Contribuţii la teoria şi implementarea metodelor de reducere adaptivă a zgomotului de fond în sistemele multi-canal de comunicaţii de voce

Adaptive noise cancellation methods for multi-channel voice communication systems

PN-II-PCE-Idei  331/01.10.2007

COD ID-777

Buget: 653832 lei

Data ultimei actualizări: 1 Octombrie 2010

Echipa de cercetare (Research team):

Director proiect (project manager): Conf.dr.ing. Constantin Paleologu

Cercetători cu experienţă (Ph.D): dr.ing. Felix Albu

Conf.dr.ing. Calin Vladeanu

Tineri cercetatori (young researchers) S.l.dr.ing. Radu Mihnea Udrea

S.l.dr.ing. Cristian Anghel

S.l.dr.ing. Andrei Alexandru Enescu

Doctoranzi (Ph.D students): As.ing. Ionut Pirnog

Descriere proiect (Project presentation).

Rezumatul proiectului (Project summary):

Prezenta zgomotului de fond reprezinta unul din factorii ce influenteaza negativ calitatea comunicatiilor de voce. Problema este amplificata in cazul sistemelor multi-canal, unde zgomotul de fond dintr-o locatie se combina aditiv cu zgomotul prezent in celelalte locatii, astfel incat nivelul final perceput creste in consecinta. In acest context, metodele de reducere adaptiva a zgomotului se regasesc cu prioritate. Proiectul de cercetare propus abordeaza acest domeniu, urmarind cresterea performantelor a doua sub-sisteme importante din cadrul acestui tip de aplicatii: filtrul adaptiv si sistemul de microfoane. In prezent, algoritmii adaptivi cei mai utilizati in acest context sunt cei bazati pe proiectiile afine rapide (FAP). Problemele ce apar in cazul utilizarii unor astfel de algoritmi sunt legate in special de stabilitatea numerica si complexitatea aritmetica. In scopul cresterii performantelor acestor algoritmi, ne propunem sa elaboram o serie de noi variante bazate pe factorizarea QRD si metodele DCD (cu scopul imbunatatirea stabilitatii numerice si reducerii complexitatii artimetice), dar si variante de adaptare cu pas variabil (ce urmaresc cresterea vitezei de convergenta si a capacitatii de urmarire). In ceea ce priveste aria de microfoane, ne propunem o abordare pe baza similitudinilor cu sistemele de comunicatii MIMO, astfel incat algoritmi si metode din cadrul acestor sisteme sa poata fi extinse si aplicate in sistemele de microfoane cu lobi programabili. Vizam elaborarea unor noi algoritmi de estimare a canalului acustic si combinarea acestora cu tehnicile de reducere adaptiva a zgomotului. Solutiile propuse vor fi implementate si testate pe procesoare de semnal in virgula fixa si pe platforme FPGA. In final, ne propunem sa proiectam si sa implementam un sistem multi-canal de reducere adaptiva a zgomotului de fond si sa il validam in cadrul unei aplicatii de tip teleconferinta, in vederea integrarii sale ulterioare in circuitul tehnologic si comercial.

Planul de realizare al proiectului.

Planul de lucru. Obiective si activitati. (Work plan. Objectives and activities.)

Legenda: Obiectivele şi activităţile îndeplinite până în acest moment sunt marcate.

