Approved for public release; distribution is unlimited / The Electrical and Computer Engineering Department at the Naval Postgraduate School has a need for additional software to be used in instructing students studying digital signal processing. This software will be used in a PC lab or at home. This thesis provides a set of disks written in APL (A Programming Language) which allows the user to input arbitrary signals from a disk, to perform various signal processing operations, to plot the results, and to save them without the need for complicated programming. The software is in the form of a digital signal processing toolkit. The user can select functions which can operate on the signals and interactively apply them in any order. The user can also easily develop new functions and include them in the toolkit. The thesis includes brief discussions about the library workspaces, a user manual, function listings with examples of their use, and an application paper. The software is modular and can be expanded by adding additional sets of functions. / http://archive.org/details/pcsoftwarefortea00katz / Major, Israeli Air Force

This thesis concerns blind source separation techniques using second order statistics and higher order statistics for reverberant environments. A focus of the thesis is algorithmic simplicity with a view to the algorithms being implemented in their online forms. The main challenge of blind source separation applications is to handle reverberant acoustic environments; a further complication is changes in the acoustic environment such as when human speakers physically move. A novel time-domain method which utilises a pair of finite impulse response filters is proposed. The method of principle angles is defined which exploits a singular value decomposition for their design. The pair of filters are implemented within a generalised sidelobe canceller structure, thus the method can be considered as a beamforming method which cancels one source. An adaptive filtering stage is then employed to recover the remaining source, by exploiting the output of the beamforming stage as a noise reference. A common approach to blind source separation is to use methods that use higher order statistics such as independent component analysis. When dealing with realistic convolutive audio and speech mixtures, processing in the frequency domain at each frequency bin is required. As a result this introduces the permutation problem, inherent in independent component analysis, across the frequency bins. Independent vector analysis directly addresses this issue by modeling the dependencies between frequency bins, namely making use of a source vector prior. An alternative source prior for real-time (online) natural gradient independent vector analysis is proposed. A Student's t probability density function is known to be more suited for speech sources, due to its heavier tails, and is incorporated into a real-time version of natural gradient independent vector analysis. The final algorithm is realised as a real-time embedded application on a floating point Texas Instruments digital signal processor platform. Moving sources, along with reverberant environments, cause significant problems in realistic source separation systems as mixing filters become time variant. A method which employs the pair of cancellation filters, is proposed to cancel one source coupled with an online natural gradient independent vector analysis technique to improve average separation performance in the context of step-wise moving sources. This addresses `dips' in performance when sources move. Results show the average convergence time of the performance parameters is improved. Online methods introduced in thesis are tested using impulse responses measured in reverberant environments, demonstrating their robustness and are shown to perform better than established methods in a variety of situations.

Any periodic signal can be decomposed into a sum of oscillating functions. Traditionally, cosine and sine segments have been used to represent a single period of the periodic signal (Fourier Series). In more general cases, each of these functions can be represented by a set of spectral parameters such as its amplitude, frequency, phase, and the variability of its instantaneous spectral components. The accuracy of these parameters depends on several processing variables such as resolution, noise level, and bias of the algorithm used. This thesis presents some background of existing frequency estimation techniques and proposes a new technique for estimating the instantaneous frequency of signals using short sinusoid-like basis functions. Furthermore, it also shows that the proposed algorithm can be implemented in a popular embedded DSPmicroprocessor for practical use. This algorithm can also be implemented using more complex features on more resourceful processing processors in order to improve estimation accuracy

Este trabalho discute um novo método para a melhoria da qualidade de sinais de fala degradados por ruído aditivo branco de elevada intensidade (SNR segmentada variando de 10 a 3 dB). A técnica apresentada baseia-se na soma ponderada entre um sinal obtido por subtração espectral e um sinal sintetizado, produzido de acordo com o modelo digital de produção de fala (análise e síntese LPC). Para a estimação dos coeficientes LPC e período de pitch, foi implementado um pré-processador baseado na técnica de subtração espectral (modificada especialmente para este propósito), o que melhora significativamente a qualidade geral do sinal de fala sintetizado. A soma ponderada entre o sinal obtido por subtração espectral e o sinal sintetizado permite a reconstrução de regiões espectrais perdidas devido aos efeitos da aplicação da subtração espectral, bem como a eliminação do ruído musical. Os testes realizados com frases foneticamente balanceadas lidas por diversos locutores permitem observar que o método proposto oferece melhores resultados do que a subtração espectral. O sinal de fala obtido apresenta também maior clareza e naturalidade, sem o inconveniente do ruído musical. / The present work discusses a new method to enhance speech signals degraded by white additive noise in high-noise environments (segmented SNR varying from 10 to 3 dB). The approach presented here is based upon a weighted sum involving a speech signal obtained from spectral subtraction and a synthetized speech signal, which is produced according to the concepts of the digital model of speech production (LPC analysis and synthesis). A spectral subtraction-based pre-processor was specifically implemented for LP coeficients and pitch period estimation, which significantly improves the overall quality of the synthetized speech signal. The weighted combination of these two speech signals allows the reconstruction of spectral regions lost due to the effects of spectral subtraction, as well as the elimination of musical noise. Tests conducted with phonetic-ballanced sentences from several speakers show that the proposed method offers better results than spectral subtraction, producing a more natural and clear enhanced speech signal, without the common artifact of musical noise.

