KR101661713B1

KR101661713B1 - Method and apparatus for applications parametric array

Info

Publication number: KR101661713B1
Application number: KR1020150074707A
Authority: KR
Inventors: 배진호; 이종현; 문원규
Original assignee: 제주대학교 산학협력단; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-10-04
Anticipated expiration: 2035-05-28

Abstract

본 발명은 파라메트릭 어레이(Parametric Array) 기반 디바이스 구동 시 필터를 이용한 단측파대(Single Side Band: SSB) 변조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기정의된 규칙에 따라 크기가 계산된 격자(lattice)에 대응하는 구조를 갖는 전역통과(all pass) 필터 통해 파라메트릭 어레이 기반 변조 수행을 위해 입력된 음성대역 신호를 변환하여 단측파대 변조를 수행함으로써 기존 힐버트(Hilbert) 변환에 따른 복잡한 연산이 지양되어 전력 효율이 향상될 뿐만 아니라, 방향성이 필요한 다양한 응용 분야에 활용되어 우수한 재생 신호 획득이 가능한 기술을 제공하고자 한다.The present invention relates to a single side band (SSB) modulation using a filter when driving a Parametric Array based device, and more particularly, to a lattice having a size calculated according to predetermined rules. By performing a single sideband modulation by converting the input voiceband signal to perform the parametric array based modulation through the all pass filter having the corresponding structure, the complicated operation due to the existing Hilbert conversion is avoided, And to provide a technique capable of acquiring excellent reproduction signals by being utilized in various application fields requiring directionality.

Description

&Lt; Desc / Clms Page number 1 > METHOD AND APPARATUS FOR APPLICATIONS PARAMETRIC ARRAY < RTI ID =

본 발명은 파라메트릭 어레이(Parametric Array) 기반 디바이스 구동 시 필터를 이용한 단측파대(Single Side Band: SSB) 변조에 관한 것이다.The present invention relates to Single Side Band (SSB) modulation using a filter when driving a Parametric Array based device.

저 비트율로 오디오 신호를 부호화하는 방식으로 파라메트릭 부호화 방식이 알려져 있다. 일반적으로 파라메트릭 부호화 방식이 적용된 파라메트릭 어레이 기반 기기 구동 시 가장 효율적인 변조방법으로 단측파대 변조 방식을 많이 사용한다.A parametric encoding method is known as a method of encoding an audio signal at a low bit rate. Generally, single sideband modulation is widely used as the most efficient modulation method for driving a parametric array based device using a parametric coding method.

이러한 단측파대 변조에서는 힐버트(Hilbert) 변환이 필수적으로 들어가야 하며, 이러한 변환의 경우 단일 주파수 신호의 경우에는 간단히

의 위상천이만 하면 되지만 음성대역이 들어간 주파수 대역을 가진 신호의 변환에는 힐버트 변환을 해 주어야한다.In this single-sideband modulation, a Hilbert transform must be entered, and in the case of a single frequency signal,

However, the Hilbert transform should be applied to the conversion of the signal having the frequency band in which the voice band is included.

기존의 Hilbert 변환에는 연속신호의 경우 적분을 수행하고, 이산신호의 경우 합과 곱을 수행하여 결과를 도출하므로, 이로 인한 구성의 복잡도로 인해 신호처리 에러 발생이 빈번하게 발생할 뿐만 아니라 하드웨어로의 구현도 쉽지 않은 실정이다.In the conventional Hilbert transform, the integration is performed in the case of the continuous signal, and in the case of the discrete signal, the result is derived by performing the sum and multiplication. As a result, the signal processing error occurs frequently due to the complexity of the configuration. It is not easy.

따라서 본 발명은 파라메트릭 어레이 기반 격자(lattice) 구조를 가진 전역통과(all pass) 필터를 통해 단측파대 변조를 수행함으로써 기존 힐버트(Hilbert) 변환에 따른 연산의 복잡도 해소 및 하드웨어로의 용이한 구현을 실현하고자 한다.Therefore, the present invention performs single-sideband modulation through an all pass filter having a lattice structure based on a parametric array, thereby solving the complexity of the operation according to the existing Hilbert transform and facilitating implementation to hardware I want to realize it.

