The reduced speech intelligibility caused by feed feedback oscillation is a major problem for hearing aid users. The demand for improved signal quality has led researchers to look for feedback reduction techniques. In this Thesis, we studied several feedback reduction schemes with emphasis in adaptive feedback cancellation algorithms. The main goal was to develop a system for feedback cancellation that is able to adapt to non-stationary environments while having reasonable computational complexity. This requirement is imposed by the need to implement the feedback cancellation scheme in low power DSP systems. In Chapter 1, we briefly introduced hearing aid systems. We examined the parts that are made of and the types of hearing aids that are available in the market. Then, we described the mechanism that causes feedback oscillation in hearing aids and the adverse effects it has on signal quality. Chapter 2 contains some theoretical results on the field of adaptive linear system identification algorithms and simulation results that support this theory. The chapter begins by giving a derivation of the popular LMS algorithm. A theoretical analysis of LMS using the independence assumption is also provided. Then we are concerned with the least squares filter. We described the RLS algorithm and a linear complexity version of it, the FAEST algorithm. Subsequently, we discussed the FNTF algorithm that trades computational complexity for performance in solving the system identification problem. Next, we developed a new algorithm, the FLMS, by making simplifications to FNTF. We also proved that the proposed algorithm outperforms LMS at least when the input signal is an AR process. Finally, we provided simulation results which prove the superiority of FLMS over LMS. Chapter 3 is devoted in using some algorithms described in Chapter 2 for feedback cancellation in hearing aids. The chapter begins with a hearing aid model that includes an acoustic feedback mechanism. On this system, a linear filter is added that estimates the acoustic feedback so that it can be removed from he signal captured by the microphone. The feedback estimation is performed with LMS and FLMS. Using simulation results, we saw that FLMS can be successfully used in feedback systems and continues to outperform LMS. We also saw that, contrary to the open loop case, when feedback is present, the stochastic approximation theory does not satisfactorily predict the mean learning curves of LMS. / Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν κατά το σχεδιασμό ενός ακουστικού βαρηκοΐας είναι αυτό της ακουστικής ανάδρασης. Με τον όρο ακουστική ανάδραση αναφερόμαστε στο φαινόμενο κατά το οποίο ένα μέρος της εξόδου του ακουστικού επιστρέφει στην είσοδο και ενισχύεται εκ νέου. Γνωστό και ως μικροφωνισμός, το φαινόμενο αυτό γίνεται αντιληπτό από τους ασθενείς ως ένα συνεχές σφύριγμα και είναι ιδιαίτερα ενοχλητικό. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές. Για παράδειγμα, ο περιορισμός του κέρδους ενίσχυσης στις συχνότητες όπου εμφανίζεται ο μικροφωνισμός είναι μια λύση που συναντάται συχνά σε αναλογικά ακουστικά βαρηκοΐας. Η μέθοδος αυτή, όμως, απαιτεί τον προσδιορισμό των επικίνδυνων συχνοτήτων κατά τη διαδικασία προσαρμογής του ακουστικού στον εκάστοτε ασθενή. Ακόμα και αν ο προσδιορισμός γίνει με μεγάλη ακρίβεια, οι συχνότητες στις οποίες εμφανίζεται ο μικροφωνισμός αλλάζουν κατά τη διάρκεια χρήσης του ακουστικού, περιορίζοντας έτσι την αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Με την καθιέρωση της ψηφιακής τεχνολογίας στα ακουστικά βαρηκοΐας, εμφανίζονται νέες δυνατότητες για την αντιμετώπιση του μικροφωνισμού. Είμαστε σε θέση, πλέον, να