KR20170004331A - 능동 잡음 제어기의 2차 경로 적응 필터 초기화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동 잡음 제어기의 2차 경로 적응 필터 초기화 방법에 관한 것이다.
본 발명은 헤드폰에 적용된 피드백 구조의 능동 잡음 제어기에서 2차 경로 적응 필터의 초기값을 설정하는 방법으로서, 측정 실험자들이 헤드폰을 착용한 상태에서 2차 경로 적응 필터를 동작시키는 2차 경로 적응 필터 동작단계와, 상기 2차 경로 적응 필터가 수렴하였을 때의 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들을 획득하는 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값 획득단계와, 상기 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들의 평균을 구하여 2차 경로 평균 계수값을 결정하는 2차 경로 평균 계수값 결정단계 및 상기 2차 경로 평균 계수값을 상기 2차 경로 적응 필터의 초기값으로 설정하는 2차 경로 적응 필터 초기값 설정단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 능동 잡음 제어기의 2차 경로 적응 필터의 수렴 속도가 빨라지고 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능이 향상되는 효과가 있다.

Description

능동 잡음 제어기의 2차 경로 적응 필터 초기화 방법{INITIALIZATION METHOD OF SECONDARY PATH ADAPTIVE FILTER IN ACTIVE NOISE CONTROLLER}

본 발명은 능동 잡음 제어기의 2차 경로 적응 필터 초기화 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 헤드폰에 적용된 피드백 구조의 능동 잡음 제어기의 2차 경로의 특성을 직접 측정하고, 그 측정 결과를 기반으로 2차 경로 적응 필터의 초기값을 최종 목표값에 근접하게 설정함으로써, 2차 경로 적응 필터의 수렴 속도를 높이고 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

산업이 발전함에 따라 소음에 대한 문제는 점점 심각해지고 있다. 최근에는 헤드셋 환경에서 외부 잡음을 제거하기 위한 능동 잡음 제어(Active Noise Control, ANC) 기술이 개발되었다. ANC 기술은 잡음 제거를 위하여 잡음과 동일한 크기와 반대의 위상을 갖는 잡음 방지 신호(anti-noise)를 생성하며, 이 신호를 잡음 신호에 중첩하여 제거한다.

현재 사용되고 있는 피드백(feedback) 방식의 ANC 기술은 하나의 마이크를 사용하여 잡음을 효과적으로 제거한다. 헤드셋에서 ANC 기술을 사용할 경우, 출력 신호가 2차 경로의 영향을 받기 때문에, 일반적인 LMS(least mean square) 알고리즘을 사용할 수 없다. 따라서 도 1과 같은 FXLMS(Filtered-x LMS) 알고리즘을 사용하여 구현해야 한다. 도 1에서, d(n)은 마이크를 통하여 수집된 외부 잡음을 의미하며, 이 마이크는 귓구멍과 가까운 부분에 위치해야 한다. 이와 같은 구조에서는 2차 경로의 전달함수인 S(z)를 추정하는 2차 경로 적응 필터인 S^*(z)를 구해야 한다. S^*(z)는 도 1에 개시된 바와 같이 추가적인 LMS 알고리즘을 사용하여 구한다.

종래의 ANC에서 사용하는 S^*(z)을 구하기 위한 LMS 알고리즘은 초기값이 0인 상태에서 필터를 갱신하기 때문에 필터가 빠르게 수렴하지 못하고, ANC 시스템의 수렴이 느려진다는 문제점이 있다.

