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盲信号分离

2023-04-25 04:25:43 腾讯云

(资料图)

背景介绍

ICA（Independent Component Analysis，独立分量分析）是一种非常重要的信号处理技术，它的主要思想是将多个混合的信号分离成独立的信号源，广泛应用于信号处理、语音分离以及图像处理等领域。例如：在一个音乐舞会中，人们随着背景音乐翩翩起舞，技术人员能够通过ICA技术，利用多组录音设备还原人们谈话的内容~；在车载系统中，我们能够通过ICA技术，分离出发动机的噪声信息，最终通过主动降噪技术提供人们的驾驶体验；在脑电信号处理中，我们能够通过ICA技术分离EOG、ECG以及EMG噪声信号。本文章对盲信号分离技术的原理进行归纳汇总，具体如下图所示：

图1 盲信号分离技术的背景

数学原理

本部分对ICA算法的数学原理进行介绍，该算法通过一个线性变换将混合信号转换成相互独立的未知信号源。设混合信号为x，独立信号源为s，则有以下公式：

{\rm{x}} = As \Rightarrow s = Wx

其中s表示独立的信号源（背景音乐，说话声）。依据前人的研究成果，解混合矩阵W需要使得分离后的信号源s尽可能保证相互独立，转化为数学表达式为使得最优化目标函数J(W)最小：

J(W) = - \left| W \right| + E[g(f(Wx))]

其中，g(·)是一个非高斯性度量函数，f(·)是一个线性变换函数，E[·]是期望运算符，W为待求的正交矩阵，|W|为行列式的值。

FastICA是一种常用的独立成分分析算法，可以用于数据降维、信号处理和机器学习等领域，具有计算简单、收敛速度较快、鲁棒性好以及占用内存小等优点。

本篇文章中，我们将介绍FastICA的优化目标及迭代过程。FastICA算法的本质属于目标函数+优化算法，具体求解的思路为：通过迭代的方式，不断更新满足J(W)最小化的W矩阵。迭代过程中，先随机初始化W矩阵，然后进行投影，计算非高斯性度量函数G(y)，并根据G(y)的导数更新W矩阵。如果达到了预先设定的收敛条件，就停止迭代，输出分离后的信号源，具体程序代码为：

clear all;clc% 读入数据signal = load("shujudata.mat");signal = signal.shujudata1;% 对信号进行EMD分解[imf,residual] = emd(signal,"Display",0,"MaxNumIMF",4);time=(0:1:length(signal)-1)/256;% 对IMF成分进行ICA分析[icasig, A, W] = fastica(imf");% 独立成分与原始数据矩阵进行乘积运算   (AB)" = B"A"  imf=A*icasig  reconstructed_EEG = (icasig" * A");reconstructed_signal = sum(reconstructed_EEG,2)+ residual;% 绘制原始信号和重构信号figuresubplot(2,1,1)plot(time,signal)title("原始信号")subplot(2,1,2)plot(time,reconstructed_signal)title("重构信号")