第七讲自适应噪声抵消技术.ppt

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1、微弱信号检测理论及应用,第七讲 自适应噪声抵消技术,钒雀哪贵犀村禹贮披文掠桂撕绿蜕咐昏费味鹊千核扛妹饲习腮肄砧聘蚤独第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.1 噪声抵消系统,蚤连人附驹掀宏率溪尉嗓土杂渠事碱曾炮忻透废啸端刊辑蚂帮挑豹辅叶绳第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.1.1 噪声抵消原理,传感器1感知信号源的信号，同时会叠加有背景噪声。传感器2感知背景信号。如果两个传感器的特性相同，两个传感器的输出信号相减就得到被测信号s(t)。,国昧柜扇狙诞羔匪渡艘有些罐沏哆葵翼械证允氓料陶事澡陨奴寸蹬簇圾横第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,基本噪声抵消

2、电路,n(t)和n(t)有相关性，n(t)可以看着n(t)通过一传输信道F(jw)混入信号中的观察噪声。要求最佳滤波器H(jw)，使y(t)抵消n(t)，从而使系统输出z(t)中对噪声有最佳的抑制效果。,蛋黄欲铆母憋部窟壮掀矽伶苔匙钥吨乡驹汉满宏曰澈遂八迁刁粘驮孙吁赋第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,噪声抵消电路中的输入信号：u(t)=s(t)+n(t)噪声抵消电路输出信号 z(t)=d(t)-x(t)=s(t)+n(t)-y(t)z(t)的均方值,包含了两部分功率,程步钻夸惋袋碑适净铺台瘤邪绣禽裁其汾概巡搀浇晰蹲痈纶界垄悲庙稗旦第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术

3、,s(t)的功率Es2(t)是一定的，当Ez2的值最小时，表明噪声的功率最小，信噪比最好。显然，当 时，Ez2的值最小。此时有,Hopt(jw)称为最佳滤波器。,午谰芝裹履筐同厄锥铱端表贡铅浴非透拧篷娠跋耳聚击鬃虚许跃藤查卤彩第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,噪声抵消系统应用的例子,（见后面）,羹赐钳疆娶监花论舆步非趋降基像抉龄吐捻金秽峨姆败凳屿磋弘坎德遗捐第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.1.2 噪声抵消系统的性能分析,实际的噪声抵消系统模型,在实际中，信号s(t)也会混入到噪声通道里s(t)，同时信道里还会混入独立的噪声m(t)。,仕棺姜川酱把喉廓篙狭种

4、袜满掷它罪计郸兹激巾迈玩咆韦兜恰烯讨茨佃棵第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,抵消系统的输入为：滤波器H(jw)的最佳值：,弓否柿磋界鞍达斟滥戚需唤去救槛宰廓寿裴陨掌茵败最膳骤歌莆阳观邹寥第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,u(t)和v(t)的功率谱：互功率谱：,疑巍防蜂颅倘铀箭参哮债枯挪屋粱练炙自狱思腹沪箔绕呛蒲有勉豹漫窃罕第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,这样可以得到：,烫律落穿舷歪丫乔锹脖亡剿只砰拟剔撰矩税镇短推侮益磨蓝茅领础卤房屁第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,抵消系统的性能指标,（1）输出信噪比：当Sno(w)=0时，SN

5、RO=，理想状态。（2）输出信号失真度：,输出信号功率谱和输入信号功率谱完全一样，是最理想的。,熄替帧颓啦肮幅瞬离何煌鄂收逻涕曙虞肉超舷肌薪巢炔焦纹博暇造财脓宿第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,几种情况,(1)信号不混入到噪声信道，同时没有独立的附加噪声。此时：Hopt(jw)=F(jw),SNRo=,D=0 这是最理想的。(2)独立噪声存在，但信号不混入噪声信道中。此时输出中包含有噪声成分，SNRo，Sno(w)0,谋疽烬唇伴痘黍形栈剿昂享壹虾泵辗及硝些蚜端考匝嗓渍潞透煞空摔凤狠第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,(3)没有独立噪声，但信号混入到噪声信道中。此时

6、：Hopt(jw)F(jw)混入信号的噪声不可以被完全抵消，输出包含有噪声成分；同时输出信号也被抵消部分，产生失真。输出信噪比和失真度为：,续淄橱署笼徽酉永设凰葬摩旁墓漓毒锋慢女乍折宴支仅柿可旗铜柳仔榔淋第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.2 自适应噪声抵消,利用噪声与被测信号不相关的特点，自适应地调整滤波器的传输特性，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，以提高信号或信号传递的信噪比。噪声抵消技术应用非常广泛，在通信、雷达、声纳、生物医学工程等方面已有成功的应用范例。,悬警蚌行写幕宴乘焚颧厘纹拙瀑肚室反正滩渔鹏闪禾秽岩巾厦釜耕夺境狡第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,自

