CN111294474B - 一种双端通话检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双端通话检测方法。传统双端通话状态检测方法易出现双端通话状态的误判，不能实现较优的回声消除效果。麦克风信号的采样值包含较大的噪声值，不能很好的反映回声路径损耗，容易造成双端通话的误判。本发明方法首先对参考信号进行低通滤波处理，得到低频参考信号，然后由扬声器播放低频参考信号；对麦克风信号分帧加窗后，得到麦克风信号的能量值，对低频参考信号分帧加窗后，得到低频参考信号能量值；利用麦克风信号的能量值、低频参考信号能量、麦克风信号的高频信息分量状态进行双端通话检测。本发明方法借助了低频参考信号和麦克风信号的频谱特征差异，不易受到应用环境噪声的干扰，提高了双端通话检测的鲁棒性和准确性。

Description

一种双端通话检测方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，涉及语音信号处理中的声学回声消除(AEC,Acoustic Echo Cancellation)技术，具体涉及一种双端通话状态检测的方法。
背景技术
声学回声消除系统是电话通信中必不可少的一个部分。完整的声学回声消除系统通常包括双端通话检测和自适应滤波器两个部分。自适应滤波器需要在仅有远端通话时进行滤波器权重的更新，而在双端安静、近端通话、双端通话状态下，保持滤波器权重不变。若在双端安静、近端通话、双端通话状态下，进行滤波器权重的更新，可能导致滤波器权重发散。因此，准确的双端通话状态的检测，影响着自适应滤波器的权重更新，进而影响到声学回声消除系统的效果。
传统的双端通话状态检测的包括Geigel和相关比较法。
Geigel算法是基于网络回声消除应用中回声路径损耗为6dB这一经验事实，对当前时刻自适应滤波器的输入信号和一段时间内扬声器输出信号的最大值做比较来判断是否发生双端通话。若当前时刻自适应滤波器的输入信号大于一段时间内扬声器输出信号的最大值，则判断发生双端通话；否则，判断未发生双端通话。Geigel算法属于典型的能量比较法，结构简单且易于实现，进而被广泛使用。但Geigel算法的性能依赖于硬件设备和实际应用环境，尤其在低信噪比或者嘈杂环境下，麦克风信号的采样值包含较大的噪声值，不能很好的反映回声路径损耗，造成双端通话的误判。
相关比较法是通过比较多个信号之间的相关性，进行双端通话的检测。通常，可选择麦克风信号、残差信号和估计回声信号之间的互相关系数来判定是否出现双端通话。当不存在双端通话时，麦克风信号与估计回声信号相关性较大，而麦克风信号与残差信号相关性较小。当检测到麦克风信号与估计回声信号相关性趋向小值，而麦克风信号与残差信号相关性趋向大值时，则判断发生了双端通话。相关比较法利用信号之间的相关性，对能量做了归一化，有效地减轻了应用环境变化的影响。但相关性判断易受到麦克风信号与参考信号的时延差影响，需要结合时延估计模块来提升效果，增大了计算量，提高了双端通话检测的复杂度，并且时延估计模块的性能也会影响双端通话检测的性能。
传统的双端通话状态检测方法依赖于较好的近端通话环境和低延迟的场景，一定程度上实现了简单易用的双端通话检测功能，但未考虑到实际应用中复杂的应用场景和网络延迟造成的影响，易出现双端通话状态的误判，导致滤波器权重的发散，进而不能实现较优的回声消除效果。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于预处理参考信号的双端通话检测方法。
本发明方法具体是：
步骤(1).对参考信号进行低通滤波处理，得到低频参考信号，然后由扬声器播放低频参考信号；
步骤(2).对麦克风信号d(n)分帧加窗后，得到麦克风信号的能量值E1：
Figure BDA0002383669820000021
式中，d(n-i)是一帧的数值，i＝0,1,2,…,N-1，表示数据序列，N表示麦克风信号的帧长；
对低频参考信号x(n)分帧加窗后，得到低频参考信号能量值E2：
Figure BDA0002383669820000022
式中，x(n-j)是一帧的数值，j＝0,1,2,…,M-1，M表示低频参考信号的帧长；
步骤(3).利用麦克风信号的能量值E1、低频参考信号能量值E2、麦克风信号的高频信息分量状态SMH进行双端通话检测，具体如下：
(3-1).将麦克风信号的能量值E1与设定阈值T1相比较：若E1＜T1，则判断当前通话状态为双端安静S1；若E1≥T1，则执行(3-2)；其中，设定阈值T1＝1600·N～2500·N；
(3-2).将低频参考信号的能量值E2与设定阈值T2相比较：若E2＜T2，则判断当前通话状态为近端单讲S2；若E2≥T2，则执行(3-3)；其中，设定阈值T2＝1600·M～2500·M；
(3-3).检测麦克风信号的高频信息分量状态SMH，将SMH设为0或1，采用以下两种方法之一：
a.对麦克风信号进行过零率ZCR统计，将过零率ZCR与阈值C1相比较：
