KR20110035344A - Ｓｔｆｄ용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 STFD에서 헤드셋을 통해 입력되는 음질을 개선하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템에 관한 것으로, 입력된 저주파 샘플링 데이터를 이용하여 LP(Linear Prediction) 잔여신호를 계산하여 구하고, 구해진 LP 잔여신호를 스펙트럼 폴딩한 후 고주파 대역의 신호로 변환하는 LP 분석부와, 상기 LP 분석부를 구해진 저주파 대역의 포락선 정보로부터 고주파 대역의 포락선에 대한 LP 계수를 추정하는 고주파포락선추정부와, 상기 고주파포락선추정부를 통해 획득된 LP 계수로 LP 분석부를 통해 입력된 LP 잔여신호를 합성하여 스펙트럼 폴딩된 고주파 대역의 신호를 획득하고, 획득된 고주파 대역의 신호를 스펙트럼 폴딩을 적용해 고주파 대역의 신호를 생성하는 고주파합성부, 및 외부로부터 입력된 저주파 대역의 신호와 상기 고주파합성부를 통해 입력된 고주파 대역의 신호를 가산하여 주파수 대역이 확장된 음성신호를 출력하는 가산부를 포함한다.
Figure P1020090093014
STFD, 헤드셋, 음성, 저주파, 고주파, 포락선, 잔여신호, 스펙트럼 폴딩

Description

ＳＴＦＤ용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템{SYSTEM FOR IMPROVING SOUND QUALITY IN STFD TYPE HEADSET}
본 발명은 STFD(Single Transducer Full Duplex)에서 헤드셋을 통해 입력되는 음질을 개선하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템에 관한 것이다.
기존의 Single Transducer Full Duplex(이하, 'STFD'라 함) 기술은 성대가 진동할 경우에 발생하는 고막과 뼈의 미세한 진동을 헤드셋의 진동판으로 감지한 후 감지된 신호를 수백 배로 증폭시켜 음성을 전달한다. 즉, STFD 기술은 헤드셋이 음성의 입출력을 모두 담당할 수 있도록 하는 기술이다.
만일, 상기 STFD 기술이 탑재된 헤드셋을 휴대폰에서 사용할 경우, 헤드셋을 통해 음악을 듣고 있다가 전화가 오면 별도의 마이크없이 헤드셋으로 전화 통화가 가능하게 된다.
이와 같이 STFD 기술로 입력된 신호의 경우, 그 음파전송 채널상의 특징으로 인하여 8kHz로 샘플링되었음에도 불구하고 대략 2kHz 이상의 고주파 성분에서 열악 한 음질을 제공함에 따라 음성 인지에 많은 어려움이 있었다.
또한, STFD 기술을 사용한 헤드셋의 입력 신호는 기존의 헤드셋의 입력 신호와는 달리 체내의 유스타키오관(Eustachian tube)을 그 음성전달 채널로 사용함에 따라 심한 주파수 왜곡이 있었다.
본 발명은 STFD(Single Transducer Full Duplex)의 음파경로 채널에 의한 왜곡을 상대적으로 왜곡이 적은 저주파 성분의 특성을 통하여 고주파 성분을 예측, 보정하여 향상된 음질을 제공할 수 있는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템은, 입력된 저주파 샘플링 데이터를 이용하여 LP(Linear Prediction) 잔여신호를 계산하여 구하고, 구해진 LP 잔여신호를 스펙트럼 폴딩한 후 고주파 대역의 신호로 변환하는 LP 분석부; 상기 LP 분석부를 구해진 저주파 대역의 포락선 정보로부터 고주파 대역의 포락선에 대한 LP 계수를 추정하는 고주파포락선추정부; 상기 고주파포락선추정부를 통해 획득된 LP 계수로 LP 분석부를 통해 입력된 LP 잔여신호를 합성하여 스펙트럼 폴딩된 고주파 대역의 신호를 획득하고, 획득된 고주파 대역의 신호를 스펙트럼 폴딩을 적용해 고주파 대역의 신호를 생성하는 고주파합성부; 및 외부로부터 입력된 저주파 대역의 신호와 상기 고주파합성부를 통해 입력된 고주파 대역의 신호를 가산하여 주파수 대역이 확장된 음성신호를 출력하는 가산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 음질 개선 시스템은, 입력된 저주파 음성신호를 프레임 단위로 다운 샘플링하여 저주파 샘플링 데이터를 획득한 후 LP 분석부로 출력하는 다운샘플러; 및 상기 다운샘플러를 통해 입력된 저주파 대역의 신호를 업샘플링하여 차단주파수까지의 저주파 대역의 신호를 획득한 후 저주파 대역의 신호를 가산부로 출력하는 업샘플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 LP 분석부는 입력된 저주파 샘플링 데이터와 이전 저주파 샘플링 데이터를 이용하여 LP 잔여신호(Residual)와 LP 계수를 계산하여 구하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 STFD 기술을 사용하는 헤드셋에서 고주파 대역의 음질을 보다 향상시켜 우수한 성능의 응용 기술을 구현할 수 있는 이 점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 STFD용 헤드셋의 음질 개선 시스템을 도시한 도면으로서, STFD용 헤드셋(100)은 로우패스필터(110)와 다운샘플러(120), LP 분석부(130), 고주파포락선추정부(140), 고주파합성부(150), 업샘플러(160) 및 가산부(170)를 포함하여 이루어져 있다.
