의 주파수 성분을 분석하여 특정 주파수 대역의 성분의 크기가 다른 대역의 크기보다 빨리 증가하는 경우 특정 주파수 대역의 이득을 감소시켜서 그 주파수 대역의 신호를 제거하고 출력을 내보내는 전통적인 방법이 오랫동안 사용되어 왔다. 그 러나, 이와 같은 전통적인 방법은 매우 짧은 시간동안 발생하는 하울링 신호를 빨리 검출하지 못하기 때문에 청중의 불쾌감과 장비의 손상에 대한 문제가 여전히 남는다.
또한, 노래방이나 잔향이 심한 환경에서는 에코 성분이 마이크로폰에 입력되어 하울링 신호가 상대적으로 넓은 주파수 대역을 가지고 발생하기 때문에 스펙트럼 분석 방법은 에코 성분이 많은 하울링 신호를 짧은 시간 내에 검출하지 못하는 단점이 있다.
한편, 지금까지도 고가의 파라메트릭 이퀄라이저를 이용하여 하울링 신호가 종종 발생하는 주파수 대역의 이득을 감쇄시키는 방법이 널리 사용되고 있으나, 하울링 신호를 효과적으로 제거할 수 있는 파라메트릭 이퀄라이저가 일반적으로 사용되기에는 부담스러운 고가의 장비이고, 또한 스피커와 마이크의 위치가 바뀔 때마다 음향 전문가가 수작업으로 이퀄라이저 조정을 다시 해야 하는 불편함이 있다.
주파수 성분을 분석하여 하울링 신호를 검출하는 방법은 사람의 목소리 중 특정 주파수 대역의 크기가 상대적으로 큰 휘파람과 같은 순수 음색의 신호를 하울링 신호로 잘못 인식하는 경우가 있다. 이러한 경우에 사람의 목소리를 하울링 신호로 잘못 판정하게 되어 주파수 대역의 일부분이 손실된다. 일단 발생한 하울링 신호는 다시 발생하지 않도록 특정 주파수 대역의 이득을 감쇄시켜야 하는데 이런 경우엔 원음의 음색이 바뀌게 되는 현상이 일어난다.
따라서 감쇄시켜야 할 주파수 대역폭을 최소한으로 좁게 설정하지 않으면 몇 개의 하울링 신호를 검출하여 연속적으로 제거하게 되는 경우, 원음의 음색이 많이 변화하게 된다. 그러나 원음의 음색을 최대한 보존하기 위해서 대역폭을 너무 좁게 설정하게 되면 먼저 일어난 하울링 신호의 주파수 대역 부근에서 하울링 현상이 다시 발생하기 때문에 원음의 음색 보존과 하울링 현상 재발생의 균형이 필요하다.
노래방 기계에는 노래를 부르는 흥미를 돋우기 위해 에코 볼륨으로 에코의 양을 조절할 수 있게 되어 있는 경우가 많다. 에코의 양이 많아지면 적을 때보다 하울링 현상이 자주 심하게 나타나게 되는데 이러한 에코 현상 때문에 하울링 신호 제거기로 하울링 신호를 검출하는 성능이 많이 떨어지게 된다. 또한, 한번 제거한 하울링 신호가 재 발생하지 않도록 노치 필터링을 계속하여도, 발생하였던 하울링 신호 주파수 부근에서 하울링 현상이 또다시 발생하게 되어 하울링 신호 제거기의 본질적인 성능이 심각하게 저하된다.
환경적으로 반사가 많이 일어나는 실내 체육관이나 돔형 스타디움, 대형 강연장에서 마이크로폰 이득이나 스피커 음량을 크게 하면 하울링 현상이 종종 필연적으로 발생하게 된다. 이때에도 파라메트릭 이퀄라이저를 사용하여 원음의 손실을 무릅쓰고 전체 주파수 대역 중 많은 대역의 이득을 줄이는 방법이 널리 사용되고 있으나, 상기와 같은 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링(피드백) 신호를 검출하고, 원음의 손실을 최소화하면서 하울링 신호를 제거하는 디지털 신호 처리 기반의 실시간 자동 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 2차 굴절 IIR 노치 필터 계수들의 통계적 특성과 기울기 포락선 추정기를 이용하여 원음의 손실을 최소화하면서 하울링(피드백) 신호를 검출하고, 제거하는 디지털 신호 처리 기반의 실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 리허설을 할 수 없는 경우 돌발적으로 발생하는 하울링 신호까지도 실시간으로 검출하여 제거할 수 있고, 하울링 현상이 좀 더 자주/심하게 발생하는 잔향이나 에코가 많은 환경에서도 하울링 신호를 원천적으로 방지하거나 실시간 검출하여 제거할 수 있는 실시간 하울링 신호 제거 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디지털 신호 처리 기법을 이용한 실시간 하울링 신호 제거 시스템은 먼저 하울링 신호 검출부에서 입력 신호의 기울기 포락선 추정기와 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수의 통계적 특성 중 이산 분산(SV: Sparse Variance)과 2차 이산 확장 분산(
Figure 112009043302825-PAT00001
: 2nd order Sparse Extended Variance)를 계산하여 각각의 실험적 임계치와 비교함으로써 하울링 신호의 유무를 검출한다.
