Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. May 2021. 247-253
https://doi.org/10.7776/ASK.2021.40.3.247

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 시스템 설계 및 개발

  •   2.1 DSP기반의 하드웨어 설계

  •   2.2 알고리즘 구성 및 설계

  •   2.3 테스트 결과 및 기능 확인

  • III. 결 론

I. 서 론

대부분 사람들의 인지는 시각적인 정보에 많은 의존을 하고 있다. CCTV 등의 이미지 센서 기반의 정보 획득 솔루션과 신호등이나 알림등, 광고판 등의 정보 전달 솔루션으로 영상 시스템이 개발 및 적용되고 있다. 이러한 영상 또는 디스플레이 등의 시각 정보는 보고자 하는 의도나 행동을 통해서만 정보 수집이 가능해져 유용하게 전달될 수 있다. 횡단보도의 예를 들면 스마트 디바이스를 보는 등의 신호등을 보지 않은 상황에서는 보행자 위험 지역에 들어갈 때에는 제공되는 시각적인 정보는 의미가 없게 된다. 차량과 보행자간의 안전사고로 이어질 수 있다. 운전자의 주의를 위해서 민식이법 등의 교통 안전 법규가 새롭게 규정되고 있는 이유이다. 횡단보도 또는 학교 앞에서의 차량과 보행자간의 안전사고에 대해 보행자 측면의 알람 기능이 요구되어지나 기존의 시각적인 정보로만으로는 한계가 있다. 의도성과 관련이 없는 청각적인 정보를 제공하기 위해서 기존의 Accessible Pedestrian Signal(APS)와 유사 또는 연계한 보행신호 안내방송 시스템이 설치되고 있다. 빨간 불의 보행신호 시에 위험 구역에 있는 보행자를 카메라 또는 라이다(LiDAR)로 시각적으로 판단하거나 파란불인 경우에 “위험하오니 인도로 이동해 주십시오.”, “좌우를 살핀 후 건너가십시오.”, “다음신호에 건너세요.” 등을 시각적 의도성과 상관없이 청각적인 보행 안내 방송으로 신호에 맞추어 전달하게 된다.

의도하지 않은 상황에서는 안내방송은 효과가 있으나, 정보가 필요하지 않는 주변 상가에서는 소음으로 들리게 되고 민원을 접수하고 있다. 보행신호 음성안내 시스템에 Fig. 1과 같이 초지향 초음파 스피커가 적용되고 있는 이유이다.

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Fig. 1.

Auxiliary speaker system for walking signal voice guidance (JD Solution).

신호등과 함께 설치되는 보행신호 음성안내 시스템은 조용한 학교 정문 앞이나 인적이 드문 교외, 시끄러운 차량으로 혼잡한 지상 지하철 아래 도로변 등의 다양한 환경에 적용되고 있다. 환경상 조용한 곳은 초음파 스피커, 주변 상가가 없는 곳은 일반 스피커가 사용될 수 있으나, 지상 지하철 역사 근처처럼 주변 상가도 많고 차량 운행 등으로 주변 소음이 많은 곳은 음량이 작은 초음파 스피커만으로 또는 주변 소음을 야기하는 일반 스피커만으로는 충족될 수 없다. 즉, 기존 초음파 스피커는 세라믹 셀의 물리 구조상 500 Hz 미만에서는 소리 재현이 어려워 전체적인 음량이 낮아져 시끄러운 지역에는 소리가 묻히게 된다.

주변 상가의 소음 민원이나 시끄러운 곳의 소리 전달을 고려하면 일반 스피커와 초음파 스피커의 동시 송출가능한 하이브리드형 초음파 스피커가 요구되어진다. 다양한 환경에서 다양하게 소리 전달을 하기 위해서는 일반만, 초음파만, 하이브리드의 선택적인 솔루션도 가지고 있어야 한다. 일반 스피커와 초음파 스피커의 단순 연결로 결합한 시스템에는 일반/초음파의 2개 앰프로 구성되어 비용적인 상승은 물론 온/오프, 음량제어 등의 각각의 앰프를 제어 및 상호간 밸런스 튜닝 난이 등의 이슈가 있다. 또한 일반 음원으로 초음파 음원 생성 시에 버퍼링 및 처리 시간이 필요하며 이로 인해 일반보다 뒤에 초음파가 재생되어 에코와 같은 음질적인 현상도 나타난다.

