KR960009936B1

KR960009936B1 - 오디오 신호의 왜곡 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR960009936B1
Application number: KR1019920018387A
Authority: KR
Inventors: 김종일
Original assignee: 대우전자 주식회사; 배순훈
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 1996-07-25
Also published as: JPH06201744A; US5402495A; KR940009696A

Abstract

없음.

Description

오디오 신호의 왜곡 측정장치 및 방법

제1도는 종래의 오디오 신호 측정장치를 개략적으로 도시한 블럭도.

제2도는 본 발명에 따른 오디오 신호 측정장치의 블럭도.

제3도는 제2도의 마스킹 문턱치를 구하기 위한 장치의 블럭도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 오디오 시스템20 : 신호전력 스펙트럼 평가장치

21 : 윈도우잉 수단30 : 마스킹 문턱치 검출장치

40 : 에러 전력 스펙트럼 평가장치50 : 왜곡값 평가장치.

본 발명은 오디오 신호의 왜곡장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 인간의 청각 특성을 응용하여 오디오 신호의 왜곡측정을 행함으로써 왜곡 측정값과 실제의 듣기 평가의 결과가 일치하도록 하는 오디오 신호의 왜곡측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 오디오 신호의 왜곡 정도를 축정하는 방법으로는 오디오 신호의 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio) 또는 구간 신호대 잡음비(SEG SNR : Segmental SNR)을 이용하는 것으로 본 기술분야에 잘 알려져 있다.

제1도는 이러한 종래의 오디오 신호 왜곡 측정장치를 개략적으로 도시한 것으로, 오디오 신호 처리 시스템(10)의 입력 신호가 N개의 유한 구간 디지틀 오디오 신호원(x(n))이며, N이 양의 정수라 하면 에러신호(e(n))는 입력신호(x(n))와 출력신호(y(n))의 차로서 구해진다. 구해진 에러신호(e(n))를 이용하여, 신호대 잡음비(SNR)가 얻어질 수 있다.

지금까지, 오디오 신호의 왜곡 측정은 전술하는 신호대 잡음비로서 정량화되어 왔다.

또다른 오디오 신호 왜곡 측정방법으로는, 구간 신호대 잡음비(SEGSNR)가 종래의 협대역 오디오 신호(대역폭이 3.4KHz 이하)에 대한 왜곡 측정방법으로 이용되었다. 구간 신호대 잡음비(SNR)를 구하여, 각 구간에 대한 신호대 잡읍비(SNR) 값을 산술평균한 값으로서 다음의 식으로 표시될 수 있다.

여기에서,이며, M과 N은 양의 정수이다.

그러나, 신호대 잡음비(SNR)를 이용한 왜곡 측정값은 광대역 오디오 신호(대역폭이 20Hz~20KHz 이하)에 대해서는 실제의 듣기평가와 일치하지 않아서, 광대역 오디오 신호에 대한 새로운 왜곡평가 기준이 요구되었다. 전술한 바와같은 협대역 오디오 신호와는 달리, 지금까지 광대역 오디오 신호는 주로 실제듣기평가에 의존해왔으며, 광대역 오디오 신호의 디지틀 데이타 압축을 위해 필요한 객관적으로 정량화할 수 있는 어떤 왜곡측정기준도 알려져 있지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 인간의 청각특성인 매스킹 문턱치(Masking Threshold)를 이용하여 광대역 오디오신호에 대한 왜곡 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일태양에 따르면, 오디오 신호에 대해 입력 신호 및 오디오 시스템을 통과한 출력신호간의 오디오 신호 왜곡을 측정하기 위한 본 발명의 방법은, 상기 입력신호의 전력 스펙트럼에 대해 인간의 청각 특성인 마스킹 문턱치를 추출하는 마스킹 문턱치 추출단계와, 상기 입력신호와 상기 출력신호와의 시간 영역상의 차신호인 에러신호에 대해 전력 스펙트럼값을 구하는 에러 전력 스펙트럼 평가단계와, 주파수 영역상에서, 상기 마스킹 문턱치 보다 상기 에러신호에 대한 상기 스펙트럼값이 더큰 상기 스펙트럼값만을 모두 가산하고, 가산된 값을 전체의 주파수 구간으로 정규화한 값을 신호의 왜곡 측정값으로 하는 왜곡 측정값 평가단계를 포함한다.

본 발명의 또다른 태양에 따르면, 오디오 신호에 대해 입력신호 및 오디오 시스템을 통과한 출력신호간의 오디오 신호 왜곡을 측정하기 위한 본 발명의 장치는, 상기 입력신호의 전력 스펙트럼에 대해 인간의 청각 특성의 마스킹 문턱치를 추출하는 마스킹 문턱치 추출수단과, 상기 입력신호와 상기 출력신호와의 시간 영역상의 차신호인 에러신호에 대해 전력 스펙트럼값을 구하는 에러 전력 스펙트럼 평가수단과, 주파수 영역상에서, 상기 마스킹 문턱치 보다 상기 에러신호에 대한 상기 스펙트럼값이 더큰 상기 스펙트럼값만을 모두 가산하고, 가산된 값을 전체의 주파수 구간으로 정규화한 값을 신호의 왜곡 측정값으로 하는 왜곡 측정값 평가수단을 포함한다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세 설명하면 다음과 같다.