An	Obiective		Activitati asociate
2007	1	Dezvoltarea cadrului conceptual-teoretic in domeniul algoritmilor adaptivi utilizati in contextul sistemelor ANC multi-canal.	1.1. Organizarea si asimilarea materialului bibliografic existent.
			1.2. Analiza teoretica a algoritmilor de tip FAP si PAP, precum si variantelor acestora bazate pe metoda Gauss-Seidel.
			1.3. Analiza de performante pe baza simularilor in Matlab.
	1m	Organizarea acţiunilor de informare/documentare (obiectiv managerial)	1m.1. Participare la sesiuni de comunicări naţionale şi internaţionale din domeniu.
			1m.2. Achiziţionarea de materiale informative - cărţi, abonamente la reviste de specialitate, standarde.
			1m.3. Organizarea unui cadru de informare comun prin întâlniri periodice şi prin crearea unei baze de date (server de fişiere).
2008	1	Dezvoltarea de suport software pentru implementarea algoritmilor adaptivi bazati pe proiectii afine in aplicatii de tip ANC multi-canal.	1.1. Studiul teoretic al efectelor preciziei finite in cazul algoritmilor adaptivi bazati pe proiectii afine (FAP/PAP).
			1.2. Analiza in Matlab cu functii specifice ce emuleaza comportarea in precizie finita.
			1.3. Testarea pe simulatorul in virgula fixa StarCore Motorola a algoritmilor analizati.
			1.4. Implementarea in VHDL a algoritmilor analizati si analiza comparativa a rezultatelor.
	2	Integrarea unor proceduri de tip QRD-LS in cadrul algoritmilor adaptivi de tip FAP/PAP.	2.1. Elaborarea unor variante de algoritmi FAP/PAP bazate pe proceduri de tip QRD-LS/SRF-QRD-LSL.
			2.2. Adaptarea algoritmilor rezultati pentru implementarea in structura de arii sistolice.
			2.3. Studiul teoretic al efectelor preciziei finite in cazul algoritmilor rezultati.
			2.4. Analiza in Matlab cu functii specifice ce emuleaza comportarea in precizie finita, prin comparatie cu algoritmii FAP/PAP bazati pe proceduri RLS.
			2.5. Analiza in sistemele logaritmice de implementare (LNS).
	3	Dezvoltarea unor solutii de reducere a complexitatii algoritmilor adaptivi de tip FAP/PAP.	3.1. Elaborarea unor algoritmi de tip FAP/PAP bazati pe metodele DCD.
			3.2. Studiul teoretic al efectelor preciziei finite in cazul algoritmilor rezultati.
			3.3. Analiza in Matlab cu functii specifice ce emuleaza comportarea in precizie finita, prin comparatie cu algoritmii FAP/PAP bazati pe metoda Gauss-Seidel.
	4	Dezvoltarea unor solutii de crestere a vitezei de convergenta si capacitatii de urmarire a algoritmilor adaptivi de tip FAP/PAP.	4.1. Elaborarea unor algoritmi de tip FAP/PAP cu pas variabil de adaptare (VSS).
			4.2. Studiul teoretic al efectelor preciziei finite in cazul algoritmilor rezultati.
			4.3. Analiza in Matlab cu functii specifice ce emuleaza comportarea in precizie finita, prin comparatie cu algoritmii FAP/PAP cu pas de adaptare constant.
	1m	Organizarea echipelor de lucru si urmarirea realizarii activitatilor stiintifice (obiectiv managerial).	1m.1. Stabilirea si organizarea echipelor de lucru.
			1m.2. Urmarirea realizarii activitatilor stiintifice prin autoevaluare interna
	2m	Organizarea acţiunilor de informare/diseminare (obiectiv managerial).	2m.1. Achiziţionarea de materiale informative - cărţi, abonamente la reviste de specialitate, standarde.
			2m.2. Organizarea participării la conferinţe. Stabilirea/menţinerea de contacte cu parteneri din tara si din străinătate.
			2m.3. Stabilirea de oportunităţi de participare la contracte europene.
2009	1	Dezvoltarea unor variante ale algoritmilor adaptivi propusi, adecvate aplicatiilor de tip ANC multi-canal.	1.1. Elaborarea unor variante multi-canal ale algoritmilor propusi (FAP/PAP-QRD, FAP/PAP-DCD, FAP/PAP-VSS) si adaptarea acestora la structura de filtrare-x.
			1.2. Studiul teoretic al efectelor preciziei finite in cazul algoritmilor rezultati si evaluarea complexitatii lor aritmetice.
			1.3. Analiza in Matlab a algoritmilor rezultati in contextul unei aplicatii ANC multi-canal, cu functii specifice ce emuleaza comportarea in precizie finita.
	2	Dezvoltarea de suport software pentru implementarea algoritmilor adaptivi propusi in aplicatii de tip ANC multi-canal.	2.1. Testarea pe simulatorul in virgula fixa StarCore Motorola a algoritmilor propusi.
			2.2. Implementarea in VHDL a algoritmilor propusi si analiza comparativa a rezultatelor.
