KR101421589B1

KR101421589B1 - 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101421589B1
Application number: KR1020070139689A
Authority: KR
Inventors: 최낙진
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2014-07-22
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: KR20090071793A; US20090169032A1; US8194883B2

Abstract

본 발명은 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 방법 및 장치에 관한 것으로서, 음향 보정 필터 설계 시스템에서 손실된 테스트 신호를 복원하는 방법은, 마이크를 통해 입력되는 테스트 신호와 기설정된 테스트 신호를 동기화하는 과정과, 상기 동기화된 테스트 신호의 손실 구간을 추정하는 과정과, 상기 손실 구간의 신호손실이 임계값 이상일 시, 신호손실에 의해 지연된 프레임 신호를 시간축 보정하여 보상하는 과정과, 상기 손실된 구간의 신호를 복원하는 과정을 포함함으로써 상기 휴대용 단말기의 테스트 신호에 대한 손실의 유무 파악의 어려움을 해결하고 손실된 테스트 신호를 복원하여 재사용할 수 있다.

보정필터, 음향, 음질, 음질보정, 휴대용 단말기

Description

휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR DESIGNING SOUND COMPENSATION FILTER IN POTERBLE TERMINAL}

본 발명은 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 음향 신호의 손실을 복원하여 상기 휴대용 단말기의 음향 보정 필터를 설계하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

각종 전자, 통신산업의 발달로 말미암아 휴대용 단말기가 널리 보급되고 있으며, 상기 휴대용 단말기는 사용자의 요구에 부응하기 위하여 단순히 하나의 주기능만을 지원하는 것에서 여러 가지 기능들을 복합적으로 구비하여 발전되고 있으며 상기 사용자의 편의를 위해 다양한 기능 및 정보처리기능을 제공하고 있는 동시에 소형, 경량화되는 추세에 있다.

상기 휴대용 단말기의 소형화, 경량화 추세에 따라 얇고 작게 디자인되는 특성 때문에 상기 휴대용 단말기는 공명공간이 협소하고 라우드 스피커의 크기가 작다. 이로 인해, 상기 휴대용 단말기의 음향특성은 동작 주파수 범위 내에서 ± 20dB, 변동 폭의 주파수 응답 특성을 가지는 등 일반적인 오디오 재생 시스템에 비해 상기 음향 특성이 매우 열악하다. 상기 열악한 기구적 음향 특성은 상기 휴대용 단말기에 보정필터를 내장시켜 사용함으로써 크게 개선시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정필터 설계를 위한 블록구성을 도시하고 있다.

상기 도 1을 참조하면, 먼저 컴퓨터에서 재생된 테스트 신호는 D/A 코덱를 통해 신호 변환되고 파워앰프를 통해 증폭되어 휴대폰에 인가된다. 이때, 휴대용 단말기의 스피커에서 재생된 신호는 측정 마이크로폰(107)에 입력되어 마이크 앰프(109)와 A/D 코덱(111)를 통해 상기 컴퓨터에 저장된다.

이후, 상기 컴퓨터는 역테스트 신호를 이용하여 임펄스 응답 신호를 추출(115)하고. 상기 추출된 응답신호를 통해 주파수 응답을 계산(117)한다.

상기 주파수 응답의 특성은 동작 주파수 범위 내에서 ±20dB 변동 폭을 가지면서 여러 개의 피크(Peak)와 딥(dip)을 가지는데 이것이 음질(혹은 음향)열화의 주요인이다. 따라서, 상기 피크와 딥을 보상해 주기 위해서 올라간 피크는 내리고 내려간 딥을 올려주는 과정이 수행되며, 이 과정을 통해서 역 주파수 응답 특성(inverse frequency response)이 구해지며 이를 바탕으로 상기 컴퓨터에서 보정필터가 계산된다.

이후, 상기 보정필터는 상기 휴대용 단말기의 메모리에 옮겨 저장되며 사용자가 상기 휴대용 단말기로 음악을 재생할 때마다 실시간으로 음향에 상기 보정필터를 적용시킨다.

