Blind MultiChannel Identification and Equalization for Dereverberation and Noise Reduction based on Convolutive Transfer Function

This paper addresses the problems of blind channel identification and multichannel equalization for speech dereverberation and noise reduction. The time-domain cross-relation method is not suitable for blind room impulse response identification, due to the near-common zeros of the long impulse responses. We extend the cross-relation method to the short-time Fourier transform (STFT) domain, in which the time-domain impulse responses are approximately represented by the convolutive transfer functions (CTFs) with much less coefficients. The CTFs suffer from the common zeros caused by the oversampled STFT. We propose to identify CTFs based on the STFT with the oversampled signals and the critical sampled CTFs, which is a good compromise between the frequency aliasing of the signals and the common zeros problem of CTFs. In addition, a normalization of the CTFs is proposed to remove the gain ambiguity across sub-bands. In the STFT domain, the identified CTFs is used for multichannel equalization, in which the sparsity of speech signals is exploited. We propose to perform inverse filtering by minimizing the $\ell_1$-norm of the source signal with the relaxed $\ell_2$-norm fitting error between the micophone signals and the convolution of the estimated source signal and the CTFs used as a constraint. This method is advantageous in that the noise can be reduced by relaxing the $\ell_2$-norm to a tolerance corresponding to the noise power, and the tolerance can be automatically set. The experiments confirm the efficiency of the proposed method even under conditions with high reverberation levels and intense noise.Comment: 13 pages, 5 figures, 5 table

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

Convolutional Deblurring for Natural Imaging

In this paper, we propose a novel design of image deblurring in the form of one-shot convolution filtering that can directly convolve with naturally blurred images for restoration. The problem of optical blurring is a common disadvantage to many imaging applications that suffer from optical imperfections. Despite numerous deconvolution methods that blindly estimate blurring in either inclusive or exclusive forms, they are practically challenging due to high computational cost and low image reconstruction quality. Both conditions of high accuracy and high speed are prerequisites for high-throughput imaging platforms in digital archiving. In such platforms, deblurring is required after image acquisition before being stored, previewed, or processed for high-level interpretation. Therefore, on-the-fly correction of such images is important to avoid possible time delays, mitigate computational expenses, and increase image perception quality. We bridge this gap by synthesizing a deconvolution kernel as a linear combination of Finite Impulse Response (FIR) even-derivative filters that can be directly convolved with blurry input images to boost the frequency fall-off of the Point Spread Function (PSF) associated with the optical blur. We employ a Gaussian low-pass filter to decouple the image denoising problem for image edge deblurring. Furthermore, we propose a blind approach to estimate the PSF statistics for two Gaussian and Laplacian models that are common in many imaging pipelines. Thorough experiments are designed to test and validate the efficiency of the proposed method using 2054 naturally blurred images across six imaging applications and seven state-of-the-art deconvolution methods.Comment: 15 pages, for publication in IEEE Transaction Image Processin

Machine Learning Tools for Radio Map Estimation in Fading-Impaired Channels

In spectrum cartography, also known as radio map estimation, one constructs maps that provide the value of a given channel metric such as as the received power, power spectral density (PSD), electromagnetic absorption, or channel-gain for every spatial location in the geographic area of interest. The main idea is to deploy sensors and measure the target channel metric at a set of locations and interpolate or extrapolate the measurements. Radio maps nd a myriad of applications in wireless communications such as network planning, interference coordination, power control, spectrum management, resource allocation, handoff optimization, dynamic spectrum access, and cognitive radio. More recently, radio maps have been widely recognized as an enabling technology for unmanned aerial vehicle (UAV) communications because they allow autonomous UAVs to account for communication constraints when planning a mission. Additional use cases include radio tomography and source localization.publishedVersio