그 후, 하울링 신호 검출부에서 하울링 신호를 검출하면, 코덱에서 디지털로 변환된 입력 신호가 순환 형태의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터 뱅크에 연속적으로 통과할 때, 에코 성분이 전혀 없는 입력 신호 또는 에코 성분이 많이 포함되어 있는 입력 신호 내의 하울링 신호를, 원음의 손실을 최소화하면서 제거하게 된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링 또는 피드백 신호를 검출하고 제거하는 실시간 하울링 신호 제거방법에 있어서, 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수 값들의 이산 분산의 평균과 2차 이산 확장 분산의 평균을 구한 후 각각의 실험적 임계치와 비교하여 입력신호에 하울링 신호가 포함되어 있는 지를 판단하는 단계와, 상기 판단결과 하울링 신호가 포함되어 있는 것으로 판단되면, 상기 계산된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후, 상기 입력 신호를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 통과시켜 하울링 신호를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 두 개의 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링 또는 피드백 신호를 검출하고 제거하는 2채널 실시간 하울링 신호 제거방법에 있어서, 두 개의 마이크로폰을 통하여 입력되는 2채널 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계와, 상기 디지털 신호로 변환된 2채널 입력 신호를 단일 채널 신호로 변환하는 단계와, 상기 단일 채널로 변환된 입력 신호 중 하울링 현상이 빈번히 발생하는 주파수 대역만을 한정하도록 대역 통과 필터를 통과시키는 단계와, 상기 하울링 신호가 포함된 신호인지 또는 순수한 음성 신호인 지를 구분하도록 입력 신호의 크기에 대한 기울기 포락선을 추정하여 실험적 임계치와 비교함으로써 하울링 신호를 검출하는 단계와, 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수 값들의 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 구한 후 각각의 실험적 임계치와 비교하여 입력신호에 하울링 신호가 포함되어 있는 지를 판단하는 단계와, 상기 판단결과 하울링 신호가 포함되어 있는 것으로 판단되면, 상기 계산된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 2채널의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후, 상기 입력 신호를 2채널의 다수의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 순환의 형태로 통과시켜 하울링 신호를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법을 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링 또는 피드백 신호를 검출하고 제거하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템에 있어서, 상기 마이크로폰을 통하여 입력되는 입력 신호로부터 음성의 에너지가 많은 대역을 제외하도록 설정되는 2개의 차단 주파수 사이의 신호 성분만을 추출하기 위한 대역 통과 필터와, 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수 값들의 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 구한 후 각각의 실험적 임계치와 비교하여 입력신호에 하울링 신호가 포함되어 있는 지를 판단하는 하울링 신호 검출부와, 상기 하울링 신호 검출부의 판단결과 하울링 신호가 포함되어 있는 경우, 상기 계산된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후, 마이크 로폰 입력 신호로부터 하울링 신호를 제거하는 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터를 구비한 하울링 신호 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 두 채널 하울링 신호 제거 시스템으로서, 연산량을 줄일 수 있도록 하나의 하울링 신호 검출부에서 생성한 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 두 채널의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 마이크로폰과 스피커가 함께 존재하는 환경에서 필연적으로 발생하는 하울링 현상을 없애기 위해, 리허설을 통하여 발생한 하울링 신호의 주파수 대역에 대한 정보를 저장하고, 라이브 공연 시에는 상기 저장된 정보를 이용하여 원천적으로 하울링 현상을 방지할 수 있다.
또한, 리허설을 할 수 없는 경우 돌발적으로 발생하는 하울링 신호까지도 실시간으로 검출하고 제거할 수 있다. 잔향이나 에코가 많은 환경에서는 하울링 현상이 좀 더 자주/심하게 발생하는데, 이런 경우에도 본 발명에서는 하울링 신호를 원천적으로 방지하거나 실시간 검출하여 제거할 수 있게 되어 대음량, 고품질의 출력 신호를 청중들에게 제공함으로써 공연 또는 강연의 성공을 보장할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 하울링 검출 및 제거에 대한 이론과 이를 실현하기 위한 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
1.0 하울링 신호 검출/제거를 위한 디지탈 신호 처리 기법
도 1은 2차 굴절 무한 임펄스 응답(IIR: Infinite Impulse Response) 필터의 전달함수의 구조이며, 하기 수학식 1로 표현된다. 도 1에 도시된 2차 굴절 IIR 필터는 선형 IIR 필터의 단위 지연 대신에 주파수를 굴절시키는 새로운 지연 요소(
Figure 112009043302825-PAT00002
)를 도입하여 구현된다. 도 4에 도시된 바와 같이 원래의 선형 주파수 영역 상에서의 주파수에 대해서 굴절 요소(warping factor)(
Figure 112009043302825-PAT00003
) 값에 따라 굴절 주파수 영역 상에서의 주파수 해상도가 달라지게 된다.
Figure 112009043302825-PAT00004
위 식에서 α,β는 IIR 필터의 계수,
Figure 112009043302825-PAT00005
는 도 3과 같은 구조를 갖는 1차 전역통과필터(all-pass filter)이고, 하기 수학식 2와 같은 전달함수로 주어진다.
Figure 112009043302825-PAT00006
상기 수학식 2에서
Figure 112009043302825-PAT00007
는
Figure 112009043302825-PAT00008
의 범위를 가지는 주파수 사상(mapping) 매개변수이다. 수학식 1과 수학식 2로 주어지는 2차 굴절 IIR 필터의 주파수 특성은 매개변수(
Figure 112009043302825-PAT00009
)에 의해 좌우되는데, 이를 도 4에 예시하였다. 한편,
Figure 112009043302825-PAT00010
가 0일 경 우에는
Figure 112009043302825-PAT00011
가 되기 때문에 일반적인 선형 2차 IIR 필터 구조와 동일해진다.
본 발명에 따른 하울링 신호 제거 시스템에서는 도 1의 2차 굴절 IIR 필터 구조를 이용하여 비선형적인 주파수 해상도를 갖는 2차 적응 IIR 노치 필터를 구현한다.
도 5는 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터의 순환 뱅크를 이용한 단일 채널에서의 하울링 신호 제거 시스템을 나타내는 개략 블록도로서, 하울링 신호 검출부(20)와 하울링 신호 제거부(30)로 크게 나뉜다.
상기 하울링 신호 검출부(20)와 하울링 신호 제거부(30)의 전단에는 마이크로폰(11)이 아날로그/디지털 변환기(ADC; 13)를 통하여 연결되어 있고, 하울링 신호 제거부(30)의 후단에는 디지털/아날로그 변환기(DAC; 17)를 통하여 스피커(19)가 연결되어 있다. 아날로그/디지털 변환기(ADC; 13)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 역할을 하며, 디지털/아날로그 변환기(DAC; 17)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 역할을 한다.
상기한 도 5에서 스피커(19)에서 출력되는 출력신호가 되먹임 현상에 의해 하울링 신호(u(n))로서 마이크로폰(11)에 피드백이 이루어지면서 사용자의 입력신호(s(n))와 함께 마이크로폰(11)으로 함께 입력된다.
본 발명의 하울링 신호 제거 시스템은 아날로그/디지털 변환기(ADC; 13)에 의해 하울링 신호(u(n))와 함께 입력되는 입력신호(s(n))를 디지털 신호로 변환한 후 변환된 디지털 신호에 기초하여 이러한 하울링 신호(u(n))를 검출하여 제거하는 역할을 한다.
