回聲抵消技術中DTD算法綜述

何海 付仕明 葉順舟

【摘要】 DTD（雙端發(fā)聲檢測）是回聲抵消中的一項關鍵技術。其判定的準確與否直接影響自適應濾波器的收斂性能，進而影響整個回聲抵消的性能。本文對當前主要的一些DTD算法進行了介紹。

【關鍵字】 回聲抵消 雙端檢測 DTD 能量檢測法 相關檢測法

一、引言

回聲抵消的基本原理如圖1所示。遠端信號x（k）通過聲學回波信道h產(chǎn)生回波y（k），然后混合近端聲音v（k）得到近端信號d（k）。通過使用自適應濾波器h？來模擬信道h，可以使得）（？ky逼近回波，進而達到回波抵消的目的。

從上圖可以看出，回聲抵消的核心即是：盡快的預估出h？，使其盡可能的逼近真實的h。當前通常采用的，通過各種自適應濾波算法預估h？，如：LMS，NLMS，AP等。若不存在v（k），這些自適應濾波算法均能或快或慢的達到穩(wěn)態(tài)收斂，抵消掉絕大部分回波信號；但當存在v（k）時，等效于加入了大信號的噪聲，所以會極大影響自適應算法的收斂速度，嚴重時會造成發(fā)散。

以商用中較為常見的一種自適應算法NLMS算法為例：

在式（1.5）中，v（k）的存在將濾波器系數(shù)產(chǎn)生較大的誤差，甚至引起發(fā)散。

因此，一般的回聲抵消算法中都包含自適應濾波和雙端檢測兩個主要部分，雙端檢測即是對當前語音通話狀態(tài)進行判定（近端講話，遠端講話和雙端講話），而雙端檢測算法的判定準確性高低直接決定著回聲抵消算法的優(yōu)劣。當判定為近端講話狀態(tài)時，自適應濾波器既不進行濾波也不進行系數(shù)更新；判定為雙端講話的時不進行系數(shù)更新但是要進行自適應濾波；只有在遠端語音狀態(tài)下既要進行濾波又要進行系數(shù)的更新。

二、雙端發(fā)聲檢測算法研究歷史與現(xiàn)狀

D. L. Duttweiler于1978年提出的Geigel算法[1]是一種最基本的雙端發(fā)聲檢測算法，它用先前遠端N個采樣點中最大幅值的信號乘以乘積因子0.5，如果大于當前遠端采樣點的信號幅值，則判定為雙端發(fā)聲。算法的理論基礎是，在典型的網(wǎng)絡回波抵消應用中，回波路徑損耗為6dB這一經(jīng)驗事實，N值的確定取決于回波路徑的時延。在電回波抵消應用中，回波信道環(huán)境相對固定，通過測定一個固定的回波路徑損耗值，就能很好的模擬信道，因而算法有很好的效果且實現(xiàn)簡單，運算復雜度低。但是它的局限性是比較門限的設定比較粗糙，難以普適于信道環(huán)境變化的場合。Geigel算法是能量比較法的典型代表。

H. Ye 和 B.X. Wu用遠端信號和誤差信號的互相關作為比較參數(shù)，提出了改進的算法——相關檢測法[2]。當不存在雙端發(fā)聲時，自適應濾波器能很好地逼近回波信道，誤差信號中殘留的遠端信號較小，使得該相關值較小。以該相關值作為比較參數(shù)，當它大于0時，判定為雙端發(fā)聲。該算法實質(zhì)是通過判定自適應濾波器的狀態(tài)進而判定雙講狀態(tài)，將濾波器未收斂完成與雙講狀態(tài)相對應，但是由于回波信道或多或少會變換，自適應濾波器會相應的去自適應，使得該算法雙講檢測的性能較差。

T.Gansler提出了一種基于遠端信號和話筒輸入信號相關性的算法[3]。優(yōu)點是實現(xiàn)簡單且復雜度不高。缺點是不能充分的對相關值進行歸一化，得門限值的設定極大的取決于輸入信號的統(tǒng)計特性和回聲路徑特性。

