基于联合零对角化的时频域盲信号分离方法_2

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t)]T,则观测信号与源信号的 关系为:
[0056] x(t)=As(t)+n(t)
[0057] 其中,si(t),SN(t)分别表示W观测时间t为自变量的第1个源信号和第N个观测信 号,N表示观测信号总数,A表示未知混合矩阵,n(t)W观测时间t为自变量的表示传感器噪 声,T表示转置操作。
[0058] 步骤2,获得观测信号向量的时频分布矩阵。
[0059] 计算观测信号向量x(t)在时频点(ti,。)上的魏格纳-瑞利分布矩阵,将计算的结 果作为观测信号向量X(t)在该时频点(ti,。)上的时频分布矩阵Ru,其中,ti表示时频点中 的第i个时间点,fj表示时频点中的第j个频率点,i = l,. ..,1,j = l,. ..,J,I表示由观测信 号确定的时频点中的总时间点数,J表示由观测信号确定的时频点中的总频率点数。
[0060] 计算观测信号向量X (t)在时频点(ti,f j)上的魏格纳-瑞利分布矩阵的具体步骤如 下:
[0061] 第一步,对每个观测信号做希尔伯特变换,获得每个观测信号的解析信号。
[0062] 希尔伯特变换数学公式如下:
[0063]
[0064] 其中,氧,,倘表示第m个观测信号在观测时刻为t时的希尔伯特变换信号,t表示观 测时刻,表示第m个观测信号在延迟时间为T时观测信号,T表示观测信号相对t时刻 的延迟时间,m=l,...,M,M表示观测信号总数,表示积分操作。
[0065] 按照下式,获得观测信号的解析信号:
[0066] (t) = ,?;," (t) + jXm (t)
[0067] 其中,ym(t)表示第m个观测信号xm(t)的解析信号,m=l,. . .,M,M表示观测信号总 数,t表示观测时刻,Xm(t)表示第m个观测信号,.Mt)表示第m个观测信号Xm(t)的希尔伯特 变换信号,J表示虚数单位。
[0068] 第二步,按照下式,计算时频点(ti山)上的第m个解析信号的自魏格纳-瑞利分布:
[0069]
[0070] 其中,表示第m个解析信号在时频点上的自魏格纳瑞利分布,m = 1,...,M,M表示观测信号总数,ti表示时频点中的第i个时间点,表示时频点中的第j个频 率点,+ f)表示相对于观测时刻t超前了责时的第m个解析信号,τ表示观测信号相对于 时刻t超前的时间,t表示观测信号的观测时刻,f表示观测信号的频率,j表示虚数单位,e 表示自然常数,约为2.718,(-)^表示取共辆操作,1(-)表示积分操作。
[0071] 第Ξ步,按照下式,计算时频点(ti,。)上的第m个解析信号与第η个信号的互魏格 纳-瑞利分布;
[0072]
[0073] 其中,rmn(ti,fj)表示时频点上的第m个解析信号与第η个信号的互魏格纳-瑞利分布,m=l, . . .,Μ,η=1, . . .,M,m辛η,Μ表示观测信号总数,ti表示时频点中的第i个时 间点,。表示时频点中的第j个频率点,抓化牛荀表示相对于观测时亥Ijt超前了f时的第m个 解析信号,-号)表示相对于观测时刻t滞后了 Y时的第η个解析信号的共辆,T表示观测 信号相对于时刻t超前的时间,t表示观测信号的观测时刻,f表示观测信号的频率,?表示 虚数单位,6表示自然常数,约为2.718,(-)^表示取共辆操作,1(-)表示积分操作。
[0074] 第四步,将时频点(ti,。)上计算得到的自魏格纳-瑞利分布和互魏格纳-瑞利分 布,按如下方式排列成该时频点上的时频分布矩阵Rij:
[00对 Ru的第m个对角元素为时频点(ti,。)上的第m个解析信号的自魏格纳-瑞利分布 r?(ti山),Ru的第m行η列的元素为时频点(ti,。化的第m个解析信号与第η个解析信号的 互魏格纳-瑞利分布打in(ti,f j),其中,m= 1,...,Μ,η=1,... ,M,m辛η,Μ表示观测信号的总 数。
[0076] 步骤3,构造待估计的目标矩阵集合。
[0077] 选取具有可零对角化结构的时频分布矩阵,组成待估计的目标矩阵集合化。图2是 步骤3构造待估计的目标矩阵集合的流程图,图2中所示的流程对应W下具体步骤:
[0078] 第1步,使用主分量分析方法估计噪声方差和白化矩阵S,其中,0表示噪声标准 差,(·)2表示取平方操作。
[0079] 第2步,将时频点中的时间点数i的初值设置为1。
[0080] 第3步,将时频点中的频率点数j的初值设置为1。
[0081] 第4步,按照下式,对时频点(ti,。)上的时频分布矩阵Ru进行去除噪声操作,得到 去噪后时频分布矩阵:
