KR20060016789A - 에코 제거 시스템을 가진 확성기-마이크로폰 시스템 및에코 제거 방법 - Google Patents
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Abstract
이동전화 시스템과 같은 투-웨이 사운드 재생 시스템은 인입 원단 신호(W)를 위한 입력(2), 확성기(5), 입력(1) 및 확성기(5)사이의 D/A 변환기(3), 마이크로폰(7), 마이크로폰(7) 다음에 있는 A/D 변환기(8), 에코 제거 시스템(AEC) 및 출력 원단 신호를 출력하는 출력(12)을 포함한다. 시스템은 입력(2) 및 D/A 변환기(3)사이에 배치된 전처리기(30)를 포함하며, 전처리기(30)는 신호를 충분한 사운드 압력 레벨로 증폭하는 증폭기(32), 및 D/A 변환기(3) 및 A/D 변환기(8) 사이의 전화시스템이 거의 선형 시스템과 같이 동작하도록 디지털 영역의 신호를 제한하는 클리퍼 또는 압축기 또는 제한기(33)를 포함한다.
투-웨이 사운드 재생 시스템, 에코 제거시스템, 전화 시스템
Description
본 발명은 사운드 재생 분야, 특히 확성기 및 마이크로폰을 포함하는 시스템에서의 에코 억제에 관한 것이다.
본 발명은 인입 원단(far end) 신호를 위한 입력, 확성기, 입력 및 확성기사이에 접속된 D/A 변환기, 마이크로폰, 마이크로폰 다음에 배치된 A/D 변환기, 에코 제거 시스템(AEC), 및 출력 원단 신호를 위한 출력을 포함하는 투-웨이 사운드 재생 시스템(예컨대, 핸즈프리 확성기 전화 시스템)에 관한 것이다.
본 발명은 또한 확성기 및 마이크로폰을 가진 투-웨이 사운드 재생 시스템에서 에코를 제거하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 에코 제거 방법에서는,
- 디지털 원단 입력 신호가 아날로그 원단 입력 신호로부터 수신되거나 또는 발생되며;
- 디지털 원단 신호가 아날로그 신호로 변환되며;
- 변환된 아날로그 신호가 확성기를 통해 방사되며;
- 마이크로폰이 아날로그 마이크로폰 신호를 발생시키며;
- 아날로그 마이크로폰 신호가 디지털 마이크로폰 신호로 변환되며;
- 에코 제거가 디지털 원단 신호를 필터링하고 디지털 마이크로폰 신호로부터 결과를 감산함으로써 수행된다.
예컨대 확성기 전화 시스템과 같은 투-웨이 사운드 재생 시스템은 종종 확성기로 불리는 출력 트랜스듀서 및 종종 마이크로폰으로 불리는 입력 트랜스듀서를 포함한다. 확성기는 적정 사운드 압력파를 나타내는 원격 참여자(인입 원단 신호)로부터 수신된 입력 신호에 응답하여 사운드 압력 파들을 발생시키며, 마이크로폰은 출력신호로 변환되고 출력 원단 신호를 위한 출력을 통해 원격 참여자에 전송될 사운드 압력 파들을 수신한다. 확성기가 확성기 전화 주변의 환경으로 사운드를 방사하기 때문에 확성기로부터 마이크로폰까지의 음향 경로가 존재하며, 이 음향 경로는 에코를 유발할 수 있다. 전형적으로, 이러한 경로는 다수의 에코들이 다른 시간에 마이크로폰에 도달하도록 다수의 전송 경로들(다수의 반향음을 나타냄)을 포함한다.
음향 경로에 대한 보상이 이루어지지 않으면, 확성기에 의하여 발생된 사운드는 마이크로폰을 통해 먼 거리에 있는 원격 사용자에게 다시 에코를 유발할 것이다. 실제로, 이는 원격 참여자가 말할때 원격 참여자의 스피치(speech)가 확성기에 의하여 방사된후 재전송되어 원격 참여자가 그 자신의 음성을 들을 뿐만 아니라 그와 통신하는 상대방의 음성을 듣기 때문에 대화하기가 곤란하다는 것을 의미한다. 따라서, 종래에 이들 에코를 감소시키기 위한 시도가 이루어졌다.
원하지 않는 에코들을 감소시키기 위한 한 방법은 적응 필터에 의하여 원단 신호로부터 원하지 않는 성분(에코)의 복제를 유도하여 에코를 억제하는 소위 에코 제거 시스템을 사용하는 것이다. 상기 복제는 원하지 않는 에코를 제거하기 위하여 출력 신호로부터 감산된다.
오늘날 전화에서 대부분의 에코 제거 시스템들은 선형 에코 경로의 가정에 기초한다. 에코는 또한 비선형 성분들을 포함하고 이러한 비선형 성분들은 보상하기가 곤란할 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
미국특허 제5,680,450호에서는 에코의 비선형 부분들을 보상하기 위한 모델과 이 모델에 기초하는 디바이스 및 방법들이 개시되어 있다.
ICASSP(International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing) 2000의 회보들, vol.II, page 805-808, June 5-9 2000 에서 Stengerd에 의해, 에코를 제거하기 위하여 비선형 모델(7차 다항식)을 사용하는 AEC(적응형 에코 제거기)가 기술되어 있다.