본 논문에서는 앞서 논의된 비용, 제어 및 밸런싱, 음질 등을 고려하며 다양한 환경에서 선택적으로 사용 가능할 수 있도록 기존의 코덱의 오디오 DSP 기능을 유지 구현하고 초음파 음원 생성 및 동기화된 일반 음원 생성 후 동시 재생할 수 있는 DSP 기반의 앰프 하드웨어 및 알고리즘을 개발하여 하이브리드형 초음파 스피커로 제안한다.

II. 시스템 설계 및 개발

2.1 DSP기반의 하드웨어 설계

본 연구에서는 스테레오 기능의 초음파 음원과 동기화된 일반 음원을 각각 스테레오로 2채널로 총 4채널 송출 시스템으로 하드웨어를 설계하였다.

우선 Fig. 2에서 보여 주듯이 초음파 생성알고리즘을 수식으로 전개하여 DSP사양을 결정하였다. 알고리즘은 곱셈 220개, 덧셈 205개, 뺄셈이 11개, 삼각함수 계산이 2개로 구성되어져 한 프로세스 당 200 MHz 이상의 성능이 요구되어지며 스테레오 처리로 음원 생성 부문만 400 MHz 이상의 사양이 필요하다. 각종 제어 및 버퍼링 등 제반 처리도 고려하여 Analog Device사의 ADSP-2156 9(1 GHz)로 선정하였다. 오디오 파워앰프로는 초음파 40 kHz 대역폭의 음원 재생이 가능한 192 kHz 디지털 입력이 가능한 STMicroelectronics 사의 FDA 시리즈를 사용하였다. 오디오 입력 ADC (Analog to Digital)으로는 192 kHz 샘플링의 ADAU - 1977을 선정하였다. 하드웨어 구성 및 실제 구현된 하드웨어 시스템은 Figs. 34와 같이 주어진다.

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Fig. 2.

Calculation of the processing time for ultrasonic sounds’ regeneration.

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Fig. 3.

Calculation of the processing time for ultrasonic sounds’ regeneration.

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Fig. 4.

Proposed hybrid-type ultrasound speaker system.

전원부(Power regulator), 입력부(ADC), 출력부(Audio amp.), 처리부(DSP)의 보드는 Fig. 4와 같이 각각 모듈로 제작되었다.

전원부는 오디오 파워앰프를 고려하여12 V ~ 48 V 전원 입력 및 3.3 V, 5 V, 12 V, 그리고 입력 전압을 생성하여 각각 보드에 인가하였다. 입력부는 스테레오Line-in(AUX) 단자1개, 기타(3개 단자 – 마이크 2개, 여분 1개)로 구성하였다. 출력부는 총 4개의 채널로 음원 선택이 가능하게 설계하였으며 초음파 음원 2개, 일반 음원 2개로 각각 스테레오 출력을 기본 설정으로 두었다. 처리부는 디지털 음원 입출력을 기준으로 2채널 48 kHz 디지털 입력과 4채널 192 kHz 디지털 입력과 4채널 192 kHz 디지털 출력으로 DSP 알고리즘 처리를 통해 인터페이스하고 있다.

2.2 알고리즘 구성 및 설계

Fig. 5에서 구성된 처리부(DSP) 보드 상에서 구현된 하이브리드형 초음파 스피커의 알고리즘은 상용 DSP 코덱 기능 구현과 초음파 음원/동기화된 일반 음원의 재생성 기능으로 나누어진다. 기존 상용 DSP 코덱의 기능은 Fig. 6과 같이 기존 코덱에 포함된 기능인 입력 선택(In-mixer & selector), 출력 선택(Out- selector), DSP처리인 Equalizer(EQ), Dynamic Range Control(DRC)로 구현하였다.

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Fig. 5.

Algorithm block diagram.

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Fig. 6.

Process mode selection & outer selection : (a) Existing CODEC (WM8758) block diagram (b) proposed in/out & process assign selection.

입력은 스테레오 Line-in 1개, 모노 마이크 2개, 블루투스 스테레오 1개로 구성하였고, 출력은 초음파 음원 및 일반 음원의 총 4개 출력으로 할당하였다.

입력 선택과 출력 선택에서는 Fig. 6(a)의 기존 코덱의 입출력 연결과 같은 구조로 Fig. 6(b)와 같이 입력 버퍼링, 처리 및 할당(DSP1 & 2), 출력 버퍼링으로 구성하여 구현하였다.