			2.3. Implementarea pe procesorul de semnal in virgula fixa StarCore Motorola a algoritmilor propusi si evaluarea performantelor.
			2.4. Implementarea pe platforma FPGA Virtex a algoritmilor propusi si evaluarea performantelor.
	3	Dezvoltarea cadrului conceptual-teoretic in domeniul sistemelor de microfoane cu lobi programabili.	3.1. Organizarea si asimilarea materialului bibliografic existent.
			3.2. Analiza teoretica a algoritmilor de intarziere-si-adunare si filtrare-si-adunare.
			3.3. Analiza de performante pe baza simularilor in Matlab.
	4	Dezvoltarea cadrului conceptual-teoretic in abordarea sistemelor de microfoane cu lobi programabili, din perspectiva sistemelor de comunicatii MIMO	4.1. Elaborarea unor relatii de legatura cu teorema de inversare MINT si filtrarea LCMV.
			4.2. Elaborarea unor algoritmi de estimare a canalului (acustic).
			4.3. Analiza in Matlab cu functii specifice ce emuleaza comportarea in precizie finita.
	1m	Organizarea echipelor de lucru si urmarirea realizarii activitatilor stiintifice (obiectiv managerial).	1m.1. Stabilirea si organizarea echipelor de lucru.
			1m.2. Urmarirea realizarii activitatilor stiintifice prin autoevaluare interna
	2m	Organizarea acţiunilor de informare/diseminare (obiectiv managerial).	2m.1. Achiziţionarea de materiale informative - cărţi, abonamente la reviste de specialitate, standarde.
			2m.2. Organizarea participării la conferinţe. Stabilirea/menţinerea de contacte cu parteneri din tara si din străinătate.
			2m.3. Stabilirea de oportunităţi de participare la contracte europene.
2010	1	Dezvoltarea de suport software pentru implementarea si testarea algoritmilor de estimare propusi.	1.1. Testarea pe simulatorul in virgula fixa StarCore Motorola a algoritmilor de estimare propusi.
			1.2. Implementarea in VHDL a algoritmilor de estimare propusi si analiza comparativa a rezultatelor.
			1.3. Implementarea pe procesorul de semnal in virgula fixa StarCore Motorola a algoritmilor de estimare propusi si evaluarea performantelor.
			1.4. Implementarea pe platforma FPGA Virtex a algoritmilor de estimare propusi si evaluarea performantelor.
	2	Proiectarea unui sistem ANC multi-canal cu performante superioare	2.1. Incadrarea algoritmilor de estimare propusi, in contextul sistemelor ANC multi-canal ce utilizeaza algoritmii adaptivi de tip FAP/PAP dezvoltati.
			2.2. Proiectarea ariei de microfoane.
			2.3. Proiectarea unor blocuri componente din cadrul sistemului ANC multi-canal (compensator de ecou acustic, surpresor de ecou rezidual, detector de activitate vocala).
	3	Testarea sistemului ANC multi-canal proiectat si validarea sa intr-o aplicatie de tip teleconferinta.	3.1. Testarea pe simulatorul in virgula fixa StarCore Motorola, precum si implementarea in VHDL, a sistemului ANC multi-canal proiectat in concordanta cu cerintele standardelor din domeniu.
			3.2. Implementarea pe procesorul de semnal in virgula fixa StarCore Motorola si pe platforma FPGA Virtex a sistemului ANC multi-canal proiectat si evaluarea comparativa a performantelor.
			3.3. Punerea in functiune a unei platforme experimentale pentru sistemul ANC multi-canal proiectat (utilizand StarCore Motorola sau FPGA Virtex) si evaluarea sa pe baza testelor calitative specifice, intr-o aplicatie de tip teleconferinta.
	1m	Asigurarea resurselor necesare pentru realizarea platformei experimentale si urmarirea realizarii activitatilor stiintifice (obiectiv managerial)	1m.1. Evaluarea resurselor materiale si umane necesare pentru realizarea platformei experimentale. Achizitia echipamentelor.
			1m.2. Identificarea potenţialilor beneficiari.
			1m.3. Urmarirea realizarii activitatilor stiintifice prin autoevaluare interna
	2m	Organizarea instalarii platformei experimentale si urmarirea realizarii activitatilor stiintifice (obiectiv managerial)	2m.1. Stabilirea amplasamentelor echipamentelor
			2m.2. Urmarirea realizarii activitatilor stiintifice prin autoevaluare interna
	3m	Organizarea actiunilor de demonstrare, testare si diseminare a rezultatelor (obiectiv managerial).	3m.1. Elaborarea planului de testare/experimentare.
			3m.2. Organizarea actiunilor de diseminare, antrenare, demonstrare. Identificarea de potentiali beneficiari.
			3m.3. Stabilirea de oportunitati de participare la contracte europene.