Redes inteligentes de antenas vêm ganhando uma importância cada vez maior na expansão e no aperfeiçoamento de sistemas de telefonia celular, principalmente para sistemas de 3a geração, que necessitarão de uma banda de transmissão ainda maior. Neste sentido, são muitas as contribuições da comunidade científica para este tema, com o objetivo de determinar a direção de chegada dos sinais incidentes na rede, de diminuir a interferência de um sinal sobre o outro e de sintetizar diagramas de radiação desejados. Na maior parte dos casos, porém, as antenas utilizadas nas simulações são consideradas ideais, desprezando-se os efeitos de acoplamento mútuo entre os seus elementos. Neste trabalho, através de simulações numéricas, é analisado o impacto da utilização de antenas reais no desempenho de sistemas de antenas inteligentes, levando-se em conta todas as características intrínsecas como acoplamento mútuo e diagramas de radiação reais dos seus elementos. Além disso, são propostas soluções para a utilização de redes de antenas reais através de métodos e procedimentos que possam contribuir para melhor precisão e confiabilidade dos resultados correspondentes. Dessa forma, é apresentado um método de processamento adaptativo em rede ideal equivalente, que leva a uma solução para formação de feixe em enlace de descida de sistemas de telefonia celular, utilizando-se uma transformação de rede real em rede ideal. É também investigada a dependência de velocidade de convergência e dos erros resultantes no processo acima citado em função da escolha da geometria da rede ideal. Apresenta-se, ainda, uma nova configuração de rede com redução de acoplamento mútuo, investigando-se a melhoria de características como nível de lóbulos secundários e precisão na determinação de direção de chegada de sinais em redes de antenas inteligentes. / Smart antenna arrays are becoming more important in the expansion and in the enhancement of cellular telephony systems, specially in the third-generation that will need an even larger bandwidth. In this subject, many contributions from the scientific community have been provided with the goal of determining direction-of-arrival for incident signals, eliminating interference between different signals and of synthesizing desired radiation patterns. On most cases, however, the antennas employed in the simulations are ideal antennas, where one disregards the mutual coupling effects between each pair of elements. In this work, the impact of using real antennas in the behavior of smart antenna systems is analyzed through numerical simulations, taking into account intrinsic features such as mutual coupling and real radiation patterns of its elements. On top of that, solutions are proposed for the utilization of real antenna arrays through methods and procedures that may contribute to a better precision and reliability of the related results. In this sense, it is initially presented an adaptive process method that leads to a solution for downlink beamforming in cellular systems, using a transformation of the real array into an ideal array. The dependence of convergence speed and errors on the choice of the ideal array geometry is also investigated. Next, a new array configuration with reduced mutual coupling is presented, and improvements in characteristics such as secondary lobe level and direction-of-arrival determination precision on smart antenna arrays are investigated.

