KR20050119758A - 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및신호 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부의 소리를 입력받는 복수개의 마이크와, 마이크 각각에 결합되고, 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 복수개의 A/D 컨버터와, 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하여, 궤환 신호가 포함된 경우 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호를 생성하는 궤환 신호 처리부와, 궤환 신호를 포함하지 않는 제1 디지털 사운드 신호 또는 제2 디지털 사운드 신호를 신호처리하여 디지털 음성 신호를 추출하는 음성 신호 분리부와, 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 증폭하는 특성 주파수 증폭부와, 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 D/A 컨버터와, 아날로그 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법에 관한 것으로, 잡음 환경 내 및 하울링 현상이 발생된 시점에서도 보청기 착용 환자가 음성 신호만을 명확하게 제공받을 수 있도록 한다.

Description

잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법{Hearing aid having noise and feedback signal reduction function and signal processing method thereof}
본 발명은 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법에 관한 것으로, 특히 주변 잡음이 강한 환경(in the background noise or noisy environment)에서 청력 환자가 어음을 보다 명확히 들을 수 있도록 하고 하울링(howling) 현상을 제거함으로써 청력 환자의 쾌적한 보청기 이용을 가능하게 하는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 사람의 귀는 크게 외이, 중이, 내이 세 부분으로 구분된다. 사람의 귀에서 소리를 들을 수 있게 되는 경로를 살펴보면 다음과 같다. 소리의 진동이 귓바퀴에 모여져 외이도를 따라 고막으로 전달된다. 외이도는 한쪽이 고막에 의해 막힌 일종의 공명관 형태이고, 고막의 진동은 중이 안에 있는 세 이소골(즉, 망치뼈, 모루뼈, 고리뼈)을 통해 내이로 전달된다. 이소골의 진동이 고리뼈의 족판을 통해 내이 안에 있는 달팽이관에 전달되면 달팽이관 내부의 림프액이 움직이고, 달팽이관의 가운데층에 있는 수천개의 미세한 유모 세포들이 림프액의 진동을 감지하여 그 자극을 전기적인 신호로 바꾼다. 이후 전기적인 신호가 청신경을 통해 뇌로 전달됨으로써 사람이 소리를 들을 수 있게 되는 것이다.
청각이 저하 또는 상실된 상태에 있는 난청(難聽, impaired hearing) 환자의 경우 보청기의 착용을 필요로 한다. 보청기는 정상인이 들을 수 있는 대역의 음을 증폭 혹은 변형하여 난청자로 하여금 정상인과 같은 정도로 지각하도록 만들기 위한 것이다.
이러한 보청기는 주변 환경의 소음 정도에 관계없이 착용 환자에게 정확한 어음 전달을 필요로 한다. 최근 신호 처리 기술이 발전함에 따라 발전된 디지털 보청기의 신호 처리 알고리즘(예를 들어, multi-band compression algorithm, noise suppression algorithm, adaptive algorithm, feedback suppression algorithm, single or multi microphone procession and its location 등)이 개발되고 있다.
종래의 보청기 알고리즘은 주변 잡음이 있는 경우 그 잡음 성분을 최소화시켜 주는 방법을 이용하고 있었다. 그러나, 콤피스(kompis) 등의 보고서(즉, 'A combined fixed/adaptive beam forming noise-reduction system for hearing aids., Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 20th Annual International of the IEEE, Volume: 6, 29 Oct.-1 Nov. Pages:3136 - 3139 vol. 6')에 따르면, 여전히 많은 보청기 착용 환자들은 잡음 환경에서 상대방의 음성을 잘 듣지 못함으로 인해 디지털 보청기 성능에 불만을 제기하고 있다.
도 1은 종래의 디지털 보청기 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 디지털 보청기(100)는 마이크(110), 전-증폭기(Pre-Amplifier)(115), A/D 컨버터(Analog-to-Digital Converter)(120), 시그널 처리부(125), 저장부(130), D/A 컨버터(Digital-to-Analog Converter)(135), 후-증폭기(Final-Amplifier)(140) 및 리시버(145)를 포함한다.
마이크(110)는 외부의 아날로그 사운드 신호(예를 들어, 음성 등)를 입력받아 전-증폭기(115)로 전달하고, 전-증폭기(115)는 마이크(110)로부터 전달받은 아날로그 사운드 신호를 미리 지정된 크기로 증폭시킨다. 그리고, 증폭된 아날로그 사운드 신호는 A/D 컨버터(120)로 전달되고, A/D 컨버터는 전달받은 증폭된 아날로그 사운드 신호를 디지털 사운드 신호로 변환한다. 변환된 디지털 사운드 신호는 시그널 처리부(125)로 전달되며, 시그널 처리부(125)는 저장부(130)에 저장된 신호 처리 알고리즘(즉, 시그널 프로세싱 알고리즘)을 이용하여 디지털 시그널 신호를 처리하고, 처리된 디지털 시그널 신호를 D/A 컨버터(135)로 전달한다. D/A 컨버터(135)는 전달받은 디지털 시그널 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 변환된 아날로그 시그널 신호를 후-증폭기(140)로 전달한다. 후-증폭기(140)는 전달받은 아날로그 시그널 신호를 미리 지정된 크기로 증폭한 후, 증폭된 아날로그 시그널 신호를 리시버(145)로 전달한다. 리시버(145)는 전달받은 아날로그 시그널 신호를 보청기를 착용한 청력 환자에게 제공한다.
