[논문 리뷰] Simultaneous measurement of time-invariant linear and nonlinear, and random and extra responses using frequency domain variant of velvet noise

Hideki Kawahara, Ken‐Ichi Sakakibara외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 05.

Advanced Electrical Measurement Techniques참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 추가 하드웨어 없이 선형 시간 불변, 비선형 시간 불변, 무작위/시간에 따라 변하는 음향 응답을 동시에 측정하기 위해 주파수 도메인 버전의 벨벳 노이즈(Frequency-domain Variant of Velvet Noise, FVN)를 사용하는 새로운 주파수 도메인 방법을 제안한다. FVN의 높은 설계 자유도를 활용하여, 사용자 정의 오픈소스 도구를 통해 실시간으로 상호작용 가능한 분석을 가능하게 한다. 이는 시뮬레이션과 실제 loudspeaker 측정을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

We introduce a new acoustic measurement method that can measure the linear time-invariant response, the nonlinear time-invariant response, and random and time-varying responses simultaneously. The method uses a set of orthogonal sequences made from a set of unit FVNs (Frequency domain variant of Velvet Noise), a new member of the TSP (Time Stretched Pulse). FVN has a unique feature that other TSP members do not. It is a high degree of design freedom that makes the proposed method possible without introducing extra equipment. We introduce two useful cases using two and four orthogonal sequences and illustrates their use using simulations and acoustic measurement examples. We developed an interactive and realtime acoustic analysis tool based on the proposed method. We made it available in an open-source repository. The proposed response analysis method is general and applies to other fields, such as auditory-feedback research and assessment of sound recording and coding.

연구 동기 및 목표

• 음향 시스템에서 선형 시간 불변, 비선형 시간 불변, 무작위/시간에 따라 변하는 응답을 동시에 측정하는 방법을 개발하는 것.
• 실제 환경에서 노이즈와 비선형성을 포함하는 시스템에서 이상적인 선형성과 시간 불변성을 가정하는 전통적인 TSP 기반 방법의 한계를 극복하는 것.
• 특수 장비나 복잡한 후처리 없이도 시스템 응답을 동시에 분해할 수 있도록 하는 것.
• 제안된 FVN 방법 기반으로 실시간 상호작용 분석 도구를 개발하여 음향 분석을 지원하는 것.
• 청각 피드백 연구 및 오디오 녹음 품질 평가와 같은 분야로의 적용 가능성을 확장하는 것.

제안 방법

• 두 개의 균일 분포된 랜덤 시퀀스에서 유도된 단위 FVN을 사용하여 높은 설계 유연성을 가진 위상 변조 신호를 생성한다.
• 단위 FVN과 이진 시퀀스를 이용해 정규직교 FVN 시퀀스를 구성함으로써 다중 시스템 응답의 분리를 가능하게 한다.
• 두 시퀀스 및 네 시퀀스 구성 방식을 활용하여 선형 시간 불변, 비선형 시간 불변, 무작위/시간에 따라 변하는 성분을 고립한다.
• FVN 생성을 위한 매끄럽고 에너지 집중형 위상 함수를 설계하기 위해 6항 코시누스 급수 근사를 적용한다.
• 교차상관관계 및 역필터링 기법을 사용하여 시간 도메인과 주파수 도메인에서 인파르스 응답을 추출하고 시스템 행동을 분해한다.
• 인파르스 응답, 파wer 에너지 포탄, 추가 응답 스펙트럼의 시각화를 지원하는 실시간 상호작용 분석 도구에 이 방법을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FVN 기반 정규직교 시퀀스는 추가 하드웨어 없이도 선형, 비선형, 시간에 따라 변하는 음향 응답을 동시에 측정할 수 있는가?
• RQ2 실제 음향 시스템에서 비선형성과 시간 변화 성분을 해소하는 데 있어 FVN 방법은 전통적인 TSP 기법과 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 제안된 방법은 실질적인 loudspeaker 측정에서 배경 노이즈, 간섭, 비선형 왜곡을 어느 정도 분해할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 청각 피드백 또는 오디오 압축 품질 평가와 같은 다른 분야로 일반화될 수 있는가?
• RQ5 FVN 설계 파rameter가 노이즈 환경에서 측정 정확도와 견고성에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• FVN 기반 방법은 오직 정규직교 FVN 시퀀스만을 사용하여 음향 시스템에서 선형 시간 불변, 비선형 시간 불변, 무작위/시간에 따라 변하는 성분을 성공적으로 고립한다.
• 시뮬레이션과 실제 측정 결과는 초기 30ms의 인파르스 응답과 파워 스펙트럼을 최소한의 왜곡으로 정확히 캡처함을 확인한다.
• 네 개의 정규직교 FVN 시퀀스를 사용하면 모든 세 가지 응답 유형을 동시에 분해할 수 있으며, 추가 성분은 노이즈, 비선형성, 이동 효과를 반영한다.
• 개발된 오픈소스 도구는 macOS와 Windows 10에서 실시간 측정과 시각화를 지원하며, 자동 校정 및 결과 파일 저장 기능을 갖춘다.
• 이 방법은 배경 노이즈와 동적 시스템 변화가 있는 일상적인 음향 환경에서도 견고함을 입증한다.
• 이 방법은 청각 피드백 연구 및 음성 신호에 대한 손실 압축 기법의 영향 평가 등 다른 분야로 일반화 가능하다.