基于约束NMF的欠定盲信号分离算法

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基于改进时频检测的欠定变速跳频信号盲分离算法

基于改进时频检测的欠定变速跳频信号盲分离算法

第46卷第8期

Vol

46 No.

8

-移动互联与通信技术-2020年8月

August

2020计算机工程

Computer Eng0neer0ng

文章编号:1000-3428

(2020

)08-0172-06

文献标志码:A

中图分类号:TN911

基于改进时频检测的欠定变速跳频信号盲分离算法

王淼,蔡晓霞,雷迎科

(国防科技大学电子对抗学院指挥对抗系,合肥230037)

摘要

:变速跳频信号高跳速和跳速 的特性 信 难度加大,采用统基于稀疏分量 的欠定 (

算法无法得到高精度 信号$ ,

—改进的欠定变速跳频信 算法$

速跳频

信号时频域稀疏性不强的特点,通自适应确定噪声阈值和分解特征值改进时频单源点检测算法,以高混合矩

阵估计精度,同时 类与稀疏重构思想应用到源信 ,得到稀疏性 的信号$实结果表明,该算法可

信 信号的相似度达到90%

,混合矩阵估计精度 统单源点检测算法得到有效提高$

关键词:欠定 ;变速跳频信号;时 测;稀疏分量分析;稀疏重构

开放科学(

资源服务)

标志码(OSID)

: lU

中文引用格式:王淼,蔡晓霞,雷迎科.基于改进时频检测的欠定变速跳频信号盲分离算法:J

).计算机工程,2020

46 ( 8) *172-177,183.

英文引用格式

:WANG Miao, CAI Xiaoxia, LEI Yingke. Blind sepaakon algoithm for underdetermined viiablc speed

frequency hopping signals based on improved /me frequency detection(J]. Computer Engineering,2020,46(8) : 172-177,183.

Blind Separation Algorithm for Underdetermined Variable Speed

Frrquency Hopping Signals Based on Improved Time Frrquency Detection

盲信号分离的原理及其关键问题的研究

盲信号分离的原理及其关键问题的研究

盲信号分离的原理及其关键问题的研究

盲源分离是上世纪80年代初在信号处理领域诞生的备受学术界关注的新生学科,在许多新兴领域都有着重要的应用。盲分离按照其混叠方式的不同,可分为瞬时线性混叠和非线性混叠。

本文着重研究主要针对盲分离瞬时线性混叠模型的适定、欠定情形以及卷积混叠模型,具体的工作包括如下几个方面:1.针对适定线性混叠的情形,深入研究了如何把联合对角化技术应用于解决盲信号分离问题。利用信号时序结构的二阶统计量方法通常需要解决一个联合对角化问题。

首先对一类特殊的矩阵束——良态矩阵束给出了一个新算法。由于采用了共轭梯度算法优化目标函数,算法不仅收敛快,而且收敛性有保证。

然后,给出了可完美对角化的判别定理。同时,还把对角化问题转化为含有R-正交约束的一类优化问题,给出了统一的优化框架。

2.在线性欠定混叠盲分离以及稀疏分量分析中,如果信号是非严格稀疏时,通常的两步法将失去作用,前人提出了源信号非严格稀疏下的k-SCA条件,并给出了在此条件下,混叠矩阵能被估计以及源信号可恢复的理论证明,但目前甚少相关的具体实现算法。文中首先提出了一种针对k-SCA条件,利用超平面聚类转化为其法线聚类来估计混叠矩阵的有效算法,在源信号重建上,还提出了一种简化l1范数解的新算法,弥补了该领域研究的一个缺失。

3.同样是针对线性欠定混叠的情形,提出利用基于单源区间的盲分离算法。采用Bofill的两步法,第一步估计混叠矩阵,第二步恢复源信号。

首次发现了暂时非混叠性这一混叠信号的物理性质,并定义了单源区间,提出了一个基于最小相关系数的统计稀疏分解准则(SSDP)。并在此基础上,提出了非完全稀疏性的问题。

现有的最短路径法、l1范数解和SSDP算法仅适用于稀疏源而不适宜非完全稀疏源。针对两个观测信号的情形,提出了统计非稀疏准则(SNSDP)。

该准则将信号分成若干区间,用源的相关性判断各区间是否非完全稀疏,并在非完全稀疏和稀疏的区间采取不同的源恢复策略。它改善了估计的源信号。

利用深度学习技术进行盲源分离算法研究

利用深度学习技术进行盲源分离算法研究

利用深度学习技术进行盲源分离算法研究

近年来,深度学习技术在信号处理方面应用越来越广泛。其中,盲源分离技术是一种十分重要的信号处理方法,它通过分离混合信号中的不同成分,从而提取出原始信号。深度学习技术具有自适应性和鲁棒性等优点,在盲源分离算法中的应用也越来越多。