이와같이 공지된 시스템들 및 모델들은 에코의 비선형 부분들에 대응하는 어떤 비선형 성분들을 포함하는 에코 신호의 추정에 기초한다. 따라서, 추정된 에코 신호가 마이크로폰에 의하여 발생된 출력신호로부터 감산될때, 확성기에 의하여 발생된 에코의 비선형 부분들이 감소될 수 있다. 따라서, 적응형 에코 필터는 확성기로부터 마이크로폰으로의 음향 경로의 추정치를 발생시키는 음향경로 모델에 기초하여 비선형 성분들을 추정한다.
앞서 언급된 참증들에도 불구하고, 확성기로부터 마이크로폰으로의 에코들을 감소시키는 개선된 확성기 전화 시스템들 및 방법들에 대한 필요성이 요망되고 있 다.
본 발명의 목적은 에코 제거가 개선된 투-웨이 사운드 재생 시스템 및 투-웨이 사운드 재생 시스템에서 에코를 제거하기 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 투-웨이 사운드 재생 시스템은, 인입 원단 신호를 사전에 처리하기 위한 전처리기(pre-processor)를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전처리기는 인입 원단 신호를 증폭하는 증폭기와 원단 신호의 최대 진폭을 제한하는 수단을 포함하며, 여기서 제한된 신호는 확성기 및 에코 제거 시스템을 위한 입력이다.
제한 수단은 예컨대 클리퍼, 제한기 또는 압축기 또는 이들의 결합이다.
본 발명은 다음과 같은 사상에 기초한다.
투-웨이 사운드 재생 시스템들, 특히 확성기 전화 시스템은 종종 넓은 동적 범위를 필요로한다. 특히, 이동전화가 핸즈프리 모드에서 사용될때 이동전화는 높은 사운드 레벨을 발생시켜야 하며, 이와같은 사운드 레벨은 보통 전화가 귀에 대면하여 유지될때 사용된다. 이러한 높은 사운드 레벨을 달성하기 위하여, 오디오 신호는 예컨대 확성기 바로 전에 통상적으로 배치된 유사 전력 증폭게 의하여 크게 증폭된다. 사실상, 오디오 신호는 오디오 신호가 전화 시스템(예컨대, 이동전화)의 전압공급에 의하여 클리핑되는 정도로 증폭된다. 이는 전화 시스템의 마이크로폰에 의하여 에코로서 픽업되는 비선형 왜곡된 확성기 신호를 유발한다. 증폭기의 비선형 동작은 일반적으로 가장 중요한 비선형 원인이다.
에코는 투-웨이 사운드 재생 시스템, 예컨대 이동 전화의 에코 제거 시스템에 의하여 감소될 수 있다. 그러나, 에코 제거는 통상적으로 이동전화(즉, 증폭기, 확성기, 하우징, 마이크로폰)이 에코에 대하여 선형 시스템으로서 보여질 수 있는 가정에 기초한다. 그러므로, 에코 제거 시스템은 비선형 왜곡된 에코를 제거할 수 없다.
앞서 언급된 바와같이, 에코 경로에서 비선형 성분들을 보상하는 것이 기술되었다. 이를 위하여, 적응형 필터는 비선형 성분들을 포함하도록 확장되어야 한다. 그러나, 이러한 시스템을 모델링하는 것은 매우 곤란하며 비선형성에 대하여 양호하게 이용가능한 모델이 존재할때만 가능하다. 그러나, 모든 이동전화들에 대한 일반적인 비선형 모델이 존재하지 않는다. 게다가, 비선형 모델들은 종종 다수의 계수들을 포함하며, 이에 따라 적응은 매우 곤란하며 다수의 메모리 및 계산전력으로 인하여 비용이 많이 든다.
본 발명은 디지털 영역에서, 즉 디지털 대 아날로그 변환 뿐만 아니라 에코 제거기의 앞에서 오디오 신호를 사전에 처리하는 것을 제안하며, 이에 따라 D/A 변환기 및 A/D 변환기간의 시스템의 일부는 선형 시스템이거나 또는 거의 선형 시스템이며 확성기는 충분한 사운드 압력 레벨(Sound Pressure Level)을 발생시킨다.
본 발명에 따른 투-웨이 사운드 재생 시스템에서, 시스템은 전처리기를 포함하며, 전처리기는,
- 오디오 신호를 충분한 사운드 압력 레벨로 증폭하는 증폭기; 및
- 이동전화가 거의 선형 시스템과 같이 동작하도록 디지털 영역의 오디오 신호를 제한하는 클리퍼/압축기/제한기 기능을 포함한다.
본 발명에 따른 투-웨이 사운드 재생 시스템은 에코 제거 시스템을 포함한다. 공지된 시스템과의 차이점은 비선형 성분들이 매우 작은 레벨로 오디오 신호를 제한하는 수단을 포함하는 전처리기의 부가에 있다.
본 발명의 단점은 확성기 신호가 감소되기 때문에 사운드 레벨이 약간 감소된다는 점이다. 그러나, 이러한 단점은 개선된 에코 제거의 장점과 비교하여 매우 작다.
바람직한 실시예에서, 전처리기는 고역필터를 포함한다.
바람직하게 고역필터의 차단값은 100-1000Hz이며, 더 바람직하게 300-500Hz이다.
본 발명의 실시예들에서, 제한수단은 신호 세기 이상의 원단 신호를 클리핑하는 클리퍼를 포함한다.
