The modeling of diffuse boundaries in the 2-D digital waveguide mesh

The digital waveguide mesh can be used to simulate the propagation of sound waves in an acoustic system. The accurate simulation of the acoustic characteristics of boundaries within such a system is an important part of the model. One significant property of an acoustic boundary is its diffusivity. Previous approaches to simulating diffuse boundaries in a digital waveguide mesh are effective but exhibit limitations and have not been analyzed in detail. An improved technique is presented here that simulates diffusion at boundaries and offers a high degree of control and consistency. This technique works by rotating wavefronts as they pass through a special diffusing layer adjacent to the boundary. The waves are rotated randomly according to a chosen probability function and the model is lossless. This diffusion model is analyzed in detail, and its diffusivity is quantified in the form of frequency dependent diffusion coefficients. The approach used to measuring boundary diffusion is described here in detail for the 2-D digital waveguide mesh and can readily be extended for the 3-D case

System Identification with Applications in Speech Enhancement

As the increasing popularity of integrating hands-free telephony on mobile portable devices and the rapid development of voice over internet protocol, identification of acoustic systems has become desirable for compensating distortions introduced to speech signals during transmission, and hence enhancing the speech quality. The objective of this research is to develop system identification algorithms for speech enhancement applications including network echo cancellation and speech dereverberation. A supervised adaptive algorithm for sparse system identification is developed for network echo cancellation. Based on the framework of selective-tap updating scheme on the normalized least mean squares algorithm, the MMax and sparse partial update tap-selection strategies are exploited in the frequency domain to achieve fast convergence performance with low computational complexity. Through demonstrating how the sparseness of the network impulse response varies in the transformed domain, the multidelay filtering structure is incorporated to reduce the algorithmic delay. Blind identification of SIMO acoustic systems for speech dereverberation in the presence of common zeros is then investigated. First, the problem of common zeros is defined and extended to include the presence of near-common zeros. Two clustering algorithms are developed to quantify the number of these zeros so as to facilitate the study of their effect on blind system identification and speech dereverberation. To mitigate such effect, two algorithms are developed where the two-stage algorithm based on channel decomposition identifies common and non-common zeros sequentially; and the forced spectral diversity approach combines spectral shaping filters and channel undermodelling for deriving a modified system that leads to an improved dereverberation performance. Additionally, a solution to the scale factor ambiguity problem in subband-based blind system identification is developed, which motivates further research on subbandbased dereverberation techniques. Comprehensive simulations and discussions demonstrate the effectiveness of the aforementioned algorithms. A discussion on possible directions of prospective research on system identification techniques concludes this thesis