若ZCR＜C1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为0；若ZCR≥C1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为1；其中，阈值C1＝25～38；
b.将麦克风信号进行FFT计算，转换为频域信号E(f)；以截止频率Fc为分界线，分别计算麦克风信号的高频能量EH和低频能量EL：
Figure BDA0002383669820000031
0＜f≤Fc；fs为采样率；
通过高频能量EH和低频能量EL得到高低频能量比RHL：
Figure BDA0002383669820000032
将高低频能量比RHL与阈值R1相比较：
若RHL＜R1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为0；若RHL≥R1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为1；其中，阈值R1＝0.0005～0.001；
(3-4).若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为0，则判断当前通话状态为远端单讲S3；若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为1，则判断当前通话状态为双端通话S4。
在现代通话系统中，语音信号传输的带宽为3KHz，频率范围为300～3300Hz。事实证明，目前通话系统的带宽，提供了足够的声音信号质量，足以使本地通话者区分远端的说话人，以及说话人语音中的情感。在对讲机和楼宇可视电话等应用中，都借鉴了通话系统中保留有效带宽内语音信号的做法。
本发明设计了低通滤波器，保留了扬声器语音信号中的有效质量成分，构造得到了低频参考信号。利用低频参考信号和麦克风信号在频域上的特征差异，这种高频特征的差异弱化了环境噪声带来的影响，提高了双讲检测的鲁棒性和准确性，能够有效地解决双端通话检测问题，得到置信度更高的滤波器权重，实现更好的回声消除效果。
本发明方法不需要时延估计模块的辅助，降低了算法应用的复杂度。本发明方法借助了低频参考信号和麦克风信号的频谱特征差异，不易受到应用环境噪声的干扰，提高了双端通话检测的鲁棒性和准确性。
附图说明
图1是本发明一个实施例的流程图；
图2是本发明另一实施例的流程图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述。应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1.
如图1所示，一种双端通话检测方法，该方法操作步骤如下：
步骤(1).以16KHz的采样率fs对通话过程的信号进行采样，获取一段双讲发生时的麦克风信号和参考信号，对参考信号进行低通滤波处理得到低频参考信号，低通滤波器的截止频率Fc设定为4KHz，再由扬声器播放此低频参考信号。
步骤(2).对麦克风信号d(n)分帧加窗后，得到麦克风信号的能量值E1：
Figure BDA0002383669820000041
式中，d(n-i)是一帧的数值，i＝0,1,2,…,N-1，表示数据序列，N表示麦克风信号的帧长；
对低频参考信号x(n)分帧加窗后，得到低频参考信号能量值E2：
Figure BDA0002383669820000042
式中，x(n-j)是一帧的数值，j＝0,1,2,…,M-1，M表示低频参考信号的帧长。
步骤(3).利用麦克风信号的能量值E1、低频参考信号能量值E2、麦克风信号的高频信息分量状态SMH进行双端通话检测，具体如下：
(3-1).将麦克风信号的能量值E1与设定阈值T1相比较：若E1＜T1，则判断当前通话状态为双端安静S1；若E1≥T1，则执行(3-2)；其中，设定阈值T1＝1600·N～2500·N，本实施例T1＝2500·N；
(3-2).将低频参考信号的能量值E2与设定阈值T2相比较：若E2＜T2，则判断当前通话状态为近端单讲S2；若E2≥T2，则执行(3-3)；其中，设定阈值T2＝1600·M～2500·M，本实施例T2＝2500·M；
(3-3).对麦克风信号进行过零率ZCR统计，将过零率ZCR与阈值C1比较：若ZCR＜C1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为0；若ZCR≥C1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为1；其中，阈值C1＝25～38，本实施例设定C1＝36；
(3-4).若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为0，说明麦克风的短时过零率小于阈值，不存在近端说话人应有的高频语音信号，判断当前通话状态为远端单讲S3；
若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为1，表明此时麦克风信号存在明显的高频语音信号，且此信号不来自于参考信号，因此近端有说话人说话，此时的通话状态为双端通话S4。
实施例2.