클리핑은 임계 신호 세기 이상의 어떤 신호가 주어진 임계 신호 세기로 감소되는, 즉 최대 신호 세기가 세팅되는 단순한 동작이다. 이러한 실시예의 장점은 단순한 디바이스가 사용된다는 점이며, 단점은 임계 신호 이상의 신호의 일부 세부사항이 손실되기 때문에 원단 신호가 왜곡된다는 점이다.
바람직한 실시예에서, 제한수단은 신호의 최대 진폭을 확성기로 제한하는 제한기 또는 압축기를 포함한다. 이들 실시예에서, 신호의 최대 진폭은 제한되거나 또는 동적범위는 압축된다.
제한기는 오디오 신호의 피크를 스캔하며 감쇠가 클리핑을 방지하기 위하여 필요한 경우에 피크 주변의 오디오 부분을 감쇠시킨다.
압축기는 일부 오디오 신호의 전체 동적 범위를 감소시킨다. 압축기는 두개의 요소들, 즉 레벨 검출기 및 가변이득을 가진 증폭기를 포함한다. 클리퍼와 비교하여 왜곡이 적으나 설계가 복잡하다.
실시예들에서, 제한수단은 클리퍼 및 제한기/압축기와 한 기능으로부터 다른 기능으로 스위칭하는 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 디지털 대 아날로그 변환 및 에코 제거전에 디지털 원단 신호가 증폭 및 제한되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 개념내에서, '클리퍼(clipper)', '압축기(compressor)', '제한기(limiter)', '필터(filter)', '변환기(converter)', '비교기(comparator)' 등은 하드웨어(예컨대, 변환기, 압축기, 제한기 등)의 일부분, 일부 회로, 또는 변환, 압축, 필터링 등의 기능을 수행하도록 설계된 부회로(sub-circuit) 뿐만 아니라 본 발명에 따라 변환, 클리핑, 제한, 필터링 등의 동작을 수행하도록 설계 또는 프로그래밍된 소프트웨어(컴퓨터 프로그램 또는 부프로그램 또는 컴퓨터 프로그램 세트, 또는 프로그램 코드(들))의 일부분 뿐만 아니라 이하에 주어진 전형적인 실시예들에 제한되지 않고 단독 또는 결합하여 동작하는 하드웨어 및 소프트웨어 부분들의 어떤 결합을 포함하는 것으로 폭넓게 이해되어야 한다. 한 프로그램은 여러 기능들을 결합할 수 있다.
본 발명은 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터상에서 실행될때 본 발명에 따른 방법을 수행하는 프로그램 코드 수단을 포함하는 어떤 컴퓨터 프로그램 뿐만 아니라 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터상에서 실행될때 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 판독가능 매체상에 저장된 프로그램 코드 수단을 포함하는 어떤 컴퓨터 프로그램 제품 뿐만 아니라 본 발명에 특정한 동작을 수행하기 위하여 본 발명에 따라 전화시스템에서 사용하는 프로그램 코드 수단을 포함하는 프로그램 제품으로 구현된다.
본 발명의 이들 및 추가 양상들은 첨부 도면들을 참조로하여 실시예를 통해 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따라 확성기, 마이크로폰, 및 에코 제거 시스템을 포함하는 확성기 전화 시스템의 개략도.
도 2는 증폭기에 대한 전형적인 포화 곡선을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따라 확성기, 마이크로폰, 에코 제거 시스템 및 전처리기를 포함하는 확성기 전화 시스템의 개략도.
도 4는 전처리기를 추가함으로써 얻어진 예시적인 효과를 그래프 형식으로 도시한 도면.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들이 도시된 첨부 도면들을 참조로하여 이하에서 더 상세히 기술될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형식들로 구현될 수 있으며 여기에 기술된 실시예들의 세트에 제한되지 않아야 하며, 오히려 이들 실시예들은 전반적으로 완전히 설명되도록 그리고 당업자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달하도록 제공된다. 동일 도면부호들은 유사한 요소들을 언급한다.
도 1은 종래의 전화 시스템을 개략적으로 기술한다. 이러한 시스템은 예컨대 자동차에서 사용하기 위한 핸즈프리 확성기 셀룰라 무선전화일 수 있다. 핸즈프리 셀룰라 전화로서 구현될때, 원단, 즉 원격 참여자로부터 수신된 스피치 신호들은 셀룰라 기지국(도시안됨)으로부터 전송되고 셀룰라 전화(도시안됨)의 트랜시버에 의하여 수신되며 입력 파형 W로서 인입 원단 신호를 위한 입력(2)에 제공된다. 이러한 예에서, 시스템, 본 예에서 전화 시스템과 원단 간의 순방향 및 역방향 전송이 디지털 형식으로 이루어진다는 것이 가정된다. 원시 신호들이 아날로그 형식이면, 시스템은 입력(2)으로 공급되는 아날로그 원단 신호를 발생시키기 위하여 A/D 변환기를 포함한다.
도 1에 도시된 바와같이, 파형은 입력(2)에 디지털 형식으로 제공되며, D/A 변환기(3)에 의하여 아날로그 형식으로 변환되며, 증폭기(4)에 의하여 증폭되어 확성기(5)에서 사용된다. 원격 참여자의 스피치를 나타내는 사운드 압력파(W1)는 확성기(5)에 의하여 방사된다. 따라서, 무선전화 사용자는 원격 참여자의 스피치를 나타내는 사운드 압력 파형들을 듣는다.
