自适应滤波adaptive_filtering_chapter3

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数字信号处理知识点整理Chapter3.

数字信号处理知识点整理Chapter3.

第三章 自适应数字滤波器3.1 引言滤波器的设计都是符合准则的最佳滤波器。

维纳滤波器参数固定,适用于平稳随机信号的最佳滤波;自适应滤波器参数可以自动地按照某种准则调整到最佳。

本章主要涉及自适应横向滤波器.....、自适应格型滤波器........、最小二乘自适应滤波器..........。

3.2 自适应横向滤波器自适应...线性组合....器.和自适应....FIR ...滤波器...是自适应信号......处理的基础.....。

3.2.1 自适应线性组合器和自适应FIR 滤波器自适应滤波器的矩阵表示式 滤波器输出:()()()1N m y n w m x n m -==-∑n 用j 表示,自适应滤波器的矩阵形式为T T j jj y ==X W W X 式中1212,,,,,,,TTN N w w w x x x ⎡⎤⎡⎤==⎣⎦⎣⎦W X误差信号表示为T T j j j j jj j e d y d d =-=-=-X W W X 与维纳滤波相同,先考虑最小均方误差准则:()2222T T j j j j dx xx E e E d y E e ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=-=-+⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦R W W R W2j E e ⎡⎤⎣⎦称为性能函数....,将其对每个权系数求微分,形成一个与权系数相同的列向量: 2221222,,,Tj j jj xx dx N E e E e E e w w w ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤∂∂∂⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥∇==-∂∂∂⎢⎥⎣⎦R W R令梯度为零,可得最佳权系数此时最小均方误差为:22*min T j j dx E e E d ⎡⎤⎡⎤=-⎣⎦⎣⎦W R 要求2minj Ee ⎡⎤⎣⎦和最佳权系数*W ,先求自相关矩阵xx R 和互相关矩阵dx R 。

