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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410668480.9(22)申请日 2014.11.19G06F 17/16(2006.01)(71)申请人天津大学地址 300072 天津市南开区卫津路92号(72)发明人黄翔东 孟天伟(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201代理人温国林(54) 发明名称基于频谱校正的超定盲信号分离方法及其装置(57) 摘要本发明公开了一种基于频谱校正的超定盲信号分离方法及其装置,方法包括:获取包含N个频率值的向量、幅值矩阵;逐个检查频率向量中的频率分量是否包含在第i路的频率向量中,若包含,则对幅值矩阵进行重新赋值;将赋。
2、值后的幅值矩阵的各列进行归一化及聚类处理,获取聚类后的幅值矩阵;根据聚类后的幅值矩阵估计出第j路源信号。所述装置包括:多路观测信号经过模数转化器采样得到样本序列,以并行数字输入的形式进入DSP器件,经过DSP器件的内部算法处理,得到信号的分离结果;最后借助输出驱动及其显示模块显示出分离出的源信号。本发明提高了盲分离的准确性,在振动信号处理领域具有很高的应用价值,且该分离装置具备足够的抗噪声性能。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书11页 附图7页(10)申请公布号 CN 104408025 A(43)申请公布日 2015.03.1。
3、1CN 104408025 A1/1页21.一种基于频谱校正的超定盲信号分离方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:(1)根据频偏估计值,获取第i路的第p簇谱线校正后的频率估计值和幅值估计值;(2)获取包含N个频率值的向量、nN维的幅值矩阵;逐个检查频率向量中的频率分量是否包含在第i路的频率向量中,若包含,则对幅值矩阵进行重新赋值;(3)将赋值后的幅值矩阵的各列进行归一化及聚类处理,获取聚类后的幅值矩阵;(4)根据聚类后的幅值矩阵估计出第j路源信号。2.根据权利要求1所述的一种基于频谱校正的超定盲信号分离方法,其特征在于,在步骤(1)之前,所述方法还包括:获取各路观测信号的Ni簇谱线;逐个记录。
4、每簇谱线的最高谱线的位置;根据最高谱线的位置获取并更新每簇谱线的频偏估计值。3.根据权利要求1所述的一种基于频谱校正的超定盲信号分离方法,其特征在于,频率估计值为fi,pki,p+ki,pi1,2,.,n,p1,2,.,Ni幅值估计值为Bi,p2ki,p(1-ki,p2)/sin(ki,p)|Xi(ki,p)| i1,2,.,n,p1,2,.,Ni其中,ki,p为最高谱线位置;ki,p为频偏估计值;|Xi(ki,p)|为校正前第i路观测的第p簇谱线的幅值;Ni为第i路观察信号中峰值谱线的簇数。4.一种基于频谱校正的超定盲信号分离装置,所述装置包括:DSP器件,其特征在于,多路观测信号经过模数转。
5、化器采样得到样本序列,以并行数字输入的形式进入所述DSP器件,经过DSP器件的内部算法处理,得到信号的分离结果;最后借助输出驱动及其显示模块显示出分离出的源信号。权 利 要 求 书CN 104408025 A1/11页3基于频谱校正的超定盲信号分离方法及其装置技术领域0001 本发明涉及数字信号处理技术领域,尤其涉及一种基于频谱校正的超定盲信号分离方法及其装置。具体涉及对于在观测信号数目大于源信号数目(即超定情况)的盲信号分离场合,仅依据对具有周期性的观测信号进行处理而恢复出所有源信号的问题。背景技术0002 盲信号分离1(Blind Source Separation,简称BSS)是指在源信。
