[논문]스마트폰에서 보청기로의 음향 무선 통신

장순석

doi:10.7776/ask.2015.34.2.091

스마트폰에서 보청기로의 음향 무선 통신
Acoustic Wireless Communication from Smart Phone to Hearing Aid 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.2, 2015년, pp.91 - 97

초록
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본 논문은 스마트폰으로부터 디지털 보청기로 가청음 주파수 대역의 무선 통신을 수행한 내용을 다루었다. 반송주파수를 1 kHz 단일 채널을 사용하는 진폭편이방식에 의해 이진 데이터를 변조한 후, 정상적인 송수신 결과를 확인하였다. 전체적인 시스템 구현 과정을 상세히 설명하면서 실험 결과로 증빙해보였다. 스마트폰을 사용한 디지털 보청기 원격 제어가 가능한 실용화 제품을 실현하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, wireless communication from a smart phone to a hearing aid using audible frequency band sound was considered. 1kHz single channel carrier frequency was applied for amplitude shift keying (ASK) binary data modulation, and the result of the transmission and reception was tested. The overall system process was precisely explained and experimentally evaluated. The result will be applied for realizing a digital hearing aid with remote control feature by a smart phone.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 스마트폰으로 제어하려는 보청기 휘팅이 의외로 간단한 휘팅 파라미터 송수신만으로도 충분하다는 의미이다. 그러므로 초고막형을 지향하는 사용자의 원함과 전력 소모가 많은 블루투스 모듈이 아닌 다른 방편에 의해 스마트폰으로 보청기를 무선 원격 제어, 휘팅할 수 있는 방법이 요구되었는데, 본 논문에서는 2.4 GHz 전자기파가 아닌 가청주파수 대역의 음파에 의한 실용적인 무선 원격제어 방법을 제안, 실현해 보였다.
에 의한 GUI 방식에 따라 특정 버튼을 누르면, 그에 대응하여 간단한 디지털 데이터(볼륨 조절용 혹은 상황모드변경용)들이 생성되도록 하고, 이들을 보청기로 무선 원격 송신하면, 보청기에서는 수신된 데이터 내용에 따라 동작 모드를 자동 변화하도록 펌웨어를 만들어 놓으면 된다. 본 논문에서는 무선 원격 송신 매개체로 기존의 블루투스 전자기파가 아닌 가청주파수 대역의 음파를 사용하려고 한다. ‘0’ 아니면 ‘1’의 디지털 데이터는 ASK(Amplitude Shift Keying, 진폭편이법)^[4]방식에 의해 진폭 변조되는데 전송 주파수를 4 kHz 단일 채널로 하였다.
본 연구 결과는 그동안 연구개발한 64채널 보청기 펌웨어^[7]에 추가되어 부가가치 높은 제품화로 실현시키고자 한다.