본 발명의 일 견지에 따르면, 파라메트릭 어레이 기반 변조 수행을 위해 입력된 음성대역 신호에 대한 기설정된 변조 지수(modulation index) 제어를 수행하는 과정과, 상기 변조 지수 기반 진폭 변조된 데이터를 소정 패턴이 형성된 필터를 통해 변환하여 단측파대 변조를 수행하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a method for performing a parametric array-based modulation, the method comprising: performing a predetermined modulation index control on a voice band signal inputted for performing a parametric array-based modulation; And performing a single-sideband modulation by converting the signal through a formed filter.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 입력된 음성대역 신호에 대한 기설정된 변조 지수(modulation index) 제어를 수행하고, 상기 변조 지수 기반 진폭 변조된 데이터를 소정 패턴이 형성된 필터를 통해 변환하여 단측파대 변조를 수행하는 제어부 및 상기 제어부의 제어 하에 파라메트릭 어레이 기반 변조 수행을 위한 전역통과 필터를 포함함을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a predetermined modulation index control is performed on an input voiceband signal, and the modulation index-based amplitude-modulated data is transformed through a filter having a predetermined pattern to perform single-sideband modulation And a global pass filter for performing parametric array based modulation under the control of the control unit.

본 발명은 기존 힐버트(Hilbert) 변환에 따른 복잡한 연산이 지양되어 전력 효율이 향상될 뿐만 아니라, 방향성이 필요한 다양한 응용 분야에 활용되어 우수한 재생 신호 획득이 가능한 효과가 있다.The present invention is advantageous in not only improving the power efficiency due to the complicated operation due to the conventional Hilbert transform, but also being used in various application fields requiring directionality to obtain excellent reproduction signals.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법에 관한 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법에 있어서 전역통과 필터의 계수 테이블.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법에 있어서 격자 구조를 가진 전역통과 필터의 구조.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법이 적용된 단측파대 변조 수행을 위한 논리 회로.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 장치에 관한 상세 블록도.1 is a flow diagram of a modulation method for a parametric array application in accordance with an embodiment of the present invention.
2 is a table of coefficients of an all-pass filter in a modulation method for a parametric array application in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates a structure of a global pass filter having a lattice structure in a modulation method for a parametric array application according to an embodiment of the present invention. FIG.
4 is a logic circuit for performing single sideband modulation with a modulation method for a parametric array application according to an embodiment of the present invention.
5 is a detailed block diagram of a modulation apparatus for a parametric array application in accordance with an embodiment of the present invention.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be appreciated that those skilled in the art will readily observe that certain changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims. To those of ordinary skill in the art.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법에 관해 도 1을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.Hereinafter, a modulation method for a parametric array application according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법에 관한 흐름도이다.1 is a flow diagram of a modulation method for a parametric array application in accordance with an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 110 과정에서 오디오 신호의 디지털 신호가 입력되면, 112 과정에서는 대응하는 비트 스트림으로부터 파라미터를 추출한다. 상기 디지털 신호는 과도 신호, 정현파(sinusoidal) 및 노이즈로 구성되며 구성 별 대응하는 파라미터를 생성하여 해당 파라미터를 양자화 및 부호화한다. 상기 파라미터들은 각 구성별 신호들을 복원하기 위해 필요한 특성값으로, 구현에 따라 다양한 파라미터들이 존재할 수 있다. 예컨대, 정현파 신호의 파라미터는 위상, 크기, 주파수가 될 수 있다.Referring to FIG. 1, when a digital signal of an audio signal is input in operation 110, a parameter is extracted from a corresponding bitstream in operation 112. The digital signal is composed of a transient signal, a sinusoidal signal, and noise, and generates a corresponding parameter for each configuration, and quantizes and encodes the parameter. The parameters are characteristic values necessary for restoring signals of respective constituents, and various parameters may exist depending on the implementation. For example, the parameters of the sinusoidal signal may be phase, magnitude, and frequency.

이어서, 114 과정에서는 주파수 변조 및 위상 변조에 있어 변조의 정도를 나타내는 변조 지수(modulation index) 제어를 수행한다.Next, in step 114, a modulation index control indicating the degree of modulation in the frequency modulation and the phase modulation is performed.

116 과정에서는 양자화 및 부호화되어 변조 지수가 적용된 신호의 타입을 확인하여 음성대역이 들어간 주파수 대역을 가진 신호인지 여부를 확인한다.In step 116, the type of the signal to which the modulation index is applied is quantized and encoded to check whether the signal has a frequency band in which the voice band is included.

