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            頻域BLMS算法

            更新時(shí)間:2023-11-03 00:51:47 閱讀: 評(píng)論:0

            高中數(shù)學(xué)講解-二十四周

            頻域BLMS算法
            2023年11月3日發(fā)(作者:動(dòng)物游戲之謎教案)

            第5章頻域白適應(yīng)濾波技術(shù)抗窄帶干擾

            5-27)可知:k。取決于禮。。所以,當(dāng)輸入信號(hào)相關(guān)矩陣的特征值分散時(shí),BLMS算法的

            收斂性能很差。

            5.2.2算法的穩(wěn)態(tài)誤差和失調(diào)系數(shù)

            引入失調(diào)系數(shù)S來描繪算法的穩(wěn)態(tài)誤差咨對(duì)最小誤差氛1。的相對(duì)偏差,有

            、_全鮑

            氛,

            L兄一 客凡

            其中,凡為輸入信號(hào)相關(guān)矩陣的特征值。上式也可用輸入功率表示:

            ‘二PL。一

            由此可知:自適應(yīng)濾波器的階數(shù)越高,權(quán)值更新步長(zhǎng)越大;輸入信號(hào)功率越大,就使得失

            調(diào)系數(shù)越大,即算法的穩(wěn)態(tài)誤差越大。

            5. 2. LMS算法小結(jié)

            BLMS算法由于其并行處理的作用,使得其和標(biāo)準(zhǔn)LMS算法相比較,運(yùn)算速度更快。而

            且,在同等條件下,山于步長(zhǎng)因子p的減小,使得穩(wěn)態(tài)誤差相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)LMS算法來說要小

            的多。但在輸入信號(hào)相關(guān)矩陣的特征值分散程度比較大的情況下,BLMS算法的收斂性能本

            來很差,而在收斂范圍內(nèi),對(duì)步長(zhǎng)因子k的限制越大,即尸取值越小,算法收斂速度越慢。

            因此,在抑制大功率多窄帶干擾時(shí),BLMS算法同標(biāo)準(zhǔn)AS算法一樣,存在局限性。

            5.3頻域BLMS算法

            由于BLMS算法的輸出和梯度分別是線性卷積和線性相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算,可用快速傅里葉

            變換(FFT)實(shí)現(xiàn)。利用FFT變換和重疊保留法,Ferrara提出了頻域BLMS算法1。該算法

            能夠獲得很好的處理效率,有利于抗干擾系統(tǒng)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

            5.3. 1線性卷積與線性相關(guān)的FF丁算法

            在頻域BUMS算法中,要利用FFT算法來完成線性卷積和線性相關(guān)的運(yùn)算,即利用圓

            周卷積和圓周相關(guān)來代替線性卷積和線性相關(guān),常稱之為快速卷積和快速相關(guān)1。并由

            此引出了重疊相加法和重疊保留法。

            首先介紹四個(gè)公式,分別為線性卷積,圓周卷積,線性相關(guān),圓周相關(guān)。

            一藝x一)

            0‘n _N,+NZ一2

            (5-31)

            人慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文

            es

            es

            es

            es

            es

            x2 m)n一,)、Jn) :n、N一

            J‘

            (5-32)

            ??藝x)。m‘、+N

            n=0

            N-1

            m)=藝xn)n+m)NRN(m) 0<_m:N一I

            若是線性卷積和線性相關(guān)時(shí),設(shè)x, n)是長(zhǎng)度為N,的有限長(zhǎng)序列(0<_n_N,一1)

            x2n)是長(zhǎng)度為N2的有限長(zhǎng)序列(0<_n:N2一1),若是圓周卷積和圓周相關(guān)時(shí),設(shè)x, n)

            x2 n)都是長(zhǎng)度全為N的有限長(zhǎng)序列(0<n<_N一1)。而根據(jù)離散傅立葉變換的性質(zhì)可知,

            圓周卷積與圓周相關(guān)具有以下性質(zhì):

