2 盲源分离的数学模型
盲源分离中的“盲”是指当传输信道的特性未知时,从接收信号的阵列中估计出源信号的波形。当然,在缺乏先验知识的情况下,不可能唯一确定源信号,导致所恢复的信号存在一定的模糊性:排序的模糊性和幅度比例伸缩,但所恢复的信号依然保留源信号的波形信息。在一定程度上,这并不影响对信号的理解和处理。
盲源分离的基本模型:假设有n个信源,通过线性混合后,由n个探测器(传感器)接收,整个系统用矩阵表示为:
式中:S为未知的n个源信号,A为n×n的混合矩阵,n为噪声,X为传感器接收的信号。
一般情况下,假设源信号与观测信号维数相同。在噪声不存在或可忽略不计的情况下,这时盲源分离的模型如下:
盲源分离的目标是在一定准则下,寻找矩阵A的逆矩阵的估值A-1,得到对信源S的估计如下:
如果A-1A=I,则Y=S,实现了对源信号的估计。一般情形下,假设源信号统计独立。因此盲源分离问题有时也称独立变量分析(Independent Component Analysis)。
3 数字通信的同道干扰
数字通信是目前无线通信所采用的主要通信方式,其主要调制方式有幅移键控、相移键控和频移键控。
幅移键控信号表示为:
式中:Am表示M个可能的幅度。
相移键控信号表示为:
相移键控发送的载波有M个可能的相位。频移键控信号表示为:
当数字通信的载波频率相同时,通信收发信机之间会产生同道干扰。由于不同发信机之间所发送的信号是独立的,所以可采用盲源分离算法将分离不同发信机所发射的信号。
4 FastICA算法
Hyvarinen等人提出了基于峭度和负熵固定点算法,这一算法具有极快的收敛速度,因此称为:FastICA。FastICA算法属于批处理算法,但其具有相当快的收敛速度,是盲源分离算法中较成功的算法。FastICA算法将非高斯极大化算法和定点迭代相结合,具有三阶收敛速度。衡量非高斯的目标函数有两种:峭度和负熵。因此,FastICA有两种形式:基于峭度最大化和负熵最大化的FastICA算法。下面分别推导基于两种代价函数的FastICA算法。
关于标准峭度的梯度函数:
式中:β是输出信号峭度的符号。
当对混合信号白化后,信号的能量归一化,所以||W||2=1。这样,每次迭代后可将分离向量W归一化。当盲源分离算法到达平衡点时:
由此得到两步迭代快速算法: