KR20200007687A - 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 장치 - Google Patents

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안드레아 루스코니 클레리치 벨트라미
페루치오 보토니
드라고 스트를레
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유사운드 게엠바하
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Abstract

본 발명은 가청 파장 스펙트럼 내에서 음파를 생성할 수 있도록 압전 스피커(2)를 위한 오디오 신호 처리 장치(1)에 관한 것으로, 상기 처리 장치는 디지털 오디오 신호(Vin)를 위한 신호 입력부(3), 스피커(2)의 비선형성을 교정하기 위한 디지털 교정부(4), 디지털 교정부(4)에 의해 교정된 신호가 펄스 폭 변조된 접속 신호로 변환시키는 디지털 PWM-생성기(5), PWM-생성기(5)에 의해 변환되는 접속 신호에 의해서 스피커(2)의 액추에이터가 진동판을 변위 시키도록 전압(X)이 걸릴 수 있도록 하는 방식으로 인가되는 증폭단(6) 및 전압(X)이 귀환 신호(Y(z), Ydig)로서 피드백될 수 있도록, 폐쇄된 형식의 루프를 형성하는 피드백(7)을 포함하고, 귀환 신호(Y(z), Ydig)는, 가청 주파수 영역 안에서 사용 목적에 적합하게 사용될 때, 교정부(4), PWM-생성기(5), 증폭단(6) 및/또는 압전 스피커(2)로 인하여 발생하는 제1 신호 잡음(Qz)을 포함한다. 본 발명에 따르면 오디오 신호 처리 장치(1)는 잡음 정형부(16)를 포함하는데, 잡음 정형부(16)는 제1 신호 잡음(Qz)에 포함된 잡음 에너지가 가청 주파수 범위 밖으로 밀쳐낼 수 있도록 형성되거나 및/또는 폐쇄 루프 안으로 삽입된다.

Description

압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 장치{DEVICE FOR AUDIO SIGNAL PROCESSING FOR A PIEZOELECTRIC SPEAKER}
본 발명은 가청 파장 스펙트럼 내에서 음파를 생성할 수 있도록 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 디지털 오디오 신호를 위한 신호 입력부; 스피커의 비선형성(non-linearity)을 교정하기 위한 디지털 교정부; 및 상기 교정부에 의해 교정된 신호를 펄스 폭 변조된 접속 신호로 변환시키는 디지털 PWM-생성기를 포함한다. 더 나아가서, 본 발명은 상기 PWM-생성기에 의해 변환되는 접속 신호에 의해서, 상기 스피커의 액추에이터가 진동판을 변위 시키도록 전압이 걸릴 수 있도록 하는 방식으로 인가되는 증폭단을 포함한다. 그 밖에도, 본 발명은 폐쇄된 형식의 루프를 형성하는 피드백을 포함하는데, 이 피드백으로 인하여 전압은 귀환 신호로 피드백되고, 귀환 신호는, 가청 주파수 영역 안에서 사용 목적에 적합하게 이용될 때, 상기 교정부, PWM-생성기, 증폭단 및/또는 압전 스피커로 인하여 발생하는 제1 신호 잡음을 포함한다. 그 외에도, 본 발명은 가청 파장 스펙트럼 내에서 음파를 생성하기 위한 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 방법에 관한 것이다.
미국 특허 공개공보 US 2010/0271147 A1에 압전 스피커를 운용하기 위한 장치가 제안되어 있는데, 이 기술의 단점은 제공되는 스피커의 음질이 충분치 않다는 점이다.
따라서, 본 발명의 과제는 압전 스피커로부터 출력되는 음파의 음질을 개선하고자 하는 것이다.
상기 과제는 본 발명의 독립 청구항에서 열거된 기술적 특징을 구비하는 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 장치 및 이와 관련한 오디오 신호 처리 방법을 통하여 해결된다.
가청 파장 스펙트럼 내에서 음파를 생성할 수 있도록 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 장치가 제공된다. 가청 스펙트럼은 사람은 대략 20Hz ~ 20kHz 정도인데, 이 영역은 사람마다 차이가 있을 수 있으며, 특히 나이에 따라서 다를 수 있다. 상기 수치보다 낮거나 또한 높은 수치의 주파수는 인간의 청력으로는 감지하지 못한다.
본 발명에 따른 장치는 디지털 오디오 신호를 위한 신호 입력부를 포함한다. 오디오 신호는 스마트폰, MP3-플레이어 또는 그밖에 다른 기기로부터 생성되는, 예컨대 음악, 음향 및/또는 언어를 포함할 수 있다. 이때, 오디오 신호는 압전 스피커를 통하여 출력되기 위하여 신호 입력부를 거쳐서 장치 안으로 입력된다.
그 밖에도, 본 발명에 따른 장치는 스피커의 비선형성을 교정하기 위한 디지털 교정부를 포함한다. 디지털 교정부는 신호 입력부로부터 디지털 오디오 신호를 제공받는다. 이로써 상기 디지털 교정부는 신호 흐름 방향에서 신호 입력부 후방에 배치될 수 있다. 여기서 디지털 오디오 신호의 변화는 압전 스피커에서 출력되는 음향의 변화에 직선적으로 비례하지 못한다는 비선형성을 반영하게 된다. 이는 본질적으로 압전 스피커가 복잡한, 비선형적인 양태를 연출한다는 점에 기인한다. 그 밖에도 (상기) 처리 장치 및/또는 압전 스피커의 온도 변화는 비선형성을 초래할 수가 있다. 이러한 비선형성은 디지털 교정부의 도움으로 감소할 수 있는데, 그 결과 압전 스피커의 음질이 개선될 수 있는 것이다.
더 나아가서, 본 발명에 따른 장치는 디지털 교정부에서 교정된 신호를 펄스 폭 변조된 접속 신호로 변환시키는 디지털 PWM-생성기를 포함한다. 상기 디지털 PWM-생성기는 따라서 신호 흐름 방향에서 볼 때 디지털 교정부 뒤에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 상기 PWM-생성기에 의해 변환되는 접속 신호에 의해서, 상기 스피커의 액추에이터가 진동판을 변위 시키도록 전압이 걸릴 수 있도록 하는 방식으로 인가되는 증폭단을 포함한다. 상기 증폭단은 신호 흐름 방향에서 볼 때 디지털 PWM-생성기 뒤에 배치될 수 있다. 상기 증폭단은 스피커의 압전 액추에이터에 전압을 인가하거나 인가를 취소할 수 있는 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 증폭단은 출력신호를 제공할 수 있는데, 이로써 스피커는 디지털 오디오 신호에 상응하는 소리, 즉 음악, 음향 및/또는 소리를 출력할 수 있게 된다. 또한, 상기 증폭은 PWM-생성기의 접속 신호를 처리할 수 있는 적어도 하나의 스위치를 포함할 수 있다.
상기 압전 스피커에 증폭단을 통하여 예컨대 어느 에너지 부재에서 제공되는 전기적 에너지에 의하여 적어도 부분적으로 인가되고 그리고 적어도 부분적으로 전압이 다시 빼어지게 됨으로써 음파가 생성되는 것이다. 이때 전기 에너지는 상기 에너지 부재에 의해서 제공된다. 압전 스피커는 압전 특성을 포함하는데, 다시 말해 압전 스피커는 자신의 적재 상태에 따라서 변위 될 수 있는 것이다. 압전 스피커에 전기적 에너지가 많이 적재되면 될수록 압전 스피커의 변위 역시 높아지게 된다. 압전 스피커를 변위 시킴으로써, 이러한 변위가 예를 들면 진동판에 전이되게 되면 음파가 생성될 수 있다. 이로써 진동판에 배치되는 공기가 진동하게 되고, 그 결과 음파가 생성된다. 더 나아가서, 압전 스피커의 변위는 스피커에 전압이 인가되거나 빼어내 짐으로써 변하게 된다. 압전 스피커가 계속해서 인가되면 변위는 더 증가하게 되는 것이다. 이에 반하여 변위를 경감시키기 위하여 압전 스피커에서 전압을 빼게 되는 것이다. 이로써 압전 스피커는 교대로 인가되고 인가되지 않음을 통하여 진동하게 되고, 진동은 예컨대 진동판에 전달됨으로써 음파가 생성되는 것이다. 압전 스피커는 이때 단계적으로 인가되거나 및/또는 인가되지 않는 것이다.
이렇게 조절된 압전 스피커의 변위를 통하여 음파가 생성된다. 이러한 변위가 예컨대 톤, 음향 또는 음악을 포함하는 디지털 오디오 신호에 따라서 적합한 방식으로 일어나게 될 때, 압전 스피커의 도움으로 마찬가지로 톤, 음향 또는 음악을 포함하는 상응하는 소리가 생성된다. 오디오 신호는 예를 들면 음악 데이터의 형태로 제공될 수 있다. 오디오 신호는 또한 어떤 대화 상대자와 전화하는 가운데에서도 제공될 수 있다.
전기 에너지의 인가 및 비인가를 통하여 압전 스피커의 전압이 상승 내지 하강하게 된다. 압전 스피커에 인가되는 전압의 상승과 더불어 변위가 상승한다. 압전 스피커에서 전압이 감소하면 변위도 계속해서 감소하게 된다. 더 나아가서, 압전 스피커는 용량을 가지게 되는데, 이는 전기 에너지가 압전 스피커로 인가됨을 통하여 걸리게 되는 전압의 크기와 상관하여 전기장이 생성되기 때문이다. 따라서 압전 스피커는 콘덴서의 특성을 발휘하게 된다. 그 밖에도 압전 스피커의 인가상태 내지 전압과 변위는 서로간에 영향을 끼칠 수 있다.
증폭단은 예컨대 전압변환기일 수 있다. 증폭단을 수단으로 하여, 에너지원, 예컨대 축전지를 통하여 단지 3V가 제공된다면 압전 액추에이터는 예를 들면 30V로 인가될 수 있다. 이때, 증폭단은 압전 액추에이터를 예컨대 단계적으로 또는 일정한 주기로 인가할 수 있다. 이때 압전 액추에이터의 인가는 디지털 오디오 신호에 의존한다.
추가로 또는 대안적으로 증폭단은 압전 액추에이터의 방전도 가능케 하는데, 이것은 진동판의 변위가 감소하게 될 때 벌어지게 된다. 이때, 압전 액추에이터의 경미한 변위는 진동판의 경미한 변위에 상응한다. 방전으로 자유롭게 된 전기 에너지는 전원부에서 다시 저장이 된다.
그 밖에도, 본 발명에 따른 장치는 폐쇄된 형식의 루프를 형성하는 피드백을 포함하는데, 이 피드백으로 인하여 전압은 귀환 신호로 피드백되고, 귀환 신호는, 가청 주파수 영역 안에서 사용 목적에 적합하게 이용될 때, 교정부, PWM-생성기, 증폭단 및/또는 압전 스피커로 인하여 발생하는 제1 신호 잡음을 포함한다. 이로써 상기 피드백은 폐쇄 루프를 종결하는데, 그 결과 스피커의 음질이 개선될 수 있는 것이다. 피드백은 예를 들면 귀환 신호를, 특히 신호 흐름 방향에서 디지털 교정부 앞으로 피드백시킬 수 있다.
제1 신호 잡음은 압전 스피커의 음질 저하를 초래한다. 제1 신호 잡음은 예컨대, 신호 입력부로부터 교정부, PWM-생성기 및 증폭단을 경유하여 압전 액추에이터로 이어지는 흐름 가운데, 디지털 오디오 신호가 압전 액추에이터를 위해 인가되는 아날로그 전압으로 변환되기 때문에 발생할 수 있다. 이런 점은 그럼에도, 예컨대 PWM-생성기는 교정부에 의해 정밀하지 않게 교정된 신호를 접속 신호로 변환시킬 수 있기 때문에 궁극적으로는 정밀하게 수행될 수 있는 것이다. PWM-생성기는 예컨대 양자화(quantisation) 잡음을 포함할 수 있다. 교정부, 증폭단 및/또는 압전 스피커 역시 추가로 또는 대안적으로 양자화 잡음을 야기할 수 있다. 교정부, 증폭단 및/또는 압전 스피커의 정확성은 예컨대 단지 8비트에 달할 수 있는데, 이는 한편으로는 오디오 신호 처리 장치가 콤팩트하게 구성될 수 있다는 점으로 이끌며, 다른 한편으로는 그와 같은 해결책은 전술한 양자화 에러 또는 양자화 잡음을 야기할 수 있다. 이에 추가하여 비선형성은 오디오 신호 및/또는 스피커에서 출력되는 음파의 질을 떨어뜨린다.
본 발명에 따른 장치는 잡음 정형부를 포함하는데, 상기 잡음 정형부는 교정부, PWM-생성기 및/또는 압전 스피커에서 생성되는 제1 신호 잡음에 포함된 잡음 에너지가 가청 주파수 범위 밖으로 밀쳐내도록 형성되거나 및/또는 폐쇄 루프 안으로 설치된다. 사람은 가청 주파수 영역 밖에서는 제1 신호 잡음을 감지하지 못하게 됨으로써 스피커의 음질이 개선된다.
제1 신호 잡음의 잡음 에너지가 상기 잡음 정형부에 의해 고주파 영역으로 밀려나게 하는 것이 본 발명의 노리는 효과이다. 고주파 영역은 사람이 제1 신호 잡음을 더는 감지할 수 없게 되는, 예컨대 20kHz 초과하는 범위에 속한다. 추가로 또는 대안적으로 잡음 정형부는 제1 신호 잡음에 포함되는 잡음 에너지를 장치의 샘플링 주파수(sampling frequency) 영역으로 밀어낼 수 있다. 샘플링 주파수는 이때 장치가 가동되는 작업 주파수일 수가 있다. 즉, 샘플링 주파수는 장치가 작동하는 주파수이고, 특히 장치는 어느 규칙적인 사이클에 따라서, 예를 들면 오디오 신호를 처리한다.
이로써 스피커의 음질이 개선될 수가 있다. 잡음 에너지가 고주파 영역으로 밀쳐지게 되면 압전 액추에이터는 그런 종류의 주파수들 역시 스스로 경감시킨다. 압전 액추에이터는 어느 정도 정해진 질량을 가지고 있기 때문에 압전 액추에이터는 거기에 상응하는 타력(惰力)을 지니고 있다. 압전 액추에이터는 고주파를 따라갈 수 없기 때문에 이런 고주파는 압전 액추에이터 자체에 의해서 둔화한다. 압전 액추에이터는 스스로 로우-패스 필터(low-pass filter)로서 작용할 수 있다.
본 발명에 따른 장치가 폐쇄 루프 접속으로 구성된다는 점이 본 발명이 제공하는 효과이다. 폐쇄 루프 접속은 컴퓨터 접속일 수가 있다. 그렇다면, 폐쇄 루프 접속은 컴퓨터 프로그램에 의하여 수행되어 진다. 추가적 또는 대안적으로 폐쇄 루프 접속은 또한 전자적 폐쇄 루프 접속일 수 있는데, 이때 폐쇄 루프 접속은 예컨대 주문형 반도체(ASIC)에 접속된다.
폐쇄 루프는 추가적 또는 대안적으로 전진 경로를 포함할 수 있다. 전진 경로는 예컨대 신호 입력부, 디지털 교정부, PWM-생성기, 증폭단 및/또는 압전 스피커를 포함할 수 있다. 신호 입력부, 디지털 교정부, PWM-생성기, 증폭단 및 압전 스피커는 신호 흐름의 방향에서 앞서 언급한 순서로 배치될 수 있다.