μοντελοποιήσουμε το σύστημα της ακουστικής ανάδρασης και να χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο αυτό για εξαλείψουμε το μικροφωνισμό. Για την μοντελοποίηση αυτή χρησιμοποιείται κατά κόρον ο αλγόριθμος LMS. Η χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα που τον χαρακτηρίζει τον κάνει ιδανικό για ακουστικά βαρηκοΐας. Στην εργασία αυτή παρουσιάζουμε έναν νέο αλγόριθμο, επίσης χαμηλής πολυπλοκότητας, για το πρόβλημα της αναγνώρισης γραμμικών συστημάτων. Αποδεικνύουμε με μαθηματικό τρόπο ότι είναι πιο αποτελεσματικός από τον LMS για συγκεκριμένα μοντέλα σημάτων εισόδου, ενώ με εξομοιώσεις ότι υπερτερεί του LMS και για πολύ πιο γενικές εισόδους. Επιπρόσθετα, δείχνουμε ότι ο νέος αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ακύρωση της ανάδρασης σε ακουστικά βαρηκοΐας, όπου παραμένει πιο αποτελεσματικός από τον LMS.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί βιβλιογραφική έρευνα στο επιστημονικό πεδίο της προσαρμοστικής ακύρωσης θορύβου (ANC). Αρχικά γίνεται μια αναφορά στη γενική φιλοσοφία της ANC, παρατίθεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή και αναφέρονται τα πεδία εφαρμογής της ANC. Γίνεται ανάλυση των βασικών κατηγοριών προσαρμοστικής ακύρωσης θορύβου βασισμένες στον εμπροσθοτροφοδοτούμενο και στον ανατροφοδοτούμενο έλεγχο. Πρώτα συζητείται η δομή του ευρυζωνικού προσαρμοστικού εμπροσθοτροφοδοτούμενου ελέγχου, με την εξαγωγή και την ανάλυση του αλγόριθμου FXLMS. Στη συνέχεια αναλύονται τα στενής ζώνης εμπροσθοτροφοδοτούμενα συστήματα, εισάγοντας τη μέθοδο σύνθεσης κυματομορφής, τα προσαρμοστικά φίλτρα αποκοπής και την ANC πολλαπλών συχνοτήτων. Έπειτα αναπτύσσεται η έννοια της προσαρμοστικής ακύρωσης μέσω ανατροφοδοτούμενου έλεγχου από τη σκοπιά των σημάτων αναφοράς προσδίδοντας μια συσχέτιση με τα συστήματα εμπροσθοτροφοδότησης. Εν συνεχεία, η ανάλυση των μονοκαναλικών συστημάτων επεκτείνεται στα πολυκαναλικά συστήματα ANC. Παρουσιάζονται διάφορες online τεχνικές μοντελοποίησης δευτερεύουσας διαδρομής. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται διάφοροι ειδικοί ANC αλγόριθμοι όπως δικτυωτή ANC, ANC στο πεδίο της συχνότητας, ANC υποζώνης και ο αναδρομικός αλγόριθμος ελαχίστων τετραγώνων (RLS). Τέλος παρουσιάζονται αναλυτικά οι εφαρμογές της προσαρμοστικής ακύρωσης σε πρακτικό και πειραματικό επίπεδο, ενώ δίνεται μια ποσοτική συνεισφορά στη μείωση θορύβου. / This thesis is a literature research in the scientific field of adaptive noise cancellation (ANC). Originally becomes a reference to the general philosophy of the ANC, given a brief historical overview and a reference to the fields of application of ANC . An analysis of the main categories of adaptive noise cancellation based on feed-forward and feedback control. First a discussion is made, of the structure of broadband adaptive feed-forward control by extracting and analyzing the FXLMS algorithm. Then an analysis of narrowband feedforward systems is given, introducing the waveform synthesis method, adaptive notch filters and multiple frequency ANC. Then we develope the concept of adaptive cancellation via feedback control from the perspective of reference signals giving a correlation to feedforward systems. Subsequently, the analysis of single channel systems extends in multi-channel ANC. Various online secondary path modeling techniques are presented. Additionally, several special ANC algorithms are presented, such as lattice ANC, ANC in the frequency domain, subband ANC and the recursive least squares algorithm (RLS). Finally applications of adaptive cancellation are presented in detail, on practical and experimental level, given a qualitative contribution to noise reduction.

