KR20020041556A - 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 이동통신 시스템(PCS, DCS, IMT-2000 등)에서 반향 제거기내 FIR 필터 계수 갱신시 사용하는 정규화된 오차신호를 동시 통화 영역 검출시 파라미터로 사용하여 반향을 제거함으로써, 반향 제거 성능 향상을 도모하고 유선/무선망간의 통화시 통화 음질을 향상토록 한 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 근단신호(s(n)) 및 원단신호(x(n))를 입력받은 후 반향 신호를 추정하여 추정 반향 신호(y(n))를 생성하고, 근단신호(s(n))에서 상기 추정한 반향 신호(y(n))를 감산(s_n- y_n)하여 오차 신호(e_n)를 생성하며, 에너지 비를 이용하여 동시 통화 영역을 검출하고, 그 검출한 영역이 동시 통화 영역일 경우, 원단신호의 표준 편차를 산출하고, 상기 산출한 표준 편차와 오차 신호를 승산하고 그 결과치를 정규화된 오차신호를 통해 검출한 동시 통화 영역인지를 판단하기 위해서 미리 설정한 기준치와 비교한다. 또한 비교 결과 결과치가 상기 기준치 이하이면 상기 정규화된 오차신호를 통해 동시 통화 영역을 재 검출하고 그 검출값이 동시 통화 영역인지를 판단하고, 기 오차신호를 통해 검출한 값이 동시 통화 영역일 경우 반향 제거기내 FIR필터의 계수를 갱신하기 위한 필터 계수 갱신치를 산출하고, 그 산출한 필터 계수 갱신치로 FIR 필터의 계수를 갱신하여 반향을 제거한다.

Description

이동통신 시스템에서 반향 제거 방법{Method for cancelling echo in mobile communication system}

본 발명은 이동통신 시스템 네트워크 상에서 반향(Echo) 제거에 관한 것으로서, 특히 디지털 이동통신 시스템(PCS, DCS, IMT-2000 등)에서 반향 제거기내 FIR 필터 계수 갱신시 사용하는 정규화된 오차신호를 동시 통화 영역 검출시 파라미터로 사용하여 반향을 제거함으로써, 반향 제거 성능 향상을 도모하고 유선/무선망간의 통화시 통화 음질을 향상토록 한 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 디지털 이동통신 시스템에서는 유선/무선간 통화시(이하, M-To-L이라 약칭함) 이동 가입자는 자신의 소리가 일정 시간만큼 지연되어져 들리는 화자 반향을 경험하게 된다. 이러한 화자 반향은 고정 가입자와 지역 전화국간의 연결 선로 상에 존재하는 하이브리드(Hybrid) 회로에서의 임피던스 부정합 현상이 이동통신 시스템에서 음성 부호화시의 지연 등과 결합하여 M-To-L 통화시 이동가입자의 정상적인 통화를 방해하게 된다.

이러한 화자반향을 제거하기 위한 수단으로써 반향 제거기(LEC)가 구현되었다. 여기서 반향 제거기는 통상적으로 기지국 제어기(제어국)(BSC)내 음성 부호화기에 소프트웨어적으로 구현된다.

반향 성분을 제거하는 원리는 반향 성분이 발생하는 실제의 경로를 FIR필터로 모델링하여 반향 성분을 추정하고, 그 추정값을 반향성분이 포함된 신호에서 빼줌으로써 반향을 제거하게 된다.

첨부한 도면 도 1은 종래 이동통신 시스템에 적용된 반향 제거 장치를 개략적으로 구성한 도면이다.

여기서 참조부호 100은 하이브리드 회로를 구비한 반향경로 전달필터를 나타내고, 참조부호 200은 실제의 경로를 FIR필터로 모델링하여 반향 성분을 추정하는 반향 제거기를 나타내고, 참조부호 300은 상기 반향경로 전달필터(100)에서 출력되는 근단화자(고정가입자)의 신호에서 상기 반향 제거기(200)에서 출력되는 추정값을 감산하여 반향을 제거하는 승산기를 나타낸다.

도면중 참조부호 400은 고정가입자가 소유한 유선 전화기를 나타낸다.

도 1에서 반향경로 전달필터를 포함한 반향 경로 A - B를 적응 FIR 필터로 모델링하게 되며, 이때 일반적으로 사용하는 모델링 알고리즘은 NLMS(Normalized Least Mean Square)로 시간 n에서 FIR 필터의 탭 계수를 하기의 [수학식1]과 같이 갱신함으로써 반향경로에 FIR 필터가 최적화 되도록 적응시킨다.

