抗冲击噪声的核对数最小绝对差算法

林 云，雷 洋，曾俊俊

（重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065）

摘 要：提出了一种鲁棒核自适应滤波算法，其结合了核空间和最小对数绝对差（LLAD）算法，使用对数代价函数来解决冲击噪声对算法收敛的影响，从而提高算法的抗干扰性能。核对数最小绝对差（KLLAD）算法实现了类似核最小均方误差（KLMS）算法的收敛性能，而且KLLAD算法具有很强的抗干扰能力，在非线性系统辨识中的鲁棒性和收敛方面具有很好的表现。

0 引言

1 KLMS和LLAD自适应滤波算法

1.1 KLMS算法

其中h是核参数，根据Mercer的理论研究，任何核函数κ(u，u′)都可以通过映射φ以内积的形式把输入空间U映射到高维特征空间F（内积空间）中^[6]，其数学表达式如下 ：

如果定义φ(u)=κ(u，·)，则特征中空间F本质上也是一个核再生希伯特空间，KLMS算法实质上就是在特征空间F中的线性LMS算法^[2]。首先，通过映射φ将输入信号u(i)映射到特征空间F中后变成φ(u(i))，定义φ(i)=φ(u(i))，然后对新的输入数列{φ(i)，d(i)}应用LMS算法可以得到：

其中，e(i)是第i次的预测误差，η是步长，w(i)是对特征空间中对自适应滤波器抽头矢量的估计。由式(3)可以看出，KLMS算法本质上是在高纬特征空间中的线性LMS算法，是解决非线性问题的有效手段，有着非常广泛的应用。

1.2 LLAD算法

在传统的LMS算法中，定义输入信号为u(i)，期望输出为d(i)，滤波器输出为y(i)，误差信号e(i)=d(i)-y(i)=d(i)-w(i)^Tu(i)，w(i)是自适应滤波器的抽头系数矢量，最常见的代价函数是E(e(i)²)，通过减少代价函数来逼近待辨识的系统，而在LLAD算法中应用对数作为代价函数^[4]：

当式（5）=0时，代价函数便取得最优解，其中a为设计的参数且a>0，因此LLAD算法的自适应滤波器的抽头矢量更新表达式变为：

其中μ为步长参数。

分析式(6)可知，当e(i)很大时算法更新近似于符号（SA）算法，当e(i)很小时，算法更新近似于传统的LMS算法。因此LLAD算法综合了LMS和SA两种算法^[4]，与LMS算法相比具有很好的抗冲击噪声性能，与SA算法相比具有更好的收敛性能。

2 KLLAD自适应滤波算法

首先，通过映射φ将输入信号u(i)映射到特征空间F中后变成φ(u(i))，定义φ(i)=φ(u(i))，然后对新的输入数列{φ(i)，d(i)}应用LLAD算法可以得到KLLAD算法，KLLAD算法第i次的预测误差:

由式(4)可以得出KLLAD算法的代价函数为：

如果 或者 F(e(i))=0，则对数代价函数可以取得最优解，所以对数代价函数 J(e(i))的最优解与代价函数 F(e(i))的最优解是一致的^[4]。由于 F(e(i))=E(|e(i)|)，利用式(6)可以得出：

综上所述，KLLAD算法本质上是在特征空间中的LLAD算法，所以其具有LLAD算法的鲁棒性。

3 实验仿真结果分析

非线性系统由一个线性信道和一个非线性信道组合而成^[7]，其中线性信道选择为：H(z)=1+0.2z^-1，非线性信道为：y=x-0.9x²，其中x为线性信道的输出。定义非高斯冲击噪声表示为K_iA_i，K_i是一个伯努利过程且p(K_i=1)=p_r，A_i是零均值的高斯过程，系统噪声n(i)由一个方差为σ²的白高斯噪声和冲击噪声K_i A_i组成^[8，9]，在实验中KLLAD算法的参数设定为：核参数h=0.1，σ²=0.4，a=5^[4]，μ=0.1；KLMS算法中σ²=0.4，μ=0.05；LLAD算法中σ²=0.4，μ=0.01。三种算法的训练数据是1 000，测试数据是100，学习曲线取计算30次的平均值。三种算法的性能对比如图1、图2和图3所示。其中图1是没有非高斯冲击噪声的环境，即p_r=0；图2是存在5%的非高斯冲击噪声的情况（p_r=0.05，A_i=150）；图3是存在很大单点非高斯冲击噪声的情况（A₅₀₀=1 500）。

从图1可以看出：在没有冲击噪声的环境下，KLLAD（μ=0.1）算法和KLMS算法（μ=0.05）具有相近的稳态误差，而且KLLAD算法收敛速度比KLMS要快；与LLAD算法（μ=0.01）相比，KLLAD算法的稳态误差要远远低于LLAD算法，由此也证明了LLAD算法不适用于非线性系统，表明了提出KLLAD算法的必要性。从图2可以看出：在存在非高斯冲击噪声的环境里，KLLAD算法与LLAD都有很好的鲁棒性，能够避免冲击噪声对算法更新迭代的影响，使算法具有稳定性；但是KLMS算法由于受到系统非高斯冲击噪声的影响，稳态误差波动较大，其收敛性能大大降低，KLLAD算法要优于KLMS算法。图3是在第500次迭代时出现一个很大的非高斯冲击噪声，从图中可以看出：在500次迭代时该冲击噪声对KLLAD和LLAD算法并无影响，而KLMS算法在i=500时出现了较大的波动，产生了较大的误差，在非高斯冲击噪声消失后，KLMS算法又会收敛于一个较低的稳态误差，其结果更进一步验证了KLLAD算法的鲁棒性和KLMS算法的局限性，在有非高斯冲击的环境下KLLAD算法要远远优于KLMS算法。

4 结论

参考文献

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