그러나, 사운드는 다중 채널들을 포함할 수 있는 음향 경로(6)를 따라 방사된다. 결과로서, 에코들(W2)은 마이크로폰(7)과 같은 입력 트랜스듀서에 의하여 수신된다. 따라서, 원격 참여자가 그 자신의 스피치의 지연된 에코들에 의하여 혼동되지 않도록, 마이크로폰(7)에 의해 발생된 출력 신호의 이들 에코들을 감소시키는 것이 바람직하고, 다시 말해서 원단으로 전송된 신호가 다른 참여자의 스피치인 신호(W3)를 나타내고, 신호들(W3 및 W2)의 일부 혼합을 나타내지 않도록 보장하는 것이 바람직하다. 혼합된 신호는 마이크로폰(7)에 의하여 수신된 후 A/D 변환기(8)에 의하여 디지털 신호로 변환된다. 이러한 에코 감소는 적응형 에코 제거기("AFC")(9)를 사용함으로써 달성된다. 적응형 에코 제거기는 인입 신호(2)가 제공되어 필터링되는 적응형 필터(10)를 포함한다. 필터링 계수를 적응형 계수이며, 적응형 필터(10)는 추정된 에코 신호를 위하여 제공되며, 이러한 추정된 에코신호는 (A/D 변환기(8)에서의 A/D 변환후) 마이크로폰(7)으로부터의 신호를 감산기(11)에서 감산된다. 최종 결과는 스피치(W3)를 나타내는 신호만이 출력(12)으로부터 출력되도록 마이크로폰에 의하여 수신된 신호로부터 에코신호가 감산된다. 적응형 필터(10)의 계수들은 음향 임펄스 응답의 추청치들이다. 적응형 필터는 여러 알고리즘들, 즉 정규화된 최소평균자승(NLMS), 주파수 영역 적응형 필터(FDAF)로 구현될 수 있다. 적응형 필터의 선택은 응용, 이용가능한 자원들 및 사용자 선호도에 따른다.
음향경로에 대하여 사용된 모델에 따르면, 추정된 에코신호는 마이크로폰에 의하여 수신된 확성기로부터의 에코를 근사화할 수 있다.
에코 제거시에 사용된 적응형 필터는 언급된 종래 기술에서 논의된다. 다른 적응형 필터의 다른 예들은 인용된 종래기술에서 언급된다.
그러나, 비록 에코를 제거하기 위하여 많은 다른 모델이 존재할지라도, 실제적으로 시스템의 복잡성(비용 추가) 및 에코제거 효과간의 균형이 거의 최적으로 된다.
앞서 언급된 바와같이, 에코경로에서 비선형 성분들을 보상하는 것이 기술된다. 이를 위하여, 적응형 필터는 비선형 성분들을 포함하도록 확장되어야 한다.
일반적으로, 공지된 시스템들 및 방법들은 하나의 주요 문제, 즉 이들 시스템들 및 방법들이 시스템에서 양호한 비선형성 모들을 요구하는 문제를 가진다. 비선형 적응형 필터를 사용하여 적응형 필터(10)를 확장하는 것은 이들 비선형성에 대하여 이용가능한 양호한 모델이 존재할때만 가능하다. 그러나, 모든 이동 전화들에 대한 일반적인 비선형 모델이 존재하지 않는다. 더욱이, 비선형 모델들은 종종 다수의 계수들을 포함하며, 이에 따라 적응은 매우 어려우며 다수의 메모리 및 소비전력으로 인하여 비용이 많이 든다. 양호한 모델이 이용가능하지 않으면, 감쇠는 불충분할 것이다.
확성기 신호를 발생시키기 위하여 사용된 아날로그 증폭기는 3개의 부분들로 모델링될 수 있다.
1. 일반적으로, 증폭기는 고역통과 필터를 포함한다. 때때로, 이러한 필터는 단지 DC-오프셋을 제거한다. 그러나, 많은 경우에, 필터는 확성기에 의하여 재생될 수 없는 원단 신호의 저주파수들을 제거한다.
2. 원단 신호의 실제 증폭은 단순한 선형 이득으로서 모델링될 수 있다.
3. 고출력 레벨들에서, 출력레벨은 제한된 전압공급에 의하여 포화된다. 전형적인 포화 곡선은 도 2에 도시된다. 도 2는 출력(O)이 입력(I)의 함수인 것을 도시한다. 직사각형들의 코어들로 도면에서 지시된 선형 범위내에서, 출력(O)은 I의 선형함수이며, 즉 O=a*I이다. 선형범위 밖에서, 출력레벨은 제한된 전압공급에 의하여 제한되며, 비선형성들이 발생하며, 출력(O)은 입력(I)의 더 복잡한 함수이다.
그러나, 앞서 제시된 증폭기의 모델은 선형 시스템(1,2), 비선형 시스템(3) 및 거의 선형 시스템(확성기 및 음향 경로)이 연속적으로 처리되는 것을 나타낸다. 이러한 시스템의 모델링은 매우 어려운 작업이다.
본 발명은 디지털 영역에서, 즉 디지털 대 아날로그 변환 뿐만 아니라 에코 제거기 앞에서 오디오 신호를 전처리하여 이동 전화가 선형 시스템 또는 거의 선형 시스템이고 확성기가 충분한 사운드 압력레벨을 발생시킨다.
