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제안 방법
- 3 개발도구를 이용하여 설계되었고, 각각 프로세서에 맞는 소스 프로그램을 설계하여 DSP와 ARM 간의 DSP API를 통하여 정보 교환이 이루어지도록 설계되었다. ARM 프로세서는 임베디드 리눅스 Ver. 2.6.18 기반으로 설계되었고 DSP 프로세서는 CCS를 사용하여 Fx-LMS 알고리즘 수행 함수 및 메모리 관리 함수를 개발하였다. 신호처리 제어기의 S/W 개발환경은 Fig.
- Fig. 12와 같이 실제 도로환경과 유사한 환경을 갖춘 실외실험장소에서 스피커와 마이크를 설치하고 설계된 소음저감 장치를 사용하여 Fx-LMS 제어 알고리즘으로 실험을 진행하였다. 실내환경 실험과 마찬가지로 소음원인 Primary Noise 스피커와 Anti-Noise 발생 스피커와 거리는 7m이고, Anti-Noise 스피커와 Error Mic와의 거리는 3m인 지점에서 지면으로부터 약 120cm 높이인 공간에서 소음저감 특성을 실험하였다.
- 실외환경 실험은 실내환경 실험과 마찬가지로 ES945 Microphone으로 Primary Noise를 집음하였고, GRAS사의 고정밀 Microphone을 이용하여 Error Microphone과 소음저감 특성을 측정하였다. NI9234 측정장비를 통해 시간 및 1/3 옥타브 분석을 진행하였다.
- 또한 도로교통 소음원의 입력처리를 위한 오디오 입력 신호처리부는 입·출력 임피던스를 위한 증폭기 부분과 아날로그-디지털 변환기가 구성되었고, 제어음원 출력을 위해 아날로그/디지털 방식을 도로교통 소음제어에 적용할 수 있도록 설계하였다. 그러므로 디지털-아날로그 변환기를 통한 아날로그 증폭기 및 디지털 증폭기가 구성되도록 하였고, 이와 별도의 디지털 출력 처리를 위한 증폭기 설계를 수행하였다.
- 도로교통 소음을 저감하기 위한 목적으로 설계되어진 신호처리 제어기는 DSP 및 ARM 병렬코어 프로세서를 중심으로 설계되었으며, 제어운용 필터 및 능동제어 알고리즘은 DSP 프로세서에서 담당하고 외부 입·출력 및 신호처리, 통합연동관리를 위한 통신 및 네트워크 부분들은 ARM 프로세서에서 담당하도록 설계하였다.
- 도로 내 발생하는 소음은 차종, 속도 등에 따라 상이하며 대략 250Hz~1250Hz 사이에 존재하게 된다. 따라서 대표주파수를 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 1250Hz 의 4가지로 구분하였다. 또한 일반적인 옥타브 밴드는 1옥타브 증가할 때 마다 2배의 진동수를 발생시키는데, 더욱 정밀한 값을 얻으려면 1/3옥타브 주파수 밴드를 사용한다.
- 또한 도로교통 소음원의 입력처리를 위한 오디오 입력 신호처리부는 입·출력 임피던스를 위한 증폭기 부분과 아날로그-디지털 변환기가 구성되었고, 제어음원 출력을 위해 아날로그/디지털 방식을 도로교통 소음제어에 적용할 수 있도록 설계하였다.
- 또한, 분석을 위해 1/3 옥타브주파수 밴드에 있는 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 1250Hz의 주파수에 대해 단일주파수 음원과 복합주파수 음원일 때 Fx-LMS 알고리즘을 적용 후 각 경우의 ANC 동작 전·후의 소음저감 결과는 Table 2와 같이 나타내었다.
- 신호처리 제어기를 이용한 실험은 신뢰성을 높이기 위하여 실내환경과 실외환경의 두 가지 환경 조건에서 진행하였다. 또한, 실험에 사용된 소음원은 기본적으로 실내외 실험실에 존재하는 암소음 상태에서 Sin형태의 여러 주파수를 이용하여 기본주파수 및 복합주파수 음원을 만들어 실험을 실시하였다.