확인 결과, 음성 대역 신호인 경우 120 과정으로 이동하여 힐버트 변환을 수행한다.If it is determined that the speech signal is a speech band signal, the process moves to step 120 to perform Hilbert transform.

여기서, 상기 힐버트 변환은 본 발명이 적용된 파라메트릭 어레이 스피커와 같은 파라메트릭 어레이 현상을 구현하기 위한 응용에서 두 가지 주파수 신호를 고음압, 고지향성으로 발생시키기 위해 진폭 변조된 신호의 주파수 스펙트럼에서 상측파 대역(upper-side band) 또는 하측파 대역(lower-side band) 중 어느 한 개의 측파대를 제거하고 나머지 하나의 측파대 만을 전송하는 단측파대 무선 전송을 위한 변조를 위한 변환이다.In order to generate the two frequency signals at high sound pressure and high directivity in the application for realizing a parametric array phenomenon such as a parametric array speaker to which the present invention is applied, the Hilbert transform is applied to the upper side wave in the frequency spectrum of the amplitude- Sideband band, or a lower-sideband and removes the other sideband, and transmits only the other sideband.

상기 파라메트릭 어레이 스피커는 각 초음파 소자에 가청주파수 대역의 파장차(Wm)를 가진 두 개의 초음파(Wc, Wc±Wm)을 출력하면, 상기 두 초음파들이 매질(공기) 중에서 비선형 상호작용을 일으켜 가청음인 Wm과 초음파인 2Wc±Wm로 변하게 되고, 이에 따라 가청음인 Wm이 사람에게 들리게 된다.When the parametric array speaker outputs two ultrasonic waves (Wc, Wc 占 m m) having a wavelength difference (Wm) in an audible frequency band to each ultrasonic element, the two ultrasonic waves cause nonlinear interaction in the medium (air) Wm and ultrasonic waves of 2Wc + Wm, whereby the audible sound Wm is heard by the person.

이에, 본 발명에 따른 파라메트릭 어레이 스피커를 구동하기 위해서는 단측파대 변조를 수행하며, 단측파대 변조에는 하기의 수학식 1의 응답 특성과 같이 힐버트 변환이 필요하다.Therefore, the single sideband modulation is performed to drive the parametric array speaker according to the present invention, and the Hilbert transform is required for the single sideband modulation as in the response characteristic of Equation (1).

이때, 상기 힐버트 변환 시 단일 주파수의 경우

위상 천이만 수행되지만, 주파수 대역을 갖는 오디오 신호의 경우에 본 발명에서는 격자(lattice) 구조를 가진 전역통과 필터를 이용한다.At this time, in the case of a single frequency in the Hilbert transform

Only phase shift is performed. However, in the case of an audio signal having a frequency band, the present invention uses a global pass filter having a lattice structure.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전역통과 필터는 수학식 1과 같은 형태의 특성를 갖고, 이러한 특성을 갖는 전역통과 필터의 위상응답 특성은 하기의 수학식 2와 같은 형태이다.The overall pass filter according to an embodiment of the present invention has the characteristics of Equation (1), and the phase response characteristic of the all-pass filter having such characteristics is expressed by Equation (2).

여기서, K는 비례상수를 나타낸다. 한편, 하기의 수학식 3은 전역통과 필터의 전달함수이고, 본 발명에서는 수학식 2의 특성을 갖도록 최적의 파라미터

를 획득하기 위한 전역통과 필터의 계수를 도 2에 도시된 표의 예와 같이 산출한다. 도 2의 파라미터는 다양한 탭 오더로 설계 가능하며, 하기 수학식 3에서 도 2의 표의 예와 같이 N=36의 경우 N의 개수의 따라 최적의 파라미터 산출이 가능하다.Here, K represents a proportional constant. On the other hand, Equation (3) below is a transfer function of the all-pass filter. In the present invention, the optimal parameter

As shown in the example of the table shown in Fig. The parameters of FIG. 2 can be designed in various tab orders, and in the following Equation (3), it is possible to calculate an optimal parameter according to the number of N when N = 36 as in the example of FIG.