3.2.2 性能函数表示式及几何意义3.2.3 最陡下降法3.2.1给出了要求2minj Ee ⎡⎤⎣⎦和最佳权系数*W 的理论求解方法,但实际很难应用。

自适应滤波原理

自适应滤波原理

自适应滤波原理自适应滤波是一种根据输入信号的特性自动调整滤波器参数的信号处理方法。

它可以根据输入信号的变化实时调整滤波器的参数,从而更好地适应不同的信号环境,提高滤波效果。

自适应滤波在通信、雷达、生物医学等领域有着广泛的应用。

本文将介绍自适应滤波的原理及其在实际应用中的一些情况。

首先,自适应滤波的原理是基于信号的统计特性进行调整。

在传统的固定参数滤波器中,滤波器的参数是固定的,无法适应信号的变化。

而自适应滤波器则可以根据输入信号的统计特性,如均值、方差等,实时调整滤波器的参数,从而更好地适应信号的变化。

这样可以有效地抑制噪声,增强信号的特征,提高信号的质量。

其次,自适应滤波器的参数调整通常是通过最小均方误差准则来实现的。

最小均方误差准则是指在滤波器输出与期望输出之间的均方误差达到最小。

通过不断调整滤波器的参数,使得均方误差最小化,从而达到最佳的滤波效果。

这种方法可以在不需要先验知识的情况下,自动适应不同的信号环境,提高滤波器的鲁棒性和适应性。

在实际应用中,自适应滤波器可以用于抑制信号中的噪声,增强信号的特征。

例如在通信系统中,可以用自适应滤波器来抑制信道噪声,提高信号的传输质量。

在雷达系统中,可以用自适应滤波器来抑制地面杂波和干扰,提高目标检测的性能。

在生物医学领域,可以用自适应滤波器来去除生理噪声,提取有效的生物信号。

总之,自适应滤波器在各个领域都有着重要的应用价值。

需要指出的是,自适应滤波器也存在一些问题和挑战。

例如,参数的选择和调整需要一定的计算量和时间,可能会增加系统的复杂性和延迟。

此外,自适应滤波器对信号的统计特性要求较高,如果信号的统计特性发生变化,可能会影响滤波器的性能。

因此,在实际应用中需要综合考虑各种因素,选择合适的自适应滤波器结构和参数。

总的来说,自适应滤波是一种根据输入信号的特性自动调整滤波器参数的信号处理方法,它可以提高滤波效果,适应不同的信号环境。

在各个领域都有着重要的应用价值,但也面临着一些问题和挑战。

自适应滤波算法原理及其应用

自适应滤波算法原理及其应用

自适应滤波算法原理及其应用自适应滤波算法是一种能够自动调整滤波参数的信号处理方法。

它根据当前的输入信号和噪声情况,通过不断迭代计算更新滤波器的系数,使得滤波器能够适应不同的输入信号并实现有效的噪声抑制。

自适应滤波的基本原理是通过最小均方差准则,寻找滤波器的最优系数。

它通过最小化滤波输出与原始信号之间的均方差差异,来优化滤波器的性能。

自适应滤波器将输入信号与待估计的滤波系数进行卷积运算,得到滤波输出信号。

然后根据输出信号与实际信号之间的误差,来调整滤波器的系数。

通过不断迭代,最终得到一个最佳的滤波器参数。

自适应滤波在信号处理领域有广泛的应用。

其中一个主要应用是在通信领域,用于抑制信号中的噪声和干扰。

自适应滤波能够有效地降低通信信号中的噪声,提高通信系统的性能。

另外,自适应滤波也常用于图像处理领域,用于去除图像中的噪声和增强图像的质量。

通过自适应滤波,能够减少图像中的噪点、平滑图像边缘等,使得图像更加清晰和易于分析。

此外,自适应滤波还可以应用在语音处理、雷达信号处理、生物医学信号处理等领域。

例如,在语音处理中,自适应滤波可以在语音的捕获和传输过程中,自动抑制环境噪声和回声,提高语音的清晰度和理解度。

在雷达信号处理中,自适应滤波可以去除雷达回波中的杂波和干扰,提高目标的探测和跟踪性能。

在生物医学信号处理中,自适应滤波可以去除脑电图(EEG)或心电图(ECG)等生物信号中的噪声和干扰,以提取有用的生理信息。

总之,自适应滤波算法是一种基于最小均方差准则的信号处理方法,能够根据输入信号和噪声情况自动调整滤波器的系数,从而实现有效的噪声抑制。

它在通信、图像处理、语音处理、雷达信号处理、生物医学信号处理等领域有广泛应用。

通过自适应滤波,能够提高系统的性能和提取有用信号的质量。

(word完整版)自适应滤波器原理-带图带总结word版,推荐文档

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第二章自适应滤波器原理2.1 基本原理2.1.1 自适应滤波器的发展在解决线性滤波问题的统计方法中,通常假设已知有用信号及其附加噪声的某些统计参数(例如,均值和自相关函数),而且需要设计含噪数据作为其输入的线性滤波器,使得根据某种统计准则噪声对滤波器的影响最小。

