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基于LMD构建虚拟接收阵列的欠定语音盲提取

更新时间:2009-03-28

早在1985年,盲源分离算法(Blind Source Separation)就得到大量研究并取得了丰富的成果,使它成为一种在信道条件缺失情况下进行信号提取的有效手段。盲源分离在实际应用中最典型的例子就是“鸡尾酒会”问题。在喧闹的鸡尾酒会场有很多的声音来源,如人们的谈论声、乐器的演奏声,窗外可能还有汽笛声。然而,即使会场如此嘈杂,人们仍然可以全神贯注地和朋友交谈[1-3],这就是“鸡尾酒会”问题。作为其数学模型,按照观测信号与源信号之间的数量关系,可以将其分为超定混合模型、正定混合模型和欠定混合模型。其中,尤以欠定混合模型最为接近实际应用情况。然而在欠定混合盲提取问题中,由于接收天线的数量比发送天线的数量少,使得观测信号的维度低于源信号的维度,直接提取源信号的可行性变得极低。解决此问题的一类方法是补充接收端缺失的天线阵元,也就是要构建一个虚拟接收阵列。大多数学者提出使用基于变换域的方法来实现阵元补充。然而,变换域方法受到信号平稳性的制约,基于傅里叶变换的方法对于非平稳信号均失效。时频分析是解决这个问题的有效手段,小波变换、经验模态分解[4-5]被广泛应用于此。二者相比,小波变换精度较高,但受到小波基函数、小波分解级数等制约,而经验模态分解中的本征模态函数尚缺乏确凿的物理意义,而被广大学者质疑。本文采用局部均值分解(LMD)方法对观测信号进行分解,进而构建虚拟阵元对信号混合模型进行重构和转化,最终实现非平稳信号在欠定混合模型下的盲提取。本文选取混沌信号作信号遮掩保密传输,借助LMD分解进行欠定模型的转换并最终实现盲提取的目标。仿真实验验证了算法的不同混沌背景下的普适性和有效性,从多方面指标进行综合评价,定量、定性地分析了算法的性能。

1 欠定混合数学模型

由于混沌信号的宽频谱、类噪声及不可预测性,考虑采用混沌信号对语音信号进行遮掩传输,当接收天线数目小于发送天线数目时将构成相应的欠定系统模型[4],见图1。

  

图1 欠定盲提取数学模型Fig.1 Mathematical model of undetermined blind extraction

其中,S为源信号向量,由多路语音信号和一路混沌信号组成;Y为观测信号;HM×N阶未知信道混合矩阵,M为接收端观测信号中向量的个数,N为发送端源信号中向量的个数,且M<N

大体检查各器官未见肉眼可见病变,因此首先选择生理盐水组和高剂量组动物的肝、肾、肾上腺、脑、脾、胃、十二指肠、睾丸、附睾、卵巢和子宫进行组织病理学检查。结果除了肝脏之外,其余器官均未见异常改变。肝脏的病理学检查结果见表10。

2 基于LMD的虚拟阵列构建方法

局部均值分解(LMD,Local Mean Decomposition)是由Smith提出的一种新的非线性和非平稳信号分析方法。它依据信号本身的信息进行自适应分解,产生的PF(Product Function)分量具有真实的物理意义,克服了EMD分解中本征模态函数缺乏实际物理意义的问题,由此得到的时频分布能够清晰准确地反映出信号能量在空间各尺度上的分布规律。本文在LMD分解的基础上,利用其PF分量构建虚拟阵列,将欠定混合模型转换成正定混合模型,继而进行FastICA分离,算法的具体步骤:①对观测信号(语音信号与混沌载体的混合)进行相应的数字采样等处理;②任意选取一路观测信号,对其进行LMD分解得到若干个PF分量,依次选取PF分量作为补充信号添加到缺失阵元的观测信号中,构建虚拟接收阵列,直到观测信号数等于源信号数为止;③将重构后的观测信号作为新的观测信号,利用FastICA算法对其进行盲提取得到期望信号的实值序列;④对期望信号的实值序列进行门限判决得到相应的码元序列,再对码元序列进行PCM解码处理即可得到提取出来的语音信号;⑤观察提取前后语音信号的时域波形图,记录分析语音信号的误码率和相似系数,播放提取前后的音频文件,结合主观听觉感受来综合判断算法的提取性能。