利用固定門限來判定雙端發(fā)聲，J.Benesty提出了一種基于回波信號和近端信號歸一化互相關值的方法[4]。雖然能較好的應用于大多數(shù)場合，但和上面提到的算法一樣，近端噪聲的加入仍然會影響它的判決精確度。

上述算法的一個共同缺點是不能適應聲回波抵消環(huán)境中回波信道不斷變化的特性。于是，出現(xiàn)了一種新的算法——雙濾波器法[5]。它引入的輔助濾波器和系數(shù)緩存的概念。這種結(jié)構中含有兩個濾波器，信道的跟蹤由自適應濾波器完成，而回波抵消則由自適應濾波器和輔助濾波器共同完成。主濾波器系數(shù)的更新過程一直進行，不受基于雙端發(fā)聲檢測的回波抵消控制器的控制。當雙端發(fā)聲使得自適應濾波器系數(shù)發(fā)散時，通過回波抵消控制器的控制，使用輔助濾波器的濾波結(jié)果，從而保證回波抵消性能；當發(fā)生信道變化時，由于自適應濾波器的系數(shù)更新過程一直進行，保證了自適應濾波器能夠快速跟蹤信道的變化，同時根據(jù)自適應濾波器在信道變化后的收斂程度決定此時選擇自適應濾波器的輸出結(jié)果y（k），還是輔助濾波器的濾波結(jié)果ya（k）。顯然，在以上兩種情況下，輔助濾波器體現(xiàn)的是在自適應濾波器系數(shù)發(fā)散前對信道的一個較好的逼近或估計。所以為了判定什么時刻自適應濾波器系數(shù)是信道的一個較好的逼近，以便于以此刻的自適應濾波器系數(shù)構造輔助濾波器，首先要定義一個數(shù)值量來反映自適應濾波器系數(shù)逼近信道程度，可以用相關檢測法中的歸一化互相關值來估計。

由上可以看出，雖然雙濾波器法仍然存在門限值的選定，對噪聲的敏感等問題會引起濾波器的發(fā)散，但是它引入了備用策略，輔助濾波器的系數(shù)定期保存著當前對信道的最佳逼近。所以，當主濾波器發(fā)散時，馬上用輔助濾波器進行回復，使得整個回波抵消裝置不至于崩潰。但是，該算法的計算量偏大。

三、結(jié)束語

本文介紹了當前主要的一些雙端檢測算法。雙端檢測算法可以大致分為兩類：能量比較法和相關性比較法，各自存在優(yōu)缺點。能量比較法實現(xiàn)簡單，復雜度低，但是門限的選取較固定，難以適應回聲環(huán)境變換的場合，性能較不可靠；而相關比較法對應回聲環(huán)境變換的場合適應性較好，相應的，實現(xiàn)復雜度相對較高。雙濾波器法本質(zhì)上仍是能量比較法和相關比較法，只是增加了備份回退的策略。

參 考 文 獻

[1] D. L. Duttweiler， “A Twelve-channel Digital Echo Canceler，”IEEE Trans. Commun. Vol.26， No.5， pp.647-653， May 1978

[2] Hua Ye “A New Double-Talk Detection Algorithm Based on the Orthogonality Theorem”， IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS， VOL. 39， NO. 11， NOVEMBER 1991， pp.1542-1545

[3] Tomas Gander “A Double-Talk Detector Based on Coherence”， IEEE TRANSACTlONS ON COMMUNICATIONS， VOL. 44， NO. 11， NOVEMBER 1996， pp.1421-1427

[4] Benesty J， A new class of doubletalk detectors based on cross—correlation[J].IEEE Trans on Speech and Audio Processing，2000，8（2）：168-172

[5] 汪萌 一種使用雙濾波器的回波消除算法 數(shù)據(jù)采集與處理 2006.3