상기 하울링 신호 검출부(20)에서는 특정 대역을 통과한 입력 신호에 대해 발생한 하울링 신호(u(n))의 주파수를 검출하고, 하울링 신호(u(n))의 주파수에 해당하는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(ANF: 25)의 계수를 하울링 신호 제거부(30)의 다수의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)의 계수에 적용한 뒤 마이크로폰 입력 신호를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 통과시킴으로써 하울링 신호의 주파수에 해당하는 대역 일부를 제거한다. 몇 개의 하울링 신호(u(n))가 검출되면 하울링 신호가 없는 상황에서도 노치 필터링을 계속 수행하게 되므로 음색의 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 현상을 최소한으로 줄이기 위하여 에코가 심한 환경에서는 노치 필터(31a-31n)의 밴드 폭을 4 KHz에서 1/7 옥타브 이하로 제한한다.
도 6은 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터의 순환 뱅크를 이용한 스테레오 채널에서의 하울링 신호 제거 시스템을 나타내는 개략 블록도이다.
도 6에서 도 5와 동일한 소자에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 이에 대한 설명은 생략한다.
도 6에서 부재번호 11a 및 11b는 우 및 좌 마이크로폰, 13은 아날로그/디지털 변환기(ADC), 17은 디지털/아날로그 변환기(DAC), 19는 스피커이다. 또한, 부재번호 15는 스피커(19)에서 출력되는 출력신호 중 일부가 하울링 현상에 의해 발생된 우/좌 하울링 신호(ur(n),ul(n))가 각각 우 및 좌 마이크로폰(11a,11b)을 통하여 우/좌 입력신호(sr(n),sl(n))와 함께 입력된 후 아날로그/디지털 변환기(ADC; 13)를 거치면서 디지털 신호로 변환된 두 채널의 디지털 입력 신호를 단일 채널 신호로 변환하는 디지털 믹서(15)를 가리킨다.
도 6과 같이 두개의 채널을 사용하는 스테레오 시스템의 경우 각각의 채널에 대하여 하울링 신호 검출부와 하울링 신호 제거부가 독립적으로 동작하도록 설계되면 연산량이 많아진다. 따라서, 본 발명에서는 연산량을 줄이기 위해서 하울링 신호 검출부(20)의 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25) 하나만 동작시켜 그 계수 값들을 구하고, 하울링 신호 검출부(20)를 통하여 검출된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수들은 두 채널의 하울링 신호 제거부(30a,30b), 즉 우채널 및 좌채널 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n,33a-33n)의 계수로 사용되도록 구성된다.
이를 위해 하울링 신호 검출부(20)의 입력 신호는 디지털 믹서(15)를 이용하여 두 채널의 입력 신호를 단일 채널 신호로 변환하여 처리한다.
이하에 상기한 도 5 및 도 6에 도시된 하울링 신호 제거 시스템의 각 구성소자에 대하여 설명한다.
1.1 하울링 신호 검출부
하울링 신호 검출부(20)는 크게 대역 통과 필터(BPF; band pass filter)(21), 포락선 추정기(ENV; envelop estimator)(23) 및 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(ANF; adaptive notch filter)(25)를 포함하고 있다.
상기 대역 통과 필터(BPF; 21)는 2차의 IIR 필터를 이용하여 구현되며 하울링 현상이 빈번히 발생하는 주파수 대역만을 한정하게 되는데, 특히 2 KHz 이하의 음성 대역에서 하울링 신호가 검출될 경우 음성 신호의 중요한 대역에서 왜곡이 생 길 수 있으므로 대역 통과 필터(BPF; 21)의 주파수 대역은 2 KHz에서 20 KHz로 제한한다.
도 7에 표시된 2차의 굴절 IIR 노치 필터의 구조에서 지연 요소 부분에 대체된
Figure 112009043302825-PAT00012
는 수학식 2와 같은 통과 필터로
Figure 112009043302825-PAT00013
가 0일 때 굴절 주파수 영역과 원시 주파수 영역에서 선형특성을 갖게 되며, 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 전달함수는 다음 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112009043302825-PAT00014
상기 수학식 3에서 ρ는 노치 필터의 대역폭(
Figure 112009043302825-PAT00015
)을 결정하는 상수(수학식 4 참조)이며, α는 노치 필터의 중심 주파수(
Figure 112009043302825-PAT00016
)를 결정하는 계수(수학식 5 참조)이다.
Figure 112009043302825-PAT00017
Figure 112009043302825-PAT00018
여기서,
Figure 112009043302825-PAT00019
는 노치필터의 대역폭,
Figure 112009043302825-PAT00020
는 노치필터의 중심 주파수를 의 미한다. 필터 계수(α)를 갱신하는 방법으로는 최급강하법(steepest descent method) 기반의 알고리즘을 적용하며, 하기 수학식 6에 그 계산 방법을 표시하였다.
Figure 112009043302825-PAT00021
여기서,
Figure 112009043302825-PAT00022
은 n번째 입력신호이고
Figure 112009043302825-PAT00023
은 n번째 출력신호, μ는 수렴속도를 결정하는 상수, ρ는 노치 필터의 대역폭을 결정하는 상수이다.
도 8은 수학식 6의 전달 함수를 갖는 2차 굴절 IIR 노치 필터의 극점-영점 다이어그램(pole-zero diagram)을 표시한 것이다.
도 8에서 볼 수 있듯이, 영점은 단위 원(unit circle)상에 위치하고, 극점은 영점과 같은 주파수의 안쪽에 위치한다. 이것은 분자와 분모가
Figure 112009043302825-PAT00024
와
Figure 112009043302825-PAT00025
의 형태를 갖기 때문이며, 이와 같은 제한 관계로 인해 가장 적은 파라미터를 갖는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터가 된다. 그리고 ρ값이 1에 가까운 값이므로, 분자와 분모 모두 대칭적인 형태가 된다. 따라서 위의 2차 굴절 IIR 노치 필터는 선형 위상에 매우 근접한 위상 응답을 보인다.
본 발명에서는 하울링 신호가 존재할 때, 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수(α)는 비교적 일정한 값을 유지하고, 하울링 신호가 존재하지 않을 때 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수(α)는 임의의 값으로 변화가 심하다는 통계적 특성을 이용하여 하울링 신호의 유무를 추정한다. 즉, 다음과 같이 계수(α)의 이 산 분산(
Figure 112009043302825-PAT00026
)를 계산하여 실험적 임계치와 비교함으로써 하울링 신호의 존재 여부를 결정한다.