Joint signal detection and channel estimation in rank-deficient MIMO systems

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient

Advanced Algebraic Concepts for Efficient Multi-Channel Signal Processing

Unsere moderne Gesellschaft ist Zeuge eines fundamentalen Wandels in der Art und Weise wie wir mit Technologie interagieren. Geräte werden zunehmend intelligenter - sie verfügen über mehr und mehr Rechenleistung und häufiger über eigene Kommunikationsschnittstellen. Das beginnt bei einfachen Haushaltsgeräten und reicht über Transportmittel bis zu großen überregionalen Systemen wie etwa dem Stromnetz. Die Erfassung, die Verarbeitung und der Austausch digitaler Informationen gewinnt daher immer mehr an Bedeutung. Die Tatsache, dass ein wachsender Anteil der Geräte heutzutage mobil und deshalb batteriebetrieben ist, begründet den Anspruch, digitale Signalverarbeitungsalgorithmen besonders effizient zu gestalten. Dies kommt auch dem Wunsch nach einer Echtzeitverarbeitung der großen anfallenden Datenmengen zugute. Die vorliegende Arbeit demonstriert Methoden zum Finden effizienter algebraischer Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen mehrkanaliger digitaler Signalverarbeitung. Solche Ansätze liefern nicht immer unbedingt die bestmögliche Lösung, kommen dieser jedoch häufig recht nahe und sind gleichzeitig bedeutend einfacher zu beschreiben und umzusetzen. Die einfache Beschreibungsform ermöglicht eine tiefgehende Analyse ihrer Leistungsfähigkeit, was für den Entwurf eines robusten und zuverlässigen Systems unabdingbar ist. Die Tatsache, dass sie nur gebräuchliche algebraische Hilfsmittel benötigen, erlaubt ihre direkte und zügige Umsetzung und den Test unter realen Bedingungen. Diese Grundidee wird anhand von drei verschiedenen Anwendungsgebieten demonstriert. Zunächst wird ein semi-algebraisches Framework zur Berechnung der kanonisch polyadischen (CP) Zerlegung mehrdimensionaler Signale vorgestellt. Dabei handelt es sich um ein sehr grundlegendes Werkzeug der multilinearen Algebra mit einem breiten Anwendungsspektrum von Mobilkommunikation über Chemie bis zur Bildverarbeitung. Verglichen mit existierenden iterativen Lösungsverfahren bietet das neue Framework die Möglichkeit, den Rechenaufwand und damit die Güte der erzielten Lösung zu steuern. Es ist außerdem weniger anfällig gegen eine schlechte Konditionierung der Ausgangsdaten. Das zweite Gebiet, das in der Arbeit besprochen wird, ist die unterraumbasierte hochauflösende Parameterschätzung für mehrdimensionale Signale, mit Anwendungsgebieten im RADAR, der Modellierung von Wellenausbreitung, oder bildgebenden Verfahren in der Medizin. Es wird gezeigt, dass sich derartige mehrdimensionale Signale mit Tensoren darstellen lassen. Dies erlaubt eine natürlichere Beschreibung und eine bessere Ausnutzung ihrer Struktur als das mit Matrizen möglich ist. Basierend auf dieser Idee entwickeln wir eine tensor-basierte Schätzung des Signalraums, welche genutzt werden kann um beliebige existierende Matrix-basierte Verfahren zu verbessern. Dies wird im Anschluss exemplarisch am Beispiel der ESPRIT-artigen Verfahren gezeigt, für die verbesserte Versionen vorgeschlagen werden, die die mehrdimensionale Struktur der Daten (Tensor-ESPRIT), nichzirkuläre Quellsymbole (NC ESPRIT), sowie beides gleichzeitig (NC Tensor-ESPRIT) ausnutzen. Um die endgültige Schätzgenauigkeit objektiv einschätzen zu können wird dann ein Framework für die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit beliebiger ESPRIT-artiger Algorithmen diskutiert. Verglichen mit existierenden analytischen Ausdrücken ist unser Ansatz allgemeiner, da keine Annahmen über die statistische Verteilung von Nutzsignal und Rauschen benötigt werden und die Anzahl der zur Verfügung stehenden Schnappschüsse beliebig klein sein kann. Dies führt auf vereinfachte Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler, die Schlussfolgerungen über die Effizienz der Verfahren unter verschiedenen Bedingungen zulassen. Das dritte Anwendungsgebiet ist der bidirektionale Datenaustausch mit Hilfe von Relay-Stationen. Insbesondere liegt hier der Fokus auf Zwei-Wege-Relaying mit Hilfe von Amplify-and-Forward-Relays mit mehreren Antennen, da dieser Ansatz ein besonders gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis verspricht. Es wird gezeigt, dass sich die nötige Kanalkenntnis mit einem einfachen algebraischen Tensor-basierten Schätzverfahren gewinnen lässt. Außerdem werden Verfahren zum Finden einer günstigen Relay-Verstärkungs-Strategie diskutiert. Bestehende Ansätze basieren entweder auf komplexen numerischen Optimierungsverfahren oder auf Ad-Hoc-Ansätzen die keine zufriedenstellende Bitfehlerrate oder Summenrate liefern. Deshalb schlagen wir algebraische Ansätze zum Finden der Relayverstärkungsmatrix vor, die von relevanten Systemmetriken inspiriert sind und doch einfach zu berechnen sind. Wir zeigen das algebraische ANOMAX-Verfahren zum Erreichen einer niedrigen Bitfehlerrate und seine Modifikation RR-ANOMAX zum Erreichen einer hohen Summenrate. Für den Spezialfall, in dem die Endgeräte nur eine Antenne verwenden, leiten wir eine semi-algebraische Lösung zum Finden der Summenraten-optimalen Strategie (RAGES) her. Anhand von numerischen Simulationen wird die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren bezüglich Bitfehlerrate und erreichbarer Datenrate bewertet und ihre Effektivität gezeigt.Modern society is undergoing a fundamental change in the way we interact with technology. More and more devices are becoming "smart" by gaining advanced computation capabilities and communication interfaces, from household appliances over transportation systems to large-scale networks like the power grid. Recording, processing, and exchanging digital information is thus becoming increasingly important. As a growing share of devices is nowadays mobile and hence battery-powered, a particular interest in efficient digital signal processing techniques emerges. This thesis contributes to this goal by demonstrating methods for finding efficient algebraic solutions to various applications of multi-channel digital signal processing. These may not always result in the best possible system performance. However, they often come close while being significantly simpler to describe and to implement. The simpler description facilitates a thorough analysis of their performance which is crucial to design robust and reliable systems. The fact that they rely on standard algebraic methods only allows their rapid implementation and test under real-world conditions. We demonstrate this concept in three different application areas. First, we present a semi-algebraic framework to compute the Canonical Polyadic (CP) decompositions of multidimensional signals, a very fundamental tool in multilinear algebra with applications ranging from chemistry over communications to image compression. Compared to state-of-the art iterative solutions, our framework offers a flexible control of the complexity-accuracy trade-off and is less sensitive to badly conditioned data. The second application area is multidimensional subspace-based high-resolution parameter estimation with applications in RADAR, wave propagation modeling, or biomedical imaging. We demonstrate that multidimensional signals can be represented by tensors, providing a convenient description and allowing to exploit the multidimensional structure in a better way than using matrices only. Based on this idea, we introduce the tensor-based subspace estimate which can be applied to enhance existing matrix-based parameter estimation schemes significantly. We demonstrate the enhancements by choosing the family of ESPRIT-type algorithms as an example and introducing enhanced versions that exploit the multidimensional structure (Tensor-ESPRIT), non-circular source amplitudes (NC ESPRIT), and both jointly (NC Tensor-ESPRIT). To objectively judge the resulting estimation accuracy, we derive a framework for the analytical performance assessment of arbitrary ESPRIT-type algorithms by virtue of an asymptotical first order perturbation expansion. Our results are more general than existing analytical results since we do not need any assumptions about the distribution of the desired signal and the noise and we do not require the number of samples to be large. At the end, we obtain simplified expressions for the mean square estimation error that provide insights into efficiency of the methods under various conditions. The third application area is bidirectional relay-assisted communications. Due to its particularly low complexity and its efficient use of the radio resources we choose two-way relaying with a MIMO amplify and forward relay. We demonstrate that the required channel knowledge can be obtained by a simple algebraic tensor-based channel estimation scheme. We also discuss the design of the relay amplification matrix in such a setting. Existing approaches are either based on complicated numerical optimization procedures or on ad-hoc solutions that to not perform well in terms of the bit error rate or the sum-rate. Therefore, we propose algebraic solutions that are inspired by these performance metrics and therefore perform well while being easy to compute. For the MIMO case, we introduce the algebraic norm maximizing (ANOMAX) scheme, which achieves a very low bit error rate, and its extension Rank-Restored ANOMAX (RR-ANOMAX) that achieves a sum-rate close to an upper bound. Moreover, for the special case of single antenna terminals we derive the semi-algebraic RAGES scheme which finds the sum-rate optimal relay amplification matrix based on generalized eigenvectors. Numerical simulations evaluate the resulting system performance in terms of bit error rate and system sum rate which demonstrates the effectiveness of the proposed algebraic solutions