추가적 또는 대안적으로 폐쇄 루프는 적어도 하나의 피드백 경로를 포함할 수 있다. 피드백 경로는 압전 액추에이터에 걸리는 전압을 포함할 수 있는 귀환 신호를 피드백할 수 있는데, 이로써 폐쇄 루프는 폐쇄 구조를 가지게 되는 것이다.
잡음 정형부가 신호 흐름의 방향에서 교정부 앞에 위치하는 것이 본 발명에 따른 효과이다. 그렇게 함으로써 교정부는 잡음 정형부에 의하여 형성되는 신호를 받아들이게 되고, 이 신호에 포함되는 잡음 에너지는 가청 파장 스펙트럼 밖으로 밀려나게 된다. 이때, 잡음 정형부는 예컨대 신호의 흐름 방향의 전진 경로에서 교정부 앞쪽에 위치할 수 있다.
제1 신호 잡음에 포함되는 잡음 에너지를 밀쳐내기 위하여 잡음 정형부는 잡음 정형 블럭을 구비하는 것이 본 발명에 따른 효과이다. 잡음 정형 블럭은 제1 신호 잡음에 포함되는 잡음 에너지를 가청 파장 스펙트럼 밖으로 밀어낼 수 있도록 최적화될 수 있다.
음질을 개선하기 위하여 추가적 또는 대안적으로 잡음 정형부는 양자화 잡음 및/또는 교정부 및/또는 PWM-생성기를 지나서도 여전히 존재하는 비선형성을 감소시키는 루프 필터(loop filter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 루프 필터가 신호 흐름 방향에서 잡음 정형 블럭 뒤쪽에 배치된다는 점이다. 추가적 또는 대안적으로 루프 필터는 신호 흐름 방향에서 교정부 앞쪽에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 장치가 아날로그/디지털-변환기를 구비한다는 것이 효과적이다. 아날로그/디지털-변환기로 인하여 귀환 신호가 디지털화되고, 이렇게 변환된 귀환 신호는, 사용 목적에 적합하게 사용될 때, 아날로그/디지털-변환기에 의하여 생성되는 제2 신호 잡음을 포함한다. 아날로그/디지털-변환기는 줄여서 A/D-변환기로도 불리는데, 이하 이 약칭을 사용하기로 한다. A/D-변환기를 통하여 귀환 신호가 디지털화될 수 있으며, 이 신호는 전자적 및/또는 논리적 접속회로에서 처리될 수 있다. 모든 종류의 A/D-변환기는 유한한 선명도를 가지고 있기 때문에 디지털화하는 과정에서 에러, 특히 양자화 에러 내지 양자화 잡음이 발생한다. A/D-변환기는 따라서 제2 신호 잡음을 생성한다.
A/D-변환기가 피드백 경로에 배치되는 것이 효과적이다. A/D-변환기는 신호 흐름의 방향에서 압전 스피커의 뒤쪽에 배치된다.
잡음 정형 블럭이 오로지 제1 신호 잡음만을 처리하게끔 구성되는 것이 효과적이다. 이로써 잡음 정형 블럭은 제2 신호 잡음을 처리하지 않게 되는 것이다. 예컨대 제1 신호 잡음은 제2 신호 잡음보다 클 수 있는데, 따라서 단지 제1 신호 잡음만을 처리하는 것이 보다 효율적이다. 제2 신호 잡음은 A/D-변환기가 그에 상응하는 높은 수치의 선명도를 포함하는 것을 통하여 감소할 수 있으며, 따라서 무시될 수 있는 것이다. A/D-변환기는 예컨대 12비트, 14비트 또는 16비트의 선명도를 포함할 수 있다.
잡음 정형부는 신호-전달 함수를 포함하는 것이 효과적이다. 디지털 오디오 신호와 디지털 귀환 신호 간에 에러 시그널이 발생하는 경우, 상기 신호-전달 함수를 통하여 스피커에 전압을 인가하기 위하여 출력값의 조절이 가능해 진다. 출력값은 스피커에 인가되는 전압일 수 있다. 출력값은 또한 압전 스피커에 걸리거나 빼내어지는 전압차일 수 있다. 에러 시그널은 압전 액추에이터에 걸려지는 전압의 실제값, 즉 디지털 귀환 신호와 이와 연관된 압전 액추에이터의 목표가 사이에서 발생하는 차이를 나타낸다. 에러 시그널이 0이라면, 압전 액추에이터는 디지털 오디오 신호에 상응하게 가져야만 하는 전압을 가지게 된다. 그럼으로써 압전 액추에이터는 오디오 신호를 아무런 에러 없이 출력하는 것이다. 그럼에도, 압전 액추에이터는 제1 신호 잡음 및/또는 제2 신호 잡음을 포함할 수 있다. 특히, 제1 신호 잡음은 에러 시그널을 통하여 결정될 수 있는 에러에 이르게 한다. 에러 시그널은 예컨대 디지털 오디오 신호와 디지털 귀환 신호 간의 차이로 형성될 수 있다. 신호-전달 함수를 통하여 스피커에 인가되는 출력값이 정해지고, 그 결과 에러가 감소하는 것이다. 이때 출력값은 인가되는 전압일 수 있다. 이때 에러 시그널은 입력신호이고, 출력값은 출력신호이다.
신호-전달 함수를 통하여 에러 시그널이 한 주기 동안 지연될 수 있도록 신호-전달 함수를 구성하는 것이 효과적이다. 이런 주기에 있어서 효과적인 것은 샘플링 주파수의 주기 또는 장치의 작업 주파수의 주기에 관한 것이다. 이로써 각각의, 예컨대 귀환 신호의 피드백에 바로 뒤따르게 되는 주기를 위한 조절이 이루어지게 된다.
신호-전달 함수(STFd)가 다음과 같은 제1 공식으로 규정되는 것이 효과적이다:
Figure pat00001
위 공식에서 H(z)은 시스템 함수, I(z)은 스피커 함수, K(z)은 I(z)의 역함수, d는 에러 시그널 그리고 X는 스피커를 위한 출력값을 지칭한다. 신호-전달 함수(STFd)는 에러 시그널 d를 통하여 입력값 또는 입력 신호로 규정되고, 출력값 X는 출력값 또는 출력 신호로 규정된다. 시스템 함수 H(z)을 위하여 신호-전달 함수(STFd)는 예컨대 z-1 이 될 수 있다. 또 다른 시스템 함수 H(z)을 위하여 신호-전달 함수(STFd)는 필요에 따라서 다르게 규정될 수 있다. 신호-전달 함수(STFd)는 예를 들면 또한 더 높은 차수를 가질 수 있다.
잡음 정형부는 잡음 정형-전달 함수를 포함하는 것이 효과적이다. 잡음 정형-전달 함수를 통하여 제1 신호 잡음에 포함된 잡음 에너지가 옮겨지게 된다. 이때, 잡음 정형-전달 함수는 제1 신호 잡음에 포함된 잡음 에너지를 비가청 파장 스펙트럼, 특히 20kHz를 초과하는 주파수 영역으로, 바람직하게는 샘플링 주파수 영역으로 밀어낼 수 있도록 구성된다.
저주파 영역이 둔화하도록 잡음 정형-전달 함수를을 구성하는 것이 효과적이다. 특히, 제1 신호 잡음에 적재된 잡음 에너지를 포함하는 저주파 영역이 둔화함으로써 음질이 개선된다.
