KR101254989B1 - 2채널 디지털 보청기 및 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법 - Google Patents

2채널 디지털 보청기 및 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법 Download PDF

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홍성화
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기 및 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법은, 음원으로부터 신호를 받아 들이는 제1 마이크로폰; 상기 제1 마이크로폰과 일정 거리 떨어져 배치되며, 상기 음원으로부터 신호를 받아 들이는 제2 마이크로폰; 상기 제1 마이크로폰의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제1 지연기; 상기 제1 마이크로폰 신호의 지연과 시간 차이가 나도록 상기 제2 마이크로폰의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제2 지연기; 상기 제1 지연기를 통과한 신호와 상기 제2 지연기를 통과한 신호를 차감하는 차감 연산기; 상기 차감 연산기를 통과한 신호를 적분하는 적분기; 상기 적분기를 통과한 신호를 증폭시키는 증폭기; 및 상기 증폭된 신호를 필터링하는 고주파 통과필터;를 포함하여, 저주파대역의 방향성 증폭률 저하를 방지할 수 있다.

Description

2채널 디지털 보청기 및 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법 {DUAL-CHANNEL DIGITAL HEARING-AIDS AND BEAMFORMING METHOD FOR DUAL-CHANNEL DIGITAL HEARING-AIDS}
본 발명은 2채널 디지털 보청기 및 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2채널 디지털 보청기를 위한 저주파수 방향성 증폭률을 향상시킬 수 있는 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법에 관한 것이다.
잡음 또는 노이즈의 제거는 음성을 인터페이스로 하는 기기들에 필수적이라고 할 수 있다. 실질적으로 통화 품질이나 보청기 등의 음성 인식률은 음성 입력부의 주변에서 들어오는 원하지 않는 잡음에 의해서 크게 열화된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 잡음을 제거하기 위한 다양한 방법들이 제안되어 있다. 그 중, Direction of Arrival(DOA) 또는 Time Difference of Arrival(TDOA) 방법은 두 개 이상의 마이크로폰을 사용하여 입력되는 목적신호의 시간차와 마이크로폰의 간격을 이용하여 입력되는 목적신호의 방향을 측정할 수는 있으나, 원하는 목적신호와 잡음이 섞여 있는 상황에서는 목적신호의 방향만을 추정할 수 있을 뿐 잡음의 방향은 추정할 수 없는 단점이 있다.
또한, 방향성 마이크로폰(Directional Microphone; DM)은 목표 음향 신호가 고정된 방향에서 발생한다고 가정하고 방향성이 없는 마이크로폰의 배열과 신호 처리를 통해 목표로 하는 방향의 소리에 민감하게 하도록 설계한 방법이다. 이 방법은 목표 음원 방향 이외의 방향에서 발생하는 음향 신호를 모두 잡음으로 가정하면 뛰어난 음성신호 대 잡음비를 얻을 수 있지만, 목표 음원 방향에 잡음이 섞여 있는 경우 좋은 성능을 기대할 수 없다.
또한, 적응형 방향성 마이크로폰(Adaptive Directional Microphone; ADM)은 두 개 이상의 마이크로폰을 사용하여 두 개의 빔포머를 만들어 어댑티브 노이즈 캔설러(Adaptive Noise Canceller; ANC)를 적용하여 잡음의 방향에 따라 빔포밍 하는 방법이다. 두 개의 빔포머는 목적신호 방향에 대한 빔포머(널 디렉션이 180도인 빔포머)와 목적신호에서 180도 차이가 있는 방향을 잡음방향으로 가정한 빔포머(널 디렉션이 0도인 빔포머)이고, 잡음의 방향에 따라 적응형 필터링(Adaptive filtering)을 적용한 방법이다. 이러한 적응형 방향성 마이크로폰(ADM)은 적응형 필터로 인해 복잡한 알고리즘과 계산량이 필요한 단점이 있다.
