JP4324676B2 - Adaptive filter - Google Patents

Adaptive filter Download PDF

Info

Publication number
JP4324676B2
JP4324676B2 JP2005218605A JP2005218605A JP4324676B2 JP 4324676 B2 JP4324676 B2 JP 4324676B2 JP 2005218605 A JP2005218605 A JP 2005218605A JP 2005218605 A JP2005218605 A JP 2005218605A JP 4324676 B2 JP4324676 B2 JP 4324676B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
filter
signal
coefficient
equation
transversal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2005218605A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007036791A (en
JP2007036791A5 (en
Inventor
徹也 島村
雄亮 津田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saitama University NUC
Original Assignee
Saitama University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saitama University NUC filed Critical Saitama University NUC
Priority to JP2005218605A priority Critical patent/JP4324676B2/en
Priority to PCT/JP2006/314082 priority patent/WO2007013315A1/en
Publication of JP2007036791A publication Critical patent/JP2007036791A/en
Publication of JP2007036791A5 publication Critical patent/JP2007036791A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4324676B2 publication Critical patent/JP4324676B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H21/00Adaptive networks
    • H03H21/0012Digital adaptive filters
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H21/00Adaptive networks
    • H03H21/0012Digital adaptive filters
    • H03H2021/0081Details
    • H03H2021/0083Shadow filter, i.e. one of two filters which are simultaneously adapted, wherein the results of adapting the shadow filter are used for adapting the other filter

Description

本発明は、適応フィルタに関し、特に、目標にする信号への追従性能を改善したものである。   The present invention relates to an adaptive filter, and in particular, improves the tracking performance of a target signal.

適応フィルタは、出力信号と目標にする信号(所望信号)との誤差が最小になるように適応処理を行うフィルタであり、通常、有限長インパルス応答(finite impulse response:FIR)フィルタが使用され、そのフィルタ係数が、適応アルゴリズムを用いて、入力信号が入力するごとに調整される。
図8は、適応フィルタの概念図を表している。適応フィルタ10は、離散時間nの入力信号xnに対し、フィルタ係数Cnを用いて積和演算を実行し、出力信号ynを出力する。出力信号ynが入力した加算器30は、所望信号dnと出力信号ynとの差分を表す誤差信号enを出力し、適応フィルタ10は、この誤差信号enが減少するように、フィルタ係数をCn+1に更新する。そして、このフィルタ係数Cn+1を用いて次の離散時間n+1の入力信号xn+1に対する積和演算が実行され、この手順が繰り返される。
The adaptive filter is a filter that performs an adaptive process so that an error between an output signal and a target signal (desired signal) is minimized. Usually, a finite impulse response (FIR) filter is used, The filter coefficient is adjusted each time an input signal is input using an adaptive algorithm.
FIG. 8 shows a conceptual diagram of the adaptive filter. The adaptive filter 10 performs a product-sum operation on the input signal x n at the discrete time n using the filter coefficient C n and outputs an output signal y n . Adder 30 output signal y n is input, and outputs an error signal e n representing the difference between the output signal y n and the desired signal d n, the adaptive filter 10, as the error signal e n is decreased, The filter coefficient is updated to C n + 1 . Then, using this filter coefficient C n + 1 , a product-sum operation is performed on the input signal x n + 1 at the next discrete time n + 1, and this procedure is repeated.

図9は、適応フィルタの構成をブロック図で示している。この適応フィルタは、積和演算を行うトランスバーサルフィルタ回路11と、適応アルゴリズムによりトランスバーサルフィルタ回路11の係数を更新する係数調整部12とを備えており、トランスバーサルフィルタ回路11は、入力信号xnを遅延する複数の遅延素子13、14と、入力信号xn及び遅延した各入力信号xn-1、xn-2に対して係数調整部12が設定した係数c0(n)、c1(n)、c3(n)をそれぞれ乗算する乗算器15、16、17と、各乗算器15、16、17の出力を加算して出力信号ynを出力する加算器18とを備えている。 FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the adaptive filter. The adaptive filter includes a transversal filter circuit 11 that performs a product-sum operation and a coefficient adjustment unit 12 that updates the coefficient of the transversal filter circuit 11 using an adaptive algorithm. The transversal filter circuit 11 includes an input signal x a plurality of delay elements 13 and 14 for delaying the n, the input signal x n and the input signal delayed x n-1, x n-2 coefficients c 0 coefficient adjusting unit 12 is set for (n), c 1 (n), comprises a multiplier 15, 16 and 17 for multiplying c 3 (n) of each, and an adder 18 for outputting an output signal y n by adding the outputs of the multipliers 15, 16, 17 ing.

適応アルゴリズム(適応フィルタの係数調整アルゴリズム)としては、最も基本的な最小平均自乗(Least Mean Square:LMS)アルゴリズムが、従来から広く用いられている。このアルゴリズムでは、誤差信号enの平均自乗誤差E[(en2]を最小化するように係数の更新が行われる。 As an adaptive algorithm (coefficient adjustment algorithm for an adaptive filter), the most basic least mean square (Least Mean Square: LMS) algorithm has been widely used. In this algorithm, it updates the coefficient is performed so as to minimize the mean square error E of the error signal e n [(e n) 2 ].