            其中,X, k) =DFT[x, n)X2 k) =DFT[x2 n)R,k)一DFT[ m)

            YR k) DFT[YR n)]。由上面兩式可知:時(shí)域圓周卷積與圓周舊關(guān)在頻域上相當(dāng)于兩序列

            DFT的相乘。因此,可以采用DFT的快速算法一快速傅立葉變換(FFT)算法來計(jì)算圓周運(yùn)

            算。但是,一般實(shí)際問題都涉及到線性卷積、線性相關(guān)運(yùn)算,那么是否能用圓周運(yùn)算代替

            線性運(yùn)算是解決這一問題的關(guān)鍵。

            經(jīng)過研究,我們發(fā)現(xiàn):若將序列x, n) x2 n)進(jìn)行如下延拓后,線性運(yùn)算等于圓周運(yùn)

            算(注:N?N,+N2一1),即:若

            x, n)二

            隊(duì)尸林

            x, n)

            這樣,利用式(4-32)和(4-33),在一定條件下,就可方便、簡(jiǎn)潔的求出線性卷積與線性相

            關(guān)。

            --

            x2 n)=

            Y, n)=YR(n)=IDFT[Xi k)X2 k)

            m)=、,,)=IDFT[X, X2

            (5-33)

            (5-34)

            珠( k)=X, k)X2 k) (5-35)

            R, k)=X, X2 6)

            0‘n‘N,一1

            N,‘n‘N一1

            n) 0‘n‘N:一1

            NZ‘n< _N一1

            5-37)

            (5-38)

            第5章頻域自適應(yīng)濾波技術(shù)抗窄帶十?dāng)_

            從上面分析可知:線性運(yùn)算等于圓周運(yùn)算是通過對(duì)輸入序列進(jìn)行0值延拓得到的。而

            在實(shí)際應(yīng)用中,常遇到某輸入序列很長(zhǎng)而另一輸入序列較短這種情況,此時(shí)利用圓周運(yùn)算,

            短序列就必須補(bǔ)很多個(gè)0值點(diǎn),顯然很不經(jīng)濟(jì)。為此,我們采取了相應(yīng)的改進(jìn):將長(zhǎng)序列

            分成長(zhǎng)度和短序列相當(dāng)?shù)囊欢味危謩e求出每段的結(jié)果,再利用一定的方式把它們組合起

            來,得到總的輸出。而這每一段的輸出都是采用FFT算法實(shí)現(xiàn)的。

            常用的分段辦法有兩種:重疊保留法和重疊相加法。在執(zhí)行頻域BLMS算法時(shí),重疊

            相加法的運(yùn)算量要比重疊保留法的運(yùn)算量大,而重疊保留法在當(dāng)輸入序列重疊50%時(shí)最有

            效。因此,本章論述的頻域算法都是采用重疊50%的重疊保留法來完成線性卷積和線性相

            關(guān)的。

            1.重疊保留法

            設(shè)x, n)為長(zhǎng)序列,則我們以x2 n)的長(zhǎng)度N,為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)x, n)進(jìn)行分段,用x,n)表

            示x, n)的第i段,其中,L為x, n)的總段數(shù),則

            一幾

            x, n)

            N2 +1‘n‘i N2

            其它

            =1二,

            (5-39)

            而長(zhǎng)序列x, n)又可用x,n)表示為:

            一藝x

            在計(jì)算線性卷積時(shí),x, n)和x2 n)的線性卷積運(yùn)算等于各x,n)和x2 n)的線性卷積運(yùn)

            算之和,即:

            )一x)二藝xx2

            (5-40)

            其中,每一個(gè)x,n) x2 n)都可用上面討論的快速卷積的辦法運(yùn)算,所不同的是:在

            對(duì)序列x,n)和x2 n)進(jìn)行延拓時(shí),重疊保留法采用在序列x,n)的前邊補(bǔ)上前一段序列

            x??_n) ,而不是在其后補(bǔ)零;序列x2 n)仍采用在其后補(bǔ)上N2個(gè)零值點(diǎn)構(gòu)成長(zhǎng)為2N2的

            序列。這時(shí),如果用FFT實(shí)現(xiàn)x,n) x2 n)的圓周卷積,則其每個(gè)圓周卷積結(jié)果的前N2個(gè)