상기 음향에 상기 보정필터를 적용하는 것은 도 2에 도시된 바와 같이 디코더(미도시)를 거친 음향이 보정필터(200)를 통해 실시간으로 보정되며 D/A 코덱(Codec)을 통해 아날로그 신호로 변환되고 파워앰프(204)를 통해 증폭되어 스피커(206)에 인가되어 출력된다.

일반적으로 상기 음향을 보정하기 위한 필터를 구현하는 시스템의 최종단은 컴퓨터이므로 상기 컴퓨터 내부의 리소스 문제 혹은 장치 간 통신시 발생하는 데이터 드롭 등에 의해 신호의 손실이 발생한다. 하지만, 도 3과 같이 전체적인 녹음 파형만 가지고 신호손실 발생 여부를 판단하기는 매우 어렵다. 따라서, 도 4와 같은 상세파형을 처음부터 끝까지 관찰해서 신호의 손실 유무를 판단해야 하는데 이 경우 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 또한, 매우 적은 신호손실이 발생하더라도 도 5에 도시된 바와 같이 주파수 응답 특성이 상이하게 계산되므로 신호손실이 발생한 파형은 상기 보정필터 설계 시 사용이 불가능한 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 음향 신호의 손실에 의한 신호 지연을 보상하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 음향 신호의 손실을 복원하여 상기 휴대용 단말기의 음향 보정 필터를 설계하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, 음향 보정 필터 설계 시스템에서 손실된 테스트 신호를 복원하는 방법은, 마이크를 통해 입력되는 테스트 신호와 기설정된 테스트 신호를 동기화하는 과정과, 상기 동기화된 테스트 신호의 손실 구간을 추정하는 과정과, 상기 손실 구간의 신호손실이 임계값 이상일 시, 신호손실에 의해 지연된 프레임 신호를 시간축 보정하여 보상하는 과정과, 상기 손실된 구간의 신호를 복원하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2견지에 따르면, 음향 보정 필터 설계 시스템에서 손실된 테스트 신호를 복원하는 장치는, 마이크를 통해 입력되는 테스트 신호와 기설정된 테스트 신호를 동기화하여 출력하는 신호 동기부와, 상기 신호 동기부로부터 입력된 테스트 신호의 손실 구간을 추정하여 출력하는 손실구간 추정부와, 상기 손실구간 추정부로부터 추정된 신호가 손실된 구간의 신호손실이 임계값 이상일 시, 신호손실에 의해 지연된 프레임 신호를 시간축 보정하여 출력하는 신호 지연 보상부와, 상기 신호 지연 보상부로부터 입력된 신호의 손실 구간을 복원하는 손실 신호 복원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 시 테스트 음향 신호의 손실에 의한 신호 지연을 보상하고 상기 음향 신호의 손실을 복원함으로써 상기 휴대용 단말기의 테스트 신호에 대한 손실의 유무 파악의 어려움을 해결하고 손실된 테스트 신호를 복원하여 재사용할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명에서는 음향 신호의 손실에 의한 신호 지연을 보상하고 상기 음향 신호의 손실을 복원하여 휴대용 단말기의 음향 보정 필터를 설계하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 시스템의 구성도를 도시하고 있다.

상기 도 6을 참조하면 먼저 컴퓨터에서 재생된 테스트 신호는 D/A 코덱(601)를 통해 아날로그 신호로 변환되고 파워앰프(603)를 통해 증폭되어 휴대폰에 인가된다. 이때, 휴대용 단말기의 스피커(605)에서 재생된 신호는 측정 마이크로폰(607)에 입력되어 마이크 앰프(609)와 A/D 코덱(611)을 통해 상기 컴퓨터에 저장된다.

이후, 상기 컴퓨터는 상기 컴퓨터에 저장된 신호를 복원(613)한다. 이후 상기 복원된 신호에서 역테스트 신호를 이용하여 임펄스 응답 신호를 추출(615)하고. 상기 추출된 응답신호를 통해 주파수 응답을 계산(617)하여 역 주파수 응답 특성(inverse frequency response)을 추출하며 이를 바탕으로 보정필터를 설계(619)한다.