따라서, 방향성 마이크로폰 또는 적응형 방향성 마이크로폰 방식을 사용한 종래의 보청기에 적용된 빔포머(beamformer)는 주파수 종속적(frequency-variant) 반응을 가지기 때문에 저주파수 대역에서 방향성 증폭률(directional gain)이 저하되는 문제가 있다. 저주파수 대역에서의 방향성 증폭률이 저하되는 것을 방지하기 위해서 후처리 필터(post filter)에서 저주파수를 크게 증폭해야 하는데, 후처리 필터를 사용하면 회로에서 발생되는 잡음 등 기타 잡음들도 함께 증폭되기 때문에 음질을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
예를 들면, 미국등록특허 7,409,068호에는 방향성 마이크로폰 방식의 빔포머에서 딜레이 블록(delay block)의 잡음을 최소화하는 기법이 제시되어 있고, 미국등록특허 7,218,741호에는 적응형 방향성 마이크로폰 방식으로 잡음이 들어오는 방향에 대해서 시스템에서 분석하여 널 디렉션을 조절하는 기술이 개시되어 있으나, 여전히 주파수 종속성과 같은 문제를 가지고 있다.
이러한 주파수 종속적인 문제를 해결하기 위해 광대역 빔포머(Broadband Beamformer; BBF) 기술이 개발되었으나, 광대역 빔포머는 다수개의 마이크로폰이 사용되고 마이크로폰 사이의 간격이 넓은 경우에는 좋은 성능을 보이지만 디지털 보청기와 같이 작은 구조물 속에서 2~3개의 마이크로폰이 사용되는 경우에는 저주파수 대역에서 방향성 특성을 나타내지 못하는 단점이 있다.
또한, 종래의 빔포밍 기술은 음성 신호와 같은 광대역 신호에 적용할 때에는 빔패턴이 주파수에 따라 달라진다는 단점이 있다. 즉, 저주파 대역에서는 넓은 빔폭을 갖고 고주파 대역에서는 좁은 빔폭을 갖는 빔패턴을 보인다. 이러한 특성 때문에 저주파 대역에서는 원하는 방향으로의 공간 필터링이 잘 되지 않아서, 잡음 성분이 잘 제거되지 않는다. 특히, 음성신호는 저주파 대역에서 큰 에너지를 갖고 음성학적 정보도 많이 포함하고 있어서 저주파 대역에서 빔패턴이 제대로 형성되지 않으면 공간적 잡음 제거의 성능이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 주파수 종속적인 반응을 제거할 수 있는 2채널 디지털 보청기 및 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법을 제공한다.
본 발명은 저주파수 대역에서의 방향성 증폭률을 저하를 방지할 수 있는 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법을 제공한다.
본 발명은 저주파 대역에서도 잡음 성분을 잘 제거할 수 있는 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기는 음원으로부터 신호를 받아 들이는 제1 마이크로폰; 상기 제1 마이크로폰과 일정 거리 떨어져 배치되며, 상기 음원으로부터 신호를 받아 들이는 제2 마이크로폰; 상기 제1 마이크로폰의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제1 지연기; 상기 제1 마이크로폰 신호의 지연과 시간 차이가 나도록 상기 제2 마이크로폰의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제2 지연기; 상기 제1 지연기를 통과한 신호와 상기 제2 지연기를 통과한 신호를 차감하는 차감 연산기; 상기 차감 연산기를 통과한 신호를 적분하는 적분기; 상기 적분기를 통과한 신호를 증폭시키는 증폭기; 및 상기 증폭된 신호를 필터링하는 고주파 통과필터;를 포함할 수 있다.
상기와 같이 2개 신호의 차이를 적분함으로써 신호의 저주파 방향성 증폭률이 저감되는 것을 방지할 수 있고, 저주파 대역에서의 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 제1 마이크로폰 및 상기 제2 마이크로폰은 상기 음원과 소정 각도를 이루는 위치에 형성될 수 있다.
상기 제1 지연기 및 상기 제2 지연기는 각각 상기 제1 마이크로폰 및 상기 제2 마이크로폰을 통과한 신호에 내부지연 및 외부지연을 주며, 상기 내부지연으로는 신호의 샘플링 레이트 보다 짧은 시간이 주어지고 상기 외부지연은 상기 제1 마이크로폰과 상기 제2 마이크로폰의 거리 차이에서 발생할 수 있다.
상기 제1 지연기 및 상기 제2 지연기는 마이크로폰을 통과한 신호에 상기 내부지연을 줌으로써 빔포머의 널 디렉션과 출력의 스케일을 조절할 수 있다.