이러한 종래 기술에 따른 문제점을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

종래 기술에 따른 피드백 구조의 능동 잡음 제거기는 FXLMS 알고리즘을 사용하며, 입력 신호에 대한 필터링을 위해 출력 스피커와 잡음 마이크 사이의 경로를 추정해야 한다. 상기 경로를 2차 경로라 하며, 상기 2차 경로는 능동 잡음 제어기의 사용 환경에 따라 변하므로, 적응 방법(adaptive method)을 통하여 결정한다. 종래 기술에서는 2차 경로의 초기값을 영(zero)으로 하여 적응 동작을 시작하고, 점진적으로 정상값으로 수렴시킨다. 그러나 2차 경로를 영으로 초기화하면 수렴 시간이 길어지고, 그에 따라 능동 잡음 제어기의 전체 수렴 속도가 느려지는 문제가 발생하고, 능동 잡음 제거기가 동작 초기에 정상 동작을 수행하지 못하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 헤드폰에 구비된 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 헤드폰에 적용된 피드백 구조의 능동 잡음 제어기의 2차 경로의 특성을 직접 측정하고, 그 측정 결과를 기반으로 2차 경로 적응 필터의 초기값을 최종 목표값에 근접하게 설정함으로써, 2차 경로 적응 필터의 수렴 속도를 높이고 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명에 따른 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법은 헤드폰에 적용된 피드백 구조의 능동 잡음 제어기에서 2차 경로 적응 필터의 초기값을 설정하는 방법으로서, 측정 실험자들이 헤드폰을 착용한 상태에서 2차 경로 적응 필터를 동작시키는 2차 경로 적응 필터 동작단계와, 상기 2차 경로 적응 필터가 수렴하였을 때의 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들을 획득하는 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값 획득단계와, 상기 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들의 평균을 구하여 2차 경로 평균 계수값을 결정하는 2차 경로 평균 계수값 결정단계 및 상기 2차 경로 평균 계수값을 상기 2차 경로 적응 필터의 초기값으로 설정하는 2차 경로 적응 필터 초기값 설정단계를 포함한다.

본 발명에 따른 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법에 있어서, 상기 2차 경로 적응 필터 동작단계에서는, 상기 능동 잡음 제어기의 잡음 제거 동작을 오프(off)시킨 상태에서, 상기 2차 경로 필터의 초기값을 0으로 설정하고 상기 헤드폰에 구비된 스피커로 학습 신호를 출력함으로써, 상기 2차 경로 적응 필터를 동작시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법에 있어서, 상기 학습 신호는 백색 잡음인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 헤드폰에 구비된 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능이 향상되는 효과가 있다.

또한, 헤드폰에 적용된 피드백 구조의 능동 잡음 제어기의 2차 경로의 특성을 직접 측정하고, 그 측정 결과를 기반으로 2차 경로 적응 필터의 초기값을 최종 목표값에 근접하게 설정함으로써, 2차 경로 적응 필터의 수렴 속도가 높아지고 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 FXLMS(Filtered-x LMS) 알고리즘을 이용한 피드백 능동 잡음 제어기의 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 있어서, 오프라인 방식의 2차 경로 전달함수를 추정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 포함된 2차 경로 적응 필터를 동작시키는 단계의 구성의 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 한 명의 측정 실험자가 헤드폰을 다양한 위치에 착용한 경우에 획득한 2차 경로의 주파수 응답의 실험 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 여러 측정 실험자들이 헤드폰을 동일한 위치에 착용한 경우에 획득한 2차 경로의 주파수 응답의 실험 예를 나타낸 도면이다.
도 7과 도 8은 본 발명에 의하여 설정된 2차 경로 초기값을 사용할 때의 수렴 성능을 종래 기술에 의한 성능과 비교하여 보여주기 위한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 오프라인 방식의 2차 경로 전달함수를 추정하는 원리를 나타낸 2를 참조하여 본 발명의 기본 원리를 설명한다.

S^*(z)를 구하기 위한 오프라인 방식은 도 1과 같은 구조의 ANC 시스템에서 W(z)를 0으로 고정하고, a(n)에 학습 신호를 재생하여 구현하며, 이와 같은 과정을 구조도로 나타내면 도 2와 같다. 이와 같은 구조에서 에러 출력 신호 e(n)은 다음 수학식 1을 통해 구할 수 있다.

