
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,}
一pfL兄一s 尸客凡
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B MPPMP.
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. 3 BLMS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1451。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)1461。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, (M)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
尸
l
es
es
es
es
es
L
I x2 (m)x, ((n一,))、JR,(n) 0:n、N一‘
J‘ 、
.
2 R
(5-32)
r??: (m)=藝x2'(n)x,(n + m)。<m‘、+N2一2
n=0
N-1
r,xs,, (m)=藝x2'(n)x, ((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)
x2(n)是長(zhǎng)度為N2的有限長(zhǎng)序列(0<_n:5 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,u. x2 (k)一DFT[rR,.x, (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
介
扣
隊(duì)尸林
四
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)。
y n
--
x2 (n)=
Y, (n)=YR(n)=IDFT[Xi (k)X2 (k)]
r ,,, (m)=、,,(,)=IDFT[X, (k)X2' (k)]
(5-33)
(5-34)
珠( k)=X, (k)X2 (k) (5-35)
R, z,.x2 (k)=X, (k)X2' (k) (5-36)
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
x,;kn, 一幾。
I x, (n)
('-1)N2 +1‘n‘i N2
其它
=1,,二,L
(5-39)
而長(zhǎng)序列x, (n)又可用x,, (n)表示為:
x, (n)一藝x,, (n)
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:
y, (n)一x, (n) * x2 (n)二藝x,, (n) * x2 (n)
(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。
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5.3.2頻域BLMS算法的簡(jiǎn)單推導(dǎo)
_,頻域BLMS算法[47-501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 frequency doma
設(shè)濾波器階數(shù)等于M,采用509 6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 + 1), - - -, x(kM + M一1)]
(5-41)
圖
in
BLMS algorithm
若k=1時(shí),在x(1)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 5096重
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、-,-i (k)]T (5-42)
w' (k) = [w' (k),0,二、0] T (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一1) M),一、x(kM一1), x(kM), - - -, x(kM+M一01
x' (k) = [x' (k一1)xT (k)] (5-44)
第5章頻域自適應(yīng)it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)]T
(5-45)
X f_ (k)=Diag(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) a
w'(k)和x'(k)的卷積由下式實(shí)現(xiàn):
y'(k)=IFFT[X,: (k)W,(k)l
(5-47)
則w(k)和x仕)的卷積為
y(k) =[y(kM),?,y(kM+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:
Vi(k)=叉e(kM +i)x(kM+‘一J),一0,1,二,M-1
(5-49)
則有V(k)=[V,(k),...,VM-,(k)l'
(5-50)
所以:wS =粵、(、)
(5-51)
L
令列矢量
e ,, (k)=FFT[0, - - .,0, d(kM)一y(kM),
二,d (kM十M一1)一y(kM十M一1)],
則0(k)可由下式得到:
:(、)一{{IFFT [X F (k),,, (k)}的前M項(xiàng)。
J、,‘一“1
頻域中權(quán)矢量更新公式為:
二。、十1)_二。、)十2、二:一
(5-52)
D(k)
U
咖
(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:
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圖5-4 FLMS算法的流程圖
Fig. 5-4 the flow chart of 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(Nlogz 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 log, 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
f (N)=(4 log, N+8)IN
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
1.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
I-
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,[1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e(n)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(521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Si.gmoid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) + 2 p(n)x(n)e(n)
(5-55)

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