- 본 논문에서는 도로교통 환경분야에 적용하기 위한 전자식 소음저감 장치를 병렬코어 임베디드 프로세서 기반의 신호처리 제어기와 각종 아날로그 신호 입·출력 및 증폭부 모듈을 설계하고 DSP(디지털 신호처리기)에서 제어 알고리즘을 수행하여 오픈공간에서의 도로교통 소음원에 대한 성능 및 적용·평가를 분석하였다.
- 본 신호처리 제어기는 OMAP-L137 병렬코어 프로세서를 중심으로 DSP 프로세서에서 능동제어 연산을 신속하게 처리하고 수행속도를 최대화하기 위한 목적과 ARM 프로세서에서는 외부기능키 및 디스플레이를 위한 기능과 성능평가를 위한 관리 시스템 인터페이스 등의 목적으로 설계하여 도로교통 소음저감을 위한 전자식 소음저감 제어기 기반을 구축하였다. 실내환경 실험과 실외환경 실험을 통하여 소음저감을 위해 Fx-LMS를 적용한 경우 소음이 단일 또는 복합주파수 음원일 때는 500Hz 이하에서 효과가 있었으나, 소음모델식 적용과 전달함수의 최적 파라미터 값을 적용한다면 소음원의 주요 주파수에 대한 저감효과를 볼 수 있을 것이라 판단되며, 더 나아가서는 기존 방음벽의 높이를 줄일 수 있을 것이라고 예상할 수 있다.
- 3과 같이 입력 Microphone의 출력을 9,200Ω 의 Differential 입력 임피던스를 갖는 프리앰프 PGA2505로 입력되도록 설계하였고 600Ω 출력 임피던스를 거쳐 출력된 신호는 20KΩ 입력 임피던스를 갖는 아날로그-디지털 변환기에 입력되도록 설계하였다. 소음원을 입력하기 위한 오디오 입력장치는 Fig. 3과 같이 소음원을 입력받는 Microphone과 피드백 소음원 신호를 입력받는 Microphone으로 구성되었고, 콘데너 Microphone의 동작을 위해 Phantom Power인 +48/24V를 선택 공급하며 다이나믹 Microphone에서도 사용 가능하도록 설계되었다.
- 소음원인 Primary Noise 스피커와 Anti-Noise 발생 스피커와 거리는 7m이고, Anti-Noise 스피커와 Error Microphone과의 거리는 3m인 지점에서 지면으로부터 약 120cm 높이인 공간에서 소음저감 특성을 실험하였다.
- 소음저감 특성을 실험하기 위하여 대표적인 주파수로 4개를 선택하여 실험하였으며 분석을 위해 1/3 옥타브주파수 밴드에 있는 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 1250Hz 의 주파수에 대해 단일 주파수 음원과 순음을 두 개 합성한 복합주파수 음원일 때 Fx-LMS 알고리즘을 적용하였으며 그 때 측정된 소음저감 데이터는 Table 1과 같다.
- Primary Noise 집음을 위해 ES945 Microphone을 사용하였고 Error Microphone과 소음저감 특성을 측정하기 위해 GRAS사의 고정밀 Microphone을 사용하였다. 시간 및 1/3 옥타브 분석을 위해 NI-9234 측정장비를 사용하여 소음저감 특성을 분석하였다.
- 신호처리 제어기를 이용한 실험은 신뢰성을 높이기 위하여 실내환경과 실외환경의 두 가지 환경 조건에서 진행하였다. 또한, 실험에 사용된 소음원은 기본적으로 실내외 실험실에 존재하는 암소음 상태에서 Sin형태의 여러 주파수를 이용하여 기본주파수 및 복합주파수 음원을 만들어 실험을 실시하였다.
