張正文 饒鼎 鞏朋成 涂斯純

摘? 要： 聲學回聲消除（AEC）系統(tǒng)依賴于自適應濾波器的回聲路徑估計，當麥克風接收的信號存在回聲和近端信號時，可能出現模擬回聲路徑的自適應濾波器發(fā)散，導致回聲消除性能下降，嚴重時影響雙端通話質量。一個成熟的聲學回聲消除器應該包含有雙端通話檢測算法，針對該問題，提出一種準確度高、性能穩(wěn)定的基于信號包絡檢測（Env）和歸一化互相關（NCC）估計相結合的雙端通話檢測（DTD）算法。該算法先使用遠端信號與麥克風信號的能量包絡來判斷雙端通話是否發(fā)生，當包絡檢測不能準確地判斷雙端通話時，再使用遠端信號與麥克風信號的互相關估計對雙端通話進行最終判斷，保證雙端通話檢測的準確性。仿真實驗表明，提出的算法可以準確判斷雙端通話的開始與結束，并且受回聲路徑變化的影響較小，提升了AEC系統(tǒng)的性能。

關鍵詞： 雙端通話檢測; 聲學回聲消除; 自適應濾波; 回聲路徑估計; 包絡檢測; 互相關

中圖分類號： TN912.3?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）03?0022?05

Double?talk detection algorithm based on signal envelope and cross correlation

ZHANG Zhengwen， RAO Ding， GONG Pengcheng， TU Sichun

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： The acoustic echo cancellation （AEC） system relies on the echo path estimation of the adaptive filter. When the signal received by microphone has echo and near?end signal， the adaptive filter divergence of the analog echo path may occur， resulting in degraded echo cancellation performance， which will affect the double?talk quality in severe cases. A mature acoustic echo canceller should be based on double?talk detection algorithm. In view of this， an accurate and stable double?talk detection （DTD） algorithm based on the combination of signal envelope detection （Env） and normalized cross correlation （NCC） estimation is proposed. In the algorithm， the energy envelope of the far?end signal and the microphone signal is used to judge whether the double?talk occurs or not. When the envelope detection fails to judge double?talk accurately， cross?correlation estimation of the far?end signal and the microphone signal is adopted to perform the final judgment of the double?talk to ensure its accuracy. The simulation experiments show that the proposed algorithm can accurately judge the beginning and end of double?talk， and is less affected by the change of echo path， which improves the performance of AEC system.

Keywords： double?talk detection; acoustic echo cancellation; adaptive filtering; echo path estimation; envelope detection; cross correlation

0? 引? 言

在視頻會議系統(tǒng)、IP對講通話系統(tǒng)中，揚聲器播放的聲音經過多種路徑傳播后被麥克風拾取，并傳回到遠端形成聲學回聲，影響通話質量。因此，可以使用聲學回聲消除（Acoustic Echo Cancellation，AEC）技術來消除聲學回聲。

在聲學回聲消除系統(tǒng)中，自適應濾波器用于消除遠端語音的回聲，任何近端信號的存在都會影響其收斂[1?2]。在雙端通話期間，由于遠端語音信號與近端語音信號的不相關特性，近端信號表現為一個很強的干擾信號，使得自適應濾波算法性能下降，甚至出現自適應濾波器發(fā)散，導致講話人聽到自己的回聲，這是非常糟糕的體驗[3?4]。

因此，需要雙端通話檢測（Double Talk Detection，DTD）算法準確地判斷雙端通話的開始與結束，避免濾波器的發(fā)散，保證雙端通話的質量。根據DTD的檢測結果，如果不存在雙端通話，自適應濾波器繼續(xù)更新其系數，否則，自適應濾波器停止更新。

自從第一種基于自適應濾波器的回聲消除器的發(fā)展以來，已經提出了多種方法來檢測雙端通話。如能量比較法、相關性比較法、包絡檢測（Envelope Detection）法、過零率檢測法、語音特征提取法和估計殘余誤差信號的基頻方法等。

能量比較法簡單易行，但是誤報率高[5]。包絡檢測法是基于能量比較法的改進，降低了誤報率[6]。低延時的檢測算法也是在能量比較法上的改進，減少了檢測延時[7]。互相關比較法利用遠端信號與誤差信號之間的互相關向量來構造檢測統(tǒng)計量[8]。隨后在互相關比較法上做了一些改進，經過改進的歸一化互相關（Normalized Cross Correlation）雙端檢測算法[9?11]在性能上有所提升，但是濾波器初始收斂速度慢，當回聲路徑改變時不能快速適應新的回聲路徑。過零率檢測法[12]計算復雜度低，但只適用于固定環(huán)境，在實際環(huán)境中誤報率高?；谄娈愔捣纸夂突谡Z音特征提取的DTD算法[13?14]性能優(yōu)于經典的能量比較法和歸一化互相關算法。但是存在計算復雜度高，不利于實際應用的問題。通過自適應二階陷波濾波器估計殘余誤差信號的基頻（FFE）雙端通話檢測算法[15]具有較好的檢測性能，但是計算量大，占用內存大，在回聲路徑改變時，適應速度慢。

