KR20110109470A - 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법 - Google Patents

적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동시통화구간에서 반향 제거기의 성능을 개선하고 동시통화가 아닌 구간에서 소모 전력을 줄일 수 있도록 한 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법에 관한 것으로, 그 구성은 원단 화자의 음성 신호와 근단 화자의 음성 신호가 동시에 들어오는 지의 여부를 판단하여 동시통화 구간인지 또는 단일 통화구간인지를 검출하는 동시통화 검출기;동시통화 여부에 따라 서로 다른 필터 계수를 이용하고, 수렴 여부에 따라서 필터 갱신 여부 및 저장을 제어하는 적응 필터;상기 적응 필터의 수렴을 검사하는 수렴검사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법{Acoustic Echo cancellation apparatus and method using convergence of adaptive filter}
본 발명은 음향 반향 제거에 관한 것으로서, 구체적으로 동시통화구간에서 반향 제거기의 성능을 개선하고 동시통화가 아닌 구간에서 소모 전력을 줄일 수 있도록 한 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선통신 환경의 발달에 따라 핸즈프리 전화기의 사용이 늘어나게 되었다.
사용의 편리성 때문에 다양한 곳에서 쓰이지만 자동차와 같은 좁은 공간에서 사용할 시 음향 반향이 일어나 통화품질이 크게 저하된다. 이 때문에 반향 제거 장치를 내장하게 되는데 기기의 경량화, 소형화 등으로 인해 용량이 큰 배터리를 장착 할 수 없게 되었다. 이 때문에 소비전력을 줄이는 것이 더욱 중요해지고 있다.
음향 반향이란 스피커에서 나온 소리가 물체나 벽 등에 반사되어 다시 마이크로 들어가 상대방에게 들리게 되는 현상을 말한다.
반향 경로는 시간 지연과 다른 환경적인 요인에 의해서 변화 될 수 있으나, 여전히 추정된 반향 신호는 원단신호와의 유사성을 가지게 된다. 이러한 특성을 이용하면 음향 반향을 추정하고 제거 할 수 있다.
다시 말하면 추정된 반향 신호는 반향 신호와 유사한 원단 신호를 기준 신호로 이용하여 FIR(finite impulse response) 필터를 통해서 만들어진다.
실시간 시스템을 위한 연산 제한을 고려하여 주로 LMS(least mean square) 방식의 적응 필터 알고리즘이 반향 경로 추정에 이용되고 있다.
또한 LMS의 입력신호의 크기에 영향을 받는 특성을 보완하여 입력신호의 크기로 정규화하는 알고리즘인 NLMS(normalized least mean square) 기반의 적응 필터 알고리즘이 사용되고 있으며 기존의 LMS 보다 더 좋은 성능을 보이고 있다.
근단화자의 음성 신호와 음향 반향 신호가 동시에 마이크의 입력신호에 존재하는 동시통화는 음향 반향 제거기에 있어서 매우 중요한 요소이다.
적응 필터는 원단 화자의 신호와 마이크 신호를 이용하여 샘플 단위로 반향 경로를 추정한다. 그러나 동시통화 구간동안은 근단 화자의 음성으로 인해서 적응 필터가 반향 경로를 추정하지 못하고 발산하게 된다. 따라서 동시통화의 구간 동안은 적응 필터가 동작하지 않으며 추정된 반향경로를 이용하여 반향을 제거한다.
동시통화를 검출하는 알고리즘 중 대표적인 방법으로 마이크 입력 신호의 크기를 검사하는 Geigel 알고리즘과 마이크 입력 신호와 잔여반향 신호의 상호 상관을 이용하는 알고리즘, 그리고 두 가지 방식을 동시에 사용하는 방법 등이 있다.
도 1은 음향 반향의 생성 과정 및 음향 반향 제거기의 기본 개념을 나타낸 것이다.
