KR20120054082A - 지향성 음향 시스템 - Google Patents

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KR20120054082A
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signal
equalization
modulation
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Application number
KR1020127007485A
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이에 렝 탄
운 셍 간
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난양 테크놀러지컬 유니버시티
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Abstract

지향성 음향 시스템이 개시된다. 지향성 음향 시스템(400)은 입력 신호를 등화하는 다수의 등화 단(404, 406) 및 등화된 입력 신호를 전송하는 트랜스듀서 단(412)을 포함하며, 다수의 등화 단(404, 406)은 트랜스듀서 단(412)의 근사 모델을 채택하는 제1 등화 단(404)과 트랜스듀서 단(412)의 근사 모델과 트랜스듀서 단(412)의 실제 모델 간의 차를 보상하는 제2 등화 단(406)을 포함한다.

Description

지향성 음향 시스템{A DIRECTIONAL SOUND SYSTEM}
본 발명은 지향성 음향 시스템과 이러한 지향성 음향 시스템에 대한 입력 신호를 처리하는 방법에 관한 것이다.
엔터테인먼트, 게임, 통신 및 개인 메시지 통신에서 음향 방사 패턴을 제어하는 능력은 많은 상업 제품에서 차별되는 중요한 특징이 되고 있다. 이러한 시스템에서의 공통적인 목표는 사람들에 대한 튠인 존(tune-in zone)(개인적 오디오)을 형성함으로써 대상이 되는 청취자에게 높은 지향성의 음향 필드를 생성하는 것이다. 지향성 음장(directional sound field)을 생성하기 위한 몇 가지 방법이 있다. 이들 방법에는, (i)음향 돔(sound dome)을 이용하여 그 아래에 있는 청취자에게 음파를 맞추기 위해 볼록한 면에 음향을 투사하는 것; (ii)수평 면에서의 가청 음향 빔을 공간적으로 조정하도록 조절된 여러 스피커 간의 위상-진폭 차를 가진 스피커 장치를 사용하는 것, (iii)가청 음향 신호를 초음파 반송 신호에 대해 변조하고 변조된 신호를 특별한 유형의 초음파 에미터를 통해 투사해서 가청 음향이 음향 빔의 열을 따라 이동할 수 있도록 공기를 통해 파라메트릭(parametric) 어레이를 생성하는 것이 포함된다. (iii)을 사용해서 지향성 음장을 생성하는 스피커를 일반적으로 파라메트릭(또는 초음파) 스피커라고 한다. 파라메트릭 스피커는 오디오 스폿라이트와 같이 밀집한 빔에서 가청 음향 신호를 전달하기 위해 초음파 신호를 사용하는 비선형 음향 특성(공기 중에서의 파라메트릭 어레이 효과로 알려져 있음)에 기초한다.
스피커 어레이((ii)에 설명한 것과 같이)를 사용하여 낮은 주파수, 예를 들어 200Hz 이하의 주파수에서 가청 음향 빔을 조정하는 경우, 스피커 어레이의 치수는 양호한 지향성을 달성하기 위해 오디오 파장보다 훨씬 커야 한다. 일반적으로, 이것은 스피커 어레이의 치수가 그 직경이 1미터 이상이 되어야 한다는 것을 의미한다. 집중된 음향 빔을 생성하는 이러한 방법은 대형의 스피커를 필요로 하기 때문에 비용이 많이 든다. 이와 반대로, 파라메트릭 스피커((iii)에 설명한 것 등)는 파장이 스피커 직경보다 훨씬 큰 저주파 음파에 대해 높은 지향성을 갖는 음향 빔을 생성할 수 있다. 그 이유는, 파라메트릭 스피커의 소형의 초음파 에미터는 종래의 스피커와 달리, 진동 콘(vibrating cone)을 사용하지 않고 높은 지향성의 음향 빔을 생성할 수 있기 때문이다.
도 1은 종래 기술에 따른 파라메트릭 스피커를 나타낸다. 이 파라메트릭 스피커에서, 초음파 반송 신호가 가청 음향 신호의 형태인 입력 신호를 변조함으로써 변조된다. 변조 신호를 생성하기 위해 전처리 및 변조 장치가 사용된다. 변조된 신호는 전송 매체(일반적으로, 공기)를 통해 변조 신호를 투사하기 위해 초음파 에미터를 구동시키는 증폭기로 전달된다. 변조된 신호가 전송 매체로 방사됨에 따라, 이 신호는 전송 매체와 상호작용하고 자체적으로 복조해서 밀집된 열의 가청 신호를 생성한다. 가청 음향 빔은 도 1에 나타낸 바와 같이 가상 가청 소스의 열을 통해 전송 매체 내에 생성된다. 이 가상 가청 소스의 열은 전파 축을 따라 위상을 추가하는 가청 소스의 엔드파이어 어레이(end-fire array)(파라메트릭 어레이라고 함)를 형성한다.
전송 매체를 통한 파라메트릭 스피커에 의한 비선형 음향 전파를 근사하기 위해 버크타이(Berktay) 원거리 음장 모델이 널리 사용된다. 이 모델은 식 (1)에 나타낸 것과 같은 식을 사용해서, 파라메트릭 스피커의 원거리 음장 어레이를 예측한다. 식 (1)에 의하면, 전파 축에 따른 복조된 신호(또는 가청 차 주파수) 압력 p2(t)는, 진폭 변조가 사용되는 경우, 변조된 신호의 포락선의 제곱의 제2 시간-도함수(time-derivative)에 비례한다. 식 (1)에서, β는 비선형 계수이며, P0는 1차파 압력이고, a는 초음파 에미터의 반경이고, ρ0는 전송 매체의 밀도이며, c0는 작은 신호 음향 속도이며, z는 초음파 에미터로부터의 축방향의 거리이고, α0는 소스 주파수에서의 감쇄 계수이며, E(t)는 변조된 신호의 포락선이다.
Figure pct00001
식 (1)에 나타낸 바와 같이, 비선형 음향 전파에 의해 복조된 신호에 왜곡이 생긴다. 이에 의해, 파라메트릭 스피커에 의해 생성된 가청 신호에 왜곡이 생겨서, 파라메트릭 스피커의 성능에 영향을 미치게 된다. 또한, 현재의 파라메트릭 스피커 기술은 초음파 에미터의 기술적 한계에 의해 제한된다. 이러한 기술적 한계 중의 하나는 초음파 에미터의 가용 저주파 대역폭이 작다는 것이다.
파라메트릭 스피커 기술의 기술적 한계를 극복하기 위한 디지털 신호 처리 기술이 제안되어 있다. 이들 기술은 일반적으로 처리된 신호를 초음파 에미터로 전송하기 전에 신호의 오디오 품질의 왜곡을 보강, 등화(equalize) 및 보상(compensate)하기 위해 디지털 신호 처리기에서 프로그램될 수 있는 전처리 알고리즘을 포함한다. 이러한 기술의 예를 이하에 설명한다.
