[논문]디지털 필터를 사용한 귓속형 보청기의 지향성 실현

장순석; 권유정

doi:10.7776/ask.2017.36.2.123

디지털 필터를 사용한 귓속형 보청기의 지향성 실현
Directional realization of in the ear hearing aid using digital filters 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.2, 2017년, pp.123 - 129

초록
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본 논문은 보청기의 지향성 알고리즘을 실시간으로 실현한 내용을 다루었다. 기존의 시간 영역에서의 시간 지연 기법에 의한 지향성 실현을 디지털 필터 방식으로 처리함으로써 시간 지연 적용이 불가능한 일반 DSP(Digital Signal Processing) 칩으로도 유사한 지향성 패턴을 가능하게 하였다. 시간 지연 기법과 디지털 필터 기법을 각각 Matlab(Matrix laboratory) 기반으로 비교 검증한 후에, 이를 CSR 8675 블루투스 DSP IC(Digital Signal Processing Integrated Circuit) 칩 펌웨어로 실현하고 검증해보였다. 스마트폰으로의 원격 무선 제어 기능으로 스마트 자향성 보청기의 사용자 접근 편의성을 강화시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the realization of a directional digital hearing aid was considered. Conventional time domain time delay method was replaced with digital filters in order to make any general-purposed DSP (Digital Signal Processing) chip to produce the similar directivity pattern. Both the time delay algorithm and the digital filter algorithm were initially evaluated by Matlab (Matrix laboratory) for comparison, and it was confirmed by CSR 8675 Bluetooth DSP IC (Digital Signal Processing Integrated Circuit) chip firmware realization. Some remote control features by a smart phone was added to the smart hearing aid for user interface easiness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 시간 지연 기법이 아닌 디지털 필터 방식에 의해 디지털 보청기의 지향성을 실현하였다. 또한 기존의 지향성 특화된 DSP IC 칩 이 아닌 일반 블루투스 칩을 사용하여 지향성을 구현하면서 아울러 저주파수 대역으로 갈수록 –6 dB/oct 씩 이득이 낮아지는 문제 역시 디지털 필터 고유 특성에 의해 보완하였다.
본 연구의 모티브는 기존의 보청기 전용 DSP IC 칩이 아닌 일반 DSP IC 칩의 경우에 샘플링 시간보다 더 작은 시간 지연을 물리적으로 줄 수 있는 기능이 없으므로 이를 대체하기 위해 디지털 필터의 위상 차이를 이용하고자 함이었다. 이를 위해서는 최적 설계에 의해 가장 최적한 디지털 필터 계수를 산출 할 수 있어야한다.

제안 방법

Fig. 2는 본 논문에서 제안하는 2개의 디지털 필터 (DF1, DF2)들을 사용하여 지향성을 구현하는 방법 을 도식화하여 보여준다. x₁(t)는 전방향 마이크로폰의 출력 아날로그 신호를, x₂(t)는 후방향 마이크로폰의 출력 아날로그 신호를 각각 가리킨다.
계속해서 방향성 패턴을 하이퍼심장형으로 바꾸기 위해서는 2 개 필터의 계수를 다시 최적화하여 다음과 같이 산출하였다.
11과 12로부터 최적한 마이크로폰 간격은 11(mm)임을 확인할 수 있다. 귓속형 보청기의 경우 전방향과 후방향 마이크로폰의 간격 을 11(mm)로 맞추기는 쉽지 않으므로, 본 연구에서는 실재적으로 적용하는 9(mm) 간격을 적용하였다.
본 연구 결과 귓속형 보청기의 물리적인 사이즈 제한을 고려할 때, 2개 보청기 마이크로폰의 간격으로 11(mm)이 가장 최적한 간격이지만 보편적으로 사 용하는 9(mm)간격도 최적한 수신감도에 준하는 결과를 가져옴을 확인할 수 있었다. 기존에는 귓속형 보청기의 경우에 지향성 마이크로폰 부품을 사용하여야 했으나, 본 논문에 의거하여 2개의 초소형 마이크로폰을 사용하여 지향성을 가지는 보청기를 제작 할 수 있게 되었다.
두 개 마이크로폰 사이의 간격은 귓속형 보청기의 사이즈 제한을 고려하여 D = 9(mm)로 하였고 상온 20 °C에서의 소리 전파 속도는 343 m/s로 설정하였다.
또한 기존의 지향성 특화된 DSP IC 칩 이 아닌 일반 블루투스 칩을 사용하여 지향성을 구현하면서 아울러 저주파수 대역으로 갈수록 –6 dB/oct 씩 이득이 낮아지는 문제 역시 디지털 필터 고유 특성에 의해 보완하였다.
보청기의 방향성으로 일반적으로 심장형(cardioid, β = 1) 방향성[10]을 주로 선호하므로 본 논문에서는 심장형 방향성을 우선 구현하도록 하였다.
본 연구에서는 모든 적용 주파수에서 두 개 디지털 필터의 이득은 각각 1이면서 위상 차이가 2πfT가 되도록 필터 계수를 최적화하였다.
6에서 방향성 패턴의 수신 감도는 전방향(0°)에서 가장 크게 나타났다. 최적한 심장형 방향 패턴의 전반향 수신감도를 두 개 마이크로폰 사이를 달리하면서 비교해 보았다(Figs. 11과 12).