이와 같은 종래의 디지털 보청기(100)는 스펙트럼 차감법(Spectrum Subtraction) 등이 주로 사용되고 있었다. 그러나, 이러한 방법은 외부의 잡음이 강할 경우 외부 잡음이 적절히 제거되지 못하고 오히려 잡음마저 증폭되어 청력 환자에게 불편함을 제공하는 원인이 되고 있었다.
또한, 일반적으로 보청기와 같이 마이크(마이크로폰)와 리시버(스피커)가 가까이 위치한 전기 음향 변환기들은 스피커에 의해 생성된 진동들로 인해 피드백 루프(feedback loop)가 발생할 수 있다. 즉, 스피커로부터의 진동들이 하우징(housing)을 통해 마이크에 전달되고, 마이크가 당해 진동을 전기 신호로 변환하며, 그 전기 신호가 증폭되어 스피커를 통해 사운드와 진동들로 다시 변환함으로써, 의도하지 않은 피드백 루프가 형성된다. 이러한 루프들로 인해 사운드 품질이 감소된다. 보청기에서와 같이 큰 이득의 경우에, 피득백 루프들은 심지어 하울링 사운드(howling sound)를 교란시켜, 상기 보청기의 최대 가능 이득에 있어 한정 요인이 된다.
도 2는 보청기에서 궤환 잡음이 발생되는 개념을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 하울링 현상 또는 피드백 잡음(feedback noise)에 의해 발생되는 궤환 신호는 다음과 같은 두가지 경우에 발생된다.
첫째, 보청기가 외이도에 장착되어 정상 동작되는 동안 발생될 수 있다. 보청기는 폐쇄효과(occlusion effect)를 방지하기 위해 구멍(vent)을 가지고 있는데, 그 구멍(vent)을 통해 보청기의 입력 신호와 출력 신호가 커플링(coupling)됨으로써 피드백이 발생하는 경우가 있다. 이때 궤환 신호가 발생한다.
둘째, 사용자가 보청기를 탈/장착할 때 발생할 수 있다. 이 경우 보청기의 구멍(vent)에 의한 것이 아니라 외이도와 보청기 사이의 공간에 의해 궤환 신호가 발생한다. 이렇게 발생하는 궤환 신호는 특정 주파수 성분만을 증폭시켜 사용자에게 불쾌감을 주는 원인이 된다.
상술한 궤환 신호 발생을 억제하기 위한 종래의 보청기는 다음과 같은 방법들을 적용하고 있었다.
먼저, 보청기 장착시 전원을 몇 초 동안 차단하여 장착 시 발생하는 궤환 신호를 방지하는 방법이 그것이다. 그러나 이 방법은 전원이 공급되지 않는 짧은 시간 안에 사용자가 보청기 착용을 완료한 경우에만 궤환 현상을 막을 수 있고, 또한 보청기 탈착 시 발생하는 궤환 신호는 제거할 수 없다는 문제점이 있었다.
다음으로 보청기 컨트롤용 리모콘에 있는 전원 온/오프(On/Off) 기능을 이용하는 방법이 그것이다. 이때 리모콘의 주된 사용 목적이 보청기의 성능을 사용자에게 맞춰줄 필요가 있을 경우 사용하기 위한 것일 뿐 보청기 탈ㅇ장착 시 하울링을 방지하기 위한 것이 아니라는 문제점이 있었다. 또한 사용자가 보청기를 컨트롤하기 위해서는 항상 리모콘을 휴대하여야 한다는 문제점도 있었다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 잡음 환경 내 및 하울링 현상이 발생된 시점에서도 보청기 착용 환자가 음성 신호만을 명확하게 제공받을 수 있도록 하는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청력 환자가 별도의 동작을 수행하거나 리모콘 장치를 구비하지 않더라도 잡음 환경 내에서도 하울링 현상이 제거된 고품질의 음성 신호만을 선택적으로 제공받을 수 있는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 디지털 보청기에 있어서, 외부의 소리를 입력받아 아날로그 사운드 신호를 생성하는 복수개의 마이크; 마이크 각각에 결합되어, 상기 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 복수개의 A/D 컨버터; 상기 A/D 컨버터로부터 각각 전달받은 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하여, 궤환 신호가 포함된 경우 상기 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호를 생성하는 궤환 신호 처리부; 상기 궤환 신호 처리부로부터 궤환 신호가 포함되지 않은 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 전달받아 신호처리 알고리즘을 이용하여 디지털 음성 신호를 추출하는 음성 신호 분리부; 상기 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 미리 설정된 주파수별 증폭 조건에 따라 증폭하는 특성 주파수 증폭부; 상기 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 D/A 컨버터; 및 상기 아날로그 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기가 제공된다.