상기 고주파 통과필터는 상기 적분기를 통과한 신호가 요동치는 것을 방지할 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 의하면 본 발명은 상기한 과제를 달성하기 위해, (a) 제1 마이크로폰 및 제2 마이크로폰을 통해 각각 수신된 제1 신호 및 제2 신호를 각각 지연(delay)시키는 단계; (b) 각각 지연된 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 차이를 구하는 단계; (c) 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 차이를 적분하는 단계; (d) 상기 적분된 신호를 증폭하는 단계; 및 (e) 상기 증폭된 신호를 필터링하는 단계;를 포함하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법을 제공할 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호 중 어느 하나는 내부적으로 지연되고, 내부 지연은 분할 지연(fractional delay)이 되도록 설정할 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호 중 어느 하나는 외부적으로 지연되고, 외부 지연은 상기 음원에서부터 상기 제1 마이크로폰 및 상기 제2 마이크로폰에 소리가 도달하는 시간의 차이가 될 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 적분 구간은 신호의 멈춤 기간(pause periods)에서부터 시작될 수 있다.
상기 (d) 단계에서 방향성 이득(directional gain)이 얻어지며, 상기 방향성 이득은 상기 음원과 상기 제1 마이크로폰 또는 상기 제2 마이크로폰 사이의 각도에 따라 변할 수 있다.
상기 방향성 이득은 상기 음원과 상기 제1 마이크로폰 또는 상기 제2 마이크로폰 사이의 각도가 빔포머의 널 디렉션(null direction)과 같으면 영(zero)이 될 수 있다.
상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계의 조합에 의해서 빔포머의 주파수 종속성이 제거될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법은 지연된 2개의 신호의 차이를 구한 후에 이를 바로 적분함으로써 주파수 종속적인 반응을 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법은 지연된 2개의 신호의 차이를 구한 후에 이를 바로 적분함으로써 저주파수 대역에서의 방향성 증폭률을 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법은 고주파 통과 필터를 사용하여 적분된 신호를 필터링함으로써 적분에 의한 신호의 출렁임을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법은 보청기 착용자가 원하는 방향의 빔포머를 구현할 수 있고, 듣고자 하는 음원의 세기가 강조되어 음질과 명료도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 2채널 디지털 보청기 및 그의 빔포밍 방법은 저주파 대역에서도 잡음 성분 제거 성능을 높일 수 있고 저주파 대역에서도 원하는 방향으로의 공간 필터링을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 도 1에 따른 보청기의 빔포밍 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법의 폴라 패턴(polar pattern)을 비교 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법의 잡음신호 처리 파형을 비교 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 enhanced-fwSNR, WSS 및 PESQ의 평균 및 표준편차를 비교 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 잡음의 방향이 변하는 정도에 따른 enhanced-fwSNR, WSS 및 PESQ의 평균 및 표준편차를 비교 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 2개 마이크로폰 사이의 거리에 따른 음향의 품질을 비교 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 고정된 널 디렉션에 대한 빔 패턴을 비교 도시한 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기의 구성을 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 본 발명의 도 1에 따른 보청기의 빔포밍 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법은 보청기, 위성 안테나, 소나(sonar) 또는 음파탐지기 등과 같이 잡음 내지 노이즈(noise)의 방향이 변하는 디바이스에 적용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법이 2채널 마이크로폰을 구비한 디지털 보청기에 사용되는 경우를 예로서 설명하지만, 이에 의해서 본 발명의 적용 범위가 제한되는 것은 아님을 밝혀 둔다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기(100)는 음원(200)으로부터 신호를 받아 들이는 제1 마이크로폰(111), 제1 마이크로폰(111)과 일정 거리 떨어져 배치되며 음원(200)으로부터 신호를 받아 들이는 제2 마이크로폰(112), 제1 마이크로폰(111)의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제1 지연기(121), 제1 마이크로폰(111) 신호의 지연과 시간 차이가 나도록 제2 마이크로폰(112)의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제2 지연기(122), 제1 지연기(121)를 통과한 신호와 제2 지연기(122)를 통과한 신호를 차감하는 차감 연산기(130), 차감 연산기(130)를 통과한 신호를 적분하는 적분기(140), 적분기(140)를 통과한 신호를 증폭시키는 증폭기(150) 및 증폭된 신호를 필터링하는 고주파 통과필터(160)를 포함할 수 있다.