DRC의 기능은 Fig. 7(a)와 같이 기존 일반적인 기능으로 게이트영역(Gate threshold), 확장영역(Expander threshold/ratio), 압축 영역(Compressor threshold/ratio), 제한영역(Limiter threshold/ratio)로 파라미터 화하여 구현하였다.[1]

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Fig. 7.

Existing CODEC algorithm : (a) Dynamic range control,[1] (b) equalization.[2]

EQ의 기능은 Fig. 7(b)와 같이 기존 기능처럼 LPF, HPF, APF, SHELF, PEAK, NOTCH 등으로 EQ의 종류를 나누고 Eq. (1)과 같이 각각 2차 필터로 구현되어진다.[2] 초음파 음향 송출 특성을 고려하여 EQ를 DSP 처리 전후의 2단계로 나누었다. DSP 처리 전에 출력 초음파 음원 주파수 특성에 맞게 대역폭(300 Hz ~ 8 kHz)의 전처리 EQ(Pre-EQ)와 DSP 처리 후에 40 kHz 기준으로 ±20 kHz로 출력 오디오 파워 앰프 특성에 맞추어 조정하는 후처리 EQ(Post-EQ)로 각각 5개 의 EQ로 구성하여 구현하였다. 최종 출력되는 음향의 특성은 Fig. 7(b)와 같이 주어진다.

(1)
H(z)=b0+b1z-1+b2z-2a0+a1z-1+a2z-2.

변조처리(Modulator)는 기존 코덱에서 없는 기능으로 입력된 가청역(20 Hz ~ 20 kHz) 음원을 초음파 음원으로 변조하여 재생성하고 생성된 일반음원과 초음파음원의 동기화를 맞추어 동시 출력이 가능토록 하는 기능이다.

구현된 변조처리는 통신에서 자주 사용되는 AM변조 방식으로 통신에서는 주파수 한계점으로 LSB 등이 사용되지만 본 연구에서는 음향의 자연스러운/전달력을 강조한/음압을 고려한/기타 혼합 특성의 송출을 위해서 Fig. 8에서 정의된 기존USB/LSB/DSB (Upper/lower/double Side Band) 등을 선택하여 제어 할 수 있도록 하였으며 각각 Eqs. (2), (3), (4)와 같이 정의하였다.[3] 출력된 초음파를 고려한 동기화된 일반 음원 생성은 Eq. (5)와 같이 정의하여 구현하였다. x(t)는 입력 음원 신호, x^(t)x(t)의 90° 위상 신호, fc는 방송 주파수, yxsb(t)는 USB/LSB/DSB 모드에서의 초음파 출력 신호이다. τprocess는 일반 음원의 동기화 신호(초음파 음원 생성 처리 시간과 연계), xsync(t)는 동기화된 일반 음원 출력 신호이다.

(2)
yusb(t)=(α+β·x(t))·cos(2πfct)-β·x^(t)·sin(2πfct).
(3)
yusb(t)=(α+β·x(t))·cos(2πfct)+β·x^(t)·sin(2πfct).
(4)
ydsb(t)=(α+β·x(t))·cos(2πfct).
(5)
xsync(t)=x(t-τprocess).

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Fig. 8.

Modulation algorithm for ultrasonic sounds.[3]

2.3 테스트 결과 및 기능 확인

구현된 알고리즘은 Fig. 9와 같이 ADSP 개발 툴 CrossCore Embedded Studio(CCES)의 1 ms 타이머 주기로 버퍼링 및 전처리, DSP 처리, 후처리 기능을 구현하였으며 시리얼 통신 제어를 통해 기능과 성능을 검증하였다. 테스트 입력으로 Line-In 단자로 48 kHz 음원을 재생 입력하였다. 출력으로는 [채널 1] 초음파(L), [채널 2] 초음파(R), [채널 3] 일반(L), [채널 4] 일반(R)으로 할당하여 제어 명령으로 숫자 ‘1’ ~ ‘4’를 토글하는 방식으로 출력을 Enable/Disable하였다.

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Fig. 9.

Algorithm implementation with CCES.

변조 방법의 제어 명령을 ‘u’(USB), ‘l’(LSB), ‘d’ (DSB)로 선택할 수 있도록 하였고 변조 주파수의 제어 명령을 ‘a’(32 kHz), ‘b’(40 kHz), ‘c’(48 kHz’), ‘d’ (60 kHz)로 조절할 수 있도록 하였다.