제안 방법

1} ASK 펄스 신호를 송출한 후에, 곧 이어서 실재로 송출하고자 하는 디지털 펄스 신호들을 발생하는 방식을 적용하였다. 40개의 ASK all one 펄스 신호의 시간은 160 ms (=40*4 ms)이며, 이어서 4비트의 명령어 데이터가 송출되고, 계속해서 명령어에 부속되는 변수 데이터들을 송출하도록 자체적인 프로토콜을 규정하였다.
본 연구에서는 보청기 칩으로 입력된 마이크로폰 출력 아날로그 신호를 우선 12 dB의 전치 증폭시킨 후, 20비트 분해도, 16 kHz 샘플링 주파수 A/D 변환기를 거쳐 양자화한 뒤, Decimation Filter(보간필터)를 거쳐 디지털 신호 보간을 하였다. ASK 음향 신호는 4 kHz 중심주파수를 가지면서 16 kHz로 샘플링된 64개의 디지털 데이터가 1 개의 디지털 펄스를 ASK 변조하도록 하였다. 이는 1 개의 디지털 펄스 길이가 4 ms (=64/16 kHz)이므로, 결과적으로 1개의 디지털 펄스는 16개(=4 ms*4 kHz)의 정현파로 구성되며, 각각의 디지털 펄스 신호(1:64)에 Hanning창(1:64)을 곱한 후 스마트폰에서 출력시켰다.
Hanning창이 곱해진 ASK 디지털 변조된 펄스 신호에 대해서 보청기 칩에서 2차 Biquad 필터를 반복적으로 6번 통과시키도록 필터링을 수행함으로써 소음 마진을 최대화 하였다(Fig. 2). 즉, 1개의 2차 Biquad 필터에 Fig.
본 연구에서는 ASK 디지털 변조 펄스 신호 데이터는 먼저 40개의 all one {1 1 ... 1} ASK 펄스 신호를 송출한 후에, 곧 이어서 실재로 송출하고자 하는 디지털 펄스 신호들을 발생하는 방식을 적용하였다. 40개의 ASK all one 펄스 신호의 시간은 160 ms (=40*4 ms)이며, 이어서 4비트의 명령어 데이터가 송출되고, 계속해서 명령어에 부속되는 변수 데이터들을 송출하도록 자체적인 프로토콜을 규정하였다.
본 연구에서는 보청기 칩으로 입력된 마이크로폰 출력 아날로그 신호를 우선 12 dB의 전치 증폭시킨 후, 20비트 분해도, 16 kHz 샘플링 주파수 A/D 변환기를 거쳐 양자화한 뒤, Decimation Filter(보간필터)를 거쳐 디지털 신호 보간을 하였다. ASK 음향 신호는 4 kHz 중심주파수를 가지면서 16 kHz로 샘플링된 64개의 디지털 데이터가 1 개의 디지털 펄스를 ASK 변조하도록 하였다.
본 연구에서는 한 번의 동기화 직후 돌발적으로 발생할 소음으로 인한 원 이진 데이터 왜곡을 고려하여 최대 256 비트의 데이터를 송수신하도록 하였고, 추가적인 데이터를 수신하기 위해서는 40비트의 동기화를 위한 ASK 펄스 신호를 입력하도록 하여 송수신 과정에서의 에러 발생을 최소화 하였다.
‘0’ 아니면 ‘1’의 디지털 데이터는 ASK(Amplitude Shift Keying, 진폭편이법)^[4]방식에 의해 진폭 변조되는데 전송 주파수를 4 kHz 단일 채널로 하였다. 블루투스 모듈과 달리 별도의 안테나가 필요 없고, 보청기에서 원래 사용하는 마이크로폰을 사용함으로써 추가적인 부품 소요의 필요성을 절감시켰다.
안드로이드 Java 언어를 사용한 스마트폰 앱 코드를 별도로 개발하여 연구 결과를 실용화 제품으로 구현하였다. Fig.
이러한 방법으로 시간 영역에서 최종 6번째로 필터링된 64개씩의 출력 신호 레벨을 검출하여, 이 레벨이 임계치 이하인지 혹은 이상인지에 따라 ‘0’ 혹은 ‘1’ 로 이진화시켰다.
2). 즉, 1개의 2차 Biquad 필터에 Fig. 2 (a)의 첫 번째 이진 펄스 {1}에 대한 64개 샘플링된 데이터를 통과시킨 후, 다시 동일한 첫 번째 이진 펄스 {1}에 대한 64개 샘플링된 데이터를 통과시키기를 6회 반복하도록 하였다(Fig. 3). 실재 사용되는 2차 Biquad 필터는 1개이지만, 64개 샘플링된 입력 신호를 6차례 반복적으로 통과시켜 주면, 2차 Biquad 필터의 상태 변수는 마치 일련의 384(=64*6)개의 연속적인 {1 1 1 1 1 1} ASK 변조 파형을 통과시키는 것과 유사한 효과로 인해 4 kHz 중심 주파수 이외의 다른 소음을 충분히 필터링하면서, 동시에 스마트폰에서 출력된 원 이진 신호 {1}에 대한 신호 레벨을 안정적으로 유지할 수 있게 해준다.
동일한 마이크로폰으로 입력되는 음파는 주변 소음을 포함한 음성 신호와 스마트폰에서 송신한 ASK 음향 신호로 나눠지는데, 이는 보청기 칩 내부에서 동일한 입력 신호를 두 개의 다른 과정을 통해서 처리함으로써 구분된다. 첫 번째 과정은 음성을 강조하는 보청기의 주 기능을 처리하는 과정이어서 본 논문에서는 설명을 생략하였다. 두 번째 과정은 음성과 섞여 들어온 ASK 음향 펄스 신호를 4 kHz 중심 주파수를 가지는 디지털 밴드패스필터(2차 Biquad Filter, 바이쿼드 필터^[5])들을 6회 반복적으로 통과시키도록 한 뒤, 필터링된 최종 신호의 세기를 사전에 세팅한 임계치와 비교하여 ‘0’ 혹은 ‘1’로 구분, 복호하는 과정이다.
스마트폰에서는 안드로이드 자바 언어에 의해 보청기 휘팅을 위한 GUI App. 프로그램을 작성하였고, GUI 버튼에 의해 필요한 이진 데이터들이 생성되도록 한 뒤, ASK 변조 방식으로 보청기에 음향 송신되었다.