로우패스필터(110)는 입력된 음성신호 중 고주파 성분의 신호는 차단하고 유효한 저주파 성분의 신호를 통과시킨다. 상기 로우패스필터(110)는 고주파 성분과 저주파 성분의 경계인 차단주파수(Cutoff Frequency)를 대략 1.5kHz에서 2.5kHz 범위 내에서 설정될 수 있지만 STFD(Single Transducer Full Duplex)의 성능에 따라 변경될 수 있다. 즉, 음성신호의 주파수대역은 대략 4kHz 정도인데, STFD의 성능이 향상되면 고주파 성분의 신호 품질도 향상되어 유효 주파수대역이 늘어나므로 차단주파수를 높일 수 있다.
다운샘플러(120)는 상기 로우패스필터(110)를 통해 입력된 저주파 대역의 신호를 프레임 단위로 다운 샘플링하여 저주파 샘플링 데이터(
Figure 112009060233412-PAT00001
)을 획득한다.
LP(Linear Prediction) 분석부(130)는 상기 다운샘플러(120)를 통해 입력된 저주파 샘플링 데이터와 이전 저주파 샘플링 데이터를 이용하여 LP 계수(Coefficient)와 LP 잔여신호(Residual)를 계산하여 구하고, 구해진 LP 잔여신호에 스펙트럼 폴딩을 적용하여 폴딩된 잔여신호를 얻은 후 다운 샘플링을 통해 고주파 대역의 대역폭을 가지는 신호로 변환한다. 상기에서 LP 잔여신호를 구한다는 것은 저주파 샘플링 데이터에서 포락선을 걷어낸다는 의미이다.
고주파포락선추정부(140)는 상기 LP 분석부(130)를 구해진 LP 계수 또는 다른 종류의 저주파 대역의 포락선 정보로부터 고주파 대역의 포락선에 대한 LP 계수를 추정한다. 상기에서 고주파 포락선을 추정하는 방법은 다양하게 있을 수 있는 데, 예를 들어 코드북 맵핑(Codebook Mapping) 방식이나 가우시안 믹싱 모델(Gaussian Mixture Model)을 통한 MMSE(minimum mean square estimation) 또는 Hidden Markov Model과 같은 방식이 있다.
상기에서 코드북 맵핑 방식의 경우 트레이닝(training)을 통해 각종 저주파 대역의 포락선 정보에 맵핑되는 고주파 대역의 포락선 정보를 메모리(145)에 미리 저장해 놓는다.
고주파합성부(150)는 고주파포락선추정부(140)를 통해 획득된 LP 계수로 LP 분석부(130)를 통해 입력된 LP 잔여신호를 합성하여 스펙트럼 폴딩된 고주파 대역의 신호를 획득하고, 획득된 고주파 대역의 신호를 업샘플링과 스펙트럼 폴딩을 적용해 고주파 대역의 신호를 생성한다.
업샘플러(160)는 상기 다운샘플러(120)를 통해 입력된 저주파 대역의 신호를 업샘플링하여 차단주파수까지의 저주파 대역의 신호를 얻는다.
가산부(170)는 상기 업샘플러(160)를 통해 입력된 저주파 대역의 신호와 상기 고주파합성부(150)를 통해 입력된 고주파 대역의 신호를 가산하여 주파수대역이 확장된 음성신호를 출력하게 된다.
상기와 같이 음성신호의 저주파 성분으로부터 LP(linear predictive) 분석을 통해 잔여(residual) 신호를 생성하고, 이를 고주파 성분의 잔여신호로서 고주파 대역에 적합한 LP 계수를 추정하여 잔여신호와 고주파 LP 계수를 합성하여 고주파 대역의 신호를 생성한다.
상기와 같이 본 발명은 STFD형 헤드셋에서 주파수 왜곡이 상대적으로 낮은 저주파 성분의 음성신호를 사용하여 왜곡률이 높은 고주파 성분의 음성신호를 추정하고, 추정된 고주파 성분의 음성신호와 저주파 성분의 음성신호를 다시 합성함에 따라 향상된 음질을 확보할 수 있다.