상기 궤환 신호 처리부는 상기 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 논-가우시안(Non-Gaussian) 신호 특성을 가지는 디지털 사운드 신호로 변환하여 상기 음성 신호 분리부로 전달할 수 있다.
상기 궤환 신호 처리부는 적응 노치 필터(Adaptive Notch Filter)를 이용하여 상기 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되어있는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 제2 디지털 사운드 신호는 상기 제1 디지털 사운드 신호가 1ms 내지 2ms 중 어느 하나의 지연 시간을 이용하여 시간 지연 처리될 수 있다.
상기 복수개의 마이크는 서로간에 상이한 지향 방향을 가지고, 각각의 마이크는 무지향성 소리 입력부, 지향성(directional) 소리 입력부 중 적어도 어느 하나를 구비할 수 있다.
상기 신호처리 알고리즘은 독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 디지털 보청기가 음성 신호만을 추출하여 출력하는 방법에 있어서, 외부의 소리를 입력받아 아날로그 사운드 신호를 생성하는 단계; 상기 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계; 상기 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하는 단계; 상기 궤환 신호가 포함된 경우, 상기 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계; 독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘을 이용하여 상기 궤환 신호가 포함되지 않은 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호에서 디지털 음성 신호를 추출하는 단계; 상기 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 미리 설정된 주파수별 증폭 조건에 따라 증폭하는 단계; 상기 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 단계; 및 상기 아날로그 음성 신호를 출력하는 단계를 포함하는 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법이 제공되고, 당해 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법의 수행을 가능하게 하는 시스템, 장치 및 기록매체가 제공된다. 이때, 상기 외부의 소리는 서로 상이한 지향 방향을 가지는 복수개의 마이크를 통해 입력될 수 있다.
상기 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법은 상기 독립 요소 분석(ICA) 알고리즘을 이용하여 상기 디지털 음성 신호를 추출하는 단계 이전에 상기 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 논-가우시안(Non-Gaussian) 신호 특성을 가지는 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 디지털 사운드 신호는 상기 제1 디지털 사운드 신호가 1ms 내지 2ms 중 어느 하나의 지연 시간을 이용하여 시간 지연 처리될 수 있다.
상기 복수개의 마이크는 무지향성 소리 입력부, 지향성(directional) 소리 입력부 중 적어도 어느 하나를 각각 구비할 수 있다.
본 발명은 주변 잡음이 강한 환경내에서나 하울링 현상(또는 피드백 잡음)이 발생된 경우에도 청력 환자가 어음을 보다 더 잘 들을 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이며, ICA 알고리즘을 디지털 보청기에 탑재하여 적어도 두개 이상의 마이크에 의해 입력된 음성 신호와 주변 잡음 신호를 분리하여 잡음 환경 속에서도 높은 노이즈 감쇄 효과를 얻을 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 단순히 난청자의 비선형적인 라우드니스 증가를 보상하는 것에 그치지 않고, 신호원 분리 기술(Source Separation)을 적용하여 원천적인 노이즈 감쇄(Noise Reduction)를 수행한 후 환자의 청각 손실 특성에 맞게 신호 처리를 수행하는 디지털 보청기에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기의 블록 구성도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 외형을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 보청기(300)는 2개 이상의 마이크(310a, 310b - 마이크의 수량은 둘 이상으로 구현될 수 있으나, 여기서는 두개로 구성된 경우를 가정하여 제1 마이크(310a), 제2 마이크(310b)라 칭함), 각각의 마이크(310a, 310b)와 각각 결합된 전-증폭기(315a, 315b), 각각의 전-증폭기(315a, 315b)와 각각 결합된 A/D 컨버터(320a, 320b), 복수의 A/D 컨버터(315a, 315b)와 결합된 궤환 신호 처리부(330), 음성 신호 분리부(345), 저장부(350), 특성 주파수 증폭부(355), D/A 컨버터(360), 후-증폭기(365) 및 리시버(370)를 포함한다.
제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)는 각각 전방향과 후방향으로 독립하여 구비되어 외부의 아날로그 사운드 신호를 입력받는다. 제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)가 각각 상이한 방향으로 구비된 경우의 외형도가 도 4에 예시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)는 각각 상이한 지향 방향을 가지며, 각각의 마이크는 지향성 소리 입력부와 무지향성 소리 입력부 중 어느 하나를 구비하거나 양자를 모두 구비할 수 있다.