대상 데이터

64개의 샘플링된 데이터들은 4 ms의 시간 기간을 가지기 때문에 보청기 신호 처리는 모두 4 ms 시간 내에 처리될 만큼의 충분한 연산 능력을 갖추고 있어야 한다. 본 연구에서는 Ezairo 7110 하이브리드 칩^[6]을 사용하였으며, 이 칩으로는 240 MIPS의 연산이 가능하다. 모든 데이터들은 24비트(1 word) 단위로 연산되도록 하였고, 실수와 정수 사이의 변환은 항시 프로그래밍 과정에서 주의하여야 할 부분이다.

이론/모형

‘0’ 아니면 ‘1’의 디지털 데이터는 ASK(Amplitude Shift Keying, 진폭편이법)[4]방식에 의해 진폭 변조되는데 전송 주파수를 4 kHz 단일 채널로 하였다.

성능/효과

4 GHz의 전자기파에 의한 인체 유해성 보고가 꼽히는 것에 주목해야 한다.^[2] 더구나 블루투스 모듈이 패키징된 고막형 보청기는 외이도 내벽 피부에 근접하게 접촉되기 때문에 스마트폰에 의한 무선 원격 제어의 편의성 못지않게, 초고주파 RF 전자기파에 의한 인체 유해성이 더 부각될 수 있다.
5). 또한 40개의 연속적인 ASK 디지털 펄스 직후에 임의의 암호데이터를 삽입하는 방식으로 동기화가 시작됨을 보청기에 알려줄 수 있다. 디지털 신호는 논리적으로 0 혹은 1로만 인식되어야 하기 때문에 0과 1사이에 충분한 잡음 마진 간격을 고려한 레벨 차이가 있어야 한다(Fig.
스마트폰에서 임의로 일련의 이진 데이터들이 ASK 변조에 의해 출력되도록 하였고, 디지털 보청기 마이크로폰으로 입력된 음파 신호를 실시간으로 처리하여 이진 데이터들을 eeprom에 저장한 후, 다시 eeprom 내용을 읽어봄으로써 무선 이진 데이어 송수신에서 오류가 발생하지 않음을 확인하였다. 스마트폰에서는 안드로이드 자바 언어에 의해 보청기 휘팅을 위한 GUI App.
3). 실재 사용되는 2차 Biquad 필터는 1개이지만, 64개 샘플링된 입력 신호를 6차례 반복적으로 통과시켜 주면, 2차 Biquad 필터의 상태 변수는 마치 일련의 384(=64*6)개의 연속적인 {1 1 1 1 1 1} ASK 변조 파형을 통과시키는 것과 유사한 효과로 인해 4 kHz 중심 주파수 이외의 다른 소음을 충분히 필터링하면서, 동시에 스마트폰에서 출력된 원 이진 신호 {1}에 대한 신호 레벨을 안정적으로 유지할 수 있게 해준다. 마찬가지로 {0}에 대해서도 6회씩 반복 필터링함으로써 {1}과 {0}사이의 경계를 분명히 해준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보청기의 주된 기능은 무엇으로 요약 될 수 있는가?	보청기의 원래 주된 기능은 주파수 채널별로 세밀한 비선형 압축 보정으로 요약된다. 그리고 지금처럼 블루투스 모듈이 보청기 칩에 패키징 되기 전에는 초소형 토글 버튼으로 보청기 동작 기능에 변화를 줌으로써 여러 다른 주변 환경에 따른 보청기 동작 모드를 다르게 바꿔 상황별로 적용해 왔다.