Blind identification of acoustic systems and enhancement of reverberant speech

Imperial Users onl

Linear and nonlinear room compensation of audio rendering systems

[EN] Common audio systems are designed with the intent of creating real and immersive scenarios that allow the user to experience a particular acoustic sensation that does not depend on the room he is perceiving the sound. However, acoustic devices and multichannel rendering systems working inside a room, can impair the global audio effect and thus the 3D spatial sound. In order to preserve the spatial sound characteristics of multichannel rendering techniques, adaptive filtering schemes are presented in this dissertation to compensate these electroacoustic effects and to achieve the immersive sensation of the desired acoustic system. Adaptive filtering offers a solution to the room equalization problem that is doubly interesting. First of all, it iteratively solves the room inversion problem, which can become computationally complex to obtain when direct methods are used. Secondly, the use of adaptive filters allows to follow the time-varying room conditions. In this regard, adaptive equalization (AE) filters try to cancel the echoes due to the room effects. In this work, we consider this problem and propose effective and robust linear schemes to solve this equalization problem by using adaptive filters. To do this, different adaptive filtering schemes are introduced in the AE context. These filtering schemes are based on three strategies previously introduced in the literature: the convex combination of filters, the biasing of the filter weights and the block-based filtering. More specifically, and motivated by the sparse nature of the acoustic impulse response and its corresponding optimal inverse filter, we introduce different adaptive equalization algorithms. In addition, since audio immersive systems usually require the use of multiple transducers, the multichannel adaptive equalization problem should be also taken into account when new single-channel approaches are presented, in the sense that they can be straightforwardly extended to the multichannel case. On the other hand, when dealing with audio devices, consideration must be given to the nonlinearities of the system in order to properly equalize the electroacoustic system. For that purpose, we propose a novel nonlinear filtered-x approach to compensate both room reverberation and nonlinear distortion with memory caused by the amplifier and loudspeaker devices. Finally, it is important to validate the algorithms proposed in a real-time implementation. Thus, some initial research results demonstrate that an adaptive equalizer can be used to compensate room distortions.[ES] Los sistemas de audio actuales están diseñados con la idea de crear escenarios reales e inmersivos que permitan al usuario experimentar determinadas sensaciones acústicas que no dependan de la sala o situación donde se esté percibiendo el sonido. Sin embargo, los dispositivos acústicos y los sistemas multicanal funcionando dentro de salas, pueden perjudicar el efecto global sonoro y de esta forma, el sonido espacial 3D. Para poder preservar las características espaciales sonoras de los sistemas de reproducción multicanal, en esta tesis se presentan los esquemas de filtrado adaptativo para compensar dichos efectos electroacústicos y conseguir la sensación inmersiva del sistema sonoro deseado. El filtrado adaptativo ofrece una solución al problema de salas que es interesante por dos motivos. Por un lado, resuelve de forma iterativa el problema de inversión de salas, que puede llegar a ser computacionalmente costoso para los métodos de inversión directos existentes. Por otro lado, el uso de filtros adaptativos permite seguir las variaciones cambiantes de los efectos de la sala de escucha. A este respecto, los filtros de ecualización adaptativa (AE) intentan cancelar los ecos introducidos por la sala de escucha. En esta tesis se considera este problema y se proponen esquemas lineales efectivos y robustos para resolver el problema de ecualización mediante filtros adaptativos. Para conseguirlo, se introducen diferentes esquemas de filtrado adaptativo para AE. Estos esquemas de filtrado se basan en tres estrategias ya usadas en la literatura: la combinación