상기와 같이, 2개의 마이크로폰에서 각각 지연된 2개 신호의 차이를 적분함으로써 신호의 저주파 방향성 증폭률이 저감되는 것을 방지할 수 있고, 저주파 대역에서의 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기(100)는 저주파 대역에서 충분한 잡음 제거 성능을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기(100)는 사용자의 외부에 있는 음원(200)으로부터 보청기(100)의 착용자가 원하는 방향의 음성신호를 획득하기 위한 2개의 마이크로폰(111,112)을 구비할 수 있다. 2개의 마이크로폰(111,112)은 음원(200)에 대해서 소정의 경사(θ)를 이루도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 마이크로폰(111) 및 제2 마이크로폰(112)은 음원(200)과 소정 각도(θ)를 이루는 위치에 형성될 수 있다. 여기서, 음원(200)은 시간의 함수(즉, s(t))로 정의될 수 있다.
음원(200)의 신호가 마이크로폰(111,112)에 비해서 먼 거리에서 같은 정도로 감쇄되어 제1 및 제2 마이크로폰(111,112)에 도달한다고 가정하면 각각의 마이크로폰(111,112)에 도달하는 신호들은 제1 및 제2 마이크로폰(111,112)의 위치에 따라서 시간 지연만 다른 신호들이 될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 마이크로폰(111,112) 사이의 간격을 d라고 하고 신호의 속도를 c라고 하면, 제1 마이크로폰(111)에 비해 제2 마이크로폰(112)은 dsinθ/c의 시간만큼 늦게 도달하게 된다. 이러한 도달 시간의 차이를 보상(interpolation)해 줄 수도 있다.
여기서, 본 발명의 2개의 마이크로폰(111,112)과 음원(200)은 음향획득모델(sound acquisition model)을 형성한다고 할 수 있다.
제1 및 제2 마이크로폰(111,112)에서 각각 획득한 제1 및 제2 마이크로폰 신호(X1(t), X2(t))는 다음 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011080421326-pat00001
여기서, c는 음속이고, δθ는 제1 및 제2 마이크로폰(111,112)에 소리가 도달하는 시간의 차이이다.
제1 마이크로폰(111)을 통과한 제1 마이크로폰 신호(X1(t))는 제1 지연기(121, delay)로 전달되고, 제2 마이크로폰(112)을 통과한 제2 마이크로폰 신호(X2(t))는 제2 지연기(122, delay)로 전달될 수 있다.
제1 지연기(121) 및 제2 지연기(122)는 제1 마이크로폰(111) 및 제2 마이크로폰(112)을 각각 통과한 제1 및 제2 마이크로폰 신호(X1(t), X2(t))에 내부지연(internal delay) 및 외부지연(external delay)을 줄 수 있다. 여기서, 외부지연은 앞서 설명한 바와 같이 음원(200)에서부터 제1 및 제2 마이크로폰(111,112)의 거리 또는 위치의 차이로 인해서 발생하는 지연이라고 할 수 있다. 예를 들면, 상기 [수학식 1]에서 δθ가 외부지연이라고 할 수 있다.
내부지연으로는 분할지연(fractional delay, δf)가 제1 마이크로폰 신호(X1(t))에 주어질 수 있다. 여기서, 내부지연은 2개의 마이크로폰 신호(X1(t), X2(t))에 인위적으로 시간의 차이를 두는 것으로서, 내부지연으로 분할지연(fractional delay)가 각각 주어질 수 있다. 분할지연은 각 마이크로폰 신호(X1(t), X2(t))의 샘플링 레이트(sampling rate) 보다 짧은 시간이 되도록 설정될 수 있다.
제1 마이크로폰 신호(X1(t))에 분할지연(δf)을 준 이후에 제2 마이크로폰 신호(X2(t))를 분할지연된 제1 마이크로폰 신호(X1(t-δf))에서 차감한다. 즉, 내부 지연 만큼 지연된 제1 마이크로폰 신호(X1(t-δf))에서 제2 마이크로폰 신호(X2(t))를 빼게 된다. 이러한 차감 과정은 다음 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011080421326-pat00002
만약 내부지연(δf)과 외부지연(δθ)의 차이가 작다면, 구간 [t- δθ,t-δf]에서 신호(s)는 선형이라고 가정할 수 있다. 따라서, [수학식 2]는 다음 [수학식 3]으로 다시 표현될 수 있다.