도 2는 "Ultra directional speaker system and signal processing method thereof"란 명칭의 미국 특허출원 11/558,489(이하, "Kyungmin"이라 함)에 적응형 파라메트릭 스피커 시스템(200)이 제안되어 있다. Kyungmin은 변조 신호 x(t)(즉, 입력 가청 신호)에 대하여 전치 왜곡 보상을 적응적으로 적용하는 것이다. 또한, Kyungmin은, 파라메트릭 스피커 시스템에서 전형적으로 사용되는 이중면 진폭 변조(DSBAM) 방식을 사용하지 않고, 베스티지얼 특파대 변조(VSB)를 사용해서 단일 측파대(SSB) 변조에서의 측파대 중의 하나의 비이상적인 필터링(non-ideal filtering)을 극복하는 것을 제안한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 적응형 파라메트릭 스피커 시스템(200)은 포락선 E1(t)와 E2(t)를 계산하는 1차 및 2차 포락선 계산기(202, 204)를 포함한다. 이들 포락선 계산기(202, 204)는 기저대역에서 신호가 주입된다. 적응형 파라메트릭 스피커 시스템(200)은 또한 Berktay의 근사법(즉, 식 (1))을 사용하여 예측된 "이상적인" 포락선
Figure pct00002
을 계산하는 제곱근 오퍼레이터(206)를 포함한다.
Figure pct00003
와 E2(t)의 차는 최소 평균 제곱(LMS) 방식을 사용하여 전치 왜곡 적응 필터(208)를 트레이닝하는 데에 사용된다. 적응 필터(208)의 계수 am은 식 (2)와 (3)을 사용하여 구할 수 있으며, β는 적응 계수이다.
Figure pct00004
Figure pct00005
적응 필터(208)의 출력 x'(t)를 이하의 식 4에 나타낸다.
Figure pct00006
파라메트릭 스피커의 성능을 향상시키기 위한 전처리 기술은 미국특허 6,584,205(이하, "Croft"라고 함)에 제안되어 있다. 도 3은 Croft에서 제안한 파라메트릭 스피커 시스템(300)을 나타낸다. Croft는 전처리된 DSBAM 변조 신호를 제곱근 처리하는 것과 동일한 이상적인 선형성을 제공하는 SSB 변조의 사용을 제안했다. Croft는 또한 다중-차수 왜곡 보상기를 사용하여 SSB 신호에서의 고유한 왜곡의 보상을 제안했다. 다중-차수 왜곡 보상기는 일련의 왜곡 보상기(도 3에 나타낸 바와 같이, 0,...N-1)를 포함하며, 하나의 왜곡 보상기로부터의 전치 왜곡된 신호(예를 들어, x1(t))가 그 열 중의 다음 왜곡 보상기에 대한 입력으로서 사용되는데, 바람직한 차수에 도달할 때까지 이것이 행해진다. Croft의 각각의 왜곡 보상기는 종래의 SSB 변조 기술을 채택하는 SSB 변조기(302)를 포함한다. Kyungmin과 마찬가지로, 도 3에 나타낸 비선형 모델(304)은 Berktay의 근사법(즉, 식 (1))에 기초하며, Croft에서 제안한 시스템(300)은 다중-차수 왜곡 보상기에서 생기는 피드 포워드 구조에 기초한다.
하나의 관점에 의하면, 입력 신호를 등화하도록 구성된 다수의 등화 단(equalization stage); 및 등화된 입력 신호를 전송하도록 구성된 트랜스듀서 단(transducer stage)을 포함하는 지향성 음향 시스템이 제공되며, 다수의 등화 단은 트랜스듀서 단의 근사 모델을 채택하도록 구성된 제1 등화 단과, 트랜스듀서 단의 근사 모델(approximated model)과 트랜스듀서 단의 실제 모델(actual model) 간의 차를 보상하도록 구성된 제2 등화 단을 포함한다.
다른 관점에 의하면, 입력 신호를 반복적으로 등화하는 단계; 및 등화된 입력 신호를 전송하는 단계를 포함하는, 지향성 음향 시스템에 대하여 입력 신호를 처리하기 위한 방법이 제공되며, 입력 신호의 제1 등화는 전송의 근사 모델(approximated model)을 사용하여 수행되며, 입력 신호의 제2 등화는 전송의 근사 모델과 전송의 실제 모델 간의 차를 보상하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 등화 단을 제공하는 것이 바람직하며, 이에 의하면, 제1 등화 단은 입력 신호의 개략적인 등화를 제공할 수 있으며, 제2 등화 단은 입력 신호의 더 미세한 등화를 달성할 수 있다. 이에 의하면, 입력 신호의 등화가 더 효율적이며 정확하게 이루어진다.
바람직하게는, 지향성 음향 시스템은, 제2 등화 단 이전에 제1 등화 단으로부터 등화된 입력 신호를 변조시키도록 구성된 변조 단(modulation stage)을 더 포함하며, 변조 단은 가변 차수를 가진 전치 왜곡 항(pre-distortion term)을 사용하는 변조 기술을 채택한다. 마찬가지로, 본 방법은 가변 차수를 가진 전치 왜곡 항을 사용하여 변조 기술을 채택함으로써 제2 등화에 앞서 제1 등화로부터 등화된 입력 신호를 변조하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
가변 차수를 가진 전치 왜곡 항을 사용하는 변조 기술을 채택하는 것이 바람직하다. 전치 왜곡 항을 추가함으로써, 복조된 신호(즉, 지향성 음향 시스템의 오디오 신호 출력)의 왜곡을 감소시킬 수 있다. 왜곡의 감소량은 전치 왜곡 항의 차수에 의존한다. 차수가 높을수록, 왜곡의 감소량이 커질 것이다. 그러나, 높은 차수의 전치 왜곡은 더 높은 대역폭을 가진 초음파 트랜스듀서를 필요로 한다. 가변 차수를 가진 전치 왜곡 항을 사용함으로써, 변조 기술의 유연성이 증가하고 전치 왜곡 항의 차수가 지향성 음향 시스템에 사용되는 초음파 트랜스듀서의 요건에 맞도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 낮은 차수는 낮은 대역폭을 가진 초음파 트랜스듀서에 사용될 수 있으며, 차수는 더 높은 대역폭을 가진 초음파 트랜스듀서에 대해 확장될 수 있어서, 파라메트릭 스피커 시스템의 오디오 신호 출력의 왜곡을 더 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 서브밴드(sub-band) 방식이 사용되며, 입력 신호는 다수의 주파수 영역으로 분할되고, 입력 신호의 각각의 주파수 영역은 지향성 음향 시스템의 하나 이상의 단을 통해 독립적으로 처리된다.
서브밴드 방식을 사용함으로써, 각 서브밴드 내의 트랜스듀서 단의 주파수 및 위상 응답의 선형 특성이 등화가 이루어지는 동안에 사용될 수 있다. 또한, 등화는 각각의 주파수 영역에 독립적으로 적용될 수 있기 때문에, 각 주파수 영역의 등화된 신호의 진폭은 일반적으로 풀밴드(full-band) 방식에서의 등화된 신호의 진폭만큼 낮지 않을 것이다. 따라서, 각 주파수 영역에서의 등화된 신호에 대해 증폭이 덜 요구된다. 또한, 서브밴드 방식을 사용함으로써, 입력 신호가 다운샘플링될 수 있으며, 이에 따라 각 주파수 영역을 처리하기 위한 속도 요건을 낮추고 변경함에 따라, 전체 신호를 처리하기 위한 속도 요건을 낮출 수 있다. 이러한 혼합 레이트(mixed-rate) 처리 기술에 의해 고품질 프로세서가 필요하지 않게 되며, 대신에, 저가의 디지털 신호 처리기를 사용해서 지향성 음향 시스템을 구현할 수 있다.