제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)를 통해 입력된 아날로그 사운드 신호는 각각 제1 전-증폭기(315a)와 제2 전-증폭기(315b)로 입력되며, 제1 전-증폭기(315a)와 제2 전-증폭기(315b)는 입력된 아날로그 사운드 신호를 미리 지정된 크기로 증폭한다.
그리고, 증폭된 아날로그 사운드 신호는 각각 제1 A/D 컨버터(320a)와 제2 A/D 컨버터(320b)로 전달되어 디지털 사운드 신호로 변환된다. 변환된 각각의 디지털 사운드 신호는 궤환 신호 처리부(330)로 전달된다.
궤환 신호 처리부(330)는 궤환 신호 탐지부(335) 및 궤환 신호 제거부(340)를 포함할 수 있다. 물론, 궤환 신호 탐지부(335)와 궤환 신호 제거부(340)는 통합된 형태의 하나의 구성 요소일 수도 있음은 자명하다. 궤환 신호 탐지부(335)는 복수의 A/D 컨버터(320a, 320b)로부터 수신한 디지털 사운드 신호 내에 궤환 신호가 존재하는지 여부를 판단하고, 궤환 신호가 존재하는 경우에는 궤환 신호 제거를 위해 당해 디지털 사운드 신호를 궤환 신호 제거부(340)로 전달한다. 궤환 신호 제거부(340)는 궤환 신호 탐지부(335)로부터 수신한 디지털 사운드 신호에 전처리(시간 지연 처리 및 비선형 효과 부여)를 수행하고, 전처리된 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달함으로써 음성 신호 분리부(345)에서 음성 신호만을 추출할 수 있도록 한다. 궤환 신호 탐지부(335)는 전달받은 디지털 오디오 신호에 궤환 신호가 존재하지 않는 경우, 당해 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달한다. 이때, 궤환 신호 처리부(330)는 디지털 사운드 신호의 전처리 등을 위해 저장부(350)에 저장된 데이터를 이용할 수 있다. 궤환 신호 탐지부(335)는 적응 노치 필터(ANF : Adaptive Notch Filter)를 포함하여 구성될 수 있다.
음성 신호 분리부(345)는 저장부(350)에 저장된 신호 처리 알고리즘을 이용하여 궤환 신호 처리부(330)로부터 전달받은 디지털 사운드 신호 내에서 음성 신호만을 추출(또는 잡음 및 궤환 신호 제거)한다. 이때, 저장부(350)는 독립된 구성 요소로 존재하거나 음성 신호 분리부(345)의 일 구성 요소로 포함될 수 있다.
음성 신호 분리부(345)를 통해 분리된 디지털 음성 신호는 특성 주파수 증폭부(355)로 전달되고, 특성 주파수 증폭부(355)는 환자의 청각 손실 특성에 맞게 주파수별로 증폭한다. 이때, 특성 주파수 증폭부(355)는 당해 환자에 상응하는 청각 손실 특성이 저장부(350)에 저장되어 있는 경우 해당 정보를 이용하여 디지털 음성 신호를 증폭할 수 있을 뿐 아니라, 특성 주파수 증폭부(355)가 하드웨어 타입으로 동작하는 경우 설정된 동작 특성에 따라 디지털 음성 신호를 증폭할 수 있다.
증폭된 디지털 음성 신호는 D/A 컨버터(360)로 전달되고, D/A 컨버터(360)는 전달받은 디지털 음성 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 후-증폭기(365)는 전달받은 아날로그 음성 신호를 증폭하여 리시버(370)로 전달한다. 리시버(370)는 전달받은 아날로그 음성 신호를 보청기 착용 환자의 귀에 출력한다.
