충격잡음에 강인한 ℓ1-norm 기반 가변 스텝사이즈 적응필터 알고리즘 :ℓ1-norm based variable step-size adaptive filtering algorithms robust to impulsive noise

김정희

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김정희 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 남상원

발행연도: 2016

저작권: 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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2016

부밴드별 l₁-norm 기반 스텝사이즈를 이용한 sign 부밴드 적응 알고리즘

김정희 , 김진 , 전재현 외 1명 정보 및 제어 논문집 2016.04 학술대회자료

부밴드별 l₁-norm 기반 스텝사이즈를 이용한 sign 부밴드 적응 알고리즘

김정희 , 김진 , 전재현 외 1명 대한전자공학회 학술대회 2016.04 학술대회자료

충격잡음에 강인한 ℓ1-norm 기반 가변 스텝사이즈 적응필터 알고리즘

김정희 전자컴퓨터통신공 2016.01 학위논문

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본 논문에서는 충격잡음 환경에서 세 가지의 사인 알고리즘(Affine Projection Sign Algorithm (APSA), Sign Subband Adaptive Filter (SSAF), Affine Projection SSAF (APSSAF))의 수렴 성능을 향상시키기 위한 새로운 ℓ1-norm 기반 가변 스텝사이즈 (variable step-size: VSS) 알고리즘을 제안한다. 구체적으로, 제안하는 가변스텝사이즈는 스텝사이즈의 box 제약 조건에서, 본래의 사인 알고리즘의 목적함수를 최소화하는 문제로부터 유도된다. 제안하는 ℓ1-norm 최소화 문제에서는 본래의 사인 알고리즘과 같은 목적함수를 사용하지만, 여기서는 다른 변수, 스텝사이즈에 대해 최소화한다.따라서 제안하는 목적함수는 스텝사이즈에 대해 1차원 piecewise 선형 볼록 함수로 해석할 수 있으며, 이는 제안하는 목적함수가 미분불능임을 의미한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 최적의 해를 구할 수 있는 효율적인 수치해석적 절차도 제안한다. 제안하는 ℓ1-norm 최소화 절차는 제안하는 최소화 문제와 동일한 형식의 어떠한 최적화 문제에도 적용할 수 있다.
특히, 기존 SSAF 알고리즘은 필터뱅크로 인하여 신호의 전달 경로에 시간 지연이 발생하기 때문에 실시간 응용에 제한적으로 활용된다. 이러한 어려움을 극복하기 위해, 시간 지연이 없는 SSAF 구조를 제안한다. 또한, 각 부밴드에 ℓ1-norm 최소화 기법을 적용한 밴드별 가변 스텝사이즈 (band-dependent VSS: BDVSS) 알고리즘도 제안한다.그렇게함으로써,각 부밴드에 서로다른 스텝사이즈를 할당할 수 있으며, 기존 방법에 비해 향상된 수렴 성능을 기대할수 있다.
제안하는 알고리즘은 충격잡음이 포함되는 시스템 식별 환경의 다양한 컴퓨터시뮬레이션을 통해 테스트하였다. 또한, 제안하는알고리즘은 double-talk이 발생하는 음향반향신호제거 (Acoustic Echo Cancellation: AEC)와 능동충격소음제어 (Active Impulsive Noise Control: AINC) 등 충격잡음이 발생하는 다양한 시스템에도 적용하여 이에 대한 성능을 검증하였다. 그 결과, 제안하는 알고리즘은 충격잡음에 강인한 기존 적응필터 알고리즘에 비해 수렴속도와 정상상태오차 측면에서 우수한 성능을 보였다. 더욱이, 제안하는 알고리즘은 어떠한 사전 정보가 필요하지 않으면서도, 잡음 분산이나 사전에 결정된 상수의 정보가 필요한 최근의 가변 스텝사이즈 사인 알고리즘과 비슷한 수렴 성능을 보인다.