また、LMSアルゴリズムの係数ベクトルの収束条件を扱い易いものに改良した正規化LMSアルゴリズムも、近年、多く用いられている。
正規化LMSアルゴリズムを用いた適応処理は、数式で次のように記述できる。
入力信号は(数1)によりベクトルXnで表す。

Figure 0004324676
Tは転置である。また、係数は(数2)によりベクトルCnで表す。
Figure 0004324676
このとき、適応処理は、(数3)(数4)(数5)により記述される。
Figure 0004324676
Figure 0004324676
Figure 0004324676
ここで、μは、正規化LMSアルゴリズムにおけるステップサイズパラメータであり、
0<μ<2 (数6)
のとき、係数ベクトルは収束する。この収束範囲は、LMSアルゴリズムにおける収束条件と違って、入力信号に依存しない。そのため、正規化LMSアルゴリズムは、LMSアルゴリズムに比べて扱い易い。この範囲内でμの値を大きく取れば時定数が低減し、係数ベクトルの収束速度が向上する。逆に、μの値を小さく取れば、時定数が増大し、係数ベクトルの収束速度が低下する。
また、βは、0による割り算を避けるために導入された小さな正の実数値であり、“安定化パラメータ”と呼ばれている。
なお、正規化LMSアルゴリズムについては、下記特許文献1あるいは下記非特許文献1に詳述されている。 In recent years, a normalized LMS algorithm improved by making the LMS algorithm coefficient vector convergence conditions easier to handle has also been used.
The adaptive process using the normalized LMS algorithm can be described by a mathematical formula as follows.
The input signal is represented by a vector X n according to (Equation 1).
Figure 0004324676
T is a transpose. Further, the coefficient is expressed by a vector C n by (Equation 2).
Figure 0004324676
At this time, the adaptive processing is described by (Equation 3) (Equation 4) (Equation 5).
Figure 0004324676
Figure 0004324676
Figure 0004324676
Where μ is the step size parameter in the normalized LMS algorithm,
0 <μ <2 (Equation 6)
The coefficient vector converges. Unlike the convergence condition in the LMS algorithm, this convergence range does not depend on the input signal. Therefore, the normalized LMS algorithm is easier to handle than the LMS algorithm. If the value of μ is large within this range, the time constant is reduced and the convergence speed of the coefficient vector is improved. Conversely, if the value of μ is reduced, the time constant increases and the coefficient vector convergence speed decreases.
Β is a small positive real value introduced to avoid division by zero, and is called a “stabilization parameter”.
The normalized LMS algorithm is described in detail in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1 below.

こうした適応フィルタの係数を適応的に更新し、適応フィルタの出力を、適宜選定した所望信号に追随させることで、伝送路の自動等化、通信回線におけるエコーキャンセリング、雑音に埋もれた信号の検出、逆に信号に僅かに混入した雑音の検出、信号の予測等が可能になる。
例えば、図10は、適応フィルタ10を用いて通信路の自動等化を行うシステムのシミュレーションモデルを示している。ここで、Hnは通信路(未知システム)32のインパルス応答を示し、加算器31で加算されるvnは、伝送中の送信信号snに加わる付加雑音を示している。
このシステムでは、送信側と受信側とが擬似的に同じ信号系列を参照できるトレーニングモードにおいて、送信側は送信信号snを送信し、受信側は、その送信信号snと同じ信号を所望信号dnに用いて、受信信号を入力信号とする適応フィルタ10の出力信号ynが所望信号dnと一致するようにフィルタ係数を調整する。このシミュレーションモデルでは、送信信号snを遅延器33で遅延させて、所望信号dnとなる信号sn-Dを生成している。
The adaptive filter coefficients are adaptively updated and the output of the adaptive filter follows the appropriately selected desired signal, so that automatic transmission line equalization, echo canceling in communication lines, and detection of signals buried in noise are detected. Conversely, it is possible to detect noise slightly mixed in the signal, predict the signal, and the like.
For example, FIG. 10 shows a simulation model of a system that performs automatic channel equalization using the adaptive filter 10. Here, H n denotes the impulse response of the channel (the unknown system) 32, v n are added by the adder 31 represents the additional noise added to the transmission signal s n being transmitted.
In this system, in a training mode where the transmitting side and the receiving side can see the pseudo the same signal sequence, the transmitter transmits a transmission signal s n, the receiving side, the desired signal of the same signal as the transmission signal s n Using d n , the filter coefficient is adjusted so that the output signal y n of the adaptive filter 10 using the received signal as the input signal matches the desired signal d n . In this simulation model, by delaying the transmission signal s n at delay unit 33, and generates a signal s nD of a desired signal d n.

また、図11は、適応フィルタ10を用いて未知システム32の同定を行うシステムのシミュレーションモデルを示している。このシステムでは、未知システム32及び適応フィルタ10に同一の入力信号xn(白色雑音)を入力し、未知システム32の出力信号に付加雑音vnが加えられた信号を所望信号dnとして、適応フィルタ10の出力信号ynが所望信号dnと一致するようにフィルタ係数を調整し、付加雑音vnを含む未知システム32を同定する。
特開2004−64681号公報 池原雅章、島村徹也共著「マルチメディア信号処理 上」培風館、2004年1月20日発行、pp.182〜207
FIG. 11 shows a simulation model of a system that identifies the unknown system 32 using the adaptive filter 10. In this system, the same input signal x n (white noise) is input to the unknown system 32 and the adaptive filter 10, and the signal obtained by adding the additional noise v n to the output signal of the unknown system 32 is used as the desired signal d n and adaptively applied. adjust the filter coefficient so that the output signal y n of the filter 10 is consistent with the desired signal d n, to identify unknown system 32 including the additive noise v n.
JP 2004-64681 A Masaaki Ikehara and Tetsuya Shimamura, “Multimedia Signal Processing,” Baifukan, January 20, 2004, pp.182-207