상기에서,

: 반향제거기가 추정한 반향 신호,

: 실제 반향성분에서 추정한 반향신호를 제거한 오차신호,

: 적응 계수,: 필터탭 계수 at time n이다.

상기 [수학식1]에서와 같은 FIR필터탭의 갱신은 신호가 입력될 때마다 이루어지는 것이 아니라, 원단화자 신호만이 존재할 때 이루어져야 한다. 즉, 원단신호가 하이브리드에서 반향되어 반향신호가 만들어지기 때문으로, 만일 근단화자신호가 존재할 경우(동시통화상황)에 필터탭이 갱신되면 필터출력신호는 반향신호를 제대로 추정하지 못하게 되며 발산하게 된다.

따라서 동시통화상황의 정확한 검출은 동시통화 영역에서는 필터탭 계수의 갱신을 방지함으로써 반향 제거기의 발산을 막고, 또 원단신호만이 존재하는 구간에서 필터탭계수를 충분히 적응시켜 반향 제거기의 충분한 추정을 가능케 한다.

이러한 점으로 미루어 동시통화 검출기의 성능은 반향 제거 성능과 직결된다고 볼 수 있다.

실제 환경에서 반향 제거기는 FIR필터에서 추정한 반향신호만으로는 반향성분을 충분히 제거하기 어렵다. 따라서 반향 제거 성능을 향상시키기 위해서 잔여반향에 대한 추가적인 제거가 뒤따르게 되는 데, 일반적으로 잔여반향제거기는 잔여반향신호에 대하여 비선형적인 클리핑(Clipping)을 수행함으로써 추가적인 반향을 제거하게 된다.

한편 종래의 동시 통화 검출은 근단신호와 원단신호간의 에너지비를 이용하는데, 특히 아래의 [수학식2]와 같은 Geigel 알고리즘이 많이 사용되고 있다. 상기 Geigel 알고리즘은 적은 계산량으로 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 성능면에서는 정확한 동시통화 검출이 어렵다는 문제점을 지니고 있다.

여기서 N : 탭(Tap) 수, T : 임계치(threshold).

도 2a 및 도 2c는 동시 통화 영역 검출의 실예를 보인 것이다. 여기서 2a는 순수 근단화자 신호이고, 2b는 순수 근단화자 신호와 반향 신호가 합해진 근단신호이고, 2c는 원단화자 신호를 각각 나타낸다.

도 3은 에너지비를 이용한 Geigel 알고리즘으로 검출한 동시 통화 상황 영역의 검출 파라미터를 나타낸 것이다.

도 2 및 도 3에서 수직 방향의 실선으로 구분된 영역은 검출된 동시 통화 영역을 나타낸 것이다.

도 4는 종래 이동통신 시스템에 적용된 반향 제거 방법을 보인 흐름도이다.

여기서구현시가 16비트로 표현될 수 없는 한계로 인하여 실제로는대신의 표준편차인로 대체한다.

먼저 단계 S11에서는 근단신호(s(n)) 및 원단신호(x(n))를 입력받고, 단계 S12에서는 추정 반향 신호(y(n))를 생성한다. 그리고 단계 S13에서는 상기 근단신호(s(n))에서 상기 추정한 반향 신호(y(n))를 감산(s_n- y_n)하여 오차 신호(e_n)를 생성한다.

다음으로 단계 S14에서는 동시 통화 영역인지를 판단한다. 여기서 통시 통화 영역이 아닐 경우에는 단계 S15로 이동하여 잔여 반향을 제거하게 된다.

이와는 달리 동시 통화 영역인 경우에는 단계 S16 내지 단계 S19 과정을 순차로 진행하여 필터 계수를 갱신하고, 반향을 제거하게 된다.

즉, 단계 S16에서는를 계산하고, 단계 S17에서는 상기 계산된에 상기 오차신호()를 승산한다.

그런 후 단계 S18에서는 아래와 같은 [수학식3]에 의거 필터 계수를 갱신할 필터 계수값을 산출한다.

이후 단계 S19에서는 상기 산출한 필터 계수값으로 필터 계수를 갱신하여 반향을 제거하게 되고, 반향 제거가 이루어진 후에는 전술한 단계 S15로 이동하여 잔여 반향을 제거하게 된다.

그러나 이러한 종래의 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법은, 에너지비만을 이용하므로 도 3에 도시된 바와 같이 검출한 동시 통화 영역은 실제 동시 통화 영역을 나타낸 도 2와 비교시 정확한 검출에 한계가 있음을 알 수 있다.