잡음 정형-전달 함수(NTFd)가 다음과 같은 제2 공식으로 규정되는 것이 효과적이다:
Figure pat00002
위 공식에서 H(z)은 시스템 함수, I(z)은 스피커 함수, K(z)은 I(z)의 역함수, d는 에러 시그널 그리고 X는 스피커를 위한 출력값을 지칭한다. Q(z)은 디지털 교정부, PWM-생성기, 증폭단 및/또는 압전 스피커의 교란값일 수 있다. 이때, 교란값 Q(z)는 예컨대 PWM-생성기를 통해 생성되는 양자화 에러를 나타낸다. 교란값 Q(z)를 통하여 예컨대 제1 신호 잡음이 규정될 수 있다. 교란값는 예컨대 제어에 이르기까지 디지털 오디오 신호를 처리하는 데 있어서 발생하는 모든 에러들을, 예를 들면 어떤 종류의 출력신호의 에러, 이를테면 압전 액추에이터의 에러를 포함할 수 있다. 교란값 Q(z)는 제1 신호 잡음을 포함할 수 있다. 교란값 Q(z)는 잡음 정형-전달 함수에 있어서 입력신호에 상응하고, 출력값 X는 출력신호에 상응한다. 어느 하나의 시스템 함수 H(z)을 위하여 잡음 정형-전달 함수(NTFd)는 예컨대 1 - z-1 이 될 수 있다. 또 다른 시스템 함수 H(z)을 위하여 잡음 정형-전달 함수(NTFd)는 필요에 따라서 다르게 규정될 수 있다. 잡음 정형-전달 함수(NTFd)는 예를 들면 또한 더 높은 차수를 가질 수 있다.
출력값-전달 함수가 다음과 같은 제3 공식으로 규정되는 것이 효과적이다:
Figure pat00003
위의 제3 공식은 STFd로서 신호-전달 함수를 포함하고, NTFd 와 더불어 잡음 정형-전달 함수를 포함한다. d는 에러 시그널에 상응하고, Q(z)은 제1 신호 잡음 또는 양자화 에러를 지칭한다. 어느 하나의 시스템 함수 H(z)를 위하여 X(z)는 z-1*d + Qz *(1 - z-1) 일 수 있다. 또 다른 시스템 함수 H(z)을 위하여 X(z)를 위한 표현은 필요에 따라서 다르게 규정될 수 있다.
실제값-전달 함수가 다음과 같은 제4 공식으로 규정되는 것이 효과적이다:
Figure pat00004
위의 공식에서 Vin은 디지털 오디오 신호이다. 어느 하나의 시스템 함수 H(z)를 위하여 Y(z)는 z-1*Vin + Qz *(1 - z-1) 일 수 있다. 또 다른 시스템 함수 H(z)을 위하여 Y(z)를 위한 표현은 필요에 따라서 다르게 규정될 수 있다.
잡음 정형부는 적어도 하나의 전달 함수의 영점, 극점 및/또는 차수(order)가 신호-잡음 관계를 향상할 수 있도록 결정될 수 있는 구조를 가지는 것이 효과적이다. 추가로 또는 대안으로 잡음 정형부는 적어도 하나의 전달 함수의 영점, 극점 및/또는 차수가 화음의 일그러짐 현상을 감소할 수 있도록 결정될 수 있는 구조를 가지는 것이 효과적이다. 이로써 음질이 개선되는 것이다.
본 발명에 따른 장치에 신호-전달 함수, 잡음 정형-전달 함수, 출력값-전달 함수 및/또는 실제값-전달 함수 등이 구현되는 연산-제어부를 구비하는 것이 효과적이다. 본 발명에 따른 장치는 또한 신호-전달 함수, 잡음 정형-전달 함수, 출력값-전달 함수 및/또는 실제값-전달 함수 등이 구현되는 마이크로 제어기를 포함할 수 있다.
디지털 교정부에 표준화된 압전 스피커의 측정 데이터를 저장하는 것이 효과적이다. 이러한 측정 데이터는 스피커의 비선형성 상태를 반영한다. 측정 데이터는 예컨대 도표 형식으로 저장될 수 있다. 더 나아가서 측정 데이터는 예컨대 바람직하게는 압전 스피커의 인가와 관련하여 저장되는 압전 스피커의 용량을 포함할 수 있다. 이때, 측정 데이터는 압전 스피커의 상태를 특징을 기술하는 데이터를 포함할 수 있다. 또한, 측정 데이터는 교정부, PWM-생성기 및/또는 증폭단을 위한 데이터를 포함할 수 있다. 측정 데이터는 예컨대 용량, 유도성 인덕턴스 및/또는 특성곡선(Kennlinien) 등을 포함할 수 있다. 그럼으로써 어느 특정한, 오디오 신호에 상응하는 압전 스피커의 진동판의 변위를 확보하기 위하여 압전 스피커 또는 압전 액추에이터는 얼마나 오랫동안 인가되어야만 하는지에 대하여 알 수 있게 된다. 측정 데이터는 본 발명에 따른 장치에 관한 시스템 파라미터를 포함할 수 있다.
더 나아가서, 이러한 측정 데이터를 고려하는 가운데 교정부를 수단으로 하여 스피커의 비선형성 현상의 적어도 일부를 교정하는 것이 효과적이다. 그렇게 함으로써 압전 스피커의 음질이 개선된다.
그 밖에도, 가청 파장 스펙트럼 내에서 음파를 생성할 수 있도록 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 장치에 관한 방법이 제안된다. 이 방법을 통하여 전술한 및/또는 후술되는 명세서에 기재된 하나 또는 다수의 기술적 특징에 따라 제작되는 오디오 신호 처리 장치는 운용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 신호 입력부를 통하여 입력되는 디지털 오디오 신호가 처리된다. 디지털 오디오 신호에 의거하여 스피커를 통하여 음향이 생성된다. 디지털 오디오 신호는 스피커를 통하여 재생될 음악, 음향 및/또는 언어에 관한 정보를 포함한다. 본 발명에 따른 방법에 따르면 스피커가 오디오 신호에 저장되는 음악, 음향 및/또는 언어에 관한 정보를 그에 상응하는 음향으로 변환할 수 있도록 오디오 신호가 처리된다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 스피커의 비선형성은 디지털 교정부에 의해 교정된다. 스피커는 오디오 신호에 비선형적으로 반응하기 때문에 비선형성은 교정부에 의하여 교정되는 것이다. 비선형성의 원인으로 스피커가 다양한 상태에서 서로 다르게 반응한다는 점을 지목할 수 있다. 예컨대, 압전 스피커는 압전 스피커의 실제적인 적재(인가) 상태와 결부되는 용량을 내보인다. 비선형성을 교정하기 위하여 교정부는 예컨대 압전 스피커의 현재의 상태, 즉 적재(인가)상태를 함께 산입하여 계산한다. 그 밖에도, 압전 스피커의 온도 역시 비선형성을 초래할 수 있다. 상이한 온도는 상이한 상태를 초래할 수 있다. 더 나아가서 압전 스피커의 연수 또한 비선형성에 이르게 한다. 신호에 대하여 오래된 스피커는 새로운 스피커와는 다르게 반응할 수 있다.
더 나아가서, 교정부에 의하여 교정된 신호는 디지털 PWM-생성기에 의하여 펄스 폭 변조된 접속 신호로 변환된다.
증폭단은 진동판을 변위 시키기 위하여 스피커의 압전 액추에이터에 전압이 걸리도록 하는 방식으로 PWM-생성기에 의해 변환되는 접속 신호로 인가된다. 진동판이 변위되면, 진동판에 안배되는 공기가 진동하게 되고, 이는 음향, 음악 및/또는 언어를 전달하는 음파에 상응하는 것이다. 그 때문에 진동판의 정밀한 변위가 중요한 것이다. 정밀치 못한 진동판의 변위는 일그러진 또는 오류를 내포하는 음악, 음향 및/또는 언어로 전달되는 음파를 초래한다. 높은 수준의 음질에 도달할 수 있도록, 변위를 가능한 한 디지털 오디오 신호에 상응시키는 것이 효과적이다.
압전 액추에이터가 단계적으로 인가되면 이때 진동판도 단계적으로 인가될 수 있다. 예컨대, 이는 에너지원, 예를 들면 배터리가 공급전압 3V로 제공되고, 압전 액추에이터는 그럼에도 30V까지 인가될 때 수행될 수 있는 것이다.