가변 차수를 가진 전치 왜곡을 사용하는 변조 기술과 서브밴드 방식을 채택함으로써, 각 주파수 영역에 대한 변조 기술이 독립적으로 조정될 수 있다. 따라서, 상이한 요건을 가진 상이한 구성요소(예를 들어, 상이한 변조 기술 또는 상이한 초음파 트랜스듀서)를 상이한 주파수 영역에 사용할 수 있으며, 각 주파수 영역에 대한 변조 기술을 조정하여, 해당 주파수 영역에 대해 사용되는 구성요소의 요건에 부합하도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 유연한 변조 기술과 서브밴드 방법의 조합에 의해 큰 장점을 갖는다.
바람직하게, 변조 단은 제1 변조 단을 포함하며, 지향성 음향 시스템은 등화된 입력 신호를 변조하도록 구성된 제2 변조 단을 더 포함하며, 변조된 등화 입력 신호의 반송 주파수는 제1 변조 단의 제1 반송 주파수와 제2 변조 단의 제2 반송 주파수에 의존한다.
하나 이상의 변조 단을 구비함으로써, 시스템의 복잡성을 더 작은 부분으로 분할할 수 있으며, 시스템을 아날로그 변조기 등의 상대적으로 더 저렴한 하드웨어로 구현할 수 있다. 또한, 각 변조 단에서 반송 주파수를 독립적으로 조정함으로써 전체 반송 주파수를 조정할 수 있기 때문에, 입력 신호의 변조를 위한 반송 주파수의 선택에 있어서 더 유연성을 갖게 된다.
본 발명을 더 잘 이해하고 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위해, 예시적인 실시예에 의해 설명할 것이며, 이러한 설명은 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 제1 종래 기술에 따른 파라메트릭 스피터를 나타낸다.
도 2는 제2 종래 기술에 따른 적응형 파라메트릭 스피커 시스템을 나타낸다.
도 3은 제3 종래 기술에 따른 파라메트릭 스피커 시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파라메트릭 스피커 시스템을 나타낸다.
도 5는 도 4의 파라메트릭 스피커 시스템의 변조 단에 채택된 변조 기술을 나타낸다.
도 6은 도 4의 파라메트릭 스피커의 제1 변형예인 파라메트릭 스피커 시스템을 나타낸다.
도 7은 도 4의 파라메트릭 스피커의 제2 변형예인 파라메트릭 스피커 시스템을 나타낸다.
도 8은 도 5의 변조 기술의 전고조파 왜곡 성능을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파라메트릭 스피커 시스템(400)의 형태인 지향성 음향 시스템(directional sound system)을 나타낸다.
파라메트릭 스피커 시스템(400)의 입력 신호(414)는 일반적으로 가청 음향 신호이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 파라메트릭 스피커 시스템(400)은 필터 뱅크(filter bank)(402), 제1 등화 단(equalization stage)(404), 변조 단(408), 및 초음파 트랜스듀서를 구비하는 트랜스듀서 단(412)을 포함한다. 필터 뱅크(402)는 입력 신호(414)를 여러 주파수 영역으로 분할한다. 또한, 제1 등화 단(404)은 입력 신호(414)를 균등화하고, 변조 단(408)은 균등화된 입력 신호를 변조한다. 트랜스듀서 단(412)은 변조된 등화 입력 신호를 전송한다. 파라메트릭 스피커 시스템(400)은 추가의 등화를 위한 제2 등화 단(406)을 더 포함하며, 또한 트랜스듀서 단(412)에 앞서 변조된 등화 입력 신호를 증폭하기 위한 초음파 증폭기를 구비하는 증폭 단(410)을 더 포함한다.
파라메트릭 스피커 시스템(400)에 의해 생성되는 가청 신호에서의 왜곡을 최적으로 감소시키기 위해, 트랜스듀서 단(412)의 주파수 및 위상 응답이 파라메트릭 스피커 시스템(400)의 등화 단(404, 406)에서 보상되는 것이 바람직하다.
파라메트릭 스피커 시스템(400)은 서브밴드 방식(sub-band approach)을 채택하며, 이에 의해 입력 신호가 필터 뱅크(402)에 의해 다수의 주파수 영역(즉, 다수의 밴드)으로 분할되고, 입력 신호의 각각의 주파수 영역은 제1 등화 단(404)과 변조 단(408)을 통해 독립적으로 처리된다. 따라서, 파라메트릭 스피커 시스템(400)은 "멀티밴드 오디오 비밍"(multi-band audio beaming) 시스템이라고도 부른다.
파라메트릭 스피커 시스템(400)의 다른 단에 대하여 상세하게 설명한다.
필터 뱅크(402)는 입력 신호(414)를 여러 주파수 영역으로 분할한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 필터 뱅크(402)는 N개의 필터(필터 h0, h1,...hN -1)를 채택한다. 각각의 필터 hi는 상이한 대역폭을 가질 수 있으며, 필터 hi의 대역폭 내에 있는 주파수만이 필터 hi를 통해 허용된다.
제1 등화 단(404)은 복조 이후에 입력 신호에서의 하나 이상의 예측된 변화를 보상한다. 일례로, 제1 등화 단(404)은 식 (1)에서의 Berktay 근사법에 의해 예측되는 바와 같이, 복조 이후의 입력 신호에서의 예측되는 12dB/옥타브(octave) 슬로프 변경을 보상한다. 이러한 변화는 식 (1)에서의 제2 시간-도함수에 의해 생긴다. 제1 등화 단(404)은 일반적으로 높은 비선형인 트랜스듀서 단(412)의 주파수 및 위상 응답을 보상한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 등화 단(404)은 다수의 등화기(스피커 등화기 e0, e1,...eN -1)와 이득 모듈(eg0, eg1,...egN -1)을 포함하며, 등화기 ei와 이득 모듈 egi의 각각의 쌍이 입력 신호의 하나의 주파수 영역을 처리한다. 일례로, 제1 등화 단(404)은 트랜스듀서 단(412)의 근사된 모델을 채택하고, 다수의 등화기(스피커 등화기 e0, e1,...eN-1)의 응답은 근사된 모델의 반전에 기초하여 설정된다. 이 근사된 모델은 트랜스듀서 단(412)에서 사용되는 초음파 트랜스듀서의 제품 사양에 기초하여 취득될 수 있다.
변조 단(408)은 도 5에 나타낸 바와 같이 가변 차수(variable order)를 가진 전치 왜곡 항(pre-distortion term)을 사용하는 변조 기술을 채택한다. 식 (5)는 도 5에 나타낸 변조 기술의 출력
Figure pct00007
를 나타내며, g(t)는 변조 기술에 대한 입력이고, m은 변조 지수이며, ω0=2πf0인데, f0은 변조에 대한 반송 주파수이다.
