音频处理之回声消除及调试经验

本文讲的回声（Echo）是指语音通信时产生的回声，即打电话时自己讲的话又从对方传回来被自己听到。回声在固话和手机上都有，小时还可以忍受，大时严重影响沟通交流，它是影响语音质量的重要因素之一。可能有的朋友要问了，为什么我打电话时没有听见自己的回声，那是因为市面上的成熟产品回声都被消除掉了。回声分为线路回声（line echo）和声学回声（acoustic echo），线路回声主要存在于固话中，是由于2-4线转换引入的回声，声学回声是由于空间声学反射产生的回声 。回声消除（Echo canceller, EC）是语音前处理的重要环节，下面主要讲其基本原理和调试中的一些经验。

1，基本原理

1）自适应滤波器和自适应算法

一般滤波器的系数是固定的，而自适应滤波器的系数是变化的，是依据自适应算法来调整滤波器系数的。自适应滤波器的结构采用FIR或IIR均可，由于IIR存在稳定性问题，因此一般采用FIR。下图是自适应滤波器的一般结构：

                                                           

上图中，x(k)为输入信号，y(k)为输出信号，d(k)为期望信号，e(k)是d(k)和y(k)的误差信号。自适应滤波器的滤波器系数受误差信号e(k)控制，根据e(k)的值和自适应算法自动调整。

自适应算法一般采用LMS(least mean square，最小均方)算法及其变种（如NLMS算法）。LMS算法是随机梯度算法族中的一员。具体可以看相关的文章。

2）回声消除基本原理。

下图是回声消除基本原理的框图：

                              

处理过程如下：

a)     算近端远端语音数据的energy，确定双方是silent还是talk。

b)    远端输入经过自适应FIR滤波器后就得到了近似于近端输入的数据，并与近端输入相减后得到了误差e。误差e作为自适应LMS算法的输入在需要的时候去更新自适应FIR滤波器的系数给后面远端数据处理用。在需要的时候是指远端talk近端silent的情况，其他情况（比如double silent / double talk）下不需要更新FIR滤波器的系数。

c)     误差e同时也会经过NLP（非线性处理）后产生舒适噪声送给对方。

2，调试

EC相对较难，要做的很好很不容易。在webRTC开源前主要是大公司和专业的算法公司有好的实现方案，一般公司要想产品里有EC就去买算法库。webRTC开源后一些核心的算法（包括AEC/ANS/AGC等）也随之开源，这样众公司开始用webRTC里的算法，尤其是互联网公司，AEC等算法基本都是用的webRTC的。

本人有两次EC的调试经历。第一次是在芯片公司，做语音解决方案。从公司的算法部门拿来了回声消除实现，把它用到解决方案中。另一次是在移动互联网公司，做实时语音通信类APP，要把webRTC的AEC用到APP中。第一次花的时间较多，要学习原理，看算法代码，做应用程序验证算法并且要修改系数，在产品上调试等。第二次有了第一次的基础再加上webRTC封装的较好从而花的时间较短。个人觉得对EC零基础但已有EC算法代码的基础上去调试主要有如下几步：

1）学习回声消除的基本原理，涉及信号处理知识（从固定系数滤波器到系数自适应滤波器）和高等数学知识（梯度）等。因为不是做算法，掌握基本的就可以了。如果基础扎实，当然搞得越明白越好了。

2）看算法代码。如果有实现的设计文档那是最好了，好多算法实现有技巧，有设计文档的话能更好的帮助理解代码。没有只能硬着头皮啃了。刚开始可能有些看不懂，多看几遍，也许每一次都会多懂一些。

3）做个应用程序验证算法。这个应用程序输入是近端和远端的PCM文件，把EC的输出写进一个PCM文件里，看处理效果如何。这里面也可以分几小步：

a)     设latency为零，近端和远端的PCM文件相同，理论上输出是全零数据。如果是这样，恭喜你选择的算法有一个好的base。如果不是那就需要去调算法里的一些系数了，这也许要调好多次，最终调试结果要是算法输出基本听不见回声。

b)    设一定的latency，近端的PCM和远端的数据一样，但是近端的PCM数据相对远端的有一定的delay，这个值跟设定的latency值是一样的，这时理论上输出还是全零数据。

c)    获取实际产品上的近端和远端PCM数据，可以近似得到近端和远端的latency。把这几个作为输入，看算法输出，也要基本听不见回声。这步调好后算法基本上就可以用了。

4)  在具体硬件平台上去调。每个硬件平台上的latency都是不一样的。在芯片公司时有demo板，每个客户也有他们的电路板，硬件平台相对不多一个个获取近远端PCM数据调好latency就可以了。在移动互联网公司做APP时，手机类型众多，用上面方法太累，于是在UI上做了一个滑动条去配置latency，让测试人员去测试找到一个相对较好的latency，然后放在配置文件里保存下来，以后这款手机就用这个latency值了。

经过上面几步后在真正产品上的EC调试就算结束了。