实现该滤波器优化问题的一个有用方法是使误差信号(定义为期望响应与滤波器实际输出之差)的均方值最小化。

对于平稳输入,通常采用所谓维纳滤波器(Wiener filter)的解决方案。

该滤波器在均方误差意义上使最优的。

误差信号均方值相对于滤波器可调参数的曲线通常称为误差性能曲面。

该曲面的极小点即为维纳解。

维纳滤波器不适合于应对信号和/或噪声非平稳问题。

在这种情况下,必须假设最优滤波器为时变形式。

对于这个更加困难的问题,十分成功的一个解决方案使采用卡尔曼滤波器(Kalman filter)。

该滤波器在各种工程应用中式一个强有力的系统。

维纳滤波器的设计要求所要处理的数据统计方面的先验知识。

只有当输入数据的统计特性与滤波器设计所依赖的某一先验知识匹配时,该滤波器才是最优的。

当这个信息完全未知时,就不可能设计维纳滤波器,或者该设计不再是最优的。

而且维纳滤波器的参数是固定的。

在这种情况下,可采用的一个直接方法是“估计和插入过程”。

该过程包含两个步骤,首先是“估计”有关信号的统计参数,然后将所得到的结果“插入(plug into)”非递归公式以计算滤波器参数。

对于实时运算,该过程的缺点是要求特别精心制作,而且要求价格昂贵的硬件。

为了消除这个限制,可采用自适应滤波器(adaptive filter)。

采用这样一种系统,意味着滤波器是自设计的,即自适应滤波器依靠递归算法进行其计算,这样使它有可能在无法获得有关信号特征完整知识的环境下,玩完满地完成滤波运算。

该算法将从某些预先确定的初始条件集出发,这些初始条件代表了人们所知道的上述环境的任何一种情况。

我们还发现,在平稳环境下,该运算经一些成功迭代后收敛于某种统计意义上的最优维纳解。

自适应滤波法

自适应滤波法

自适应滤波法自适应滤波法是一种最佳滤波方法,它是在维纳滤波和Kalman滤波等线性滤波基础上发展起来的。

由于具有更强的适应性和更优的滤波性能,自适应滤波法在工程实际中,尤其在信息处理技术中得到了广泛的应用。

自适应滤波存在于信号处理、控制、图像处理等多个不同领域,它是一种智能且有针对性的滤波方法,通常用于去噪。

自适应滤波法的核心思想是根据输入信号的统计特性来调整滤波器的参数,使其能够更好地适应信号的变化。

通常情况下,自适应滤波器会根据输入信号的均值、方差等统计指标来更新滤波器的权值。

通过不断迭代优化,自适应滤波器能够逐渐收敛到最优解,从而实现对信号的准确滤波。

常见的自适应滤波方法包括最小均方差(LMS)算法、最小二乘法(LS)算法、递归最小二乘法(RLS)算法等。

这些方法在不同的应用场景下有着不同的适用性和性能表现。

LMS算法是最简单且最常用的自适应滤波方法,它通过不断调整滤波器的权值,使得滤波器的输出信号与期望信号之间的均方误差最小化。

LS算法是一种经典的线性回归方法,通过最小化输入信号与输出信号之间的均方误差来估计滤波器的权值。

RLS算法是一种递推的最小二乘法算法,通过不断更新滤波器的权值来逼近最小均方误差。

在实际应用中,自适应滤波方法被广泛应用于语音信号处理中的降噪和回声消除、图像处理中的边缘增强和去噪等领域。

通过对输入信号进行分析,自适应滤波器能够准确地去除噪声和回声,提高语音信号的清晰度和可懂度。

同时,自适应滤波器还可以应用于图像处理中,通过对图像进行自适应滤波,可以准确地提取图像的边缘特征,并去除图像中的噪声,提高图像的质量和细节。

此外,自适应滤波方法还被应用于雷达信号处理、生物医学信号处理等领域。

以上内容仅供参考,如需更多关于自适应滤波法的信息,可查阅相关的学术文献或咨询该领域的专家学者。

中文第三章自适应滤波器

中文第三章自适应滤波器
内容
• 1. 自适应滤波器原理 • 2. 自适应线性组合器 • 3. 均方误差性能曲面 • 4. 最陡下降算法 • 5. LMS算法 • 6. RLS算法 • 7. 典型应用:噪声消除
理论分析 自适应算法
1。 自适应滤波原理
1. 学习和跟踪(时变信号) 2. 带有可调参数的最优线性滤波器
两输入两输出Two inputs and two outputs; FIR,IIR, and 格形(Lattice) 最小均方误差和最小平方误差准则
Tmse mse N
1 fs
,
sec
where mse iteration number
N (data samples for each iteration)
fs (sample frequency)
注意
• 最陡下降法具有更多的理论分析意义, 实际操作时我们必须对其做很多近似。
5. LMS 方法
1


0.5

0
-0.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
1.5
1
LMS 0.5 单次 0
-0.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
1.5
最1 陡 下 0.5 降0
-0.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
确性 (7) 鲁棒性:对噪声干扰不敏感,小能量干扰只能造成小估
计误差
本章主要讨论自适应线性组合器(其分析和实现简单,在大多数 自适应滤波系统中广泛应用)。
2。 自适应线性组合器
一类具有自适应参数的FIR数字滤波器。--》一般形式