Figure 112011080421326-pat00003
상기와 같이, 제1 마이크로폰(111) 및 제2 마이크로폰(112)을 통해 각각 수신된 제1 마이크로폰 신호(X1(t)) 및 제2 마이크로폰 신호(X2(t))를 각각 지연(delay)시키는 단계와 각각 지연된 제1 마이크로폰 신호(X1(t))와 제2 마이크로폰 신호(X2(t))의 차이를 구하는 단계를 거쳐서 [수학식 3]을 구한 후, [수학식 4]와 같이 [수학식 3]의 양변을 적분한다. 즉, 제1 마이크로폰 신호(X1(t))와 제2 마이크로폰 신호(X2(t))의 차이를 적분하는 단계를 거치게 된다.
Figure 112011080421326-pat00004
여기서, 모든 소리 신호에는 쉽게 탐지되고 상기 적분과정에서 시작점으로 사용되는 멈춤 기간(pause periods)을 가지기 때문에, s(t0-δθ)는 0이라고 가정할 수 있다. 이와 같이, 적분 과정에서 적분의 시작점 내지 적분구간의 시작점을 멈춤 기간으로 선택하는 이유는 멈춤 기간에는 소리 신호가 없기 때문에 수학적 의미로는 적분의 시작점을 0으로 할 수 있기 때문이다. 만약, 멈춤 기간이 아닌 구간에서부터 적분을 시작한다면 정확한 크기를 알 수 없는 소리 신호가 존재하는 구간에서부터 적분을 시작하기 때문에 적분의 시작 구간을 고정할 수 없는 문제가 생길 수 있다.
한편, 디지털 도메인(digital domain)에서 적분은 합으로 대체될 수 있기 때문에 [수학식 4]는 디지털 도메인에서 다음 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011080421326-pat00005
[수학식 5]에서,
Figure 112011080421326-pat00006
이고,
Figure 112011080421326-pat00007
이며, FS는 샘플링 레이트(sampling rate)이다.
[수학식 5]의 양변을 q(1-cosθf)로 나누어 정규화(normalization)하면 다음 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011080421326-pat00008
[수학식 6]에서 좌변(left side)이 본 발명에 따른 빔포밍 방법을 의미한다고 할 수 있다. 즉, [수학식 6]의 좌변은 제1 마이크로폰(111) 및 제2 마이크로폰(112)을 통해 각각 수신된 제1 마이크로폰 신호 및 제2 마이크로폰 신호를 각각 지연(delay)시키는 단계, 각각 지연된 제1 마이크로폰 신호와 제2 마이크로폰 신호의 차이를 구하는 단계, 제1 마이크로폰 신호와 제2 마이크로폰 신호의 차이를 적분하는 단계를 거친 후 q(1-cosθf)에 의해서 정규화되는 단계의 결과이다.
또한, [수학식 6]의 우변(right side)은 본 발명에 따른 빔포밍 방법의 결과로서, 원 신호와 방향성 이득(directional gain)을 나타낸다. 방향성 이득은 음원의 위치(θ)에 따라 변하며, 음원이 전방에 있는 경우(즉, θ=0)에는 방향성 이득이 1(unit gain)이 된다. 또한, 음원의 위치가 빔포머의 널 디렉션(null direction, θf)과 같으면 방향성 이득은 0(zero)이 된다. 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 빔포밍 방법은 빔포머에 적용될 수 있음을 나타낸다고 할 수 있다.
여기서, 제1 지연기(121) 및 제2 지연기(122)는 마이크로폰(111,112)을 통과한 신호(X1(t), X2(t))에 상기 내부지연을 줌으로써 빔포머의 널 디렉션과 출력의 스케일을 조절할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 지연기(121,122)에 의해서 마이크로폰 신호(X1(t), X2(t))에 분할지연(fractional delay)과 같은 내부지연이 도입됨으로써 널 방향과 출력의 스케일이 조절될 수 있다.
차감 연산기(130) 바로 후단에 적분기(140)를 추가하여 저주파 신호의 방향성 증폭률 저하를 방지할 수 있다. 적분기(140)에서 적분된 신호는 적분기(140)의 후단에 마련된 증폭기(150)를 통과하면서 증폭될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기(100)는 적분기(140)를 통과한 신호의 출렁임(fluctuation) 또는 적분기(140)를 통과한 신호가 요동치는 것을 방지하기 위해서 증폭기(150)의 후단에 고주파 통과필터(160)를 포함할 수 있다. 이 때, 고주파 통과필터(160)로는 200 Hz 고주파 통과필터가 사용되는 것이 바람직하다.