- 신호처리 제어기의 설계는 Fig. 1과 같이 OMAPL137 병렬코어 프로세서를 중심으로 NAND Flash Memory 512MB, SDRAM 256MB를 탑재하고 있으며, KSZ8893MBL LAN(Ethernet) 컨트롤러, MAX3232CSE UART 컨트롤러를 외부 인터페이스를 위한 목적으로 설계되었고, 제어기에 사용되는 1.8V, 2.5V, 3.3V등 다양한 전원공급을 위한 전원부를 설계하였다. 구현된 신호처리 제어기의 모습은 Fig.
- 신호처리 제어기의 소프트웨어는 DSP 및 ARM1) 병렬코어 통합개발환경으로 TI사의 CCS(Code Composer Studio) Ver. 5.3 개발도구를 이용하여 설계되었고, 각각 프로세서에 맞는 소스 프로그램을 설계하여 DSP와 ARM 간의 DSP API를 통하여 정보 교환이 이루어지도록 설계되었다. ARM 프로세서는 임베디드 리눅스 Ver.
- 실내 공간에서의 소음저감 특성을 고찰하기 위하여 Fig. 7과 같이 소리를 반사하는 공간에서 스피커와 마이크를 설치하고 설계된 소음저감장치를 사용하여 Fx-LMS 제어 알고리즘으로 실험을 하였다.
- 12와 같이 실제 도로환경과 유사한 환경을 갖춘 실외실험장소에서 스피커와 마이크를 설치하고 설계된 소음저감 장치를 사용하여 Fx-LMS 제어 알고리즘으로 실험을 진행하였다. 실내환경 실험과 마찬가지로 소음원인 Primary Noise 스피커와 Anti-Noise 발생 스피커와 거리는 7m이고, Anti-Noise 스피커와 Error Mic와의 거리는 3m인 지점에서 지면으로부터 약 120cm 높이인 공간에서 소음저감 특성을 실험하였다.
- 실외환경 실험은 실내환경 실험과 마찬가지로 ES945 Microphone으로 Primary Noise를 집음하였고, GRAS사의 고정밀 Microphone을 이용하여 Error Microphone과 소음저감 특성을 측정하였다. NI9234 측정장비를 통해 시간 및 1/3 옥타브 분석을 진행하였다.
- 오디오 입력부는 Fig. 3과 같이 입력 Microphone의 출력을 9,200Ω 의 Differential 입력 임피던스를 갖는 프리앰프 PGA2505로 입력되도록 설계하였고 600Ω 출력 임피던스를 거쳐 출력된 신호는 20KΩ 입력 임피던스를 갖는 아날로그-디지털 변환기에 입력되도록 설계하였다.
- 오디오 출력부는 DSP(Digital Signal Processor)내부에서 처리된 신호를 스피커로 출력하기 위해 프리앰프를 거쳐, 300W(4Ω) 고출력의 파워 앰프로 33KΩ 입력 임피던스를 갖고 아날로그 입력/디지털 방식의 Class-D 파워 앰프인 TAS5630을 사용하여 도로교통 소음저감장치를 설계하여 적용하였다.
대상 데이터
- Primary Noise 집음을 위해 ES945 Microphone을 사용하였고 Error Microphone과 소음저감 특성을 측정하기 위해 GRAS사의 고정밀 Microphone을 사용하였다. 시간 및 1/3 옥타브 분석을 위해 NI-9234 측정장비를 사용하여 소음저감 특성을 분석하였다.
- 실외환경에서의 순음에 대한 소음저감 특성 실험은 실내환경 실험과 같이 대표적인 주파수로 4개를 선택하여 실험을 진행하였다. 또한, 분석을 위해 1/3 옥타브주파수 밴드에 있는 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 1250Hz의 주파수에 대해 단일주파수 음원과 복합주파수 음원일 때 Fx-LMS 알고리즘을 적용 후 각 경우의 ANC 동작 전·후의 소음저감 결과는 Table 2와 같이 나타내었다.
이론/모형
- 실험에 사용된 제어기는 소음저감을 위하여 Fig. 6과 같이 Fx-LMS 알고리즘을 적용하였고 Eq. (1)과 같이 표현될 수 있다(Sen M.
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