복합 환경에서 최적의 양쪽 귀 BLCMV 빔포밍 설계와 실험 검증

초록

본 논문은 헤드마운트 보조청취장치용 양쪽 귀 최소분산전력(BLCMV) 빔포머의 간섭 스케일링 파라미터를 이론적으로 최적화하고, 카페테리아에서 측정한 임펄스 응답을 이용해 짧은 관측 구간에서도 안정적인 잡음 감소와 양쪽 귀 단서 보존이 가능함을 실험적으로 입증한다. 또한, 추정 오류에 강인하도록 파라미터에 상한·하한 임계값을 적용하는 방법을 제안한다.

상세 분석

본 연구는 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계에서는 BMVDR 빔포머에 RTF(전달 함수) 보존 제약을 추가한 BMVDR‑RTF 형태를 기반으로, 다수의 방해원에 대해 각각 독립적인 간섭 스케일링 파라미터 δₗ, δᵣ을 도입한다. 논문은 Lagrange 승수를 이용한 제약 최적화식을 전개하고, 최적 파라미터가 각 방해원의 전력 스펙트럼 밀도와 상관 행렬 추정 정확도에 따라 달라지는 폐쇄형 해를 제시한다. 특히, δₗ, δᵣ이 0 ≤ δ ≤ 1 범위 내에서 최적화될 때, SINR 혹은 SNR을 최대화하면서도 방해원의 ITD/ILD 단서를 보존할 수 있음을 수학적으로 증명한다.

두 번째 단계에서는 실제 환경에서의 추정 오류를 고려한다. 제한된 시간 구간(예: 0.1 s~1 s)으로부터 상관 행렬과 RTF를 추정하면, 표본 노이즈와 비정상성으로 인해 최적 δ값이 과도하게 커지거나 음수가 될 위험이 있다. 이를 방지하기 위해 논문은 “상한‑하한 임계값” δ_thr을 도입한다. δ_thr는 방해원 신호‑잡음 비(SNR)와 관측 길이에 기반한 경험적 함수로 정의되며, δ가 이 범위를 초과하면 δ를 δ_thr로 클리핑한다. 이렇게 하면 추정 오류가 큰 상황에서도 양쪽 귀 단서 오류가 현저히 감소한다.

실험에서는 2 × 6 마이크 어레이(좌·우 각각 6개)와 실제 청각 보조기기의 임펄스 응답을 사용해 카페테리아 환경을 재현하였다. 방해원은 3개의 스피커(다양한 방위와 거리)와 배경 잡음으로 구성했으며, 관측 구간을 100 ms, 250 ms, 500 ms, 1 s로 변화시켜 성능을 평가했다. 결과는 다음과 같다. (1) 짧은 100 ms 구간에서도 BLCMV는 평균 6 dB 정도의 잡음 감소를 달성했으며, BMVDR 대비 방해원 ITD/ILD 오류가 30 % 이상 감소했다. (2) δ_thr를 적용한 경우, 특히 250 ms 이하 구간에서 단서 오류가 40 % 이상 감소했으며, SNR 향상은 거의 동일하게 유지되었다. (3) 관측 구간이 1 s 이상으로 늘어나면 추정 정확도가 크게 개선되지만, 실시간 보조청취 장치의 처리 지연 제한을 고려하면 250 ms~500 ms가 실용적인 최적 구간임을 확인했다.

이러한 결과는 BLCMV가 단순 BMVDR에 비해 방해원 단서를 보존하면서도 잡음 억제 효율을 유지할 수 있음을 보여준다. 또한, 파라미터 클리핑 전략이 추정 오류에 대한 강인성을 제공함으로써 실제 보청기 시스템에 바로 적용 가능한 설계 지침을 제공한다.