Enhancements to the Generalized Sidelobe Canceller for Audio Beamforming in an Immersive Environment

The Generalized Sidelobe Canceller is an adaptive algorithm for optimally estimating the parameters for beamforming, the signal processing technique of combining data from an array of sensors to improve SNR at a point in space. This work focuses on the algorithm’s application to widely-separated microphone arrays with irregular distributions used for human voice capture. Methods are presented for improving the performance of the algorithm’s blocking matrix, a stage that creates a noise reference for elimination, by proposing a stochastic model for amplitude correction and enhanced use of cross correlation for phase correction and time-difference of arrival estimation via a correlation coefficient threshold. This correlation technique is also applied to a multilateration algorithm for an efficient method of explicit target tracking. In addition, the underlying microphone array geometry is studied with parameters and guidelines for evaluation proposed. Finally, an analysis of the stability of the system is performed with respect to its adaptation parameters

Design and Realization of Fully-digital Microwave and Mm-wave Multi-beam Arrays with FPGA/RF-SOC Signal Processing

There has been a constant increase in data-traffic and device-connections in mobile wireless communications, which led the fifth generation (5G) implementations to exploit mm-wave bands at 24/28 GHz. The next-generation wireless access point (6G and beyond) will need to adopt large-scale transceiver arrays with a combination of multi-input-multi-output (MIMO) theory and fully digital multi-beam beamforming. The resulting high gain array factors will overcome the high path losses at mm-wave bands, and the simultaneous multi-beams will exploit the multi-directional channels due to multi-path effects and improve the signal-to-noise ratio. Such access points will be based on electronic systems which heavily depend on the integration of RF electronics with digital signal processing performed in Field programmable gate arrays (FPGA)/ RF-system-on-chip (SoC). This dissertation is directed towards the investigation and realization of fully-digital phased arrays that can produce wideband simultaneous multi-beams with FPGA or RF-SoC digital back-ends. The first proposed approach is a spatial bandpass (SBP) IIR filter-based beamformer, and is based on the concepts of space-time network resonance. A 2.4 GHz, 16-element array receiver, has been built for real-time experimental verification of this approach. The second and third approaches are respectively based on Discrete Fourier Transform (DFT) theory, and a lens plus focal planar array theory. Lens based approach is essentially an analog model of DFT. These two approaches are verified for a 28 GHz 800 MHz mm-wave implementation with RF-SoC as the digital back-end. It has been shown that for all proposed multibeam beamformer implementations, the measured beams are well aligned with those of the simulated. The proposed approaches differ in terms of their architectures, hardware complexity and costs, which will be discussed as this dissertation opens up. This dissertation also presents an application of multi-beam approaches for RF directional sensing applications to explore white spaces within the spatio-temporal spectral regions. A real-time directional sensing system is proposed to capture the white spaces within the 2.4 GHz Wi-Fi band. Further, this dissertation investigates the effect of electro-magnetic (EM) mutual coupling in antenna arrays on the real-time performance of fully-digital transceivers. Different algorithms are proposed to uncouple the mutual coupling in digital domain. The first one is based on finding the MC transfer function from the measured S-parameters of the antenna array and employing it in a Frost FIR filter in the beamforming backend. The second proposed method uses fast algorithms to realize the inverse of mutual coupling matrix via tridiagonal Toeplitz matrices having sparse factors. A 5.8 GHz 32-element array and 1-7 GHz 7-element tightly coupled dipole array (TCDA) have been employed to demonstrate the proof-of-concept of these algorithms

Broadband adaptive beamforming with low complexity and frequency invariant response

This thesis proposes different methods to reduce the computational complexity as well as increasing the adaptation rate of adaptive broadband beamformers. This is performed exemplarily for the generalised sidelobe canceller (GSC) structure. The GSC is an alternative implementation of the linearly constrained minimum variance beamformer, which can utilise well-known adaptive filtering algorithms, such as the least mean square (LMS) or the recursive least squares (RLS) to perform unconstrained adaptive optimisation.A direct DFT implementation, by which broadband signals are decomposed into frequency bins and processed by independent narrowband beamforming algorithms, is thought to be computationally optimum. However, this setup fail to converge to the time domain minimum mean square error (MMSE) if signal components are not aligned to frequency bins, resulting in a large worst case error. To mitigate this problem of the so-called independent frequency bin (IFB) processor, overlap-save based GSC beamforming structures have been explored. This system address the minimisation of the time domain MMSE, with a significant reduction in computational complexity when compared to time-domain implementations, and show a better convergence behaviour than the IFB beamformer. By studying the effects that the blocking matrix has on the adaptive process for the overlap-save beamformer, several modifications are carried out to enhance both the simplicity of the algorithm as well as its convergence speed. These modifications result in the GSC beamformer utilising a significantly lower computational complexity compare to the time domain approach while offering similar convergence characteristics.In certain applications, especially in the areas of acoustics, there is a need to maintain constant resolution across a wide operating spectrum that may extend across several octaves. To attain constant beamwidth is difficult, particularly if uniformly spaced linear sensor array are employed for beamforming, since spatial resolution is reciprocally proportional to both the array aperture and the frequency. A scaled aperture arrangement is introduced for the subband based GSC beamformer to achieve near uniform resolution across a wide spectrum, whereby an octave-invariant design is achieved. This structure can also be operated in conjunction with adaptive beamforming algorithms. Frequency dependent tapering of the sensor signals is proposed in combination with the overlap-save GSC structure in order to achieve an overall frequency-invariant characteristic. An adaptive version is proposed for frequency-invariant overlap-save GSC beamformer. Broadband adaptive beamforming algorithms based on the family of least mean squares (LMS) algorithms are known to exhibit slow convergence if the input signal is correlated. To improve the convergence of the GSC when based on LMS-type algorithms, we propose the use of a broadband eigenvalue decomposition (BEVD) to decorrelate the input of the adaptive algorithm in the spatial dimension, for which an increase in convergence speed can be demonstrated over other decorrelating measures, such as the Karhunen-Loeve transform. In order to address the remaining temporal correlation after BEVD processing, this approach is combined with subband decomposition through the use of oversampled filter banks. The resulting spatially and temporally decorrelated GSC beamformer provides further enhanced convergence speed over spatial or temporal decorrelation methods on their own

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

Implementation and evaluation of a low complexity microphone array for speaker recognition

Includes bibliographical references (leaves 83-86).This thesis discusses the application of a microphone array employing a noise canceling beamforming technique for improving the robustness of speaker recognition systems in a diffuse noise field