回声抵消技术中DTD算法综述

何海 付仕明 叶顺舟

【摘要】 DTD（双端发声检测）是回声抵消中的一项关键技术。其判定的准确与否直接影响自适应滤波器的收敛性能，进而影响整个回声抵消的性能。本文对当前主要的一些DTD算法进行了介绍。

【关键字】 回声抵消 双端检测 DTD 能量检测法 相关检测法

一、引言

回声抵消的基本原理如图1所示。远端信号x（k）通过声学回波信道h产生回波y（k），然后混合近端声音v（k）得到近端信号d（k）。通过使用自适应滤波器h？来模拟信道h，可以使得）（？ky逼近回波，进而达到回波抵消的目的。

从上图可以看出，回声抵消的核心即是：尽快的预估出h？，使其尽可能的逼近真实的h。当前通常采用的，通过各种自适应滤波算法预估h？，如：LMS，NLMS，AP等。若不存在v（k），这些自适应滤波算法均能或快或慢的达到稳态收敛，抵消掉绝大部分回波信号；但当存在v（k）时，等效于加入了大信号的噪声，所以会极大影响自适应算法的收敛速度，严重时会造成发散。

以商用中较为常见的一种自适应算法NLMS算法为例：

在式（1.5）中，v（k）的存在将滤波器系数产生较大的误差，甚至引起发散。

因此，一般的回声抵消算法中都包含自适应滤波和双端检测两个主要部分，双端检测即是对当前语音通话状态进行判定（近端讲话，远端讲话和双端讲话），而双端检测算法的判定准确性高低直接决定着回声抵消算法的优劣。当判定为近端讲话状态时，自适应滤波器既不进行滤波也不进行系数更新；判定为双端讲话的时不进行系数更新但是要进行自适应滤波；只有在远端语音状态下既要进行滤波又要进行系数的更新。

二、双端发声检测算法研究历史与现状

D. L. Duttweiler于1978年提出的Geigel算法[1]是一种最基本的双端发声检测算法，它用先前远端N个采样点中最大幅值的信号乘以乘积因子0.5，如果大于当前远端采样点的信号幅值，则判定为双端发声。算法的理论基础是，在典型的网络回波抵消应用中，回波路径损耗为6dB这一经验事实，N值的确定取决于回波路径的时延。在电回波抵消应用中，回波信道环境相对固定，通过测定一个固定的回波路径损耗值，就能很好的模拟信道，因而算法有很好的效果且实现简单，运算复杂度低。但是它的局限性是比较门限的设定比较粗糙，难以普适于信道环境变化的场合。Geigel算法是能量比较法的典型代表。

H. Ye 和 B.X. Wu用远端信号和误差信号的互相关作为比较参数，提出了改进的算法——相关检测法[2]。当不存在双端发声时，自适应滤波器能很好地逼近回波信道，误差信号中残留的远端信号较小，使得该相关值较小。以该相关值作为比较参数，当它大于0时，判定为双端发声。该算法实质是通过判定自适应滤波器的状态进而判定双讲状态，将滤波器未收敛完成与双讲状态相对应，但是由于回波信道或多或少会变换，自适应滤波器会相应的去自适应，使得该算法双讲检测的性能较差。

T.Gansler提出了一种基于远端信号和话筒输入信号相关性的算法[3]。优点是实现简单且复杂度不高。缺点是不能充分的对相关值进行归一化，得门限值的设定极大的取决于输入信号的统计特性和回声路径特性。

利用固定门限来判定双端发声，J.Benesty提出了一种基于回波信号和近端信号归一化互相关值的方法[4]。虽然能较好的应用于大多数场合，但和上面提到的算法一样，近端噪声的加入仍然会影响它的判决精确度。

上述算法的一个共同缺点是不能适应声回波抵消环境中回波信道不断变化的特性。于是，出现了一种新的算法——双滤波器法[5]。它引入的辅助滤波器和系数缓存的概念。这种结构中含有两个滤波器，信道的跟踪由自适应滤波器完成，而回波抵消则由自适应滤波器和辅助滤波器共同完成。主滤波器系数的更新过程一直进行，不受基于双端发声检测的回波抵消控制器的控制。当双端发声使得自适应滤波器系数发散时，通过回波抵消控制器的控制，使用辅助滤波器的滤波结果，从而保证回波抵消性能；当发生信道变化时，由于自适应滤波器的系数更新过程一直进行，保证了自适应滤波器能够快速跟踪信道的变化，同时根据自适应滤波器在信道变化后的收敛程度决定此时选择自适应滤波器的输出结果y（k），还是辅助滤波器的滤波结果ya（k）。显然，在以上两种情况下，辅助滤波器体现的是在自适应滤波器系数发散前对信道的一个较好的逼近或估计。所以为了判定什么时刻自适应滤波器系数是信道的一个较好的逼近，以便于以此刻的自适应滤波器系数构造辅助滤波器，首先要定义一个数值量来反映自适应滤波器系数逼近信道程度，可以用相关检测法中的归一化互相关值来估计。

由上可以看出，虽然双滤波器法仍然存在门限值的选定，对噪声的敏感等问题会引起滤波器的发散，但是它引入了备用策略，辅助滤波器的系数定期保存着当前对信道的最佳逼近。所以，当主滤波器发散时，马上用辅助滤波器进行回复，使得整个回波抵消装置不至于崩溃。但是，该算法的计算量偏大。

三、结束语

本文介绍了当前主要的一些双端检测算法。双端检测算法可以大致分为两类：能量比较法和相关性比较法，各自存在优缺点。能量比较法实现简单，复杂度低，但是门限的选取较固定，难以适应回声环境变换的场合，性能较不可靠；而相关比较法对应回声环境变换的场合适应性较好，相应的，实现复杂度相对较高。双滤波器法本质上仍是能量比较法和相关比较法，只是增加了备份回退的策略。

参 考 文 献

[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 一种使用双滤波器的回波消除算法 数据采集与处理 2006.3