Figure pct00008
도 5에 나타낸 바와 같이, 변조 기술은 메인 신호
Figure pct00009
를 생성하기 위해, 입력 g(t)를 제1 반송 신호 sinω0t로 변조하고, 보상 신호를 생성하기 위해 전치 왜곡 항
Figure pct00010
를 제2 반송 신호 cosω0t로 승산하며, 출력
Figure pct00011
를 생성하기 위해 메인 신호와 보상 신호를 합산한다. 제1 및 제2 반송 신호는 서로에 대해 직교하며, 전치 왜곡 항은 신호 생성기(502)에 의해 생성되며, 신호 생성기(502)의 차수는 이것이 생성하는 전치 왜곡 항의 차수를 나타낸다. 식 (5)로부터 메인 신호
Figure pct00012
만을 생성하는 전형적인 DSBAM 방식에 비해, 출력
Figure pct00013
가 추가의 직교 항
Figure pct00014
을 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다.
전치 왜곡 항의 가산은 복조된 신호 내의 왜곡을 감소시킬 수 있다. 이것을 더 자세하게 설명한다. f1(t)=1+mg(t)이며, 신호 생성기(502)의 출력은 f2(t)로서, 밴드 n 변조기의 출력
Figure pct00015
은 식 (6)에 나타낸 것과 같은 형식으로 쓸 수 있다.
Figure pct00016
즉, 변조 기술 출력
Figure pct00017
의 포락선은
Figure pct00018
이다. Berktay의 근사법(식 (1))에 의하면, 전파 축에 따른 복조된 신호(즉, 가청 차 주파수) 압력 p2(t)는 변조된 신호의 포락선의 제곱의 제2 시간-도함수에 비례한다.
Figure pct00019
를 식 (1)로 대체하면, 식 (7)을 얻을 수 있다.
Figure pct00020
Figure pct00021
를 설정하면, 식 (7)을 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure pct00022
식 (8)에 나타낸 바와 같이,
Figure pct00023
를 설정함으로써, 복조된 신호는 입력 신호 g(t)에 비례하게 된다. 즉, 복조된 신호의 왜곡이 완전히 제거된다. 그러나, 초음파 트랜스듀서(412)가 유한 대역폭을 갖는 경우에만 해당된다. 실제의 초음파 트랜스듀서의 경우에는 그렇지 않기 때문에,
Figure pct00024
는 절두된 테일러(Taylor) 시리즈
Figure pct00025
를 사용하여 근사된다. q의 값을 조정함으로써, 전치 왜곡 항
Figure pct00026
의 차수가 변경될 수 있다.
파라메트릭 스피커 시스템(400)에서, 변조 단(408)은 다수의 밴드 n 변조기를 포함하는데, 각각의 밴드 n 변조기는 도 5의 변조 기술을 채택한다. 각각의 밴드 n 변조기의 전치 왜곡 항의 차수 q를 독립적으로 조정할 수 있다. 일례로, 각각의 밴드 n 변조기의 전치 왜곡 항의 차수 q는 변조기에 대해 동작가능하게 연결된 필터 뱅크(402) 내의 필터 hn의 대역폭에 따라 선택된다. 일례로, 차수 q는 필터 뱅크(402)의 각각의 필터의 대역폭이 큰 경우, 더 높도록 선택된다.
트랜스듀서 단(412)에서의 초음파 트랜스듀서의 주파수 스펙트럼은 일반적으로 그 공진 주파수에 대해 비대칭이다. 제2 등화 단(406)은 이를 보상한다. 제2 등화 단(406)은 트랜스듀서 단(412)의 실제 모델과 제1 등화 단(404)에 사용되는 트랜스듀서 단(412)의 근사 모델 사이의 차를 보상한다. 트랜스듀서 단(412)의 실제 모델은 근사를 통해 취득될 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제2 등화 단(406)은 적응 필터(스피커 등화기 eN)를 채택한다. 이 적응 필터는 제1 신호 및 제2 신호 사이의 차를 사용하여 LMS 알고리즘으로 트레이닝된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 신호는 입력 신호(414)를 이중 적분하고 이러한 이중 적분된 신호를 트랜스듀서 단(412)의 실제 모델의 반전(즉, "반전 트랜스듀서 모델")을 통해 처리함으로써 취득되고, 제2 신호는 제1 등화 단(404)으로부터 등화된 신호를 사용하여 취득된다. 파라메트릭 스피커 시스템(400)에서, 이중 적분된 신호와 등화된 신호는 sinω0t에 의해 변조되어, 트랜스듀서 단(412)의 초음파 트랜스듀서의 공진 주파수와 매칭된다. 이러한 공진 주파수는 통상 초음파 범위 내에 있다. 따라서, 스피커 등화기 eN을 LMS 알고리즘을 사용하여 적응적으로 튜닝함으로써, 제2 등화 단(406)은 초음파 트랜스듀서의 비대칭 공진의 등화를 달성할 수 있으며, 이와 동시에, 트랜스듀서 단(412)의 실제 모델과 트랜스듀서 단(412)의 근사 모델 간의 차를 보상할 수 있다.
도 6은 파라메트릭 스피커 시스템(400)의 제1 변형예인 파라메트릭 스피커 시스템(600)을 나타낸다. 파라메트릭 스피커 시스템(600)의 필터 뱅크(402'), 제1 등화 단(404') 및 변조 단(408')은 파라메트릭 스피커 시스템(400)과 동일하며, 이들 구성요소에 프라임 표시를 붙였다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 단일의 적응 필터(스피커 등화기 eN)만을 구비하는 대신에, 파라메트릭 스피커 시스템(600)의 제2 등화 단(602)은 다수의 적응 필터(N개의 스피커 등화기 e'0,e'1,...e'N -1)를 포함하고, 각각의 적응 필터(e'i)는 대응하는 반전 트랜스듀서 모델(Group i)을 사용하여 트레이닝된다. 또한, 단일의 초음파 증폭기 및 단일의 초음파 트랜스듀서를 구비하는 것과 달리, 파라메트릭 스피커 시스템(600)의 증폭 단(604)은 다수의 초음파 증폭기(0,1,...N-1)를 포함하며, 파라메트릭 스피커 시스템(600)의 트랜스듀서 단(606)은 다수의 초음파 트랜스듀서(초음파 트랜스듀서 그룹 0,1,...N-1)를 포함한다. 변조 단(408')의 각각의 밴드 n 변조기는 필터 뱅크(402')의 필터(hn)와 트랜스듀서 단(606)의 초음파 트랜스듀서(초음파 트랜스듀서 그룹 n)에 동작가능하게 연결된다. 마찬가지로, 트랜스듀서 단(606)의 각각의 초음파 트랜스듀서의 주파수 스펙트럼은 공진 주파수에 대하여 비대칭이 될 것이며, 제2 등화 단(602)은 각각의 초음파 트랜스듀서와 매칭하기 위해 스피커 등화기(N개의 스피커 등화기 e'0,e'1,...e'N -1)의 각각을 튜닝함으로써 보상한다.