이외에도, 도 3에는 도시되지 않았으나 전원 공급부 및 제어 신호 입력부 등이 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 디지털 보청기(300)는 후크(Ear hook)(410), 푸쉬 버튼(Push Button)(415), 배터리 소켓(Battery Socket)(420) 등을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호의 탐지 및 제거 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호가 제거된 음성 신호를 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 궤환 신호 탐지부(335)는 디지털 사운드 신호가 입력되면, 단계 510에서 입력된 디지털 사운드 신호에 상응하여 전 대역 주파수를 검색한다. 앞서 설명한 바와 같이, 궤환 신호 탐지부(335)는 적응 노치 필터(ANF)를 포함하여 구성될 수 있다. 일반적으로 보청기에서의 궤환 잡음은 임의의 주파수에서 궤환 신호가 발생되고, 당해 궤환 신호가 구멍(vent)을 통해 밖으로 나간 후 다시 마이크를 통해 입력되어 증폭되고, 해당 궤환 신호가 다시 구멍(vent)을 통해 밖으로 나간후 다시 마이크를 통해 입력되는 과정이 반복되어 발생된다. 이와 같은 궤환 잡음은 보청기 착용 환자에게 불쾌감을 줄 수 있는 정도의 큰 소리로 발생된다. 그러나, 궤환 잡음이 언제 발생할지는 사실상 예측이 불가능하다. 이러한 궤환 신호가 마이크를 통해 입력된 디지털 사운드 신호 내에 포함되었는지를 판단하기 위해 궤환 신호 탐지부(335)는 디지털 사운드 신호에 상응하는 전 대역의 주파수를 서치(search)하여야 한다. 적응 노치 필터를 포함하여 궤환 신호 탐지부(335)를 구성한 경우, 적응 노치 필터는 전 대역 주파수를 서치하기 위해 필터 계수를 갱신하게 된다. 이는, 임의의 주파수를 서치하기 위해 적응 노치 필터는 해당 주파수에 상응하는 필터 계수가 필요하기 때문이다. 만일 해당 주파수에서 궤환이 발생되면 궤환 신호 탐지부(335)는 갱신된 필터 계수를 당해 디지털 사운드 신호에 곱해준다. 이를 통해 궤환 신호 탐지부(335)는 노치 필터의 기능, 즉 해당 주파수 신호를 제거하는 역할을 수행한다. 이와 같이, 궤환 신호 탐지부(335)는 필터 계수를 지속적으로 갱신하여 전 대역 주파수에 대해 서치가 가능하도록 한 후, 임의의 주파수에서 궤환이 발생되면 해당 시점에서의 필터 계수를 디지털 사운드 신호에 곱해준다.
그리고, 궤환 신호 탐지부(335)는 단계 520에서 입력된 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 설정된 역치값을 초과하는지 여부를 판단한다. 즉, 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 지정된 역치값을 초과하는 경우에는 당해 디지털 사운드 신호 내에 궤환 신호가 포함되었다고 판단하는 것이다. 일반적으로 궤환 신호가 발생되면 반복적으로 증폭이 이루어지기 때문에 궤환 신호의 데시벨(dB)은 상당히 높다. 역치값은 예를 들어, 실험에 의해 궤환 신호가 발생된 경우로 판단할 수 있는 최소 궤환 신호 세기로 결정할 수 있다.
당해 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 지정된 역치값을 초과하지 않으면, 궤환 신호 탐지부(335)는 단계 530에서 입력된 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달한다.
그러나, 당해 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 지정된 역치값을 초과하는 경우, 궤환 신호 탐지부(335)는 당해 디지털 사운드 신호를 궤환 신호 제거부(340)로 전달한다.
궤환 신호 제거부(340)는 단계 520에서 전달받은 디지털 사운드 신호에 대해 시간 지연을 수행한다. 이는 디지털 사운드 신호에 시간 지연 효과를 부여함으로써 궤환 신호의 코릴레이션(correlation, 상관성)을 낮추기 위한 것이다. 일반적으로 시간 지연은 적응 필터의 수렴 속도를 느리게 하는 단점은 있으나, 코릴레이션(correlation)을 감소시키는 장점을 가진다. 따라서, 본 발명은 수렴 속도를 낮추는 단점을 최소화할 수 있고, 청력 환자가 청각에 불편이 없도록 하기 위해 시간 지연 수치로서 1.25msec를 적용한다. 또한, Siqueira(Marcio G. Siqueira and Abeer Alwan, "Steady-State Analysis of Continuous Adaptation in Acoustic Feedback Reduction Systems for Hearing-Aids", IEEE Trans. Speech Audio Processing, Vol. 8, No. 4, July 2000)는 입력 신호와 출력 신호의 상관성을 줄이는데 효과적인 최소의 시간 지연이 1.25msec라고 제안한바 있다.
적응 필터링 기술을 궤환 신호를 제거하는 방법으로 본 발명은 상술한 시간 지연 방법(연속적 방법) 외에 백색 잡음(white noise)을 이용하는 방법(불연속적 방법)을 이용할 수도 있다.
즉, 백색 잡음을 이용하는 방법은 보청기에서 궤환 신호가 발생한 경우에만 백색 잡음(white noise)을 뿌려주는 방법이다. 즉, 궤환 신호가 발생하면 그 궤환 신호가 반복 증폭되기 때문에 입력 신호는 매우 코릴레이션(correlation)이 높다. 이러한 코릴레이션(correlation)을 낮추어 주면 궤환 신호가 제거된다. 이는 코릴레이션(correlation)을 낮추어 준다는 것은 그 궤환 신호의 성분 비율을 전체 신호에 비해 감소시킨다는 것이기 때문이다. 이를 위해 궤환 신호가 탐지되면 궤환 신호만 반복 증폭되는 궤환 현상을 감소시키기 위해 백색 잡음을 뿌려주는 것이다.