Μελετάται η χρήση προσαρμοστικών αλγορίθμων οι οποίοι εφαρμόζονται στο πεδίο των συχνοτήτων και σκοπός τους είναι να ακυρωθεί σε όσον το δυνατόν μεγαλύτερο βαθμό η επίδραση της ηχούς σε ένα περιβάλλον τηλεδιάσκεψης. Όσον αφορά την προσομοίωση του τηλεπικοινωνιακού περιβάλλοντος αυτή θα γίνει με την χρησιμοποίηση κρουστικών αποκρίσεων οι οποίες θα λαμβάνονται χρησιμοποιώντας την μέθοδο των ψηφιακών κυματοδηγών. / Frequency domain adaptive filters are evaluated for use in a teleconferencing environment. The convergence rate, steady state, ability to track changes of the Frequency domain block quasi-Newton algorithm is compared to the Frequency domain block LMS (FD-BLMS)and time domain normalized LMS (TD-NLMS). Finally an algorithm for acoustic simulation of small rooms is derived in order to produce acoustic echo simulation data for use in the evaluation of the algorithms.

Τα ασύρματα συστήματα πολλαπλών κεραιών MIMO αποτελούν ένα από τα βασικά μέτωπα ανάπτυξης των τηλεπικοινωνιών. Ωστόσο η εξαιρετικά τυχαία φύση τους καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ των πολλαπλών ροών δεδομένων επιβάλει την χρήση σύγχρονων τεχνικών ισοστάθμισης. Η προσαρμοστική ισοστάθμιση στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση της δυναμικής φύσης του ασύρματου καναλιού και την ανίχνευση των αλλαγών στα χαρακτηριστικά του. Επίσης, μη γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης ανατροφοδότησης συμβόλων είναι απαραίτητες για την απομάκρυνση της διασυμβολικής παρεμβολής που παρουσιάζεται στα συγκεκριμένα συστήματα. Η παρούσα εργασία ασχολείται με μεθόδους προσαρμοστικής ισοστάθμισης στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις προσαρμοστικών αλγορίθμων για την ελαχιστοποίηση του σφάλματος, του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων (RLS), του επαναληπτικού αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων (CG) και του επαναληπτικού αλγορίθμου τροποποιημένων Συζυγών Κλίσεων (MCG). Όπως διαπιστώνουμε, όταν οι παραπάνω αλγόριθμοι χρησιμοποιηθούν με γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης έχουμε πολύ αργή σύγκλιση και γενικά υψηλό όριο σφάλματος. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι, προκειμένου να έχουμε γρήγορη σύγκλιση των προσαρμοστικών αλγορίθμων και αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής για τα συστήματα MIMO, είναι απαραίτητη η χρήση μη γραμμικών τεχνικών ισοστάθμισης. Αρχικά χρησιμοποιούμε την μέθοδο της γενικευμένης ανατροφοδότησης συμβόλων GDFE ενώ στη συνέχεια μελετάμε μία σύγχρονη τεχνική ανατροφοδότησης συμβόλων που χρησιμοποιεί ένα κριτήριο διάταξης για την ακύρωση των συμβόλων (OSIC ή V-BLAST). Όπως διαπιστώνεται και από τις εξομοιώσεις η συγκεκριμένη τεχνική επιτυγχάνει το χαμηλότερο όριο σφάλματος, αλλά με αυξημένο υπολογιστικό κόστος. Επίσης, διαπιστώνουμε ότι η εφαρμογή της τεχνικής αυτής με χρήση του τροποποιημένου αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων δεν είναι εφικτή. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, περιγράφουμε μια συγκεκριμένη υλοποίηση της τεχνικής διατεταγμένης ακύρωσης που κάνει χρήση του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων με μειωμένη πολυπλοκότητα. Στη συνέχεια γενικεύουμε την εφαρμογή της για την περίπτωση των αλγορίθμων Συζυγών Κλίσεων, και διαπιστώνουμε ότι ο τροποποιημένος αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ούτε σε αυτήν την περίπτωση. Για την υλοποίηση ενός συστήματος OSIC με χρήση του αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων είναι απαραίτητη η χρήση ενός αλγορίθμου που δεν έχει χρονική εξάρτηση σύγκλισης, όπως είναι ο βασικός αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων. / Wireless systems with multiple antenna configurations has recently emerged as one of the most significant technical breaktroughs in modern communications. However, because of the extremly random nature of the wireless channels, we have to use modern equalization methods in order to defeat the signal