convexa de filtros, el sesgado de los coeficientes del filtro y el filtrado basado en bloques. Más especificamente y motivado por la naturaleza dispersiva de las respuestas al impulso acústicas y de sus correspondientes filtros inversos óptimos, se presentan diversos algoritmos adaptativos de ecualización específicos. Además, ya que los sistemas de audio inmersivos requieren usar normalmente múltiples trasductores, se debe considerar también el problema de ecualización multicanal adaptativa cuando se diseñan nuevas estrategias de filtrado adaptativo para sistemas monocanal, ya que éstas deben ser fácilmente extrapolables al caso multicanal. Por otro lado, cuando se utilizan dispositivos acústicos, se debe considerar la existencia de no linearidades en el sistema elactroacústico, para poder ecualizarlo correctamente. Por este motivo, se propone un nuevo modelo no lineal de filtrado-x que compense a la vez la reverberación introducida por la sala y la distorsión no lineal con memoria provocada por el amplificador y el altavoz. Por último, es importante validar los algoritmos propuestos mediante implementaciones en tiempo real, para asegurarnos que pueden realizarse. Para ello, se presentan algunos resultados experimentales iniciales que muestran la idoneidad de la ecualización adaptativa en problemas de compensación de salas.[CA] Els sistemes d'àudio actuals es dissenyen amb l'objectiu de crear ambients reals i immersius que permeten a l'usuari experimentar una sensació acústica particular que no depèn de la sala on està percebent el so. No obstant això, els dispositius acústics i els sistemes de renderització multicanal treballant dins d'una sala poden arribar a modificar l'efecte global de l'àudio i per tant, l'efecte 3D del so a l'espai. Amb l'objectiu de conservar les característiques espacials del so obtingut amb tècniques de renderització multicanal, aquesta tesi doctoral presenta esquemes de filtrat adaptatiu per a compensar aquests efectes electroacústics i aconseguir una sensació immersiva del sistema acústic desitjat. El filtrat adaptatiu presenta una solució al problema d'equalització de sales que es interessant baix dos punts de vista. Per una banda, el filtrat adaptatiu resol de forma iterativa el problema inversió de sales, que pot arribar a ser molt complexe computacionalment quan s'utilitzen mètodes directes. Per altra banda, l'ús de filtres adaptatius permet fer un seguiment de les condicions canviants de la sala amb el temps. Més concretament, els filtres d'equalització adaptatius (EA) intenten cancel·lar els ecos produïts per la sala. A aquesta tesi, considerem aquest problema i proposem esquemes lineals efectius i robustos per a resoldre aquest problema d'equalització mitjançant filtres adaptatius. Per aconseguir-ho, diferent esquemes de filtrat adaptatiu es presenten dins del context del problema d'EA. Aquests esquemes de filtrat es basen en tres estratègies ja presentades a l'estat de l'art: la combinació convexa de filtres, el sesgat dels pesos del filtre i el filtrat basat en blocs. Més concretament, i motivat per la naturalesa dispersa de la resposta a l'impuls acústica i el corresponent filtre òptim invers, presentem diferents algorismes d'equalització adaptativa. A més a més, com que els sistemes d'àudio immersiu normalment requereixen l'ús de múltiples transductors, cal considerar també el problema d'equalització adaptativa multicanal quan es presenten noves solucions de canal simple, ja que aquestes s'han de poder estendre fàcilment al cas multicanal. Un altre aspecte a considerar quan es treballa amb dispositius d'àudio és el de les no linealitats del sistema a l'hora d'equalitzar correctament el sistema electroacústic. Amb aquest objectiu, a aquesta tesi es proposa una nova tècnica basada en filtrat-x no lineal, per a compensar tant la reverberació de la sala com la distorsió no lineal amb memòria introduïda per l'amplificador i els altaveus. Per últim, és important validar la implementació en temps real dels algorismes proposats. Amb aquest objectiu, alguns resultats inicials demostren la idoneïtat de l'equalització adaptativa en problemes de compensació de sales.Fuster Criado, L. (2015). Linear and nonlinear room compensation of audio rendering systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/5945

