基于最大峰度準(zhǔn)則的非因果AR系統(tǒng)盲辨識(shí)

本文結(jié)合最大峰度準(zhǔn)則和非線性優(yōu)化理論中的梯度法，設(shè)計(jì)了一種非因果AR系統(tǒng)的盲辨識(shí)算法，并證明了它的全局收斂性，給出了它在平衡點(diǎn)附近的收斂速度.算法通過(guò)構(gòu)造逆濾波器的方法來(lái)進(jìn)行盲辨識(shí)，同時(shí)通過(guò)基于高階累積量的自學(xué)習(xí)算法將逆濾波器的系數(shù)逼近AR系統(tǒng)的參數(shù).由于采用了高階累積量，算法對(duì)高斯觀測(cè)噪聲有較好的抑制能力.仿真的結(jié)果表明了算法的有效性.
　　關(guān)鍵詞:非因果系統(tǒng)；盲辨識(shí)；高階累積量；最大峰度準(zhǔn)則

Blind Identification of Noncausual AR System Based on Maximum Kurtosis Criteria

ZHAO Xi-kai,ZHANG Xian-da
(Dept.of Automation,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

　　Abstract:Based on the maximum kurtosis criteria and gradient decent method,this paper designed a new blind identification algorithm for noncausual AR system.Its global convergence is proved and convergence rate calculated.Parameters in the inverse filter approach the true AR coefficients by high-order cumulant (HOS) based self-study algorithm.This identification method can effectively suppress the Gaussian noise because of the utilization of HOS.
　　Key words:noncausual system;blind identification;higher-order culmulant;maximum kurtosis criteria

一、引　　言
　　在地震勘探、通訊和水聲信號(hào)處理等許多領(lǐng)域，經(jīng)常需要辨識(shí)非因果系統(tǒng).要解決這類非因果系統(tǒng)的盲辨識(shí)問(wèn)題、單靠相關(guān)函數(shù)是不夠的，因?yàn)樗话到y(tǒng)的相位信息［1］.
　　基于高階統(tǒng)計(jì)量的系統(tǒng)辨識(shí)方法在近年來(lái)受到了高度的重視.同基于相關(guān)函數(shù)的傳統(tǒng)辨識(shí)方法相比較，高階統(tǒng)計(jì)量的優(yōu)點(diǎn)在于：1.可保留系統(tǒng)的相位信息，從而有效地辨識(shí)非最小相位、非因果系統(tǒng).2.可以抑制加性有色噪聲的影響，提高算法的魯棒性.在各種高階統(tǒng)計(jì)量中，四階統(tǒng)計(jì)量由于計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，可以處理對(duì)稱分布信號(hào)而受到人們的特別重視，成為許多算法的基礎(chǔ).
　　在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，本文提出了最大峰度準(zhǔn)則，并將其應(yīng)用到非因果系統(tǒng)的辨識(shí)中.通過(guò)非線性優(yōu)化中的梯度法，本文設(shè)計(jì)了一種AR系統(tǒng)的盲辨識(shí)算法，并證明了它的全局收斂性，給出了算法在平衡點(diǎn)附近的收斂速度.算法通過(guò)構(gòu)造逆濾波器的方法來(lái)進(jìn)行盲辨識(shí)，同時(shí)通過(guò)基于高階累積量的自學(xué)習(xí)算法用逆濾波器的系數(shù)逼近AR系統(tǒng)的參數(shù).這個(gè)算法可以辯識(shí)非因果系統(tǒng)并且也可用于反卷積或者盲均衡.由于采用了高階累積量，算法對(duì)高斯觀測(cè)噪聲有較好的魯棒性.