6、号和传输信道未知的情况下,仅仅对传感器接收到的观测信号做处理而实现源信号的恢复。盲信号分离要求源信号之间相互独立,这通常符合实际工程需要,因而既是当前信号处理学界的热点课题,也是通信2、生物医学3、计算机科学、语音信号处理4,5和机械故障诊断6等工程领域急需推广的技术。因而多源混合信号的盲分离技术有着很高的研究价值。0003 显然,源信号与观测信号的连接纽带就是传输通道,因而在盲分离中,传输信道的辨识是关键。而盲分离方法,也因传输通道的混合方式的差异而分为线性瞬时混合、线性卷积混合和非线性混合三类;本发明解决的是线性瞬时混合模型的盲分离问题。0004 另外,盲分离还可以根据按源信号和观测信号的。
7、相对数目来分类,当观测信号数目大于源信号数目时称为超定盲分离,两者相等时称为正定盲分离,观测信号数目小于源信号数目时称为欠定盲分离。其中超定和正定盲分离由于在获知混合矩阵A后,均可以对该矩阵求逆,而实现源信号恢复,故常常将二者合称为超定盲分离问题,本发明不考虑欠定分离情况,解决的正是这类超定盲分离问题。0005 在盲分离对源信号恢复的过程中通常存在两个不确定性:(1)排序的不确定性。由于混合矩阵A和源信号s(t)未知,当同时交换两者对应的列向量位置时,所得到的观测信号x(t)不变,从而无法得知源信号各向量的原始排列顺序;(2)幅值的不确定性。这是由于源信号s(t)的某个分量和与之对应的混合矩阵。
8、A的行之间互换一个固定的比例因子。但这对源信号包含的主要特征信息并不妨碍。0006 典型的超定盲信号分离方法有联合近似对角化法6JADE法(如文献6应用于机械故障诊断中)、基于固定点迭代的快速神经算法 FastICA算法(包括基于信息最大化的神经网络算法7、基于负熵的盲信号分离算法8,9、基于峭度或基于最大似然等)、基于分数阶傅立叶变换的盲分离方法,基于功率谱的盲信号分离算法10等。其中文献4,11,12根据ICA理论,首先必须对观测信号进行白化、中心化等预处理过程,再通过设定神经网络的学习步长,根据不同的迭代公式反复进行迭代学习,直到找到最优的权值矩阵A,最终求得各个独立分量,从而达到盲信号。
9、分离的目的。文献10,13提出的基于功率谱密度的源数估计方法,是由观测信号功率谱密度函数的比值,得到功率谱密度矩阵,再通过比较矩阵各列向量估计出频率域不相关源或独立源的源数。0007 在以上提及的几种算法中,JADE6法则需要高阶矩的对角化,计算量很大。基于信息最大化的神经网络算法7需要源信号的概率密度函数,但是在源信号未知的情况下,需要对概率密度函数做出估计,影响了盲信号的分离精度。文献4,8,9,11,12中的ICA算说 明 书CN 104408025 A2/11页4法均是基于不同学习步长迭代实现的,当设定的学习步长较小而误差较大时,迭代参数需要很长时间才能收敛,会影响盲源分离的效果,盲源。
10、分离前馈神经网络模型存在易陷入局部极小点的不足;另外,FastICA方法首先需对信号进行中心化等预处理操作,也会加大算法的计算量。而基于功率谱的盲信号分离10,13要求观测信号之间的参数比值,这容易产生无穷大的值而不方便计算机处理,同时由于频谱泄漏,对观测信号进行傅氏变换时得到的频谱峰值处的频率和幅值都是不精确的,这些都影响了最后的分离效果。发明内容0008 本发明提供了一种基于频谱校正的超定盲信号分离方法及其装置,本发明降低了算法的复杂度,提高了分离的精度,详见下文描述:0009 一种基于频谱校正的超定盲信号分离方法,所述方法包括以下步骤:0010 (1)根据频偏估计值,获取第i路的第p簇谱。
11、线校正后的频率估计值和幅值估计值;0011 (2)获取包含N个频率值的向量、nN维的幅值矩阵;逐个检查频率向量中的频率分量是否包含在第i路的频率向量中,若包含,则对幅值矩阵进行重新赋值;0012 (3)将赋值后的幅值矩阵的各列进行归一化及聚类处理,获取聚类后的幅值矩阵;0013 (4)根据聚类后的幅值矩阵估计出第j路源信号。0014 在步骤(1)之前,所述方法还包括:0015 获取各路观测信号的Ni簇谱线;逐个记录每簇谱线的最高谱线的位置;0016 根据最高谱线的位置获取并更新每簇谱线的频偏估计值。0017 频率估计值为0018 fi,pki,p+ki,pi1,2,.,n,p1,2,.,Ni0。