[0082]
[00削其中,择。,表示时频点上的去噪后时频分布矩阵,t康示时频点中的第i个 时间点,表示时频点中的第j个频率点,σ表示噪声标准差,(·)2表示取平方操作,I表示单 位矩阵,X表示相乘操作。
[0084] 第5步,按照下式,对时频点上的去噪后时频分布矩阵反,3进行白化处理,得 到白化后时频分布矩阵:
[0085]
[0086] 其中,瓦3表示时频点(ti,。)上的白化后时频分布矩阵,t康示时频点中的第i个 时间点,表示时频点中的第j个频率点,(·)H表示共辆转置操作,X表示相乘操作。
[0087] 第6步,计算时频点(ti,。)上的白化后时频分布矩阵反,,虚部阵的弗罗贝尼乌斯范 数^,其中,t康示时频点中的第i个时间点,f康示时频点中的第j个频率点。
[008引第7步,计算时频点(ti,f j化的白化后时频分布矩阵瓦,的迹的绝对值柏,其中,ti 表示时频点中的第i个时间点,fj表示时频点中的第j个频率点。
[0089] 第8步,判断〇^>6且01^< 丫是否成立,若是,则执行第9步,否则,执行第10步,其 中,曰1徒示时频点化的白化后时频分布矩阵私虚部阵的弗罗贝尼乌斯范数,βι徒 示白化后时频分布矩阵瓦的迹的绝对值,ti表示时频点中的第i个时间点,fj表示时频点中 的第j个频率点,ε表示白化后时频分布矩阵虚部阵的弗罗贝尼乌斯范数的阔值,γ表示时 频点上的白化后时频分布矩阵的迹的绝对值的阔值。
[0090] 第9步,将时频点(ti,。)上的白化后时频分布矩阵氏,加入待估计的目标矩阵集合 巧,.其中,ti表示时频点中的第i个时间点,fj表示时频点中的第j个频率点。
[0091 ]第10步,将时频点中的频率点数j增加1。
[0092] 第11步,判断当前j的值是否小于等于时频点中的总频率点数J,若是,执行第4步, 否则,执行第12步。
[0093] 第12步,将时频点中的时间点数i增加1。
[0094] 第13步,判断当前i的值是否小于等于时频点中的总时间点数I,若是,执行第4步, 否则结束循环,输出待估计的目标矩阵集合记。
[00M]步骤4,使用乘积型联合零对角化方法估计分离矩阵。
[0096] 图3是步骤4使用乘积型联合零对角化方法估计分离矩阵的流程图,图3中所示的 流程对应W下具体步骤:
[0097] (4a)判断观测信号的总数Μ是否大于源信号的总数N,若是,则执行步骤(4b),否 贝1J,执行步骤(4c)。
[0098] (4b)使用子空间方法,获得降维矩阵P,具体步骤为:
[0099] 第一步,按照下式,计算目标矩阵集合取中的所有矩阵的平均值矩阵:
[0100]
[0101] 其中,化表示目标矩阵集合中的第k个目标矩阵,k=l,...,K,K表示目标矩阵集合 中矩阵的总数,Σ表示求和操作。
[0102] 第二步,按照下式,对平均值矩阵R进行奇异值分解,得到平均值矩阵R的非零奇异 值和左奇异向量矩阵U:
[0103] R = UXAXyH
[0104] 其中,Λ为对角矩阵,由平均值矩阵R的非零奇异值组成,U为非零奇异值对应的左 奇异向量矩阵,V为非零奇异值对应的右奇异向量矩阵,X表示相乘操作。
[0105] 第Ξ步,按照下式,计算降维矩阵:
[0106] p = ljH
[0107] 其中,P表示降维矩阵,U表示平均值矩阵R的左奇异向量矩阵,(·)H表示共辆转置 操作。
[0108] (4c)设置降维矩阵P为腺隹的单位矩阵,其中N表示源信号总数。
[0109] (4d)按照下式,对目标矩阵集合'反中的目标矩阵分别进行降维处理,得到降维后 目标矩阵集合G二{Gi,...,Ga-}:
[0110] Gk=PX 化 ΧρΗ
[0111] 其中,扣表示降维后目标矩阵集合?中的第k个矩阵,k = 1,. . .,Κ,Κ表示目标矩阵 集合中的矩阵总数,Ρ表示降维矩阵,化表示降维前的目标矩阵集合巧中的第k个矩阵,(· )H表示共辆转置操作,X表示相乘操作。
[0112] (4e)初始化更新矩阵W为腺隹的零对角矩阵,其中N表示源信号总数。
[0113] (4f)初始化降维后目标矩阵集合巧的零对角化矩阵B/为N维的单位矩阵,其中N表 示源信号总数。
[0114] (4g)使用最小二乘方法,估计更新矩阵W的每个非对角元素的最优解,具体实施步 骤为:
[0115] 第1步,将更新矩阵的行数P的初值设置为2。
[0116] 第2步,将更新矩阵的列数q的初值设置为1。
[0117] 第3步,按照下式,构造两个位置向量:
[0120] 其中,好表示与降维后目标矩阵集合9中的第k个矩阵Gk对应的第1个位置向
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