しかし、従来の適応フィルタでは、誤差信号enの平均自乗誤差を十分小さくすることが難しい。そのため、入力信号の時間的変化が激しい場合に、所望信号に十分に追従することできず、また、予測精度が要求されるシステムでは、不十分な結果しか得られない、と言った状況が生じている。 However, in the conventional adaptive filter, it is difficult to sufficiently reduce the mean square error of the error signal e n. As a result, when the time variation of the input signal is severe, the desired signal cannot be sufficiently tracked, and a situation in which only insufficient results can be obtained in a system that requires prediction accuracy occurs. ing.

本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、誤差信号enの平均自乗誤差を十分小さくすることができる適応フィルタを提供することを目的としている。 The present invention is intended to solve such conventional problems, and its object is to provide an adaptive filter that the mean square error of the error signal e n can be sufficiently reduced.

本発明の適応フィルタは、入力信号を遅延する複数の遅延素子と、入力信号及び各遅延素子からの出力信号の各々にフィルタ係数を乗算する複数の乗算器と、各乗算器の出力を加算する加算器とを備える第1のトランスバーサルフィルタと、前記第1のトランスバーサルフィルタに入力する入力信号と同一の入力信号が入力し、前記入力信号を遅延する複数の遅延素子と、各遅延素子からの出力信号の各々にフィルタ係数を乗算する、前記第1のトランスバーサルフィルタと同数の乗算器と、各乗算器の出力を加算する加算器とを備える第2のトランスバーサルフィルタと、前記第1のトランスバーサルフィルタの加算器からの出力信号と所望信号との差分を誤差信号として出力する加算手段と、前記誤差信号の低減を図るための更新用のフィルタ係数を算出して、前記第1のトランスバーサルフィルタ及び第2のトランスバーサルフィルタの同一序列の各乗算器で乗算される前記フィルタ係数を同一の値のフィルタ係数更新する係数調整部と、を有し、前記係数調整部では、更新用の前記フィルタ係数を算出する際のステップサイズμが、
(1−μ) 2 <1
となるように設定され、前記第2のトランスバーサルフィルタの加算器からの出力信号フィルタ出力として出力される。
この第2のトランスバーサルフィルタは、第1のトランスバーサルフィルタから得られた係数を利用して、再度フィルタリングを施すことにより、第1のトランスバーサルフィルタにおける誤差を小さくする。

The adaptive filter of the present invention adds a plurality of delay elements for delaying an input signal , a plurality of multipliers for multiplying each of the input signal and the output signal from each delay element by a filter coefficient, and the output of each multiplier. a first transversal filter comprising an adder, the same input signal and the input signal to be input to the first transversal filter input, a plurality of delay elements for delaying the input signal from each delay element multiplying each filter coefficient of the output signal of the the first transversal filter of the same number of multipliers, and a second transversal filter comprising an adder for adding outputs of the multipliers, the first of the output signal from the adder of the transversal filter and adding means for outputting as an error signal the difference between the desired signal, off for update to reduce the error signal It calculates the filter coefficients, and a coefficient adjustment unit configured to update the filter coefficients to be multiplied by the multipliers of the first transversal filter and the same sequence of the second transversal filter with filter coefficients of the same value, In the coefficient adjustment unit, the step size μ when calculating the filter coefficient for update is
(1-μ) 2 <1
It is set to be an output signal from the adder of the second transversal filter is outputted as the filter output.
The second transversal filter reduces the error in the first transversal filter by performing filtering again using the coefficient obtained from the first transversal filter.

また、本発明の適応フィルタでは、係数調整部が、正規化最小平均自乗アルゴリズムにより更新用のフィルタ係数を算出する。
正規化LMSアルゴリズムでは、ステップサイズμを0<μ<2の範囲に設定すれば、フィルタ係数は収束し、この収束範囲の全てにおいて、誤差は低減する。
In the adaptive filter of the present invention, the coefficient adjustment unit calculates the filter coefficient for updating by using the normalized least mean square algorithm.
In the normalized LMS algorithm, if the step size μ is set in a range of 0 <μ <2, the filter coefficient converges, and the error is reduced in the entire convergence range.

本発明の適応フィルタは、誤差信号の平均自乗誤差を十分小さくすることができる。その結果、予測精度が向上し、また、入力信号の時間的変化が激しい場合でも、所望信号への追従が可能となる。   The adaptive filter of the present invention can sufficiently reduce the mean square error of the error signal. As a result, the prediction accuracy is improved, and it is possible to follow the desired signal even when the temporal change of the input signal is severe.