Figs. 10, 11, 12는 하이브리드형 초음파/일반 음원의 송출 특성과 변조 방식/초음파 센서 선택 제어 명령을 통한 각각의 기능 및 성능을 보여준다.

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Fig. 10.

Test result - hybrid type sound signals (up : directional (ultrasonic) sound, down : general sound).

Figs. 1011은 초음파 음원과 동기화된 일반 음원의 동시 출력이다. 그래프상 위는 재생성된 초음파 음원 신호(40 kHz 변조)이다. 아래는 초음파 신호에 동기화 된 일반 음원 신호이다. Fig. 10에서 보여주듯이 초음파 생성을 위한 버퍼링 시간의 총합이 5 ms임을 감안할 때 250 us 윈도우상의 파형으로 취득된 초음파와 일반 음원 모두 동기가 맞아 모양이 일치함을 알 수 있다. Fig. 11에서와 같이 초음파/일반 음원 출력 채널을 각각 Enable/Disable 제어함으로 해당 음원이 송출됨을 볼 수 있다[하이브리드 출력(상), 초음파만 출력(좌), 일반만 출력(우)]. Fig. 12에서는 음향의 전파 특성을 고려한 변조방식 및 주파수를 선정한 결과를 보여준다. Fig. 12(a)는 DSB/LSB/USB로 제어됨을 보여준다. Fig. 12(b)는 초음파 상용제품의 공진 주파수(32 kHz, 40 kHz, 48 kHz, 60 kHz)를 반송파로 선택하여 출력됨을 보여준다. Figs. 10, 11, 12에서와 같이 하이브리드형 초음파 스피커의 하드웨어 및 알고리즘의 기능 및 성능을 검증하였다.

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Fig. 11.

Test result – out (speaker) selection (both, only directional (ultrasonic), only general).

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Fig. 12.

Test result – modulation : (a) Modulation selection, (b) carrier frequency selection.

III. 결 론

본 연구는 기존의 초음파 스피커의 초지향성의 장점을 살리면서 음량이 적음에 대한 일반 음원 출력을 포함한 하이브리드형 초음파 스피커를 제안하였다. 단순 연결로 하이브리드형 구현 시에는 시간 지연 차에 따른 이음 발생 및 앰프의 증가에 따라 비용 상승도 나타난다. 이러한 대안으로 본 연구에는 DSP 기반의 초음파 음원 재생성 및 일반 음원 동기를 통한 음질적인 측면과 비용적인 측면을 개선하였다. 2.3절에서는 하이브리드 음원 송출, 초음파/일반 음원의 선택적 송출, 변조 방식/초음파 센서 주파수에 따른 송출 결과를 보여주었다. 하이브리드 송출 성능과 각종 제어에 기능 결과로부터 본 연구의 사용환경인 횡단보도의 다양한 주변 환경에 맞추어 출력음원의 선택, 변조방식, 주파수가 낮을수록 멀리 전파를 고려한 초음파 센서 선정을 통해 멀리 또는 좁게, 음량 조절 등의 제품의 다양한 옵션으로 활용할 수 있게 되었다.

본 연구의 산출물은 보행신호의 보조신호 장치와 같이 조용한 환경에서 민원이 발생하지 않도록 초음파 음원만을 송출하거나, 차량이 많이 다니는 환경에서 보행자 안전을 보장하기 위해 하이브리드형으로 송출할 수 있을 것이다. 이외에 기존 일반 스피커의 기능뿐만 아니라 초음파 음원 출력도 가능하게 되어 지향성 특성을 살린 하이브리드형 스피커는 소리잡음에 많이 노출된 현대 사회인에게 자신만의 음향 공간을 위한 이어폰과 별개의 또 다른 물리적 음향 공간 조건으로써 다양한 솔루션을 제공할 수 있을 것이라 기대한다.

References

1
Dynamics Processors - Technology & Applications, https://www.ranecommercial.com/legacy/note155. html, (Last viewed May 16, 2021).
2
Cookbook Formulae for Audio Equalizer Biquad Filter Coefficients, https://webaudio.github.io/Audio- EQ-Cookbook/audio-eq-cookbook, (Last viewed May 16, 2021).
3
E. Louis and Jr. Frenzel, Principles of Electronic Communication Systems, 4th Ed (McGraw Hill, New York, 2016), pp. 92-116.
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