증폭단은 예컨대 펄스 폭 변조된 PWM-생성기의 접속 신호에 의해 인가되는 적어도 하나의 스위치를 포함할 수 있다. 그럼으로써 압전 액추에이터는 아날로그 가를 가지는 전압으로 인가되는 것이다. 교정부, PWM-생성기 및/또는 증폭단은 따라서 디지털 오디오 신호를 압전 액추에이터의 전압으로 변환시키고, 이때 전압은 아날로그 가를 가지게 된다. 따라서 교정부, PWM-생성기 및/또는 증폭단은 디지털/아날로그-변환기일 수 있다.
더 나아가서, 압전 액추에이터의 전압은 폐쇄 루프의 피드백을 통하여 귀환 신호로 피드백된다. 이때 귀환 신호는, 가청 주파수 영역 내에서 사용목적에 적합하게 이용될 때, 교정부, PWM-생성기, 증폭단 및/또는 압전 스피커로 인하여 생성되는 제1 신호 잡음을 포함한다. 따라서 피드백은 폐쇄 루프를 종결짓는다. 이렇게 폐쇄 루프의 도움으로 압전 스피커의 음질이 개선되는 것이다. 예컨대 폐쇄 루프의 도움으로 교정부, PWM-생성기, 압전 스피커 및/또는 증폭단을 통하여 신호처리하는데 가운데 발생할 수 있는, 출력되는 음파에 내재하는 에러들이 감소될 수 있다.
본 발명에 따르면 교정부, PWM-생성기, 증폭단 및/또는 압전 스피커에서 발생하는 제1 신호 잡음의 잡음 에너지는 잡음 정형부를 통하여 가청 주파수 영역에서 구축된다. 잡음 에너지는 이때 가청 주파수 영역보다 높은 영역으로 밀려나게 된다. 잡음 에너지는 예컨대 주파수가 20kHz 이상인 영역으로 밀려난다. 그런 영역에서 인간의 청력은 제1 신호 잡음을 인지할 수 없으며, 따라서 스피커를 통해 출력되는 음질이 개선되는 것이다. 대안으로, 잡음 에너지는 샘플링 주파수 영역으로 구축될 수 있다. 샘플링 주파수는 (본 발명에 따른) 오디오 신호 처리 방법에 적용되는 운용주파수일 수 있으며, 그것은 예컨대 1MHz 범위에 놓일 수 있다. 그런 범위의 주파수 영역에서는 압전 액추에이터 또는 압전 스피커의 기능이 저하되기 때문에 압전 액추에이터 또는 압전 스피커는 그런 주파수를 더는 따라잡을 수 없게 된다. 따라서 제1 신호 잡음에 적재된 잡음 에너지가 감소하는 것이다. 압전 액추에이터 또는 압전 스피커는 로우 패스 필터의 특성을 구비한다.
본 발명의 또 다른 효과들은 이하 기술하는 실시 예들에서 적시된다.
도 1은 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 장치의 블록 다이어그램이고,
도 2는 압전 스피커를 위한 잡음 정형부를 구비하는 오디오 신호 처리 장치의 블록 다이어그램이고,
도 3은 압전 스피커를 위한 오디오 신호 처리 공정의 선형 모델을 도시하는 흐름도이다.
도 1은 압전 스피커(2)를 위한 오디오 신호 처리 장치(1)의 블록 다이어그램을 도시한다. 압전 스피커(2)를 통하여 사람의 청각이 감지할 수 있는 가청 파장 스펙트럼 내에서 음파가 생성될 수 있다. 음파는 음향, 음악 및/또는 음성을 포함하는 데, 스피커(2)를 통하여 예컨대 음악을 듣거나 또는 전화 통화를 할 수 있게 된다. 따라서 오디오 신호 처리 장치(1)와 스피커(2)는 예컨대 스마트폰, MP3-플레이어 또는 그 밖에 다른 종류의, 특히 휴대할 수 있는 기기에 접속될 수 있다.
압전 스피커(2)는 도면에 도시하지 않은 압전 액추에이터를 포함하는데, 상기 압전 액추에이터로 인하여 진동판에 안배되는 공기가 진동할 수 있도록 마찬가지로 도시하지 않은 스피커(2)의 진동판이 변위 됨으로써 음향, 음악 및/또는 음성을 전달하는 음파가 생성된다.
압전 액추에이터를 변위 시키기 위하여 압전 액추에이터는 전압으로 인가될 수 있다. 압전 액추에이터에 인가된 전압이 증가 또는 감소하면 압전 액추에이터의 자체의 변위 역시 증가 또는 감소한다. 압전 액추에이터가 인가됨으로써 적재된 전기 에너지가 저장되고, 그 결과 액추에이터는 콘덴서 특성을 나타내고, 용량을 갖게 된다.
더 나아가서, 오디오 신호 처리 장치(1)는 디지털 오디오 신호를 위한 신호 입력부(3)를 포함한다. 디지털 오디오 신호는 스피커(2)를 통해서 생성되어야 할 음악, 음향 및/또는 음성에 상응하는 음향 정보를 포함한다. 일반적으로 오디오 신호는 스피커(2)가 생성해야 하는 음파에 관한 정보를 포함한다. 스피커(2)에 의하여 생성되는 음파의 질은 오디오 신호 처리 장치(1)가 압전 액추에이터를 디지털 오디오 신호에 적합하게 변위 시키는가에 달려있다.
오디오 신호 처리 장치(1)는, 본 실시 예에 따르면, 압전 스피커(2)의 비선형성을 교정할 수 있는 디지털 교정부(4)를 포함한다. 비선형성의 발현은 예컨대 압전 액추에이터의 변위의 변화가 압전 액추에이터 자체의 급작스러운 변위에 좌우한다는 점에 기인한다. 더 나아가서, 압전 액추에이터의 용량은 변위에 좌우되는데, 이것 역시, 마찬가지로 비선형성의 원인이다. 압전 액추에이터에 인가되는 전압을 산정할 때 현재의 전압도 역시 함께 고려되어야 한다. 비선형성 현상은 또한 그 밖에도 많은 다른 원인으로 생겨난다. 그렇기 때문에 압전 액추에이터의 크기, 온도 또는 내구연한 등이 고려되어야 한다. 추가로 또는 대안으로 오디오 신호 처리 장치(1) 자체가 스피커(2)의 비선형성에 이르게 할 수 있다.
디지털 교정부(4)는 디지털 오디오 신호를 수용하고, 교정된 신호를 출력할 수 있다.
더 나아가서, 오디오 신호 처리 장치(1)는 디지털 교정부(4)에서 교정된 신호를 펄스 폭 변조된 접속 신호로 변환시키는 디지털 PWM-생성기(5)를 포함한다.
더 나아가서, 오디오 신호 처리 장치(1)는 PWM-생성기(5)에 의해 변환되는 접속 신호에 의해서, 압전스피커(2)의 압전 액추에이터가 진동판을 변위 시키도록 전압이 걸릴 수 있도록 하는 방식으로 인가되는 증폭단(6)을 포함한다. 증폭단(6)은 예컨대 전압을 3V에서 30V로 증가시키는 증폭기일 수 있다. 증폭단(6)은 스피커(2)의 압전 액추에이터에 전압이 인가될 수 있는 방식으로 펄스 폭 변조된 접속 신호를 처리할 수 있다. 이때, 압전 액추에이터에 인가되는 전압은 펄스 폭 변조된 접속 신호에 좌우된다. 펄스 폭 변조된 접속 신호를 통하여 액추에이터의 전압이 설정될 수 있다. 전압은 디지털 오디오 신호에 적합한 소리가 생성될 수 있도록 진동판이 변위되는 방식으로 압전 액추에이터에 인가되게끔 설정된다.