図1は、本発明の実施形態における適応フィルタの概念図を示している。この適応フィルタは、入力信号xnをフィルタ処理して出力信号ynを出力する第1のトランスバーサルフィルタ回路11と、所望信号dnと出力信号ynとの差分を誤差信号enとして出力する加算器30と、正規化LMSアルゴリズムに基づいて誤差信号enの平均自乗誤差を最小化するフィルタ係数を算出し、第1トランスバーサルフィルタ回路11及び第2トランスバーサルフィルタ回路21のフィルタ係数を更新する正規化LMS係数調整部20と、更新されたフィルタ係数を用いて入力信号xnのフィルタ処理を行い、出力信号ypnを出力する第2トランスバーサルフィルタ回路21とを備えている。
この適応フィルタでは、第1トランスバーサルフィルタ回路11の出力信号ynが、フィルタ係数の更新のためだけに使用され、第2トランスバーサルフィルタ回路21の出力信号ypnが適応フィルタの出力信号として出力される。
FIG. 1 shows a conceptual diagram of an adaptive filter according to an embodiment of the present invention. The adaptive filter, outputs an input signal x n and the first transversal filter circuit 11 filters and outputs an output signal y n, the difference between the output signal y n and the desired signal d n as an error signal e n an adder 30 which, on the basis of the normalized LMS algorithm calculates the filter coefficients that minimize the mean square error of the error signal e n, the filter coefficients of the first transversal filter circuit 11 and a second transversal filter circuits 21 A normalized LMS coefficient adjustment unit 20 to be updated and a second transversal filter circuit 21 that performs a filtering process on the input signal x n using the updated filter coefficient and outputs an output signal y pn are provided.
In this adaptive filter, the output signal y n of the first transversal filter circuit 11 is used only for updating the filter coefficient, and the output signal y pn of the second transversal filter circuit 21 is output as the output signal of the adaptive filter. Is done.

図2は、この適応フィルタの構成をブロック図で示している。第1トランスバーサルフィルタ回路11の構成は、図9と同じであり、入力信号xnを遅延する複数の遅延素子13、14と、入力信号xn及び遅延した各入力信号xn-1、xn-2に対して正規化LMS係数調整部20が設定した係数を乗算する乗算器15、16、17と、各乗算器15、16、17の出力を加算して出力信号ynを出力する加算器18とを備えている。
また、第2トランスバーサルフィルタ回路21の構成は、入力信号xnを遅延する遅延素子23を1つ余分に備えている点で第1トランスバーサルフィルタ回路11と相違しているが、その他は第1トランスバーサルフィルタ回路11と同じであり、入力信号xnを遅延する遅延素子24、25、遅延した各入力信号xn-1、xn-2、xn-3に対して正規化LMS係数調整部20が設定した係数を乗算する乗算器26、27、28、及び、各乗算器26〜28の出力を加算して出力信号ypnを出力する加算器29を備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of this adaptive filter. Configuration of the first transversal filter circuit 11 is the same as FIG. 9, the input signal x n and a plurality of delay elements 13 and 14 for delaying the input signal x n and the input signal delayed x n-1, x a multiplier 15, 16, 17 the normalized LMS coefficient adjusting unit 20 is multiplied by a coefficient set for n-2, and outputs an output signal y n by adding the outputs of the multipliers 15, 16, 17 And an adder 18.
The configuration of the second transversal filter circuit 21 is different from that of the first transversal filter circuit 11 in that one extra delay element 23 that delays the input signal x n is provided. 1 is the same as the transversal filter circuit 11, the normalization LMS coefficient to the input signal x delay elements 24, 25 n for delaying each input signal delayed x n-1, x n-2, x n-3 Multipliers 26, 27, and 28 that multiply the coefficients set by the adjustment unit 20, and an adder 29 that adds the outputs of the multipliers 26 to 28 and outputs an output signal y pn are provided.

次に、この適応フィルタの動作について説明する。
いま、入力信号xnが入力し、このときの第1トランスバーサルフィルタ回路11の乗算器15、16、17に設定されているフィルタ係数が、それぞれ、c0(n)、c1(n)、c2(n)であるとする。第1トランスバーサルフィルタ回路11は、積和演算を行い、次に示す出力信号ynを出力する。
n=(c0(n)・xn+c1(n)・xn-1+c2(n)・xn-2
これを受けて、加算器30は、次に示す誤差信号enを出力する。
n=dn−yn
Next, the operation of this adaptive filter will be described.
Now, the input signal x n is input, and the filter coefficients set in the multipliers 15, 16, and 17 of the first transversal filter circuit 11 at this time are c 0 (n) and c 1 (n), respectively. , C 2 (n). First transversal filter circuit 11 performs a product-sum operation, and outputs an output signal y n shown below.
y n = (c 0 (n) · x n + c 1 (n) · x n-1 + c 2 (n) · x n-2 )
In response, the adder 30 outputs an error signal e n as shown below.
e n = d n −y n