여기서 동시통화 영역의 부정확한 검출은 반향 제거기 적응필터의 발산을 초래하거나 적응필터의 충분한 적응을 방해함으로써 반향제거기 성능을 저하시키게 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 이동통신 시스템에 적용된 반향 제거 장치의 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 디지털 이동통신 시스템(PCS, DCS, IMT-2000 등)에서 반향 제거기내 FIR 필터 계수 갱신시 사용하는 정규화된 오차신호를 동시 통화 영역 검출시 파라미터로 사용하여 반향을 제거함으로써, 반향 제거 성능 향상을 도모하고 유선/무선망간의 통화시 통화 음질을 향상토록 한 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법은,

동시 통화 영역 검출시 파라미터로 사용하는 에너지비 외에 새로운 파라미터를 상호 보완적으로 사용하여 동시통화 검출기의 성능을 향상시킴으로써, 전체적인 반향제거기의 성능 향상을 목적으로 한다.

본 발명에서 제안된 새로운 파라미터는 주지한 [수학식1]의 필터계수 갱신식에서 사용하는 값인 정규화된 오차신호로서, 에너지비와 정규화된 오차신호를 합하여 동시 통화 영역을 검출함으로써, 추가적인 계산량 증가없이 동시 통화 검출기의 성능을 향상시킬 수 있고 궁극적으로 반향 제거 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 이동통신 시스템 네트워크에서 반향 제거 장치의 구성을 보인 블록도이고,

도 2a 내지 도 2c는 종래 이동통신 시스템 네트워크에서 실제 동시 통화 영역 주파수 파형도를 나타내고,

도 3은 종래 Geigel 알고리즘으로 검출한 동시 통화 영역 파형도를 나타내며,

도 4는 종래 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법을 보인 흐름도이고,

도 5는 본 발명에서 에너지비 + 정규화된 오차를 이용하여 검출한 동시통화 영역의 주파수 파형도를 나타내고,

도 6은 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법을 보인 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ..... 반향 경로 전달필터

200 ..... 반향 제거기(LEC)

300 ..... 승산기

400 ..... 유선 전화기(고정가입자 : 근단화자)

이하 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명에서 새롭게 파라미터로 제시된 정규화된 오차신호에 대해 살펴보면 다음과 같다.

반향 제거기에 입력되는 근단신호, s(n)는 아래의 [수학식4]와 같이 근단화자신호 u(n)외에 원단신호가 하이브리드 회로에서 반향되어서 생기는 반향성분 v(n)의 합으로 표현될 수 있다.

s(n) = u(n) + v(n)

상기 [수학식4]에서 v(n)는 하이브리드회로에서 원단신호 파워의 일부가 반향된 신호로 원단신호 x(n)보다 작은 크기를 지니게 된다. 일반적으로 하이브리드회로에서의 평균적인 감쇄는 11dB정도이며 3dB정도의 표준편차를 지니고 있다. 따라서 v(n)의 크기는 아래의 [수학식5]와 같은 범위의 값을 지니게 된다.

한편 근단신호에서 추정한 신호 y_n을 제거한 오차신호 e_n은 근단화자신호의 유, 무에 따라 아래와 같은 [수학식6], [수학식7]로 각각 표현될 수 있다.

위의 식을 원단신호의 표준편차으로 정규화시키면 아래의 [수학식8], [수학식9]와 같이 된다.

한편 근단화자 신호가 없을 경우인 [수학식9]는라는 가정과 상기 [수학식5]를 이용하여 전개하면 1보다 충분히 작은 값을 지니게 된다. 그러나 근단화자신호가 존재할 경우인 상기 [수학식8]은항의 영향으로 [수학식9]에 비해 훨씬 큰 값을 지님을 알 수 있다. 실제로 음성 데이터를 이용한 실험에서도 정규화된 오차는 상기 [수학식7]에서 분석한 내용과 동일한 경향을 보임을 확인할 수 있다.

도 5에서는 도 2와 동일한 음성 데이터를 대상으로 정규화된 오차신호값을 구하여 제시하고, 또 정규화된 오차신호를 기존 에너지비와 상호 보완적으로 사용한 동시 통화 영역 검출의 예를 제시하고 있다. 에너지비만을 이용한 도 3이 결과에 비해 보다 정확하게 동시 통화 영역을 찾을 수 있음을 볼 수 있다.

특히 정규화된 오차는 근단화자신호가 존재하지 않는 비 동시 통화 영역에서는 대부분 0.5 이하의 값을 지니는 것으로 나타났으며, 동시통화영역에서는 1이상의 큰 값을 나타내었다.