원단신호
Figure pat00001
가 스피커를 통해서 출력되고, 반향 경로를 통과하여 음향 반향 신호
Figure pat00002
가 된다. 이렇게 생성된 반향신호는 근단 신호
Figure pat00003
와 함께 마이크의 입력 신호로 입력된다.
음향 반향은 원단 화자가 자신의 음성을 지연하여 다시 듣게 되므로 통화의 품질을 상당히 떨어뜨린다. 따라서 통화 중에 이러한 음향 반향은 반드시 제거되어야한다.
동시통화 검출기가 동시통화를 놓칠 경우 짧은 시간이라 하더라도 그 동안 필터가 왜곡되고, 동시통화가 종료될 때까지 고정되므로 동시통화의 정확한 시작점을 찾아내는 것은 반향 제거에서 매우 중요한 요소이다.
일반적으로 복잡한 동시통화 검출 알고리즘이 정확한 시작점을 제공하겠지만, 실시간 시스템을 위해서 그리고 소모전력 측면에서 복잡한 알고리즘을 사용하는 것은 적합하지 않다.
또한 음성 신호는 임펄스 신호와 같이 갑자기 등장하지 않고 음성이 커지는 구간이 존재한다. 다시 말하면 복잡한 알고리즘이 사용된다 하더라도 근단화자의 음성 신호가 커지는 구간을 놓치게 되어 동시통화 구간에서 반향이 잘 제거되지 않는 문제가 있다.
따라서 적응 필터는 반향 제거를 위하여 계속해서 반향 추정과 적응 연산을 수행하는데, 적응 필터가 충분히 수렴한 경우에는 이러한 연산이 불필요하므로 전력이 낭비되는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 음향 반향 제거의 문제를 해결하기 위한 것으로, 동시통화구간에서 반향 제거기의 성능을 개선하고 동시통화가 아닌 구간에서 소모 전력을 줄일 수 있도록 한 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 간단한 동시통화 검출 알고리즘을 사용하고, 동시통화 검출기가 놓치게 되는 동시통화 시간을 고려하여 왜곡 이전의 필터 계수를 이용하여 동시통화 구간에서 반향제거 성능을 향상 시킬 수 있도록 한 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 측정된 ERLE를 바탕으로 적응 필터의 갱신여부를 조절하여 전체 시스템의 불필요한 연산과 소모 전력을 줄일 수 있도록 한 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치는 동시통화 구간에서 음향 반향을 제거하기 위한 장치에 있어서,원단 화자의 음성 신호와 근단 화자의 음성 신호가 동시에 들어오는 지의 여부를 판단하여 동시통화 구간인지 또는 단일 통화구간인지를 검출하는 동시통화 검출기;동시통화 여부에 따라 서로 다른 필터 계수를 이용하고, 수렴 여부에 따라서 필터 갱신 여부 및 저장을 제어하는 적응 필터;상기 적응 필터의 수렴을 검사하는 수렴검사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수렴검사기는,
Figure pat00004
를 이용하여 ERLE(Echo Return Loss Enhancement)를 측정하고 상기 적응 필터의 수렴 여부를 판단하고, 여기서,
Figure pat00005
는 마이크의 입력신호,
Figure pat00006
는
Figure pat00007
에서 적응 필터로부터의 추정반향 신호를 감산한 오차신호,
Figure pat00008
는 수렴 검사기의 문턱값,
Figure pat00009
와
Figure pat00010
는 망각인자들인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 적응 필터는,동시통화 검출일 경우에 미리 저장되어 있는 이전의 필터 계수
Figure pat00011
를 이용하여 반향 신호를 추정하고,동시통화가 아닐 경우에는 적응 필터 계수
Figure pat00012
를 이용하여 반향을 추정을 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 적응 필터는,수렴 검사기의 결과가 수렴일 경우에 주기적으로 이전의 필터 계수
Figure pat00013
를 적응 필터 계수
Figure pat00014
로 갱신하고, 아닐 경우에