自适应滤波器原理及教程(Adaptive Filter Theory)

自适应滤波器原理及教程(Adaptive Filter Theory)

自适应滤波器原理及经典教材下载地址Pdg格式教材(Adaptive Filter Theory.X.H.)的下载地址在最后,安装绿色板BooX Viewer 1.0 [ PDG阅读器]即可阅读,该阅读器很小,无需安装。

也可用超星。

自适应滤波器是能够根据输入信号自动调整性能进行数字信号处理的数字滤波器。

作为对比,非自适应滤波器有静态的滤波器系数,这些静态系数一起组成传递函数。

对于一些应用来说,由于事先并不知道所需要进行操作的参数,例如一些噪声信号的特性,所以要求使用自适应的系数进行处理。

在这种情况下,通常使用自适应滤波器,自适应滤波器使用反馈来调整滤波器系数以及频率响应。

总的来说,自适应的过程涉及到将价值函数用于确定如何更改滤波器系数从而减小下一次迭代过程成本的算法。

价值函数是滤波器最佳性能的判断准则,比如减小输入信号中的噪声成分的能力。

随着数字信号处理器性能的增强,自适应滤波器的应用越来越常见,时至今日它们已经广泛地用于手机以及其它通信设备、数码录像机和数码照相机以及医疗监测设备中。

概述根据环境的改变,使用自适应算法来改变滤波器的参数和结构。

这样的滤波器就称之为自适应滤波器。

一般情况下,不改变自适应滤波器的结构。

而自适应滤波器的系数是由自适应算法更新的时变系数。

即其系数自动连续地适应于给定信号,以获得期望响应。

自适应滤波器的最重要的特征就在于它能够在未知环境中有效工作,并能够跟踪输入信号的时变特征。

数学原理以输入和输出信号的统计特性的估计为依据,采取特定算法自动地调整滤波器系数,使其达到最佳滤波特性的一种算法或装置。

自适应滤波器可自适应滤波器以是连续域的或是离散域的。

离散域自适应滤波器由一组抽头延迟线、可变加权系数和自动调整系数的机构组成。

附图表示一个离散域自适应滤波器用于模拟未知离散系统的信号流图。

自适应滤波器对输入信号序列x(n)的每一个样值,按特定的算法,更新、调整加权系数,使输出信号序列y(n)与期望输出信号序列d(n)相比较的均方误差为最小,即输出信号序列y(n)逼近期望信号序列d(n)。

《自适应滤波器》课件

《自适应滤波器》课件
调制解调
自适应滤波器能够用于调制和解调信号,实现信号的调制、解调 、频偏校正等功能。
多径抑制
自适应滤波器能够抑制多径干扰,提高通信系统的传输质量和可 靠性。
自适应滤波器在图像处理中的应用
图像去噪
自适应滤波器能够去除图像中的噪声,提高图像的清晰度和质量。
图像增强
自适应滤波器能够通过增强图像的特定特征,如边缘、纹理等,提 高图像的可读性和识别率。
信噪比增益
比较自适应滤波器在输入信号中增强有用信号 、抑制噪声的能力。
计算复杂度
评估自适应滤波器实现所需的计算资源和时间,包括浮点运算次数、存储需求 等。
04
自适应滤波器的实现方法
递归最小二乘法
01
递归最小二乘法是一种常用的 自适应滤波算法,通过最小化 误差平方和来不断调整滤波器 系数,以达到最优滤波效果。
差分进化NLMS算法
结合差分进化算法,通过种群间的竞争与合 作,实现权值的并行优化,提高算法的收敛 速度。
改进的RLS算法
快速RLS算法
通过改进递推最小二乘法的迭代公式,减少 计算量和存储需求,提高算法实时性。
遗忘因子RLS算法
引入遗忘因子,对历史数据赋予逐渐减小的 权重,以提高算法对非平稳信号的处理能力
工作原理
自适应滤波器通过输入和输出信号的 迭代计算,不断调整其内部参数,以 实现最优滤波效果。
自适应滤波器的应用领域
01
信号处理
自适应滤波器广泛应用于信号处 理领域,如语音、图像和雷达信 号的处理。
02
03
通信
控制系统
在通信领域,自适应滤波器用于 降低噪声和干扰,提高通信质量 。
在控制系统中,自适应滤波器用 于估计系统状态,提高控制精度 和稳定性。