一、 盲源分离算法简介

盲源分离算法是在不知道混合过程的情况下,通过分离混合信号中的各个成分,得到原始信号的一种方法。常见的盲源分离算法包括独立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)、非负矩阵分解(Nonnegative Matrix Factorization,NMF)以及稀疏表示(Sparse Representation,SR)等。

ICA是一种基于统计独立性的盲源分离算法。该算法假设混合信号的各个成分是独立的,通过最大化信号的非高斯性,从而实现混合信号的分离。NMF则将信号矩阵分解成非负的因子矩阵的乘积,从而得到原始信号,是一种基于矩阵分解的盲源分离算法。SR则是利用过完备字典将信号表示为稀疏线性组合的方式进行盲源分离。

二、 深度学习技术在盲源分离算法中的应用 深度学习技术在盲源分离算法中的应用主要包括两个方面:一是采用深度神经网络构建盲源分离模型,二是利用深度学习技术进行特征提取和信号预处理。

1. 基于深度神经网络的盲源分离模型

深度神经网络被广泛应用于图像和音频等领域,可以学习到复杂的特征表示,对盲源分离问题也有很好的应用前景。近年来,研究者们提出了基于深度神经网络的盲源分离模型,如深度卷积神经网络分离声源模型(DCSE)。

Deep Clustering(DC)是一种基于深度学习的盲声源分离方法,其核心思路是将说话者的分布嵌入到单频滤波器频率系数的向量空间。DC算法中,将滤波器系数表示为一个二维矩阵,其中每一行对应一个频率带,每一列对应一个时间帧。同时,为了提高DC方法的性能,可以采用类似与图像超分辨的深度残差网络模型,实现语音特征高维表示和非线性映射。

欠定盲源分离混合矩阵的时频分析估计方法

欠定盲源分离混合矩阵的时频分析估计方法

欠定盲源分离混合矩阵的时频分析估计方法

摘 要:在盲源分离信号处理中,尤其在欠定条件下(观测信号数目大于源信号数目),精确的估计混合矩阵是具有挑战性的问题。现存部分方法利用信号的稀疏性进行求解,并假设在时域或者时频域中源信号不重叠,然而这类方法在假设条件不满足,即源信号部分重叠情况下随着信号稀疏性降低性能恶化明显。本文针对具有较弱稀疏性的源信号,提出了一种基于时频分析的欠定盲源分离的混合矩阵估计方法。首先,利用源信号时频变换后系数实部与虚部比值的差异性选择单源点;其次,运用经典的聚类方法估计解混合矩阵的各向量。仿真结果表明:提出的方法简易可行并具有较好的估计性能。

关键词:盲源分离;时频分析;矩阵估计

1、引言

盲源分离(Blind Source Separation)技术在过去20年里发展迅速,其较强的信号处理能力使其在各信号处理领域得到了广泛的应用。给定混合系统,盲源分离的目的就是在未知源信号和混合系统的情况下估计出源信号。欠定盲源分离(UBSS,Underdetermined Blind Source Separation)就是指输入的源信号个数多于观测信号个数,在这种情况下,通常方法无法寻找混合矩阵的逆矩阵,所以一类基于信号稀疏性的求解方法应运而生。这类方法利用源信号的稀疏性来估计混合矩阵并且恢复源信号,信号的稀疏性指的是在一定的范围内大部分信号值为零,只有极小部分信号值存在。

欠定盲分离问题一般由两步法解决:第一步估计混合矩阵,第二步恢复源信号。现有的部分算法利用了信号时域稀疏性,假设源信号是具有拉普拉斯分布的稀疏信号从而解决欠定盲分离问题。当信号不具有时域稀疏性,部分学者利用信号在变换域的稀疏特性来解决欠定问题,例如时频变换。最早利用时频域稀疏性来解决适定问题,DUET算法来解决欠定问题,Linh-Trung et al.运用聚类算法[13]处理欠定问题, 此类算法基于信号在时频域的正交假设。然而在实际中,正交假设过于严格,准正交条件下利用子空间估计方法解决欠定问题,此方法同时假设在任一时频点上的源信号数目少于观测信号数目; 放宽了正交条件并且假设任一时频点上的源信号数目小于等于观测信号数目。最近,利用相关矩阵对角化的方法解决欠定问题,这种算法比放宽了稀疏条件并且对混合矩阵没有特殊的约束一种基于部分k维子空间聚类的混合矩阵估计方法,一种未知源个数的NPCM方法来估计混合矩阵。这两种方法的思想是在完全稀疏的情况下最优化目标函数来寻找混合矩阵,那么当信号并不是完全稀疏的情况下,以上方法并不能很好解决欠定问题。文一种基于非完全稀疏情况下欠定混合矩阵估计方法,此类方法仅仅需要少部分时频点,而此类点上仅存一个源信号。一种此类时频点的判定方法,并且用特殊的聚类方法估计混合矩阵。