이하에서는 도면을 참조하여 2채널 디지털 보청기(100)의 빔포밍 방법에 대해서 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기(100)의 빔포밍 방법은, (a) 제1 마이크로폰(111) 및 제2 마이크로폰(112)을 통해 각각 수신된 제1 마이크로폰 신호(X1(t)) 및 제2 마이크로폰 신호(X2(t))를 각각 지연(delay)시키는 단계(1100); (b) 각각 지연된 상기 제1 마이크로폰 신호와 상기 제2 마이크로폰 신호의 차이를 구하는 단계(1200); (c) 상기 제1 마이크로폰 신호와 상기 제2 마이크로폰 신호의 차이를 적분하는 단계(1300); (d) 상기 적분된 신호를 증폭하는 단계(1400); 및 (e) 상기 증폭된 신호를 필터링하는 단계(1500);를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 상기 제1 마이크로폰 신호(X1(t)) 또는 상기 제2 마이크로폰 신호(X2(t)) 중 어느 하나는 내부적으로 지연되고, 내부 지연은 분할 지연(fractional delay)이 되도록 설정할 수 있다. 이와 같이, 분할 지연을 줌으로써 널 방향과 출력의 스케일을 조절할 수 있다.
한편, 상기 (a) 단계에서, 상기 제1 마이크로폰 신호 또는 상기 제2 마이크로폰 신호 중 어느 하나는 외부적으로 지연되고, 외부 지연은 상기 음원(200, s(t))에서부터 상기 제1 마이크로폰 및 상기 제2 마이크로폰에 소리가 도달하는 시간의 차이가 될 수 있다. 여기서, 도달 시간의 차이는 제1 및 제2 마이크로폰(111,112)에 대한 음원의 위치(θ) 차이 때문에 발생할 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 적분 구간은 신호의 멈춤 기간(pause periods)에서부터 시작될 수 있다. 적분 과정에서 적분의 시작점 내지 적분구간의 시작점을 멈춤 기간으로 선택하는 이유는 멈춤 기간에는 소리 신호가 없기 때문에 수학적 의미로는 적분의 시작점을 0으로 할 수 있기 때문이다. 만약, 멈춤 기간이 아닌 구간에서부터 적분을 시작한다면 정확한 크기를 알 수 없는 소리 신호가 존재하는 구간에서부터 적분을 시작하기 때문에 적분의 시작 구간을 고정할 수 없는 문제가 생길 수 있다.
상기 (d) 단계에서 방향성 이득(directional gain)이 얻어지며, 상기 방향성 이득은 상기 음원과 상기 제1 마이크로폰 또는 상기 제2 마이크로폰 사이의 각도(θ) 즉, 음원의 위치에 따라 변할 수 있다.
상기 방향성 이득은 상기 [수학식 6]에 표현된 바와 같이, 음원(200, s(t))과 제1 마이크로폰(111) 또는 제2 마이크로폰(112) 사이의 각도(θ)가 빔포머의 널 디렉션(null direction, θf)과 같으면 영(zero)이 될 수 있다.
본 발명에 따른 빔포밍 방법은 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계의 조합에 의해서 빔포머의 주파수 종속성(frequency-variant)이 제거될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 빔포밍 방법은 지연된 마이크로폰 신호의 차감과 차감된 신호를 적분하는 과정을 통해서 주파수 종속적인 반응을 제거할 수 있고, 저주파 신호의 방향성 증폭률 저하를 막을 수 있다. 또한, 보청기 착용자가 원하는 방향의 빔포머를 구현함으로써 듣고자 하는 음원의 세기가 강조되어 음질(quality)과 명료도(intelligibility) 측면에서 우수한 성능을 가질 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 빔포밍 방법과 종래의 빔포밍 방법을 비교하여 본 발명에 따른 빔포밍 방법의 우월함을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법의 폴라 패턴(polar pattern)을 비교 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법의 잡음신호 처리 파형을 비교 도시한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 enhanced-fwSNR, WSS 및 PESQ의 평균 및 표준편차를 비교 도시한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 잡음의 방향이 변하는 정도에 따른 enhanced-fwSNR, WSS 및 PESQ의 평균 및 표준편차를 비교 도시한 도면, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 2개 마이크로폰 사이의 거리에 따른 음향의 품질을 비교 도시한 도면, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법과 기존 빔포밍 방법에 대해서 고정된 널 디렉션에 대한 빔 패턴을 비교 도시한 도면이다.