Figure 112009043302825-PAT00027
여기서
Figure 112009043302825-PAT00028
는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수이며, L은 이산 상수, I는 사용된 계수들의 총 갯수,
Figure 112009043302825-PAT00029
는
Figure 112009043302825-PAT00030
의 실험적 임계치이다.
L=1 이면 일반적인 수학적 분산식이 되는데 노치 필터의 계수의 변화량의 추이를 확실하게 보기 위해서 일련된 인접 계수가 아닌 L>1 만큼 떨어진 계수들에 대한 분산을 이용한다.
Figure 112009043302825-PAT00031
는 수학적인 계산이나 이론에서가 아니라 실험에서 얻어진 임계치이며, 정상적인 환경, 에코가 많은 환경 등 많은 조건과 환경속에서 실험을 통하여 얻어진다.
하울링 신호를 검출하기 위한 또 다른 파라미터로서 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수(α)값의 2차 이산 확장 분산(
Figure 112009043302825-PAT00032
: 2nd order Sparse Extended Variance)을 이용한다.
Figure 112009043302825-PAT00033
여기서 L과 M은 실험적인 임의의 상수이며,
Figure 112009043302825-PAT00034
는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수이고, I와 K는 각각 i와 k의 최대치이며,
Figure 112009043302825-PAT00035
는
Figure 112009043302825-PAT00036
의 실험적 임계치이다.
수학식 7에서와 같이 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수에 대한 이산 분산값의 임계치를 실험적으로 결정하다 보면 하울링 신호의 존재 유무를 판단하기 애매한 경우가 종종 발생한다. 이산 분산의 변화량이 너무 심해서 이에 대한 변화량을 다시 한번 계산할 필요가 있는데 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수들에 대한 2차 이산 분산을 수학식 8과 같이 구하면 계수들의 변화량에 대한 추이를 극명하게 파악할 수 있다.
Figure 112009043302825-PAT00037
역시 수학적 계산이 아닌 실험적으로 얻어지는 임계치이다.
한편, 갑자기 큰 소리를 짧게 내거나, 휘파람을 부는 경우 또는 사용자가 마이크로폰을 툭툭 치는 경우, 분산값들의 추이만으로는 하울링 신호의 유무에 대한 오판의 가능성이 있다.
이산 분산(
Figure 112009043302825-PAT00038
)과 2차 이산 확장 분산(
Figure 112009043302825-PAT00039
)을 이용했을 때 음성을 하울링 신호로 잘못 검출하는 경우를 방지하기 위해 기울기 포락선 추정기(23)가 필요하며 수학식 9와 같이 계산된다.
Figure 112009043302825-PAT00040
여기서,
Figure 112009043302825-PAT00041
는 기울기(gradient) 상수이며,
Figure 112009043302825-PAT00042
은 n번째 기울기 포락선 추정치이고,
Figure 112009043302825-PAT00043
은 n번째 입력 샘플의 크기,
Figure 112009043302825-PAT00044
는 실험적 임계치이다.
에코가 심한 환경에서는 수학식 7과 수학식 8을 각각 수학식 10과 수학식 11로 수정하여 사용함으로써 에코가 포함된 하울링 신호의 검출 시간을 단축할 수 있다.
Figure 112009043302825-PAT00045
Figure 112009043302825-PAT00046
지금까지 설명된 임계치 파라메타들을 이용한 하울링 신호 검출부(20)의 하울링 신호 검출 절차를 도 9에 표시하였다.
1.2 하울링 신호 제거부
하울링 신호 제거부(30)는 도 5에 도시된 1채널 오디오 시스템인 경우, 하울링 신호(u(n))가 마이크로폰(11)을 통하여 사용자의 입력신호(s(n))와 함께 입력된 후 아날로그/디지털 변환기(ADC; 13)를 거치면서 디지털 신호로 변환된 1 채널의 디지털 입력 신호가 초단에 입력되는 다수의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(FNF1,FNF2,...,FNFn)(31a-31n)로 이루어지는 순환 필터 뱅크로 구성되며, 하울링 신호 검출부(20)로부터 하울링 신호(u(n))가 검출될 때 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수 값(
Figure 112009043302825-PAT00047
)이 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)의 계수로 업 데이트되어 적용되면서 하울링 신호를 제거하여 출력하는 역할을 한다.
하울링 신호 제거부(30)에서는 하울링 신호 검출부(20)에서 갱신된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수 값(
Figure 112009043302825-PAT00048
)을 다수의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)에 계속해서 업데이트한 후, 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)에 통과시킴으로써 하울링 신호를 제거하게 된다. 하울링 신호 제거부(30)에 사용되는 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)와 동일한 도 7의 구조를 가지며, 그 계수(
Figure 112009043302825-PAT00049
)는 상기 수학식 6으로 표현된다.
도 9 및 도 10은 하울링 신호 검출부에서 다양한 임계치 파라미터들을 이용한 하울링 신호 검출 절차를 나타낸 제어 흐름도이다.
도 9를 참고하면, 대역 통과 필터(21)를 거친 신호의 크기에 대한 포락선 추정치(Eg)를 포락선 추정기(23)에서 기울기 파라미터를 이용하여 계산한 후, 실험적 임계치(
Figure 112009043302825-PAT00050
)와 비교하여(S100), 만약 포락선 추정치(Eg)가 실험적 임계치(
Figure 112009043302825-PAT00051
) 보다 더 큰 경우는 하울링 신호가 포함되지 않은 순수 음성 신호인 것으로 판단하여 하울링 검출신호 설정값(HC_ON)을 “0”으로 설정한다(S105).
그러나, 포락선 추정치(Eg)가 실험적 임계치(
Figure 112009043302825-PAT00052
) 보다 더 작은 경우는 단계(S110)로 진행하여, 수학식 7, 수학식 8, 수학식 10, 수학식 11 중 하나를 사용하여 계산된 파라미터값(SV,
Figure 112009043302825-PAT00053
,ASV,ASEV)들과 이에 대응하는 하나의 실험적 임계치(
Figure 112009043302825-PAT00054
,
Figure 112009043302825-PAT00055
,THASV,THASEV2)를 비교하여(S110), 만약 파라미터값(SV,
Figure 112009043302825-PAT00056
,ASV,ASEV)이 실험적 임계치(
Figure 112009043302825-PAT00057
,
Figure 112009043302825-PAT00058
,THASV,THASEV2) 보다 더 큰 경우, 하울링 신호가 존재하지 않은 것으로 판단하여 하울링 검출신호 설정값(HC_ON)을 “0”으로 설정하고(S115), 그러나 파라미터값이 실험적 임계치 보다 더 작은 경우는 하울링 신호가 존재하는 것으로 판단하여 하울링 검출신호 설정값(HC_ON)을 “1”로 설정한다(S120).