盲源分离算法的分类

盲源分离算法的分类

盲源分离算法的分类

盲源分离(Blind Source Separation, BSS)算法是一类用于提取混合信号中各自独立源信号的技术,常见分类包括:

1. 独立成分分析(Independent Component Analysis, ICA):通过最大化源信号统计独立性来分离信号,常用于处理非高斯信号。

2. 主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)及相关方法:用于线性相关的信号分离,侧重于最大化信号方差。

3. 第二阶盲信号分离(Second-order Blind Identification, SOBI):利用信号的二次统计特性,如互协方差矩阵和时间延迟来分离源。

4. 时空盲源分离(Spatial and Temporal Blind Source Separation):针对多通道信号,结合空间布局信息和时间动态特征进行分离。

5. 基于深度学习的盲源分离:利用神经网络模型从混合信号中学习分离映射关系。

每种方法都有其适用范围和优势,选择合适的方法取决于信号特性及应用场景。

盲源分离欠定问题欠定问题的研究与应用

盲源分离欠定问题欠定问题的研究与应用

盲源分离欠定问题欠定问题的研究与应用

盲源分离(Blind Source Separation,BSS)技术,越来越成为信号处理领域中的重点关注问题。“盲源分离”这一概念的最初提出,主旨是为了解决某系统在源信号及信号个数未知、混合矩阵未知而只有观测号已知的情况下,对源信号进行恢复。

本文主要研究的是欠定盲源分离问题,即观测信号数目小于源信号数目的情况。基于稀疏分量分析(Sparse Component Analysis,SCA)法,分两个阶段讨论了混合矩阵和源信号的估计,并分别提出了估计混合矩阵和恢复源信号的新方法。

本文主要内容包括:讨论了基于SCA的“两步法”。在混合矩阵的估计阶段,研究了三类估计方法,分别是k均值算法、霍夫变换发及势函数法;对各算法的原理进行了分析,并通过仿真实验实现各算法,并验证了算法的有效性。

在源信号估计阶段,主要研究了目前最常用的最短路径法。提出了一种基于蚂蚁觅食原理的改进蚁群聚类算法估计混合矩阵,并利用网格密度法对聚类中心进行进一步修正。

首先利用源信号的稀疏性,对观测信号进行标准化处理形成球状堆;再利用观测信号之间的欧氏距离确定初始信息素矩阵,得出初始聚类中心;然后按照传统蚁群聚类法对数据进行聚类;接着利用网格密度法提取出每一类密度最大的网格,将该网格的中心作为该类聚类中心;最后输出每个聚类中心作为混合矩阵各列向量。提出了一种基于加权的最小l1范数法对源信号进行恢复,相较于传统l1范数法的寻找一组最优解,改进的范数法将其他可能的分解项按照权值进行相加,从而使恢复出的信号更加接近源信号向量。

当有两路观测信号时,按照分解项与观测信号的角度差大小作为加权值;当有两路以上观测信号时,将每个可行解的范数所占的均值作为加权值。

欠定盲源分离与信号源估计方法研究

—科教导刊(电子版)·2018

年第12

期/4

月(下)—

279欠定盲源分离与信号源估计方法研究

何琪邱晨

(长安大学信息工程学院陕西·西安710064)