3 仿真实验与性能分析

3.1 Qi混沌系统

Qi混沌系统是一种四维超混沌系统,其相比二三维混沌系统有更加复杂的动力学特性。在保密通信中极大地提高破译难度,保证通信安全。Qi混沌系统[6]的动力学方程式为:

由图3可见,在欠定系统两路语音信号的盲提取仿真实验中,虚拟阵列构建成功,两路语音信号提取前后时域波形图上仅伴有少量的毛刺,实现了对源信号的有效提取。在不同混沌背景中,所提取出期望信号与源信号的相似系数见表1。

[4] 禹思敏, 丘水生. 一种语音混沌保密通信方案的研究与硬件实现[J].通信学报,2002,23(8):105-112.

 

(1)

  

图2 Qi混沌系统吸引子图Fig.2 Attractor portraits of Qi chaotic system

参数取a=10,b=28,c=8/3;初始值x0=y0=z0=0.1,步长为0.01,迭代产生4 000点,选取x路信号中1 900到4 000点数据作为混沌背景序列。

3.2 虚拟阵列提取算法

[2] 刘惠敏,王龙. 语音信号处理系统设计[J]. 中山大学研究生学刊:自然科学·医学版,2016(2):68-82.

 

(3)

信道混合矩阵对3路信号进行加权,经天线传送到接收端获得两路观测信号,取任意一路观测信号(选取第一路观测信号)进行LMD分解得到PF分量,再将第一个PF分量补充到缺失阵元的观测信号中,完成虚拟接收阵列的构建,满足算法提取的基本要求。之后对观测信号进行盲提取,得到两路目标语音信号的实值序列,然后经过门限判决得到0/1码元序列,再对码元序列进行并串转换,使其并行输出,最后利用PCM解码得到所要提取的目标语音信号,提取前后两路语音信号时域波形见图3。

纵观企事业单位成功的发展史,优秀单位取得辉煌业绩的前提都是对组织文化有极大需求,在文化基础上发展起来的内部控制制度是有生机的,是有活力的。内部控制制度既是组织文化的产物,又是组织文化驱动的工具,组织文化与内部制度具有高度的协调性和一致性。当组织文化不能符合单位内部控制时,组织文化需及时作出调整,当内部控制不能满足组织文化时,内部控制需积极改正[3~4]。因为组织文化与内部控制的奋斗目标相同,二者具有共同的发展方向,若二者之间存在矛盾,两方会削弱彼此的力量,加大单位风险。

  

图3 Qi混沌背景下提取前后语音信号时域波形比较Fig.3 Comparison of time domain waveforms of speech signals before and after extraction in Qi chaotic background

细胞周期蛋白D1[16](Cyclin D1),在细胞周期中能够与细胞增殖信号具有直接关联,其在细胞周期中,具有积极的作用,其也属于原癌基因中的一种,其在与CDK4以及CDK6相结合后,就会使细胞从G1时期逐渐向S时期进行分化与增殖,其所表现的异常为细胞增殖过度增强,并导致肿瘤的出现。而在AM疾病中的表现为,其会使细胞从G1时期逐渐向S时期的速度不断加快,并加快细胞的周期进程,从而使内膜异位中的细胞所具有的生物学活性的浸润、增殖得以增强。

由表1可见,提取的两路语音信号均较为理想。除采用定量方式评价之外,还可采用主观听觉来判断算法是否能成功实现提取[7-9]。语音主观听觉感受评价的方法较多,大体上可以从语音的音质和语音的内容这两方面进行测评考察。音质测评所关注的是语音的自然度,说话者音色、音调是否发生改变,多路语音混合分离时是否存在串音;而内容测评主要在于考察说话者内容的完整性,即语音信息是否完整保留,语音信号是否出现失真。播放提取前后的音频文件,可明显听出语音信号的音质良好、内容完整且不存在串音现象,由此判定本文所提出的算法成功实现了欠定系统中两路语音信号的盲提取。