여기서, S^* _k(k = 0, 1, … ,K-1)는 2차 경로 S(z)를 추정하기 위한 K차 FIR 필터 S^*(z)의 계수를 나타내며, o(n)은 마이크로 입력되는 신호, 즉, S(z)를 통과한 a(n) 신호를 나타낸다.

S^*(z)는 LMS 알고리즘을 이용하여 다음 수학식 2와 같이 갱신한다.

여기서, μ는 스텝 사이즈를 나타내고, k = 0, 1, ..., K-1이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법을 나타낸 도면이다.

도 3을 추가적으로 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법은 2차 경로 적응 필터 동작단계(S10), 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값 획득단계(S20), 2차 경로 평균 계수값 결정단계(S30) 및 2차 경로 적응 필터 초기값 설정단계(S40)를 포함한다.

2차 경로 적응 필터 동작단계(S10)에서는, 측정 실험자들이 헤드폰을 착용한 상태에서 2차 경로 적응 필터를 동작시키는 과정이 수행된다.

2차 경로 적응 필터 동작단계(S10)는 1인 이상의 측정 실험자를 대상으로 예를 들어, 정상 청취 위치에 헤드폰을 착용한 상태로 2차 경로의 특성을 측정하는 과정이다. 이 과정은 단순히 2차 경로 특성을 측정하는 단계이므로, 도 4에 개시된 바와 같이, 능동 잡음 제어기의 잡음 제거 동작은 실행시키지 않고, 2차 경로 측정을 위한 적응 필터만 동작시키도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 적응 필터의 초기값을 0으로 하고, 스피커로 백색 잡음을 출력하여 적응 필터를 동작시키도록 구성될 수 있다.

다음으로, 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값 획득단계(S20)에서는, 각각의 측정 실험자들에 대하여 2차 경로 적응 필터가 수렴하였을 때의 계수값들인 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들을 획득하는 과정이 수행된다.

즉, 이 단계에서는, 2차 경로에 대한 적응 필터가 수렴할 때까지 동작시킨 후, 상기 적응 필터의 최종 수렴 계수값을 측정하는 과정이 수행되고, 이 값은 2차 경로의 특성으로 활용된다. 도 6은 3명의 측정 실험자에 대한 2차 경로 특성을 주파수 응답으로 보여준다. 각 실험자의 신체 특성에 차이가 있으므로 도 6과 같이 주파수 응답에 약간의 차이가 나타난다. 그러나 각 실험자에 대한 2차 경로 특성에 근본적인 특성 차이는 없으며, 주어진 헤드폰 구조와 스피커 및 마이크 특성에 따라 핵심적인 특성이 결정된다. 도 6은 여러 측정 실험자들이 헤드폰을 동일한 위치에 착용한 경우에 획득한 2차 경로의 주파수 응답의 실험 예를 나타낸 도면이다.

다음으로, 2차 경로 평균 계수값 결정단계(S30)에서는, 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들의 평균을 구하여 2차 경로 평균 계수값을 결정하는 과정이 수행된다.

2차 경로 평균 계수값 결정단계(S30)는 모든 측정 실험자의 측정 결과를 종합하여 평균적인 2차 경로 특성을 결정하는 과정이다. 본 발명의 일 실시예에서는, 각 실험자에 대한 2차 경로 적응 필터 계수값의 평균을 구하여 2차 경로 적응 필터 평균 계수값으로 설정한다.

마지막으로, 2차 경로 적응 필터 초기값 설정단계(S40)에서는, 2차 경로 평균 계수값을 2차 경로 적응 필터의 초기값으로 설정하는 과정이 수행된다.

이러한 과정이 수행된 이후, 일반 사용자가 헤드폰에 구비된 능동 잡음 제어기를 동작시키면, 2차 경로 적응 필터의 초기값으로 2차 경로 평균 계수값이 입력되고, 이를 기초로 잡음 제거 동작이 수행된다.