Figure pat00015
을 갱신하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 방법은 음성 검출기에서 원단 신호를 입력받아 음성 구간인지를 판단하는 단계;반향 신호와 근단 신호가 동시에 존재하는 동시 통화 구간인지를 판단하는 단계;동시 통화 구간이면 미리 저장되어 있는 이전의 필터 계수
Figure pat00016
를 이용하여 반향 신호를 추정하는 단계;동시통화 구간이 아닐 경우에는 적응 필터 계수
Figure pat00017
를 이용하여 반향을 추정하고, ERLE를 측정하는 단계;상기 측정한 ERLE를 문턱값과 비교하여 문턱값 보다 낮은 경우에는 적응 필터 계수를 갱신하고, 높은 경우에는 갱신을 하지 않고 저장 주기
Figure pat00018
마다 이전 필터계수
Figure pat00019
를 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 ERLE를 측정하는 단계는,
Figure pat00020
를 이용하여 ERLE(Echo Return Loss Enhancement)를 측정하고, 여기서,
Figure pat00021
는 마이크의 입력신호,
Figure pat00022
는
Figure pat00023
에서 적응 필터로부터의 추정반향 신호를 감산한 오차신호,
Figure pat00024
는 수렴 검사기의 문턱값,
Figure pat00025
와
Figure pat00026
는 망각인자들인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 간단한 동시통화 검출 알고리즘을 사용하여 동시통화 구간에서 반향제거 성능을 향상 시킨다.
둘째, 동시통화구간에서 반향 제거기의 성능을 개선하고 동시통화가 아닌 구간에서 소모 전력을 줄일 수 있다.
셋째, 측정된 ERLE를 바탕으로 적응 필터의 갱신여부를 조절하여 전체 시스템의 불필요한 연산을 줄일 수 있다.
도 1은 일반적인 음향 반향 생성 및 제거 개념을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 음향 반향 제거 장치의 상세 구성도
도 3은 본 발명에 따른 음향반향 제거기의 음성신호 처리 과정을 나타낸 플로우차트
이하, 본 발명에 따른 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 음향 반향 제거 장치의 상세 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 음향반향 제거기의 음성신호 처리 과정을 나타낸 플로우차트이다.
본 발명에 따른 음향 반향 제거기는 도 2에서와 같이 음성검출기(10), NLMS 적응 필터(20), 동시통화검출기(30), 수렴검사기(40)로 구성된다.
먼저, 원단신호를 입력으로 받아서 원단 신호의 파워를 측정하고 문턱값 보다 클 경우에 음성구간으로 판단하는 음성검출기(10)와, 원단 화자의 음성 신호와 근단 화자의 음성 신호가 동시에 들어오는 지의 여부를 판단하여 동시통화 구간인지 또는 단일 통화구간인지를 검출하는 동시통화 검출기(30)와, 동시통화 여부에 따라 서로 다른 필터 계수를 이용하고, 수렴 여부에 따라서 필터 갱신 여부 및 저장을 제어하는 NLMS 적응 필터(20)와, 적응 필터의 수렴을 검사하는 수렴검사기(40)를 포함한다.
NLMS 적응 필터(20)는 먼저 수학식 1을 이용하여 추정된 반향를 얻는다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
와
Figure pat00029
는 각각 적응 필터 계수와 원단 신호로 이루어진 N by 1 행렬이다.
마이크 신호에서 추정된 반향신호를 제거한 잔여반향 신호는 수학식 2를 이용하여 계산한다.
Figure pat00030
그리고 계산된 잔여반향 신호는 수학식 3과 같이
Figure pat00031
을 갱신하는데 사용된다.
Figure pat00032
여기서
Figure pat00033
와
Figure pat00034
는 유클리디안 노옴 (Euclidean norm)이고 수렴 상수 (적응 단계의 크기)이다.
