自适应滤波学习感悟

前言

最近学习了自适应滤波,把我学到的想法写下来(本来想一步一步的推公式这样介绍了,但感觉那样太麻烦,也和书没啥区别了),用到的书放到参考文献中。

感悟

首先假设信号是统计的,根据MMSE准则,推导出全局的最优解,也就是维纳滤波解,但这个结果是非因果性的,需要知道全部数据才可以,虽然不能使用,但却具有指导作用,后面的算法收敛后均为维纳解。

介绍了正交性原则,即每次迭代的输出误差和输入数据正交(只有正交才代表了本次收敛到最优),正交性原则很重要,为后面的算法推导提供便利。

LMS算法,利用每次到达瞬时最小误差代替全局最小,LMS算法简单,容易实现,但收敛速度严重数据协方差矩阵的特征值和步长,步长过小会收敛慢,步长过大,则发散,因此在AEC中基本不会使用此算法。

NLMS算法,为了改善LMS算法的缺点,NLMS从更新后的滤波器与更新数据滤波后的误差最小进行推导(也可以从每次滤波器变化最小进行推导),由于NLMS算法的步长和数据有关,不会存在发散的情况,SPEEX和WEBRTC 两大开源软件中的AEC均采用NLMS。

RLS 算法,递归最小二乘法,利用矩阵求逆引理,推理出递推的更新公式。

MDF(Multidelay Block Frequency Domain Adaptive Filter) 滤波器的长度越长,系统的延时越长,滤波器短一些的话没法建模复杂的环境,为此出现了MDF框架,前面提到的SPEEX和WEBRTC 开源软件也用的这个框架,其中SPEEX加入了最优步长推导,WEBRTC加入了非线性处理。

在AEC处理中,也可以使用AKF(Adaptive Kalman Filter)进行处理,把语音当作测量误差,滤波器变换当做过程噪声,参考信号当作观察矩阵。

参考文献

[1] FarhangBoroujeny. Adaptive Filters: Theory and Applications[J]. 2013.
[2] Soo J S , Pang K K . Multidelay block frequency domain adaptive filter[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, 1990, 38(2):373-376.
[3] Enzner G , Vary P . Frequency-domain adaptive Kalman filter for acoustic echo control in hands-free telephones[J]. Signal Processing, 2006, 86(6):1140-1156.

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