이후, 궤환 신호 제거부(340)는 단계 525에서 시간 지연 처리된 디지털 사운드 신호에 대해 비선형 효과를 부여한다. 예를 들어, 궤환 신호 제거부(340)는 디지털 사운드 신호에 비선형 효과를 부여하기 위해 전대역 필터링(All-pass filtering)을 수행할 수 있다.
단계 520 및 단계 525는 음성 신호 분리부(345)가 궤환 잡음이 포함된 디지털 사운드 신호에서 음성 신호만을 추출할 수 있도록 하기 위한 전처리 과정이라 할 수 있다. 즉, 단계 520 및 단계 525는 음성 신호 분리부(345)의 성능을 최적화하기 위한 것이라 할 수 있다. 이를 간략히 설명하면 다음과 같다.
예를 들어, 두 개의 소스 시그널(source signal)과 두 개의 센서(예를 들어, 마이크)가 존재하는 경우, 음성 신호 분리부(345)에서 이용되는 독립 요소 분석(Independent Component Analysis) 알고리즘은 두 개 센서에서 받은 신호만을 이용하여 원래의 소스 시그널(original source Signal)을 얻어내는 기법이다. 이 때 독립 요소 분석 알고리즘 수행을 위해서는 입력된 신호가 논-가우시안(non-Gaussian) 신호이어야 한다.
그러나, 만일 입력 신호와 궤환 신호가 아무런 처리 없이 음성 신호 분리부(345)로 입력되면, 두 개 신호가 가우시안(Gaussian) 특성을 가지기 때문에 독립 요소 분석 알고리즘을 수행할 수 없다. 따라서, 본 발명은 단계 525에서 디지털 사운드 신호에 비선형 효과를 부여(예를 들어, All pass filtering)하여 논-가우시안 특성을 해당 신호에 제공한 것이다. 이로써, 음성 신호와 궤환 신호간에 위상(phase) 정보가 변환된다. 이러한 전처리 과정에 의해 음성 신호 분리부(345)는 독립 요소 분석 알고리즘을 이용하여 검출되어진 두개의 신호에서 각각의 원래 소스 시그널(riginal source signal)을 분리한 후, 궤환 신호는 제거하여 음성 신호만을 추출할 수 있다. 도 6에 궤환 신호가 포함된 신호(610)가 궤환 신호가 제거된 신호(620)로 변환된 결과 그래프가 도시되어 있다.
이후, 궤환 신호 제거부(340)는 단계 530에서 상술한 과정을 통해 전처리된 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 음성 신호와 잡음 신호를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 제거된 음성 신호를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 신호 처리 방법과 종래의 스펙트럼 차감 방법에 의한 신호 처리시의 신호 대 잡음비(SNR : Signal-to-Noise Ratio)의 향상비를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 보청기(300)는 2개 이상의 마이크(310a, 310b)를 통해 외부의 아날로그 사운드 신호를 입력받고, 입력된 아날로그 사운드 신호는 전-증폭기(315a, 315b)를 통해 증폭된다(단계 710).
단계 715에서 디지털 보청기(300)는 두개 이상의 A/D 컨버터(320a, 320b)를 이용하여 복수의 전-증폭기(315a, 315b)를 통해 증폭된 아날로그 사운드 신호를 디지털 사운드 신호로 변환한다.
단계 720에서 디지털 보청기(300)의 궤환 신호 처리부(330)는 당해 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단한다. 궤환 신호가 포함되지 않은 경우에는 단계 730으로 진행한다. 그러나, 궤환 신호가 포함된 경우에는 단계 725로 진행하여 당해 디지털 사운드 신호를 하여 궤환 신호가 포함된 경우, 전처리 작업(예를 들어, 시간 지연 및 논-가우시안 특성 신호로 변환)을 수행한다.
단계 730에서 디지털 보청기(300)의 음성 신호 분리부(345)는 독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘을 이용하여 음성 신호만을 추출한다. 음성 신호 분리부(345)가 ICA 알고리즘을 이용하여 음성 신호만을 추출하는 방법을 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
독립 요소 분석(ICA)이란 선형적으로 혼합된(Mixing) 신호들로부터 통계적으로 상호 독립적인 신호들을 분리해내는 기술이다.
2개의 마이크(310a, 310b)를 통해 입력된 신호원들은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
여기서, s1(t), s2(t)는 독립적인 신호들로서 각각의 마이크(310a, 310b)를 통해 입력받은 신호원들을 의미하고, x1(t), x2(t)는 a11, a12, a21, a22의 가중치에 의해 선형적인 조합으로 만들어진 신호들을 의미한다. 즉, 각각의 신호원들은 음향 필드(acoustic field)에서 임의로 섞여서 마이크로 입력되는데, 이러한 과정을 가중치를 각 신호원에 곱하여 표시한 것이다.