摘要近年来,盲源分离算法研究主要集中在两个方面,混合矩阵估计和源信号个数估计,本文基于理论研究提出

了一种盲源分离算法,以语音信号为例,本文采用STFT将语音信号转换到时频域进行分析。基于现实中很多语音数

据通常是高度混叠的信号,所以需要去燥降低信号噪声对混合矩阵和源个数估计的影响。为了抑制噪声对检测自动

源TF点的影响,提出了一种通过使用STFT的主成分分析(PCA)来检测源的自动定位的方法。另外,基于子空间投

影和聚类方法,提出了一种估计混合矩阵的有效方法,使用自动谱聚类方法实现对源个数的估计。

关键词盲源分离信号源估计方法

中图分类号:TN911.7文献标识码:A

1研究现状

盲源分离(BSS)是基于来自传感器阵列或单个传感器的

观察到的混合物来恢复基础源信号,而不知道源和混合过程

的信息。对于瞬时欠定传感器阵列的问题,即传感器的数量

多于一个但少于源的数量。带有传感器阵列的BSS比单个传

感器的研究更广泛。这只是因为更多的传感器可以从来源收

集更多信息,这有助于分离过程。BSS问题在音频,雷达,通

信,图像处理等领域已经得到广泛应用。

现有的大多数文献已经对高信噪比环境下的语言信号的

处理取得了很好的表现。然而现实中的信号可能被强噪声干

扰,这给BSS问题研究带来非常差的实验效果,所以提高算法

稳健性势在必行。此外,BSS算法的有一个问题是未知源数

的估计。在很多研究文献中可以看到对源数估计都是在理论

上假设源的个数再使用聚类方法进行聚类,而在实际问题中

源个数信号不可用,盲目估计混合信息的源个数会对BSS算

法产生影响。

由于短时傅里叶变换(STFT)易于实现且不存在TF域中

的交叉项,本文研究语音信号在STFT上的盲源分离算法。

Assa-El-Bey等人提出的STFT-UBSS通过将位于每个自动源

基于非负矩阵分解算法进行盲信号分离

基于非负矩阵分解算法进行盲信号分离

魏乐

【期刊名称】《电光与控制》

【年(卷),期】2004(011)002

【摘 要】独立分量分析(ICA)已被广泛运用于线性混合模型的盲源分离问题,但却有两个重要的限制:信源统计独立和信源非高斯分布.然而更有意义的线性混合模型是:观测信号是非负信源的非负线性混合,信源之间可以统计相关且可以为高斯分布.本文针对盲源分离问题,提出了一种运用新近国际上提出的一种非负矩阵分解算法(NMF算法)进行统计相关信源的盲源分离方法,该方法没有信源统计独立和信源非高斯分布的限制,只要信源之间没有一阶原点统计相关,则可很好实现对信源的分离.大量仿真及与传统ICA进行盲源分离的比较,验证了运用NMF进行包括统计相关信源和高斯分布信源的盲源分离的可行性和有效性.

【总页数】5页(P38-41,53)

【作 者】魏乐

【作者单位】西安电子科技大学计算机学院,陕西,西安,710071

【正文语种】中 文

【中图分类】O241.6

【相关文献】

1.基于投影梯度的非负矩阵分解盲信号分离算法 [J], 李煜;何世钧

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4.基于余弦相似度的稀疏非负矩阵分解算法 [J], 周昌;李向利;李俏霖;朱丹丹;陈世莲;蒋丽榕