도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 하울링 신호 검출 절차는 먼저, 디지털 입력신호가 대역 통과 필터(BPF; 13)를 통과하면서 하울링 신호(u(n))를 검출하는데 사용되도록 차단 주파수 사이의 신호 성분만 추출한다(S10).
특히, 대역 통과 필터(BPF; 13)의 차단 주파수는 음성의 에너지가 많은 대역을 제외한 대역 통과 필터를 설계하기 위해 적절히 설정되어야 한다.
그 후, 상기 수학식 6으로 표시되는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수(CWANF; Coefficients of Warped Adaptive IIR Notch Filter)를 계산하여 구한다(S20).
이어서, 구해진 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수(CWANF)에 기초하여 수학식 7, 수학식 8, 수학식 10, 수학식 11 중 하나를 사용하여 파라미터값(SV,
Figure 112009043302825-PAT00059
,ASV,ASEV) 중 하나를 구하고, 구해진 파라미터값에 대응하는 실험적 임계치(
Figure 112009043302825-PAT00060
,
Figure 112009043302825-PAT00061
,THASV,THASEV2)를 비교한다(S30). 또한, 포락선 추정 치(Eg)가 실험적 임계치(
Figure 112009043302825-PAT00062
) 보다 더 작은 지를 판단한다. 만약, 작은 경우는 이산 분산(
Figure 112009043302825-PAT00063
)과 2차 이산 확장 분산(
Figure 112009043302825-PAT00064
)을 이용했을 때 음성을 하울링 신호로 잘못 검출하는 경우를 방지할 수 있게 된다.
그 후, 비교결과 만약 파라미터값이 실험적 임계치 보다 더 작은 경우 하울링 신호가 존재하는 것으로 판단한다(S40).
도 11은 도 9의 다양한 임계치 파라미터들을 이용한 하울링 신호 검출 절차에 기초하여 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에서 하울링 신호의 주파수가 검출되어 제거되기까지의 과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 11에서 FNF(Fixed Notch Filter)1,FNF2,...,FNFn는 다수의 고정 2차 굴절 IIR 노치 필터(31a,31b,...,31n)이고, SV(Sparse Variance)는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수에 대한 이산 분산이며,
Figure 112009043302825-PAT00065
(2nd order Sparse Extended Variance)는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수에 대한 2차 이산 확장 분산이고, CWANF(Coefficients of Warped Adaptive IIR Notch Filter)는 수학식 6으로 표시되는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수이다.
상기한 바와 같이, 먼저 수학식 6에 의해 CWANF를 구한 후, CWANF를 이용하여 수학식 7, 수학식 8, 수학식 10, 수학식 11 중 하나에서 계산된 파라미터값들이 대응하는 각각의 실험적 임계치와 비교할 때 작게 되면 이에 의해 하울링 신호가 검출되는 것으로 판단한다(DECISION)(즉, HC_ON=1).
그 후, 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수 값들을 사용하여 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)의 계수로 갱신(UPDATE)한 뒤, 입력 신호를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)에 통과시켜 하울링 신호(u(n))만을 제거하게 된다. 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(31a-31n)는 위에서 언급한 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)와 동일한 구조를 가진다.
2.0 하울링 신호 제거 시스템의 알고리즘 블록도
이하에 도 2를 참고하여 본 발명에 따른 하울링 신호를 검출하고 제거하는 알고리즘의 전체 구성을 상세하게 설명한다.
마이크로폰으로 입력되는 신호는 앰프를 통하여 증폭된 후 스피커로 출력되며 스피커에서 출력된 신호가 다시 마이크로폰으로 입력되면서 하울링(피드백) 현상이 발생하게 된다. 도 6과 같이 두 개의 마이크로폰(11a,11b)으로 입력신호(sr(n),sl(n))가 입력될 때(S200), 입력신호(sr(n),sl(n)) 중에 하울링 신호가 포함되면 짧은 순간에 큰 음량의 신호가 앰프 및 스피커(19)에 전달되어 장비의 손상을 가져오게 된다.
마이크로폰(11a,11b)의 입력 신호를 특정 대역 통과 필터에 통과시켜서(S205), 음성 신호 대역 중 2 KHz 이하의 주파수 성분을 보존하여, 에너지가 많은 중저음 부분의 손실을 최소한으로 감소시킴으로써 사람의 귀에 민감한 주파수 대역의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
대역 통과 필터(21)를 거친 신호의 크기에 대한 포락선을 기울기 파라미터를 이용하여 계산한 후(S210), 실험적 임계치와 비교하여(S215), 하울링 신호가 포함 된 신호인지 순수 음성 신호인 지를 결정한다. 상기한 기울기 포락선을 이용한 판단은, 순간적으로 큰 에너지를 발생시킬 수 있는 파열음이나, 특정 주파수 대역에 에너지가 집중되어 있는 휘파람 소리를 하울링 신호로 오인하게 되는 경우를 방지한다.
대역 통과 필터(21)의 출력 신호로부터 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수를 계산한 후(S220), 이 계수 값들의 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 계산한다(S225). 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 계산함으로써 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수의 변화량을 줄여서, 하울링 신호의 유무를 판별하기 위한 임계치를 실험적으로 쉽게 결정할 수 있다(S230).
만일 에코가 많은 신호의 하울링 현상은 에코가 상대적으로 적은 신호의 하울링 현상보다 검출하기 어렵다. 또한 에코가 많은 신호의 하울링 현상의 특징은 특정 주파수 대역의 하울링 신호를 제거했다 하더라도 그 주위의 주파수 대역에서 하울링 신호가 다시 발생한다. 이를 방지하기 위해서는 하울링 신호를 빨리 검출해서 주변 주파수 대역의 일부를 포함하여 하울링 신호를 제거해야 한다.