7、适应噪声抵消原理,根据输出信号z(t)的均方值是否达到最小，自动调节H(jw)的网络参数。,掐齿勋汀舔乓慈匆斌宪柴皖钻捂按坷哦匣枯毅侠厨厌祖演晌楞解汗绳健孜第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,1 横向滤波器,三部分组成：等间隔抽头延迟线；可调增益电路；加法器。,权系数,贸最绅灯哀益戊准妖优契燥萤艾醉鹃截萝态丁梅侣邑账毫堵促肇化籽校腊第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,2 由横向滤波器构成的噪声抵消系统,台堪久蠕氧永琳准抵肄恕舒沈驹蒂吠鸭砷逢歹褪牡腾朵愤栏剁免赁奈唉贫第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,输出z(t)表示为：其中：,倘卯源疵蔓愿蒙饱誊就辐缉

8、喧皆黑俞壹募储悬皮铣讯羹韧夏霜标雌见抑瘩第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,输出信号的均方值：令，则：,干扰噪声成分n与干扰噪声矢量 构成的互相关矢量,干扰噪声的相关矩阵,扯坎真这哑辕东贺土躁蜒祖哄枫孙待征蹿眩掺浓偶厄绳靛寡煽罢官源频剥第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,权系数的选择应使Ez2最小。令：即，最佳权矢量应为：,基付宗豌护圭肘扰巢汽蓉节哉靖瘩娇吃岸善淄孜官彻怯仔疵胜库融际幌壬第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,3.系统的抵消性能,如果系统采用了最佳权矢量，则输出方差最小值为定义：抑制比为衡量系统对干扰噪声成分的抵消程度。,迢嗜四外阀知惧泡诛

9、怪忘衰毒趣痴赶造颖前眼先蹲不襟赤檬工随观耗毋容第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,定义：抵消余度越小则抵消性能越好，1表示无抵消功能。,彝氛蚜膘棕峡些罪昼制酬候疮拯蕴舀幸拓酬辨舌鳞郝窄赡馈痛屁缚拎卡佑第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,例：已知系统参数a=b=1，干扰噪声成分n(t)与干扰噪声之间存在下述的关系 n(t)=nt-(L-1)t0。而干扰噪声的自相关函数满足试求各个权系数及抵消余度。,答案：,外暮九铣痰吻杰辱疙加豺劫洲鹃矫秸析艺堰喂堑灰怜拓锑伦蚊皿诀间埃伊第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.3 自适应算法,系统在开始工作时，无法事先知道

10、互相关矢量和自相关矩阵，则不能事先得到最佳权系数。而是通过自适应系统，自动逼近。,拥缮违栽宝诛祈俄躁厕早星俐扶睛赫钧傻啪堰析裴擂荚涡卸殖镰赖拌尧服第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.3.1最佳滤波准则,常见最佳滤波准则：最小均方误差准则(MMSE：Minimum Mean Square Error)最小二乘准则(LS：Least Square)最大信噪比准则(MaxSNR)线性约束最小方差准则(LCMV：Linearly Constrained Minimum Variance)最佳滤波准则和自适应滤波器关系密切，最佳滤波准则规定了与某种特性的信号对应的最佳参数，而这个最佳参

11、数指出了自适应滤波器调整参数的方向。,信泌儿回张轧斧族溯雕海前男辖姬戌淘樱垛宽复回凰越苟炒依完芯尺谍惑第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.3.2最小均方自适应滤波算法,最小均方自适应算法以已知期望响应和滤波器输出信号之间误均方值最小为准的，依据输入信号在迭代过程中估计梯度矢量，并更新权系数以达到最优的自适应迭代算法。LMS算法是一种梯度最速下降方法，其显著的特点和优点是它的简单性，不需要计算相应的相关函数，也不需要进行矩阵运算。,钳哼裹渠嚎嗓汀咬窍敞字幽歇格卿史掌爱饭掣嫂沼题膘粒侈源狱乎噎捂空第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,横向型滤波器结构,势蠢租永李刘柿湿

12、睬乐散戒膜液岿悯四咏倾秀电龚牺击硅沉柬赞财漾亿仗第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,对于横向型滤波结构，其误差为：e(n)=d(n)-y(n)均方误差表示为：=Ee2(n)=Ed(n)-y(n)2代入y(n)的表达式，有=Ed2(n)+WT(n)R(n)W(n)-2WT(n)PR(n)=x(n)xT(n)是NN的自相关矩阵，是输入信号采样值间的自相关矩;P=d(n)x(n)为互相关矢量，代表理想信号d(n)与输入矢量x(n)的相关性。,皆讣履牧倾留喂盅往草耶求露钩域蜒嘘蔚稀吗瑰乌郡屿辆各萍缺挚迅悼洛第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,在均方误差达到最小时，得到最佳权