5.基于改进非负矩阵分解算法的人脸识别研究 [J], 王焕庭;王鑫印

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一种欠定盲源分离新算法

Computer Engineering日” 铆,jc日ffDn 计算机工程与应用 一种欠定盲源分离新算法 董天宝,杨景曙 DONG Tianbao,YANG Jingshu 电子工程学院702室,合肥230037 Teaching and Research Section 702,Electrical Engineering Institute,Hefei 230037,China DONG Tianbao,YANG Jingshu.New algorithm for underdetermined blind source separation.Computer En- gineering and Applications,2012,48(12):112-115. Abstract:A new two—step algorithm for underdetermined source separation is proposed.Mixing matrix is estimated using clustering methods.Sources are estimated using a fast sparse reconstructed algorithm which defines a continu— OUS and diferential function SO as to approximate norm.The new algorithm runs fast and is easily implemented. It iS experimentally shown that the proposed algorithm runs faster than other two underdetermined source separation algorithms using fast minimization -norm and OMP methods,while acquiring almost the same quality. Key words:underdetermined blind source separation;sparse component analysis;two-step method; -norm 摘要:提出了一种基于两步法的欠定盲源分离新算法。在混合矩阵估计阶段,采用基于势函数的聚类方法, 在源信号恢复阶段,提出一种快速的稀疏信号重构算法,通过定义一个连续可微函数来近似 范数,使得 范数可解。该算法的特点是实现简单、速度快。仿真实验表明,与现有的采用快速 范数最小化和OMP算法 的欠定盲源分离方法相比,提出的算法在保证分离性能的前提下大幅度提高了算法的运行速度。 关键词:欠定盲源分离;稀疏分量分析;两步法; 范数 文章编号:1002.8331(2012)12.01l2—04 文献标识码:A 中图分类号:TN911.6 1 引言 盲源分离是当前国内外的一个热点研究课题, 在无线通信、雷达、语音、图像、医学等领域具有广阔 的应用前景。近几年欠定盲源分离(即传感器数目 少于源信号数目时的盲分离)得到了更多学者和工 程人员的关注。欠定盲源分离可以用下面的数学模 型描述: ( = (力+,l(0 (1) 其中 (f)=[ ),X2 ),…, ( 是f时刻的m×1的 观测信号向量,A是未知的m×n(m<YI)混合矩阵, s(t)=Is ),S2( ),…, ]T是t时刻的未知的源信号向 量,,l(f)是未知的 ×1加性噪声向量。欠定盲源分 离的目的就是在传感器数目小于信号数目且仅仅知 道观测信号的条件下重构源信号。 对于欠定盲源分离问题,普通的盲分离算法不 再适用,目前的研究方法主要是基于信号的稀疏分 量分析,采用两步法来解决:首先估计混合矩阵,然 后在已知混合矩阵的前提下重构源信号。对于混合 矩阵的估计,目前主要采用聚类的方法,如势函数 法n 、 均值法 、模糊C均值法 、基于霍夫直线检测 的方法H 。在稀疏分量分析的方法中,估计源信号就 是寻找式(1)的最稀疏解,它可以转化为下面的优化 问题: (P0):min lls(t)ll s.t. (f): (f) (2) 其中lIs(011 表示 ( 的非零元素的个数,通常称为 。 范数,(P )问题的解通常称为最小 范数解。 然而(P )问题是一个NP问题,它的计算时问随 着 ( 的维数的增加呈指数级增长,而且对噪声比较 作者简介:董天宝(1976一),男,博士生,讲师,主要研究方向:盲信号处理;杨景曙(1950一),男,教授,博士生导师,主要研究方 向:智能信号处理。E-mail:dtbl@163.corn 收稿日期:2010.12—10 修回日期:2011-02—10 CNKI出版日期:2011—07.20 DOI:10.3778/j.issn.1002・8331.2012.12.022 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20110720.1516.062.html

声学信号处理中的盲源分离算法研究

声学信号处理中的盲源分离算法研究

随着科技的发展和应用范围的扩大,声学信号处理算法的研究也变得越来越重要。其中,盲源分离算法被广泛应用在语音识别、音频处理以及人机交互等领域。本文将深入探讨在声学信号处理中的盲源分离算法研究。

一、什么是盲源分离算法

盲源分离算法是一种通过对混合信号的处理来分离源信号的方法,其中“盲”表示未知源信号和混合过程,需要通过算法来估计。对于多个服从独立分布的信号源,通过盲源分离算法可以将它们从混合过后的信号中分离出来。这种方法的应用非常广泛,不仅限于声学领域,例如在图像处理中也有类似的应用。

二、盲源分离算法的研究方法

盲源分离算法通常有两种主要的研究方法:基于似然函数的方法和基于独立成分分析(ICA)的方法。

基于似然函数的方法主要是通过寻找最有可能的源信号进行分离。这种方法对源信号的统计分布和混合过程有一定的假设前提,如果假设满足,那么这种方法的效果还是不错的。但是当假设不满足时,比如源信号的分布不满足高斯分布时,这种方法的效果就会受到影响。

而基于ICA的方法就没有这样的限制,它可以对任意独立分布的源信号进行分离。这种方法的核心是通过独立性的定义来实现盲分离,即独立的信号源经过混合不会失去独立性。ICA方法主要通过矩阵分解来实现,常见的方法有FastICA和JADE等。

三、盲源分离算法的应用

盲源分离算法在声学信号处理中的应用非常广泛,例如语音识别、音频处理、降噪等。其中,在语音识别中最为显著。由于人类语言中的音频信号都是由多个音素组合而来,因此要对输入的声音信号进行识别,就必须将其分离为单一的音素信号,然后再进行识别。这个过程就可以用盲源分离算法来实现。

在音频处理中,盲源分离算法也可以用来对不同的音源进行分离,例如从一段混合的歌曲中分离出各个乐器的声音,或者将人声和背景噪声分离出来等。这种方法可以大大提高音频的清晰度和可理解度。

四、盲源分离算法的未来发展

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