Методы и средства цифровой обработки информации ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ 1 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Адаптивными (АФ) называют фильтры, частотные характеристики которых зависят от спектров обрабатываемых сигналов. Основная задача АФ – повысить качество приема или обработки сигнала. Характеристики АФ изменяются во времени. Процедура конструирования АФ состоит в выборе: – класса фильтра (КИХ, БИХ, одномерный, двумерный); – оптимального алгоритма корректировки (адаптации) коэффициентов АФ – наиболее сложная задача, связанная с обеспечением работы устройства в реальном времени. 2 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Применение АФ – коррекция искажений при передаче сигнала по каналам связи; в этом случае АФ моделирует обратную характеристику системы; – подавление шумов, путем вычитания помехи; – компрессия (сжатие) речевых сигналов в системах с линейным предсказанием (вокодерах); – адаптивные антенные системы; – цифровые приемники связи; – адаптивное подавление шума; – моделирование (идентификация) системы. 3 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Принципы адаптации в системах обработки информации Чаще всего при формировании статистических моделей сигналов и шумов используются концепции линейности, стационарности и нормальности (гауссовская модель). АФ – динамическая система с обратной связью, обеспечивающая необходимое изменение основных параметров (структуры) для получения требуемого качества фильтрации при нестационарности обрабатываемых процессов. 4 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Классы АФ – Пассивные адаптивные системы. Критерий качества задается в пределах, удовлетворяющих априори широкому диапазону изменения входных воздействий. Обратная связь практически отсутствует, АФ не являются. – Системы, адаптирующиеся по входному сигналу. С учетом изменений характеристик входного сигнала (СКО, отношение сигнал/шум, спектральная плотность мощности) происходит настройка параметров фильтра. Не чувствительны к изменению выходных характеристик системы, которая рассматривается как разомкнутая. 5 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Классы АФ – Системы, адаптирующиеся по выходному сигналу. Адаптацию можно проводить как по вектору состояния системы, так и по интегральным характеристикам объекта (импульсной переходной, передаточной и другими функциями). – Системы, адаптирующиеся за счет прямой подстройки параметров фильтра (коэффициентов усиления, постоянных времени и других параметров). Изменения входных и/или выходных воздействий непосредственно (а не через функционал качества) влияют на параметры фильтров, обеспечивая поддержание их выходных сигналов в требуемом диапазоне. 6 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Классы АФ – Системы, адаптирующиеся по тестовым сигналам. Реакция на тестовый сигнал, устанавливающая соответствие с реакцией на входное воздействие, используется для отождествления входного воздействия с определенным классом (диапазоном) входных воздействий. – Системы, адаптирующиеся по экспериментальным значениям некоторых параметров или характеристик. По значениям входных и выходных сигналов вычисляется назначенный параметр или характеристика, которые затем сравниваются с эталонной. При определенном уровне рассогласования производится перенастройка параметров системы. 7 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Классы АФ «Самооптимизация» формирование импульсной переходной функции фильтра на основе измерения и обработки мгновенных значений входных и выходных последовательностей с использованием прямого (или рекурсивного) алгоритма вычислений при выбранном критерии качества цифровой фильтрации. 8 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Трудности построения адаптивных динамических систем: 1) модель адаптивного фильтра существенно нелинейна; 2) количество измеряемых парамeтров системы и время их измерений не обеспечивают адаптации в реальном масштабе времени; 3) в ряде случаев исключается возможность применения тестовых сигналов; 4) возникает необходимость обеспечения устойчивости вычислительных процессов при оценке коэффициентов адаптации, а также устойчивости функционирования системы в целом. 9 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Структурная схема адаптивного фильтра прямая обратная 10 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Базовая идея адаптивной обработки сигнала Адаптация может быть как одноцикловым (одношаговым), так и итеративным. Основными характеристиками алгоритма адаптации являются скорость сходимости при заданной ошибке и сложность (объем вычислений). Чаще других применяются алгоритмы, основанные на одном из двух критериев: минимума среднеквадратической ошибки (СКО) и метода наименьших квадратов (МНК). В зависимости от характера усреднения ошибки фильтрации выделяют глобальноадаптивные и локально-адаптивные фильтры. 11 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Базовая идея адаптивной обработки сигнала Адаптация может проводиться с использованием образцового сигнала; без использования образцового сигнала ( «слепая адаптация» (blind adaptation) или «обучение без учителя» (unsupervised learning) использует информацию о структуре полезного входного сигнала, сложная вычислительная задача). В качестве фильтра, как правило, используется структурно устойчивый КИОфильтр. Алгоритм адаптации вносит в систему обратную связь, вследствие чего адаптивная система в целом может стать неустойчивой. Нейронные сети (neural networks) - класс адаптивных систем, который моделируют работу нервной системы живых организмов. 12 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Оптимальный фильтр Винера – статистический оптимальный фильтр. где 13 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Оптимальный фильтр Винера Матрица Теплица 14 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Оптимальный фильтр Винера 15 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Адаптивный КИО-фильтр прямой формы 16 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Адаптивный КИО-фильтр прямой формы 17 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Алгоритм адаптивной фильтрации LMS (Least Mean Square, метод наименьших квадратов) – максимальное собственное число корреляционной матрицы R. Чем меньше отношение , тем быстрее сходится итерационный процесс. 