In this dissertation, a novel ℓ1-norm based variable step-size (VSS) algorithm is proposed to improve the convergence under impulsive interference in three sign algorithms: the affine projection sign algorithm (APSA), sign subband adaptive filter (SSAF), and affine projection SSAF (APSSAF). Each proposed VSS is obtained by employing the same ℓ1-norm based objective function as in the original sign algorithm, with a box-constraint on the step-size. In the proposed ℓ1-norm minimization problem for the step-size, the objective function is minimized with respect to a different scalar variable, i.e., the step-size. Accordingly, the proposed objective function can be interpreted as a one-dimensional piecewise linear convex one with respect to the step-size, which implies that it is non-differentiable. To resolve the non-differentiability problem, an efficient numerical procedure is presented for the optimal solution. Note that this numerical procedure can be further utilized to solve any optimization problem that can be formulated in the same form as the proposed minimization problem.
In particular, the conventional SSAF introduces an undesirable signal path delay by the filter banks; therefore, it can be restrictively used in real-time applications. Thus, a delayless scheme for the SSAF is also developed. Furthermore, a band-dependent VSS (BDVSS) algorithm for the delayless SSAF is derived by applying the proposed ℓ1-norm minimization to each subband of the delayless SSAF. By doing so, a different step-size can be assigned to each subband, and improved performance compared with the conventional algorithms can be expected.
The proposed approach is tested using extensive computer simulations in a system identification scenario with impulsive interference. In addition, its performance is also verified in various impulsive noise environments such as acoustic echo cancellation (AEC) with double-talk and active impulsive noise control (AINC). The results demonstrate that the proposed approach yields better performance in terms of the convergence rate and steady-state error than the existing adaptive algorithms robust against impulsive interference. Furthermore, although the proposed approach does not require any a priori information, it provides a good convergence performance compared with the most recent VSS sign algorithms, which require either the a priori information of noise variance or a carefully selected predefined constant.

#전자공학

List of Figures iii
List of Tables v
Abbreviations vi
Abstract viii
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Background and problem statement 1
1.2 Summary of contributions 3
Chapter 2 Minimization of ℓ1-norm of the a posteriori error 6
2.1 Introduction 6
2.2 Proposed ℓ1-norm minimization for the variable step-size 7
2.3 Geometric interpretation 11
Chapter 3 Affine projection sign algorithm with a variable step-size 13
3.1 Introduction 13
3.2 Review of the affine projection sign algorithm 15
3.3 Proposed variable step-size APSA 16
3.3.1 ℓ1-norm based variable step-size 16
3.3.2 Computational complexity 20
3.4 Simulation results 20
Chapter 4 Delayless sign subband adaptive filter with a variable step-size 27
4.1 Introduction 27
4.2 Review of the sign subband adaptive filter 29
4.3 Delayless SSAF 31
4.4 Proposed variable step-size SSAF 36
4.4.1 ℓ1-norm based variable step-size 36
4.4.2 Band-dependent variable step-size 38
4.5 Simulation results 42
4.5.1 System identification 42
4.5.2 Acoustic echo cancellation with double-talk situation 46
4.5.3 Active impulsive noise control 49
Chapter 5 Affine projection sign subband adaptive filter with a variable step-size 57
5.1 Introduction 57
5.2 Review of the affine projection sign subband adaptive filter 58
5.3 Proposed variable step-size APSSAF 61
5.3.1 ℓ1-norm based variable step-size 61
5.3.2 Band-dependent variable step-size 63
5.4 Simulation results 66
Chapter 6 Applications to acoustic echo cancellation 70
6.1 Introduction 70
6.2 Flowchart of the acoustic echo cancellation 72
6.3 Implementation of audio play and record 73
6.4 Updating the adaptive filter using the NDK approach 75
6.5 Configuration of the AEC Android application 77
6.6 Performance evaluation of the delayless BDVSS-SSAF 80
Chapter 7 Conclusion 83
Bibliography 85
국문요지 92
감사의 글 94

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상세 메타 데이터	발행기관 메타	발행기관 이명, 영문명, 창립연도, 홈페이지URL, 발행기관 소개
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	논문 메타	작성 언어, 부제목, 대등제목, 목차, 키워드, 초록, 이미지, 참고문헌, 이용수, 피인용수, 논문활용도, DBpia통합주제분류, KDC분류, DDC분류, 한국연구재단분류, UCI, DOI
	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

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