二、基于最大峰度準(zhǔn)則的系統(tǒng)辨識(shí)算法
　　設(shè)有一未知的線性時(shí)不變系統(tǒng)H，其輸入序列{u(n)}也未知，我們只觀測(cè)到其輸出序列{x(n)},n=0,1,…,N-1，其中N為測(cè)量序列的長(zhǎng)度.系統(tǒng)模型為

x(n)=u(n)*h(n)+w(n)　(1)

其中{w(n)}是量測(cè)噪聲.h(n)是未知的線性時(shí)不變系統(tǒng)H的單位脈沖響應(yīng).
　　對(duì)這個(gè)模型中的信號(hào)特性做如下假設(shè)：
　　(A1)線性時(shí)不變系統(tǒng)H是穩(wěn)定的，但它不一定是最小相位，也不一定是因果的，它存在一個(gè)穩(wěn)定的逆系統(tǒng)H-1.
　　(A2){u(n)}是平穩(wěn)的零均值非高斯實(shí)信號(hào)，而且是一個(gè)獨(dú)立同分布信號(hào)，它的m階累積量γm存在，m3.加性噪聲{w(n)}服從高斯分布，其統(tǒng)計(jì)特性未知，且與輸入信號(hào){u(n)}相獨(dú)立.
　　設(shè)對(duì)逆系統(tǒng)H-1的估計(jì)為V，則V的輸出{y(n)}為

y(n)=x(n)*v(n)=u(n)*g(n)+w′(n)　(2)

其中w′(n)=w(n)*v(n)仍為一高斯噪聲，g(n)是由下式給出的穩(wěn)定的濾波器

g(n)=h(n)*v(n)　(3)

　　與通常的峰度定義不同，定義信號(hào)x(t)的(規(guī)范化的)峰度K42x為

K42x=c4x(0,0,0)/［c2x(0)］2=γ4x/［σ2x］2　(4)

　　為了克服Shalvi & Weinstein提出的準(zhǔn)則［2］中要求信號(hào)的方差相等的限制，可以把式(4)定義的(規(guī)范化)的峰度值做為準(zhǔn)則函數(shù)，這使它更適合于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境定義的準(zhǔn)則函數(shù)為

J(v(n))=|K42y|=|γ4y/(σ2y)2|　(5)

　　需要說(shuō)明的是，這個(gè)準(zhǔn)則函數(shù)實(shí)際上是Chi & Wu［3］提出的一大類準(zhǔn)則函數(shù)中的一個(gè)特例.他們提出的準(zhǔn)則函數(shù)為：

Jl+s,2s(v(n))=|γl+s,y|2s/|γ2s,y|l+s　(6)

其中l(wèi)＞s1.
　　顯然，式(5)是式(6)在l=3,s=1時(shí)的特例.該準(zhǔn)則函數(shù)的有效性在［3］中得到了證明，但本文將證明基于式(5)這個(gè)準(zhǔn)則的算法的全局收斂性和收斂速度.
　　對(duì)于非因果AR系統(tǒng)，其逆濾波器是一個(gè)因果MA系統(tǒng)和一個(gè)反因果MA系統(tǒng)的極聯(lián)，設(shè)這兩個(gè)系統(tǒng)分別為ω(i)和(i).針對(duì)上面的準(zhǔn)則函數(shù)，可以利用非線性優(yōu)化中的梯度法，得到ω(i)和(i)的自學(xué)習(xí)算法為：

　(7)
　(8)

　　式中的數(shù)學(xué)期望在實(shí)際應(yīng)用中都由相應(yīng)的均值估計(jì)代替.當(dāng)K42x為正時(shí)，x(t)為所謂超值，保證K42y不斷向正的方向增大；當(dāng)K42x為負(fù)時(shí)，x(t)為亞高斯(Sub-Gaussian)信號(hào)，α取負(fù)值，K42y不斷減小，|K42y|增大.

三、算法的全局收斂性
　　因?yàn)楸疚牟墒欠蔷€性優(yōu)化方法，這就必然涉及到一個(gè)問(wèn)題：算法收斂到的是全局極值點(diǎn)還是局部極值點(diǎn)?下面的定理表明算法必然收斂到全局極值點(diǎn).
　　定理：式(7)，式(8)的算法的收斂點(diǎn)是全局極值點(diǎn).
　　證明：根據(jù)輸入和輸出之間高階累積量的關(guān)系，可以把準(zhǔn)則函數(shù)改寫為

J(v(n))=|K42u|∑g4(n)/［∑g2(n)］2　(9)

去掉其中與輸入有關(guān)的常數(shù)，可以把目標(biāo)函數(shù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

J(g(n))=∑g4(n)/［∑g2(n)］2　(10)

　　由式(10)，得到下列駐點(diǎn)方程

j=1,2,…　(11)