예를 들어, 2개의 마이크가 존재하고, 남성, 여성 두 명의 목소리 신호가 있다고 가정한다.
이 때, 마이크를 녹음 상태로 설정하고, 남성과 여성이 동시에 각자 말하기 시작하면, 결국 마이크 1과 마이크 2에서 각각 얻게 되는 신호는 남성과 여성의 목소리가 적당히 섞여 있는 음성 신호이다. 이와 같은 과정, 즉 음향 필드(acoustical field)에서 임의로 섞이는 과정을 통해 각각의 목소리가 마이크로 입력된다. ICA 알고리즘에서 고려하는 신호는 바로 센서에서 검출된(detected) 신호만을 가지고 위 남성과 여성 목소리를 각각 분리하고자 하는 개념입니다. 이 때, 음향 필드(acoustical field)에서 섞이는 과정을 a11, a12, a21, a22 라는 원소를 가진 행렬로 보는 것이다. 따라서, 수학식 1에 제시된 바와 같이 마이크에서 얻는 신호는 원래의 신호와 가중치 행렬의 곱으로 설명할 수 있다.
이와 같이, 아날로그 사운드 신호는 신호원들과 가중치들의 곱의 합의 형태로 마이크(310a, 310b)를 통해 전-증폭기(315a, 315b)로 전달된다. 이러한 과정을 일반화시켜 하나의 통계적인 모델로 정립하면 하기의 수학식 2와 같이 표시할 수 있다.
여기서, A는 미지의 가역 행렬로 혼합 행렬이라 한다. ICA 알고리즘은 마이크 등의 입력 장치를 통해 측정한 신호 X만을 이용하여 혼합 행력 A의 역행렬을 찾음으로써 음원 신호를 복원한다. 따라서, 혼합 행렬 A의 역행렬인 분리 행렬 W가 추정(estimation)되어야 하며, 이는 하기의 수학식 3과 같이 표시할 수 있다.
여기서, 분리 행렬 W를 추정하기 위해서 신호원들은 서로 독립이라고 가정한다. 즉, 하나의 음원에서 나오는 원신호가 다른 음원에서 나오는 원신호에 상호 영향을 주지않는다고 가정한다.
상술한 분리 행렬 W를 추정하기 위해 현재까지 다양한 방법들이 제시되고 있다. 이러한 방법으로는 예를 들어, 엔트로피 최대화 방법, Information Maximization 방법, Negentrophy maximization 방법, Mutual Information Minimization 방법, Maximum Likelihood Estimation 방법 등이 있다. 이중 엔트로피 최대화 방법으로 분리 행렬 W를 추정하는 방법은 하기 수학식 4와 같다. 물론, 분리 행렬 W를 추정하는 방법이 엔트로피 최대화 방법으로 제한되지 않음은 자명하다.
음성 신호 분리부(345)는 상술한 수학식 4를 이용하여 음성 신호와 잡음 신호가 혼합된 아날로그 사운드 신호로부터 음성 신호를 추출(즉, 음성 신호와 잡음 신호의 분리)할 수 있다.
그리고, 음성 신호 분리부(345)에 의해 분리된 디지털 음성 신호는 특성 주파수 증폭부(355)로 전달되어 환자의 청각 손실 특성에 맞게 주파수별로 증폭된다(단계 735).
단계 740에서 디지털 보청기(300)의 D/A 컨버터(360)는 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환한다.
이후, 변환된 디지털 음성 신호는 후-증폭기(365)로 전달되고, 후-증폭기(365)는 전달받은 디지털 음성 신호를 미리 지정된 크기로 증폭한 후, 환자의 외이도에 연결되어 있는 리시버(370)를 통해 출력한다(단계 745).
도 8에는 음성 신호의 파형(810)과 잡음 신호의 파형(820)이 예시되어 있고, 도 9에는 본 발명에 따른 ICA 알고리즘에 의해 잡음 제거된 음성 신호의 파형(910)과 스펙트럼 차감법에 의해 잡음 제거된 음성 신호의 파형(920)이 예시되어 있다.
즉, 음성 신호와 잡음 신호가 혼합되어 두개 이상의 마이크(310a, 310b)를 통해 입력된 경우, 본 발명에 따른 ICA 알고리즘에 의한 잡음 제거 파형(910)이 스펙트럼 차감법에 의한 잡음 제거 파형(920)의 경우보다 음성 신호의 정확한 추출이 가능함을 알 수 있다.
도 10에는 다양한 잡음 환경 속에서 본 발명에 따른 ICA 알고리즘에 따른 신호 처리 결과와 스펙트럼 차감법에 따른 신호 처리 결과가 비교되어 표시되어 있다.