이를 실현하기 위해서 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수의 이산 분산(SV)의 평균(ASV)과 2차 이산 확장 분산(SEV2)의 평균(ASEV2)을 계산한 뒤 각각의 실험적 임계치와 비교한다. 또한 수학식 4에서 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)의 대역폭 상수인 ρ=2-5를 사용하여 1차 하울링 신호의 주변 주파수 대역의 일부를 함께 제거한다. 이때 고정 2차 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)의 대역폭이 4 KHz에서 1/7 옥타브이므로 에코가 심한 노래방에서 원음이 많이 손상되어 하울링 제거기를 사용할 수 없는 수준은 아니나 하울링 신호를 많이 제거하게 되면 음성의 중요한 대역이 많이 없어지게 되므로 음색이 변화하게 된다.
하울링 신호가 검출되면 2 차 적응 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)의 계수를 저장하고(S235), 저장된 계수를 순환 형태의 고정 2차 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)에 적용하여(S240), 하울링 신호를 제거하게 된다. 이때 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)의 대역폭(BW)을 결정하는 ρ값은 2-5, 2-6, 2-7이며, 이 ρ값들을 사용했을 때 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)의 대역폭이 4 KHz에서 각각 1/7 옥타브, 1/13 옥타브, 1/26 옥타브이다.
일단 하울링 신호가 검출되면, 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(25)의 계수 값들이 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)에 갱신되어 계속 사용되면서 다수의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)로 구성된 순환 필터 뱅크가 모두 차게 되면 첫 번째 필터 뱅크 또는 사용자가 지정한 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터 뱅크부터 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터 계수 값들을 새로 업데이트하게 된다. 하울링 신호가 제거된 신호는 도 12에 도시된 바와 같이 예를 들어, ARM-920T와 같은 마이크로프로세서(CPU)(1204)에서 Philips UDA1341TS와 같은 CODEC(1202)으로 전달되어 CODEC(1202)의 출력단을 통하여 아날로그 신호로 변환된 뒤 출력된다(S245).
3.0 실시간 처리를 위한 하드웨어
도 12는 도 11을 구현한 프로그램을 실시간으로 동작시키기 위한 하드웨어 보드에 대한 블록도이다.
본 발명에서는 상기한 도 2에 도시된 하울링 신호 검출 및 제거 알고리즘을 실행하기 위한 신호처리용 마이크로프로세서(CPU)(1204)로서 ARM-920T를 사용하고, 스테레오 CODEC(1202)으로서 Philips UDA1341TS를 사용하여 실시간 하울링 처리 보드를 구현하였다.
2개의 마이크로폰(11a,11b)으로부터 들어오는 입력 신호(sr(n),sl(n))는 컷오프 주파수 17 KHz의 1차 저역통과필터(LPF: low pass filter) 회로를 포함한 프리앰프(1201)에서 증폭되어, UDA1341TS 스테레오 코덱(1202)에서 44.1KHz의 샘플링 주파수에 의해 디지털 값으로 변환된다.
그 후, 상기 2.0장에서 제시한 알고리즘을 정수 연산만으로 시뮬레이션하여, C 언어와 ARM-920T로 이루어진 마이크로프로세서(CPU)(1204)의 어셈블리 언어로 구현된 프로그램이 최적화된 후 마이크로프로세서(CPU)(1204)에서 동작함으로써 하울링 신호를 실시간으로 검출하고 제거한다.
또한, 한번 발생한 특정 주파수 대역의 하울링 신호는 재발생하지 않도록 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)의 계수들을 자동 저장할 수 있는 EEPROM(1209)을 사용하여 실제 사용자가 장비의 전원을 켰을 때 버튼을 조작하지 않아도 최상의 성능을 유지할 수 있도록 사용자 편의성 위주의 하드웨어를 설계하였다.
에코나 잔향이 많은 환경에서는 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(30a,30b)의 대 역폭을 넓게 해야 하는 등 사용자의 환경에 따라 기능을 세밀히 변경할 수 있도록 외부에 버튼(1203)을 제공하였다. PC 또는 다른 장비에 연결하여 데이터를 주고받을 수 있도록 USB/RS232로 구현되는 데이터 통신용 연결장치(1205)를 구비하며, 프로그램을 탑재하고 변경하기 쉽게 플래쉬 메모리(1206)를 사용하였다.
소프트웨어의 저작권 보호를 위하여 복제 방지용 보안칩(1207)을 장착하였으며, 사용자가 장비의 사용 상태 및 제어를 쉽게 하기 위하여 전면 패널부(1208)에 그림상으로 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터의 사용 상태 및 버튼 사용을 지시하는 LED를 장착하였다.
하울링 신호를 제거하기 위한 알고리즘과 실시간 처리를 위한 하드웨어에 대한 상기 설명은 예시 및 설명을 위해 제시되었다. 수학식이나 도면의 정확한 형태로 본 발명을 총망라하거나 한정하려는 것은 아니다. 상기 내용을 응용하여 많은 변경들과 변형들이 가능할 수 있고, 일부 수학식이나 실시 예들을 임의로 조합하여 사용할 수도 있다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명이나 도면, 또는 수학식에 의해서가 아니라 여기에 첨부된 청구항들에 의해 한정되어야 한다.
본 발명은 스피커와 마이크로폰이 함께 사용되는 환경에서 필연적으로 발생하는 하울링 신호를 매우 짧은 시간 내에 검출하고 제거함으로써 장비의 손실을 막고, 청중들의 불쾌감을 방지하기 위한 실시간 하울링 신호 제거에 적용된다.
도 1은 2차 굴절 IIR 필터의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로폰 입력 신호에서 하울링 신호를 검출한 후 제거하기 위한 예시적 프로그램을 나타내는 시스템 도면이다.
도 3은 1차 전역통과필터의 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 2차 굴절 IIR 필터의 굴절 주파수 영역과 원시 주파수 영역과의 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터의 순환 뱅크를 이용한 단일 채널에서의 하울링 신호 제거 시스템의 개략 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터의 순환 뱅크를 이용한 스테레오 채널에서의 하울링 신호 제거 시스템의 개략 블록도이다.
도 7은 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 구조를 도시하는 도면이다.
도 8은 2차 굴절 IIR 노치 필터의 극점과 영점을 나타내는 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 하울링 신호를 검출하는 과정에 대한 제어 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 하울링 신호를 검출하는 과정에 대한 블록도를 도시하는 도면이다.