            點(diǎn)不等于線性卷積,必須舍去。然后把相鄰各輸出段留下的序列銜接起來,就構(gòu)成了最后

            的正確輸出。

            2.重疊相加法

            此法和上法稍有不同:重疊相加法對(duì)x, n)和x2 n)的延拓是采用在其后補(bǔ)NZ個(gè)零值

            點(diǎn),然后再作圓周運(yùn)算求解;而相鄰兩段輸出序列必然要發(fā)生重疊,即前一段的后N:個(gè)

            點(diǎn)和后一段的前N2個(gè)點(diǎn)相重疊,而將重疊部分相加再和不重疊部分組合即為最后的正確

            輸出。

            大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文

            5.3.2頻域BLMS算法的簡(jiǎn)單推導(dǎo)

            _頻域BLMS算法[本質(zhì)上是時(shí)域BLMS算法的快速實(shí)現(xiàn),即將時(shí)域數(shù)據(jù)分組構(gòu)成N個(gè)點(diǎn)

            的數(shù)據(jù)塊,且在每塊上濾波權(quán)系數(shù)保持不變。頻域BLMS算法在頻域內(nèi)可以用數(shù)字信號(hào)處理

            中的重疊保留法來實(shí)現(xiàn),但其計(jì)算量比時(shí)域BLMS算法大大減少。也可以用重疊相加法來計(jì)

            算,但這種算法與重疊保留法相比需要更大的計(jì)算量。塊數(shù)據(jù)的任何重疊比例都是可行的,

            但以50%的重疊計(jì)算效率為最高,算法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5-3所示。

            圖5-3頻域BLMS算法的結(jié)構(gòu)框

            Fig. 5一3 the structure of requency doma

            設(shè)濾波器階數(shù)等于M,采用509 重疊保留法時(shí),輸入x(n)分成長(zhǎng)為M的批。第k批

            的輸入為

            x(k)=[x(kM)x(kM x(M一1

            (5-41)

            in

            BLMS algorithm

            若k=1時(shí),在x()的前面添置M個(gè)零。

            令權(quán)系數(shù)在第k批輸入時(shí)為

            兩者線性卷積長(zhǎng)為2M一1。

            為了進(jìn)行頻域處理,必須對(duì)輸入及脈沖響應(yīng)進(jìn)行延拓,使其周期N?2M-la 509

            疊保留法的延拓周期為2M。且權(quán)矢量延拓為

            w( k) w, k)w} k)二、-,-k) 5-42)

            w' k) w' k)0,二、0] 5-43)

            即其后添M個(gè)0成為2M長(zhǎng)。而輸入矢量則按下列方式延拓成2M長(zhǎng)。

            x(k一1M)一、x(M一1x(M)x(kM+M一01

            x' k) x' k一1xT k) (5-44)

            第5章頻域自適應(yīng)i披技術(shù)抗窄帶十?dāng)_

            將上述2M維矢量進(jìn)行2M點(diǎn)FFT得

            磷( k)=FFT[w'k)

            (5-45)

            _ k)=Dig(FFT[x'k)

            (5-46)

            w'k)和x'k)的卷積也是2M長(zhǎng),但只有其后面M個(gè)元才是w(們和x(k)的卷積y(k)

            w'k)和x'k)的卷積由下式實(shí)現(xiàn):

            y'k)=IFFT[X,k)W,(k)

            (5-47)

            則w(k)和x仕)的卷積為

            y(k) =[y(kM),?,y(M+M一1

            y'k)的最后M個(gè)元素。

            (5-48)

            為在頻域?qū)崿F(xiàn)權(quán)更新公式(5-30)