Rezultate obtinute

• Raport activitate 2007.
• Raport activitate 2008.
• Raport activitate 2009.
• Sinteza 2007.
• Sinteza 2008.
• Sinteza 2009.
• Sinteza 2007-2010

Rezultate diseminate (Dissemination results)

Articole reviste ISI (ISI Journal papers):

1. F. Albu, C. Paleologu, Y. Zakharov, “The Recursive Affine Projection Algorithm for Active Noise Control”, Revue Roumaine des Sciences Techniques – Serie Electrotechnique et Energetique, în curs de apariţie. abstract
2. C. Paleologu, S. Ciochină, J. Benesty, “An Efficient Proportionate Affine Projection Algorithm for Echo Cancellation”, IEEE Signal Processing Letters, vol. 17, no. 2, pp. 165-168, Feb. 2010. abstract

(http://www.ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=5314170)

3. C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochină, “A Family of Variable Step-Size NLMS Algorithms for Echo Cancellation”, Revue Roumaine des Sciences Techniques – Serie Electrotechnique et Energetique, vol. 55, no. 1, pp. 49-58, 2010. abstract (http://revue.elth.pub.ro/)
4. C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochină, “A Variable Step-Size Affine Projection Algorithm Designed for Acoustic Echo Cancellation”, IEEE Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol. 16, no. 8, pp. 1466-1478, Nov. 2008. abstract (http://www.ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=4648209)
5. C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochina, "A Robust Variable Forgetting Factor Recursive Least-Squares Algorithm for System Identification", IEEE Signal Processing Letters, vol. 15, pp. 597-600, 2008. abstract (http://www.ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?reload=true&isnumber=4418381)
6. C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochina, "A Variable Step-Size Proportionate NLMS Algorithm for Echo Cancellation", Revue Roumaine des Sciences Techniques - Serie Electrotechnique et Energetique, vol. 53, no. 3, pp. 309-317, 2008. abstract (http://revue.elth.pub.ro/)
7. C. Paleologu, S. Ciochina, J. Benesty, "Variable Step-Size NLMS Algorithm for Under-Modeling Acoustic Echo Cancellation", IEEE Signal Processing Letters, vol. 15, pp. 5-8, 2008. abstract (http://www.ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?reload=true&isnumber=4418381)

Articole reviste BDI (IDB journal papers):