　　由式(11)，駐點(diǎn)為g(j)=0或g2(j)=c,其中c=∑g4(i)/∑g2(i)為一常數(shù).為了便于敘述，定義由駐點(diǎn)gM(j)組成的集合GM,M=1,2,…,即
GM={gM:gM(j)符合式(11)，且gM中有M個(gè)非零元素}　(12)
　　由文獻(xiàn)［3］關(guān)于準(zhǔn)則有效性的證明，知道G1是由所有全局極值點(diǎn)組成的集合，下面證明GM，M2是由不穩(wěn)定平衡點(diǎn)(鞍點(diǎn))組成的集合，即利用本算法不會(huì)收斂到局部極值點(diǎn).
　　假定∈GM為

　(13)

其中IM=(k1,…,KM)是一個(gè)有M個(gè)不重復(fù)正整數(shù)的集合.構(gòu)造一個(gè)向量.

　(14)

它的準(zhǔn)則函數(shù)為

　(15)

　　只要ε＞0，上面的不等式就嚴(yán)格成立.也就是說(shuō)，在的任何小的領(lǐng)域里，總存在使得J()＞J()，所以∈GM不可能是局部極大值.下面證明它也不是局部極小值.
　　設(shè)kM+1IM，構(gòu)造如下的一個(gè)向量g)

　(16)

它的準(zhǔn)則函數(shù)為

　(17)

因?yàn)閏＞ε＞0，上面的不等式嚴(yán)格成立，所以∈GM不可能是局部極小值.
　　綜上所述，∈GM,M2是準(zhǔn)則函數(shù)的不穩(wěn)定平衡點(diǎn).因此按照式(7)，式(8)的梯度尋優(yōu)算法收斂到的必然是全局極值點(diǎn).證畢.
　　上述定理表明，本算法對(duì)任何初始值都不會(huì)收斂到不希望的局部極值點(diǎn)，這無(wú)疑是一個(gè)非?？少F的性質(zhì).本文例2的仿真結(jié)果說(shuō)明了這一性質(zhì).

四、算法的收斂速度
　　下面考慮算法的收斂速度.不失一般性，假設(shè)平衡點(diǎn)為(i)=δ(τ),g(i)為偏離平衡點(diǎn)的一個(gè)迭代值.

　(18)

　　定義則有，

≈(1-4ε0)/|1+ε-2ε0|2-1(推導(dǎo)中去掉了分子中ε,ε0所有的二次以上項(xiàng))
≈(1-4ε0)|1-ε+2ε0|2-1
≈-2ε(推導(dǎo)中去掉了ε,ε0所有的二次以上項(xiàng))　(19)
　　由式(18)和(19)，得到

J(g)-J()∝‖g-‖2　(20)

　　可見(jiàn)在全局極值點(diǎn)附近，準(zhǔn)則函數(shù)是以平方速度變化的.因此本文提出的基于梯度法尋優(yōu)的學(xué)習(xí)算法在平衡點(diǎn)附近將線性收斂.從下節(jié)例1的圖1和圖2中可以看到在接近收斂點(diǎn)附近，辨識(shí)的各個(gè)參數(shù)都以幾乎相同的斜率收斂到終值.

圖1　反因果部分辨識(shí)過(guò)程

圖2　因果部分辨識(shí)過(guò)程

五、仿真結(jié)果
　　此處給出兩種典型情況的仿真結(jié)果，在所有仿真中加性觀測(cè)噪聲為高斯白噪聲，輸入信號(hào)是指數(shù)分布的隨機(jī)過(guò)程(均值為零，λ=1)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為3000.學(xué)習(xí)常數(shù)開始時(shí)為0.5，在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸減小為0.1.對(duì)每個(gè)例子均為30次Monte Carlo實(shí)驗(yàn).
　　例1.(非因果系統(tǒng)的辨識(shí))真實(shí)AR模型為

它的極點(diǎn)位于-0.0506±j0.6532，-0.6988，和-1.7500±h1.3919，信噪比SNR=10dB辨識(shí)時(shí)取m=5和n=5，即因果MA部分和反因果MA部分分別比實(shí)際模型高兩階和三階.辨識(shí)結(jié)果見(jiàn)表1和表2.

表1　非因果AR系統(tǒng)的因果部分辨識(shí)結(jié)果