            需計(jì)算(5-29)的v污的求和項(xiàng)。誤差與輸入

            的互關(guān)為:

            Vik)=叉eM+‘一J),一0二,M-

            (5-49)

            則有V(k)=[V,(k)VM-k)

            (5-50)

            所以:w=粵、(

            (5-51)

            令列矢量

            )=FFT[d(M)y(M)

            二,kM十M一1)一y(kM十M一1

            則0(k)可由下式得到:

            :(一{的前M項(xiàng)。

            “1

            頻域中權(quán)矢量更新公式為:

            _、二

            (5-52)

            D(k)

            (5-53)

            式(5-43)-(5-53)就是BLMS的頻域?qū)崿F(xiàn)公式。此算法又稱為快速LMS(fast LMS,FLMS)

            算法。頻域BLMS算法的流程圖如圖5-4所示:

            人慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文

            圖5-4 FLMS算法的流程圖

            Fig. 5-4 the flow chart FLMS algorithm

            5.3.3頻域BLMS算法的計(jì)算量分析

            頻域自適應(yīng)濾波與時(shí)域算法相比,除了在收斂條件和收斂速度上具有較大優(yōu)勢(shì)外,還

            有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是計(jì)算的速度快。這里,對(duì)這兩種算法的計(jì)算復(fù)雜度來進(jìn)行比較.通

            常只比較這兩種算法的乘法個(gè)數(shù)。

            1)對(duì)于時(shí)域LMS算法:設(shè)濾波器階數(shù)為N,于是,每計(jì)算一次輸出需要N次實(shí)數(shù)乘法,

            更新一次權(quán)值也需要N次實(shí)數(shù)乘法,總共需要2N次實(shí)數(shù)乘法。這樣,一個(gè)長(zhǎng)度為N的實(shí)

            序列輸入信號(hào),則實(shí)數(shù)乘法總數(shù)為2N Z次。

            2)頻域BLMS算法:由前面的公式推導(dǎo)可知,每產(chǎn)生N次輸出值共需要4次2N點(diǎn)FFT

            運(yùn)算和2次2N點(diǎn)復(fù)數(shù)相乘。對(duì)于實(shí)輸入數(shù)據(jù),根據(jù)DFT的對(duì)稱特性,一個(gè)2N點(diǎn)FFT可用

            一個(gè)N點(diǎn)FFT實(shí)現(xiàn)。若采用基2FFT算法,則每個(gè)N點(diǎn)FFT大約需要(Nlgz N)/2次復(fù)數(shù)

            乘法,每個(gè)復(fù)數(shù)乘法按4次實(shí)數(shù)乘法計(jì)算,則一次FFT需2N g, N次實(shí)數(shù)乘法,四次FFT

            運(yùn)算共需要8NIogZ N次實(shí)數(shù)乘法,再加上2次2N點(diǎn)復(fù)數(shù)相乘,即16N次實(shí)數(shù)乘法,則每

            產(chǎn)生N個(gè)輸出值共需8NIogZ N+16N次實(shí)數(shù)乘法。

            這樣,二者的運(yùn)算量之比為

            N)=(og, N+8)

            可以看出,頻域BLMS算法要比時(shí)域LMS算法快得多。例如,N=512時(shí),頻域BLMS算法是時(shí)域

            第5章頻域白適應(yīng)濾波技術(shù)抗窄帶十?dāng)_

            LMS算法的21倍。

            5.3.4頻域BLMS算法特性

            .頻域BLMS算法抑制窄帶干擾的優(yōu)越性

            頻域BLMS算法的最大優(yōu)點(diǎn)就是計(jì)算速度快。前面己經(jīng)對(duì)頻域BUS算法和時(shí)域L AS算法

            在計(jì)算量上作過一比較。當(dāng)濾波器階數(shù)很大時(shí),頻域BUS算法的效率很高。

            另外,頻域BLMS算法相對(duì)于時(shí)域BUS算法在收斂特性上有所改善。由傅立葉變換的性

            質(zhì)可知,傅氏變換將產(chǎn)生一組近似正交的分量,而山這些分量構(gòu)成的自相關(guān)矩陣也近似為

            對(duì)角陣。由此可見,在彼此間近似不相關(guān)的各頻率點(diǎn)上直接進(jìn)行BLMS自適應(yīng)濾波,即使時(shí)