도 3에서 DM, ADM, BBF, FDSI는 각각 방향성 마이크로폰(Directional Microphone; DM), 적응형 방향성 마이크로폰(Adaptive Directional Microphone; ADM), 광대역 빔포머(Broadband Beamformer; BBF), 본 발명에 따른 빔포밍 방법(Fractional Delay, Subtraction and Integration)을 의미한다. 여기서, DM, ADM, BBF는 종래 기술에 따른 빔포밍 방법이다. 도 3은 빔포머의 널 디렉션을 120도로 고정한 상태에서 신호의 주파수가 0.2kHz, 0.5kHa, 1kHz 및 4kHz인 경우에 대해서 DM, ADM, BBF, FDSI의 폴라 패턴을 비교한 도면이다. DM 및 ADM의 경우는 저주파 즉, 200Hz, 400Hz에서 전방 이득이 각각 -25dB, -17dB로 감소함을 알 수 있는데, 이는 저주파 대역에서 음성 신호를 감쇄시키는 결과를 낳는다. 한편, BBF는 저주파 대역에서 이득 감소는 없으나 200Hz에서 방향성이 감소됨을 알 수 있는데 이로 인해 BBF는 저주파 대역에서 원하지 않는 방향의 잡음을 감쇄할 수 없게 된다. 이에 반하여 본 발명에 따른 빔포밍 방법인 FDSI는 저주파 대역에서 전방측 이득 감소가 없고 양호한 방향성도 가짐을 알 수 있다.
도 4는 DM, ADM, BBF, FDSI 각각의 출력 신호와 원 신호(original signal)를 비교한 도면이다. 잡음의 각도(noise source angle)은 120도, iSNR(input signal to noise ratio)은 -5dB인 경우에 DM, ADM, BBF, FDSI 각각의 출력 신호와 원 신호(original signal)를 비교하였다. 도시된 바와 같이, DM, ADM의 경우에는 저주파 대역에서 이득의 감소로 인해서 원 신호와 다른 형태의 신호를 출력함을 알 수 있다. BBF와 FDSI는 원 신호와 모양의 거의 흡사한 신호를 출력함을 알 수 있고, 그 중에서도 FDSI가 덜 왜곡되고 더 선명한 출력 신호 파형을 가짐을 알 수 있다.
도 5는 DM, ADM, BBF, FDSI에 대해서 iSNR에 따른 음성의 품질 평가(speech quality evaluation)를 도시한 도면이다. iSNR가 각각 -5, 0, 5dB인 경우에 babble noise, car noise, traffic noise에 대해서 음성 품질 평가를 하였다. 여기서, Enhanced-fwSNR(frequency-weighted SNR), WSS(weighted spectral slope), PESQ(perceptual evaluation of speech quality)는 음성의 품질을 나타내는 객관적인 척도(objective measures)이다. 도 5에는 잡음의 각도와 빔포머의 널 디렉션이 120도인 경우에 Enhanced-fwSNR, WSS, PESQ의 평균값(mean value)과 표준편차(standard deviation)이 표시되어 있다. 도 5를 참조하면, Enhanced-fwSNR에서는 FDSI가 가장 큰 개선을 보이며, WSS에서는 FDSI가 다른 빔포밍 방법 보다 신호가 덜 왜곡됨을 알 수 있다. 반면, PESQ에서는 BBF와 FDSI가 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
도 6은 잡음 각도(noise angle)에 따른 음성의 품질 평가를 도시한 도면이다. 널 디렉션은 120도로 고정한 상태에서 잡음 각도가 100도, 110도, 120도, 130도, 140도 일 때 DM, ADM, BBF, FDSI에 대해서 음성 품질 평가를 하였다. 널 디렉션과 잡음 각도 사이의 차이가 클수록 음성 품질이 나빠짐을 알 수 있다.