1. C. Paleologu, S. Ciochină, A. A. Enescu, “A Family of Recursive Least-Squares Adaptive Algorithms Suitable for Fixed-Point Implementation”, International Journal On Advances in Telecommunications, vol. 2, no. 2&3, pp. 88-97, 2009. (http://www.iariajournals.org/telecommunications/tocv2n23.html)
2. C. Paleologu, F. Albu, A. A. Enescu, S. Ciochină, “Modified SRF-QRD-LSL Adaptive Algorithm with Improved Numerical Robustness”, International Journal On Advances in Systems and Measurements, vol. 2, no. 1, pp. 56-65, 2009. (http://www.iariajournals.org/systems_and_measurements/tocv2n1.html)
3. C. Paleologu, C. Vladeanu, S. El Assad, “Fast Convergence Least-Mean-Square Algorithms for MMSE Receivers in DS-CDMA Systems”, International Journal on Advances in Networks and Services, vol. 1, no. 1, pp. 30-39, 2008. (http://www.iariajournals.org/networks_and_services/tocv1n1.html )

Articole conferinte (Conference papers):

1. F. Albu, C. Paleologu, J. Benesty, “Efficient Implementation of a Variable Projection Order Affine Projection Algorithm”, International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), pp. 369-373, York, U.K., Sept. 2010.
2. F. Albu, C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochină, “A Low Complexity Proportionate Affine Projection Algorithm for Echo Cancellation”, Proc. European Signal Processing Conference (EUSIPCO), pp. 6-10, Aalborg, Danemarca, Aug. 2010.
3. F. Albu, C. Paleologu, “New Filtered-X Recursive Least Square Algorithm for Active Noise Control”, Proc. Internoise, pp. 1-10, Lisabona, Portugalia, Iunie 2010.
4. A. A. Enescu, S. Ciochină, C. Paleologu, “Reduced Complexity Decoder for Orthogonal Space-Time Codes When Using QAM Constellations and Multiple Receive Antennas”, Proc. IEEE International Conference on Digital Telecommunications (ICDT), pp. 143-148, Atena, Grecia, Iunie 2010.
5. C. Oprea, C. Paleologu, I. Pirnog, R. M. Udrea, “Saliency detection based on human perception of visual information”, Proc. IEEE Advanced International Conference on Telecommunications (AICT), pp. 96-99, Barcelona, Spania, Mai 2010. (Best Paper Award)
6. C. Anghel, A. A. Enescu, C. Paleologu, S. Ciochină, “CTC Turbo Decoding Architecture for H-ARQ Capable WiMAX Systems Implemented on FPGA”, Proc. IEEE International Conference on Networks (ICN), pp. 65-70, Menuires, Franţa, Aprilie 2010.

7. C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochină, “An Improved Proportionate NLMS Algorithm Based on the l₀ Norm”, Proc. IEEE Int. Conf. Acoustics, Speech, Signal Processing (ICASSP), pp. 309-312, Dallas, U.S.A., 2010.