이때, 증폭단(6)은 압전 액추에이터(8) 또는 압전 스피커(2)에 전압을 걸기 위하여 전기 에너지를 구비하는 전원 공급부(8)를 포함할 수 있다. 전원 공급부(8)는 예컨대 스마트폰용 배터리일 수 있다.
폐쇄 루프를 형성하기 위하여, 오디오 신호 처리 장치(1)는 압전 액추에이터에 인가되는 전압이 귀환 신호로서 다시 피드백되도록 하는 피드백(7)을 포함한다.
피드백(7)은 제1 추가부(10)로 피드백될 수 있다. 제1 추가부(10)는 귀환 신호를 디지털 오디오 신호와 비교할 수 있도록 구성된다. 제1 추가부(10)는 예컨대 귀환 신호와 디지털 오디오 신호 간의 차이를 형성할 수 있다. 제1 추가부(10)는 차이를 형성하기 때문에, 감쇄부라고도 부를 수 있다. 이를 통하여, 오디오 신호와 압전 액추에이터에 인가되는 전압 사이에 발생하는 에러 내지 편차가 산출될 수 있으며, 이 편차는 디지털 오디오 신호를 나타내는 목표값과 압전 액추에이터에 인가된 전압을 나타내는 실제값 사이의 편차에 상응한다.
귀환 신호가 제1 추가부(10)에 피드백되기 이전에 귀환 신호는 아날로그/디지털-변환기(9)(약칭 A/D-변환기)로 피드백 된다. 전자적 또는 논리적 회로에서 처리될 수 있도록 귀환 신호는 A/D-변환기(9)를 통하여 디지털화 된다.
귀환 신호는, 압전 스피커(2)를 통하여 생성된 음파의 가청 주파수 영역 내에서 사용 목적에 적합하게 이용될 때, 교정부(4), PWM-생성기(5), 증폭단(6) 및/또는 압전 스피커(2)에 의해 초래되는 제1 신호 잡음을 포함한다.
제1 신호 잡음은 예컨대 양자화 잡음 또는 양자화 에러로 인해 생성된다. 교정부(4), PWM-생성기(5), 증폭단(6) 및/또는 압전 스피커(2)는 디지털/아날로그-변환기(또는 약칭하여 D/A-변환기)로도 부를 수 있는데, 이들은 신호 입력부(3)에 입력되는 디지털 오디오 신호를 압전 액추에이터에 인가되는 아날로그 형식의 전압으로 변환하기 때문이다. 교정부(4), PWM-생성기(5) 및 증폭단(6)은 디지털 오디오 신호를 압전 스피커(2)를 위한 출력신호로 변환하기 때문에 이들은 D/A-변환기로 통합될 수 있다. 디지털 오디오 신호가 스피커(2)를 위한 액추에이터 또는 출력신호의 전압으로 변환되는 과정에서 양자화 에러가 생겨날 수 있는데, 이런 에러는 제1 신호 잡음을 초래하게 되고, 이는 가청 주파수 영역에서의 음질의 저하를 유발할 수 있는 것이다.
오디오 신호 처리 장치(1)는 추가적 또는 대안으로 전진 경로(13)를 포함한다. 전진 경로(13)는 본 실시 예에서 신호 입력부(3), 디지털 교정부(4), PWM-생성기(5) 및 증폭단(6)을 포함한다. 전진 경로(13)는 추가로, 도 1에 도시한 바와 같이 전진 경로(13) 상의 다른 구성 요소들과 하나의 선상에 배치되어 있지 않더라도, 압전 스피커(2)를 포함한다. 전원공급부(8) 역시 전진 경로(13)의 일부분일 수 있다.
오디오 신호 처리 장치(1)는 추가적 또는 대안으로 피드백 경로(14)를 포함한다. 피드백 경로(14)는 압전 스피커(2)로부터 귀환 신호를 받아서, 이를 디지털화하여 피드백시키는 아날로그/디지털-변환기(9)를 포함한다.
전진 경로(13)와 피드백 경로(14)는 폐쇄 루프를 형성한다.
오디오 신호 처리 장치(1) 또는 폐쇄 루프는 더 나아가서 신호 흐름(15)을 포함하는데, 신호 흐름 방향은 도면에서 화살표로 도시되어 있다. 신호 흐름(15)은 예컨대 신호 입력부(3)로부터 제1 추가부(10), 교정부(4), PWM-생성기(5), 증폭단(6)을 경유하여 압전 스피커(2)에 이르게 되고, 이 모든 과정은 전진 경로(13)를 형성할 수 있다. 더 나아가서, 신호 흐름(15)은 압전 스피커(2)로부터 출발하여 아날로그/디지털-변환기(9)를 거쳐서 신호 입력부(3) 또는 제1 추가부(10)로 진행되고, 이 과정은 피드백 경로(14)를 형성할 수 있다. 따라서 신호 흐름(15)은 폐쇄 루프 내에서 이루어진다.
도 2는 압전 스피커(2)를 위한 오디오 신호 처리 장치(1)의 블록 다이어그램을 도시한다. 오디오 신호 처리 장치(1)는 잡음 정형부(16)를 포함하는데, 잡음 정형부(16)는 교정부(4), PWM-생성기(5), 증폭단(6) 및/또는 압전 스피커(2)에서 생성되는 제1 신호 잡음에 포함된 잡음 에너지가 가청 주파수 범위 밖으로 밀쳐내도록 구성된다. 예컨대, 제1 신호 잡음에 포함된 잡음 에너지는 가청 주파수 영역을 초과하는 영역으로 구축될 수 있다. 가청 주파수 영역은 대략 20kHz를 넘지 않는데, 제1 신호 잡음에 포함된 잡음 에너지가 20kHz를 초과하는 영역으로 구축되면 사람의 청력으로는 더는 감지할 수 없게 된다. 예를 들면, 잡음 에너지는 20kHz 또는 100kHz보다 높은 주파수 영역으로 구축될 수 있다.
제1 신호 잡음에 포함되는 잡음 에너지는 오디오 신호 처리 장치(1)의 샘플링 주파수 영역으로 구축될 수 있다. 예컨대, 샘플링 주파수는 오디오 신호 처리 장치(1)에 운용되는 작업 주파수일 수가 있다. 이 주파수는 예컨대 1MHz 영역에 놓일 수 있다. 압전 액추에이터는 그와 같은 고주파를 따라갈 수 없기 때문에 고주파 영역에서도 역시 제1 신호 잡음에 포함된 잡음 에너지가 감소할 수 있다. 그 결과 압전 액추에이터는 로우-패스 필터의 특성을 갖게 된다.
본 실시 예에 따르면, 잡음 정형부(16)는 신호 흐름(15)의 방향에서 교정부(4)의 앞쪽에 배치될 수 있다. 예컨대, 잡음 정형부(16)는 전진 경로(13) 및/또는 피드백 경로(14) 상에 배치될 수 있다. 더 나아가서, 잡음 정형부(16)는 신호 흐름(15)의 방향에서 아날로그/디지털-변환기(9)의 뒤쪽에 배치될 수 있다.
더 나아가서, 본 실시 예에 따르면, 잡음 정형부(16)는 잡음 정형 블럭(11) 및/또는 루프 필터(12), 특히 디지털 루프 필터를 포함한다. 잡음 정형 블럭(11)을 통하여 제1 신호 잡음에 포함되는 잡음 에너지가 가청 주파수 영역 밖으로 밀려나게 된다. 여기서 잡음 정형 블럭(11)은 피드백 경로(14) 상에 배치된다. 더 나아가서, 잡음 정형 블럭(11)은 신호 흐름(15)의 방향에서 아날로그/디지털-변환기(9)의 뒤쪽에 배치된다. 잡음 정형 블럭(11)은 신호 흐름(15)의 방향에서 신호 입력부(3)의 앞쪽에 배치된다. 따라서 잡음 정형 블럭(11)은 한 공정이 수행되는 동안 잡음 에너지를 가청 주파수 영역 밖으로 구축한다. 잡음 정형 블럭(11) 및/또는 잡음 정형부(16) 통하여 생성되는 신호는 이 공정이 진행되는 동안 제1 추가부(10)로 전달된다.