第八章自适应滤波器Adaptivefilter-资料精品教育文档

第八章自适应滤波器Adaptivefilter-资料精品教育文档
(1)适用于非平稳随机信号; (2)需要知道信号和噪声的先验统计特性; (3)滤波器参数是时变的。
3
引言
实际应用情况 (1)生物体的复杂性,非平稳性突出; (2)无法得到信号和噪声的先验知识
或其统计特性是随时间变化的.
因此,用维纳或卡尔曼滤波器实现不了最优滤波. 在此情况下,自适应滤波能够提供优良的滤波性能。
6
几种主要的应用
自适应噪声抵消器 自适应谱线增强器 自适应陷波器
7
第一节 LMS自适应维纳滤波器
8.1.1 基本LMS算法 基本部件:
8
第一节 LMS自适应维纳滤波器
基本LMS算法原理:
线性组合器的输出与期望响应之间的误差的均 方值为极小。
9
第一节 LMS自适应维纳滤波器
线性组合器输入: 定义权向量: 则线性组合器输出:
20
梯度估值 的无偏性分析
• 的数学期望为
• 上式表明,梯度估值 是无偏估计。
21
(二)
• 权系数向量更新公式
的选择
• 对其两边取数学期望,得
• 式中,I为单位矩阵。
22
• 当k =0 时, • 当k = 1时,有
23
故 重复以上迭代至k+1,则有 继续推导将用到以下结论:
24
• 1、 ( 是实值的对称阵,可写成特征值分解式)
第八章 自适应滤波器 Adaptive filter
引言 第一节 LMS自适应维纳滤波器 第二节 自适应噪声抵消器 第三节 生物医学应用
1
引言
AR参数模型和维纳滤波器
(1)适合用于处理平稳随机信号 (2)需要知道信号和噪声的先验统计特性 (3)处理系统参数是固定的。
2