以上算法在某些環(huán)境中都可以獨立地進行雙端通話檢測，但是在實際復雜環(huán)境中其檢測性能受環(huán)境因素的影響較大，檢測性能下降。當近端環(huán)境噪聲過大或近端語音信號較小時，會出現誤判。

針對以上問題，本文提出一種基于信號包絡檢測和互相關估計相結合的DTD方法，可以正確判斷近端語音的開始和結束，同時使誤判率較低。

1? 雙端通話檢測

DTD作為AEC系統(tǒng)中不可缺少的一部分，在為AEC選擇DTD算法時，性能和速度是很難兼顧的。

下面簡要介紹DTD算法的基本工作流程：

1） 利用AEC系統(tǒng)中的各種信號，如遠端語音信號、麥克風信號、誤差信號等，構造一個檢測統(tǒng)計量[ξ]。

2） 將檢測統(tǒng)計量[ξ]和一個預先設定的閾值[T]相比較。一般，如果[ξ

3） 一旦檢測到雙端通話，檢測將停止一個時間段，與此同時，自適應濾波器將停止更新。

4） 如果檢測統(tǒng)計量在超過檢測的時間段內都滿足[ξ≥T]，則自適應濾波器繼續(xù)更新，直到重新檢測到[ξ

2? 改進的雙端通話檢測算法

在本節(jié)中將信號Env和NCC估計算法相結合形成一種新的DTD方法，提出的DTD方法框圖如圖1所示。

先使用遠端信號[x（n）]和麥克風信號[y（n）]進行信號包絡檢測來判斷雙端通話，再采用[x（n）]，[y（n）]兩個信號計算互相關來減少雙端通話檢測誤差。在計算信號能量包絡中信號能量是變化的，采用平均值計算有一定的誤差，本文考慮到信號包絡上升和下降的兩種情況分別計算，以提高系統(tǒng)的精確度。[x（n）]的信號包絡可以使用以下公式計算：

式中，[λ]是遺忘因子，它定義為包絡檢測器對信號幅度的快速變化做出反應的速度，用于精確估計信號能量，[0.85<λ<0.99]。同樣，其他信號的包絡也可以用這個公式計算。

麥克風的輸入信號[y（n）]包括近端語音信號[s（n）]、回聲信號[d（n）]、近端噪聲信號[b（n）]。麥克風輸入信號可表示為：

假設回聲信號的能量與遠端信號相比較低，在雙端通話期間，麥克風信號的能量大于遠端信號的能量?？傻眯盘柊j不等式：

在單邊通話期間，可近似得到：

因此，雙端通話檢測應該基于回聲和噪聲的信號包絡?；芈曅盘朳d（n）]可以使用自適應濾波器產生的回聲估計[d（n）]來代替。如果噪聲水平保持在合理的范圍內，則背景噪聲的包絡可以通過恒定的閾值[ε]來估計。在雙端通話期間，可得到不等式：

但是，這個判定標準僅適用于自適應濾波器已經收斂的情況。在自適應濾波器系數未完全收斂時，可以采用與遠端信號[x（n）]成比例的近似回聲測量來判定雙端通話，可得到不等式：

式中，[?（n）]是濾波器系數的發(fā)散度量，[?（n）≥0]。在系統(tǒng)工作中，[?（n）]應該隨著濾波器收斂而降低并在收斂期間接近零。濾波器系數的梯度向量的范數可以滿足這個條件，因為它隨著自適應濾波器收斂而幾乎單調下降。

在某一時刻，自適應算法更新時，濾波器系數[w（n）]隨著[Δw（n）]而改變，可得到：

式中：[α]是比例常數;H是共軛轉置。

在頻域自適應濾波器的情況下，根據帕賽瓦爾定理可知，一個信號能量恒等于此信號在完備正交函數集中各分量能量之和。因此，[w（n）]可以使用它的DFT之和代替。計算公式如下：

式中：[i=0，1，2，…，n];[j=0，1，2，…，n];Re表示實數部分;Im表示虛數部分。

因此，可得到判定函數如下：

將判定函數[ξEnv（n）]與預先設定的閾值[T]進行比較，[T]略小于1，如果[ξEnv（n）>T]，判定發(fā)生雙端通話。

從理論上來說，在雙端通話期間，麥克風輸入信號能量大于遠端信號能量。但是在實際應用環(huán)境中，室內脈沖響應和回聲路徑是未知的，當回聲的延遲較長將對雙端檢測系統(tǒng)有影響。在這種情況下，麥克風信號可能低于遠端輸入能量，導致錯誤的雙端通話判定。雖然這種情況很少發(fā)生，但是一旦發(fā)生，可能導致濾波器發(fā)散而降低系統(tǒng)性能。