正規化LMS係数調整部20は、誤差信号enの平均自乗誤差を最小化するフィルタ係数c0(n+1)、c1(n+1)、c2(n+1)を算出し、第1トランスバーサルフィルタ回路11及び第2トランスバーサルフィルタ回路21のフィルタ係数を更新する。
第1トランスバーサルフィルタ回路11は、次の入力信号xn+1が入力すると、c0(n+1)、c1(n+1)、c2(n+1)を用いて積和演算を行い、次に示す出力信号yn+1を出力する。
n+1=(c0(n+1)・xn+1+c1(n+1)・xn+c2(n+1)・xn-1
この出力信号yn+1は、次回の誤差信号en+1(=dn+1−yn+1)の算出に使用され、この誤差信号en+1の平均自乗誤差を最小化するフィルタ係数c0(n+2)、c1(n+2)、c2(n+2)が算出される。
この第1トランスバーサルフィルタ回路11の動作は、図9のトランスバーサルフィルタ回路11の動作と同じであり、その処理は、(数3)(数4)(数5)により記述される。
Normalized LMS coefficient adjusting unit 20, the filter coefficients c 0 (n + 1) which minimizes the mean square error of the error signal e n, c 1 (n + 1), c 2 (n + 1) is calculated, and the first transversal filter circuit 11 and the filter coefficient of the second transversal filter circuit 21 are updated.
When the next input signal x n + 1 is input, the first transversal filter circuit 11 performs a product-sum operation using c 0 (n + 1), c 1 (n + 1), and c 2 (n + 1). Output signal y n + 1 is output.
y n + 1 = (c 0 (n + 1) · x n + 1 + c 1 (n + 1) · x n + c 2 (n + 1) · x n-1 )
This output signal y n + 1 is used for the next calculation of the error signal e n + 1 (= d n + 1 −y n + 1 ), and the mean square error of the error signal en n + 1 is minimized. Filter coefficients c 0 (n + 2), c 1 (n + 2), and c 2 (n + 2) are calculated.
The operation of the first transversal filter circuit 11 is the same as the operation of the transversal filter circuit 11 of FIG. 9, and the processing is described by (Equation 3), (Equation 4), and (Equation 5).

一方、フィルタ係数が更新された第2トランスバーサルフィルタ回路21は、次の入力信号xn+1が入力すると、c0(n+1)、c1(n+1)、c2(n+1)を用いて積和演算を行い、次に示す出力信号ypnを出力する。
pn=(c0(n+1)・xn+c1(n+1)・xn-1+c2(n+1)・xn-2
これは、数式で(数7)のように記述できる。

Figure 0004324676
従って、第2トランスバーサルフィルタ回路21から出力される出力信号ypnの所望信号dnに対する誤差をepnとすると、この誤差は(数8)で表される。
pn=dn−ypn (数8) On the other hand, when the next input signal x n + 1 is input, the second transversal filter circuit 21 in which the filter coefficient is updated uses c 0 (n + 1), c 1 (n + 1), and c 2 (n + 1). The sum operation is performed, and the following output signal y pn is output.
y pn = (c 0 (n + 1) · x n + c 1 (n + 1) · x n-1 + c 2 (n + 1) · x n-2 )
This can be described as a mathematical expression (Expression 7).
Figure 0004324676
Therefore, when an error with respect to the desired signal d n of the output signal y pn output from the second transversal filter circuit 21 and e pn, this error is expressed by equation (8).
e pn = d n −y pn (Equation 8)

この誤差epnは、次に説明するように、第1トランスバーサルフィルタ回路11の出力信号ynの所望信号dnに対する誤差en(=dn−yn)よりも小さい。つまり、適応フィルタの最終的な出力を、ynでは無く、ypnとすることで、平均自乗誤差(MSE)の低減を図ることができる。
それでは、誤差epnが誤差enより小さくなることを理論的に説明する。
pnは、(数3)及び(数5)を用いて、(数9)のように変形できる。

Figure 0004324676
そして、(数5)より(数10)の関係がある。
Figure 0004324676
ここで、αnは(数11)のように定義している。
Figure 0004324676
(数10)を(数9)に代入し、さらに、(数4)の関係を代入することにより、ypnは(数12)のように変形できる。
Figure 0004324676
(数12)を(数8)に代入することにより、epnは(数13)で表される。
Figure 0004324676
この結果から、(数14)の関係が導き出せる。
|epn2=(1−μ)2|en2 (数14)
ここで、αnについては、βが小さな正の実数値であるため、(数15)に示すように1と仮定する。
Figure 0004324676
このとき、(数14)は(数16)のようになる。
Figure 0004324676
正規化LMSアルゴリズムでは、(数6)に示したように、ステップサイズμは、
0<μ<2 (数6)
の範囲に設定される。そのため、
(1−μ)2<1 (数17)
となり、|epn2は|en2より常に小さくなる。 The error e pn, as described below, the error e n (= d n -y n ) less than for the desired signal d n of the output signal y n of the first transversal filter circuit 11. That is, the final output of the adaptive filter, the y n without With y pn, it is possible to reduce the mean square error (MSE).
Now, explaining that the error e pn is smaller than the error e n theoretically.
y pn can be transformed into (Equation 9) using ( Equation 3) and (Equation 5).
Figure 0004324676
There is a relationship of (Equation 10) from (Equation 5).
Figure 0004324676
Here, α n is defined as (Equation 11).
Figure 0004324676
By substituting (Equation 10) into (Equation 9) and further substituting the relationship of (Equation 4), y pn can be transformed into (Equation 12).
Figure 0004324676
By substituting (Equation 12) into (Equation 8), e pn is expressed by (Equation 13).
Figure 0004324676
From this result, the relationship of (Equation 14) can be derived.
| E pn | 2 = (1-μ) 2 | e n | 2 (Expression 14)
Here, since α n is a small positive real value, α is assumed to be 1 as shown in (Expression 15).
Figure 0004324676
At this time, (Equation 14) becomes (Equation 16).
Figure 0004324676
In the normalized LMS algorithm, as shown in (Equation 6), the step size μ is
0 <μ <2 (Equation 6)
Is set in the range. for that reason,
(1-μ) 2 <1 (Equation 17)
Therefore, | e pn | 2 is always smaller than | e n | 2 .