여기서, 상기 테스트 신호의 복원(613)은 도 7에서 상세히 설명하기로 한다. 또한, 상술한 설명에서 상기 테스트 신호는 컴퓨터에서 복원되지만 구현에 따라 상기 휴대용 단말기 내에서 구현될 수도 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 시 음향 신호를 복원하기 위한 블록 구성을 도시하고 있다.

상기 도 7을 참조하면 먼저 신호 동기부(700)는 기설정된 테스트 신호가 재생되어 휴대용 단말기에 녹음되면 녹음된 테스트 신호와 상기 기설정된 테스트 신호를 동기화(syncronization)하여 손실구간추정부(702)로 출력한다.

상기 손실구간추정부(702)는 입력받은 신호를 세그먼트화(sagmentation)하고 프레임 단위로 나누어 상기 세그먼트 내의 모든 프레임의 시평균(time average)을 구한다. 이후, 상기 프레임 단위로 나눈 신호와 상기 프레임의 시 평균을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform) 시키고 모든 세그먼트와 모든 프레임에 대해 신호손실이 발생한 구간을 추정한다. 이후, 상기 손실구간추정부는 상기 세그먼트화하고 프레임 단위로 나눈 신호를 신호지연 보상부(704)로 출력한다.

상기 신호 지연 보상부(704)는 상기 입력받은 신호의 지연을 보상하여 손실 신호 복원부(706)로 출력한다. 여기서, 상기 입력받은 신호의 지연을 보상하는 것은 상기 세그먼트 내에서 신호손실이 발생한 프레임이 생기면 신호손실이 발생하지 않은 프레임 신호가 지연되는 것에 대한 보상이다.

상기 손실 신호 복원부(706)는 상기 입력된 신호에서 상기 손실 구간 추정부(702)에서 추정된 신호 손실이 발생한 구간을 복원하여 복원된 테스트 신호를 출 력한다. 여기서, 상기 신호의 복원은 기준(criterion)을 가지는 최소 자승법(least-squares method)을 이용하여 복원할 수 있다. 이후, 상기 복원된 테스트 신호는 휴대용 단말기에 적용할 음향 보정 필터 설계 시 이용된다. 또한, 상기 복원된 테스트 신호는 테스트 신호로 재사용될 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 시 음향 신호를 복원하기 위한 절차를 도시하고 있다.

먼저, 상기 음향 보정 필터 설계 시스템은 기설정된 테스트 신호가 재생되어 휴대용 단말기에 녹음되면 상기 801단계에서 녹음된 테스트 신호와 상기 기설정된 테스트 신호를 동기화하고 803단계로 진행하여 상기 동기화된 신호를 세그먼트화한다.

이후, 상기 음향 보정 필터 설계 시스템은 805단계에서 상기 각 세그먼트화된 신호를 다시 프레임화하고 807단계로 진행하여 손실구간을 추정한다. 여기서, 상기 손실 구간의 추정은 상기 세그먼트 내의 모든 프레임의 시평균을 구하고 상기 프레임 단위로 나눈 신호와 상기 프레임의 시 평균을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform) 시켜 고 모든 세그먼트와 모든 프레임에 대해 신호손실이 발생한 구간을 추정한다.

이후, 상기 음향 보정 필터 설계 시스템은 809단계에서 신호의 손실이 임계값(threshold)보다 큰지 검사한다. 여기서, 상기 임계값은 실험적으로 결정된다. 만일, 상기 신호의 손실이 임계값보다 작으면 상기 음향 보정 필터 설계 시스템은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

한편, 상기 신호의 손실이 임계값보다 크면 상기 음향 보정 필터 설계 시스템은 811단계에서 상기 신호손실에 의해 지연된 프레임 신호를 추출하고 813단계로 진행하여 상기 지연된 프레임을 시간축 보정하여 보상한다. 여기서 신호지연에 대한 보상은 다음과 같이 이루어진다. 일반적으로 y_s ⁱ에 대한 신호모델은 수학식 1과 같다.

여기서, a_i ^l은 i번째 세그먼트가 가질 수 있는 최대 고조파 차수(maximum harmonics order)를 나타내며, f_s는 샘플링 주파수를, 그리고 f_i ^l은 l번째 고조파 주파수를 각각 나타낸다. N[n]은 잡음을 나타낸다.

a_i ^l,f_i ^l,φ_i ^l의 추정치는 수학식 2와 같은 기준(criterion)을 가지는 최소자승법(least-squares method)을 이용하여 구할 수 있다.