8. C. Paleologu, J. Benesty, S. L. Grant, Chris Osterwise, “Variable Step-Size NLMS Algorithms Designed for Echo Cancellation”, Proc. IEEE Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, pp. 633-637, Pacific Grove, CA, S.U.A., 2009..
9. F. Albu, C. Paleologu, J. Benesty, “Gauss-Seidel based Variable Step-Size Affine Projection Algorithms for Acoustic Echo Cancellation”, Proc. European Signal Processing Conference (EUSIPCO), pp. 2007-2011, Glasgow, Scoţia, August 2009.
10. S. Ciochină, C. Paleologu, J. Benesty, A. A. Enescu, “On the Influence of the Forgetting Factor of the RLS Adaptive Filter in System Identification”, Proc. IEEE International Symposium on Signals, Circuits and Systems (ISSCS), pp. 205-208, Iaşi, România, Iulie 2009.
11. C. Anghel, C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochină, “FPGA Implementation of an Acoustic Echo Canceller Using a VSS-NLMS Algorithm”, Proc. IEEE International Symposium on Signals, Circuits and Systems (ISSCS), pp. 369-372, Iaşi, România, Iulie 2009.
12. C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochină, C. Vlădeanu, “Practical Variable Step-Size Adaptive Algorithms for Echo Cancellation”, Proc. Int. Conference on Speech Technology and Human-Computer Dialogue (SpeD), pp. 181-188, Constanţa, Romania, Mai 2009.
13. C. Paleologu, A. A. Enescu, S. Ciochină, F. Albu, “QRD-LSL Adaptive Algorithms Suitable for Fixed-Point Implementation”, Proc. IEEE Advanced International Conference on Telecommunications (AICT), pp. 163-167, Veneţia, Italia, Mai 2009. (Best Paper Award)
14. F. Albu, C. Paleologu, J. Benesty, Y. V. Zakharov, “Variable Step Size Dichotomous Coordinate Descent Affine Projection Algorithm”, Proc. IEEE EUROCON, pp. 1366-1371, St. Petersburg, Rusia, Mai 2009.
15. F. Albu, Y. V. Zakharov, C. Paleologu, “Modified Filtered-X Dichotomous Coordinate Descent Recursive Affine Projection Algorithm”, Proc. IEEE Int. Conf. Acoustics, Speech, Signal Processing (ICASSP), pp. 257-260, Taipei, Taiwan, Aprilie 2009.
16. F. Albu, C. Paleologu, “The Variable Step-Size Gauss-Seidel Pseudo Affine Projection Algorithm”, pp. 642-645, Proc. ICCSE, Dubai, E.A.U, Ianuarie 2009.
17. C. Paleologu, S. Ciochină, “A Class of Variable Step-Size NLMS and Affine Projection Algorithms Suitable for Echo Cancellation”, Proc. ISETC 2008, Scientific Bulletin of University Politehnica of Timisoara, Transactions on Electronics and Communications, vol. 53 (67), fasc. 2, pp. 118-123, 2008.
18. F. Albu, C. Paleologu, “A Recursive Least Square Algorithm for Active Noise Control based on the Gauss-Seidel Method”, Proc. IEEE Int. Conf. on Electronics, Circuits, and Systems (ICECS), pp. 830-833, Malta, 2008.
19. C. Paleologu, J. Benesty, S. Ciochină, “Robust Variable Step-Size Affine Projection Algorithm Suitable for Acoustic Echo Cancellation”, Proc. European Signal Processing Conference (EUSIPCO), pp. 173-177, Lausanne, Elveţia, Aug. 2008.
20. I. Pirnog, C. Oprea, C. Paleologu, D.N. Vizireanu, “Improved Minkowsky Metric for Image Region Partition”, Proc. IEEE Int. Conf. on Computing in the Global Information Technology (ICCGI), pp. 80-84, Atena, Grecia, 2008.
21. C. Paleologu, S. Ciochină, A. A. Enescu, C. Vlădeanu, “Gradient Adaptive Lattice Algorithm Suitable for Fixed-Point Implementation“, Proc. IEEE International Conference on Digital Telecommunications (ICDT), pp. 41-46, Bucureşti, România, 2008.
22. F. Albu, C. Paleologu, “New multichannel modified filtered-x algorithms for active noise control using the dichotomous coordinate descent method”, Proc. Acoustics, pp. 5721-5725, Paris, Franţa, 2008.
23. C. Paleologu, F. Albu, A. A. Enescu, S. Ciochină, “Square-Root-Free QRD-LSL Adaptive Algorithm with Improved numerical Robustness”, Proc. IEEE Int. Conf. on Networking (ICN), pp. 572-577, Cancun, Mexic, Apr. 2008. (Best Paper Award)
24. I. Pirnog, R. M. Udrea, C. Paleologu, “Efficient Method for Content Extraction Applied in Multimedia Communication”, Proc. IEEE Int. Conf. on Networking (ICN), pp. 202-206, Cancun, Mexic, Apr. 2008.
25. C. Paleologu, S. Ciochină, J. Benesty, “Double-talk robust VSS-NLMS algorithm for under-modeling acoustic echo cancellation”, Proc. IEEE Int. Conf. Acoustics, Speech, Signal Processing (ICASSP), pp. 245-248, Las Vegas, U.S.A., Apr. 2008.