제2도는 본 발명에 따른 오디오 신호 왜곡 측정장치를 도시한 블럭도로서, 오디오 신호 왜곡 측정장치는 신호전력 스펙트럼 평가장치(20), 마스킹 문턱치 검출장치(30), 에러 전력 스펙트럼 평가장치(40) 및 왜곡 값 평가장치(50)를 포함한다. 신호전력 스펙트럼 평가장치(20)는 N개의 오디오 신호에 대해 전력 밀도 스펙트럼을 구하는 통상의 장치로, 전력 밀도 스펙트럼(X(k))은 다음의 식으로 구해질 수 있다.

여기서, N은 0보다 큰 정수이다.

에러 전력 스펙트럼 평가장치(40)는 전술하는 신호 전력 스펙트럼 평가장치(20)와 유사한 형태의 장치로서, 입력신호(x(n))와 오디오 신호 처리 시스템(제1도의 10)을 통한 출력신호(y(n))의 차인 에러신호(e(n))에 대한 전력밀도 스펙트럼(E(k))을 출력한다.

여기서, N은 0보다 큰 정수이다.

마스킹 문턱치 검출장치(30)는 인간의 청각 특성에 따른 마스킹 패턴으로부터 각 임계 대역에서의 최적화된 문턱치(LTg(i))를 추출한다. 이것은 본 기술분야에 알려진 인간의 청각 특성에 다른 오디오 신호의 주관적 성능을 반영하기 위한 것이다.

왜곡값 평가장치(50)는 최적화된 문턱치(LTg(i)) 및 에러신호 전력 밀도 스펙트럼(E(k))을 입력하여 왜곡값(PSD : Perceptual Spectrum Distance)을 구하기 위한 것으로 다음의 식으로 표시될 수 있다.

여기서, M은 블록구간의 길이이다.

제2도는 참조하면, 원래의 입력신호(x(n))(원음)와 어떤 오디오 처리 시스템을 거친 출력신호(y(n))간의 왜곡을 측정하기 위해 신호전력 스펙트럼 평가장치(20)에서 입력신호(x(n))에 대한 전력밀도 스펙트럼을 예측하고, 이값으로 인간의 청각 특성을 반영하는 최적의 매스킹 문턱치(Masking Threshold)를 추출한다. 매스킹 문턱치는 통상의 방법으로 입력신호의 스펙트럼으로부터 구할 수 있는 값으로, 제3도에 보다 상세하게 설명될 것이다.

제3도는 제2도의 최적의 매스킹 문턱치를 추출하기 위한 장치의 블록도를 도시한 것으로, 신호전력 스펙트럼 평가장치(20)는 윈도우잉(Windowing) 수단(21) 및 이산푸리에 변환 수단(FFT)(22)을 포함한다.

윈도우잉(windowing) 수단(21)은 주파수의 선택도 및 누수현상(leakage effect)를 고려하고 입력신호(x(n))을 윈도우잉하기 위한 알려진 형태의 윈도우잉 수단이다. 윈도우잉 신호(W(n))은 이산푸리에 변환수단(FFT)(22)에 입력된다. 이산푸리에 변환 수단(FFT)(22)은 윈도우잉 신호(w(n))를 입력하여 전술한 바와같이 이 신호의 전력 밀도 스펙트러(x(k))을 출력한다. 이들은 다음의 식으로 표시될 수 있다. 먼저, 윈도우잉 수단(21)의 함수값(h(n))은 다음과 같이 표시된다.

여기서, M은 블록 구간의 길이이고, n=1,..., M이다.

윈도우잉 수단(21)의 출력(w(n))은 다음과 같이 표시될 수 있다.

w(n)=x(n)·h(n)(5)

따라서, 푸리에 변환수단(22)을 통한 전력 스펙트럼(X(k))은 다음과 같이 표시된다.

여기서, k=1,..., M이다.

결과의 전력 스펙트럼(X(k))은 마스킹 문턱치 검출장치(30)에 입력되어 최적의 마스킹 문턱치값(LTg(i))를 얻을 수 있게 된다. 최적 마스킹 문턱치를 얻기 위한 방법은 본 기술분야에 잘 알려진 것으로 설명의 명료성을 위해 생략한다.

제2도는 다시 참조하면, 에러신호(e(n))에 대한 전력 스펙트럼(E(k))는 전술한 식(4), (5) 및 (6)에 입력신호(x(n))을 대신하여 에러신호(e(n))을 대입함으로써 구해질 수 있음을 쉽게 알수 있을 것이다. 또한, 에러전력 스펙트럼 평가장치(40)는 전술한 윈도우잉 수단(21) 및 푸리에 변환수단(22)를 포함함을 알 수 있을 것이다.