한편, 일반 사용자가 헤드폰을 착용할 때, 항상 정상 청취 위치로 착용하지는 않는다. 만일, 착용 방법이 변하면 헤드폰 캡 내부의 음향 특성이 변하므로, 2차 경로의 특성이 변할 수 있다. 만일 2차 경로 특성이 근본적으로 변하면, 정상 착용 위치로부터 얻은 2차 경로 평균 계수값이 잘못된 초기값으로 작용하여 오히려 수렴 시간을 증가시킬 수 있다. 도 5는 여러 착용 위치에서 측정한 2차 경로의 주파수 응답을 보여준다. 착용 위치에 따라 주파수 응답에 약간의 차이점이 나타나지만 근본적인 특성의 차이는 발생하지 않는다. 따라서 정상 청취 위치에서 측정한 초기값을 사용하여도 2차 경로의 빠른 수렴을 얻을 수 있다. 도 5는 한 명의 측정 실험자가 헤드폰을 다양한 위치 즉, 정상적인 위치, 앞, 뒤, 위, 아래로 정상 위치에서 약간 벗어나게 착용한 경우에 획득한 2차 경로의 주파수 응답의 실험 예를 나타낸 도면이다.

도 7과 도 8은 본 발명에 의하여 설정된 2차 경로 초기값을 사용할 때의 수렴 성능을 종래 기술에 의한 성능과 비교하여 보여주기 위한 도면이다.

보다 구체적으로, 도 7은 실험 측정자가 헤드폰을 정상 착용위치에 착용한 경우에 획득되는 에러 값에 대한 실험 예를 본 발명의 일 실시예와 종래 기술을 대비하여 나타낸 도면이고, 도 8은 실험 측정자가 헤드폰을 앞으로 비스듬히 착용한 경우에 획득되는 에러 값에 대한 실험 예를 본 발명의 일 실시예와 종래 기술을 대비하여 나타낸 도면이다. 도 7과 도 8을 참조하면, 헤드폰을 정상 위치에 착용하지 않더라도 초기값 설정을 통하여 2차 경로 수렴 속도가 향상되는 것을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 헤드폰에 구비된 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능이 향상되는 효과가 있다.

또한, 헤드폰에 적용된 피드백 구조의 능동 잡음 제어기의 2차 경로의 특성을 직접 측정하고, 그 측정 결과를 기반으로 2차 경로 적응 필터의 초기값을 최종 목표값에 근접하게 설정함으로써, 2차 경로 적응 필터의 수렴 속도가 높아지고 능동 잡음 제어기의 초기 동작 성능이 향상되는 효과가 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부된 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 명백한 사실이다.

S10: 2차 경로 적응 필터 동작단계
S20: 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값 획득단계
S30: 2차 경로 평균 계수값 결정단계
S40: 2차 경로 적응 필터 초기값 설정단계

Claims (3)

1. 헤드폰에 적용된 피드백 구조의 능동 잡음 제어기에서 2차 경로 적응 필터의 초기값을 설정하는 방법에 있어서,
   측정 실험자들이 헤드폰을 착용한 상태에서 2차 경로 적응 필터를 동작시키는 2차 경로 적응 필터 동작단계;
   상기 2차 경로 적응 필터가 수렴하였을 때의 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들을 획득하는 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값 획득단계;
   상기 2차 경로 적응 필터 수렴 계수값들의 평균을 구하여 2차 경로 평균 계수값을 결정하는 2차 경로 평균 계수값 결정단계; 및
   상기 2차 경로 평균 계수값을 상기 2차 경로 적응 필터의 초기값으로 설정하는 2차 경로 적응 필터 초기값 설정단계를 포함하는, 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2차 경로 적응 필터 동작단계에서는,
   상기 능동 잡음 제어기의 잡음 제거 동작을 오프(off)시킨 상태에서, 상기 2차 경로 필터의 초기값을 0으로 설정하고 상기 헤드폰에 구비된 스피커로 학습 신호를 출력함으로써, 상기 2차 경로 적응 필터를 동작시키는 것을 특징으로 하는, 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 학습 신호는 백색 잡음인 것을 특징으로 하는, 능동 잡음 제어기의 2차 경로 필터 초기화 방법.
   

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