대상 데이터

본 논문에서 사용한 블루투스 IC 칩은 CSR8675(퀄 컴사)^[6]였으며 샘플링 주파수는 16 kHz이다. Fig.

이론/모형

Eq. (1)의 2차 IIR 필터 계수 5개씩 2 개의 디지털 필 터 계수 전체 10개의 수치를 최적하게 산출하는 근사적인 방법으로 Nelder-Mead Simplex 기법을 적용 하였다.^[7-9] 다음은 Nelder-Mead Simplex 기법을 설명한다.

성능/효과

DF1과 DF2의 최적화된 필터 계수를 각각 비교해 보면, a₀ = -b₂ = 1, a₁ = -b₁, a₂ = -b₀의 특징이 있음을 알 수 있는데, 이는 10개의 필터 계수 최적화를 다시 4개의 필터 계수 최적화로 간소화시킬 수 있음을 보여준다.
지향성 보청기를 실현하는 방법으로 지향성 마이크로폰을 장착하거나, 두 개 이상의 전방향 마이크로폰들의 배열 기법을 사용한다.^[1] 지향성 마이크로폰은 지향성이 고정되 는 이유로 대량 생산이 가능한 귀걸이형 디지털 보청기에 적용하곤 하는데, 귀걸이형 보청기가 사용자 의 귀에 착용되는 상태에 따라 지향성의 방향이 변하는 문제점을 가진다. 두 개의 전방향성 마이크로 폰 배열에 의한 지향성은 두 개의 마이크로폰 수신 감도가 동일해야 한다는 제약을 가지지만, 디지털 보청기내에서의 마이크로폰 개별 보정에 의해 극복이 가능해졌다.
본 연구 결과 귓속형 보청기의 물리적인 사이즈 제한을 고려할 때, 2개 보청기 마이크로폰의 간격으로 11(mm)이 가장 최적한 간격이지만 보편적으로 사 용하는 9(mm)간격도 최적한 수신감도에 준하는 결과를 가져옴을 확인할 수 있었다. 기존에는 귓속형 보청기의 경우에 지향성 마이크로폰 부품을 사용하여야 했으나, 본 논문에 의거하여 2개의 초소형 마이크로폰을 사용하여 지향성을 가지는 보청기를 제작 할 수 있게 되었다.
이를 위해서는 최적 설계에 의해 가장 최적한 디지털 필터 계수를 산출 할 수 있어야한다. 수 마이크로 단위의 시간 지연 기능을 갖추지 못한 일반 DSP IC 칩에서 시간 지연 기법을 대체하여 2개의 디지털 필터만을 사용하고도, 필터 계수의 최적화에 의해 지향성을 구현할 수 있 었으며, 그 결과는 시간 지연 기법의 결과와 매우 유사함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 보청기의 주요 기능은?	디지털 보청기의 주요 기능으로 지향성을 꼽을 수 있는데, 이는 특정 방향에서 들려오는 소리를 다른 방 향에서 들려오는 소리보다 더 크게 듣도록 하는 기능이다. 그러므로 지향성 보청기는 다른 방향에서 들려올 수 있는 소음 대비 발화자가 위치한 특정 방 향에서 들려오는 어음의 강도를 상대적으로 높일 수 있어 소음 소거 기능도 가진다.
	일반 DSP IC 칩에 설계되지 않은 것은?	x[n]은 계속해서 보청기의 음질 성능 향상을 위한 디지털 신호 처리 과정을 거친다. Ezairo7110과같은 지향성 특화된 DSP IC칩은 T 만큼 시간 지연을 줄 수 있도록 하드웨어적으로 설계되어 있다. 하지만 일반 DSP IC 칩은 이러한 특화 기능이 설계되어 있지 않다.
	지향성 보청기를 실현하는 방법은?	그러므로 지향성 보청기는 다른 방향에서 들려올 수 있는 소음 대비 발화자가 위치한 특정 방 향에서 들려오는 어음의 강도를 상대적으로 높일 수 있어 소음 소거 기능도 가진다. 지향성 보청기를 실현하는 방법으로 지향성 마이크로폰을 장착하거나, 두 개 이상의 전방향 마이크로폰들의 배열 기법을 사용한다.[1] 지향성 마이크로폰은 지향성이 고정되 는 이유로 대량 생산이 가능한 귀걸이형 디지털 보청기에 적용하곤 하는데, 귀걸이형 보청기가 사용자 의 귀에 착용되는 상태에 따라 지향성의 방향이 변하는 문제점을 가진다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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S. S. Jarng, Y. J. Kwon, and J. H. Lee, "Binaural directivity pattern simulation of the KEMAR head model with two twin hearing aid microphones by boundary element method," J. Acoust. Soc. Kr. 24, 115-122 (2005).
S. S. Jarng, Y. J. Kwon, and J. H. Lee, "Binaural directivity pattern measurements of the KEMAR head model with two twin hearing aid microphones," J. Acoust. Soc. Kr, 25, 25-31 (2006).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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