여기서, N은 필터차수를 나타낸다. 획득된 전역통과 필터의 계수를 직접 사용할 수도 있지만, 해당 계수를 통해 슈어(Schur) 알고리즘을 이용하여 도 3에 도시된 적은 라운드오프(Roundoff) 에러, FPGA로의 용이한 적용, 필터 뱅크로 확장 가능한 격자(lattice) 구조를 사용하기 위해 반사계수

를 구한다.Here, N represents the filter order. Although the coefficients of the obtained global pass filter can be used directly, the small roundoff errors shown in FIG. 3 using the Schur algorithm through the coefficients, the easy application to the FPGA, To use a lattice structure,

.

여기서, 상기 알고리즘을 살펴보면 하기와 같다.Here, the algorithm will be described below.

순환 행렬로부터 설정된 생성 행렬은 수학식 4의 형태이다.The generation matrix established from the circulation matrix is in the form of Equation (4).

수학식 4의 생성 행렬로부터 G 그리고, 반사 계수 G의 첫번째 행에서 쌍곡선 회전 행렬을 결정한다.From the generator matrix of equation (4) G and the hyperbolic rotation matrix in the first row of the reflection coefficient G is determined.

G와 수학식 5를 곱한다.G is multiplied by equation (5).

=

의 첫번째 열을 아래로 쉬프트 다운(shift down)하고, 반사계수

의 두번째 행에서

을 결정한다.

=

Down shifts the first column of the reflection coefficient,

In the second row of

.

한편, 116 과정의 확인 결과 음성 대역 신호가 아닌 경우 118 과정으로 이동하여 단일 주파수 신호의 위상 변조를 수행한다.On the other hand, if it is determined in step 116 that the signal is not a voice band signal, step 118 is performed to perform phase modulation of the single frequency signal.

122 과정에서는 120 과정에서 힐버트 변환된 변조 신호 및 118 과정에서의 변조 신호 각각을 합성(synthesize)하여 124 과정에서 합성된 성분 신호들을 합하여 트랜스 듀서로 출력한다.In operation 122, a Hilbert-transformed modulation signal and a modulated signal in operation 118 are synthesized in operation 120, and component signals synthesized in operation 124 are combined and output to a transducer.

여기서, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법이 적용된 단측파대 변조 수행을 위한 논리 회로를 보인 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명은 T가 주기인 정현파 음성대역 신호(410)은 변조 지수(412)를 통해 파라메트릭 어레이 기반 변조 수행을 위해 상기 입력된 음성대역 신호(410)에 대한 기설정된 변조 지수(modulation index) 제어하여 상기 변조 지수 기반 진폭 변조된 데이터를 전역통과 필터(414)를 통해 변환하여 단측파대 변조를 수행한다.4, there is shown a logic circuit for performing a single sideband modulation with a modulation method for a parametric array application according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, The sine wave voiceband signal 410 having a period T is controlled through a modulation index 412 to control a predetermined modulation index for the input voiceband signal 410 to perform parametric array based modulation, And modulates the amplitude-modulated data based on the modulation index through the global pass filter 414 to perform single-sideband modulation.

이때, 상기 전역통과 필터(414)는 상기 진폭 변조된 데이터에 대응하는 파라미터값이 서로 직교되어 처리되는 격자(lattice) 구조를 가진다.At this time, the all-pass filter 414 has a lattice structure in which parameter values corresponding to the amplitude-modulated data are processed orthogonally to each other.

또한, 상기 단측파대 변조를 수행하는 힐버트 변환은 고유값 문제(eigenvalue problem)를 이용한 방법[1]을 사용하여 전역통과 필터의 계수를 산출하고, 상기 산출된 계수를 통해 슈어 알고리즘을 이용하여 반사 계수를 산출하여 단측파대 변조를 수행한다.In addition, the Hilbert transform performing the single-sideband modulation computes the coefficients of the global pass filter using a method using an eigenvalue problem [1], and uses the calculated coefficients to calculate a reflection coefficient And performs single-sideband modulation.

이상에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법에 대해서 살펴보았다.In the foregoing, a modulation method for a parametric array application according to an embodiment of the present invention has been described.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 장치에 관해 도 5를 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.Hereinafter, a modulation apparatus for a parametric array application according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 장치에 관한 상세 블록도이다.5 is a detailed block diagram of a modulation apparatus for a parametric array application in accordance with an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명이 적용된 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 장치는 입력부(510), 변조부(512), 제어부(514), 전역통과 필터(516) 및 출력부(518)을 포함한다.5, a modulation apparatus for a parametric array application to which the present invention is applied includes an input unit 510, a modulation unit 512, a control unit 514, an all-pass filter 516, and an output unit 518 .

