(完整)自适应滤波LMS算法及RLS算法及其仿真..docx
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1、自适应滤波第1章绪论11. 1自适应滤波理论发展过程11. 2自适应滤波发展前景21. 2.1小波变换与自适应滤波22. 2.2模糊神经网络与自适应滤波3第2章线性自适应滤波理论42. 1最小均方自适应滤波器421.1最速下降算法42.1.2最小均方算法.62. 2递归最小二乘自适应滤波器7第3章仿真123. 1基于LMS算法的MATLAB仿真124. 2基于RLS算法的MATLAB仿真15组别:第二小组组员:黄亚明李存龙杨振(2-27)Q(Nk) =- k);二 01、材-1gi为确定性互相关函数,表示期望响应与在抽头K输入信号之间的互相关性:NEd5) = d“i)(2-28)1-1为期望
2、响应序列的能量。 将式(2-26)(2-28)代入式(2.25),目标函数可写为M&=Edn) -w,伽网 N; *-1)“ M+ E 2 w* (匕加. 5WM -1,-1)(2-29)厢=1M-20(N;k - 1) + 2g w州 5)/(N;k -1)(230)因此有比 令式(2-30)等于零,得到Z%S附(N;4一1,加-D = 0(N;-1);k =12,M (231)把它简化成矩阵形式,有(n)w(n) = 0(h)(2-32)式中,w(n)为MX 1维最小平方估计的滤波器系数矢量,即W()=四,叼 (),%(M)f(2-33)(n)为延迟线抽头输入信号的确定性自相关函数,是一个
3、MXM维矩阵即仅;0,0)根斓,0)M 1)5;0,时一1)51 M-1)(2-34)-1,0)-1J)-1),(2-35)0 (n)为脉冲响应序列与输入信号之间的确定性互相关函数MX 1维矢量,即0() = 口(黑0)用5;1),例 M -1)了假定矩阵(n)是非奇异的,其逆矩阵存在,则由(2-32)可求得w(w) = -1(w)0(n)(2-36)式f2, 36)就是最+一乘法自适应滤波算法的正规方程。从式中可以看出,它要求 (n)是可逆的矩阵,虽然如此,但是对大多数应用来说这都是成立的。若对于 某应用(n)为降秩,即为不可逆矩阵,则式(2-36可理解为采用了伪逆矩阵。下面推导RLS算法由
4、式(2, 36)有w(n-l) = l(n-l)e(nl)(2-37)(2-38)(2-40)(2-41)K()=l + xr()P(w-l)x(n)(2书)根据式(2.26)可得到弧旭左,加)=娟 -1; m) + x(n m)x(n - k)写成矩阵形式O(m)= O(n-1) + x()xr(w)(2-39)利用矩阵求逆定理(A + BCD)- = 4 -+ DA-xBy DATX再由式(2-39)可求得T=犷g ) .所包Q1 + x 5)(一 1)x()引入MX M维矩阵(2-42)P5)= d5)和N维矢量K(n)被称为增益系数。将式(2. 42)和式(2-43)代入(2-41)得
5、到P(m = P(n-l)-K(z?)x7 (r?)P(rt-1)(2-44)上式两边右乘x(n)P(n)x(n) = P(n -l)x(w)- K(w)xJ(?i)P(h - 1)x()(2-45)用式(2. 43)中分母多项式右乘上式两边,整理得到K(w)x r(w)P(m - l)x(n) = P(/2 - l)x(n) - K(n)(2-46)把上式带入式(2. 45)中,可化简成下式K(n)= P(n)x(w)(2-47)另外,根据式(2. 27)有如下递推关系式9(力;k)= 0(w - 1; + d(n)x(n - k)(2-48)写成矩阵形式式力)=6(m -1) + d(n)
6、x(n)(2-49)式中MX 1维矢量d (n) x (n)代表递归计算的更新校正项,把式(242)代入式(2-36)得到:w=P(w)9(n)(2-50)再将式(2-49)代入上式,并由式(2-47)可得到w(n) = P(n)G(w -1) + P5)d(,)x()=P(n)6(w-1) + K(n)dS)(241)将式(2-44)代入式(2-51)中,且根据式(2-50)有w(w) = P(n -l)9(n -1) - K(n)xr(w)P(w - 1)0(m -1)4- K()d()=w(n -1) +-1)(2-52)上式就是RLS算法的递推公式。与LMS算法相比较,两者的主要差别在