상기와 같이 구성된 음성 개선 시스템의 동작 과정을 도 2의 플로우챠트를 이용하여 살펴보면 아래와 같다.
먼저, STFD로 입력된 신호(x STFD (n))에서 신호대잡음비(SNR)의 측면에서 볼 때, 유효하다고 판단되는 저주파 성분의 경계인 차단주파수를 f cut Hz라고 가정할 경우, 유효한 저주파 성분만 표현되도록 f cut Hz까지 로우패스필터(110)를 통해 통과시킨다(S1). 상기 차단주파수는 예컨대, 1.5kHz 내지 2.5kHz의 범위에서 정해질 수 있다.
상기에서 필터링된 저주파 대역의 신호는 프레임 단위로 다운샘플러(120)로 공급되고, 다운샘플러(120)는 상기 로우패스필터(110)를 통해 입력된 저주파 대역의 신호를 다운 샘플링하여 저주파 샘플링 데이터(
Figure 112009060233412-PAT00002
)을 획득한다(S2). 여기서, 다운 샘플링의 계수를
Figure 112009060233412-PAT00003
라고 할 때, 정수인 P와 Q값은 아래 수학식 1에 의해 결정된다.
Figure 112009060233412-PAT00004
여기서, f cut 는 차단주파수이고, fs는 샘플링주파수이다.
이어, LP(Linear Prediction) 분석부(130)는 상기 다운샘플러(120)를 통해 입력된 저주파 샘플링 데이터(
Figure 112009060233412-PAT00005
)과 이전 저주파 샘플링 데이터를 이용하여 LP(Linear Prediction) 계수를 구하고, 구해진 LP 계수를 이용하여 LP 잔여신호(r(n))를 계산하여 구한다(S3). 여기에서 LP 계수와 LP 잔여신호는 아래 수학식 2에 의해 획득된다.
Figure 112009060233412-PAT00006
여기서, x(n)은 임의의 샘플링 데이터이고, x(n-i)는 이전 샘플링 데이터이고, a i 는 LP 계수이며, r(n)은 LP 잔여신호이다.
상기 수학식 2에서 샘플링 데이터를 이용하여 LP 계수가 구해지면 LP 잔여신호는 자동으로 구해진다.
그리고, LP 분석부(130)는 구해진 LP 잔여신호(r(n))에 스펙트럼 폴딩(Spectral Folding)을 적용하여 주파수 이동된 LP 잔여신호(r fold (n))를 얻는다(S4). 여기서, 스펙트럼 폴딩된 잔여신호(r fold (n))는 아래 수학식 3에 의해 구해진다.
Figure 112009060233412-PAT00007
여기서, n은 임의의 샘플링 데이터이고, r(n)은 LP 잔여신호이다.
상기에서 구해진 스펙트럼 폴딩 잔여신호(r fold (n))는 다시 샘플링 계수인 (Q-P)/P 리샘플링(Re-sampling)을 통해 고주파 대역의 대역폭을 가지는 신호(r fold,re (n))로 변환된다(S5). 여기서, 만일 Q값이 2이고, P값이 1인 경우에는 다운 샘플링이 불필요하다.
이어, 고주파포락선추정부(140)는 상기 LP 분석부(130)에서 얻는 LP 계수 또는 다른 종류의 저주파 대역의 포락선(Envelope) 정보로부터 고주파 대역의 포락선에 대한 LP 계수를 추정한다(S6). 상기에서 고주파 대역의 포락선을 추정하는 방법은 다양하게 있을 수 있는 데, 예를 들어 코드북 맵핑(Codebook Mapping) 방식의 경우 트레이닝(training)을 통해 각종 저주파 대역의 포락선 정보에 맵핑되는 고주 파 대역의 포락선 정보를 메모리(145)에 미리 저장해 놓는다. 따라서, 고주파포락선추정부(140)는 저주파 대역의 포락선 성분과 미리 맵핑된 고주파 대역의 포락선에 대한 LP 계수를 소정의 메모리(145)로부터 추출하게 된다.
이어, 고주파합성부(150)는 고주파포락선추정부(140)를 통해 추정된 고주파 대역의 LP 계수로 LP 분석부(130)로부터 입력된 스펙트럼 폴딩 잔여신호(r fold (n))를 LP 합성 및 필터링하여 스펙트럼 폴딩된 고주파 대역의 신호인 X high,fold (n) 신호를 얻는다(S7).
그리고, 고주파합성부(150)는 스펙트럼 폴딩된 고주파 대역의 신호(X high,fold (n))를 다시 Q/(Q-P) 업샘플링과 스펙트럼 폴딩을 적용해 차단주파수(f cut )부터 1/2 샘플링주파수 대역(fs/2)의 고주파 대역의 신호인 x HB (n)를 만든다(S8).