12、019 幅值估计值为0020 Bi,p2ki,p(1-ki,p2)/sin(ki,p)|Xi(ki,p)|i1,2,.,n,p1,2,.,Ni0021 其中,ki,p为最高谱线位置;ki,p为频偏估计值;|Xi(ki,p)|为校正前第i路观测的第p簇谱线的幅值;Ni为第i路观察信号中峰值谱线的簇数。0022 一种基于频谱校正的超定盲信号分离装置,所述装置包括:DSP器件,0023 多路观测信号经过模数转化器采样得到样本序列,以并行数字输入的形式进入所述DSP器件,经过DSP器件的内部算法处理,得到信号的分离结果;最后借助输出驱动及其显示模块显示出分离出的源信号。0024 本发明提供的技术方案的。
13、有益效果是:通过信号各成分的频率与幅值参数的快速估计保证了分离算法的复杂度较低,具有较高的实效性;通过谱校正和K-均值聚类措施,提高了盲分离的准确性,在振动信号处理领域具有很高的应用价值,且该分离装置具备足够的抗噪声性能;并且通过试验验证,证明了分离方法及其分离装置的正确性和简洁性,对生物医学应用、语音信号处理和机械故障诊断等工程领域有着十分重要的应用价值。附图说明说 明 书CN 104408025 A3/11页50025 图1为盲信号分离原理框图;0026 图2为盲信号的分离装置设计总流程图;0027 图3为源信号的时域波形及频谱图;0028 图4为无噪时观测信号的时域波形及频谱图;0029。
14、 图5为分离后信号的时域波形及频谱图(无噪);0030 图6为Fast-ICA方法分离后信号的时域波形及频谱图(无噪);0031 图7为加噪时混合信号的时域波形及频谱图;0032 图8为分离后信号的时域波形及频谱图(加噪);0033 图9为Fast-ICA方法分离后信号的时域波形及频谱图(加噪);0034 图10为本发明的硬件实施图;0035 图11为DSP内部程序流图。具体实施方式0036 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。0037 为改善以上方法并进行简单高效的盲信号分离,本发明提出针对源信号为周期信号的基于频谱校正的超定盲信号分离装置,该装。
15、置所用的频率和幅值都是经过校正得到的,尽量消除频谱泄漏的影响,从而保证了分离的高精确度;与文献10不同,本装置核心算法不会出现无穷大的极端情况,因而更容易为计算机处理;本发明核心在于混合矩阵的估计,该矩阵仅需借助谱校正计算出各成分的幅值而得到幅值矩阵,再结合K均值聚类模式化简即可得到,故实施过程简单易行,无需做反复迭代。实验证明了本发明提出方法的可行性,故对生物医学应用、语音信号处理和机械故障诊断等工程领域有着十分重要的应用价值。0038 现有技术中的盲信号分离系统恢复原理如图1所示,该分离原理图中S(t)为源信号,A为混合矩阵,源信号经过混合得到观测信号x(t),通过求取分离矩阵C-1,最终。
16、由观测信号恢复出所有源信号,因此该分离系统的关键为较精确地估计出分离矩阵C-1。为此,本发明提出基于频谱校正的盲信号分离方法来估计该矩阵。0039 本发明所采用的模型为线性瞬时混合模型,理想无噪情况下,其数学表达式为:0040 x(t)AS(t) (1)0041 式中x(t)是n维观测信号矢量,S(t)为m维未知独立源周期信号矢量,A为nm维未知混合矩阵。0042 为使盲信号可分离,这里假设源信号相互独立,即源信号之间的频率分量及源信号内部的各频率分量互不相等,并且要求源信号数目mn,则(1)式的矩阵表示为:0043 说 明 书CN 104408025 A4/11页60044 式(2)中,x1。
17、(t)xn(t)表示n路观测信号,s1(t)sn(t)表示m路未知独立源信号,a11anm为混合系数。0045 由于对观测信号作谱分析时存在频谱泄漏,使得Xi(f)各频率分量的幅值和频率出现偏差,此时为得到精确的幅值和频率就需要对其进行校正,由图2可得具体算法如下:0046 101:对各路观测信号xi(t),i1,n,加汉明窗后作FFT谱分析得到Xi(f),进而得到出Ni簇谱线(每簇谱线代表1个频率成分);并逐个记录每簇谱线的最高谱线的位置即0047 102:逐个访问谱Xi(f)的每簇谱线的最高谱线位置ki,p,p1,2,.,Ni,记下对应位置的谱峰值(|Xi(ki,p)|),再求出与每簇谱峰。