	보청기 칩 내부에서 동일한 입력 신호를 처리하는 두 과정은?	동일한 마이크로폰으로 입력되는 음파는 주변 소음을 포함한 음성 신호와 스마트폰에서 송신한 ASK 음향 신호로 나눠지는데, 이는 보청기 칩 내부에서 동일한 입력 신호를 두 개의 다른 과정을 통해서 처리함으로써 구분된다. 첫 번째 과정은 음성을 강조하는 보청기의 주 기능을 처리하는 과정이어서 본 논문에서는 설명을 생략하였다. 두 번째 과정은 음성과 섞여 들어온 ASK 음향 펄스 신호를 4 kHz 중심 주파수를 가지는 디지털 밴드패스필터(2차 Biquad Filter, 바이쿼드 필터[5])들을 6회 반복적으로 통과시키도록 한 뒤, 필터링된 최종 신호의 세기를 사전에 세팅한 임계치와 비교하여 ‘0’ 혹은 ‘1’로 구분, 복호하는 과정이다. 이렇게 복호된 이진 데이터는 다시 8비트씩 묶어서 1바이트로 임시 저장하였다가, 1바이트 단위로 해독하여 보청기 내부 휘팅 파라미터들을 수정시키거나 상황 모드를 변화하는데 사용한다.
	RF 무선 통신모듈이 외형 사이즈가 큰 보청기에 선택적으로 탑재되어 온 이유는?	즉, 보청기 사용자들은 무선으로 자신의 귓속에 삽입된 보청기를 원격 제어하고 싶어졌다. 1.4 Vdc 초소형 아연 건전지를 사용하는 보청기에 동일 건전지를 사용하는 RF(Radio Frequency, 전자주파수) 전자기파 모뎀 칩을 부착하는 일이 기술적으로 간단치 않았기에, 고막형 보청기보다는 귀걸이형 보청기처럼 외형 사이즈가 상대적으로 큰 보청기에만 RF 무선 통신모듈이 선택적으로 고가에 탑재, 적용되어 왔다. 그러면서 스마트폰이 모든 연령층에 광범위하게 확산, 보급되자, 스마트폰을 사용한 보청기 무선 원격 제어가 자연스레 요구되었다.

참고문헌 (7)

Multi-protocol Bluetooth Low Energy and 2.4 GHz proprietary system-on-chip, Nordic Semiconductor, nRF51822, 2014.
http://www.joseilbo.com/news/htmls/2014/09/20140912232859.html, 2014.
H. J. Park, "Android communication programming calling a miracle," 2H&S, 601-686 (2013).
S. S. Jarng, "Acoustics, vibration, ultrasonics, simulation in medical engineering," Chosun University press, 154-166 (2005).
J. N. Little and L. Shure, "Signal processing toolbox for use with MATLAB," The MATH WORKS inc., 1-27 (1992).
EZAIRO 7110 HYBRID, http://onsemi.com, Semiconductor Components Industries, LLC, Publication Order Number: E7110/D, 2013.
S. S. Jarng, "64 channel noise masking digital hearing aid firmware development" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 31, 367-372 (2012).

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