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0.18㎛ CMOS 공정을 이용한 MEMS 마이크로폰용 이중 채널 음성 빔포밍 ASIC 설계
An ASIC implementation of a Dual Channel Acoustic Beamforming for MEMS microphone in 0.18㎛ CMOS technology 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.5, 2018년, pp.949 - 958  

장영종 (전자부품연구원 SoC플랫폼연구센터) ,  이재학 (전자부품연구원) ,  김동순 (전자부품연구원) ,  황태호 (전자부품연구원)

초록
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음성 인식 제어 시스템은 사용자의 음성을 인식하여 주변 장치를 제어하는 시스템이다. 최근 음성 인식 제어 시스템은 스마트기기 뿐만 아니라, IoT(: Internet of Things), 로봇, 차량에 이르기까지 다양한 환경에 적용되고 있다. 이러한 음성 인식 제어 시스템은 사용자의 음성 외에 주변 잡음에 의한 인식률 저하가 발생한다. 이에 본 논문은 사용자의 음성 외에 주변 잡음을 제거하기 위하여 MEMS(: Microelectromechanical Systems) 마이크로폰용 이중 채널 음성 빔포밍 하드웨어 구조를 제안하였으며, 제안한 하드웨어 구조를 TowerJazz $0.18{\mu}m$ CMOS(: Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정을 이용하여 ASIC(: Application-Specific Integrated Circuit)을 설계하였다. 설계한 이중 채널 음성 빔포밍 ASIC은 $48mm^2$의 Die size를 가지며, 사용자의 음성에 대한 지향성 특성을 측정한 결과 4.233㏈의 특성을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A voice recognition control system is a system for controlling a peripheral device by recognizing a voice. Recently, a voice recognition control system have been applied not only to smart devices but also to various environments ranging from IoT(: Internet of Things), robots, and vehicles. In such a...

주제어

표/그림 (15)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문은 음성 인식 제어 시스템에서 주변 잡음 신호 제거를 위한 이중 채널 음성 빔포밍 ASIC 설계에 대한 연구이다. MEMS 마이크로폰의 출력 PDM 음성 신호를 이중 채널 음성 빔포밍 ASIC에서 사용하기 위해 PDM/PCM 컨버터를 내장하였다.
  • 또한, RGSC 알고리즘은 MIC(: Multiple-Input Canceller) 부분 최적화에 따라 LCMV 알고리즘보다 나은 성능을 가진다[10]. 이에 본 논문에서는 RGSC 알고리즘 기반의 이중 채널 음성 빔포밍 하드웨어 구조를 제안하였다. 제안한 이중 채널 음성 빔포밍 입력은 PCM(: Pulse-Code Modulation) 형태의 음성 신호를 사용하며, 이를 위해 MEMS 마이크로폰의 출력 PDM(: Pulse-Density Modulation) 음성 신호를 PDM/PCM 컨버터를 설계하여 처리하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
잡음의 종류 중 정상성 잡음 제거에 사용되는 것은? 잡음의 종류는 자동차 엔진 소리와 같이 주기적으로 발생되는 정상성 잡음과 사람의 음성, 음악 소리와 같이 주기적인 특징이 없는 비정상성 잡음으로 분류된다. 정상성 잡음 제거에는 위너 필터나 칼만 필터를 많이 사용하나, 이러한 필터들은 비정상성 잡음 제거에는 효과가 적어 LCMV(: Linearly Constrained Minimum Variance) 알고리즘이나 RGSC(: Robust Generalized Sidelobe Canceller) 알고리즘을 주로 사용한다[4, 7-9]. 두 알고리즘 모두 사용자 음성을 고속 푸리에 변환시켜 주파수 영역으로 처리가 가능하나, ASIC 하드웨어 크기의 최소화를 위하여 시간 영역에서의 알고리즘 수식을 바탕으로 설계하였다.
잡음의 종류는? 잡음의 종류는 자동차 엔진 소리와 같이 주기적으로 발생되는 정상성 잡음과 사람의 음성, 음악 소리와 같이 주기적인 특징이 없는 비정상성 잡음으로 분류된다. 정상성 잡음 제거에는 위너 필터나 칼만 필터를 많이 사용하나, 이러한 필터들은 비정상성 잡음 제거에는 효과가 적어 LCMV(: Linearly Constrained Minimum Variance) 알고리즘이나 RGSC(: Robust Generalized Sidelobe Canceller) 알고리즘을 주로 사용한다[4, 7-9].
비정상성 잡음 제거에 사용되는 것은? 잡음의 종류는 자동차 엔진 소리와 같이 주기적으로 발생되는 정상성 잡음과 사람의 음성, 음악 소리와 같이 주기적인 특징이 없는 비정상성 잡음으로 분류된다. 정상성 잡음 제거에는 위너 필터나 칼만 필터를 많이 사용하나, 이러한 필터들은 비정상성 잡음 제거에는 효과가 적어 LCMV(: Linearly Constrained Minimum Variance) 알고리즘이나 RGSC(: Robust Generalized Sidelobe Canceller) 알고리즘을 주로 사용한다[4, 7-9]. 두 알고리즘 모두 사용자 음성을 고속 푸리에 변환시켜 주파수 영역으로 처리가 가능하나, ASIC 하드웨어 크기의 최소화를 위하여 시간 영역에서의 알고리즘 수식을 바탕으로 설계하였다.
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참고문헌 (11)

  1. M. Brandstein and D. Ward, Microphone arrays: signal processing techniques and applications. Berlin, Heidelberg: Springer Science & Business Media, 2013. 

  2. P. C. Loizou, Speech enhancement: theory and practice. New York: CRC press, 2013. 

  3. J. Benesty, C. Jingdong, and H. Yiteng, Microphone array signal processing, Berlin, Heidelberg: Springer Science & Business Media, 2008. 

  4. O. Frost, "An algorithm for linearly constrained adaptive array processing," Proc. of the IEEE, vol. 60, no. 8, Aug. 1972, pp. 926-935. 

  5. V. Yoganathan and T. Joir, "Multi-microphone adaptive neural switched Griffiths-Jim beamformer for noise reduction," In Signal Processing (ICSP), 2010 IEEE 10th Int. Conf. on. IEEE, Beijing, China, Oct. 2010, pp. 299-302. 

  6. C. Lee and D. Kim, "Adaptive Noise Reduction of Speech Using Wavelet Transform," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 4, no. 3, Sept. 2009, pp. 190-196. 

  7. J. Choi, "Noise Reduction Algorithm in Speech by Wiener Filter," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 8, no. 9, Sept. 2013. pp. 1293-1298. 

  8. O. Hoshuyama, A. Sugiyama, and A. Hirano, "A Robust Adaptive Beamformer with a Blocking Matrix Using Coefficient-constrained Adaptive Filters," IEICE Trans. Fundamentals, vol. E82-A, no. 4, Apr. 1999, pp. 640-647. 

  9. O. Hoshuyama, A. Sugiyama, and A. Hirano, "A robust adaptive beamformer for microphone arrays with a blocking matrix using constrained adaptive filters," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 47, no. 10, Oct. 1999, pp. 2677-2684. 

  10. S. Gannot, D. Burshtein, and E. Weinstein, "Signal enhancement using beamforming and nonstationarity with applications to speech," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 49, no. 8, Aug. 2001, pp. 1614-1626. 

  11. E. Hogenauer, "An economical class of digital filters for decimation and interpolation," IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 29, no. 2, Apr. 1981, pp. 155-162. 

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