제한된 전압공급에 의하여 증폭기 출력신호(즉, 확성기 신호)의 포화를 방지하기 위하여, 입력 신호는 어떤 제한을 초과하지 않도록 제한되어야 한다. 이러한 전압 제한은 도 2의 포화 곡선으로부터 추론될 수 있다.
그러나, 아날로그 고역통과 필터가 증폭기의 앞에 제공되면, 추가 제한이 필요할 수 있다. 이는 전압 제한 신호의 필터링이 전압 제한을 초과하는 출력전압을 유발할 수 있다는 사실에 기인한다. 이러한 현상은 Gibb 현상으로 공지되어 있다.
아날로그 고역통과 필터는 1차 RC 네트워크인 것으로 가정될 수 있다. 이러한 필터의 진폭 증폭이 어떤 입력 신호들에 대하여 항상 2보다 작거나 동일한 것이 알려져 있다. 이에 대한 이유는 소위 필터의 임펄스 응답의 L1-노름이 2와 동일하기 때문이다. 결과로서, 증폭기 출력신호의 어떤 포화를 방지하기 위하여, 고역통과 필터의 입력 신호는 도 2에 도시된 전압제한의 절반으로 제한되어야 한다.
실제로, 충분한 사운드 압력레벨 및 허용가능한 비선형성간의 교환조건을 찾 기 위하여, 입력 전압은 도 2에 도시된 전압제한에 0.5 내지 1.0배의 값으로 제한되어야 한다.
원단 스피치 신호가 보통 강한 저역통과 특성들을 가지기 때문에, 아날로그 증폭기의 포화는 저주파수 신호 성분들로 인하여 크다. 이러한 포화를 방지하기 위하여, 가청 비선형 왜곡을 유발하는 디지털 영역에서 강한 클리핑이 필요하다. 그러나, 이들 저주파수는 확성기에 의하여 재생될 수 없다. 그래서, 디지털 클리핑전에 디지털 고역통과 필터를 적용하여 저주파수 성분들을 제거하는 것이 바람직하다. 주파수 응답은 바람직하게 확성기의 주파수 응답에 응답하도록 선택된다.
아날로그 고역통과 필터의 차단주파수가 일반적으로 낮기 때문에, 디지털 고역통과 필터는 아날로그 HP 필터의 차단 주파수 주변의 주파수 성분들을 감소시킨다. 이는 Gibb 현상의 감소를 야기한다.
따라서, 본 발명에 따른 투-웨이 사운드 재생 시스템, 즉 전화 시스템은 전처리기를 포함하며, 전처리기는,
- (선택적으로) 확성기에 의하여 적절하게 재생될 수 없는 저주파수들을 감쇠시키는 고역통과 필터;
- 오디오 신호를 충분한 사운드 압력 레벨로 증폭하는 증폭기; 및
- 이동전화가 거의 선형 시스템과 같이 동작하고 즉 출력(O)을 선형범위로 제한하도록 디지털 영역의 오디오 신호를 제한하는 클리퍼/제한기/제한기 기능을 포함한다.
전처리기 및 아날로그 전력 증폭기간에 현저한 선형성이 존재한다는 것에 유 의해야 한다. 디지털 클리퍼/제한기/제한기 기능은 아날로그 전력 증폭기에서의 포화 현상을 감소시킨다. 마찬가지로, 디지털 고역통과 필터는 아날로그 고역통과 필터의 효과를 감소시킨다. 이 결과는 아날로그 전력 증폭기가 거의 선형 시스템으로서 동작한다는 것이다. 따라서, 종래의 디바이스 및 방법의 문제점들은 감소된다.
본 발명은 이동전화가 다시 (D/A 변환기에서부터 A/D 변환기까지) 선형 시스템이도록 음향 에코 제거기(Acoustic Echo Canceller)에 원단 신호의 전처리기를 추가함으로써 양호한 균형을 제공한다. 설명된 바와같이, 아날로그 시스템의 선형성은 양호한 및 신뢰성있는 음향 에코 제거를 위하여 매우 중요하다.
도 3은 본 발명에 따른 확성기 전화 시스템을 기술한다. 확성기 전화 시스템은 전처리기(30)를 포함하며, 전처리기(30)는, 본 예에서, 다음과 같은 요소들을 포함한다.
1. 고역통과 필터(31). 이는 전처리기의 최적 및 선택 부분이다.
2. 원단 신호를 충분한 레벨로 증폭시키는 이득(32).
3. 전화 시스템이 거의 선형 시스템 이득이도록 원단 신호의 최대 진폭을 제한하는 클리퍼/제한기/압축기(33).
본 예에서, 요소들의 순서는 1, 2, 및 3이다. 그러나, 이는 제한하지 않는다. 3개의 단계들의 순서는 변화될 수 있다. 다른 가능한 순서들은 2, 1, 3 또는 1, 3, 2이다.
고역통과 필터 및 클리핑/제한/압축 기능의 시퀀스는 클리핑/제한/압축 기능 후 고역통과 필터를 적용하는 경우에 적정 레벨이상의 진폭을 가진 신호가 계속해서 발생하기 때문에 변경될 수 없다. 이들 진폭은 신호에 종속되며 이에 따라 이들 진폭은 보상될 수 없다.