루프 필터(12)는 전진 경로(13)에 배치된다. 루프 필터(12)는 신호 흐름(15)의 방향에서 신호 입력부(3)의 뒤쪽에 배치된다. 루프 필터(12)는 신호 흐름(15)의 방향에서 교정부(4)의 앞쪽에 배치된다.
도 3은 압전 스피커(2)를 위한 오디오 신호 처리공정에 관한 흐름도를 도시한다.
신호 입력부(3)으로 디지털 오디오 신호 Vin 이 입력 된다. 신호 흐름(15)의 신호 진행 방향에서 볼 때, 제1 추가부(10)는 신호 입력부(3)의 뒤쪽에 위치한다. 제1 추가부(10)에서 디지털 오디오 신호 Vin 가 디지털 귀환 신호 Ydig 와 비교된다. 따라서 이 두 개의 신호의 차이가 생겨난다. 예컨대 에러 시그널에 관한 등식(d = Vin - Ydig)이 성립한다. 이때, 오디오 신호 처리 장치(1)의 이전 시스템 사이클의 디지털 귀환 신호 Ydig 를 현재의 디지털 오디오 신호 Vin 와 비교하는 것이 바람직하다. 예컨대, d = Vin (n) - Ydig (n-1)라는 공식이 산출되는데, 이때 d는 에러 시그널일 수 있다. 또한, d는 압전 스피커(2)의 전압이 맞추어지는 값일 수도 있다. 이 전압은, 디지털 오디오 신호 Vin에 따라서 그에 상응하는 음향을 생성하기 위하여 인가되어야 하는 전압이 스피커(2)의 압전 액추에이터에 걸리게 되면, 제로 값 일 수 있다. 에러, 예를 들면 압전 스피커(2), 제1 신호 잡음 Qz 및/또는 제2 신호 잡음 ed의 비선형성 현상으로 인하여 생겨나는 에러들 때문에 에러 시그널 d는 그럼에도 다른 제로값을 가질 수 있다.
에러 시그널 d는 신호 흐름(15)의 신호 진행 방향에서 제2 추가부(17)로 진행된다. 제2 추가부(17)에서 에러 시그널 d는 압전 스피커(2)의 전위차 변화 dy 와 비교된다. 압전 스피커(2)의 전위차 변화 dy 는 압전 스피커(2)에서 연속하는 전압의 차일 수 있다. 예컨대, 제2 추가부(17)는 에러 시그널 d 과 전위차 변화 dy 사이에 생기는 차이를 형성할 수 있다. 예컨대, 본 실시 예에 따르면, 등식 P=d-dy 이 성립할 수 있는데, 이때 P는 입력신호 잡음 정형부이다.
입력신호 잡음 정형부 P는 신호 흐름(15)의 신호 진행 방향에서 잡음 정형부(16)으로 입력된다. 잡음 정형부(16)는 시스템 함수 H(z)을 포함한다. 더 나아가서, 잡음 정형부(16)는 다음과 같은 제1 공식으로 규정되는 신호-전달 함수 STFd을 포함할 수 있다:
Figure pat00005
신호-전달 함수 STFd 은 에러 시그널 d 가 출력값 X 에 이르기까지, 바람직하게는 선형 시스템을 위하여, 어떻게 변하게 되는가에 관한 양태를 나타낼 수 있다. 상기 공식에서 H(z)은 시스템 함수, I(z)은 스피커 함수, K(z)은 I(z)의 역함수, d는 에러 시그널 그리고 X는 스피커를 위한 출력값을 지칭한다. 따라서 X는 스피커(2)에 인가되는 전압일 수 있으며, 이 전압은 아날로그 형식일 수 있다.
더 나아가서, 신호-전달 함수 STFd 을 통하여 에러 시그널 d가 샘플링 주파수의 주기 또는 작업 주파수의 주기 동안 지연될 수 있다. 이때, 에러 시그널 d는 한 주기 동안 지체될 수 있다. 다양한 시스템 함수 H(z)은 다양한 신호-전달 함수 STFd 을 초래할 수 있다.
신호 흐름(15)의 신호 진행 방향에서 잡음 정형부(16)에 디지털 교정부(4), PWM-생성기(5) 및 증폭단(6)을 포함할 수 있는 디지털/아날로그-변환기 Q가 배치된다. 디지털/아날로그-변환기 Q에 입력신호 R이 구비될 수 있다. 입력신호 R은 R = (d - dy)H(z) = P*H(z)로 규정될 수 있다. 디지털/아날로그-변환기 Q는 도 3에서 도식적으로 디지털/아날로그-변환기 Q로 입력되는 교란값 Qz를 포함한다. 여기서 교란값 Qz는 디지털 교정부(4), PWM-생성기(5), 증폭단(6) 및/또는 압전 스피커(2)을 통하여 생성될 수 있는 제1 신호 잡음 Qz에 상응한다.
제1 신호 잡음 Qz 의 처리는 잡음 정형-전달 함수 NTFd에 의하여 기술될 수 있는데, 이 처리는 잡음 정형부(16)에 의하여 수행될 수 있다. 잡음 정형-전달 함수 NTFd은 이때 제2 공식에 따라 다음과 같이 규정될 수 있다:
Figure pat00006
더 나아가서, 출력값-전달 함수 X(z)은 하나의 예시적인 시스템 함수 H(z)을 위하여 제3 공식에 따라서 다음과 같이 규정될 수 있다:
Figure pat00007
여기서 STFd 는 신호-전달 함수이고, NTFd 는 잡음 정형-전달 함수이다. 이때, 출력값-전달 함수 X(z)은 시스템 함수 H(z)의 선택에 좌우한다.
Y(z)은 하나의 예시적인 시스템 함수 H(z)을 위하여 제4 공식에 따라서 다음과 같이 규정될 수 있다:
Figure pat00008
제4 공식에 따라서 제1 신호 잡음 Qz에 포함되는 잡음 에너지는 가청 파장 스펙트럼 안에서 둔화할 수 있다. 제1 신호 잡음 Qz은 사람의 청력이 감지하지 못하는 고주파 영역으로 구축되어, 그 결과 음질이 개선되는 것이다. 이때, Y(z)은 시스템 함수 H(z)의 선택에 좌우된다.
압전 스피커(2)에 인가되는 전압의 형태로 존재하는 실제값 Y(z)은 아날로그/디지털-변환기(9)를 통하여 디지털화된다. 이러한 디지털화 과정을 통하여 제2 신호 잡음 ed에 내재하는 양자화 에러 또는 양자화 잡음이 발생할 수 있다. 아날로그/디지털-변환기(9)의 선명도가 높이 책정되면, 예컨대 12비트, 14비트 또는 16비트로 책정되면, 제2 신호 잡음 ed는 무시될 수 있다. 잡음 정형부(16)를 통하여 예컨대 단지 제1 신호 잡음 Qz만이 가청 주파수 영역에서 구축될 수 있다.
본 발명은 위에서 기술한 실시 예들에 국한하지 않는다. 본 발명에 따른 청구범위 내에서의 변형 예는 물론이고, 전술한 다양한 실시 예들에 기술된 기술적 특징들의 결합 또한 가능하다.