결론적으로, 식(3)에서 설명한 바와같이 입력신호(k(n))에 대한 전력 스펙트럼(X(k))로부터 구한 매스킹 문턱치(LTg(i))와 에러신호, 전력 스펙트럼(E(i))에 의해 오차값(PSD)가 계산될 수 있다. 여기서, i=1,..., M이다. 전술한 왜곡값이 0인 경우 왜곡값이 없음을 나타내며, 0보다 큰 경우, 왜곡값이 큰 것을 나타낸다.

또한, 이러한 왜곡값은 전술한 표시수단 즉, CRT, 세븐 세그먼트 등에 의해 가시적으로 표시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 오디오 신호 왜곡 측정장치 및 방법은 M개의 신호 구간에 대하여 원래의 신호에 비교하고자 하는 신호에 대한 인간의 귀로서 감지할 수 있는 주파수 구간의 오차에 대한 성분을 더하여 평균한 것으로 실제의 듣기평가 결과와 부합하게 되며, 광대역 오디오 신호에 대한 복호화된 신호의 왜곡 정도를 정량화시킬 수 있는 객관적인 성능평가가 가능하도록 하는 등의 커다란 효과가 있다.

비록 본 발명이 대표적인 일실시예로서 설명되었으며, 수치적으로 표시되었으나, 그 하드웨어 구성은 본 기술분야의 숙련자라면 잘 알 수 있는 것으로, 본 발명의 사상 및 범주에서의 변경은 본 발명의 다음의 청구범위에 기재한 범위에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims

오디오 신호에 대해 입력신호(x(n)) 및 오디오 시스템(10)을 통과한 출력신호(y(n)) 간의 오디오 신호 왜곡을 측정하기 위한 것으로, 상기 입력신호(x(n))의 전력 스펙트럼(X(k))에 대해 인간의 청각특성의 마스킹 문턱치(LTg(i))를 추출하는 마스킹 문턱치 추출단계와; 상기 입력신호(x(n))와 상기 출력신호(y(n))와의 시간 영역상의 차신호인 에러신호(e(n))에 대해 전력 스펙트럼값(E(i))을 구하는 에러 전력 스펙트럼 평가단계와; 주파수 영역상에서, 상기 마스킹 문턱치(LTg(i)) 보다 상기 에러신호(e(n))에 대한 상기 스펙트럼값(E(i))이 더큰 상기 스펙트럼값(E(i)) 만을 모두 가산하고, 가산된 값을 전체의 주파수 구간으로 정규화한 값을 신호의 왜곡 측정값으로 하는 왜곡 측정값 평가단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 마스킹 문턱치 추출단계가, 상기 입력신호(x(n))를 기설정된 구간의 구간입력신호(w(n))로 분리하는 윈도우잉 단계와; 상기 각 구간 입력신호(W(n))에 대해 전력 스펙트럼(X(k))를 구하는 전력 스펙트럼 평가단계를 포함하고, 상기 에러 전력 스펙트럼 평가단계가, 상기 에러신호(e(n))을 상기 기설정된 구간의 구간 입력신호로 분리하는 윈도우잉 단계를 포함하며, 상기 왜곡 측정값 평가단계가 상기 정규화값을 전체 구간에 대해 산술평가한 값을 왜곡 측정값으로 평가하는 방법.
오디오 신호에 대해 입력신호(x(n)) 및 오디오 시스템(10)을 통과한 출력신호(y(n)) 간의 오디오 신호 왜곡을 측정하기 위한 것으로, 상기 입력신호(x(n))의 전력 스펙트럼(X(k))에 대해 인간의 청각특성의 마스킹 문턱치(LTg(i))를 추출하는 마스킹 문턱치 추출수단(20,30)과; 상기 입력신호(x(n))와 상기 출력신호(y(n))와의 시간 영역상의 차신호인 에러신호(e(n))에 대해 전력 스펙트럼값(E(i))을 구하는 에러 전력 스펙트럼 평가수단(40)과; 주파수 영역상에서, 상기 마스킹 문턱치(LTg(i)) 보다 상기 에러신호(e(n))에 대한 상기 스펙트럼값(E(i))이 더큰 상기 스펙트럼값(E(i)) 만을 모두 가산하고, 가산된 값을 전체의 주파수 구간으로 정규화한 값을 신호의 왜곡 측정값으로 하는 왜곡 측정값 평가수단(50)을 포함하는 장치.
제3항에 있어서, 상기 마스킹 문턱치 추출수단(20,30)이, 상기 입력신호(x(n))을 기설정된 구간의 구간입력신호(w(n))로 분리하는 윈도우잉 수단(21); 상기 각 구간입력신호(W(n))에 대해 전력 스펙트럼(X(k))를 구하는 전력 스펙트럼 평가수단(22)를 포함하고, 상기 에러 전력 스펙트럼 평가수단(40)이, 상기 에러신호(e(n))을 상기 기설정된 구간의 구간입력신호로 분리하는 윈도우잉 수단(21)을 포함하며, 상기 왜곡 측정값 평가수단(50)이 상기 정규화값을 전체 구간에 대해 산술평가한 값을 왜곡 측정값으로 평가하는 장치.