본 발명에서 제안하는 새로운 반향 제거 방법은 일차적으로 에너지비를 이용하여 동시 통화 영역을 검출하고, 비동시통화 영역에서 필터 계수 갱신시에 필요한 정규화된 오차신호를 이용하여 한번 더 동시 통화 영역을 판단하여 조건에 만족할 때만 필터 계수를 갱신한다.

첨부한 도면 도 6은 본 발명에 의한 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법을 보인 흐름도이다.

먼저 단계 S101에서는 근단신호(s(n)) 및 원단신호(x(n))를 입력받고, 단계 S102에서는 반향 신호를 추정하여 추정 반향 신호(y(n))를 생성한다. 그리고 단계 S103에서는 상기 근단신호(s(n))에서 상기 추정한 반향 신호(y(n))를 감산(s_n- y_n)하여 오차 신호(e_n)를 생성한다.

다음으로 단계 S104에서는 동시 통화 영역인지를 판단한다. 여기서 통시 통화 영역은 기존과 같이 에너지비를 이용하여 판단하며, 그 결과 동시 통화 영역이 아닐 경우에는 단계 S105로 이동하여 잔여 반향을 제거하게 된다.

이와는 달리 동시 통화 영역으로 판단된 경우에는 단계 S106에서는를계산하고, 단계 S107에서는 상기 계산된에 상기 오차신호()를 승산하고, 그 결과치가 동시 통화 영역인지를 판단한다. 즉, 단계 S107에서는 정규화된 오차신호를 이용하여 동시 통화 영역인지를 재 판단한다. 상기 재판단 결과 동시 통화 영역이 아닐 경우에는 주지한 단계 S105로 이동하여 잔여 반향을 제거하게 되며, 이와는 달리 상기 재판단 결과 동시 통화 영역으로 판단되면, 단계 S108에서는 주지한 [수학식3]에 의거 필터 계수를 갱신할 필터 계수값을 산출한다.

이후 단계 S109에서는 상기 산출한 필터 계수값으로 필터 계수를 갱신하여 반향을 제거하게 되고, 반향 제거가 이루어진 후에는 전술한 단계 S105로 이동하여 잔여 반향을 제거하게 된다.

이상에서 상술한 본 발명 "이동통신 시스템에서 반향 제거 방법"에 따르면, 반향 제거기의 동시 통화 검출 성능을 향상시킴으로써 정확한 동시 통화 영역을 검출할 수 있다.

또한 동시 통화 영역에서 FIR 필터를 적응시켰을 때 발생하는 반향 제거기의 발산을 막음으로써 반향 제거기의 안정성을 확보할 수 있으며, 비동시통화 영역에서 반향 제거기를 충분히 적응시킴으로써 반향 제거기의 수렴속도를 향상시킬 수 있으므로 최소한의 잔여 반향 제거만으로도 반향 성분을 충분히 제거할 수 있도록해준다.

또한 비선형적인 잔여 반향 제거의 최소화로 통화 음질을 향상시킬 수 있는 이점이 있으며, 주지한 바와 같은 효과는 궁극적으로는 M-To-L 통화시에 화자반향을 효과적으로 충분히 제거하여 줌으로써 통화품질의 저하를 미연에 방지할 수 있다.

Claims (1)

1. 이동통신 시스템에서 반향을 제거하는 방법에 있어서,

   근단신호(s(n)) 및 원단신호(x(n))를 입력받은 후 반향 신호를 추정하여 추정 반향 신호(y(n))를 생성하는 단계와;

   상기 근단신호(s(n))에서 상기 추정한 반향 신호(y(n))를 감산(s_n- y_n)하여 오차 신호(e_n)를 생성하는 단계와;

   에너지비를 이용하여 동시 통화 영역을 검출하고, 그 검출한 영역이 동시 통화 영역일 경우, 상기 원단신호의 표준 편차를 산출하는 단계와;

   상기 산출한 표준 편차와 상기 오차 신호를 승산하고 그 결과치를 정규화된 오차신호를 통해 검출한 동시 통화 영역인지를 판단하기 위해서 미리 설정한 기준치와 비교하는 단계와;

   상기 비교 결과 결과치가 상기 기준치 이하이면 상기 정규화된 오차신호를 통해 동시 통화 영역을 재 검출하고 그 검출값이 동시 통화 영역인지를 판단하는 단계와;

   상기 오차신호를 통해 검출한 값이 동시 통화 영역일 경우 반향 제거기내 FIR필터의 계수를 갱신하기 위한 필터 계수 갱신치를 산출하고, 그 산출한 필터 계수 갱신치로 FIR 필터의 계수를 갱신하여 반향을 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 반향 제거 방법.