파라메트릭 스피커 시스템(600)은 서브밴드 방식을 제2 등화 단(602), 증폭 단(604) 및 트랜스듀서 단(606)까지 확장한다. 파라메트릭 스피커 시스템(600)에서, 입력 신호(608)는 필터 뱅크(402')를 사용하여 여러 주파수 영역으로 분할되고, 입력 신호(608)의 각각의 주파수 영역은 2개의 등화 단(404', 602), 변조 단(408'), 증폭 단(604) 및 트랜스듀서 단(606)을 통해 독립적으로 처리된다. 이러한 구조에 의하면, 상이한 초음파 트랜스듀서 내의 여러 유형의 에미터를 상이한 주파수 영역에 사용할 수 있게 된다. 상이한 타입의 에미터는 상이한 대역폭 및 증폭 요건을 가질 수 있으며, 변조 단(408')의 각각의 밴드 n 변조기의 출력은 동작가능하게 연결된 각각의 초음파 트랜스듀서(초음파 트랜스듀서 그룹 n)의 요건에 부합하기 위해 독립적으로 조정될 수 있다. 각각의 밴드 n 변조기의 출력은 동작가능하게 연결된 필터 뱅크(402') 내의 필터(hn)의 대역폭에 따라 독립적으로 조정될 수 있다.
예를 들어, 각각의 밴드 n 변조기는 도 5에 나타낸 바와 같은 변조 기술을 채택할 수 있으며, 각각의 밴드 n 변조기에 대한 전치 왜곡 항의 차수 q는 필터 뱅크(402')의 대응하는 필터(hn)의 대역폭과 대응하는 초음파 트랜스듀서(초음파 트랜스듀서 그룹 n)의 대역폭에 기초하여 선택될 수 있다. 또한, 변조 단(408') 내의 각각의 밴드 n 변조기는 여러 반송 주파수(즉, 도 5에 나타낸 것과 같은 여러 ω0)를 사용함으로써, 각각의 변조기에 대한 반송 주파수가 각각의 초음파 트랜스듀서(초음파 트랜스듀서 그룹 n)의 공진 주파수메 매칭하게 된다. 또한, 도 5에 나타낸 변조 기술 대신에, 일부 변조기는 각각의 초음파 트랜스듀서에 더 적합한 다른 변조 기술을 적용할 수 있다. 이에 의해, 복조된 신호에서의 왜곡을 낮출 수 있다.
도 7은 파라메트릭 스피커 시스템(400)의 제2 변형예인 파라메트릭 스피커 시스템(700)을 나타낸다. 파라메트릭 스피커 시스템(700)은 파라메트릭 스피커 시스템(600)와 유사하기 때문에, 동일한 구성요소에는 프라임 표시를 붙였다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 파라메트릭 스피커 시스템(700)는 제1 변조 단(408")뿐만 아니라, 변조된 신호를 더 변조시키기 위한 제2 변조 단(702)을 더 포함한다. 도 7에서, 입력 신호의 각각의 주파수 영역은 제1 및 제2 변조 단(408", 702)을 통해 독립적으로 처리된다. 추가로 변조된 신호의 반송 주파수는 제1 변조 단(408")의 제1 반송 주파수와 제2 변조 단(702)의 제2 반송 주파수에 의존한다. 제1 변조 단(408")과 유사하게, 제2 변조 단(702)은 다수의 변조기(밴드 N 변조기, 밴드 N+1 변조기,...밴드 2N-1 변조기)를 포함하며, 각 변조기의 출력은 동작가능하게 연결된 초음파 트랜스듀서의 요건에 부합하도록 독립적으로 조정될 수 있다. 각 변조기의 출력은 동작가능하게 연결된 필터 뱅크(402")의 필터(hn)의 대역폭에 따라 독립적으로 조정될 수 있다.
하나 이상의 변조 단이 바람직하다. 하나의 변조 단만을 포함하는 경우에는, 입력 신호가 높은 반송 주파수로 변조되었다면, 높은 샘플링 주파수에서 입력 신호를 샘플링하는 것이 필요하다. 추가의 변조 단을 제공함으로써, 각 변조 단의 반송 주파수를, 총 반송 주파수를 낮추지 않고도 낮출 수 있다. 따라서, 입력 신호의 샘플링 주파수를 낮출 수 있으며, 입력 신호를 처리하기 위한 계산 요건이 감소될 수 있다. 또한, 2개의 변조 단(408", 702)을 사용함으로써, 시스템(700)의 복잡성을 2개의 부분으로 분할할 수 있게 되어, 시스템(700)을, 아날로그 변조기 등의 상대적으로 더 저렴한 하드웨어로 구현할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 컴퓨터 외부의 저가의 아날로그 변조기로 구현될 수 있는 제2 변조 단(702)을 사용하여 총 반송 주파수를 증가시킬 수 있기 때문에, 낮은 샘플링 주파수임에도, 용이하게 사용할 수 있는 컴퓨터에 제1 변조 단(408")을 구현할 수 있다.
또한, 추가의 변조 단(702)을 사용함으로써, 제1 변조 단(408")의 제1 반송 주파수 또는 제2 면조 단(702)의 제2 반송 주파수, 또는 이들 반송 주파수 모두를 조정함으로써, 총 반송 주파수를 조정할 수 있기 때문에, 입력 신호의 변조를 위한 반송 주파수의 선택을 유연하게 할 수 있다. 이것은 여러 주파수 영역에 사용되는 초음파 트랜스듀서가 상이한 공진 주파수를 갖는 경우에 서브밴드 방식에서 특히 유용하다.
파라메트릭 스피커 시스템(400)의 다른 변형예도 물론 가능하다.
예를 들어, 상기 실시예에서는 풀밴드(full-band) 방식도 채택할 수 있으며, 여기서 입력 신호는 파라메트릭 스피커 시스템의 모든 단을 통해 전체적으로 처리된다. 일례로, 파라메트릭 스피커 시스템은 변조 단에 하나의 변조기를 포함하고 트랜스듀서 단에 하나의 초음파 트랜스듀서를 포함한다. 단일의 변조기는 도 5에 나타낸 바와 같이 변조 기술을 채택할 수 있으며, 차수 q는 입력 신호의 주파수 영역(즉, 대역폭)과 단일의 초음파 트랜스듀서의 대역폭에 기초하여 선택된다. 따라서, 변조기가 하나만 있어도, 이 변조기는 상이한 주파수 응답을 가진 상이한 타입의 초음파 트랜스듀서에 적용될 수 있다. 이에 의하면, 재생하는 지향성 음향의 왜곡을 최소로 할 수 있다. 그러나, 여러 개의 밴드 n 변조기가 도 5의 변조 기술을 사용하기 때문에 서브밴드 방식도 여전히 바람직하며, 각각의 밴드 n 변조기에 대한 차수 q는 개별적으로 조정될 수 있어서, 왜곡을 더 많이 감소시킬 수 있다.