自适应滤波法 -回复

自适应滤波法 -回复

自适应滤波法-回复自适应滤波法(Adaptive Filtering)是一种信号处理技术,通过根据信号的特点动态调整滤波器的参数,以实现对信号进行滤波的方法。

它是一种广泛应用于图像处理、音频处理、语音处理等领域的有效数字信号处理技术。

本文将一步步回答关于自适应滤波法的相关问题,以帮助读者深入了解该方法的原理和应用。

第一部分:自适应滤波法的基本原理1. 什么是自适应滤波法?自适应滤波法是一种根据信号特点自动调整滤波器参数的方法。

它利用输入信号和已知期望输出信号之间的差异,通过不断调整滤波器参数,逐渐减小两者之间的误差,从而达到对信号进行滤波的目的。

2. 自适应滤波法的原理是什么?自适应滤波法的原理可以简单概括为以下几个步骤:- 初始化:设置滤波器的初始参数。

- 输入信号预测:利用当前滤波器参数对输入信号进行预测,得到预测输出信号。

- 计算误差:将预测输出信号与期望输出信号进行比较,得到误差。

- 更新滤波器参数:根据误差的大小和方向,调整滤波器参数,使得误差逐渐减小。

- 重复以上步骤:反复迭代以上过程,直到误差足够小或者其他终止条件满足。

3. 自适应滤波法与传统滤波法有何不同?传统滤波法通常使用固定的滤波器参数来对信号进行滤波,而自适应滤波法则通过不断调整滤波器参数来适应信号的变化。

自适应滤波法的优点在于能够自动捕捉和适应信号的特征,对时变信号有更好的适应性和鲁棒性。

第二部分:自适应滤波法的主要应用领域1. 在图像处理中的应用自适应滤波法在图像处理中有广泛的应用。

例如,在图像降噪中,自适应滤波法可以根据图像的局部统计特性调整滤波器参数,达到保留图像细节的同时降低噪声的效果。

在图像增强中,自适应滤波法也能够根据图像的特点,提取出细节信息并增强图像的对比度。

2. 在音频处理中的应用自适应滤波法在音频处理领域也有重要的应用。

例如,在去除回响、降低噪声、消除啸叫等方面,自适应滤波法能够动态调整滤波器参数,精确捕捉和抑制干扰信号,提高音频的质量和清晰度。

自适应滤波 python

自适应滤波 python

自适应滤波 python自适应滤波是一种用于数字信号处理的方法,此方法可以有效地去除图像或信号中的噪声,并增强信号的质量。

Python语言是一种广泛应用于科学计算、数值分析和数据处理的编程语言,在自适应滤波的开发和应用上也有很大的优势。

自适应滤波的基本原理是根据图像或信号的特点,在不同的区域采用不同的滤波器来处理数据,以保留潜在的边缘和细节信息,从而实现更好的噪声去除效果。

在Python中,通常使用scipy.signal模块中的函数来实现自适应滤波算法。

一个常见的自适应滤波器是自适应中值滤波器(Adaptive Median Filter)。

该方法可根据不同的输入信号特征选择合适的中值滤波器,即当输入信号中存在噪声脉冲时,则使用最大中值滤波器(Progressive Switching Median Filter),反之使用普通中值滤波器。

在Python中可以通过以下代码实现:```import numpy as npfrom scipy.signal import medfilt2ddef adaptive_median_filter(image):filtered_image = image.copy()for i in range(1, image.shape[0]-1):for j in range(1, image.shape[1]-1):for k in range(1, 7):zmin = np.min(image[i-1:i+2, j-1:j+2])zmax = np.max(image[i-1:i+2, j-1:j+2])zmed = np.median(image[i-1:i+2, j-1:j+2])if zmed > zmin and zmed < zmax:if image[i,j] > zmin and image[i,j] < zmax:filtered_image[i,j] = image[i,j]else:filtered_image[i,j] = zmedbreakelse:zmed = np.median(filtered_image[i-k:i+k+1, j-k:j+k+1])zmin = np.min(filtered_image[i-k:i+k+1, j-k:j+k+1]) zmax = np.max(filtered_image[i-k:i+k+1, j-k:j+k+1]) if image[i,j] > zmin and image[i,j] < zmax:filtered_image[i,j] = image[i,j]breakelif k == 7:filtered_image[i,j] = zmedbreakreturn filtered_imageimage = np.array([[1, 2, 3, 100, 5],[6, 20, 8, 30, 10],[11, 12, 13, 14, 15],[16, 17, 200, 19, 20],[21, 22, 23, 24, 25]])filtered_image = adaptive_median_filter(image)print(filtered_image)```在这个例子中,我们可以看到自适应中值滤波器较好地去除了图像中的大幅噪声,并保留了其原始的细节信息。

【自适应滤波课件】第三(2011-5-11)

【自适应滤波课件】第三(2011-5-11)

自相关矩阵Rxx的特性:
⎢⎣rxx (1 − M ) rxx (2 − M )
rxx (0)
⎥ ⎦
(1)是埃米尔特矩阵
R
H xx
=
R xx
(2)是正定的或半正定的。 v H R xx v = E{v H x(n)x H (n)v} = E{| x H (n)v |2} ≥ 0
(3)具有Toeplitz性质,即其任意对角线上的元素相等。
最陡下降法
ξ=E{| d (n) |2 } − 2 Re{w H rxd } + w H R xx w
∇ wξ = 2R xx w − 2rxd
w opt
=
R
r −1
xx xd
Rxxwopt = rxd
ξ min
=
E{e2 (n)}min
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
=
E{d
2
(n)}

w
H opt
rxd
w(n + 1) = w(n) − μ∇wξ
Q−1v(n) = Q−1Q(I − 2μΛ)n Q−1v(0) v '(n) = Q−1v(n) = QH v(n) = QH (w(n) − wopt )
v'(n) = (I − 2μΛ)n v'(0)
《自适应滤波》课程
v '(n) = Q−1v(n) = QH v(n) = QH (w(n) − wopt )
二、收敛是否足够快 过渡过程,收敛速度
三、收敛 1. 是否收敛到最佳值? 2. 若不收敛到最佳值,收敛值与最佳值的差有多大? 失调系数
《自适应滤波》课程
收敛性分析
v(n) = w(n) − w opt v(n + 1) = (I − 2μR xx )v(n)