도시된 예시적인 전화시스템은 AEC내에서 프로세서(13)를 포함한다. 이는 비록 본 발명이 시스템을 선형화하는 가능성을 제공할지라도 어떤 후처리가 수행될 수 있는 것이 제외되지 않기 때문에 본 예에서 기술된다.
신호에서 비선형성들을 측정하는 방식은 다음과 같다. 잡음신호는 확성기를 통해 최대 레벨로 재생되고, 길고 느린 적응형 필터가 에코를 제거하기 위하여 실행된다. 수렴후에, 잔류 에코의 레벨은 신호의 비선형성들에 대한 측정치이며, 이러한 레벨은 보통 에코 레벨과 관련하여 제공된다. 잔류 에코가 에코 이하의 30dB 이면, 비선형성들은 -30dB이다.
본 발명의 개념내에서, 아날로그 시스템의 비선형성들은 보통 적어도 -20dB(선형신호와 관련하여)이나 바람직하게 -30/-35dB이다. 근단(near-end room) 룸이 음향 에코 제거기에 대한 가장 큰 간섭이기 때문에 비선형성들을 -40dB 이하로 감소시키는 것이 필요치 않다.
도 4는 전처리기의 효과를 도시한다. 곡선(41)은 전처리기 없이 제거한 에코를 도시하며, 곡선(42)은 전처리기를 사용하여 획득된 가청 효과가 명확한 어떤 5-6dB 초과의 평균적 에코제거를 도시한다.
전처리기의 요소들에 관해서는 다음과 같이 사항이 주목된다.
● 고역통과 필터(31):
고역통과 필터의 선택은 확성기 및 원단 신호에 따른다. 이동 디바이스들과의 핸즈프리 통신에서, 신호는 상당히 낮은 주파수 성분들을 포함하는 스피치이며, 확성기는 작아서 저주파수들을 재생할 수 없다. 확성기의 크기는 차단 주파수를 결정하며, 차단 주파수는 100 내지 1000Hz이며, 바람직하게 300 내지 1000Hz이며, 더 바람직하게 300 내지 500Hz이다. 고역통과 필터는 시스템의 아날로그 부분이 충분히 선형이도록 바람직하게 설계된다. 고역통과 필터의 선택은 바람직하게 확성기 증폭기에서 아날로그 고역통과 필터의 존재 및 차단 주파수에 따른다. 이러한 아날로그 고역통과 필터가 존재하면, 디지털 고역통과 필터의 차단 주파수는 높으며, 바람직하게 아날로그 대응물의 차단 주파수보다 상당히 높다.
고역통과 필터는 유한 임펄스 응답(FIR) 또는 무한 임펄스 응답 필터와 같은 여러 방식들로 구현될 수 있다.
● 이득 32:
이득은 바람직하게 원단 신호 x를 충분한 레벨로 증폭시키기 위하여 단순한 직선 이득이다. 이득 함수는, 즉 y=Ax이며, 여기서 A는 증폭인자이다. 이러한 함수는 바람직하게 클리핑/제한/압축함수와 결합된다.
● 클리핑/제한/압축함수 33:
클리핑/제한/압축함수는 이동전화가 다시 선형 시스템이도록 원단 신호의 진폭을 제한한다. 이러한 함수의 구현은 하나 이상의 방식으로 수행될 수 있다. 일부 실시예에서는 보통의 클리핑 함수가 사용될 수 있다. 일견하여 보면, 사실상 정확한 보통의 확성기의 심한 사운드를 클리핑한 신호를 재생하나 핸즈프리 이동전 화에서 클리핑된 신호를 재생하면 핸즈프리 이동전화의 재생품질이 오히려 빈약하기 때문에 개선된 방법들보다 더 심한 소리를 내지 않는다고 생각된다. 게다가, 사운드의 레벨은 사운드의 품질보다 더 중요하다. 더 진보된 클리핑/제한/압축기능은 바람직한 실시예들에서 이동전화의 재생능력을 고려하여 사용될 수 있다. 기능은 클리퍼 뿐만 아니라 제한기/압축기를 포함할 수 있다.
원단 신호가 확성기 및 필터에 전송되기 전에 본 발명에 따른 전화 시스템에서 처럼 원단 신호에 대하여 전처리기(30)에서의 클리핑 기능(또는 클리퍼)의 사용은 AEC 필터의 사후 처리기(post-processor)에서 중앙 클리퍼의 사용과 혼동되지 않아야 한다는 것을 주목해야 한다. 사후 처리기들에 상기와 같은 기능들의 사용은 원단 전처리기(30)의 사용으로 인하여 시스템의 선형성이 충분한 선형성을 가지도록 다시 측정되어야 하기 때문에 여전히 유용할 것이다. 고역통과 필터 및 클리핑 기능은 원단 신호에 심한(선형 뿐만 아니라 비선형) 왜곡을 유입한다. 이는 모순된 것으로 보일 수 있으나, 한편으로 시스템은 더 선형적이나 다른 한편으로 신호는 덜 선형적이다. 이에 대한 설명은 다음과 같다.