このように、第2トランスバーサルフィルタ回路21は、第1トランスバーサルフィルタ回路11から得られた係数を利用して、再度フィルタリングを施すことにより、第1トランスバーサルフィルタ回路11での誤差を低減する“洗練機能”を果たしている。   As described above, the second transversal filter circuit 21 reduces the error in the first transversal filter circuit 11 by performing filtering again using the coefficient obtained from the first transversal filter circuit 11. "Sophistication function" is played.

また、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能は、計算機シミュレーションの結果からも確かめられている。
図3は、図10の通信路等化モデルの適応フィルタ10として、図1の適応フィルタを用いた場合の構成を示している。そして、図4には、図3及び図10のシミュレーションモデルにおける収束特性を対比して示している。
なお、このモデルでは、適応フィルタの次数(equalizer length)M=9、遅延器33の遅延量D=4、安定化パラメータβ=0.05、individual trials 100runs、SN比40dBに設定し、また、ステップサイズμ=0.5に設定している。
Further, the refinement function of the second transversal filter circuit 21 has been confirmed from the result of computer simulation.
FIG. 3 shows a configuration when the adaptive filter of FIG. 1 is used as the adaptive filter 10 of the channel equalization model of FIG. FIG. 4 shows the convergence characteristics in the simulation models of FIGS. 3 and 10 in comparison.
In this model, the order of the adaptive filter (equalizer length) M = 9, the delay amount D = 4 of the delay unit 33, the stabilization parameter β = 0.05, individual trials 100 runs, the SN ratio 40 dB, The step size μ is set to 0.5.

図4の縦軸は、平均自乗誤差(MSE)をdBで示し、横軸は、適応処理の繰り返し回数(n)を示している。また、実線の特性は、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用しない場合を示し、点線の特性は、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用した場合を示している。
図4において、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用しない場合の収束状態におけるMSEは−33.9281(dB)であり、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用した場合のMSEは−39.8961(dB)である。この結果から、
|en2=10-33.9281/10=4.0475×10-4 (数18)
|epn2=10-39.8961/10=1.0242×10-4 (数19)
と計算され、|epn2と|en2との比が(数20)のようになる。

Figure 0004324676
一方、(数16)から(数21)が得られる。
Figure 0004324676
(数21)にμ=0.5を代入すると(数22)が得られる。
Figure 0004324676
(数22)及び(数20)の算出結果は、ほぼ一致しており、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能による効果が確認できる。 The vertical axis in FIG. 4 indicates the mean square error (MSE) in dB, and the horizontal axis indicates the number of iterations (n) of the adaptive process. A solid line characteristic indicates a case where the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is not used, and a dotted line characteristic indicates a case where the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is used.
In FIG. 4, the MSE in the convergence state when the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is not used is −33.9281 (dB), and the MSE when the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is used. Is -39.8961 (dB). from this result,
| E n | 2 = 10 −33.9281 / 10 = 4.0475 × 10 −4 (Equation 18)
| E pn | 2 = 10 −39.8961 / 10 = 1.0242 × 10 −4 (Equation 19)
And the ratio of | e pn | 2 to | e n | 2 becomes (Equation 20).
Figure 0004324676
On the other hand, (Equation 21) is obtained from (Equation 16).
Figure 0004324676
Substituting μ = 0.5 into (Equation 21) yields (Equation 22).
Figure 0004324676
The calculation results of (Expression 22) and (Expression 20) are almost the same, and the effect of the refinement function of the second transversal filter circuit 21 can be confirmed.

なお、(数22)及び(数20)の間の差分は、(数15)でαnを1と仮定したことが影響している。αnは1より小さいが、1に近い値である(例えば0.98)。そのため、0<μ<1の場合
(1−μ)2<(1−μαn2 (数23)
1<μ<2の場合
(1−μ)2>(1−μαn2 (数24)
となる。ここではμ=0.5としているため、(数23)の関係が成り立ち、(数22)の値が(数20)の値より小さく現われている。
Note that the difference between (Equation 22) and (Equation 20) is influenced by the assumption that α n is 1 in (Equation 15). α n is smaller than 1, but close to 1 (for example, 0.98). Therefore, if 0 <μ <1, (1-μ) 2 <(1-μα n ) 2 (Equation 23)
When 1 <μ <2 (1-μ) 2 > (1-μα n ) 2 (Equation 24)
It becomes. Here, since μ = 0.5, the relationship of (Equation 23) is established, and the value of (Equation 22) appears smaller than the value of (Equation 20).

また、図5は、ステップサイズをμ=0.8に設定し、その他の条件は図4と同じに設定したときの収束特性を示している。実線の特性は、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用しない場合であり、点線の特性は、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用した場合である。   FIG. 5 shows the convergence characteristics when the step size is set to μ = 0.8 and the other conditions are set the same as in FIG. The characteristic of the solid line is the case where the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is not used, and the characteristic of the dotted line is the case where the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is used.

また、図6は、図11の同定システムの適応フィルタ10として、図1の適応フィルタを用いた場合のシミュレーションモデルを示しており、図7は、図6及び図11のシミュレーションモデルにおける収束特性を対比して示している。
なお、このモデルでは、適応フィルタの次数(equalizer length)M=3、安定化パラメータβ=0.05、individual trials 100runs、SN比40dBに設定し、また、ステップサイズμ=0.5に設定している。実線の特性は、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用しない場合であり、点線の特性は、第2トランスバーサルフィルタ回路21の洗練機能を使用した場合である。
FIG. 6 shows a simulation model when the adaptive filter of FIG. 1 is used as the adaptive filter 10 of the identification system of FIG. 11, and FIG. 7 shows the convergence characteristics in the simulation models of FIGS. In contrast.
In this model, the adaptive filter order (equalizer length) M = 3, stabilization parameter β = 0.05, individual trials 100 runs, SN ratio 40 dB, and step size μ = 0.5 are set. ing. The characteristic of the solid line is the case where the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is not used, and the characteristic of the dotted line is the case where the refinement function of the second transversal filter circuit 21 is used.