따라서 y_s ⁱ[n,m]의 추정치는 수학식 3과 같다.

이에 비해, 신호지연이 발생한 m_delay번째 프레임은 수학식 4와 같은 신호모델을 갖게 된다.

기준 프레임 y_s ⁱ[n,m₀]의 추정치와 신호지연이 발생한 프레임 y_s ⁱ[n,m_delay]의 추정치를 수학식 5와 수학식 6과 같이 고속 푸리에 변환하면 수학식 7과 같은 관계가 성립된다.

따라서, i번째 세그먼트 m_delay번째 프레임에서의 신호지연 n_delay는 수학식 8과 같이 구할 수 있다.

신호지연된 프레임은 수학식 9와 같이 보상된다.

이후, 상기 음향 보정 필터 설계 시스템은 815단계에서 상기 손실된 신호를 복원한다. 여기서, 상기 손실된 신호의 복원은 수학식 10과 수학식 11과 같이 복원된다. a_i ^l,f_i ^l,φ_i ^l의 추정치는 i번째 세그먼트 내에서 신호손실이 발생한 프레임을 제외한 모든 프레임을 사용하여 구해진다. 이때, 수학식 11과 같은 기준(criterion)을 가지는 최소자승법(least-squares method)이 이용된다.

이후, 상기 음향 보정 필터 설계 시스템은 817단계에서 상기 복원된 신호를 이용하여 보정 필터를 설계하고 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래기술에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정필터 설계를 위한 블록구성을 도시하는 도면,

도 2는 종래기술에 따른 휴대용 단말기에서 보정필터를 통해 음향을 출력하는 구성을 도시하는 도면,

도 3은 신호손실이 없는 경우와 신호손실이 있는 경우의 녹음된 테스트 신호의 파형을 도시하는 도면,

도 4는 신호손실이 없는 경우와 신호손실이 있는 경우의 녹음된 테스트 신호의 시간영역의 상세파형을 고시하는 도면,

도 5는 신호손실이 없는 경우와 신호손실이 있는 경우의 주파수 응답 특성을 도시하는 도면,

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 시스템의 구성도를 도시하는 도면,

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 시 음향 신호를 복원하기 위한 블록 구성을 도시하는 도면,

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 음향 보정 필터 설계 시 음향 신호를 복원하기 위한 절차를 도시하는 도면.

Claims

음향 보정 필터 설계 시스템에서 손실된 테스트 신호를 복원하는 방법에 있어서,

마이크를 통해 입력되는 테스트 신호와 기설정된 테스트 신호를 동기화하는 과정과,

상기 동기화된 테스트 신호의 손실 구간을 추정하는 과정과,

상기 손실 구간의 신호손실이 임계값 이상일 시, 신호손실에 의해 지연된 프레임 신호를 시간축 보정하여 보상하는 과정과,

상기 손실된 구간의 신호를 복원하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 손실 구간의 추정은,

하기 수학식과 같은 기준(criterion)을 가지는 최소 자승법(least-squares method)을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, y_s ⁱ[n,m]은 녹음된 신호를 동기화시킨 후 순차적으로 세그먼트화하고 프레임 단위로 나눈 신호를 나타내고, a_i ^l은 i번째 세그먼트가 가질 수 있는 최대 고조파 차수(maximum harmonics order)를 나타내며, f_s는 샘플링 주파수, f_i ^l은 l번째 고조파 주파수, φ_i ^l은 l번째 세그먼트가 가지는 위상, N[n]은 잡음, n은 시간 인덱스, m은 프레임 인덱스, i는 세그먼트 인덱스, l은 세그먼트 개수, Ti는 프레임 길이를 나타내고, Ni는 고조파의 총 개수를 나타냄.
제 1항에 있어서,

