自适应滤波:维纳滤波器——LCMV及MVDR实现

自适应滤波:维纳滤波器——LCMV及MVDR实现

作者:桂。

时间:2017-03-24  06:52:36

链接:http://www.cnblogs.com/xingshansi/p/6609317.html 

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 【读书笔记03】

前言

西蒙.赫金的《自适应滤波器原理》第四版,上一篇看到维纳滤波基本形式:最优化问题,且无任何条件约束。这次看到有约束的部分,简单整理一下思路:

  1)拉格朗日乘子法;

  2)线性约束最小方差滤波器(Linearly constrained minimum-variance,LCMV);

  3)谱估计之MVDR算法(Minimum variance distortionless response ,MVDR);

内容为自己的学习总结,如有错误之处,还请各位帮忙指出!

 

一、拉格朗日乘子法

学习到含有约束条件的Wiener Filter,拉格朗日乘子法是解决:将含约束条件的优化问题转化为无约束条件优化问题的途径,故先梳理一下。

  A-只含一个等式约束的最优化

实函数f(w)f(w)是参数向量ww的二次函数,约束条件是:

wHs=gwHs=g

其中ss是已知向量,gg是复常数。例如在波束形成应用中ww表示各传感器输出的一组复数权值,ss是一个旋转向量。假设该问题是一个最小化问题,令c(w)=wHs−g=0+j0c(w)=wHs−g=0+j0可以描述为:

所谓拉格朗日乘子法,就是引入拉格朗日乘子:将上述约束最小化问题转化为无约束问题,定义一个新的实函数:

h(w)=f(w)+λ1Re[c(w)]+λ2Im[c(w)]h(w)=f(w)+λ1Re[c(w)]+λ2Im[c(w)]

现在定义一个复拉格朗日乘子:

λ=λ1+λ2λ=λ1+λ2

h(w)h(w)改写为:

h(w)=f(w)+Re[λ∗c(w)]h(w)=f(w)+Re[λ∗c(w)]

至此,无约束优化问题转化完成,利用偏导求参即可,其实这是一个简化的形式,分别求解λ1λ1、λ2λ2也是一样的。

  B-包含多个等式约束的最优化

实函数f(w)f(w)是参数向量ww的二次函数,约束条件是:

wHsk=gkwHsk=gk

其中k=1,2...Kk=1,2...K,方法同单个约束情况相同,求解伴随方程:

∂f∂w∗+∑k=1K∂∂w∗(Re[λ∗kck(w)])=0∂f∂w∗+∑k=1K∂∂w∗(Re[λk∗ck(w)])=0

此时与多个等式约束联合成方程组,这个方程组定义了ww和拉格朗日乘子λ1λ1、λ2λ2...λKλK的解。

 

二、线性约束最小方差滤波器

   之前看到的维纳滤波都是基于最小均方误差准则,而没有添加任何约束,此处考虑含有线性约束情况下的方差滤波器,文中给了一个图:

自适应滤波:维纳滤波器——LCMV及MVDR实现_第1张图片

其中x(n)x(n)为输入信号(即uu,为了与下文统一,用xx表示),wiwi为权重,y(n)y(n)为滤波器输出:

y(n)=∑k=0M−1w∗kx(n−k)y(n)=∑k=0M−1wk∗x(n−k)

 这个优化问题如果没有约束可以表述为:

argminwJ=E[yHy]arg⁡minw⁡J=E[yHy]

假设θ0θ0为目标达到角,希望对该角度特殊处理:如果该角是目标角,希望其幅度保持不衰减,即∑k=0M−1w∗ke−jkθ0=1∑k=0M−1wk∗e−jkθ0=1;反之,如果是干扰信号,希望其幅度衰减为0,即∑k=0M−1w∗ke−jkθ0=0∑k=0M−1wk∗e−jkθ0=0;无论是0还是1,都是对优化问题的一种约束形式,写出更一般的约束形式:

∑k=0M−1w∗ke−jkθ0=g∑k=0M−1wk∗e−jkθ0=g

gg是一个复增益。利用拉格朗日乘子法给出约束条件下准则函数(暂不考虑噪声情况):