 

表1 不同混沌背景下期望信号的相似系数

 

Table 1 Performance index of expected signal underdifferent chaotic background

  

混沌系统相似系数SA1相似系数SA2Henon0952209611Chen0962209484Qi0962309489

式中x1,x2,x3,x4为系统的状态;λ,ψ,ω,τ,φ为系统特性参数。当λ=50,φ=-20,ψ=4,ω=-13,τ=4,初值x1=1.01,x2=1.01,x3=1.01,x4=1时,Qi系统进入超混沌状态。其混沌系统的吸引子见图2。

4.软硬兼施“索债”,侵夺借款人财产。与以往高利贷的暴力索债方式不同,为了逃避打击,不法分子多采用“软暴力”催债,通过骚扰、威胁等方式进行心理施压,使用拘禁等违法犯罪手段迫使借款人抵押、变卖房产等高价值财产偿债,以此占有借款人的财物。或由专职“法律顾问”提起民事诉讼,出具一整套“合法证据”,利用虚假诉讼手段主张虚高债权,甚至存在律师主动参与“套路贷”犯罪,组成犯罪团伙,伪造证据,开展虚假诉讼,破坏司法公正的情况。[8]由于明面“证据”的“真实合理性”,法院往往会承认“莫须有”的债务而做出不利于借款人的判决,最终不法分子通过胜诉判决实现侵占借款人高价值财产的目的。[9]

4 结 论

本文提出基于虚拟阵列构建思想的欠定混合盲提取算法,针对不同混沌遮掩载体下的语音信号提取进行了仿真分析,将LMD分解的优势运用至欠定混合模型的转换上,从定量、定性双重角度验证了算法的有效性,提供了一种解决低接收阵元下信号盲提取的新方案。

参考文献:

[1] Wang E F, Zheng Y S, Liu X Z, et al. Harmonic signal hidden and blind extraction algorithm research based on chaotic wigner-ville distribution[C]//2015 10th International Conference on Communications and Networking in China (ChinaCom), IEEE, 2015, 355-360.

从国际标准语音库——TIMIT语音库中选取语音信号SA1、SA2作为待遮掩信号,以Qi混沌作为载体验证本文提出算法的性能。随机生成2×3的信道混合矩阵:

[5] Leung H, Huang X P. Parameter estimation in chaotic noise[J]. IEEE Trans Sig Proc,2006, 44: 24-56.

《天游峰的扫路人》中描写扫路人外貌的句段,也可以进行长句变短句比较训练,让学生分析“黝黑”“瘦削”“褪色”等词语分别描写了他的哪些方面。

[3] 韦高梧,冯祖勇. 基于去噪技术的DSP语音识别系统设计[J]. 传感器与微系统,2017(1):108-110,118.

在满足空调室内需求和接近设计工况新风参数的条件下(深圳地区夏季空调室外计算干球温度33.5℃,湿球温度27.9℃),通过调节送风机和排风机变频器,将送风风量和排风风量调整到设计风量,调整冷冻水调节阀,将冷冻水量调整到设计水量,测试状态数据见表1。

[6] 汪芙平, 郭静波, 王赞基,等. 强混沌干扰中的谐波信号提取[J]. 物理学报,2009, 50(6):1019-1023.

有关的回测,指的就是企业以及金融机构在化解有关的潜在风险的时候,开展的有关回顾性的总结工作。借助回测工程,可以帮助企业及时地总结出金融隐患的种类,而且可以有针对的做出反应,这样可以更好地避免出现同类的金融动作风险,而且要是出现了风险的时候,可以及时地做出反应。

[7] Broomhead D S, Huke J P, Potts M A S. Cancelling deterministic noise by constructing nonlinear inverses to linear filters[J]. Physic D, 2009, 89:439-441.

[8] Cawley R. Local-geometric-projection method for noise ruduction in chaotic maps and flows[J]. Physical Review A. 2009, 46: 30-57.

[9] 孙佳婷.低码率音频质量客观评价算法研究[J].黑龙江大学,2017,8(2):80-87.

 
姜兴宗,王尔馥
《黑龙江大学工程学报》2018年第01期文献

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