このように、“洗練機能”を果たす第2トランスバーサルフィルタ回路21において、第1トランスバーサルフィルタ回路11から得られた係数を利用して再度フィルタリングを行うことにより、適応フィルタの所望信号への追従性を改善することができる。   In this way, the second transversal filter circuit 21 fulfilling the “sophistication function” performs the filtering again using the coefficient obtained from the first transversal filter circuit 11, thereby allowing the adaptive filter to follow the desired signal. Can improve sex.

なお、ここで示した適応フィルタの次数や各パラメータの値は、一例であって、本発明は、それらに限定されるものではない。
また、ここでは、フィルタ係数の算出に、正規化LMSアルゴリズムを用いる場合について説明したが、本発明は、他のアルゴリズムを用いてフィルタ係数を算出する適応フィルタにも適用できる。ただ、正規化LMSアルゴリズムの場合は、ステップサイズμが0<μ<2の範囲に設定されるため、(数17)の関係が成り立ち、|epn2は|en2より常に小さくなるが、他のアルゴリズムを用いる場合は、|epn2が|en2より小さくなるようなステップサイズμを選択して使用する必要がある。
The order of the adaptive filter and the value of each parameter shown here are examples, and the present invention is not limited to them.
Although the case where the normalized LMS algorithm is used for calculating the filter coefficient has been described here, the present invention can also be applied to an adaptive filter that calculates the filter coefficient using another algorithm. However, in the case of the normalized LMS algorithm, since the step size mu is set to a range 0 <mu <2, holds the relationship of equation (17), | e pn | 2 is | always less than 2 | e n However, when using another algorithm, it is necessary to select and use a step size μ such that | e pn | 2 is smaller than | e n | 2 .

本発明の適応フィルタは、所望信号への追従性が良好であり、エコーキャンセラ、ノイズキャンセラ、通信路等化器、信号予測等に広く利用することができる。   The adaptive filter of the present invention has good follow-up to a desired signal, and can be widely used for an echo canceller, a noise canceller, a channel equalizer, signal prediction, and the like.

本発明の実施形態における適応フィルタの概念図The conceptual diagram of the adaptive filter in embodiment of this invention 本発明の実施形態における適応フィルタの構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the adaptive filter in embodiment of this invention 本発明の実施形態における適応フィルタを適用した通信路等化モデルを示す図The figure which shows the channel equalization model to which the adaptive filter in embodiment of this invention is applied 本発明の実施形態における適応フィルタの収束特性を従来の適応フィルタと対比して示す図(その1)The figure which shows the convergence characteristic of the adaptive filter in embodiment of this invention in contrast with the conventional adaptive filter (the 1) 本発明の実施形態における適応フィルタの収束特性を従来の適応フィルタと対比して示す図(その2)FIG. 2 is a diagram showing the convergence characteristics of an adaptive filter in the embodiment of the present invention in comparison with a conventional adaptive filter (part 2); 本発明の実施形態における適応フィルタを適用した同定システムのモデルを示す図The figure which shows the model of the identification system to which the adaptive filter in embodiment of this invention is applied 本発明の実施形態における適応フィルタの収束特性を従来の適応フィルタと対比して示す図(その3)FIG. 3 is a diagram showing the convergence characteristics of the adaptive filter in the embodiment of the present invention in comparison with a conventional adaptive filter (part 3); 適応フィルタの概念図Conceptual diagram of adaptive filter 適応フィルタの構成を示すブロック図Block diagram showing configuration of adaptive filter 通信路等化モデルを示す図Diagram showing channel equalization model 同定システムのモデルを示す図Diagram showing identification system model

符号の説明Explanation of symbols

10 適応フィルタ
11 第1トランスバーサルフィルタ回路
12 係数調整部
13 遅延素子
14 遅延素子
15 乗算器
16 乗算器
17 乗算器
18 加算器
20 正規化LMS係数調整部
21 第2トランスバーサルフィルタ回路
23 遅延素子
24 遅延素子
25 遅延素子
26 乗算器
27 乗算器
28 乗算器
29 加算器
30 加算器
31 加算器
32 未知システム
33 遅延器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Adaptive filter 11 1st transversal filter circuit 12 Coefficient adjustment part 13 Delay element 14 Delay element 15 Multiplier 16 Multiplier 17 Multiplier 18 Adder 20 Normalization LMS coefficient adjustment part 21 2nd transversal filter circuit 23 Delay element 24 Delay element 25 delay element 26 multiplier 27 multiplier 28 multiplier 29 adder 30 adder 31 adder 32 unknown system 33 delay element

Claims (2)