為了解決這種問題，將NCC算法加入DTD算法中。NCC是一種常用的基于相關性的算法，利用遠端信號[x（n）]與麥克風信號[y（n）]來構造檢測函數：

其中，[rxy=E[x（n）y（n）]=Rxxh]，[h]是回聲路徑;[σ2y]是麥克風信號的方差，且有：

式中：[Rxx]是[x（n）]的自相關矩陣;[σ2s]是近端語音信號的方差;[d（n）]是回聲信號;[s（n）]是近端語音信號。當沒有近端信號存在時，判定函數[ξNCC（n）=1]，當存在近端信號時，[0<ξNCC（n）<1]。

在雙端通話期間，麥克風信號包含近端語音，因此相關系數會降低。將[ξNCC（n）]與預先設定的閾值[K]進行比較，[K]略小于1，如果[ξNCC（n）

當信號包絡檢測法無法準確地判斷雙端通話的發(fā)生時，NCC將作為最終的判斷。最終的判定函數如下：

當[η（n）=1]時則判定為發(fā)生雙端通話，濾波器停止更新，否則，判定為單端通話，濾波器繼續(xù)更新。

3? 算法仿真

由于提出的DTD方法使用自適應濾波器產生的回聲估計[d（n）]來判斷雙端通話，其性能取決于自適應濾波器的失調量。

NLMS算法是廣泛使用的自適應算法，但其失調量隨濾波器長度而增加，而頻域自適應濾波器（FDAF）使用FFT算法，具有非常低的失調量并且比NLMS算法更快，因此，FDAF更適合在嵌入式系統(tǒng)中實現所提出的算法[16?17]。

在計算信號包絡和NCC中，式（1）中的 [λ=0.996]，式（7）中的比例常數 [α=0.5]。使用[ε]估計恒定噪聲，[ε=3.1×10-3]，Env的判斷閾值[T≈1]，根據實驗經驗，NCC的判斷閾值[K=0.34]。

仿真以Matlab為平臺，使用兩段不同的語音作為遠端信號和近端信號，時間長約15 s，采樣率為8 kHz，SNR約為30 dB。近端語音與遠端語音的功率比在-30～10 dB的范圍內變化，在此范圍內確定漏檢率[Pm]和誤報率[Pf]。[Pm]和[Pf]是判斷DTD準確性的兩個主要參數。在這兩個參數中，[Pm]的值越低越好，因為雙重通話的遺漏檢測會導致自適應濾波器的發(fā)散，進一步影響語音信號的質量。

漏檢率是指在DT模式下，[η=0]的概率;誤報率是指不在DT模式下[η=1]的概率。定義式如下：

式中：[Γ0]表示存在雙端通話;[Γ1]表示不存在雙端通話。

下面將提出算法的性能水平與Geigel和NCC算法的性能水平進行比較，如圖2，圖3所示。

從圖2可以看出，與Geiel能量比較法和NCC方法相比，在低NFR情況下，本文提出的Env與NCC結合的算法漏檢率最低。漏檢率隨著近端信號功率的提高而降低，在NFR大于0 dB后，漏檢率最低。從圖3可以看出，所提出算法的誤報率要高于NCC算法，但比Geigel算法要低很多，隨著NFR的增加，誤報率始終低于4%。在實際情況中，誤報率僅在非常短的時間內凍結自適應濾波器的權系數更新，因此不會造成濾波器發(fā)散。

在NFR為-10 dB，發(fā)生雙端通話的情況下，進行回聲消除實驗。圖4是近端語音信號、遠端語音回聲信號和近端麥克風接收到的信號，在2 s，4 s，6 s，9.5 s，11.5 s處發(fā)生雙端通話。圖5給出了三種DTD算法下的回聲消除實驗結果。

從圖4，圖5可以看出，Geigel算法在檢測時容易出現誤檢情況，導致殘余回聲較多，在11.5 s時，近端語音信號較小，NCC算法出現漏檢情況，導致近端語音信號也被抑制，沒有保證完整的雙端通話。本文提出的Env與NCC結合的算法則能保持良好的檢測性能，保證完整雙端通話的同時降低誤檢情況，從而提升了回聲消除性能。

4? 結? 語

本文基于遠端和麥克風信號的包絡檢測和互相關估計，提出一種新的DTD算法，并通過仿真實驗驗證了其性能。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的算法提高了DTD的準確性及穩(wěn)定性，提升了AEC系統(tǒng)性能，可以更好地應用在實際環(huán)境中。雙端通話的某些部分中出現的小檢測延遲將在未來的工作中得到改進。

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