도 7은 마이크로폰 사이의 거리에 따른 음성의 품질 평가를 도시한 도면이다. 즉, 마이크로폰 사이의 거리에 따른 Enhanced-fwSNR, WSS, PESQ의 결과를 도시하였다. FDSI는 babble noise 및 traffic noise에 대하여, PESQ의 경우만 조금 증가한 것을 제외하면 마이크로폰 사이의 거리에 따라 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 빔포밍 방법인 FDSI가 마이크로폰 사이의 모든 거리, 모든 잡음의 타입에 대해서 Enhanced-fwSNR, WSS의 경우에 가장 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
도 8은 주파수 대역에 따른 이득을 비교하는 도면이다. 좌측 3개의 그래프는 종래 기술에 따른 빔포밍 방법이고 우측의 FDSI는 본 발명에 따른 빔포밍 방법이다. 본 발명에 따른 FDSI와 종래의 방법을 비교하면, FDSI는 저주파 대역에서 방향성 이득의 감소가 없는 반면에 종래의 빔포밍 방법은 저주파 대역에서 방향성 이득이 감소됨을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 빔포밍 방법 및 2채널 마이크로폰 보청기는 저주파 대역에서 저주파 신호의 방향성 증폭률이 저하되는 것을 방지할 수 있기 때문에 저주파수 대역에서의 음성 인지를 강화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2채널 디지털 보청기(100)는 마이크로폰이 2개 사용되는 귀걸이형 보청기(RIC; Receiver In the Canal), 고성능 지능형 보청기에 적용될 수 있다. 또한, 2채널 마이크로폰 인터페이스를 구비한 디지털 보청기에 적용되는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 2채널 디지털 보청기 111,112: 마이크로폰
121,122: 지연기 130: 차감 연산기
140: 적분기 150: 증폭기
160: 고주파 통과필터 200: 음원

Claims (12)

  1. 음원으로부터 신호를 받아 들이는 제1 마이크로폰;
    상기 제1 마이크로폰과 일정 거리 떨어져 배치되며, 상기 음원으로부터 신호를 받아 들이는 제2 마이크로폰;
    상기 제1 마이크로폰의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제1 지연기;
    상기 제1 마이크로폰 신호의 지연과 시간 차이가 나도록 상기 제2 마이크로폰의 마이크로폰 신호를 지연시키는 제2 지연기;
    상기 제1 지연기를 통과한 신호와 상기 제2 지연기를 통과한 신호를 차감하는 차감 연산기;
    상기 차감 연산기를 통과한 신호를 적분하는 적분기;
    상기 적분기를 통과한 신호를 증폭시키는 증폭기; 및
    상기 증폭된 신호를 필터링하는 고주파 통과필터;
    를 포함하는, 2채널 디지털 보청기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지연기 및 상기 제2 지연기는 각각 상기 제1 마이크로폰 및 상기 제2 마이크로폰을 통과한 신호에 내부지연 및 외부지연을 주며,
    상기 내부지연으로는 신호의 샘플링 레이트 보다 짧은 시간이 주어지고 상기 외부지연은 상기 제1 마이크로폰과 상기 제2 마이크로폰의 거리 차이에서 발생하는 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 지연기 및 상기 제2 지연기는 마이크로폰을 통과한 신호에 상기 내부지연을 줌으로써 빔포머의 널 디렉션과 출력의 스케일을 조절하는 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 고주파 통과필터는 상기 적분기를 통과한 신호가 요동치는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기.
  6. (a) 제1 마이크로폰 및 제2 마이크로폰을 통해 각각 수신된 제1 신호 및 제2 신호를 각각 지연(delay)시키는 단계;
    (b) 각각 지연된 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 차이를 구하는 단계;
    (c) 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 차이를 적분하는 단계;
    (d) 상기 적분된 신호를 증폭하는 단계; 및
    (e) 상기 증폭된 신호를 필터링하는 단계;
    를 포함하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호 중 어느 하나는 내부적으로 지연되고, 내부 지연은 분할 지연(fractional delay)인 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호 중 다른 하나는 외부적으로 지연되고, 외부 지연은 음원에서부터 상기 제1 마이크로폰 및 상기 제2 마이크로폰에 소리가 도달하는 시간의 차이인 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    적분 구간은 신호의 멈춤 기간(pause periods)에서부터 시작되는 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 방향성 이득(directional gain)이 얻어지며, 상기 방향성 이득은 상기 음원과 상기 제1 마이크로폰 또는 상기 제2 마이크로폰 사이의 각도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방향성 이득은 상기 음원과 상기 제1 마이크로폰 또는 상기 제2 마이크로폰 사이의 각도가 빔포머의 널 디렉션(null direction)과 같으면 영(zero)이 되는 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계의 조합에 의해서 빔포머의 주파수 종속성이 제거되는 것을 특징으로 하는 2채널 디지털 보청기의 빔포밍 방법.
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