入力信号を遅延する複数の遅延素子と、入力信号及び各遅延素子からの出力信号の各々にフィルタ係数を乗算する複数の乗算器と、各乗算器の出力を加算する加算器とを備える第1のトランスバーサルフィルタと、
前記第1のトランスバーサルフィルタに入力する入力信号と同一の入力信号が入力し、前記入力信号を遅延する複数の遅延素子と、各遅延素子からの出力信号の各々にフィルタ係数を乗算する、前記第1のトランスバーサルフィルタと同数の乗算器と、各乗算器の出力を加算する加算器とを備える第2のトランスバーサルフィルタと、
前記第1のトランスバーサルフィルタの加算器からの出力信号と所望信号との差分を誤差信号として出力する加算手段と、
前記誤差信号の低減を図るための更新用のフィルタ係数を算出して、前記第1のトランスバーサルフィルタ及び第2のトランスバーサルフィルタの同一序列の各乗算器で乗算される前記フィルタ係数を同一の値のフィルタ係数更新する係数調整部と、
を有し、
前記係数調整部では、更新用の前記フィルタ係数を算出する際のステップサイズμが、
(1−μ) 2 <1
となるように設定され、前記第2のトランスバーサルフィルタの加算器からの出力信号フィルタ出力として出力されることを特徴とする適応フィルタ。
A plurality of delay elements for delaying an input signal ; a plurality of multipliers for multiplying each of the input signal and the output signal from each delay element by a filter coefficient; and an adder for adding the outputs of the multipliers. A transversal filter,
The same input signal as the input signal input to the first transversal filter is input , a plurality of delay elements that delay the input signal, and each of the output signals from each delay element is multiplied by a filter coefficient, A second transversal filter comprising the same number of multipliers as the first transversal filter and an adder for adding the outputs of the multipliers ;
Adding means for outputting a difference between an output signal from the adder of the first transversal filter and a desired signal as an error signal;
An update filter coefficient for reducing the error signal is calculated, and the same filter coefficient is multiplied by each multiplier of the first transversal filter and the second transversal filter in the same order . A coefficient adjuster that updates with the filter coefficients of the value ;
Have
In the coefficient adjustment unit, the step size μ when calculating the filter coefficient for update is
(1-μ) 2 <1
And is set to be, the adaptive filter output signal from the adder of the second transversal filter, characterized in Rukoto is output as the filter output.
請求項1に記載の適応フィルタであって、前記係数調整部が、正規化最小平均自乗アルゴリズムにより前記更新用のフィルタ係数を算出することを特徴とする適応フィルタ。   The adaptive filter according to claim 1, wherein the coefficient adjustment unit calculates the filter coefficient for updating by a normalized least mean square algorithm.
JP2005218605A 2005-07-28 2005-07-28 Adaptive filter Active JP4324676B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005218605A JP4324676B2 (en) 2005-07-28 2005-07-28 Adaptive filter
PCT/JP2006/314082 WO2007013315A1 (en) 2005-07-28 2006-07-14 Adaptive filter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005218605A JP4324676B2 (en) 2005-07-28 2005-07-28 Adaptive filter

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2007036791A JP2007036791A (en) 2007-02-08
JP2007036791A5 JP2007036791A5 (en) 2007-03-29
JP4324676B2 true JP4324676B2 (en) 2009-09-02

Family

ID=37683216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005218605A Active JP4324676B2 (en) 2005-07-28 2005-07-28 Adaptive filter

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP4324676B2 (en)
WO (1) WO2007013315A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7230568B2 (en) * 2019-02-15 2023-03-01 富士通株式会社 Adaptive equalizer and optical receiver

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19647276A1 (en) * 1996-11-15 1998-05-20 Alsthom Cge Alcatel Method and arrangement for adaptive echo cancellation
JP2004064681A (en) * 2002-07-31 2004-02-26 Japan Science & Technology Corp Adaptive filter

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007013315A1 (en) 2007-02-01
JP2007036791A (en) 2007-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5638439A (en) Adaptive filter and echo canceller
WO2006049260A1 (en) Signal processing method, signal processing device, and signal processing program
US20050232347A1 (en) Apparatus and method for noise enhancement reduction in an adaptive equalizer
KR100282071B1 (en) Rotation prediction adaptive filter
JP4324676B2 (en) Adaptive filter
JP3391373B2 (en) Adaptive equalizer
JP3296330B2 (en) Adaptive filter, control method of adaptive filter, and storage medium storing program
Munjal et al. RLS algorithm for acoustic echo cancellation
CN111345048A (en) Voice communication device, voice communication method, and program
JP3707443B2 (en) Adaptive forgetting factor control adaptive filter and forgetting factor adaptive control method
EP3667662B1 (en) Acoustic echo cancellation device, acoustic echo cancellation method and acoustic echo cancellation program
TWI385941B (en) Method and apparatus for canceling channel interference
JP3631668B2 (en) System identification method and apparatus
KR20220079628A (en) receiving device
JP5100234B2 (en) Audio processing apparatus and echo removal method
JP3147864B2 (en) Adaptive step size control adaptive filter and adaptive step size control method
JP3671232B2 (en) Echo canceller
JP3121983B2 (en) Acoustic echo canceller
JP5193618B2 (en) Interference wave canceller
JP2004357053A (en) Echo canceler device and echo canceler method
CN108322410B (en) Time domain equalizer and signal processing method thereof
JPH1168518A (en) Coefficient updating circuit
JP2841952B2 (en) Echo cancellation device
JP3121988B2 (en) Acoustic echo canceller
JPH11313014A (en) Band divided echo canceler

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070206

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070209

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080326

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080512

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090512

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150