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自适应递归高斯-牛顿算法

对于直接形式实现的自适应IIR滤波器,不管是方程误差还是输出误差结构,其自适应算法都有下面讨论的一般形式,通常称为递归高斯牛顿算法,其通用系数更新的迭代公式为:

wps_clip_image-32290                  (2-12

式中,wps_clip_image-26521wps_clip_image-28867分别是wps_clip_image-13513wps_clip_image-31129通过不同的滤波器后所得的结果,分别为:

wps_clip_image-10806                         (2-13

wps_clip_image-17955                          (2-14

滤波后的回归矢量通常称作信息矢量。wps_clip_image-10299wps_clip_image-25291可以从方程误差wps_clip_image-18760wps_clip_image-26938(也可以是输出误差wps_clip_image-3415wps_clip_image-23191导出)。而时变滤波器wps_clip_image-13758wps_clip_image-19587可以用定义wps_clip_image-31927的方式来定义。式(2-12)中标量步长wps_clip_image-1793为正值,它控制算法的收敛速度。而wps_clip_image-28192Hessian矩阵的估计,它按下式进行迭代更新:

wps_clip_image-25274                  (2-15

式中wps_clip_image-4925称为遗忘因子,其典型值一般取为0. 9- 0. 99。式(2-12)中要计算wps_clip_image-29236的逆矩阵,但直接计算代价相当大,所以,一般由矩阵求逆定理按下式迭代更新:

wps_clip_image-29056          (2-16

估计得出Hessian矩阵可改善收敛速度,但却增加了计算复杂性。为克服这一缺点,迭代式(2-15)(2-16)通常不执行,而将它们改为单位阵I,这种算法就变为随机梯度算法。当然,它具有较低的收敛速度,但与上式比较,其计算复杂性大为降低。

在高斯牛顿类算法中,一般初值wps_clip_image-5625wps_clip_image-7334,其中0为矢量,而wps_clip_image-23235为一小的正数,当然,如果在某些特殊情况下,一些先验信息已知,则初始参数可设为其它适当的值。

为使算法收敛,则初始条件应满足以下两点要求:

(1)R必须为正定的,以保证它可逆;

(2)wps_clip_image-24237的极点应位于单位圆内,以使滤波器是稳定的。

即使如此,在算法更新的每一步,监测wps_clip_image-14881wps_clip_image-19554是必要的,这取决于滤波器FG的选择。

很显然地,对于方程误差方法有以下的基本关系:

wps_clip_image-22836wps_clip_image-5033                    (2-17

wps_clip_image-32379,这就是说不必对回归矢量和方程误差进行滤波,对应的算法称为归一化RLS算法,这类算法可直接推广到方程误差自适应IIR滤波器中来。

对以上方程误差算法的收敛性能分析,只需假设wps_clip_image-30883wps_clip_image-32447是独立的即可(LMS算法中常这样做)。但对输出误差方法,这一假设却不能用,因为wps_clip_image-24925不为1 wps_clip_image-8863wps_clip_image-2997不是独立的,回归过程包含了滤波器输出wps_clip_image-20819它是系数的函数。同样,由于方程误差中wps_clip_image-10124的相关阵wps_clip_image-29333与时间无关,当x(n) , d (n)为广义平衡过程时,可大大简化方程误差自适应IIR滤波器的收敛性分析。而对输出误差方法,即使输入信号x(n)是平稳的,但由于wps_clip_image-8077依赖于时变的滤波器系数,其相关阵wps_clip_image-18650与时间有关,因此使得输出误差自适应IIR的收敛性相当复杂。

基于输出误差的自适应算法比基于方程误差的算法更复杂,但并不导致有偏的解。它的主要缺点是可能会收敛到均方输出误差(MSOE)的特性曲面的局部极小点。

在系统辨识的研究中,不希望出现局部极小,没有局部极小的充分条件是:

(1)自适应滤波器的传输函数有充分高的零极点阶数,以精确地建模未知系统,但自适应滤波器的阶数要比未知系统阶数应更高;

(2)输入wps_clip_image-27910是白噪声序列;

(3)自适应滤波器分子多项式的阶数超过未知系统分母多项式的阶数。

还应该注意的是,自适应滤波器中的噪声可能导致算法脱离局部最小点,这也正是进化算法用于自适应IIR滤波器参数估计的基本出发点。

另外,wps_clip_image-20027的初始条件也影响算法的收敛性,一般期望wps_clip_image-30628靠近或位于全局极小的轨线上。

总的来说,方程误差是滤波器系数的线性函数,所以,均方误(MSEE)特性曲线仅有一个全局极小点,其自适应算法有较快的收敛速度。但由于加性噪声的存在,算法常收敛到有偏解;而输出误差是滤波器系数的非线性函数,均方输出误差(MSOE)特性曲面将有多个局部最小点,对应的自适应算法收敛速度较慢,可能收敛到局部最小点。如果滤波系数初始值靠近局部极小点,则算法收敛到次优解。

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