Maximum likelihood DOA estimation in unknown colored noise fields

Direction-of-arrival (DOA) estimation in unknown noise environments is an important but challenging problem. Several methods based on maximum likelihood (ML) criteria and parameterization of signals or noise covariances have been established. Generally, to obtain the exact ML (EML) solutions, the DOAs must be jointly estimated along with other noise or signal parameters by optimizing a complicated nonlinear function over a high-dimensional problem space. Although the computation complexity can be reduced via derivation of suboptimal approximate ML (AML) functions using large sample assumption or least square criteria, nevertheless the AML estimators still require multi-dimensional search and the accuracy is lost to some extent. A particle swarm optimization (PSO) based solution is proposed here to compute the EML functions and explore the potential superior performances. A key characteristic of PSO is that the algorithm itself is highly robust yet remarkably simple to implement, while processing similar capabilities as other evolutionary algorithms such as the genetic algorithm (GA). Simulation results confirm the advantage of paring PSO with EML, and the PSO-EML estimator is shown to significantly outperform AML-based techniques in various scenarios at less computational costs

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

Multiple source localization using spherical microphone arrays

Direction-of-Arrival (DOA) estimation is a fundamental task in acoustic signal processing and is used in source separation, localization, tracking, environment mapping, speech enhancement and dereverberation. In applications such as hearing aids, robot audition, teleconferencing and meeting diarization, the presence of multiple simultaneously active sources often occurs. Therefore DOA estimation which is robust to Multi-Source (MS) scenarios is of particular importance. In the past decade, interest in Spherical Microphone Arrays (SMAs) has been rapidly grown due to its ability to analyse the sound field with equal resolution in all directions. Such symmetry makes SMAs suitable for applications in robot audition where potential variety of heights and positions of the talkers are expected. Acoustic signal processing for SMAs is often formulated in the Spherical Harmonic Domain (SHD) which describes the sound field in a form that is independent of the geometry of the SMA. DOA estimation methods for the real-world scenarios address one or more performance degrading factors such as noise, reverberation, multi-source activity or tackled problems such as source counting or reducing computational complexity. This thesis addresses various problems in MS DOA estimation for speech sources each of which focuses on one or more performance degrading factor(s). Firstly a narrowband DOA estimator is proposed utilizing high order spatial information in two computationally efficient ways. Secondly, an autonomous source counting technique is proposed which uses density-based clustering in an evolutionary framework. Thirdly, a confidence metric for validity of Single Source (SS) assumption in a Time-Frequency (TF) bin is proposed. It is based on MS assumption in a short time interval where the number and the TF bin of active sources are adaptively estimated. Finally two analytical narrowband MS DOA estimators are proposed based on MS assumption in a TF bin. The proposed methods are evaluated using simulations and real recordings. Each proposed technique outperforms comparative baseline methods and performs at least as accurately as the state-of-the-art.Open Acces

Intelligent joint channel parameter estimation techniques for mobile wireless positioning applications

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.Mobile wireless positioning has recently received great attention. For mobile wireless communication networks, an inherently suitable approach is to obtain the parameters that are used for positioning estimates from the radio signal measurements between a mobile device and one or more xed base stations. However, obtaining accurate estimates of these location-dependent channel parameters is a challenging task. The focus of this thesis is on the estimation of these channel parameters for mobile wireless positioning applications. In particular, we investigate novel estimators that jointly estimate more than one type of channel parameters. We rst perform a comprehensive critical review on the most recent and popular joint channel parameter estimation techniques. Secondly, we improve a state-of-the-art technique, namely the Space Alternating Generalised Expectation maximisation (SAGE) algorithm by employing adaptive interference cancellation to improve the estimation accuracy of weaker paths. Thirdly, a novel intelligent channel parameter estimation technique using Evolution Strategy (ES) is proposed to overcome the drawbacks of the existing iterative maximum likelihood methods. Furthermore, given that in reality it is di cult to obtain the number of multipath in advance, we propose a two tier Hierarchically Organised ES to jointly estimate the number of multipath as well as the channel parameters. Finally, we extend the proposed ES method to further estimate the Doppler shift in mobile environments. Our proposed intelligent joint channel estimation techniques are shown to exhibit excellent performance even with low Signal to Noise Ratio (SNR) channel conditions as well as robust against uncertainties in initialisations.EPSRC and Cambridge Silicon Radi

Artifact Removal Methods in EEG Recordings: A Review

To obtain the correct analysis of electroencephalogram (EEG) signals, non-physiological and physiological artifacts should be removed from EEG signals. This study aims to give an overview on the existing methodology for removing physiological artifacts, e.g., ocular, cardiac, and muscle artifacts. The datasets, simulation platforms, and performance measures of artifact removal methods in previous related research are summarized. The advantages and disadvantages of each technique are discussed, including regression method, filtering method, blind source separation (BSS), wavelet transform (WT), empirical mode decomposition (EMD), singular spectrum analysis (SSA), and independent vector analysis (IVA). Also, the applications of hybrid approaches are presented, including discrete wavelet transform - adaptive filtering method (DWT-AFM), DWT-BSS, EMD-BSS, singular spectrum analysis - adaptive noise canceler (SSA-ANC), SSA-BSS, and EMD-IVA. Finally, a comparative analysis for these existing methods is provided based on their performance and merits. The result shows that hybrid methods can remove the artifacts more effectively than individual methods

From Sensing to Predictions and Database Technique: A Review of TV White Space Information Acquisition in Cognitive Radio Networks

Strategies to acquire white space information is the single most significant functionality in cognitive radio networks (CRNs) and as such, it has gone some evolution to enhance information accuracy. The evolution trends are spectrum sensing, prediction algorithm and recently, geo-location database technique. Previously, spectrum sensing was the main technique for detecting the presence/absence of a primary user (PU) signal in a given radio frequency (RF) spectrum. However, this expectation could not materialized as a result of numerous technical challenges ranging from hardware imperfections to RF signal impairments. To convey the evolutionary trends in the development of white space information, we present a survey of the contemporary advancements in PU detection with emphasis on the practical deployment of CRNs i.e. Television white space (TVWS) networks. It is found that geo-location database is the most reliable technique to acquire TVWS information although, it is financially driven. Finally, using financially driven database model, this study compared the data-rate and spectral efficiency of FCC and Ofcom TV channelization. It was discovered that Ofcom TV channelization outperforms FCC TV channelization as a result of having higher spectrum bandwidth. We proposed the adoption of an all-inclusive TVWS information acquisition model as the future research direction for TVWS information acquisition techniques

The 1st International Conference on Computational Engineering and Intelligent Systems

Computational engineering, artificial intelligence and smart systems constitute a hot multidisciplinary topic contrasting computer science, engineering and applied mathematics that created a variety of fascinating intelligent systems. Computational engineering encloses fundamental engineering and science blended with the advanced knowledge of mathematics, algorithms and computer languages. It is concerned with the modeling and simulation of complex systems and data processing methods. Computing and artificial intelligence lead to smart systems that are advanced machines designed to fulfill certain specifications. This proceedings book is a collection of papers presented at the first International Conference on Computational Engineering and Intelligent Systems (ICCEIS2021), held online in the period December 10-12, 2021. The collection offers a wide scope of engineering topics, including smart grids, intelligent control, artificial intelligence, optimization, microelectronics and telecommunication systems. The contributions included in this book are of high quality, present details concerning the topics in a succinct way, and can be used as excellent reference and support for readers regarding the field of computational engineering, artificial intelligence and smart system