확성기 증폭기의 신호를 클리핑함으로써(즉, 신호를 전처리함으로써), 확성기 증폭기의 신호는 포화값들 이하로 유지되며 확성기 증폭기는 항성 선형영역내에서 동작되며, 즉 포화되지 않는다. 결과적으로, 증폭기는 선형적으로 동작하며, 확성기에 의하여 재생된 신호의 에코(AEC에서 보상됨)는 비선형 컴포넌트들, 즉 확성기 증폭기로 입력되는 신호에 대하여 비선형인 컴포넌트들을 포함하거나 또는 적어도 일부만을 포함한다. 결과적으로, 에코 제거는 매우 단순하며 단순한 AEC가 사용될 수 있다. 에코의 상당한 감소가 획득된다. 그러나, 원단 신호와 비교하여, 전처리기는 상당한 왜곡을 유입한다. 쉽게 말해서, 확성기에 의하여 재생된 사운드의 품질을 감소시킨다. 이는 하이파이 응용과 관련해서는 허용되지 않으나, 제한된 재생을 가지는 이동 디바이스들에 대해서는 사운드 품질의 차이를 만들지 않는다. 재생된 사운드에서의 다른 결함과 비교하여, 에코는 특히 성가신 현상이다. 많은 시스템들, 특히 이동 전화 시스템들에서 재생품질이 약간 떨어지나 이는 에코 감소의 긍정적인 효과보다 낮다.
쉽게 말해서, 원단 전처리기(30)는 (비) 선형 왜곡을 유입하나, 시스템은 D/A에서부터 A/D 변환기까지 선형적이며, 즉 비선형성은 적응 필터에서 공지된다. 원단 전처리기가 적응형 필터의 입력 전에 사용되기 때문에, 적응형 필터는 단지 선형 에코를 모델링해야 하며 따라서 양호한 에코 제거를 달성할 수 있다. 이러한 에코 제거의 긍정적인 효과는 비선형 왜곡들의 부정적인 효과보다 높다.
본 발명은 다양한 디바이스들에 사용될 수 있다. 본 발명은 특히 이동전화들상의 핸즈프리 음향 에코 제거기들에 유용하다. 그러나, 본 발명은 제한된 전압공급 및/또는 작은 확성기로 디바이스 상에서 실행되는 모든 AEC들에 대하여 응용가능하다. 가능한 응용들의 리스트는 다음과 같다.
- 핸드세트들(모바일, DECT 등);
- 핸즈프리 단말들;
- PDA들;
- 카-키트들;
- 음성 제어 또는 통신 구현 TV들; 컴퓨터, 랩탑들;
- 음성 제어 또는 통신 구현 웹 단말들;
- 응답 머신들.
본 발명이 앞서 기술된 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 당업자는 인식해야 한다. 본 발명은 각각 및 모든 신규한 특징, 및 이러한 특징의 각각 및 모든 결합을 가진다. 청구항들에서 도면부호들은 보호 범위를 제한하지 않는다. 용어 "포함한다(to comprise)" 및 이의 관련 용어의 사용은 청구항들에서 언급된 요소들과 다른 요소들을 배제하지 않는다. 단수 요소는 다수의 요소의 존재를 배제하지 않는다.
본 발명은 본 발명을 예시하며 본 발명을 제한하지 않는 특정 실시예들에 의하여 기술되었다. 본 발명은 하드웨어, 펌웨퍼 또는 이들의 결합으로 구현될 수 있다. 다른 실시예들은 이하의 청구항들의 범위내에 있다.
요약하면, 본 발명은 다음과 같이 기술될 수 있다.
이동전화 시스템과 같은 투-웨이 사운드 재생 시스템은 인입 원단 신호(W)를 위한 입력(2), 확성기(5), 입력(1) 및 확성기(5)사이의 D/A 변환기(3), 마이크로폰(7), 마이크로폰(7) 다음에 있는 A/D 변환기(8), 에코 제거 시스템(AEC) 및 출력 원단 신호를 출력하는 출력(12)을 포함한다. 시스템은 입력(2) 및 D/A 변환기(3)사이에 배치된 전처리기(30)를 포함하며, 전처리기(30)는,
- 신호를 충분한 사운드 압력 레벨로 증폭하는 증폭기(32); 및
- D/A 변환기(3) 및 A/D 변환기(8)사이의 시스템이 거의 선형 시스템과 같이 동작하도록 디지털 영역의 신호를 제한하는 클리퍼 또는 압축기 또는 제한기(33)를 포함한다.
본 발명의 개념내에서 많은 변형들이 가능하다. 본 발명은 또한, 인입 원단 신호(W)를 위한 입력(2), 확성기(5)를 위한 출력, 입력(1) 및 확성기(5)를 위한 출력사이의 D/A 변환기(3), 마이크로폰(7)을 위한 입력, 마이크로폰(7)을 위한 입력 다음에 있는 A/D 변환기(8), 에코 제거 시스템(AEC) 및 출력 원단 신호를 출력하는 출력(12)을 포함하는 투-웨이 사운드 재생 시스템용 디바이스로서, 인입 원단 신호(W)를 위한 입력(2), 에코제거 시스템(AEC), 출력 원단 신호를 위한 출력(12), 입력(2) 및 D/A 변환기(3)사이에 배치되고, 인입 원단 신호를 증폭하는 증폭기(32)와 원단 신호의 최대 진폭을 제한하는 제한 수단(33)을 포함하는 전처리기(30)를 포함하는 투-웨이 사운드 재생 시스템용 디바이스로 구현되며, 제한된 신호는 확성기 및 에코 제거 시스템을 위한 입력이다.