이와 달리, 파라메트릭 스피커 시스템은 제2 등화 단에 다수의 적응 필터를 포함할 수 있으며, 트랜스듀서 단에 하나의 초음파 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 파라메트릭 스피커 시스템은 제2 등화 단에 단일의 적응 필터를 포함하고 트랜스듀서 단에 다수의 초음파 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 예는 바람직하지 않다.
또한, 파라메트릭 스피커 시스템(400, 600, 700)의 필터 뱅크와 제1 등화 단은 단일의 등화 단으로 조합될 수 있으며, 이에 의해 단일의 등화 단은 입력 신호를 여러 주파수 영역으로 분할하고, 변조 이후에 입력 신호에서의 하나 이상의 예측된 변화를 보상하며, 이와 동시에 트랜스듀서 단의 주파수 및 위상 응답을 보상한다. 또한, 파라메트릭 시스템은 둘 이상의 등화 단을 포함할 수 있으며, 둘 이상의 변조 단을 포함할 수 있다. 이들 변조 단은 도 5의 변조 기술을 채택해도 되고 채택하지 않아도 되다. 일례로, 임의의 하나의 변조 단에서의 몇몇 변조기만이 도 5의 변조 기술을 채택해도 뇌다.
본 발명의 실시예의 장점을 다음과 같다.
파라메트릭 스피커의 왜곡을 감소시키기 위한 처리 방법을 제안했지만, 이들 처리 방법은 단일 밴드 방법에 기초함으로써, 단일의 전처리 방법 및 변조 기술이 신호의 전체 주파수 영역에 적용된다. 또한, 이들 전처리 방법으로 사용되는 유형의 초음파 에미터에 대해서는 거의 언급하고 있지 않다. 실험을 통해, 본 출원의 발명자들은 상이한 초음파 에미터가 최적의 지향성 음향을 최소의 왜곡으로 재생하기 위해 개별적으로 처리될 필요가 있는 여러 매우 상이한 주파수 응답을 갖는다는 것을 알게 되었다. 본 발명의 실시예는 상이한 초음파 에미터의 주파수 응답에서의 차에 의해 생기는 문제점 및 단일 밴드 문제점을 해결할 수 있다. 적응형 방식도 초음파 에미터에서의 편차를 보상하기 위해 본 실시에에 사용된다.
본 발명의 실시예에서, 변조 단은 가변 차수를 가진 전치 왜곡 항을 사용하는 변경된 진폭 변조(Modified Amplitude Modulation) q(MAMq)로 알려진 변조 기술을 채택한다. 이러한 변조 기술에서, 직교 항(전치 왜곡 항을 직교 반송 신호로 승산함으로써 형성됨)은 사용가능한 DSBAM 기법에 추가된다. 이것은 종래에 사용된 전형적인 진폭 기반의 변조와는 다르다.
도 8은 MAMq 기법의 총 고조파 왜곡(THD) 성능, 특히 MAM1(즉, q=1)과 MAM3(즉, q=3)을 나타낸다. 차수 q는 3보다 크게 될 수 있다. 그러나, MAMq 기법의 THD 성능은 더 높은 차수(q>3)에 따라 크게 증가할 것으로 예상되지 않는다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 소정의 q 값에 대하여, MAMq 기법의 THD 성능은 초음파 에미터의 가용 대역폭과 변조 지수 m에 의존한다. 초음파 에미터의 상대적 대역폭(즉, 중심 주파수에 의해 분할된 절대 대역폭)이 증가함에 따라, MAMq 기법에 의해 달성되는 THD 값은 상대적 대역폭이 10% 넘게 증가함으로써 감소하는 THD 값에서의 왜곡율에 따라 급격히 감소한다. 이것은 MAMq 기법이 상대적으로 낮은 대역폭을 가진 초음파 에미터에서도 잘 작용한다는 것을 의미한다. 또한, MAMq 기법이 낮은 THD 값을 달성하는 것뿐만 아니라, 더 넓은 대역폭 초음파 에미터에 대한 THD 값을 추가로 감소시키기 위해 그 차수 q까지 확장하는 유연성을 갖게 된다.
따라서, 전치 왜곡 항의 추가는 복조된 신호(즉, 파라메트릭 스피커 시스템의 오디오 신호 출력)의 왜곡을 크게 감소시킬 수 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 왜곡의 감소량은 전치 왜곡 항의 차수에 의존한다. 더 높은 차수는 왜곡을 더 많이 감소시킬 것이다. 그러나, 더 높은 차수의 전치 왜곡 항은 더 높은 대역폭을 가진 초음파 트랜스듀서를 필요로 한다. 가변 차수를 가진 전치 왜곡 항을 사용함으로써, 변조 기술의 유연성이 증가하고, 전치 왜곡 항의 차수가 변경되어, 파라메트릭 스피커 시스템의 요건에 부합하게 된다. 예를 들어, 낮은 차수는 낮은 대역폭을 가진 초음파 트랜스듀서에 사용될 수 있으며, 차수는 더 높은 대역폭을 가진 초음파 트랜스듀서에 대해 확장될 수 있어서, 파라메트릭 스피커 시스템의 오디오 신호 출력의 왜곡을 더 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 서브밴드 방식을 사용한다. 종래의 풀밴드 방식과 달리, 본 발명의 실시예에 의하면, 입력 신호를 더 작은 주파수 영역(또는 밴드)로 분할하고, 분할정복법(divide-and-conquer)을 사용하여 이들 작은 영역에서 발견되는 왜곡을 감소시킴으로써, 더 구체적인 방식으로 문제를 해결할 수 있다. 이와 같이, 여러 알고리즘은 여러 주파수 영역에서 발견되는 왜곡을 제거하는 것에 사용됨으로써, 파라메트릭 스피커 시스템에 의해 생성된 오디오 음향의 품질을 향상시킬 수 있다.
서브밴드 방식을 사용하여, 본 발명의 실시예는 각각의 서브밴드 내에서 트랜스듀서 단의 주파수 및 위상 응답의 선형 특성을 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예를 사용함으로써, 서브밴드가 아닌(즉, 풀밴드) 방식에 비해, 트랜스듀서 단의 주파수 및 위상 응답의 보상을 단순화할 수 있다.
입력 신호의 진폭은 소정의 주파수 영역에서 더 높게 될 수 있으며, 다른 주파수 영역에서는 더 낮게 될 수 있다. 전형적으로, 가장 낮은 진폭의 주파수 영역(즉, 입력 신호의 진폭이 가장 낮은 주파수 영역) 내의 입력 신호의 진폭에 부합하도록, 높은 진폭의 주파수 영역에서의 입력 신호의 진폭을 낮춤으로써 등화가 달성된다. 신호 레벨에서의 감소를 보상하기 위해, 신호는 등화 이후에 증폭된다. 이것은 초음파 트랜스듀서에서의 음향 변환에 대한 전기적 효율이 낮음에 의해 바람직하지 않다. 본 발명의 실시예의 서브밴드 방식은 통상 풀밴드 등화에서 생기는 문제를 피할 수 있다. 서브밴드 방식을 사용함으로써, 등화가 각각의 주파수 영역에 독립적으로 적용되고, 이에 따라, 각 주파수 영역에서의 등화된 신호의 진폭이 풀밴드 방식에서의 등화된 신호의 진폭처럼 낮아지지는 않을 것이다. 따라서, 각 주파수 영역에서의 등화된 신호에 대해 낮은 증폭이 요구된다.
