Robust Adaptive LCMV Beamformer Based On An Iterative Suboptimal Solution

The main drawback of closed-form solution of linearly constrained minimum variance (CF-LCMV) beamformer is the dilemma of acquiring long observation time for stable covariance matrix estimates and short observation time to track dynamic behavior of targets, leading to poor performance including low signal-noise-ratio (SNR), low jammer-to-noise ratios (JNRs) and small number of snapshots. Additionally, CF-LCMV suffers from heavy computational burden which mainly comes from two matrix inverse operations for computing the optimal weight vector. In this paper, we derive a low-complexity Robust Adaptive LCMV beamformer based on an Iterative Suboptimal solution (RAIS-LCMV) using conjugate gradient (CG) optimization method. The merit of our proposed method is threefold. Firstly, RAIS-LCMV beamformer can reduce the complexity of CF-LCMV remarkably. Secondly, RAIS-LCMV beamformer can adjust output adaptively based on measurement and its convergence speed is comparable. Finally, RAIS-LCMV algorithm has robust performance against low SNR, JNRs, and small number of snapshots. Simulation results demonstrate the superiority of our proposed algorithms

Development of a Resource Manager Framework for Adaptive Beamformer Selection

Adaptive digital beamforming (DBF) algorithms are designed to mitigate the effects of interference and noise in the electromagnetic (EM) environment encountered by modern electronic support (ES) receivers. Traditionally, an ES receiver employs a single adaptive DBF algorithm that is part of the design of the receiver system. While the traditional form of receiver implementation is effective in many scenarios it has inherent limitations. This dissertation proposes a new ES receiver framework capable of overcoming the limitations of traditional ES receivers. The proposed receiver framework is capable of forming multiple, independent, simultaneous adaptive digital beams toward multiple signals of interest in an electromagnetic environment. The main contribution of the research is the development, validation, and verification of a resource manager (RM) algorithm. The RM estimates a set of parameters that characterizes the electromagnetic environment and selects an adaptive digital beam forming DBF algorithm for implementation toward all each signal of interest (SOI) in the environment. Adaptive DBF algorithms are chosen by the RM based upon their signal to interference plus noise ratio (SINR) improvement ratio and their computational complexity. The proposed receiver framework is demonstrated to correctly estimate the desired electromagnetic parameters and select an adaptive DBF from the LUT

Position-Based Beamforming Design for UAV Communications in LTE Networks

This is the author accepted manuscript. The final version is available from IEEE via the DOI in this recordUnmanned Aerial Vehicles (UAVs) have demonstrated exceptional capabilities in many real-world applications such as remote sensing, emergency medicine delivery and precision agriculture. LTE networks are regarded as key candidates to offer high performance broadband wireless services to support UAV applications and safe deployment. However, the unique features of aerial UAVs including high-altitude manipulation, three-dimension (3D) mobility and rapid velocity changes, pose challenging issues for optimising LTE wireless communications to support UAVs, especially under the severe inter-cell interference generated by UAVs in the sky. To deal with this issue, we propose a novel position-based robust beamforming algorithm to improve the performance of LTE networks to serve UAVs. For obtaining optimal weight vectors that could tolerate Direction-of-Arrival (DoA) estimation errors, we propose a hybrid method to integrate the channel information and UAV flight information to accurately estimate the DoA angle range. In order to validate the performance of the proposed robust beamforming algorithm, we conduct comprehensive simulation experiments under practical configurations. The results show that the proposed robust beamforming algorithm outperforms benchmark Linearly Constrained Minimum Variance (LCMV) beamforming and GPS-based beamforming algorithms.Huawei Innovation Research ProgramNational Natural Science Foundation of China (NSFC

Acoustic characterisation of a small high-speed centrifugal compressor with casing treatment: an experimental study

[EN] With the advancements in manufacturing, materials and computational methods, turbomachinery designs have become more efficient providing higher specific power and reliability with lower weight and cost. The rotational speed of turbomachines has increased while the overall machine size has decreased for a similar power output leading to the pervasive presence of small, high-speed turbomachines, specifically centrifugal compressors in helicopters, unmanned aerial vehicles (UAVs), auxiliary power units (APUs), turbochargers and micro gas turbines. In addition to superior aerodynamic performance over a wide range, increased operating speeds have made the acoustic emissions of small centrifugal compressors a critical aspect of design. Therefore, this work presents an experimental campaign to characterise the acoustic behaviour of a compressor with an intent to quantify the dominant features of the flow-induced noise for design and near surge operating conditions. Furthermore, the campaign is extended to establish the impact of the ported shroud casing treatment and operating speed on the acoustic emission of the compressor. The in-duct noise measurement method is used in this work to quantify the noise generated in the compressor by measuring pressure fluctuations near the inducer and diffuser while the propagation of the generated noise to the ducts is computed from an array of piezoelectric sensors. Spectra at the design operating point are dominated by tonal noise while broadband noise content is the dominant feature of spectra for near surge operation. Although the ported shroud cavity does not significantly alter the overall noise levels of the compressor operating at design condition, it does seem to propagate tonal noise. For near surge operation, the casing treatment positively impacts the acoustic emission with a reduction of approximately 10 dB in the range up to the blade pass frequency. Furthermore, various broadband features are also observed to be alleviated by the casing treatment. (C) 2019 Elsevier Masson SAS. All rightsThe project was sponsored and supported by BorgWarner Turbo Systems and the Regional Growth Fund (RGF Grant Award 01.09.07.01/1789C). The authors would like to thank BorgWarner Turbo Systems for permission to publish the results presented in this paper.Sharma, S.; Broatch, A.; Garcia Tiscar, J.; Allport, JM.; Nickson, AK. (2019). Acoustic characterisation of a small high-speed centrifugal compressor with casing treatment: an experimental study. Aerospace Science and Technology. 95:1-15. https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.1055181159

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

Location-based Robust Beamforming Design for Cellular-enabled UAV Communications

Cellular communications have been regarded as promising approaches to deliver high-broadband communication links for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), which have been widely deployed to conduct various missions, e.g. precision agriculture, forest monitoring and border patrol. However, the unique features of aerial UAVs including high-altitude manipulation, three-dimension (3D) mobility, and rapid velocity changes, pose challenging issues to realize reliable cellular-enabled UAV communications, especially with the severe inter-cell interference generated by UAVs. To deal with this issue, we propose a novel position-based robust beamforming algorithm through complementarily integrating the navigation information and wireless channel information to improve the performance of cellular-enabled UAV communications. Specifically, in order to achieve the optimal beam weight vector, the navigation information of the UAV system is innovatively exploited to predict the changes of Direction-of-arrival (DoA) angle. To fight against the high mobility of UAV operations, an optimization problem is formed by considering the tapered surface of DoA angle and solved to correct the inherent position error. Comprehensive simulation experiments are conducted and the results show that the proposed robust beamforming algorithm could achieve over 90% DoA estimation error reduction and up to 14dB SINR gain compared with five benchmark beamforming algorithms, including Linearly Constrained Minimum Variance (LCMV), Position-based beamforming, Diagonal Loading (DL), Robust Capon Beamforming (RCB) and Robust LCMV algorithm

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