상기 손실된 구간의 신호 복원은,

하기 수학식과 같은 기준(criterion)을 가지는 최소 자승법(least-squares method)을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, y_s ⁱ _,comp[n,m]은 보상된 신호를 나타내고, a_i ^l은 i번째 세그먼트가 가질 수 있는 최대 고조파 차수(maximum harmonics order)를 나타내며, f_s는 샘플링 주파수, f_i ^l은 l번째 고조파 주파수, φ_i ^l은 l번째 세그먼트가 가지는 위상, N[n]은 잡음, n은 시간 인덱스, m은 프레임 인덱스, i는 세그먼트 인덱스, l은 세그먼트 개수, Ti는 프레임 길이를 나타내고, Ni는 고조파의 총 개수를 나타냄.
제 1항에 있어서,

상기 복원된 테스트 신호를 이용하여 보정 필터를 설계하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 손실 구간을 추정하는 과정은,

상기 동기화된 테스트 신호를 세그먼트화한 후 프레임 단위로 나누는 과정과,

상기 세그먼트 내의 모든 프레임의 시 평균을 구하는 과정과,

상기 프레임 단위로 나눈 신호와 상기 프레임의 시 평균을 고속 푸리에 변환시키고 모든 세그먼트와 모든 프레임에 대해 신호 손실이 발생한 구간을 추정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
음향 보정 필터 설계 시스템에서 손실된 테스트 신호를 복원하는 장치에 있어서,

마이크를 통해 입력되는 테스트 신호와 기설정된 테스트 신호를 동기화하여 출력하는 신호 동기부와,

상기 신호 동기부로부터 입력된 테스트 신호의 손실 구간을 추정하여 출력하는 손실구간 추정부와,

상기 손실구간 추정부로부터 추정된 신호가 손실된 구간의 신호손실이 임계값 이상일 시, 신호손실에 의해 지연된 프레임 신호를 시간축 보정하여 출력하는 신호 지연 보상부와,

상기 신호 지연 보상부로부터 입력된 신호의 손실 구간을 복원하는 손실 신호 복원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 6항에 있어서,

상기 손실 구간의 추정은,

하기 수학식과 같은 기준(criterion)을 가지는 최소 자승법(least-squares method)을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, y_s ⁱ[n,m]은 녹음된 신호를 동기화시킨 후 순차적으로 세그먼트화하고 프레임 단위로 나눈 신호를 나타내고, a_i ^l은 i번째 세그먼트가 가질 수 있는 최대 고조파 차수(maximum harmonics order)를 나타내며, f_s는 샘플링 주파수, f_i ^l은 l번째 고조파 주파수, φ_i ^l은 l번째 세그먼트가 가지는 위상, N[n]은 잡음, n은 시간 인덱스, m은 프레임 인덱스, i는 세그먼트 인덱스, l은 세그먼트 개수, Ti는 프레임 길이를 나타내고, Ni는 고조파의 총 개수를 나타냄.
제 6항에 있어서,

상기 손실된 구간의 신호 복원은,

하기 수학식과 같은 기준(criterion)을 가지는 최소 자승법(least-squares method)을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, y_s ⁱ _,comp[n,m]은 보상된 신호를 나타내고, a_i ^l은 i번째 세그먼트가 가질 수 있는 최대 고조파 차수(maximum harmonics order)를 나타내며, f_s는 샘플링 주파수, f_i ^l은 l번째 고조파 주파수, φ_i ^l은 l번째 세그먼트가 가지는 위상, N[n]은 잡음, n은 시간 인덱스, m은 프레임 인덱스, i는 세그먼트 인덱스, l은 세그먼트 개수, Ti는 프레임 길이를 나타내고, Ni는 고조파의 총 개수를 나타냄.
제 6항에 있어서,

상기 복원된 테스트 신호를 이용하여 보정 필터를 설계하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 6항에 있어서,

상기 손실 구간 추정부는, 상기 동기화된 테스트 신호를 세그먼트화한 후 프레임 단위로 나누고, 상기 세그먼트 내의 모든 프레임의 시 평균을 구하고, 상기 프레임 단위로 나눈 신호와 상기 프레임의 시 평균을 고속 푸리에 변환시키고 모든 세그먼트와 모든 프레임에 대해 신호 손실이 발생한 구간을 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 6항에 있어서,

상기 손실된 테스트 신호를 복원하는 장치는,

컴퓨터, 측정장치, 휴대용 단말기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 장치.