如图2所示，一种双端通话检测方法，该方法操作步骤如下：
步骤(1).以16KHz的采样率fs对通话过程的信号进行采样，获取一段双讲发生时的麦克风信号和参考信号，对参考信号进行低通滤波处理得到低频参考信号，低通滤波器的截止频率Fc设定为4KHz，再由扬声器播放此低频参考信号；
步骤(2).对麦克风信号d(n)分帧加窗后，得到麦克风信号的能量值E1：
Figure BDA0002383669820000051
式中，d(n-i)是一帧的数值，i＝0,1,2,…,N-1，表示数据序列，N表示麦克风信号的帧长；
对低频参考信号x(n)分帧加窗后，得到低频参考信号能量值E2：
Figure BDA0002383669820000052
式中，x(n-j)是一帧的数值，j＝0,1,2,…,M-1，M表示低频参考信号的帧长。
步骤(3).利用麦克风信号的能量值E1、低频参考信号能量值E2、麦克风信号的高频信息分量状态SMH进行双端通话检测，具体如下：
(3-1).将麦克风信号的能量值E1与设定阈值T1相比较：若E1＜T1，则判断当前通话状态为双端安静S1；若E1≥T1，则执行(3-2)；其中，设定阈值T1＝1600·N；
(3-2).将低频参考信号的能量值E2与设定阈值T2相比较：若E2＜T2，则判断当前通话状态为近端单讲S2；若E2≥T2，则执行(3-3)；其中，设定阈值T2＝1600·M；
(3-3).对麦克风信号的高频信号分量的检测，采用高低频能量比来做判断；将麦克风信号进行FFT计算，转换为频域信号E(f)；以截止频率Fc为分界线，分别计算麦克风信号的高频能量EH和低频能量EL：
EH＝∑[E(f)]2,4KHz＜f＜8KHz；EL＝∑[E(f)]2,0＜f≤4KHz；
通过高频能量EH和低频能量EL得到高低频能量比RHL：
Figure BDA0002383669820000061
将高低频能量比RHL与阈值R1相比较：若RHL＜R1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为0；若RHL≥R1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为1；其中，阈值R1＝0.0005～0.001，本实施例中R1＝0.001；
(3-4).若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为0，表示麦克风信号的高频能量较小，麦克风中不存在高频语音信号，判断当前通话状态为远端单讲S3；
若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为1，表明此时麦克风信号存在明显的高频语音信号，且此信号不来自于参考信号，因此近端有说话人说话，此时的通话状态为双端通话S4。

Claims (6)

1.一种双端通话检测方法，其特征在于，该方法具体是：
步骤(1).对参考信号进行低通滤波处理，得到低频参考信号，然后由扬声器播放低频参考信号；
步骤(2).对麦克风信号d(n)分帧加窗后，得到麦克风信号的能量值E1：
Figure FDA0002383669810000011
式中，d(n-i)是一帧的数值，i＝0,1,2,…,N-1，表示数据序列，N表示麦克风信号的帧长；
对低频参考信号x(n)分帧加窗后，得到低频参考信号能量值E2：
Figure FDA0002383669810000012
式中，x(n-j)是一帧的数值，j＝0,1,2,…,M-1，M表示低频参考信号的帧长；
步骤(3).利用麦克风信号的能量值E1、低频参考信号能量值E2、麦克风信号的高频信息分量状态SMH进行双端通话检测，具体如下：
(3-1).将麦克风信号的能量值E1与设定阈值T1相比较：若E1＜T1，则判断当前通话状态为双端安静S1；若E1≥T1，则执行(3-2)；
(3-2).将低频参考信号的能量值E2与设定阈值T2相比较：若E2＜T2，则判断当前通话状态为近端单讲S2；若E2≥T2，则执行(3-3)；
(3-3).检测麦克风信号的高频信息分量状态SMH，将SMH设为0或1；
(3-4).若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为0，则判断当前通话状态为远端单讲S3；若麦克风信号的高频信息分量状态SMH为1，则判断当前通话状态为双端通话S4。
2.如权利要求1所述的一种双端通话检测方法，其特征在于，将SMH设为0或1的具体方法是：对麦克风信号进行过零率ZCR统计，将过零率ZCR与阈值C1比较：若ZCR＜C1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为0；若ZCR≥C1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为1。
3.如权利要求1所述的一种双端通话检测方法，其特征在于，将SMH设为0或1的具体方法是：将麦克风信号进行FFT计算，转换为频域信号E(f)；以截止频率Fc为分界线，分别计算麦克风信号的高频能量EH和低频能量EL：
Figure FDA0002383669810000021
0＜f≤Fc；fs为采样率；
通过高频能量EH和低频能量EL得到高低频能量比RHL：
Figure FDA0002383669810000022
将高低频能量比RHL与阈值R1比较：若RHL＜R1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为0；若RHL≥R1，则麦克风信号的高频信息分量状态SMH设为1。
4.如权利要求1所述的一种双端通话检测方法，其特征在于：设定阈值T1＝1600·N～2500·N，T2＝1600·M～2500·M。
5.如权利要求2所述的一种双端通话检测方法，其特征在于：阈值C1＝25～38。
6.如权利要求3所述的一种双端通话检测方法，其特征在于：阈值R1＝0.0005～0.001。
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