18 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Алгоритм адаптивной фильтрации LMS (Least Mean Square, метод наименьших квадратов) Выбор шага 19 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Идентификация систем 20 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Идентификация систем 21 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Идентификация систем 22 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Подавление узкополосной помехи в широкополосном сигнале 23 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Адаптивный КИО-фильтр прямой формы 24 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Адаптивное эхоподавление Причины возникновения искажений в линиях связи –Наличие реактивных элементов, которые вызывают линейные искажения. Искажения, вызываемые непостоянством АЧХ при линейной зависимости ФЧХ, называются амплитудными линейными искажениями. Искажения, вызываемые нелинейностью ФЧХ при постоянстве АЧХ, называются фазовыми линейными искажениями. –Наличие нелинейных элементов, которые вызывают нелинейные искажения. В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения приводят не только к искажению формы сигнала, но и к преобразованию спектра передаваемого сигнала. –Электрическое эхо или явление отражений. 25 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Адаптивное эхоподавление Причины возникновения искажений в линиях связи –Наличие реактивных элементов, которые вызывают линейные искажения. Искажения, вызываемые непостоянством АЧХ при линейной зависимости ФЧХ, называются амплитудными линейными искажениями. Искажения, вызываемые нелинейностью ФЧХ при постоянстве АЧХ, называются фазовыми линейными искажениями. –Наличие нелинейных элементов, которые вызывают нелинейные искажения. В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения приводят не только к искажению формы сигнала, но и к преобразованию спектра передаваемого сигнала. –Электрическое эхо или явление отражений. 26 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Четырехпроводная абонентская телефонная Методы и средства цифровой обработки информации система 27 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Двухпроводная абонентская телефонная система 28 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Упрощенная двухпроводная абонентская телефонная система 29 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Протяженная телефонная линия 30 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Упрощенный вариант протяженной телефонной системы 31 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Методы борьбы с электрическим эхом: –частотное разделение каналов; –применение самобалансирующихся дифференциальных систем; –компенсация эхо-сигнала. 32 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Протяженная телефонная система с устройствами подавления эхо-сигналов 33 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Протяженная телефонная система с адаптивным подавлением эхо-сигналов 34 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Модель прохождения сигналов в адаптивном устройстве подавления эхо-сигналов 35 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
(9. 23) Методы и средства цифровой обработки информации Подавление отражений в длинных линиях 36 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Схема телефонных каналов с четырехпроводным (а) и двухпроводным окончанием (б) с путями прохождения эхо-сигналов (1, 2, 3) 37 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Схема эхокомпенсатора 38 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Подавление отражений в длинных линиях Эхоподавление, осуществляемое с помощью адаптивного фильтра 39 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Дуплексная передача данных по телефонным каналам 40 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Модель цифровой системы передачи данных с использованием эхоподавления в модемах 41 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Блок-схема устройства адаптивного эхоподавления 42 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Цифровая обработка речи Области применения речевой связи 43 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ). В ИКМ каждый отсчёт кодируется независимо от других. Однако у многих источников сигнала при стробировании со скоростью Найквиста или быстрее проявляется значительная корреляция между последовательными отсчётами. Другими словами, изменения амплитуды между последовательными отсчётами в среднем относительно малы. Следовательно, схема кодирования, которая учитывает избыточность отсчётов, будет требовать более низкой битовой скорости кодирования для выхода источника. 44 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) Поскольку можно ожидать, что разность между отсчётами сигнала меньше, чем действительные значения отсчётов, то потребуется меньшее число бит для представления разностного сигнала. Суть этого общего подхода - в предсказании текущего значения отсчёта на основе предыдущих отсчётов. Пусть текущий отсчёт источника, предсказанное значение (оценка) , коэффициенты предсказания: 45 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) Предположим, что выход источника стационарен (в широком смысле): 46 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ). Блоксхема кодера ДИКМ Блок-схема декодера ДИКМ в приёмнике 47 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ). Блоксхема кодера ДИКМ Блок-схема декодера ДИКМ в приёмнике 48 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Корреляционный демодулятор Прокис стр. 198 - 201 Рабинер стр. 13 -14 (432), 104, 321, 366 -… 49 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Методы и средства цифровой обработки информации Кодирование речи ДИКМ Прокис стр. 110 - 124 Адаптивный эквалайзер 546 -582 Решетчатый фильтр 50 Лекция 12. Применение адаптивной фильтрации
Скачать презентацию Методы и средства цифровой обработки информации ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТИВНОЙ
Лекция 12 Адаптивные фильтры.ppt