degradation. Adaptive equalization at the receiver of the telecommunication system can be used to compete this dynamic nature of the wireless channel and track the changes of its characteristics. Furthermore, nonlinear decision feedback methods are nessesary for the cancellation of the intersymbol interference which occurs with these systems. This work involves with adaptive equalization methods at the receiver of the telecommunication system. We use the following adaptive algorithms so as to minimize the error : the Recursive Least Squares algorithm (RLS), the iterative Conjugate Gradient algorithm (CG) and the iterative Modified Conjugate Gradient algorithm (MCG). When these algorithms are used with linear methods, they give very slow converge and high final error. So, it is neccessary to use nonlinear equalization methods in order to succeed fast converge rate and deal with the increazed intersymbol interference for MIMO systems. Firstly we use the generalized decision feedback method (GDFE), and then the modern method of ordered successive cancellation method (OSIC or V-BLAST). Based on the emulations we conclude that the last method succeed the lower error, but with high computational cost. Furthermore, we can't use OSIC method with Modified Conjugate Gradient algorithm. In this work, we describe a specific implementation of the OSIC method which uses RLS algorithm with low computational complexity. So we generalize its usage with the Conjugate Gradient algorithms. Finaly, we conclude that we can't also use MCG with OSIC method with low computational complexity. In order to construct an OSIC system based on Conjugate Gradient algorithm, the algorithm must not operate on time basis, like basic Conjugate Gradient algorithm does.

Με τα δίκτυα αισθητήρων μπορούμε να παρακολουθούμε το περιβάλλον και να εξάγουμε χρήσιμη πληροφορία με αυτόματο τρόπο. Τα τελευταία χρόνια, λόγω και της ανάπτυξης κατάλληλων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, έχουν εμφανιστεί κόμβοι αισθητήρων σε πολύ μικρό μέγεθος. Αυτοί οι κόμβοι έχουν την δυνατότητα να επεξεργάζονται δεδομένα, να επικοινωνούν μεταξύ τους και να περιέχουν περισσότερα από ένα είδη αισθητήρων. Η συγκεκριμένη εργασία ασχολείται με δίκτυα τυχαία διασκορπισμένων αισθητήρων. Το πρόβλημα που μελετήθηκε είναι ο εντοπισμός της θέσης πολλαπλών πηγών από το δίκτυο. Οι πηγές εκπέμπουν ευρείας ζώνης σήματα που μοντελοποιούνται ως διαδικασίες AR. Η τεχνική λειτουργεί με έναν σειριακό τρόπο. Επιλέγει μια πηγή, εκτιμά τις διαφορές χρόνων άφιξης του σήματός της και υπολογίζει την θέση της πηγής χρησιμοποιώντας το κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων. Στην συνέχεια, ακυρώνει το σήμα της πηγής από τα σήματα που έχουν λάβει οι κόμβοι του δικτύου και η όλη διαδικασία ξεκινάει από την αρχή. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν την επιτυχή λειτουργία της στην περίπτωση που υπάρχει στην περιοχή του δικτύου μια, δυο ή τρεις πηγές. / Sensor networks are used for monitoring an environment and extracting useful information in an automated way. In recent years, mostly because of the development of suitable integrated circuits, sensor nodes, in small sizes, have emerged. These nodes are capable of processing data, communicating with each other and multi-modal sensing. The thesis is concerned with ad-hoc sensor networks. The problem, that is tackled, is the estimation of position of sources in a multi-source environment. The signals, that are emitted, are modelled as AR processes. The proposed method works in a serial manner. Firstly, one of the sources is selected and the time differences of arrival among the sensor nodes are computed. Then, the position of the source is estimated using the least squares criterion. Finally, the signal of the source is cancelled from the sensor nodes’ received signals and the whole procedure starts over. Experimental results show the functionality of the method when one, two or three sources are present in the environment.