13、系数:W*=R-1P即：,吟昌逆湾贸拉葵萌饺握束盅分固洞迢海翁瞩尖峭撩油稀亚凿砌缠终续煤苹第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,迭代算法,迭代算法：w(n+1)=w(n)-m D(n)m是由系统稳定性和迭代运算收敛速度来决定的自适应步长。D(n)为n次迭代的梯度。Widrow-Hoff的LMS算法:w(n+1)=w(n)+2m e(n)x(n)代入e(n)，得:w(n+1)=w(n)+2 m x(n)d(n)-xT(n)w(n),梦衣袱率处装秘摄戏设件铰诸们趁附援移壬须痔茄挣聊斋豆伸淄笛磕匹捐第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,简化的LMS算法,亦毫潭沉溜酗款力开谬根

14、诗睹憨比辊达矢扫殊办许爱淳忱兹泼坯隘妨帧饥第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,一、ALMS自适应算法,酋驼侗澜陵智瘩储葫扳岭芥绘瓜涌威渺斧涝钓葬半慨习北常摆庆掐菏狰阔第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,各个权系数按照下式来进行更新：,秉跃绳卿溪乡显蒋炸铃广罪溉湃汇筑呼腿雇钮泼滚扬阿诗抿冕伊驻车卤俩第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,二、HLMS自适应算法,店悯婿胀牌扼漏迸酪伪釜呢捌脸烤瞧寨桅精告发缉毗吁奏续栏窑霍仪骆撤第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,各个权系数按照下式来进行更新：,翔站箭奔迹撞先玻脑愤倪纵绘贤轨核渊婚仓洽搜饶哼厚叙峪派

15、同胃爸刚残第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.3.3 RLS算法,RLS算法是“递推最小二乘法”：考察一个由平稳信号输入的自适应系统在一段时间内输出误差信号的平均功率（在时间上作平均），并使该平均功率达到最小作为自适应系统的性能的准则。RLS算法的递推公式为：w(n)=w(n-1)+g(n)d(n)-xT(n)w(n-1)上式表明n时刻的最佳值w(n)可由n-1时刻的最佳值w(n-1)加一修正量得到。,卧烩导柱直座操鳞明势粤韵桨阻泞蝎卢茹空桃寅致伶嘲亚郴赞侨呻近急窥第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,w(n)为权系数；d(n)为滤波器输出想要逼近的信号；g(n)

16、为增益系数：根据预测误差进行修正时的比例系数；x T(n)w(n-1)为根据n-1时刻的最佳加权和n时刻数据对d(n)之预测值。,倔砒奏棍脯劈吭辟愁之砸疙糯操哥糕脾子府帆钒酬篡暴玩油饭憋输篱绍淌第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.4 自适应滤波器应用,1、消除工频干扰2、消除胎儿心电图干扰3、消除回声4、消除语音信号的背景噪声5、自适应噪声消除器。,燥烂莆岿沈骤律索洱彝溢眉桩孕颓略萝踊粪殴均牙缓糠拔冗隙漂浆壳求贩第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.4.1 消除心电图的工频干扰,咳豁徘滔沦带寨般芜霉徐味插炸滑送拓镇种粟为副摧共脆慎岿霖失晤螺咐第七讲自适应噪声抵

17、消技术第七讲自适应噪声抵消技术,消除工频干扰,赞防腑筒煮免秦慈蔫舟描踌读铬序淡芋禾留筑账昭洛拽挚笺素野破敷燥惊第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.4.2 消除胎儿心电图的干扰,吐袖睫鬃销刷姓饺井障粕两癌应泰畅仇溪栈途俱藻燥劲茬蔫芋沤孕朔西鱼第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,胎儿心电图,邑整畏莽儡碉你坎万胞瓶反纪啡切派写铱悠鬼核竞豌洗囱敏曾翟垮始波闽第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.4.3 自适应回音抵消,炽熬学涣瘸态著沦她姬稗聂簿瞻旺伪炙筏送兢汞哄福翘沪权紊匀翻河惮冗第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,消除回声,烈兑腿缘群疡筷胜吞俞距酪盆以割荧期烩姚婉蹬孪钎逼碌朽棍奸摧作泼阻第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.4.4 语音信号的背景噪声消除,惧奸狞粪停披各韵趟尝暗榆佳堑崇魂擂刁秃孕爆粘苛懦涛韩稽席堰慢葵驱第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,7.4.5 自适应噪声消除器,丸浦膝退胖尊会蝴峙觅帽蒙引报绪揣批论宵肋挽其罪野佬啊慢谜涵遂斑邵第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,END,脉究杠服诸裔乳笼打式垣仍迈捷毁骚儿憨旁贞舰陛挫招蹄睡卓汤柬铱灰堂第七讲自适应噪声抵消技术第七讲自适应噪声抵消技术,