예컨대, 이동전화 시스템에서, 전처리기 및 AEC는 이동전화에 통합되는 반면에 마이크로폰 및 확성기는 이동전화용 핸즈프리의 스탠드로 통합된다. 도 3에서, 이러한 가능성은 점선으로 개략적으로 지시되며, 이들 점선들은 D/A 및 A/D 변환기들이 통합되는 아이템에 따라 D/A 및 A/D 변환기들 앞에 도시될 수 있다. 이러한 예는 예컨대 핸즈프리 키트-이동전화 시스템이 이동전화 또는 핸즈프리 키트에서 고려될때와 같이 시스템이 다수의 물리적 개별 및 분리 판매 아이템들, 예컨대 개별 아이템들중 하나에서 이동전화용 플러그-인 카드들을 포함하는 경우에 본 발명의 가장 넓은 범위내에서 전처리기 및 AEC가 제공될 수 있다는 것을 명확하게 기술 된다.
비록 본 발명이 이동 전화 시스템에서 대부분 유용할 지라도, 시스템은 본 발명의 가장 넓은 범위 내에서 이동 전화 시스템에 제한되지 않고 원단 신호들이 전화 신호일 필요는 없다.
Claims (13)
- 인입 원단(far end) 신호(W)을 위한 입력(2), 확성기(5), 상기 입력(2)과 상기 확성기(5)사이의 D/A 변환기(3), 마이크로폰(7), 상기 마이크로폰(7) 다음에 배치되는 A/D 변환기(8), 에코 제거 시스템(AEC) 및 출력 원단 신호를 위한 출력(12)을 갖는 투-웨이 사운드 재생 시스템에 있어서,상기 입력(2)과 상기 D/A 변환기(3) 사이에, 상기 인입 원단 신호를 증폭하는 증폭기(32)와 상기 원단 신호의 최대 진폭을 제한하는 수단(33)을 포함하는 전처리기(pre-processor)(30)를 포함하고,상기 제한된 신호는 상기 확성기 및 상기 에코 제거 시스템을 위한 입력인 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 전처리기는 상기 원단 신호(W)의 저주파수를 감쇠시키기 위한 고역통과 필터(31)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 제 3항에 있어서, 상기 고역 통과 필터(31)의 차단 주파수는 100 내지 1000Hz사이에 놓이며, 양호하게는 300 내지 1000Hz 사이인 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 제한 수단(33)은 신호 세기 이상의 상기 원단 신호를 클리핑하는 클리퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 제한 수단(33)은 상기 확성기로의 신호의 최대 진폭을 제한하는 제한기 또는 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 투-웨이 사운드 재생 시스템은 확성기 전화 시스템인 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 제 6항에 있어서, 상기 확성기 전화 시스템은 이동 전화 시스템인 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 투-웨이 재생 시스템은 핸드세트들(모바일, DECT 등), 핸즈프리 단말들, PDA들, 카-키트들, 음성 제어 또는 통신 구현 TV들, 컴퓨터들, 음성 제어 또는 통신 구현 웹-단말들, 및 응답 머신들의 그룹중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템.
- 인입 원단 신호(W)를 위한 입력(2), 확성기를 위한 출력, 상기 입력(2)과 상기 확성기(5)를 위한 출력 사이의 D/A 변환기(3), 마이크로폰(7)을 위한 입력, 상 기 마이크로폰(7)을 위한 입력 다음에 배치된 A/D 변환기(8), 에코 제거 시스템(AEC) 및 출력 원단 신호를 위한 출력(12)을 갖는 투-웨이 사운드 재생 시스템용 디바이스에 있어서,상기 인입 원단 신호(W)를 위한 입력(2), 상기 에코제거 시스템(AEC), 상기 출력 원단 신호를 위한 출력(12), 및 상기 입력(2)과 상기 D/A 변환기(3) 사이에, 상기 인입 원단 신호를 증폭하는 증폭기(32)와 상기 원단 신호의 최대 진폭을 제한하는 수단(33)을 포함하는 전처리기(30)를 포함하고,상기 제한된 신호는 상기 확성기 및 상기 에코 제거 시스템을 위한 입력인 것을 특징으로 하는, 투-웨이 사운드 재생 시스템용 디바이스.
- 확성기 및 마이크로폰을 갖는 투-웨이 사운드 재생 시스템의 에코 제거 방법으로서, 상기 방법에서,- 디지털 원단 입력 신호가 수신되거나, 아날로그 원단 입력 신호로부터 발생되고;- 상기 디지털 원단 신호는 아날로그 신호로 변환되고;- 상기 변환된 아날로그 신호는 상기 확성기를 통해 방사되고;- 상기 마이크로폰은 아날로그 마이크로폰 신호를 발생시키고;- 상기 아날로그 마이크로폰 신호는 디지털 마이크로폰 신호로 변환되며;- 상기 디지털 원단 신호를 필터링하고 상기 디지털 마이크로폰 신호로부터 그 결과를 감산함으로써 에코 제거가 수행되는, 상기 방법에 있어서,상기 D/A 변환 및 상기 에코 제거 전에, 상기 디지털 원단 신호는 증폭되고 제한값 이하로 제한되는, 에코 제거 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 디지털 원단 신호는 클리핑되는, 에코 제거 방법.
- 컴퓨터 프로그램으로서,상기 프로그램이 컴퓨터상에서 실행될때 제 10항 또는 제 11항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는, 컴퓨터 프로그램.
- 제 10항 또는 제 11항에 따른 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 판독 가능 매체상에 저장된 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제조 물품.
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