18、位置相邻的两条谱线中幅值较大的谱线值(记为|Xi(ki,p(次高谱)|);0048 并求得两者比值将vi,p值代入式(3)求得每簇谱线的频偏估计值ki,p,即0049 ki,p(vi,p-2)/(vi,p+1) (3)0050 求出ki,p后,比较谱峰ki,p两侧的谱线幅值,若左侧的谱线幅值大于右侧的谱线幅值,将ki,p的值更新为ki,p-1,同时峰值谱线号ki,p的值更新为ki,p-1;0051 103:根据ki,p频偏估计值,得到第i路的第p簇谱线校正后的频率估计值fi,p为0052 fi,pki,p+ki,pi1,2,.,n,p1,2,.,Ni(4)0053 相应地,得到第i路观测的第p。
19、簇谱线校正后的幅值估计值为0054 Bi,p2ki,p(1-ki,p2)/sin(ki,p)|Xi(ki,p)|i1,2,.,n,p1,2,.,Ni0055 (5)0056 式(5)中|Xi(ki,p)|表示校正前第i路观测的第p簇谱线的幅值,Ni为第i路观察信号中峰值谱线的簇数。0057 从而得到包含第i路观测所有频率估计结果的向量fi和幅值估计结果的向量Bi,即0058 0059 类似地,其它各路观测信号的幅值与频率校正的步骤同上,从而获得n个频率向量f1fn和n个幅值向量B1Bn;0060 104:将n个观测频率向量组合到一起,形成含有冗余频率的较长的频率向量fr,即:0061 0062。
20、 对式(7)向量包含的所有频率按从小到大排序、并将间距较近的多个频率合并为其均值,进而得到包含N个频率值的向量F为0063 FF1F2,FN (8)说 明 书CN 104408025 A5/11页70064 由于合成向量F是由每个观测信号对应的频率向量去冗余组合而来的,因此显然有NNi;0065 105:构造nN维的幅值矩阵Bm,0066 0067 并将该矩阵Bm所有元素初始化为0;再逐个检查频率向量FF1F2,FN中的频率分量Fj,j1,.,N,是否包含在第i路的频率向量fifi,1fi,2fi,3fi,Ni中,若包含,则将Bi,j值赋值给Bi,j(fj),即0068 0069 106:将B。
21、m的各列进行2范数归一化处理,把每一个列向量当做是1个模式,再用K均值聚类法将Bm中的N个模式聚成m类,可得聚类后的幅值矩阵为0070 0071 107:按照下式得到源信号估计即0072 0073 其中,式(12)中的为幅值矩阵的伪逆。0074 实验0075 为验证本发明的正确性和有效性,将本发明提出的盲分离方法与常用的Fast-ICA算法进行性能对比。0076 为定量比较两种算法的性能,实验采用评判盲信号恢复好坏的相似矩阵及性能指数PI值作为判据。0077 相似矩阵是描述估计信号与源信号相似性的参数,它的每行和每列都有且仅有一个元素的绝对值接近于1,其它元素都近似接近于0,则可认为该算法分离。
22、效果较为理想。0078 性能指数PI值定义如下:说 明 书CN 104408025 A6/11页80079 0080 式(13)中,gij为矩阵G(G为实际混合矩阵A与分离矩阵的乘积)的元素(公式中gik、gji均表示矩阵G中的元素,只是取值随i、j、k的不同而不同);maxj|gij|表示G的第i行元素绝对值中的最大值;maxj|gji|表示第i列元素绝对值中的最大值。当分离出的信号与源信号波形完全相同时PI0。实际中,该值越小,则表示恢复效果越好。0081 另外,在本方法的步骤106的聚类环节中,需设定误差阈值对归一化后的幅值矩阵Bm的列向量进行聚类。在实验中,将该误差阈值设定为5,即若两。
23、个列向量的相对误差在5之内则将这两个列向量聚成一类。0082 为研究本发明方法的抗噪性,将实验分为无噪情况和含噪情况分别进行讨论。0083 1、无噪情况0084 首先讨论盲信号在无噪声干扰情况下的分离情况。假设系统采样速率Fs310样本点/秒,每路收集N1024个样本,则FFT的频率分辨率fFs/N0.3027 Hz。0085 已知如下4个周期性的源信号及混合矩阵A:0086 s1(t)cos(270t)0087 s2(t)sin(230t+27)0088 s3(t)sin(260t+6sin(220t) (14)0089 s4(t)sin(210t+12)sin(2100t)0090 009。