Figure pat00035
는 수렴 속도와 수렴 이후의 오차의 크기를 결정할 수 있는 중요한 값으로, 적응 필터의 안정성을 위해서
Figure pat00036
사이의 값을 가진다.
음성검출기(10)는 수학식 4를 적용하여 원단신호를 입력으로 받아서 원단 신호의 파워를 측정하고 문턱값 보다 클 경우에 음성구간으로 판단하는 기능을 한다.
Figure pat00037
여기서,
Figure pat00038
,
Figure pat00039
와
Figure pat00040
는 각각 음성검출기의 문턱값, 독립적인 망각인자
Figure pat00041
들이다.
그리고 동시통화 검출기(30)는 수학식 5를 적용하여 마이크 신호에 반향 신호와 근단 신호가 동시에 존재하는 동시통화 구간을 검출한다.
Figure pat00042
여기서,
Figure pat00043
와
Figure pat00044
는 각각 상호 상관법의 문턱값이고 독립적인 망각인자
Figure pat00045
들이다.
수렴 검사기(40)는 NLMS 적응 필터(20)의 수렴 상태를 판단하는 역할을 한다.
본 발명은 간단한 동시통화 검출 알고리즘을 사용하면서, 동시통화 검출기(30)가 놓치게 되는 동시통화 시간을 고려하는 방법이다.
수렴한 필터 계수를 저장하고, 동시통화가 시작되면 이전의 필터 계수
Figure pat00046
를 이용하여 반향신호를 추정한다. 필터 계수가 수렴했는가를 판단하는 것은 수렴 검사기(40)가 수행하며 수학식 6과 같이 ERLE(echo return loss enhancement)를 측정하여 판단할 수 있다.
Figure pat00047
여기서,
Figure pat00048
와
Figure pat00049
는 각각 마이크 신호와 잔여반향 신호로 이루어진 N by 1 행렬이다.
일반적으로 정의된 ERLE는 수학식 6과 같이 연산이 많고 안정적인 값을 얻기 어려우므로 수학식 7과 같이 망각인자를 적용하여 ERLE를 측정하고 수렴 여부를 판단한다.
Figure pat00050
여기서,
Figure pat00051
와
Figure pat00052
는 각각 수렴 검사기(40)의 문턱값이고 망각인자들이다.
연속적인 필터 계수 저장은 저장 공간 측면에서 부담이 되는 것이므로 저장 주기 M마다 주기적으로 저장하는 것이 필요하다. 적응 필터는 매 샘플마다 필터를 갱신하는 과정을 포함하고 있다. 그러나 적응 필터가 수렴하였을 경우에는 계속적인 갱신은 무의미하게 된다. 수학식 7에서
Figure pat00053
경우에 수학식 3의 적응 연산을 더 이상 수행할 필요가 없어지는 것이다.