서브밴드 방식을 사용하는 본 발명의 실시예는 종래의 풀밴드 방식에 비해, 고조파 왜곡과 중간 변조 왜곡을 크게 감소시킨다. 또한, 서브밴드 방식을 사용함으로써, 입력 신호가 다운샘플될 수 있으며, 이에 따라, 각 주파수 영역을 처리하기 위한 속도 요건을 낮추고 변경하며, 전체 신호를 처리하기 위한 속도 요건을 낮출 수 있다. 이러한 혼합 레이트(mixed-rate) 처리 기술에 의해 고품질 프로세서가 필요하지 않게 되며, 대신에, 저가의 디지털 신호 처리기를 사용해서 본 발명의 실시예에 의한 멀티밴드 오디오 비밍 시스템(multi-badn Audio Beaming System)을 구현할 수 있다. 또한, 높은 대역폭을 가진 초음파 트랜스듀서가 더 바람직하지만, 일반적으로 고가이다. 서브밴드 방식에 의하면, 동일 시스템에 여러 타입의 초음파 트랜스듀서를 사용할 수 있어서, 덜 중요한 입력 주파수에 대해 낮은 대역폭을 가진 더 저렴한 초음파 트랜스듀서를 사용할 수 있게 된다. 이에 의해, 시스템의 가격을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구현에 유연성이 있다. 예를 들어, 파라메트릭 스피커 시스템(400)에 대해 여러 변형예가 가능하다. 본 발명의 실시예는, 예를 들어 제조업자에 의해 요구되는 용도에 맞도록 확장이 가능하다. 시스템의 가격 결정은 이러한 확장에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 제품이 차별화될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 둘 이상의 변조 단을 사용할 수 있다. 이에 의하면, 아날로그 변조기와 같은 상대적으로 저렴한 하드웨어로 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 이에 의하면, 각 변조 단에서 반송 주파수를 독립적으로 조정함으로써 전체 반송 주파수를 조정할 수 있기 때문에, 입력 신호의 변조를 위한 반송 주파수의 선택에 있어서 더 유연성을 갖게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 둘 이상의 등화 단을 제공할 수 있다. 이에 의하면, 초기 등화 단으로 입력 신호의 개략적인 등화를 달성하고, 그 후단인 등화 단에 의해 입력 신호의 더 미세한 등화를 달성할 수 있다. 이에 의하면, 입력 신호의 등화가 더 효율적이며 정확하게 이루어진다.
따라서, 본 발명의 실시예는 파라메트릭 구성에서 왜곡을 감소시키는 보상 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예를 사용하여 몇 가지 상업적인 응용을 달성할 수 있다. 이들 응용으로는, (a)박물관, 빌보드, 아트 갤러리, 레스토랑 등에서 개인 메시지를 제공하는 것, (b)다중언어 화상회의 및 메시징, (c)게임 및 가정용 엔터테인먼트에서의 새로운 스테레오 및 3차원 효과의 생성, (d)지향성 확성기, (e)개인용 튠인 존(personal tune-in zone)을 포함한다.
요약하면,
(i)가변 차수를 가진 전치 왜곡 항을 사용함으로써, 본 발명의 실시예는 초음파 에미터(또는 트랜스듀서)의 여러 유형 또는 여러 대역폭에 적합하도록 변조 기술의 차수를 낮추거나 높일 수 있다. 또한, 서브밴드 방식을 사용함으로써, 변조 기술의 차수를 각 주파수 영역에서의 필요에 따라 튜닝할 수 있다.
(ii)본 발명의 실시예는 더 관련성이 있는 또는 직접 전처리 기법을 입력 신호의 각 주파수 영역에 적용함으로써, 오디오 비밍에 대한 멀티밴드 왜곡 방식을 제공할 수 있다.
(iii)본 발명의 실시예에 의하면, 초음파 트랜스듀서의 대역폭에 부합하는 기능이 있어서 왜곡을 감소시킬 수 있다.
(iv)본 발명의 실시예에 의하면, 트랜스듀서 단의 주파수 및 위상 응답의 서브밴드 기반의 등화를 제공한다. 풀밴드 방식과 달리, 서브밴드 방식에 의하면, 등화를 구현할 때에 파라메트릭 스피커의 출력 음향 레벨이 크게 낮아지는 문제를 해결할 수 있다.
(v)본 발명의 실시예는 효과적인 계산 복잡성을 달성한다.
(vi)본 발명의 실시예는 다중 변조 단을 사용함으로써 유연성을 달성할 수 있으며 더 낮은 가격으로 구현할 수 있다.
(vii)본 발명의 실시예에 적응형 알고리즘을 사용함으로써, 파라메트릭 스피커 시스템의 초음파 트랜스듀서의 여러 타입에서 발견되는 결함을 더 효과적으로 보상할 수 있다. 또한, 하나 이상의 등화 단을 포함함으로써, 등화 처리의 효율 및 정확성이 향상될 수 있다.
이상의 설명은 예시적인 실시예이며, 당업자라면, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 설계, 구성 및/또는 동작에 있어서 여러 변형예가 가능할 것이다.