24、1 为进行分离前后波形对照,首先对源信号采样并作FFT得到如图3所示的时域波形及频谱图。将源信号s1(t)s4(t)通过混合矩阵A得到观测信号x1(t)x5(t),其时域波形及频谱图如图4所示,图4中左半部分为恢复出的源信号,右半部分为源信号相对应的频谱图。0092 由本发明所提的算法,需得到各个混合信号在各频率点上的精确幅值,因此按步骤102和103对每路观测的各成分进行频率校正和幅值校正,按照步骤104对校正后的频率进行排序、组合,再按照步骤105可得到长度N10的频率向量F和幅值向量Bm,如表1所示:0093 表1 无噪时幅值矩阵表0094 说 明 书CN 104408025 A7/11。
25、页90095 比较每列向量可以清楚的看到有如下4组幅值列向量相近,它们对应的频率组合是:29.999869.9998 89.9999,109.9999 19.9997,39.9998,99.9999,129.9999,140.0000,150.00000096 由前面的分析可知这4组频率分别来自4个不同的源信号。其中20.9998Hz与69.998Hz对应得列向量找不到与之相近的列向量,因此,它们对应的源信号应是单源信号,这与源信号式(14)正好吻合,同样其它两组列向量也与源信号式(14)相吻合。将相近的列向量进行聚类即:0097 0098 然后按照步骤106,对Bm的各列进行2范数归一化处理。
26、,并用K均值聚类法将Bm中的10个模式聚成4类,可得聚类后的混合矩阵为0099 0100 将式(15)的实际混合矩阵A做二范数归一化,其结果为:0101 0102 对照式(16)的中的与式(17)的各列向量,可知除了列向量的排序存在差别外,各列向量的误差都很小,表明了本发明所提供算法的正确性及精确性。0103 再按照步骤107对求伪逆而得到分离矩阵再根据而恢复出源信号波形及其频谱如图5所示,图5中左半部分为恢复出的源信号,右半部分为源信号相对应的频谱图。说 明 书CN 104408025 A8/11页100104 另外,对同样的观测信号,按照基于峭度的Fast-ICA算法,得到恢复波形及其频谱。
27、如图6所示。0105 对比图3与图5可明显的看到,除了排列顺序不同外其时域波形及频谱分布基本相同,且谱泄漏很小;而对于Fast-ICA方法分离得到的源信号(图6),从频谱图不难发现对于源s2(t)、s3(t)有明显谱泄漏的情况出现。0106 对于定量指标相似矩阵及性能指数,按照本发明方法及Fast-ICA方法,得到相似矩阵及PI值分别为:0107 0108 0109 其中proposed表示采用本发明方法求得的相似矩阵,Fast-ICA为采用Fast-ICA方法求得的相似矩阵;同理,PIproposed表示采用本发明方法求得的PI值,PIFast-ICA为采用Fast-ICA方法求得的PI值。。
28、对比两种算法,可看出无噪情况下:0110 相似矩阵proposed及Fast-ICA中每行均唯一存在绝对值接近于1的最大值,其它值接近于0,即两种算法均能在无噪情况下较好的恢复出源信号;0111 比较而言,proposed比Fast-ICA中最大值的绝对值更接近于1,即求得的分离矩阵越准确0112 从性能指数PI值来看,显然本发明方法求得的PI值更小更接近于0,因此优于Fast-ICA算法。0113 (2)加噪情况0114 为验证其在含噪情况下的恢复效果,下面给出加噪情况下的实验。对以上源信号加入零均值随机高斯白噪声,加噪后观测信号x1(t)x5(t)如图7所示,图7中左半部分为恢复出的源信号,右半部分为源信号相对应的频谱图。0115 实验步骤同上,由步骤102步骤105,可得到含噪情况下对应的长度N10的频率向量F和幅值向量Bm,如表2所示0116 表2 加噪时幅值矩阵表0117 说 明 书CN 104408025 A10。