自适应滤波Adaptive

自适应滤波Adaptive

12
Dr. JI ZHEN
7
4 LMS算法Least Mean Square
n
s = 2 sin( 2πk +φ) N
+
Z-1
W1
W2
d = 2 cos(
+ +
2πk +φ) N
+
-
e
二阶自适应滤波器
输入中噪声为零均值、方差σ 2 的白噪声,求 w* 及 E[e 2 ]min
Dr. JI ZHEN
8
4 LMS算法Least Mean Square
自适应滤波Adaptive Filtering
纪震博士Dr.Ji Zhen, Associate Prof. Faculty of Information Engineering, SZU 2002.12
1
1.引言
自适应(Adaptation)
当外界情况变化时,物体可以本能地作自我调整,以便与新的外界 条件相适应。
W =W j1
E[ej2]
E[e 2 ] j 相反, > 0,则W j 2必定在W *的右边,所以应该W j2 +1 = W j2 W W W =W
j2
Wj1 W*
Wj2
可以合并为W j +1 = W j1
E[e 2 ] j W
W =W j
= W j1 2 E[e j (
e j
W1 W2
,
e j
m=0 i =1 N 1 N
其中 i = m + 1, hi = h[i 1], xi = x[ n i 1] 所以,输出 y[n] 是 N 个过去输入样本的线性加权和,加权系数就是 {hi } , 也可以写成 y[n] =

自适应维纳滤波

自适应维纳滤波

自适应维纳滤波自适应维纳滤波是一种常用的降噪技术,主要应用于图像、语音信号、视频等领域。

传统的维纳滤波算法在降噪的效果上表现良好,但其需要先验信息以及准确的噪声统计特性作为输入参数。

而自适应维纳滤波则不需要这些先验信息,能够准确估计图像的噪声统计特性,从而得到更好的降噪效果。

自适应维纳滤波的原理是利用局部区域的噪声估计特性来计算滤波器的权值。

其基本思路是,首先选择一个窗口大小,针对每个像素点,计算窗口内所有像素点的均值和方差。

接下来,根据这些计算结果,估计每个像素点的噪声统计特性。

最后,利用这些噪声统计特性,计算每个像素点的滤波器系数,并进行滤波处理。

具体来说,自适应维纳滤波包括以下步骤:① 首先,选择窗口大小,并设置相应参数。

② 然后,利用窗口区域内的像素值计算均值和方差。

③ 接下来,根据均值和方差,估计每个像素点的噪声统计特性。

④ 然后,利用噪声统计特性计算每个像素点的滤波器系数。

⑤ 最后,利用滤波器系数进行滤波处理,得到降噪后的图像。

其中,步骤②和③主要用于计算噪声统计特性,其计算公式为:σ²(y) = α * σ²(z) + (1 - α) * σ²(v)其中,σ²(y) 表示图像像素点的噪声统计特性,σ²(z) 表示窗口内像素点的噪声统计特性,σ²(v) 表示噪声的方差,α 是一个滤波器系数,一般取[0 1]之间的值。

接下来,根据噪声统计特性,利用维纳滤波公式计算滤波器系数:其中,H(f,η) 表示滤波器系数,f 表示频率,η 表示噪声。

最后,利用滤波器系数进行滤波处理:g(x,y) = F^-1[H(f,η) * F[f(x,y)]其中,g(x,y) 表示滤波后的像素值,F^-1 表示傅里叶反变换,F[f(x,y)] 表示原始图像的傅里叶变换。