Distributed and Collaborative Processing of Audio Signals: Algorithms, Tools and Applications

Tesis por compendio[ES] Esta tesis se enmarca en el campo de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), especialmente en el área del procesado digital de la señal. En la actualidad, y debido al auge del Internet de los cosas (IoT), existe un creciente interés por las redes de sensores inalámbricos (WSN), es decir, redes compuestas de diferentes tipos de dispositivos específicamente distribuidos en una determinada zona para realizar diferentes tareas de procesado de señal. Estos dispositivos o nodos suelen estar equipados con transductores electroacústicos así como con potentes y eficientes procesadores con capacidad de comunicación. En el caso particular de las redes de sensores acústicos (ASN), los nodos se dedican a resolver diferentes tareas de procesado de señales acústicas. El desarrollo de potentes sistemas de procesado centralizado han permitido aumentar el número de canales de audio, ampliar el área de control o implementar algoritmos más complejos. En la mayoría de los casos, una topología de ASN distribuida puede ser deseable debido a varios factores tales como el número limitado de canales utilizados por los dispositivos de adquisición y reproducción de audio, la conveniencia de un sistema escalable o las altas exigencias computacionales de los sistemas centralizados. Todos estos aspectos pueden llevar a la utilización de nuevas técnicas de procesado distribuido de señales con el fin de aplicarlas en ASNs. Para ello, una de las principales aportaciones de esta tesis es el desarrollo de algoritmos de filtrado adaptativo para sistemas de audio multicanal en redes distribuidas. Es importante tener en cuenta que, para aplicaciones de control del campo sonoro (SFC), como el control activo de ruido (ANC) o la ecualización activa de ruido (ANE), los nodos acústicos deben estar equipados con actuadores con el fin de controlar y modificar el campo sonoro. Sin embargo, la mayoría de las propuestas de redes distribuidas adaptativas utilizadas para resolver problemas de control del campo sonoro no tienen en cuenta que los nodos pueden interferir o modificar el comportamiento del resto. Por lo tanto, otra contribución destacable de esta tesis se centra en el análisis de cómo el sistema acústico afecta el comportamiento de los nodos dentro de una ASN. En los casos en que el entorno acústico afecta negativamente a la estabilidad del sistema, se han propuesto varias estrategias distribuidas para resolver el problema de interferencia acústica con el objetivo de estabilizar los sistemas de ANC. En el diseño de los algoritmos distribuidos también se han tenido en cuenta aspectos de implementación práctica. Además, con el objetivo de crear perfiles de ecualización diferentes en zonas de escucha independientes en presencia de ruidos multitonales, se han presentado varios algoritmos distribuidos de ANE en banda estrecha y banda ancha sobre una ASN con una comunicación colaborativa y compuesta por nodos acústicos. Se presentan además resultados experimentales para validar el uso de los algoritmos distribuidos propuestos en el trabajo para aplicaciones prácticas. Para ello, se ha diseñado un software de simulación acústica que permite analizar el rendimiento de los algoritmos desarrollados en la tesis. Finalmente, se ha realizado una implementación práctica que permite ejecutar aplicaciones multicanal de SFC. Para ello, se ha desarrollado un prototipo en tiempo real que controla las aplicaciones de ANC y ANE utilizando nodos acústicos colaborativos. El prototipo consiste en dos sistemas de control de audio personalizado (PAC) compuestos por un asiento de coche y un nodo acústico, el cual está equipado con dos altavoces, dos micrófonos y un procesador con capacidad de comunicación entre los dos nodos. De esta manera, es posible crear dos zonas independientes de control de ruido que mejoran el confort acústico del usuario sin necesidad de utilizar auriculares.[CA] Aquesta tesi s'emmarca en el camp de les Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (TIC), especialment en l'àrea del processament digital del senyal. En l'actualitat, i a causa de l'auge de la Internet dels coses (IoT), existeix un creixent interés per les xarxes de sensors sense fils (WSN), és a dir, xarxes compostes de diferents tipus de dispositius específicament distribuïts en una determinada zona per a fer diferents tasques de processament de senyal. Aquests dispositius o nodes solen estar equipats amb transductors electroacústics així com amb potents i eficients processadors amb capacitat de comunicació. En el cas particular de les xarxes de sensors acústics (ASN), els nodes es dediquen a resoldre diferents tasques de processament de senyals acústics. El desenvolupament de potents sistemes de processament centralitzat han permés augmentar el nombre de canals d'àudio, ampliar l'àrea de control o implementar algorismes més complexos. En la majoria dels casos, una topologia de ASN distribuïda pot ser desitjable a causa de diversos factors tals com el nombre limitat de canals utilitzats pels dispositius d'adquisició i reproducció d'àudio, la conveniència d'un sistema escalable o les altes exigències computacionals dels sistemes centralitzats. Tots aquests aspectes poden portar a la utilització de noves tècniques de processament distribuït de senyals amb la finalitat d'aplicar-les en ASNs. Per a això, una de les principals aportacions d'aquesta tesi és el desenvolupament d'algorismes de filtrat adaptatiu per a sistemes d'àudio multicanal en xarxes distribuïdes. És important tindre en compte que, per a aplicacions de control del camp sonor (SFC), com el control actiu de soroll (ANC) o l'equalització activa de soroll (ANE), els nodes acústics han d'estar equipats amb actuadors amb la finalitat de controlar i modificar el camp sonor. No obstant això, la majoria de les propostes de xarxes distribuïdes adaptatives utilitzades per a