상기 제어부(514)는 입력부(510)을 통해 입력된 음성대역 신호에 대한 기설정된 변조 지수(modulation index) 제어를 수행하고, 상기 변조 지수 기반 진폭 변조된 데이터를 전역통과 필터(516)필터를 통해 변환하여 변조부(512)를 통해 단측파대 변조를 수행하다.The control unit 514 performs a predetermined modulation index control on the voiceband signal input through the input unit 510 and outputs the modulation index-based amplitude-modulated data through a global pass filter 516 filter And performs single-sideband modulation through the modulation unit 512. [

상기 전역통과 필터(516)은 제어부(514)의 제어 하에 파라메트릭 어레이 기반 변조를 수행하되, 상기 진폭 변조된 데이터에 대응하는 파라미터값이 서로 직교되어 처리되는 격자(lattice) 구조를 가진다.The all-pass filter 516 has a lattice structure in which parametric array-based modulation is performed under the control of the controller 514, and parameter values corresponding to the amplitude-modulated data are processed orthogonally to each other.

또한, 상기 전역통과 필터는, 고유값 문제(eigenvalue problem)를 이용한 방법을 사용하여 전역통과 필터의 계수를 산출하고, 상기 산출된 계수를 통해 기설정된 슈어(schur)알고리즘을 이용하여 반사 계수를 산출하여 필터링을 수행한다.Also, the all-pass filter may calculate a coefficient of an all-pass filter using a method using an eigenvalue problem, and calculate a reflection coefficient using a predetermined Schur algorithm through the calculated coefficient And performs filtering.

상기와 같이 본 발명에 따른 파라메트릭 어레이 응용을 위한 변조 방법 및 장치에 관한 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.As described above, the configuration and operation of the modulation method and apparatus for a parametric array application according to the present invention can be performed. While the present invention has been described with respect to specific embodiments thereof, Without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by equivalents of the claims and the claims.

510: 입력부 712: 변조부
514: 제어부 716: 전역통과 필터
518: 출력부
[참고문헌]
[1] Jinho Bae and Christi K. Madsen, "Synthesis of Optical IIR Allpass Filters Using Layer Peeling Algorithm Based on Eigenvalue Problem IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTER, VOL.. 25, NO. 6, MARCH 15, 2013510: input unit 712:
514: Control section 716: Global pass filter
518: Output section
[ References ]
[1] Jinho Bae and Christi K. Madsen, "Synthesis of Optical IIR Allpass Filters Using Layer Peeling Algorithm Based on Eigenvalue Problem" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTER, VOL .. 25, NO. 6, MARCH 15, 2013

Claims

Performing a predetermined modulation index control on the input speech band signal for parametric array based modulation;
Modulating the amplitude-modulated data based on the modulation index through a global pass filter to perform single-sideband modulation;
Wherein the step of performing the single sideband modulation comprises:
Calculating a coefficient of the global pass filter using a method using an eigenvalue problem;
And calculating a reflection coefficient using a predetermined algorithm through the calculated coefficients,
The global pass filter

And the phase response characteristic corresponding thereto is < RTI ID = 0.0 >

Wherein the modulating means modulates the modulated signal.

2. The filter according to claim 1,
And a lattice structure in which parameter values corresponding to the amplitude-modulated data are processed orthogonal to each other.

delete

The method according to claim 1,
Wherein the transfer function of the all-pass filter is of the form: < EMI ID = 17.0 >

And a controller for performing a predetermined modulation index control on the input voiceband signal and converting the modulated index based amplitude modulated data through a global pass filter to perform single sideband modulation,
Wherein the global pass filter calculates a coefficient of the global pass filter using a method using an eigenvalue problem and calculates a reflection coefficient using a predetermined algorithm through the calculated coefficient to perform filtering,
The global pass filter

And the phase response characteristic corresponding thereto is < RTI ID = 0.0 >

And performs a parametric array-based modulation under the control of the control unit.

7. The filter according to claim 6,
And a filter having a lattice structure in which parameter values corresponding to the amplitude-modulated data are processed orthogonally to each other.

delete