1: 오디오 신호 처리 장치 2: 압전 스피커
3: 신호 입력부 4: 디지털 교정부
5: 디지털 PWM-생성기 6: 증폭단
7: 피드백 8: 전원공급부
9: 아날로그/디지털 변환기 10: 제1 추가부
11: 잡음 정형 블럭 12: 루프 필터
13: 전진 경로 14: 피드백 경로
15: 신호 흐름 16: 잡음 정형부
17: 제2 추가부 Vin : 디지털 오디오 신호
d: 에러 신호 dy: 압전 스피커의 전위차 변화
P: 입력신호 잡음 정형부
R: 입력신호 아날로그/디지털 변환기 Qz: 제1 신호 잡음
Q: 디지털/아날로그 변환기 X: 출력값
I(z): 스피커 함수 Y(z): 실제값
H(z): 시스템 함수 K(z): I(z)의 역함수
ed: 제2 신호 잡음 Ydig: 디지털-귀환 신호
STFd: 신호-전달 함수 NTFd: 잡음 정형-전달 함수

Claims (19)

  1. 가청 파장 스펙트럼 내에서 음파를 생성할 수 있도록 압전 스피커(2)를 위한 오디오 신호 처리 장치(1)에 있어서,
    디지털 오디오 신호(Vin)를 위한 신호 입력부(3);
    스피커(2)의 비선형성 현상을 교정하기 위한 디지털 교정부(4);
    상기 디지털 교정부(4)에 의해 교정된 신호가 펄스 폭 변조된 접속 신호로 변환시키는 디지털 PWM-생성기(5);
    상기 PWM-생성기(5)에 의해 변환되는 접속 신호에 의해서 상기 스피커(2)의 액추에이터가 진동판을 변위 시키도록 전압(X)이 걸릴 수 있도록 하는 방식으로 인가되는 증폭단(6); 및
    상기 전압(X)이 귀환 신호(Y(z), Ydig)로서 피드백될 수 있도록, 폐쇄된 형식의 루프를 형성하는 피드백(7)을 포함하고, 상기 귀환 신호(Y(z), Ydig)가 가청 주파수 영역 안에서 사용 목적에 적합하게 사용될 때, 상기 교정부(4), 상기 PWM-생성기(5), 상기 증폭단(6) 및/또는 상기 압전 스피커(2)로 인하여 발생하는 제1 신호 잡음(Qz)을 포함할 수 있고,
    상기 오디오 신호 처리 장치(1)는 잡음 정형부(16)를 포함하고, 상기 잡음 정형부(16)는 상기 교정부(4), 상기 PWM-생성기(5), 상기 증폭단(6) 및/또는 상기 압전 스피커(2)로 인하여 발생하는 상기 제1 신호 잡음(Qz)에 포함된 잡음 에너지가 가청 주파수 범위 밖으로 밀쳐내도록 형성되거나 및/또는 폐쇄 루프 안으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 신호 잡음(Qz)에 포함된 잡음 에너지는 상기 잡음 정형부(16)를 통하여 고주파 영역으로 및/또는 상기 오디오 신호 처리 장치(1)에 운용되는 샘플링 주파수 영역으로, 특히 1MHz 영역으로, 밀려나게 되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 오디오 신호 처리 장치(1)가 폐쇄 루프 접속으로 형성되고 및/또는 상기 폐쇄 루프는 전진 경로(13)와 적어도 하나의 피드백 경로(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형부(16)는 신호 흐름 방향에서 상기 교정부(4) 앞쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형부(16)는 상기 제1 잡음(Qz)에 포함된 잡음 에너지를 구축하기 위한 잡음 정형 블럭(11) 및/또는 폐쇄 루프 진동을 둔화시키기 위한 루프 필터(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오디오 신호 처리 장치(1)는 아날로그/디지털-변환기(9)를 포함하고, 상기 아날로그/디지털-변환기(9)를 통하여 상기 귀환 신호(Y)가 디지털화되고, 변환된 상기 귀환 신호(Ydig)는, 사용 목적에 맞게 이용될 때, 상기 아날로그/디지털-변환기(9)에 의하여 발생하는 제2 신호 잡음(ed)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형 블럭(11)은 단지 상기 제1 신호 잡음(Qz) 만을 처리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형부(16)는 신호-전달 함수(STFd)를 포함하고, 상기 디지털 오디오 신호(Vin)와 상기 디지털 귀환 신호(Ydig) 사이에 에러 시그널(d)이 발생하는 경우, 스피커(2)를 인가하기 위하여 상기 신호-전달 함수(STFd)를 통하여 출력값(X)이, 특히 전압이 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호-전달 함수(STFd)는 상기 에러 시그널(d)이 한 주기 동안 지체되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호-전달 함수(STFd)는 다음과 같은 제1 공식으로 규정되고,
    Figure pat00009

    위 공식에서 H(z)은 시스템 함수, I(z)은 스피커 함수, K(z)은 (Iz)의 역함수, d는 상기 에러 시그널 그리고 X는 상기 스피커(2)를 위한 출력값을 지칭하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형부(16)는 상기 제1 신호 잡음(Qz)에 포함된 잡음 에너지를 밀어낼 수 있도록 잡음 정형-전달 함수(NTFd)를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형-전달 함수(NTFd)는 저주파수 영역이 둔화할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형-전달 함수(NTFd)는 다음과 같은 제2 공식으로 규정되고,
    Figure pat00010

    위 공식에서 H(z)은 시스템 함수, I(z)은 스피커 함수, K(z)은 I(z)의 역함수, d는 상기 에러 시그널 그리고 X는 상기 스피커(2)를 위한 출력값을 지칭하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    출력값-전달 함수(X(z))는 다음과 같은 제3 공식:
    Figure pat00011

    으로 규정되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    실제값-전달 함수(Y(z))는 다음과 같은 제4 공식:
    Figure pat00012

    으로 규정되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잡음 정형부(16)는, 적어도 하나의 전달 함수에 포함된 영점, 극점 및/또는 차수가 신호-잡음 관계를 향상할 수 있도록 및/또는 화음의 일그러짐 현상을 감소할 수 있도록 결정될 수 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오디오 신호 처리 장치(1)는
    상기 신호-전달 함수(STFd), 상기 잡음 정형-전달 함수(NTFd), 상기 출력값-전달 함수(X(z)) 및/또는 상기 실제값-전달 함수(Y(z)) 등이 구현되는 연산-제어부, 특히 마이크로 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교정부(4)에 표준화된 압전 스피커(2)의 측정 데이터가 저장되고, 측정 데이터는 스피커의 비선형성을 반영하고, 측정 데이터를 고려하는 가운데 상기 스피커(2)의 비선형성이 상기 교정부(4)를 통하여 교정되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 장치.
  19. 가청의 파장 스펙트럼을 생성하기 위한 압전 스피커(2)를 위한 오디오 신호 처리 방법, 특히 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 따른 오디오 신호 처리 장치(1)를 위한 오디오 신호 처리 방법으로서,
    신호 입력부(3)를 통하여 입력되는 디지털 오디오 신호(Vin)가 처리되고;
    상기 스피커(2)의 비선형성이 디지털 교정부(4)에 의하여 교정되고;
    상기 교정부(4)에 의하여 교정된 신호가 디지털 PWM-생성기(5)에 의하여 펄스 폭 변조되는 접속 신호로 변환되고;
    증폭단(6)은, 상기 스피커(2)의 압전 액추에이터가 진동판을 변위 시키도록 전압(X)이 인가되고, 전압(Y)은 폐쇄 루프의 피드백을 거쳐서 귀환 신호(Ydig)로서 피드백되도록, 상기 PWM-생성기(5)에 의하여 변환된 접속 신호로 인가되고;
    상기 귀환 신호(Ydig)는 가청 주파수 영역에서 사용 목적에 적합하게 사용될 때 상기 교정부(4), 상기 PWM-생성기(5), 상기 증폭단(6) 및/또는 상기 압전 스피커(2)에 의해 생성된 제1 신호 잡음(Qz)을 포함하고,
    잡음 정형부(16)를 통하여 상기 교정부(4), 상기 PWM-생성기(5), 상기 증폭단(6) 및/또는 상기 압전 스피커(2)에 의해 생성된 상기 제1 신호 잡음(Qz)에 포함되는 잡음 에너지가 가청 주파수 영역에서 구축되는 것을 특징으로 하는 오디오 신호 처리 방법.
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