resoldre problemes de control del camp sonor no tenen en compte que els nodes poden modificar el comportament de la resta. Per tant, una altra contribució destacable d'aquesta tesi se centra en l'anàlisi de com el sistema acústic afecta el comportament dels nodes dins d'una ASN. En els casos en què l'entorn acústic afecta negativament a l'estabilitat del sistema, s'han proposat diverses estratègies distribuïdes per a resoldre el problema d'interferència acústica amb l'objectiu d'estabilitzar els sistemes de ANC. En el disseny dels algorismes distribuïts també s'han tingut en compte aspectes d'implementació pràctica. A més, amb l'objectiu de crear perfils d'equalització diferents en zones d'escolta independents en presència de sorolls multitonales, s'han presentat diversos algorismes distribuïts de ANE en banda estreta i banda ampla sobre una ASN amb una comunicació col·laborativa i composta per nodes acústics. Es presenten a més resultats experimentals per a validar l'ús dels algorismes distribuïts proposats en el treball per a aplicacions pràctiques. Per a això, s'ha dissenyat un programari de simulació acústica que permet analitzar el rendiment dels algorismes desenvolupats en la tesi. Finalment, s'ha realitzat una implementació pràctica que permet executar aplicacions multicanal de SFC. Per a això, s'ha desenvolupat un prototip en temps real que controla les aplicacions de ANC i ANE utilitzant nodes acústics col·laboratius. El prototip consisteix en dos sistemes de control d'àudio personalitzat (PAC) compostos per un seient de cotxe i un node acústic, el qual està equipat amb dos altaveus, dos micròfons i un processador amb capacitat de comunicació entre els dos nodes. D'aquesta manera, és possible crear dues zones independents de control de soroll que milloren el confort acústic de l'usuari sense necessitat d'utilitzar auriculars.[EN] This thesis fits into the field of Information and Communications Technology (ICT), especially in the area of digital signal processing. Nowadays and due to the rise of the Internet of Things (IoT), there is a growing interest in wireless sensor networks (WSN), that is, networks composed of different types of devices specifically distributed in some area to perform different signal processsing tasks. These devices, also referred to as nodes, are usually equipped with electroacoustic transducers as well as powerful and efficient processors with communication capability. In the particular case of acoustic sensor networks (ASN), nodes are dedicated to solving different acoustic signal processing tasks. These audio signal processing applications have been undergone a major development in recent years due in part to the advances made in computer hardware and software. The development of powerful centralized processing systems has allowed the number of audio channels to be increased, the control area to be extended or more complex algorithmms to be implemented. In most cases, a distributed ASN topology can be desirable due to several factors such as the limited number of channels used by the sound acquisition and reproduction devices, the convenience of a scalable system or the high computational demands of a centralized fashion. All these aspects may lead to the use of novel distributed signal processing techniques with the aim to be applied over ASNs. To this end, one of the main contributions of this dissertation is the development of adaptive filtering algorithms for multichannel sound systems over distributed networks. Note that, for sound field control (SFC) applications, such as active noise control (ANC) or active noise equalization (ANE), acoustic nodes must be not only equipped with sensors but also with actuators in order to control and modify the sound field. However, most of the adaptive distributed networks approaches used to solve soundfield control problems do not take into account that the nodes may interfere or modify the behaviour of the rest. Therefore, other important contribution of this thesis is focused on analyzing how the acoustic system affects the behavior of the nodes within an ASN. In cases where the acoustic environment adversely affects the system stability, several distributed strategies have been proposed for solving the acoustic interference problem with the aim to stabilize ANC control systems. These strategies are based on both collaborative and non-collaborative approaches. Implementation aspects such as hardware constraints, sensor locations, convergenge rate or computational and communication burden, have been also considered on the design of the distributed algorithms. Moreover and with the aim to create independent-zone equalization profiles in the presence of multi-tonal noises, distributed narrowband and broadband ANE algorithms over an ASN with a collaborative learning and composed of acoustic nodes have been presented. Experimental results are presented to validate the use of the distributed algorithms proposed in the work for practical applications. For this purpose, an acoustic simulation software has been specifically designed to analyze the performance of the developed algorithms. Finally, the performance of the proposed distributed algorithms for multichannel SFC applications has been evaluated by means of a real practical implementation. To this end, a real-time prototype that controls both ANC and ANE applications by using collaborative acoustic nodes has been developed. The prototype consists of two personal audio control (PAC) systems composed of a car seat and an acoustic node, which is equipped with two loudspeakers, two microphones and a processor with communications capability. In this way, it is possible to create two independent noise control zones improving the acoustic comfort of the user without the use of headphones.Antoñanzas Manuel, C. (2019). Distributed and Collaborative Processing of Audio Signals: Algorithms, Tools and Applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130209TESISCompendi