            域輸入信號(hào)的相關(guān)性比較強(qiáng),其相關(guān)矩陣的特征值分散程度比較大,也對(duì)頻域算法的收斂

            特性影響不大。基于此,我們可以得出以下結(jié)論:在多窄帶干擾特別是強(qiáng)窄帶干擾存在的

            系統(tǒng)中,由于輸入信號(hào)的強(qiáng)相關(guān)性,導(dǎo)致時(shí)域BLMS算法的不可行性,而頻域BLMS算法的提

            出,為抑制大功率多窄帶干擾提供了行之有效的手段。

            2.頻域BLMS算法抑制窄帶干擾的局限性

            失調(diào)誤差和收斂速度作為評(píng)價(jià)自適應(yīng)算法的兩個(gè)重要指標(biāo),均受步長(zhǎng)因子的影響。若

            在一定范圍內(nèi)選擇較大步長(zhǎng),則收斂較快,但收斂到穩(wěn)態(tài)附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的剩余誤差,

            即失調(diào)量大;反之使用較小步長(zhǎng)可減小剩余誤差量,算法的收斂精度較高,但收斂速度變

            慢。可見,在固定步長(zhǎng)的情況下,收斂速度與失調(diào)誤差是一對(duì)難以協(xié)調(diào)的矛盾。而頻域BLMS

            算法雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)但作為一種固定步長(zhǎng)因子的自適應(yīng)算法,自然也存在著這一缺點(diǎn),

            必須采取措施加以改進(jìn)。

            5.4變步長(zhǎng)頻域BLMS算法

            在采用自適應(yīng)技術(shù)抑制直接序列擴(kuò)頻通信窄帶干擾過程中,針對(duì)頻域BUS算法收斂

            速度較慢和收斂精度不夠良好的缺點(diǎn),將頻域BLMS算法與變步長(zhǎng)技術(shù)相結(jié)合,提出了一

            種基于改進(jìn)的Sigmoid函數(shù)的變步長(zhǎng)頻域BLMS算法(Variable step-size FLMS,VFLMS),

            使之更有效地抑制直擴(kuò)通信系統(tǒng)中的窄帶干擾。

            5.4, 1步長(zhǎng)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

            近年來,許多學(xué)者針對(duì)時(shí)域LMS算法的固有缺點(diǎn),提出了變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法,即

            在自適應(yīng)初始階段和跟蹤階段,步長(zhǎng)較大,以便有較快的收斂速度,在算法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,

            保持較小步長(zhǎng)以獲得較小的穩(wěn)態(tài)誤差。覃景繁等人,[借助Sigmoid函數(shù),對(duì)LMS算法提

            出了一種變步長(zhǎng)算法,該算法能同時(shí)獲得較快的收斂速度、較快的跟蹤速度和較小的穩(wěn)態(tài)

            誤差,但該文提出的Sigmoid函數(shù)比較復(fù)雜,增加了計(jì)算量,且在誤差en)接近零處變化

            太大,不具有緩慢變化的特征,使得該變步長(zhǎng)LMS算法在自適應(yīng)穩(wěn)態(tài)階段仍有較大的步長(zhǎng)

            變化,這是該算法的不足。基于這一點(diǎn),高鷹等人(對(duì)該算法中的Sigmoid函數(shù)做出改

            進(jìn),提出一種基于改進(jìn)的Sigmoid函數(shù)的變步長(zhǎng)LMS算法:

            e( n)=d(n)-x'(n)w(n)5-54)

            w(n+1)=w(n) p(n)x(n)e(n)

            -55

            存在問題的原因分析-讀愛的教育有感

            頻域BLMS算法

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