이어, 업샘플러(160)는 다운샘플러(120)를 통해 입력된 저주파 대역의 신호(
Figure 112009060233412-PAT00008
)를 Q/P 업샘플링하여 출력하고(S9), 가산부(170)는 업샘플러(160)를 통해 얻은 0Hz에서 차단주파수(f cut )까지의 저주파 대역의 신호인 x LB (n)과 고주파합성부(150)를 통해 입력된 차단주파수(f cut )부터 1/2 샘플링주파수(fs/2)까지의 고주파 대역의 신호인 x HB (n)을 각각 입력받아 가산하여 주파수 대역이 확장된 신호인 x EXT (n)을 생성함으로써 STFD 신호의 주파수 대역 확장이 이루어진다(S10).
따라서, 본 발명에서는 STFD를 사용하는 헤드셋에서 음파경로 채널에 의한 고주파 왜곡을 상대적으로 왜곡이 적은 저주파 성분의 특성을 통하여 고주파 성분을 예측, 보정함에 따라 결과적으로 STFD용 헤드셋의 음질을 향상시킬 수 있고, 보다 우수한 성능의 응용 기술을 구현할 수 있다.
상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 STFD용 헤드셋의 음질 개선 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 의한 음질 개선 시스템의 동작 과정을 나타낸 플로우챠트이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: STFD용 헤드셋 110: 로우패스필터
120: 다운샘플러 130: LP 분석부
140: 고주파포락선추정부 150: 고주파합성부
160: 업샘플러 180: 가산부

Claims (10)

  1. 입력된 저주파 샘플링 데이터를 이용하여 LP(Linear Prediction) 잔여신호를 계산하여 구하고, 구해진 LP 잔여신호를 스펙트럼 폴딩한 후 고주파 대역의 신호로 변환하는 LP 분석부;
    상기 LP 분석부를 구해진 저주파 대역의 포락선 정보로부터 고주파 대역의 포락선에 대한 LP 계수를 추정하는 고주파포락선추정부;
    상기 고주파포락선추정부를 통해 획득된 LP 계수로 LP 분석부를 통해 입력된 LP 잔여신호를 합성하여 스펙트럼 폴딩된 고주파 대역의 신호를 획득하고, 획득된 고주파 대역의 신호를 스펙트럼 폴딩을 적용해 고주파 대역의 신호를 생성하는 고주파합성부; 및
    외부로부터 입력된 저주파 대역의 신호와 상기 고주파합성부를 통해 입력된 고주파 대역의 신호를 가산하여 주파수 대역이 확장된 음성신호를 출력하는 가산부;를 포함하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LP 분석부는 입력된 저주파 샘플링 데이터와 이전 저주파 샘플링 데이터를 이용하여 LP 잔여신호(Residual)와 LP 계수를 계산하여 구하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 LP 잔여신호와 상기 LP 계수는 아래 수학식 1에 의해 획득되는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
    수학식 1
    Figure 112009060233412-PAT00009
    단, x(n)은 임의의 샘플링 데이터이고, x(n-i)는 이전 샘플링 데이터이고, a i 는 LP 계수이며, r(n)은 LP 잔여신호임.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 폴딩된 잔여신호(r fold (n))는 아래 수학식 2에 의해 획득되는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
    수학식 2
    Figure 112009060233412-PAT00010
    단, n은 임의의 샘플링 데이터이고, r(n)은 LP 잔여신호임.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파포락선추정부는 저주파 대역의 포락선 성분과 미리 맵핑된 고주파 대역의 포락선에 대한 LP 계수를 소정의 메모리로부터 추출하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파합성부는 획득된 고주파 대역의 신호를 업샘플링과 스펙트럼 폴딩을 적용해 고주파 대역의 신호를 생성하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    입력된 저주파 음성신호를 프레임 단위로 다운 샘플링하여 저주파 샘플링 데이터를 획득한 후 LP 분석부로 출력하는 다운샘플러; 및
    상기 다운샘플러를 통해 입력된 저주파 대역의 신호를 업샘플링하여 차단주파수까지의 저주파 대역의 신호를 획득한 후 저주파 대역의 신호를 가산부로 출력하는 업샘플러;를 포함하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    입력된 음성신호 중 고주파 성분의 신호는 차단하고 유효한 저주파 성분의 신호만 필터링하여 상기 다운샘플러로 공급하는 로우패스필터를 포함하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 로우패스필터의 차단주파수는 1.5kHz 내지 2.5kHz 범위에서 정해지는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가산부는 업샘플러를 통해 입력된 0Hz에서 차단주파수(f cut )까지의 저주파 대역의 신호와 상기 고주파합성부를 통해 입력된 차단주파수(f cut )부터 1/2 샘플링주파수(fs/2)까지의 고주파 대역의 신호를 각각 입력받아 가산하는 STFD용 헤드셋에서의 음질 개선 시스템.
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