J=wHRxxw+Re[λ∗[wHs(θ0)−g]]J=wHRxxw+Re[λ∗[wHs(θ0)−g]]

其中s(θ0)=[1,e−jθ0,...,e−j(M−1)θ0]s(θ0)=[1,e−jθ0,...,e−j(M−1)θ0],MM是权向量ww的个数,则到系数解:

λ=−2gsH(θ0)R−1s(θ0)λ=−2gsH(θ0)R−1s(θ0)

对应最优权向量:

wopt=g∗R−1s(θ0)sH(θ0)R−1s(θ0)wopt=g∗R−1s(θ0)sH(θ0)R−1s(θ0)

以权向量woptwopt表征的波束形成器称为线性约束最小方差(LCMV, linearly constrained minimum-variance)波束形成器,也称LCMV滤波器。

 

三、LCMV应用——MVDR算法

自适应滤波:维纳滤波器——LCMV及MVDR实现_第2张图片

实际应用中信号掺杂了噪声。假设原信号s(t)s(t),接收器收集的是不同时延的混合信号,经过采样量化后得x(n)x(n),现在希望通过自适应权重ww输出符合需求的yy,假设通道个数为NN,给出接收通道模型:

自适应滤波:维纳滤波器——LCMV及MVDR实现_第3张图片

写成矩阵形式:

进行相关矩阵求解:

可以发现如果wHwwHw为定值,则噪声对最优权值的求解无影响,LCMV可用。

给出混合模型:

对应准则函数(此处g=1g=1):

借助LCMV的分析,得出MVDR最优权重:

实际应用中,通常用时间换空间,借助遍历性近似求解相关矩阵:

给出代码:

1

2

3

4

5

6

7

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doas=[-30 -5 40]*pi/180; %DOA's of signals in rad.

P=[1 1 1]; %Power of incoming signals

N=10; %Number of array elements

K=1024; %Number of data snapshots

d=0.5; %Distance between elements in wavelengths

noise_var=40; %Variance of noise

r=length(doas); %Total number of signals

% Steering vector matrix. Columns will contain the steering vectors of the r signals

A=exp(-i*2*pi*d*(0:N-1)'*sin([doas(:).']));

% Signal and noise generation

sig=round(rand(r,K))*2-1; % Generate random BPSK symbols for each of the

% r signals

noise=sqrt(noise_var/2)*(randn(N,K)+i*randn(N,K)); %Uncorrelated noise

X=A*diag(sqrt(P))*sig+noise; %Generate data matrix

R=X*X'/K; %Spatial covariance matrix

%MVDR

IR=inv(R); %Inverse of covariance matrix

for k=1:length(angles)

mvdr(k)=1/(a1(:,k)'*IR*a1(:,k));

end

figure;

plot(angles,abs(mvdr)/max(abs(mvdr)),'k');hold on;

xlabel('Angle in degrees')

%Estimate DOA's using the classical beamformer

for k=1:length(angles)

Classical(k)=(a1(:,k)'*R*a1(:,k));

end

plot(angles,abs(Classical)/max(abs(Classical)),'r--');grid on;

legend('MVDR','Classical Beamformer');

对应结果图:

自适应滤波:维纳滤波器——LCMV及MVDR实现_第4张图片

噪声较大时:

自适应滤波:维纳滤波器——LCMV及MVDR实现_第5张图片

二者就比较接近,可以发现:

  • 信号与噪声不相关、且噪声为白噪声时,仍能求解最优权值;
  • 噪声较大时,MVDR与无约束最优滤波效果接近,此时MVDR的优势不再明显,这也容易理解,噪声占主要成分时对波束的约束保留效果不再明显。

两点补充:

1)因为LCMV中有矩阵求逆一项,所以补充说明一点:默认不同角度信号不相干,只记录学习的理论知识,不论及技术细节处。

2)基于窄带分析。如果是宽带,则可以划分多个自带,或者利用聚焦矩阵预处理,窄带才有如下近似(且一个频带内才可以用一个频率表征):

 

参考:

Jeffrey Foutz, Andreas Spanias, and Mahesh K. Banavar《Narrowband Direction of Arrival Estimation for Antenna Arrays》.

Simon Haykin 《Adaptive Filter Theory Fourth Edition》.

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