따라서, 측정된 ERLE를 바탕으로 적응 필터의 갱신여부를 조절하여 전체 시스템의 불필요한 연산과 소모 전력을 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 음향반향 제거기의 동작 과정을 나타낸 것으로, 먼저, 음성 검출기(10)에서 원단 신호를 입력받아 원단 신호의 파워
Figure pat00054
를 측정하여(S301), 음성 구간인지를 판단한다.(S302)
Figure pat00055
를 측정하여(S303), 반향 신호와 근단 신호가 동시에 존재하는 동시 통화 구간인지를 판단한다.(S304)
동시 통화 구간이면 미리 저장되어 있는 이전의 필터 계수
Figure pat00056
를 이용하여 반향 신호를 추정한다.(S305)
그리고 동시통화 구간이 아닐 경우에는 적응 필터 계수
Figure pat00057
를 이용하여 반향을 추정하고(S306), ERLE를 측정한다.(S307)
이어, 측정한 ERLE를 문턱값과 비교하여(S308) 문턱값 보다 낮은 경우에는 적응 필터를 갱신하고(S310), 높은 경우에는 갱신을 하지 않고 저장 주기
Figure pat00058
마다(S309)
Figure pat00059
를 저장한다.(S311)
이와 같은 본 발명에 따른 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치 및 방법은 간단한 동시통화 검출 알고리즘을 사용하고, 동시통화 검출기가 놓치게 되는 동시통화 시간을 고려하여 왜곡 이전의 필터 계수를 이용하여 동시통화 구간에서 반향제거 성능을 향상 시킬 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 음성 검출기 20. NLMS 적응필터
30. 동시통화 검출기 40. 수렴 검사기

Claims (6)

  1. 동시통화 구간에서 음향 반향을 제거하기 위한 장치에 있어서,
    원단 화자의 음성 신호와 근단 화자의 음성 신호가 동시에 들어오는 지의 여부를 판단하여 동시통화 구간인지 또는 단일 통화구간인지를 검출하는 동시통화 검출기;
    동시통화 여부에 따라 서로 다른 필터 계수를 이용하고, 수렴 여부에 따라서 필터 갱신 여부 및 저장을 제어하는 적응 필터;
    상기 적응 필터의 수렴을 검사하는 수렴검사기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수렴검사기는,
    Figure pat00060

    를 이용하여 ERLE(Echo Return Loss Enhancement)를 측정하고 상기 적응 필터의 수렴 여부를 판단하고,
    여기서,
    Figure pat00061
    는 마이크의 입력신호,
    Figure pat00062
    는
    Figure pat00063
    에서 적응 필터로부터의 추정반향 신호를 감산한 오차신호,
    Figure pat00064
    는 수렴 검사기의 문턱값,
    Figure pat00065
    와
    Figure pat00066
    는 망각인자들인 것을 특징으로 하는 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적응 필터는,
    동시통화 검출일 경우에 미리 저장되어 있는 이전의 필터 계수
    Figure pat00067
    를 이용하여 반향 신호를 추정하고,
    동시통화가 아닐 경우에는 적응 필터 계수
    Figure pat00068
    를 이용하여 반향을 추정을 하는 것을 특징으로 하는 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적응 필터는,
    수렴 검사기의 결과가 수렴일 경우에 주기적으로 이전의 필터 계수
    Figure pat00069
    를 적응 필터 계수
    Figure pat00070
    로 갱신하고, 아닐 경우에
    Figure pat00071
    을 갱신하는 것을 특징으로 하는 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 장치.
  5. 음성 검출기에서 원단 신호를 입력받아 음성 구간인지를 판단하는 단계;
    반향 신호와 근단 신호가 동시에 존재하는 동시 통화 구간인지를 판단하는 단계;
    동시 통화 구간이면 미리 저장되어 있는 이전의 필터 계수
    Figure pat00072
    를 이용하여 반향 신호를 추정하는 단계;
    동시통화 구간이 아닐 경우에는 적응 필터 계수
    Figure pat00073
    를 이용하여 반향을 추정하고, ERLE를 측정하는 단계;
    상기 측정한 ERLE를 문턱값과 비교하여 문턱값 보다 낮은 경우에는 적응 필터 계수를 갱신하고, 높은 경우에는 갱신을 하지 않고 저장 주기
    Figure pat00074
    마다 이전 필터계수
    Figure pat00075
    를 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 ERLE를 측정하는 단계는,
    Figure pat00076

    를 이용하여 ERLE(Echo Return Loss Enhancement)를 측정하고,
    여기서,
    Figure pat00077
    는 마이크의 입력신호,
    Figure pat00078
    는
    Figure pat00079
    에서 적응 필터로부터의 추정반향 신호를 감산한 오차신호,
    Figure pat00080
    는 수렴 검사기의 문턱값,
    Figure pat00081
    와
    Figure pat00082
    는 망각인자들인 것을 특징으로 하는 적응 필터의 수렴을 이용한 음향 반향 제거 방법.

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