도 10을 참조하면, Case A는 잡담 환경 속에서 남성 단음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이고, Case B는 잡담 환경 속에서 여성 2음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이며, Case C는 자동차 잡음 환경 속에서 여성 2음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이고, Case D는 공장 잡음 환경 속에서 여성 2음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이다. 그리고, Average는 Case A 내지 Case D의 평균치를 나타낸 것이다. 또한, 도표의 세로축은 신호 대 잡음비(SNR)를 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ICA 알고리즘을 이용한 디지털 보청기가 종래의 스펙트럼 차감법에 의한 보청기에 비해 모든 경우에서 우수한 신호 대 잡음비(SNR)를 가짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법은 잡음 환경 내 및 하울링 현상이 발생된 시점에서도 보청기 착용 환자가 음성 신호만을 명확하게 제공받을 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 청력 환자가 별도의 동작을 수행하거나 리모콘 장치를 구비하지 않더라도 잡음 환경 내에서도 하울링 현상이 제거된 고품질의 음성 신호만을 선택적으로 제공받을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 디지털 보청기 구성을 나타낸 블록 구성도.
도 2는 보청기에서 궤환 잡음이 발생되는 개념을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기의 블록 구성도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 외형을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호의 탐지 및 제거 방법을 나타낸 순서도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호가 제거된 음성 신호를 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 음성 신호와 잡음 신호를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 제거된 음성 신호를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 신호 처리 방법과 종래의 스펙트럼 차감 방법에 의한 신호 처리시의 신호 대 잡음비(SNR : Signal-to-Noise Ratio)의 향상비를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
300 : 디지털 보청기
310a, 310b : 마이크
315a, 315b : 전-증폭기
320a, 320b : A/D 컨버터
330 : 궤환 신호 처리부
335 : 궤환 신호 탐지부
340 : 궤환 신호 제거부
345 : 음성 신호 분리부
350 : 저장부
355 : 특성 주파수 증폭부
360 : D/A 컨버터
365 : 후-증폭기
370 : 리시버

Claims (10)

  1. 디지털 보청기에 있어서,
    외부의 소리를 입력받아 아날로그 사운드 신호를 생성하는 복수개의 마이크;
    상기 마이크 각각에 결합되어, 상기 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 복수개의 A/D 컨버터;
    상기 A/D 컨버터로부터 각각 전달받은 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하여, 궤환 신호가 포함된 경우 상기 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호를 생성하는 궤환 신호 처리부;
    상기 궤환 신호 처리부로부터 궤환 신호가 포함되지 않은 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 전달받아 신호처리 알고리즘을 이용하여 디지털 음성 신호를 추출하는 음성 신호 분리부;
    상기 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 미리 설정된 주파수별 증폭 조건에 따라 증폭하는 특성 주파수 증폭부;
    상기 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 D/A 컨버터; 및
    상기 아날로그 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 궤환 신호 처리부는 상기 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 논-가우시안(Non-Gaussian) 신호 특성을 가지는 디지털 사운드 신호로 변환하여 상기 음성 신호 분리부로 전달하는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 궤환 신호 처리부는 적응 노치 필터(Adaptive Notch Filter)를 이용하여 상기 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되어있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 디지털 사운드 신호는 상기 제1 디지털 사운드 신호가 1ms 내지 2ms 중 어느 하나의 지연 시간을 이용하여 시간 지연 처리된 것을 특징으로 하는 디지털 보청기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 마이크는 서로간에 상이한 지향 방향을 가지고, 각각의 마이크는 무지향성 소리 입력부, 지향성(directional) 소리 입력부 중 적어도 어느 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리 알고리즘은 독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘인 것을 특징으로 하는 디지털 보청기.
  7. 디지털 보청기가 음성 신호만을 추출하여 출력하는 방법에 있어서,
    외부의 소리를 입력받아 아날로그 사운드 신호를 생성하는 단계;
    상기 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계;
    상기 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 궤환 신호가 포함된 경우, 상기 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계;
    독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘을 이용하여 상기 궤환 신호가 포함되지 않은 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호에서 디지털 음성 신호를 추출하는 단계;
    상기 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 미리 설정된 주파수별 증폭 조건에 따라 증폭하는 단계;
    상기 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 아날로그 음성 신호를 출력하는 단계를 포함하되,
    상기 외부의 소리는 서로 상이한 지향 방향을 가지는 복수개의 마이크를 통해 입력되는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 독립 요소 분석(ICA) 알고리즘을 이용하여 상기 디지털 음성 신호를 추출하는 단계 이전에 상기 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 논-가우시안(Non-Gaussian) 신호 특성을 가지는 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 디지털 사운드 신호는 상기 제1 디지털 사운드 신호가 1ms 내지 2ms 중 어느 하나의 지연 시간을 이용하여 시간 지연 처리된 것을 특징으로 하는 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 마이크는 무지향성 소리 입력부, 지향성(directional) 소리 입력부 중 적어도 어느 하나를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법.
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