7、于增益系数, LMS算法简单的利用输入矢量乘上常数,而RLS算法则用较复杂的K(n)。下面给出RLS算法的初始条件以及运算步骤:初始条件:w(0)=0;初0)=飞0)=3丸为小的正实数运算步骤:对于n=l,2,(1)取d(n), x(n)更新增益矢量K() =1 +X75)P(- 1)x()(3)更新滤波器参数W5)= w( 1) + K5)U-X w( 1)(4)更新逆矩阵 P5) = P( 1) - K(rt)x T ()P(n-l)第3章仿真3. 1基于LMS算法的MATLAB仿真在matlab中输入以下程序,可得出仿真结果g=100;%统计仿真次数为gN=1024;%输入信号抽样点数k
8、=128;%滤波器阶数pp=zeros(g,N-k);%将每次独立循环的误差结果存于矩阵pp中,以便后面对其平均0.00026;%滤波器收敛因子for q=l:gt=l:N;a=l;s=a*sin(0.05*pi*t);figure(l);subplot(411)plot(s);title。信号s时域波形);%输入单信号s%信号S时域波形xlabel(,n,);axis(0,N,-a-l,a+l);xn=awgn(s,5);%设置初值%加入均值为零的高斯白噪声y=zeros(l,N);%输出信号yy(l:k)=xn(l:k);%将输入信号xn的前k个值作为输出y的前k个值w=zeros(l,k
9、);%设置抽头加权初值e=zeros(l,N);%误差信号%用15算法迭代滤波for i=(k+l):NXN=xn(i-k+l):(i);y(i)=w*XN e(i)=s(i)-y(i);w=w+u*e *XN;endpp(q,:)=(e(k+l):N).A2;endsubplot(412)plot(xn);titleC信号s加噪声后的时域波形,);subplot(413)plot(y);title( g适应滤波后的输出时域波形)subplot(414)plot(e);title。估计误差e(t)的时域波形)for b=l:N-kbi(b)=sum(pp(:9b)/g;endfigure(2)
10、;t=l:N-k;plot(t,bi;r);title(收敛曲线5hold on%信号s时域波形%信号s时域波形%求误差统计平均%算法收敛曲线%将每次循环的图形显示结果保存下来正弦信号S时域波形n正弦信号s加噪声后的时域波形5 illillo WwvWWMiMAVAvAWaM -.5111 110200400600 80010001200自适应滤波后的输出时域波形5 illill200400-560080010001200估计误差e(t)的时域波形020040060080010001200收敛曲线0.90.80.70.60.60.40.30.20.10010020030040050060070
11、08009003. 2基于RLS算法的MATLAB仿真程序代码:clearN=1000;Fs=500;n=O:N-1;t=n/Fs;xs=( sin (2*pi*5*t);figure(1);subplot(211);plot (t, xs) ; grid;ylabel (幅度);title(it 输入周期性信号);xn= ( 0. 6*randn (1, length (t)J ;subplot (212);plot (t, xn);grid;ylabel (幅度);xlabel (J时间);title(it 随机噪声信号);d=xs;x=xs+xn;N=10;w= (zeros(1, N)
12、;M=length (x);p=0. l*eye(N, N);a=0. 1;y= (zeros (1, M);e= (zeros(1, M);suml=zeros(N, N);sum2=zeros(N, 1);for n=N:Mxl=x(n:-l:n-N+l);juzhen=xl*xl;k=(l/a)*p*xl)/(l+(l/a)*p*xl);e(n)=d(n) -w *xl;w=w+k*conj(e(n);p=(l/a)*p-(l/a)*k*xl *p;y (n)=w? *xl;endfigure (2);plot(y);grid;title(it 自适应滤波器输出信号)figure (3)
13、;plot(e);grid;title(it 误差)自适应滤波翳输出信号误差第1章绪论从连续的(或离散的)输入数据中滤除噪声和干扰以提取有用信息的过 程称为滤波。相应的装置称为滤波器。实际上,一个滤波器可以看成是 一个系统,这个系统的目的是为了从含有噪声的数据中提取人们感兴趣的、 或者希望得到的有用信号,即期望信号。滤波器可分为线性滤波器和非 线性滤波器两种。当滤波器的输出为输入的线性函数时,该滤波器称为线 性滤波器,当滤波器的输出为输入的非线性函数时,该滤波器就称为非线 性滤波器。自适应滤波器是在不知道输入过程的统计特性时,或是输入过程的统计特性 发生变化时,能够自动调整自己的参数,以满足某
14、种最佳准则要求的滤波器。1.1自适应滤波理论发展过程自适应技术与最优化理论有着密切的系。自适应算法中的最速下降算法以及 最小二乘算法最初都是用来解决有/无约束条件的极值优化问题的。1942年维纳(Wiener)研究了基于最小均方误差(MMSE)准则的在可加性噪声 中信号的最佳滤波问题。并利用Wiener. Hopf方程给出了对连续信号情况的最佳 解。基于这准则的最佳滤波器称为维纳滤波器。20世纪60年代初,卡尔曼 (Kalman)突破和发展了经典滤波理论,在时间域上提出了状态空间方法,提出了一套便于在计算机上实现的递推滤波算法,并且适用于 非平稳过程的滤波和多变量系统的滤波,克服了维纳(Wie
15、ner)滤波理论的局限 性,并获得了广泛的应用。这种基于MMSE准则的对于动态系统的离散形式递推算 法即卡尔曼滤波算法。这两种算法都为自适应算法奠定了基础。从频域上的谱分析方法到时域上的状态空间分析方法的变革,也标志 着现代控制理论的诞生。最优滤波理论是现代控制论的重要组成部分。在控制论 的文献中,最优滤波理论也叫做Kalman滤波理论或者状态估计理论。从应用观点来看,Kalman滤波的缺点和局限性是应用Kalman滤波时要求知道 系统的数学模型和噪声统计这两种先验知识。然而在绝大多数实际应用问题中, 它们是不知道的,或者是近似知道的,也或者是部分知道的。应用不精确或者错 误的模型和噪声统计设
16、计Kalman滤波器将使滤波器性能变坏,导致大的状态估计 误差,甚至使滤波发散。为了解决这个矛盾,产生了自适应滤波。最早的自适应滤波算法是最小JY(LMS)算法。它成为横向滤波器的一种简单 而有效的算法。实际上,LMS算法是一种随机梯度算法,它在相对于抽头权值的 误差信号平方幅度的梯度方向上迭代调整每个抽头权值。1996年Hassibi等人证明了LMS算法在H。准则下为最佳,从而在理论上证明 了LMS算法具有孥实性。自Widrow等人1976年提出LMs自适应滤波算法以来,经过 30多年的迅速发展,已经使这一理论成果成功的应用到通信、系统辨识、信号处 理和自适应控制等领域,为自适应滤波开辟了新
17、的发展方向。在各种自适应滤波 算法中,LMS算法因为其简单、计算量小、稳定性好和易于实现而得到了广泛应 用。这种算法中,固定步长因子u对算法的性能有决定性的影响。若口较小时, 算法收敛速度慢,并且为得到满意的结果需要很多的采样数据,但稳态失调误差 较小:当“较大时,该算法收敛速度快,但稳态失调误差变大,并有可能使算法 发散。收敛速度与稳态失调误差是不可兼得的两个指标。以往的文献对LMS算法 的性能和改进算法已经做出了相当多的研究,并且至今仍然是一个重要的研究课 题。另一类重要的自适应算法是最小二乘(LS)算法。LS算法早在1795年就由高斯 提出来了,但LS算法存在运算量大等缺点,因而在自适应
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- 关 键 词:
- 完整 自适应 滤波 LMS 算法 RLS 及其 仿真
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