Claims (32)

  1. 지향성 음향 시스템에 있어서,
    입력 신호를 등화하도록 구성된 다수의 등화 단(equalization stage); 및
    등화된 입력 신호를 전송하도록 구성된 트랜스듀서 단(transducer stage)
    을 포함하며,
    상기 다수의 등화 단은 상기 트랜스듀서 단의 근사 모델을 채택하도록 구성된 제1 등화 단과, 상기 트랜스듀서 단의 근사 모델(approximated model)과 상기 트랜스듀서 단의 실제 모델(actual model) 간의 차를 보상하도록 구성된 제2 등화 단을 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 등화 단 이전에 상기 제1 등화 단으로부터 등화된 입력 신호를 변조시키도록 구성된 변조 단(modulation stage)을 더 포함하며, 상기 변조 단은 가변 차수를 가진 전치 왜곡 항(pre-distortion term)을 사용하는 변조 기술을 채택하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변조 기술은,
    상기 변조 기술에 대한 입력을 제1 반송 신호로 변조함으로써 메인 신호를 생성하며;
    상기 전치 왜곡 항을 상기 제1 반송 신호에 대해 직교하는 제2 반송 신호로 승산함으로써 보상 신호를 생성하고; 및
    상기 메인 신호 및 보상 신호를 가산하여, 상기 변조 기술의 출력을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 등화 단은 복조 이후에 입력 신호의 하나 이상의 예측된 변화를 보상하고, 상기 트랜스듀서 단의 주파수 및 위상 응답을 보상하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 등화 단은 복조 이후에 입력 신호의 예측된 12dB/옥타브 슬로프 변경을 보상하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 등화 단은 하나 이상의 적응 필터(adaptive filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    사용 중에, 상기 하나 이상의 적응 필터는 제1 신호 및 제2 신호 간의 차를 사용하여 최소 평균 제곱(least mean square) 알고리즘을 사용하여 트레이닝하며;
    상기 제1 신호는 상기 입력 신호를 이중 적분(double integrate)하고, 상기 트랜스듀서 단의 실제 모델의 반전에 의해 이중 적분된 신호(double integrated signal)를 처리함으로써 취득될 수 있으며, 상기 제2 신호는 상기 제1 등화 단으로부터 등화된 입력 신호를 사용하여 취득가능한 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 단 이전에 상기 등화된 입력 신호를 증폭하기 위한 증폭 단(amplification stage)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 단은 초음파 트랜스듀서를 포함하며,
    상기 변조 기술에 대한 전치 왜곡 항의 차수는 상기 입력 신호의 대역폭과 상기 초음파 트랜스듀서의 대역폭에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서의 주파수 응답은 비대칭(non-symmetrical)이며, 제2 등화 단은 상기 초음파 트랜스듀서의 비대칭 주파수 응답을 보상하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 신호는 다수의 주파수 영역으로 분할될 수 있으며, 상기 입력 신호의 각각의 주파수 영역은 상기 변조 단을 통해 독립적으로 처리될 수 있는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 입력 신호는 필터 뱅크(filter bank) 내의 다수의 필터를 사용하여 다수의 주파수 영역으로 분할될 수 있으며, 상기 변조 단은 다수의 변조기를 포함하고, 상기 변조기는 상기 필터 뱅크 내의 각각의 필터에 각각 동작가능하게 연결되며,
    상기 변조기의 하나 이상은 상기 변조기에 동작가능하게 연결된 상기 필터의 대역폭에 기초하여 선택된 하나 이상의 변조기의 각각에 대해 전치 왜곡 항의 차수를 가진 변조 기술을 채택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 입력 신호의 각각의 주파수 영역은 제1 및 제2 등화 단을 통해 독립적으로 처리될 수 있는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 단은 다수의 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 변조 단의 변조기와 상기 필터 뱅크의 필터에 각각 동작가능하게 연결되며,
    상기 변조기의 하나 이상은 상기 변조기에 동작가능하게 연결된 필터의 대역폭과 상기 변조기에 동작가능하게 연결된 초음파 트랜스듀서의 대역폭에 기초하여 선택된 하나 이상의 변조기의 각각에 대해 전치 왜곡 항의 차수를 가진 변조 기술을 채택하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  15. 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조 단은 제1 변조 단을 포함하며,
    상기 지향성 음향 시스템은 상기 트랜스듀서 단에 앞서 등화된 입력 신호를 변조하도록 구성된 제2 변조 단을 더 포함하며, 변조된 등화 입력 신호의 반송 주파수는 상기 제1 변조 단의 제1 반송 주파수와 제2 변조 단의 제2 반송 주파수에 의존하는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 입력 신호는 다수의 주파수 영역으로 분할될 수 있으며, 상기 입력 신호의 각각의 주파수 영역은 제1 및 제2 변조 단을 통해 독립적으로 처리될 수 있는 것을 특징으로 하는 지향성 음향 시스템.
  17. 지향성 음향 시스템에 대하여 입력 신호를 처리하기 위한 방법에 있어서,
    입력 신호를 반복적으로 등화하는 단계; 및
    등화된 입력 신호를 전송하는 단계를 포함하며,
    상기 입력 신호의 제1 등화는 전송의 근사 모델(approximated model)을 사용하여 수행되며, 상기 입력 신호의 제2 등화는 상기 전송의 근사 모델과 상기 전송의 실제 모델 간의 차를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    가변 차수를 가진 전치 왜곡 항을 사용하여 변조 기술을 채택함으로써 제2 등화에 앞서 상기 제1 등화로부터 등화된 입력 신호를 변조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 변조 기술은,
    상기 변조 기술에 대한 입력을 제1 반송 신호로 변조함으로써 메인 신호를 생성하며;
    상기 전치 왜곡 항을 상기 제1 반송 신호에 대해 직교하는 제2 반송 신호로 승산함으로써 보상 신호를 생성하고; 및
    상기 메인 신호 및 보상 신호를 가산하여, 상기 변조 기술의 출력을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 전송은 주파수 및 위상 응답 특성을 가지며,
    상기 입력 신호를 반복해서 등화하는 단계는, 복조 이후에 입력 신호의 하나 이상의 예측된 변화를 보상하는 단계와 상기 전송의 주파수 및 위상 응답을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복조 이후에 입력 신호의 하나 이상의 예측된 변화를 보상하는 단계는, 복조 이후에 입력 신호의 예측된 12dB/옥타브 슬로프 변경을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송의 근사 모델과 상기 전송의 실제 모델 간의 차를 보상하는 단계는 적응적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 전송의 근사 모델과 상기 전송의 실제 모델 간의 차를 적응적으로 보상하는 단계는 제1 신호와 제2 신호 간의 차를 이용하는 최소 평균 제곱(least mean square) 알고리즘에 의해 수행되며,
    상기 제1 신호는 상기 입력 신호를 이중 적분(double integrate)하고, 상기 전송의 실제 모델의 반전에 의해 이중 적분된 신호(double integrated signal)를 처리함으로써 취득될 수 있으며, 상기 제2 신호는 상기 제1 등화로부터 등화된 입력 신호를 사용하여 취득되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전송 이전에 등화된 입력 신호를 증폭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 등화된 입력 신호는 초음파 트랜스듀서를 사용하여 전송되며,
    상기 변조 기술에 대한 전치 왜곡 항의 차수는 입력 신호의 대역폭과 초음파 트랜스듀서의 대역폭에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서의 주파수 응답은 비대칭이며,
    상기 방법은 초음파 트랜스듀서의 비대칭 주파수 응답을 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 신호를 반복해서 등화하기 전에 상기 입력 신호를 다수의 주파수 영역으로 분할하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 등화된 입력 신호를 변조하는 단계는, 상기 등화된 입력 신호를 상기 입력 신호의 각각의 주파수 영역에 대해 독립적으로 변조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 입력 신호는 필터 뱅크 내의 다수의 필터를 사용하여 다수의 주파수 영역으로 분할되며, 상기 필터 뱅크의 각각의 필터의 대역폭에 기초하여 선택된 전치 왜곡 항의 차수를 가진 변조 기술이 채택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    각 주파수 영역에 대한 상기 변조된 등화 신호는 초음파 트랜스듀서를 사용하여 전송되며; 하나 이상의 주파수 영역에 대하여, 필터 뱅크의 각 필터의 대역폭과 각 초음파 트랜스듀서의 대역폭에 기초하여 선택된 전치 왜곡 항의 차수를 가진 변조 기술이 채택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제18항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 등화된 입력 신호를 전송하기 전에 변조된 등화 입력 신호를 변조하는 단계를 더 포함하며, 상기 변조된 등화 입력 신호의 반송 주파수는 처음 변조의 제1 반송 주파수와 추가의 변조의 제2 반송 주파수에 의존하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 신호의 각 주파수 영역은 상기 입력 신호의 하나 이상의 등화에서 독립적으로 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
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