도 11은 하울링 신호를 검출하고 제거하는 알고리즘을 설명한 블록도를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 2에 설명된 예시적 프로그램 모듈들을 실시간 처리하기 위한 하드웨어 보드의 블록도를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11,11a,11b: 마이크로폰 13: ADC
15: 디지털 믹서 17: DAC
19: 스피커 20: 하울링 신호 검출부
21: BPF 23: 포락선 추정기(ENV)
25: 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터(ANF)
30: 하울링 신호 제거부
31a-31n,33a-33n: 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터(FNF)
2101: 프리엠프 2102: CODEC
2103: 버튼 2104: CPU
2105: 연결장치 2106: 플레쉬 메모리
2107: 보안칩 2108: 전면패널부
2109: EEPROM

Claims (17)

  1. 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링 또는 피드백 신호를 검출하고 제거하는 실시간 하울링 신호 제거방법에 있어서,
    2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수 값들의 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 구한 후 각각의 실험적 임계치와 비교하여 입력신호에 하울링 신호가 포함되어 있는 지를 판단하는 단계와,
    상기 판단결과 하울링 신호가 포함되어 있는 것으로 판단되면, 상기 계산된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후, 상기 입력 신호를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 통과시켜 하울링 신호를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
  2. 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링 또는 피드백 신호를 검출하고 제거하는 실시간 하울링 신호 제거방법에 있어서,
    2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수 값들의 이산 분산의 평균과 이산 확장 분산의 평균을 구한 후 각각의 실험적 임계치와 비교하여 입력신호에 하울링 신호가 포함되어 있는 지를 판단하는 단계와,
    상기 판단결과 하울링 신호가 포함되어 있는 것으로 판단되면, 상기 계산된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후, 상기 입력 신호를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 통과시켜 하울링 신호를 제 거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 전달함수(H(z))는 하기 수학식으로 표현되며,
    Figure 112009043302825-PAT00066
    상기 수학식에서 ρ는 노치 필터의 대역폭(
    Figure 112009043302825-PAT00067
    )을 결정하는 상수로서, 대역폭(
    Figure 112009043302825-PAT00068
    )은
    Figure 112009043302825-PAT00069
    로 표현되고,
    α는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 중심 주파수(
    Figure 112009043302825-PAT00070
    )를 결정하는 계수로서 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
    Figure 112009043302825-PAT00071
    여기서,
    Figure 112009043302825-PAT00072
    은 n번째 입력신호,
    Figure 112009043302825-PAT00073
    은 n번째 출력신호, μ는 수렴속도를 결정하는 상수, ρ는 노치 필터의 대역폭을 결정하는 상수이고,
    Figure 112009043302825-PAT00074
    는
    Figure 112009043302825-PAT00075
    로 표현되는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 중심 주파수임.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수(α)를 이용하여 하기 수학식으로 표현되는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수의 이산 분산(
    Figure 112009043302825-PAT00076
    ) 및 2차 이산 확장 분산(
    Figure 112009043302825-PAT00077
    )을 계산하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
    Figure 112009043302825-PAT00078
    여기서,
    Figure 112009043302825-PAT00079
    는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수이며, L은 이산 상수, I는 사용된 계수들의 총 개수이고,
    Figure 112009043302825-PAT00080
    여기서 L과 M은 실험적인 임의의 상수이며,
    Figure 112009043302825-PAT00081
    는 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수이고, I와 K는 각각 i와 k의 최대치임.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하울링 신호가 포함된 신호인지 또는 순수한 음성 신호인 지를 구분하도록 입력 신호의 크기에 대한 기울기 포락선을 추정하여 실험적 임계치와 비교함으로써 하울링 신호를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 입력 신호의 크기에 대한 기울기 포락선 추정치(
    Figure 112009043302825-PAT00082
    )는 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
    Figure 112009043302825-PAT00083
    여기서,
    Figure 112009043302825-PAT00084
    는 기울기(gradient) 상수이며,
    Figure 112009043302825-PAT00085
    은 n번째 기울기 포락선 추정치이고,
    Figure 112009043302825-PAT00086
    은 n번째 입력 샘플의 크기임.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입력 신호 중 하울링 현상이 빈번히 발생하는 주파수 대역만을 한정하도록 대역 통과 필터를 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수는 하울링 신호가 존재할 때 일정한 값을 유지하고, 하울링 신호가 존재하지 않을 때 임의의 값을 갖는 것을 이용하여 이산 분산과 2차 이산 확장 분산이 각각의 실험적 임계치보다 작은 경우 하울링 신호가 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
  9. 두 개의 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링 또는 피드백 신호를 검출하고 제거하는 2채널 실시간 하울링 신호 제거방법에 있어서,
    두 개의 마이크로폰을 통하여 입력되는 2채널 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계와,
    상기 디지털 신호로 변환된 2채널 입력 신호를 단일 채널 신호로 변환하는 단계와,
    상기 단일 채널로 변환된 입력 신호 중 하울링 현상이 빈번히 발생하는 주파수 대역만을 한정하도록 대역 통과 필터를 통과시키는 단계와,
    상기 하울링 신호가 포함된 신호인지 또는 순수한 음성 신호인 지를 구분하도록 입력 신호의 크기에 대한 기울기 포락선을 추정하여 실험적 임계치와 비교함으로써 하울링 신호를 검출하는 단계와,
    2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수 값들의 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 구한 후 각각의 실험적 임계치와 비교하여 입력신호에 하울링 신호가 포함되어 있는 지를 판단하는 단계와,
    상기 판단결과 하울링 신호가 포함되어 있는 것으로 판단되면, 상기 계산된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 2채널의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후, 상기 입력 신호를 2채널의 다수의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 순환의 형태로 통과시켜 하울링 신호를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거방법.