自适应维纳滤波的优点在于不需要准确的噪声统计特性,能够自适应地估计噪声统计特性,从而得到更好的降噪效果。

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h(n + 1) − h 0 = (I - µR )[h(n) - h 0 ] (3.17)
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach According to the definition of the coefficient error vector we have
c(n) = h(n) − h 0 (3.15)
where h0 is the solution of Rh 0 = p (3.16) Subtracting h0 from both sides of (3.14) and using the normal equation to eliminate p we get
which can be given in short-hand notation as
∇(n) = −2 E [e( n)u(n)] (3.7)
where
u(n) = [u (n), u (n - 1),..., u (n - M + 1)] (3.8)
T
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach Now defining the M-by-1 coefficient vector
M ∂ε = −2 p (k − 1) + 2∑ h(m, n)r (m − k ) k = 1,2,...M ∂h(k , n) m =1
(3.4)
which is obtained by differentiating both sides of Eq. (3.3) with respect to h(k,n). This expression can be simplified to obtain
QQ T = I , QT Rc(n) = QT RIc(n) = QT RQQ T c(n) = Λv (n) Since
ε (n) = Pd − 2∑ h(k , n) p(k − 1) + ∑∑ h(k , n)h(m, n)r (m − k )
k =1 k =1 m =1 M M M
(3.3)
Pd = E[d 2 (n)] , p (k − 1) = E[d (n)u (n − k + 1)] and where the quantities
r (m − k ) = E[u (n − k + 1)u (n − m + 1)] are results of ensemble
averaging.
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach The Method of Steepest Descent The dependence of ε(n) on the filter coefficient can be visualized as a bowl-shaped surface with an unique minimum. The adaptive process has the task of continually seeking the minimum point of this error performance surface. The optimization technique used is the method of steepest descent. First we compute the M-by-1 gradient vector ∇(n) whose kth element is
∂ε (n) / ∂h(1, n) − 2 E [e(n)u (n)] ∂ε (n) / ∂h(2, n) − 2 E [e(n)u (n − 1)] = . ∇ ( n) = . . . ∂ε (n) / ∂h( M , n) − 2 E [e(n)u (n − M + 1)] (3.6)
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach Assuming the values of h(1,n), h(2,n), . . . , h(M,n) are known, the value of the mean squared error is
Define the transformed coefficient error vector
v (n) = QT c(n) (3.21)
which implies
v (n + 1) = QT c(n + 1) (3.22)
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach
Adaptive Filtering
CHAPTER 3
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach In the case of known correlation expression the solution for the optimal coefficients of the tapped-delay-line filter was
y (n) Leabharlann ∑ h(k , n)u (n − k + 1)
k =1 M
(3.1)
the error signal is
e(n) = d (n) − y (n) (3.2)
The error signal e(n) is utilized by the adaptive process to generate corrections at each iteration to be applied to the tap coefficients in order to move closer to the optimum Wiener configuration.
Substituting Eq. (3.12) into Eq. (3.11) we get
h(n + 1) = h(n) + µE u(n)(d (n) - u T (n)h(n)) = h(n) + µE [u(n)(d (n)] − µE u(n)uT (n) h(n) (3.13)
[
[
]
]
which can be rewritten as
h 0 = R -1p (1.25)
Where R was the correlation matrix of the filter tap inputs and p was the cross-correlation between the input vector and a desired response. If the filter operates in an environment where R and p are unknown, we may use all the data collected up to and including time n to compute the ˆ ˆ estimates R(n) and p(n) in order to solve the normal equations. When, however the tapped-delay-line filter contains a large number of coefficients this procedure is highly inefficient. A more efficient approach is to use an adaptive filter.
∂ε = −2 E [e(n)u (n − k + 1)] k = 1,2,...M ∂h(k , n)
(3.5)
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach The gradient vector is then written as
h( n + 1) = h( n) + µE [e( n)u( n)] (3.11)
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach The error signal e(n) is defined as
e(n) = d (n) − uT (n)h(n) (3.12)
h(n + 1) = h(n) + µp - µRh (n) = (I - µR )h(n) + µp
(3.14)
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach Stability of the Steepest Descent Algorithm The stability performance of the algorithm depends on i) the correlation matrix R (determined by the process) ii) the step-size parameter µ (to be chosen by designer) For the stability analysis define a coefficient error vector as
Adaptive Tapped-delay-line Filters Using the Gradient Approach
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