Sparse component separation for accurate CMB map estimation

The Cosmological Microwave Background (CMB) is of premier importance for the cosmologists to study the birth of our universe. Unfortunately, most CMB experiments such as COBE, WMAP or Planck do not provide a direct measure of the cosmological signal; CMB is mixed up with galactic foregrounds and point sources. For the sake of scientific exploitation, measuring the CMB requires extracting several different astrophysical components (CMB, Sunyaev-Zel'dovich clusters, galactic dust) form multi-wavelength observations. Mathematically speaking, the problem of disentangling the CMB map from the galactic foregrounds amounts to a component or source separation problem. In the field of CMB studies, a very large range of source separation methods have been applied which all differ from each other in the way they model the data and the criteria they rely on to separate components. Two main difficulties are i) the instrument's beam varies across frequencies and ii) the emission laws of most astrophysical components vary across pixels. This paper aims at introducing a very accurate modeling of CMB data, based on sparsity, accounting for beams variability across frequencies as well as spatial variations of the components' spectral characteristics. Based on this new sparse modeling of the data, a sparsity-based component separation method coined Local-Generalized Morphological Component Analysis (L-GMCA) is described. Extensive numerical experiments have been carried out with simulated Planck data. These experiments show the high efficiency of the proposed component separation methods to estimate a clean CMB map with a very low foreground contamination, which makes L-GMCA of prime interest for CMB studies.Comment: submitted to A&

Scaling Multidimensional Inference for Big Structured Data

In information technology, big data is a collection of data sets so large and complex that it becomes difficult to process using traditional data processing applications [151]. In a world of increasing sensor modalities, cheaper storage, and more data oriented questions, we are quickly passing the limits of tractable computations using traditional statistical analysis methods. Methods which often show great results on simple data have difficulties processing complicated multidimensional data. Accuracy alone can no longer justify unwarranted memory use and computational complexity. Improving the scaling properties of these methods for multidimensional data is the only way to make these methods relevant. In this work we explore methods for improving the scaling properties of parametric and nonparametric models. Namely, we focus on the structure of the data to lower the complexity of a specific family of problems. The two types of structures considered in this work are distributive optimization with separable constraints (Chapters 2-3), and scaling Gaussian processes for multidimensional lattice input (Chapters 4-5). By improving the scaling of these methods, we can expand their use to a wide range of applications which were previously intractable open the door to new research questions

Data-driven multivariate and multiscale methods for brain computer interface

This thesis focuses on the development of data-driven multivariate and multiscale methods for brain computer interface (BCI) systems. The electroencephalogram (EEG), the most convenient means to measure neurophysiological activity due to its noninvasive nature, is mainly considered. The nonlinearity and nonstationarity inherent in EEG and its multichannel recording nature require a new set of data-driven multivariate techniques to estimate more accurately features for enhanced BCI operation. Also, a long term goal is to enable an alternative EEG recording strategy for achieving long-term and portable monitoring. Empirical mode decomposition (EMD) and local mean decomposition (LMD), fully data-driven adaptive tools, are considered to decompose the nonlinear and nonstationary EEG signal into a set of components which are highly localised in time and frequency. It is shown that the complex and multivariate extensions of EMD, which can exploit common oscillatory modes within multivariate (multichannel) data, can be used to accurately estimate and compare the amplitude and phase information among multiple sources, a key for the feature extraction of BCI system. A complex extension of local mean decomposition is also introduced and its operation is illustrated on two channel neuronal spike streams. Common spatial pattern (CSP), a standard feature extraction technique for BCI application, is also extended to complex domain using the augmented complex statistics. Depending on the circularity/noncircularity of a complex signal, one of the complex CSP algorithms can be chosen to produce the best classification performance between two different EEG classes. Using these complex and multivariate algorithms, two cognitive brain studies are investigated for more natural and intuitive design of advanced BCI systems. Firstly, a Yarbus-style auditory selective attention experiment is introduced to measure the user attention to a sound source among a mixture of sound stimuli, which is aimed at improving the usefulness of hearing instruments such as hearing aid. Secondly, emotion experiments elicited by taste and taste recall are examined to determine the pleasure and displeasure of a food for the implementation of affective computing. The separation between two emotional responses is examined using real and complex-valued common spatial pattern methods. Finally, we introduce a novel approach to brain monitoring based on EEG recordings from within the ear canal, embedded on a custom made hearing aid earplug. The new platform promises the possibility of both short- and long-term continuous use for standard brain monitoring and interfacing applications

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

Coded modulation techniques with bit interleaving and iterative processing for impulsive noise channels

Power line communications (PLC) surfers performance degradation due mainly to impulsive noise interference generated by electrical appliances. This thesis studies coded modulation techniques to improve the spectral efficiency and error performance of PLC. Considered in the first part is the application of bit-interleaved coded modulation with iterative decoding (BICM-ID) in class-A impulsive noise environment. In particular, the optimal soft-output demodulator and its suboptimal version are presented for an additive class-A noise (AWAN) channel so that iterative demodulation and decoding can be performed at the receiver. The effect of signal mapping on the error performance of BICM-ID systems in impulsive noise is then investigated, with both computer simulations and a tight error bound on the asymptotic performance. Extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis is performed to illustrate the convergence properties of different mappings. The superior performance of BICMID compared to orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) is also clearly demonstrated.Motivated by the successes of both BICM-ID and OFDM in improving the error performance of communications systems in impulsive noise environment, the second part of this thesis introduces a novel scheme of bit-interleaved coded OFDM with iterative decoding (BI-COFDM-ID) over the class-A impulsive noise channel. Here, an iterative receiver composed of outer and inner iteration loops is first described in detail. Error performance improvements of the proposed iterative receiver with different iteration strategies are presented and discussed. Performance comparisons of BI-COFDM-ID, BICM-ID and iteratively decoded OFDM are made to illustrate the superiority of BI-COFDM-ID. The effect of signal mapping on the error performance of BI-COFDM-ID is also studied