  10. 마이크로폰과 스피커 간에 발생하는 하울링 또는 피드백 신호를 검출하고 제거하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템에 있어서,
    상기 마이크로폰을 통하여 입력되는 입력 신호로부터 음성의 에너지가 많은 대역을 제외하도록 설정되는 2개의 차단 주파수 사이의 신호 성분만을 추출하기 위 한 대역 통과 필터와,
    2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수 값들의 이산 분산과 2차 이산 확장 분산을 구한 후 각각의 실험적 임계치와 비교하여 입력신호에 하울링 신호가 포함되어 있는 지를 판단하는 하울링 신호 검출부와,
    상기 하울링 신호 검출부의 판단결과 하울링 신호가 포함되어 있는 경우, 상기 계산된 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용시킨 후, 마이크로폰 입력 신호로부터 하울링 신호를 제거하는 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터를 구비한 하울링 신호 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 입력 신호의 크기에 대한 기울기 포락선을 추정하기 위한 포락선 추정기와,
    상기 입력 신호의 크기에 대한 기울기 포락선을 실험적 임계치와 비교하여 하울링 신호가 포함된 신호인지 또는 순수한 음성 신호인 지를 구분하기 위한 비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 입력 신호에 포함된 에코 성분의 양에 따라 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터의 대역폭을 가변시키면서 입력 신호를 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 통과시킴으로써 입력 신호의 왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터 전체를 차례로 각 필터의 계수를 갱신하는 완전 순환 형태와, 사용되는 필터의 일부를 고정시키고 나머지 필터의 계수만을 갱신하는 일부 순환 형태로 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터 뱅크를 구성하여, 연속적으로 발생하는 하울링 신호를 효과적으로 제거하고, 재발생을 원천적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 에코 성분이 많이 포함된 입력 신호내의 하울링 신호를 최단시간 내에 효과적으로 검출함과 동시에 하울링 신호와 목적 신호가 동시에 존재하는 경우 하울링 신호를 검출하기 위하여, 이산 분산의 평균과 이산 확장 분산의 평균을 계산함으로써 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터 계수의 변화량의 임계치를 실험적으로 쉽게 구하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 실시간 하울링 신호 제거 시스템은
    두 개의 마이크로폰을 통하여 입력되는 2채널 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기와,
    상기 디지털 신호로 변환된 2채널 입력 신호를 단일 채널 신호로 변환하는 디지털 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 상기 대역 통과 필터와, 하울링 신호 검출부와, 하울링 신 호 제거부의 기능은 신호처리장치의 디지털 신호처리 알고리즘으로 구현되는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
  17. 두 채널 하울링 신호 제거 시스템으로서,
    연산량을 줄일 수 있도록 하나의 하울링 신호 검출부에서 생성한 2차 적응 굴절 IIR 노치 필터의 계수를 두 채널의 2차 고정 굴절 IIR 노치 필터에 적용하는 것을 특징으로 하는 실시간 하울링 신호 제거 시스템.
KR1020090064894A 2009-07-16 2009-07-16 실시간 하울링 신호 제거 방법 KR101090865B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090064894A KR101090865B1 (ko) 2009-07-16 2009-07-16 실시간 하울링 신호 제거 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090064894A KR101090865B1 (ko) 2009-07-16 2009-07-16 실시간 하울링 신호 제거 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110007394A true KR20110007394A (ko) 2011-01-24
KR101090865B1 KR101090865B1 (ko) 2011-12-08

Family

ID=43613851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090064894A KR101090865B1 (ko) 2009-07-16 2009-07-16 실시간 하울링 신호 제거 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101090865B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101478177B1 (ko) * 2014-05-21 2015-01-02 주식회사 에스엔디테크 방범용 cctv에서 발생하는 하울링 제거 방법 및 그 장치
CN113470677A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 苏州科达科技股份有限公司 音频处理方法、装置以及系统
CN113473304A (zh) * 2021-08-17 2021-10-01 北京小米移动软件有限公司 啸叫声抑制方法、装置、耳机及存储介质
WO2024078028A1 (zh) * 2022-10-10 2024-04-18 恒玄科技(上海)股份有限公司 一种用于anc/psap系统的啸叫抑制系统、方法和存储介质

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100678770B1 (ko) 2005-08-24 2007-02-02 한양대학교 산학협력단 궤환 신호 제거 기능을 구비한 보청기
JP4743018B2 (ja) 2006-06-23 2011-08-10 ヤマハ株式会社 ハウリング除去装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101478177B1 (ko) * 2014-05-21 2015-01-02 주식회사 에스엔디테크 방범용 cctv에서 발생하는 하울링 제거 방법 및 그 장치
CN113470677A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 苏州科达科技股份有限公司 音频处理方法、装置以及系统
CN113473304A (zh) * 2021-08-17 2021-10-01 北京小米移动软件有限公司 啸叫声抑制方法、装置、耳机及存储介质
CN113473304B (zh) * 2021-08-17 2024-01-23 北京小米移动软件有限公司 啸叫声抑制方法、装置、耳机及存储介质
WO2024078028A1 (zh) * 2022-10-10 2024-04-18 恒玄科技(上海)股份有限公司 一种用于anc/psap系统的啸叫抑制系统、方法和存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
KR101090865B1 (ko) 2011-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9881635B2 (en) Method and system for scaling ducking of speech-relevant channels in multi-channel audio
US7664275B2 (en) Acoustic feedback cancellation system
CN106664473B (zh) 信息处理装置、信息处理方法和程序
EP3439325A1 (en) Automatically tuning an audio compressor to prevent distortion
JP3279372B2 (ja) ノイズ減衰システム
US5757937A (en) Acoustic noise suppressor
US9196258B2 (en) Spectral shaping for speech intelligibility enhancement
EP1742509B1 (en) A system and method for eliminating feedback and noise in a hearing device
US8265295B2 (en) Method and apparatus for identifying feedback in a circuit
US20060115095A1 (en) Reverberation estimation and suppression system
KR101624652B1 (ko) 잡음 환경의 입력신호로부터 잡음을 제거하는 방법 및 그 장치, 잡음 환경에서 음성 신호를 강화하는 방법 및 그 장치
JPH07143034A (ja) ハウリング抑制装置
JP2010505283A (ja) 風雑音を検出するための方法およびシステム
JP2018156044A (ja) 音声認識装置、音声認識方法及び音声認識プログラム
JP2004507141A (ja) 音声強調システム
EP2700161B1 (en) Processing audio signals
US20120148056A1 (en) Method to reduce artifacts in algorithms with fast-varying gain
WO1999021396A1 (fr) Dispositif servant a eliminer le sifflement
KR101090865B1 (ko) 실시간 하울링 신호 제거 방법
KR102040986B1 (ko) 두 개의 마이크로폰을 포함하는 휴대단말에서의 잡음제거방법 및 장치
US11373669B2 (en) Acoustic processing method and acoustic device
JPH11265199A (ja) 送話器
JP2008072600A (ja) 音響信号処理装置、音響信号処理プログラム、音響信号処理方法
US8243953B2 (en) Method and apparatus for identifying a feedback frequency in a signal
JP2011135485A (ja) ハウリング抑制装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee