KR20160140161A - 노이즈 제거 기능이 구비된 이어폰 장치 및 노이즈 제거 방법 - Google Patents

노이즈 제거 기능이 구비된 이어폰 장치 및 노이즈 제거 방법 Download PDF

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Abstract

외부의 노이즈의 영향을 제거하는 이어폰이 제공된다. 상기 이어폰은 이이폰 착용시에 귀 외측에 위치하여 외부의 노이즈인 제1 신호를 입력받는 제1 마이크, 상기 제1 신호를 주파수 대역 별로 진폭 및 위상을 제어하여 역위상 소음제어 신호를 생성하고 스피커로 출력하는 제1 처리부, 이어폰 착용시에 귀 내측에, 상기 외부의 노이즈가 이이폰 기구물을 통과하여 귀 내부로 인입된 신호인 제2 신호 및 상기 스피커로 출력되는 역위상 소음제어 신호를 입력받는 제2 마이크 및 상기 역위상 소음제어 신호에 의해 상기 제2 신호의 일부가 소멸되고 남은 잔여 소음 신호의 에너지 레벨이 최소값이 되도록 주파수 대역별로 위상 및 진폭을 제어하는 제어 신호를 생성하여 상기 제1 처리부로 전달하는 제2 처리부를 포함하여, 주기성 소음 뿐만 아니라 비주기성 소음에 대해서도 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

노이즈 제거 기능이 구비된 이어폰 장치 및 노이즈 제거 방법{Noise Cancelling Method and Earphone havinng Noise Cancelling Function}
본 발명은 노이즈 제거 기능이 구비된 이어폰 장치 및 이에 적용되는 노이즈 제거 방법에 관한 것으로서, 상세하게는, 주변 환경에서 발생된 소음이 서로 다른 경로를 통해 마이크를 통해 입력되는 경우에 서로 다른 경로를 통해 합성되는 소음들이 상호 제거될 수 있도록 하는 노이즈 제거 방법 및 이 기능이 구현된 이어폰 장치에 관한 것이다.
주변 환경에서 발생된 소음의 영향을 감소시키면서 음향을 출력 할 수 있는 기술이 개발되고 있다. 이러한 노이즈 제거 기술은 이어폰이나 헤드폰 등의 음향 출력 장치에 적용되어 외부로부터 유입되는 노이즈를 효과적으로 제거함과 동시에 노이즈 제거 과정에서 필연적으로 발생되는 음향의 손실을 최소화하는 것을 큰 과제로 한다.
종래의 노이즈 제거 기술은 제거 대상이 되는 노이즈 신호와 위상이 180도 차이가 나고 크기가 동일한 역위상 소음제어 신호(안티 노이즈, Anti-Noise)를 생성하여 노이즈 신호에 합성함으로써 노이즈 신호를 제거하는 방식이다. 이러한 방식은 이어폰 또는 헤드폰의 내부에 배치된 마이크를 통해 노이즈를 입력받고 이를 기초로 역위상 소음제어 신호를 생성하게 된다. 하지만, 이 경우에 역위상 소음제어 신호를 생성하기 위한 기초 신호가 되는 노이즈 신호는 귀 바깥에서 입력받은 것이므로, 실제로 이이폰 기구물을 통과하여 사용자의 귀 내부로 유입되는 노이즈와는 차이가 있으며, 이로 인해 생성된 안티 노이즈(역위상 소음제어 신호)를 통해 실제 귀 내부로 유입된 노이즈를 정확하게 제거하지 못하게 된다.
또한, 이와 같은 종래의 노이즈 제거 기술은 복수의 원인으로 인한 다양한 노이즈들 중에서 일부 주파수 대역의 노이즈를 기준으로 역위상 소음제어 신호를 생성하는데, 이 경우 특정한 주파수 대역에서 상기 주변 소음의 제거 성능 요구 조건을 만족하더라도 나머지 주파수 대역에서는 노이즈 제거 효과가 떨어지거나 심한 경우 다른 주파수 대역, 예를 들어, 1kHz 이상의 고주파수 대역에서는 노이즈가 오히려 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이어폰으로 입력되는 주변 소음에 의한 영향을 감소시키는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이어폰은, 이이폰 착용시에 귀 외측에 위치하여 외부의 노이즈인 제1 신호를 입력받는 제1 마이크; 상기 제1 신호를 주파수 대역 별로 진폭 및 위상을 제어하여 역위상 소음제어 신호를 생성하고 스피커로 출력하는 제1 처리부; 이어폰 착용시에 귀 내측에, 상기 외부의 노이즈가 이이폰 기구물을 통과하여 귀 내부로 인입된 신호인 제2 신호 및 상기 스피커로 출력되는 역위상 소음제어 신호를 입력받는 제2 마이크; 및 상기 역위상 소음제어 신호에 의해 상기 제2 신호의 일부가 소멸되고 남은 잔여 소음 신호를 기초로 주파수 대역별로 위상 및 진폭을 제어하는 제어 신호를 생성하여 상기 제1 처리부로 전달하는 제2 처리부를 포함한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다중 채널 능동 소음 제어 블록은, 이이폰 착용시에 귀 외측에 위치하는 제1 마이크로부터 입력받은 외부의 노이즈인 제1 신호를 복수의 주파수 대역 별로 분리하는 필터뱅크; 및 상기 복수의 주파수 대역 별로 분리된 제1 신호 성분들이 제2 신호의 상기 복수의 주파수 대역 별로 대응하는 제2 신호 성분들과 상호 제거되도록 상기 제1 신호 성분들의 위상과 진폭을 제어하는 위상제어블록 및 진폭제어블록을 포함한다. 여기서, 상기 제2 신호는 이어폰 착용시에 귀 내측에, 상기 외부의 노이즈가 이이폰 기구물을 통과하여 귀 내부로 인입된 신호이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이어폰의 노이즈 제거 방법은, 이이폰 착용시에 귀 외측에 위치하는 제1 마이크로부터 외부의 노이즈인 제1 신호를 입력받는 과정; 상기 제1 신호를 주파수 대역 별로 진폭 및 위상을 제어하여 역위상 소음제어 신호를 생성하는 과정; 이어폰 착용시에 귀 내측에 위치하는 제2 마이크로부터, 상기 외부의 노이즈가 이이폰 기구물을 통과하여 귀 내부로 인입된 신호인 제2 신호 및 스피커로 출력되는 역위상 소음제어 신호를 입력받는 과정; 상기 역위상 소음제어 신호에 의해 상기 제2 신호의 일부가 소멸되고 남은 잔여 소음 신호를 기초로 주파수 대역별로 위상 및 진폭을 제어하는 제어 신호를 생성하는 과정을 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 주변 환경에서 발생된 소음이 서로 다른 경로를 통해 마이크를 통해 입력되는 경우에 서로 다른 경로를 통해 합성되는 소음들이 상호 제거될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 서로 다른 경로를 통해 입력되는 소음들이 넓은 주파수 대역에서 상호 제거될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크와 스피커를 구비한 이어폰의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크와 스피커를 구비한 이어폰에서 주변 소음을 제거하기 위한 처리 회로의 블록도를 시간 영역에서 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크와 스피커를 구비한 이어폰에서 주변 소음을 제거하기 위한 처리 회로의 블록도를 주파수 영역에서 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 처리 회로의 각 블록들에 대한 세부 구조를 포함하는 세부 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 채널 능동 소음 제어 블록의 세부 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 필터 뱅크 내의 복수의 대역 통과 필터의 주파수에 따른 신호 전달 특성을 도시한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이어폰의 구조도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이어폰(100)은 제1 마이크(111, 112), 제2 마이크(121, 122) 및 스피커(131, 132)를 포함한다. 또한 추가적으로 사용자로부터의 음성 입력을 수신하기 위한 제3 마이크(113)를 더 포함할 수 있으나, 외부 노이즈에 의한 영향을 상쇄하기 위한 본 발명에서는 특별히 논의의 대상으로 하지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 제1 마이크(111, 112)와 제2 마이크(121, 122)가 구비되고 상기 제1 마이크(111, 112) 및 상기 제2 마이크(121, 122) 간의 임의의 지점에 주변 소음에 의한 영향이 상호 제거되도록 하는 처리 회로가 배치되는 가장 일반적인 구조의 이어폰에 대해서만 설명하기로 한다. 한편, 도 1의 상기 이어폰(100)은 삽입형 이어폰의 형태로 예시되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 이어폰 또는 헤드폰의 형태로도 구현될 수 있음은 물론이다.
상기 제1 마이크(111, 112)는 상기 이어폰(100)을 착용 시에 귀 내측에 삽입되지 않고 귀 외측에 위치하여 외부에 노출되는 영역에 위치하게 된다. 도 1에 점선으로 표시된 확대도에서 보는 바와 같이, 상기 제1 마이크(111, 112)와 상기 스피커(131, 132)는 차폐벽에 의해 차단된 별도의 공간에 배치될 수 있다. 상기 제1 마이크(111 및 112)는 귀 외측에 위치하여 외부의 노이즈인 제1 신호를 입력받는다. 상기 제1 신호는 후술할 처리 회로에 의해 역위상 소음제어 신호의 생성에 이용되며, 생성된 역위상 소음제어 신호는 상기 스피커(131, 132)로 출력된다. 상기 스피커(131, 132)로부터 출력된 역위상 소음제어 신호는 상기 제2 마이크(121, 122)로 입력된다. 상기 제1 마이크(111 및 112) 및 상기 제2 마이크(121 및 122) 간의 임의의 지점에는 주변 소음에 의한 영향이 상호 제거되도록 하는 처리 회로가 배치될 수 있다.
이 때, 상기 제1 마이크(111, 112)로 입력된 노이즈는 상기 차폐벽 또는 스피커(131, 132) 등의 이어폰 기구물을 통과하여 귀 내부로 인입되어 상기 제2 마이크(121, 122)로 입력될 수 있다. 여기서, 상기 제2 마이크(121, 122)로 인입된 노이즈는 이어폰 기구물 등을 통과하는 과정에서 상기 제1 신호와 상이하게 왜곡되어 사용자의 외이도로 인입되며 이를 왜곡된 소음 신호 또는 제2 신호라고 한다.
상기 제1 마이크(111, 112)로 인입된 제1 신호와 각종 이어폰 기구물들을 통과하는 과정에서 왜곡되어 제2 마이크(121, 122)로 인입된 제2 신호는 서로 상이할 수 있으며, 이로 인해 상기 제1 신호를 기초로 생성된 역위상 소음제어 신호에 의해 상기 제2 신호가 완전히 제거되지 못하고 잔여 소음 신호가 남게 된다. 이하에서는 도면을 참조하여 잔여 소음 신호를 처리하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크와 스피커를 구비한 이어폰에서 주변 소음을 제거하기 위한 처리 회로의 블록도를 시간 영역에서 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 처리 회로의 블록도를 주파수 영역에서 도시한 것이다. 또한, 도 4은 도 2, 3의 처리 회로의 각 블록들에 대한 세부 구조를 포함하는 세부 블록도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 처리 회로(1000)는 제1 마이크(110), 제2 마이크(120), 스피커(130), 제1 처리부(1100) 및 제2 처리부(1500)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 마이크(110)는 한 쌍(111, 112)으로 구성될 수 있으며, 상기 제2 마이크(120) 또한 한 쌍(121, 122)으로 구성될 수 있으며, 상기 스피커(130)도 한 쌍(131 및 132)의 스피커로 구성될 수 있다.
상기 제1 처리부(1100)는 상기 제1 마이크(110)로부터 입력된 외부의 노이즈인 제1 신호를 주파수 대역 별로 진폭 및 위상을 제어하여 역위상 소음제어 신호(anti-noise signal)를 생성하고 스피커(130)로 출력한다. 여기서 상기 제1 신호는 Sn(t)와 Ha(t)의 시간 영역 컨볼루션 연산인 Sn(t)*Ha(t)으로 계산되며, Sn(t)는 외부 노이즈 신호의 시간 영역 함수이고, Ha(t)는 상기 제1 마이크(110)로 전달되는 외부 노이즈 신호의 시간 영역 전달 함수이다.
여기서 상기 역위상 소음제어 신호 San(t)는 상기 제1 신호 (Sn(t)*Ha(t))에 상기 제1 처리부(1100) 및 상기 스피커(130)를 포함하는 경로의 시간 영역 전달 함수를 Hb(t)라고 할 때, Sn(t)*Ha(t)*Hb(t)로 주어진다. 또한 상기 왜곡된 소음 신호인 제2 신호 Snd(t)는 상기 이어폰의 기구물, 예를 들어, 상기 제1 마이크(110)와 스피커 간의 차단벽 등을 통해 상기 제2 마이크(120)로 전달되는 외부 노이즈의 전달 경로의 전달함수를 Hs(t)라고 할 때, Sn(t)*Hs(t)로 주어진다. 따라서, 상기 제1 신호의 역위상 소음제어 신호 San(t)와 상기 제2 신호 Snd(t)가 상기 제2 마이크(120)에서 중첩되고 남은 잔여 소음 신호 Snr(t)는 San(t)+Snd(t) = (Sn(t)*Ha(t)*Hb(t)) + (Sn(t)*Hs(t))로 주어진다.
상기 제2 처리부(1500)는 상기 역위상 소음제어 신호 San(t) 및 상기 제2 신호 Snd(t)가 중첩되어 상호 제거되도록 상기 주파수 대역 별로 제어 신호를 생성하여 상기 제1 처리부(1100)에 제공한다. 구체적으로, 상기 제1 처리부(1100)에 의해 생성된 상기 역위상 소음제어 신호에 의해 상기 제2 신호의 일부가 소멸되고 남은 잔여 소음 신호 Snr(t)가 제2 마이크(120)로 입력되어 제2 처리부(1500)에 입력된다. 제2 처리부(1500)는 입력된 잔여 소음 신호를 기초로 주파수 대역별로 위상 및 진폭을 제어하는 제어 신호를 생성하여 상기 제1 처리부(1100)로 전달한다. 이 때 상기 역위상 소음제어 신호 및 상기 제2 신호가 중첩되고 남은 잔여 소음 신호에 대하여 상기 제2 처리부(1500)의 시간 영역 전달 함수가 Hc(t)인 경우에 피드백된 제어 신호에 의해 생성되는 역위상 소음제어 신호는 Snr(t)*Hc(t) = (San(t)+Snd(t))*Hc(t) = (Sn(t)*Ha(t)*Hb(t)+Sn(t)*Hs(t))*Hc(t)로 주어진다.
한편, 도 3은 도 2에서 도시된 전달 함수들에 대한 주파수 영역에서의 변환을 표시한다. 이러한 주파수 영역에서의 변환에 의한 상기 제1 신호의 역위상 소음제어 신호, 상기 제 2 신호 및 상기 잔여 소음 신호를 기초로 보정된 역위상 소음제어 신호의 주파수 영역에서의 해석은 시간 영역에서의 해석보다 직관적인 해석 결과를 제공하여, 상기 제2 처리부(1500)에서의 제어 신호의 생성을 보다 용이하게 한다.
여기서, 상기 역위상 소음제어 신호 및 상기 제2 신호는 각각 San(f) = Sn(f)?Ha(f)?Hb(f) 및 Snd(f) = Sn(f)?Hs(f)로 주어진다. 또한, 상기 제2 처리부(1500)의 주파수 영역 전달 함수가 Hc(f)인 경우에 피드백된 제어 신호에 의해 생성되는 역위상 소음제어 신호(anti-noise signal)는 Snr(f)?Hc(f) = (San(f)+Snd(f))?Hc(f) = (Sn(f)?Ha(f)?Hb(f)+Sn(f)?Hs(f))?Hc(f) = Sn(f)?Hc(f)?(Ha(f)?Hb(f)+Hs(f)) 로 주어진다. 따라서 상기 제2 처리부(1500)의 특성에 관계없이 상기 제1 처리부(1100)의 주파수 영역에서의 전달 함수인 Hb(f) = -Hs(f)?Ha(f)-1로 설정하면 외부 노이즈에 의한 영향은 원칙적으로 상쇄 가능하다.
하지만 상기 제1 처리부(1100)에서는 상기 제2 신호에 의한 외부 노이즈에 대한 영향은 정확히 알 수 없으므로, 상기 제1 신호에 의한 외부 노이즈에 대한 영향을 고려하여 역위상 소음제어 신호를 생성할 수밖에 없다. 이러한 경우에 상기 제1 신호는 이어폰 구조물을 통과하여 귀 내부로 들어오는(따라서 사용자가 실제로 듣게 되는 노이즈인) 제2 신호와는 차이가 있으므로, 상기 제1 신호를 기초로 생성된 역위상 소음제어 신호는 제2 신호를 완전히 제거할 수 없다.
구체적으로는 외부 노이즈 신호가 상기 제1 마이크(110)와 상기 제2 마이크(120)에 입력되는 경우에, 상기 외부 노이즈는 자유 공간을 통해 상기 제1 마이크(110)로 상기 제1 신호가 입력되며, 이어폰의 기구물(예를 들어, 이어폰의 외부 케이스, 제1 마이크(110)와 스피커 간의 차단벽, 스피커 등)을 통해 상기 노이즈가 왜곡된 신호인 상기 제2 신호가 제2 마이크(120)로 입력된다. 따라서, 상기 제1 신호를 기초로 상기 제1 처리부(1100)에서 생성하여 스피커를 통해 출력되는 상기 역위상 소음제어 신호와 상기 제2 신호가 상기 제2 마이크(120)로 입력되는 경우에, 상기 제2 신호는 상기 역위상 소음제어 신호에 의해 완전히 제거되지 못하고, 잔여 소음 신호가 남게 된다.
완전히 제거되지 못한 잔여 소음 신호가 상기 제2 처리부(1500)로 입력되고, 상기 입력된 잔여 소음 신호를 최소화하기 위하여 상기 제2 처리부(1500)는 상기 제1 처리부(1100)로 전달되는 제어 신호를 상기 잔여 소음 신호를 최소화하는 형태로 조절하여 전달한다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 처리부(1100)는 다중채널 능동소음제어 블록(1200)을 포함한다. 또한 상기 제1 처리부(1100)는 상기 제1 신호를 전체 주파수 대역에서 진폭 제어하는 제1 증폭기(1110)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 증폭기(1110)는 도 2에서 도시된 바와 같이 상기 제1 마이크(110)를 통해 입력된 소음 신호인 제1 신호를 원하는 신호레벨로 증폭하기 위해 상기 제1 신호의 전체 주파수 대역에서 진폭 제어를 수행한다.
상기 제1 증폭기(1110)에서 증폭된 제1 신호는 다중채널 능동소음제어 블록(1200)으로 입력되고, 상기 다중채널 능동소음제어 블록(1200)은 후술할 제2 처리부(1500)의 중앙처리장치(1530)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 입력된 제1 신호를 주파수 대역별로 위상 및 진폭을 제어하여 역위상 소음제어신호(안티 노이즈 신호)를 생성한다.
제2 합성기(1120)는 다중채널 능동소음제어 블록(1200)에서 생성된 역위상 소음제어신호 및 이어폰을 통해 출력하고자 하는 음향 신호를 합성하고, 합성된 신호는 제3 증폭기(1130)를 거쳐서 임의의 신호레벨로 증폭된 후 스피커(130)를 통해 출력된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 본 장치를 통해 외부 노이즈를 제거하는 소음제어 과정동안 상기 음향 신호의 상기 제2 합성기(110)로의 입력을 차단할 수 있다. 즉, 음향 신호가 입력되지 않는 동안에 외부 노이즈 제거 방법을 이용하여 외부 노이즈가 최소화되도록 각 대역별로 위상값과 진폭값을 조정한 후에 음향 신호를 입력할 수 있다.
상기 스피커(130)를 통해 출력되는 역위상 소음제어 신호 San(t)는 이어폰의 외부로부터 외이도로 인입된 노이즈인 제2 신호 Snd(t)와 전체 주파수 대역에서 중첩되고, 남은 잔여 소음신호 Snr(t)는 제2 마이크(120)로 입력되어 제2 처리부(1500)로 전달된다.
이러한 주파수 대역 별로 잔여 소음 신호의 피드백을 위하여 상기 제2 처리부(1500)는 잔여 소음 신호를 고려하여 전체 주파수 대역을 적응적으로 분리하고, 상기 분리된 각각의 주파수 대역에 대한 위상 및 진폭 제어를 위한 제어신호를 생성하여 상기 제1 처리부(1100)로 피드백한다.
구체적으로, 상기 제2 처리부(1500)는 제4 증폭기(1510), 제2 필터뱅크(1600), 다중 스위치(1700), 신호 변환기(1520) 및 중앙처리장치(MCU/DSP; 1530)을 포함한다.
상기 제4 증폭기(1510)는 상기 잔여 소음 신호를 전체 주파수 대역에서 진폭 제어한다.
상기 제2 필터뱅크(1600)는 상기 잔여 소음 신호를 복수의 주파수 대역 별로 분리하며, 상기 제1 처리부(1100)의 다중채널 능동소음제어 블록(1200)에 포함되는 제1 필터뱅크(1210)와 주파수 대역이 동일하다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제4 증폭기(1510)를 거치며 증폭된 잔여 소음 신호는 상기 제2 필터뱅크(1600)를 거치지 않고 상기 신호변환기(1520)로 바로 입력되어 디지털 신호로 변환될 수도 있다.
상기 다중 스위치(1700)는 상기 주파수 대역 별로 분리된 상기 잔여 소음 신호의 각각의 성분을 전달하기 위한 온(on) 또는 오프(off) 동작을 제어한다. 상기 잔여 소음 신호의 전체 주파수 대역이 상기 외부 노이즈의 전체 주파수 대역 및 각각의 주파수 대역을 동일하게 하고, 특정 주파수 대역에서 상기 잔여 소음 신호 성분이 일정 기준 이하의 값을 가지면 상기 특정 주파수 대역에서는 외부 노이즈 제거의 필요성이 없으므로, 상기 특정 주파수 대역에 해당하는 특정 스위치가 오프 되도록 할 수 있다.
어느 실시예에 의하더라도 상기 제1 필터 뱅크(1210) 및 상기 제2 필터 뱅크(1600)의 각각의 주파수 대역은 일치하여야 하므로, 적응적으로 결정된 상기 제2 필터 뱅크(1600)의 각각의 주파수 대역에 일치하도록 상기 제1 필터 뱅크(1210)의 각각의 주파수 대역을 조정해야 한다.
상기 신호변환기(1520)는 상기 다중 스위치(1700)로의 상기 온(on) 동작에 의해 전달된 잔여 소음 신호 성분들에 대응하는 일부 주파수 대역에 대한 아날로그 디지털 변환을 수행한다.
상기 중앙처리장치(1530)는 상기 일부 주파수 대역에 대해 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호가 상호 제거되도록 상기 일부 주파수 대역 별로 제어 신호를 생성한다. 여기서, 상기 제어 신호는 상기 제1 처리부(1100)의 다중채널 능동소음제거 블록(1200)을 구성하는 제1 필터뱅크, 위상제어블록 및 진폭제어블록에 대한 제어신호인, 대역 선택 신호, 위상 제어 신호 및 진폭 제어 신호를 포함한다. 위에서 설명한 바와 같이 상기 대역 선택 신호는 상기 제1 필터 뱅크 및 상기 제2 필터 뱅크(1600)의 각각의 주파수 대역은 일치하여야 하므로, 적응적으로 결정된 상기 제2 필터 뱅크(1600)의 각각의 주파수 대역에 일치하도록 상기 제1 필터 뱅크(1210)의 각각의 주파수 대역을 조정하도록 한다.
이하에서, 상기 다중채널 능동소음제어 블록(1200)의 세부 구성을 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 능동소음제어 블록(1200)의 세부 구성도이다. 상기 다중채널 능동소음제어 블록(1200)은 제1 필터뱅크(1210), 위상제어블록(1220), 진폭제어블록(1230), 제1 합성기(1240) 및 제2 증폭기(1250)을 포함한다.
상기 제1 필터뱅크(1210)는 상기 제2 처리부(1500)의 중앙처리장치(1530)로부터의 제어 신호에 기반하여 상기 제1 신호를 복수의 주파수 대역 별로 분리한다. 상기 외부 노이즈는 다수의 노이즈 소스(noise source)들에 의해 광대역 특성을 나타내기 때문에, 특정 주파수 대역에서 소음 제거를 위해 최적화된 역위상 소음제어 신호의 값은 다른 주파수 대역에서까지 소음 제거를 위해 최적화된 값이 아니다. 특히, 1KHz 이상의 고주파 대역에서는 오히려 소음이 증가하는 특성을 갖는다.
따라서, 상기 제1 필터뱅크(1210)는 복수의 주파수 대역을 세분화하여 각각의 주파수 대역 별로 최적화된 진폭, 위상 제어를 위하여 상기 제1 신호를 제어 신호에 기반하여 복수의 주파수 대역 별로 분리한다. 이를 위하여, 상기 제1 필터뱅크(1210)는 제1 내지 제 n 대역 통과 필터를 포함하며, 상기 중앙처리장치(1530)의 제어 신호를 기초로 상기 제1 대역 통과 필터부터 제n 대역 통과 필터까지 순차적으로 선택할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 필터 뱅크 내의 복수의 대역 통과 필터의 주파수에 따른 신호 전달 특성을 도시한다. 일 실시예에 따르면, 외부 노이즈의 전체 주파수 대역을 n개의 대역으로 나누어 각각의 주파수 대역에 대하여 대역 통과 필터를 이용하여 상기 제1 신호를 분리할 수 있다. 또한 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 외부 노이즈의 전체 주파수 대역을 상기 외부 노이즈의 특성 또는 대역폭(최소 위상 추이 범위 내)을 고려하여 비균일하게 n개의 대역으로 분리할 수도 있다. 뿐만 아니라 상기 외부 노이즈의 특성 또는 상기 제1 처리부(1100)에서의 주파수 대역 별 처리 결과를 고려하여 상기 외부 노이즈의 전체 주파수 대역을 적응적으로 결정할 수도 있다. 상기 복수의 대역 통과 필터 중 제1 대역 통과 필터 및 제n 대역 통과 필터는 각각 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터로 구현될 수도 있음은 물론이다.
또한, 상기 외부 노이즈가 특정 주파수 대역(제2 대역 통과 필터)에서 원하는 수준으로 충분히 감쇠된 상태인 경우에는 상기 제2 대역 통과 필터에 기 설정된 상기 제2 대역이 아닌 다른 주파수 대역에 대해 상기 제1 신호를 통과시키도록 제어 신호가 선택될 수 있다.
상기 위상제어블록(1220)은 상기 복수의 주파수 대역 별로 분리된 제1 신호 성분들이 상기 제2 신호의 상기 주파수 대역 별로 대응하는 제2 신호 성분들과 상호 제거되도록 상기 제1 신호 성분들의 위상을 제어한다.
구체적으로, 상기 위상제어블록(1220)은 상기 제1 필터뱅크(1210)에 의해 선택된 주파수 대역의 중심 주파수를 기준으로 위상을 제어한다. 우선, 진폭제어블록의 진폭값을 초기화한 이후에, 상기 위상제어블록(1220)은 선택된 주파수 대역에 대해 최소 위상값을 설정한다. 이후, 제2 마이크를 통해 입력된 잔여 소음 신호 Snr(t)의 에너지 레벨을 저장하고 선택된 주파수 대역에 대한 위상값을 일정 값만큼 증가시켜 설정한다. 이와 같은 과정은 설정된 위상값이 최대값에 도달할 때까지 반복된다. 상기 반복 과정이 완료되면, 위상제어블록(1220)은 저장된 에너지 레벨 중에서 최소값에 해당하는 위상값을 추출하고 이를 저장한다.
상기 진폭제어블록(1230)은 선택된 주파수 대역에 대한 상기 위상제어블록(1220)에서의 위상 제어가 끝나면 상기 선택된 주파수 대역에 대해 상기 제1 신호 성분들이 상기 제2 신호 성분들과 상호 제거되도록 진폭 제어를 수행한다.
상기 제1 신호 성분들과 상기 제2 신호 성분들은 각각의 주파수 대역(상기 제1 대역 내지 상기 제n 대역)에 대하여 신호의 크기가 동일하고 역위상(180도)인 경우에 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는 전체 주파수 대역에서 상호 제거되어 외부 노이즈의 제거가 가능하다.
구체적으로, 상기 위상제어블록(1220)에서 상기 선택된 주파수 대역에 해당하는 위상제어기의 위상값을 최소 에너지 레벨에 해당하는 위상값으로 초기화한 후, 상기 진폭제어블록(1230)은 선택된 주파수 대역에 해당하는 진폭 제어기의 진폭값을 최소 진폭값으로 설정한다. 이후, 제2 마이크를 통해 입력된 잔여 소음 신호 Snr(t)의 에너지 레벨을 저장하고, 선택된 주파수 대역에 대한 진폭값을 일정 값만큼 증가시켜 설정한다. 이와 같은 과정은 설정된 진폭값이 최대값에 도달할 때까지 반복된다. 상기 반복 과정이 완료되면, 진폭제어블록(1230)은 저장된 에너지 레벨 중에서 최소값에 해당하는 진폭값을 추출하고 이를 저장한다.
상기 과정은 모든 주파수 대역에 대해 상기 위상 제어 및 진폭 제어가 완료될 때까지 반복 수행된다.
이후, 제1 합성기(1240)는 상기 위상제어블록(1220) 및 상기 진폭제어블록(1230)을 통해 위상 및 진폭 제어된 모든 주파수 대역에서의 상기 제1 신호 성분들을 합성하여 전체 주파수 대역에서의 역위상 소음 제거 신호를 생성한다.
상기 제2 증폭기(1250)는 상기 생성된 역위상 소음 제거 신호를 전체 주파수 대역에서 진폭 제어한다.
상기와 같은 노이즈 제거 방법은 이어폰 장치 내의 제어 기능을 수행하는 제어부(controller), 프로세서(processor) 또는 펌웨어(firmware) 등에 의해 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 이어폰 장치 또는 상기 이이폰 장치와 연결된 다양한 전자 기기 (electronic device)들의 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 이어폰에 있어서,
    이이폰 착용시에 귀 외측에 위치하여 외부의 노이즈인 제1 신호를 입력받는 제1 마이크;
    상기 제1 신호를 주파수 대역 별로 진폭 및 위상을 제어하여 역위상 소음제어 신호를 생성하고 스피커로 출력하는 제1 처리부;
    이어폰 착용시에 귀 내측에, 상기 외부의 노이즈가 이이폰 기구물을 통과하여 귀 내부로 인입된 신호인 제2 신호 및 상기 스피커로 출력되는 역위상 소음제어 신호를 입력받는 제2 마이크; 및
    상기 역위상 소음제어 신호에 의해 상기 제2 신호의 일부가 소멸되고 남은 잔여 소음 신호의 에너지 레벨이 최소값이 되도록 주파수 대역별로 위상 및 진폭을 제어하는 제어 신호를 생성하여 상기 제1 처리부로 전달하는 제2 처리부를 포함하는,
    이어폰.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 처리부는, 다중 채널 능동 소음 제어 블록을 포함하고,
    상기 다중 채널 능동 소음 제어 블록은,
    상기 제1 신호를 복수의 주파수 대역 별로 분리하는 제1 필터뱅크; 및
    상기 복수의 주파수 대역 별로 분리된 제1 신호 성분들이 상기 제2 신호의 상기 주파수 대역 별로 대응하는 제2 신호 성분들과 상호 제거되도록 상기 제1 신호 성분들의 위상을 제어하는 위상제어블록을 포함하는,
    이어폰.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다중 채널 능동 소음 제어 블록은,
    상기 제1 신호 성분들이 상기 제2 신호 성분들과 상호 제거되도록 상기 제1 신호 성분들의 진폭을 상기 주파수 대역 별로 제어하는 진폭제어블록; 및
    상기 위상제어블록 및 상기 진폭제어블록을 통해 위상 및 진폭 제어된 상기 제1 신호 성분들을 합성하는 제1 합성기를 더 포함하는,
    이어폰.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 처리부는,
    상기 잔여 소음 신호를 전체 주파수 대역에서 진폭 제어하는 제4 증폭기; 및
    상기 잔여 소음 신호를 복수의 주파수 대역 별로 분리하는 제2 필터뱅크를 더 포함하는,
    이어폰.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 처리부는,
    상기 일부 주파수 대역에 대해 상기 잔여 소음 신호 성분들 각각이 최소가 되도록 상기 일부 주파수 대역 별로 제어 신호를 생성하는 중앙처리장치를 더 포함하고,
    상기 제어 신호는 상기 제1 처리부의 제1 필터뱅크, 위상제어블록 및 진폭제어블록에 대한 제어신호인, 대역 선택 신호, 위상 제어 신호 및 진폭 제어 신호를 포함하는,
    이어폰.
  6. 다중채널 능동소음제어 블록에 있어서,
    이이폰 착용시에 귀 외측에 위치하는 제1 마이크로부터 입력받은 외부의 노이즈인 제1 신호를 복수의 주파수 대역 별로 분리하는 필터뱅크;
    주파수 대역 별로 상기 분리된 제1 신호 성분의 위상을 제어하는 위상제어블록; 및
    주파수 대역 별로 상기 분리된 제1 신호 성분의 진폭을 제어하는 진폭제어블록;을 포함하는, 다중채널 능동소음제어 블록.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위상 및 진폭이 제어된 제1 신호 성분을 합성하여 역위상 소음제어 신호를 생성하는 제1 합성기를 더 포함하는, 다중채널 능동소음제어 블록.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 위상제어블록은,
    이어폰 착용시에 귀 내측에 위치하는 제2 마이크를 통해 입력된 외부의 노이즈인 제2 신호와 상기 역위상 소음제어 신호가 중첩되고 남은 잔여 소음 신호를 피드백 받아 상기 주파수 대역별로 상기 잔여 소음 신호의 크기가 최소가 되도록 위상값을 변경하여 제어하는, 다중채널 능동소음제어 블록.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 진폭제어블록은,
    이어폰 착용시에 귀 내측에 위치하는 제2 마이크를 통해 입력된 외부의 노이즈인 제2 신호와 상기 역위상 소음제어 신호가 중첩되고 남은 잔여 소음 신호를 피드백 받아 상기 주파수 대역별로 상기 잔여 소음 신호의 크기가 최소가 되도록 진폭값을 변경하여 제어하는, 다중채널 능동소음제어 블록.
  10. 이어폰의 노이즈 제거 방법에 있어서,
    이이폰 착용시에 귀 외측에 위치하는 제1 마이크로부터 외부의 노이즈인 제1 신호를 입력받는 과정;
    상기 제1 신호를 주파수 대역 별로 진폭 및 위상을 제어하여 역위상 소음제어 신호를 생성하는 과정;
    이어폰 착용시에 귀 내측에 위치하는 제2 마이크로부터, 상기 외부의 노이즈가 이이폰 기구물을 통과하여 귀 내부로 인입된 신호인 제2 신호 및 스피커로 출력되는 역위상 소음제어 신호를 입력받는 과정;
    상기 역위상 소음제어 신호에 의해 상기 제2 신호의 일부가 소멸되고 남은 잔여 소음 신호의 에너지 레벨이 최소값이 되도록 주파수 대역별로 위상 및 진폭을 제어하는 제어 신호를 생성하는 과정을 포함하는, 이어폰의 노이즈 제거 방법.
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