Neste trabalho faz-se um estudo sobre filtros IIR adaptativos e é apresentada uma estrutura polifásica para filtragem IIR adaptativa, que, em troca de um aumento de complexidade computacional, pode apresentar características mais favoráveis do que a estrutura direta comumente usada. O aumento da complexidade computacional, relativamente a um algoritmo do tipo newton, por exemplo, é pequeno. Apresenta-se uma análise dos efeitos da proximidade ao círculo unitário dos pólos do sistema sendo modelado. Um dos efeitos considerados é o comportamento limite do condicionamento da matriz de estados associada ao algoritmo de adaptação. São considerados algoritmos de adaptação de passo constante de uso comum para filtros IIR adaptativos. O método utilizado é particularmente útil para a verificação do efeito da posição dos pólos do sistema sendo modelado e também para a introdução de certas restrições ao mesmo, como, por exemplo, norma L2 fixa e resposta em freqüência passa-tudo. Um resultado interessante é que a única situação, entre as testadas, em que o condicionamento da matriz mencionada não tende a infinito quando um número qualquer de polosndo sistema sendo modelado H(z) se aproxima da circunferência unitária, é quando H(z) é passa-tudo e emprega-se o algoritmo PLR. São analisadas também a superfície de erro e a superfície de erro reduzida para filtros IIR adaptativos. Mostra-se que, quando o sistema sendo modelado possui polos próximos à circunferência unitária, a superfície de erro reduzida apresenta regiões planas com erro quadrático médio elevado. A existência destas regiões resulta em uma baixa velocidade de convergência global de algoritmos de passo constante. A partir da decomposição em valores singulares (SVD) da forma de Hankel do sistema sendo modelado, é apresentada também uma decomposição da superfície de erro reduzida, a partir da qual pode-se obter uma separaçãoparcial dos efeitos do sistema sendo modelado e da forma de realização do filtro adaptativo. Uma estrutura polifásica para filtragem IIR adaptativa é apresentada e seu desempenho é comparado com o de filtros IIR adaptativos na forma direta. Mostra-se o possível ganho da estrutura polifásica quanto à velocidade de convergência local e quanto às características da superfície de erro reduzida e à velocidade de convergência global. Demonstra-se, para a estrutura polifásica, que, com entrada branca e modelamento suficiente, todos os pontos estacionários da superfície de erro são mínimos globais da mesma. Este resultado não decorre diretamente de propriedades análogas relativas à estrutura direta, já conhecidas. Tudo para a estrutura direta quanto para a estrutura polifásica, são apresentados os resultados de várias simulações dos algoritmos de adaptação considerados. / A study on IRR adaptive filters and polyphase structure for IIR adaptive filtering are presented. In exchange for an increase in computational complexity, which is small if compared to Newton algorithms, the polyphaser structure may exhibit a better performance than direct structures. An analysis of the effects of the proximity to the unit circle of the modelled system\'s poles is presented. One of the considered points is the limiting behavior of the condition of the state matrix related to the adaptive algorithm. Commonly used constant gain algorithms are considered. The method of analysis is specially usefull for verifying the effects of the position of the system\'s poles and also for introducing certain restrictions to the system, as fixed L2 norm and all-pass frequency response. An interesting result is that, among the situations that were tested, the only one in which the condition of the aforementioned matrix does not tend to infinity as the poles of the modelled system H(z) tend to the unit circle is when H)z) is all-pass and the PLR algorithm is employed. The error surface and the reduced error surface for IIR adaptive filters are also analyzed. It is shown that the modelled system has poles close to the unit circle the reduced error surface presents flat regions with high mean square error. The presence of these flat regions results in low global convergence speed for constant gain adaptive algorithms. Based on the singular value decomposition (SVD) of the modelled system\'s Hankel form, a decomposition of the reduced error surface is also presented. In it there exists a partial separation of the effects of the system and the adaptive filter\'s structure. A polyphaser structure for IIR adaptive filtering is presented and its performance is compared to the performance of the direct structure. The gain in local convergence and global convergencespeed, as well as the better behavior of the reduced error surface which may be attained , are shown. It is demonstrated, for the polyphaser structure, that, with while input and sufficient modelling, all the stationary points of the error surface are global minima. This result does not follow directly from similar well known results for the direct structure. Simulation results for the considered algorithms are also presented.

A caracterização das patologias da laringe até o presente momento é predominantemente realizada de forma qualitativa. Alguns trabalhos recentes têm quantificados parâmetros acústicos no intuito de discriminar as diversas patologias. Este trabalho verifica os valores médios das diversas medidas acústicas da voz e as relaciona com as diferentes patologias. Desta forma, futuramente será possível utilizar estes valores para quantificar e acompanhar diferentes estágios do tratamento da patologia. O conjunto de valores médios compõem o que chamamos de perfil acústico. / Until now the characterization of larynx pathologies has been done in a subjective manner. Recently some researches have been conducted in order to quantify acoustic parameters mainly to discriminate the larynx pathologies. In this work several acoustic parameters of voice was evaluated and their correlation with the pathologies were established. In the future, would be possible to use these parameters to quantify and to follow the therapy procedures. These values constitute the acoustic profile of the pathologies.

A eletromiografia consiste no estudo do movimentos dos músculos através dos sinais elétricos emitidos pelos mesmos. Esses sinais são captados por meio de eletrodos (de surpefície ou de agulha), sendo muito suscetíveis a variações e interferências não relacionadas diretamente com o movimento muscular (ruídos). Visando obter dados qualitativamente confiáveis, o processamento digital de sinais fornece como ferramentas os filtros ótimos e adaptativos, que são utilizados quando o sinal desajado está contaminado por ruído. Com a finalidade de diminuir o ruído presente no sinal eletromiográfico, foram implementados os filtros de wiener e wiener adaptativo ao algoritmo LMS (least mean square), tendo a análise da relação sinal/ruído dos sinais obtidos demonstrado que não há diferença significativa entre os filtros. Como conclusão, no tratamento de sinais eletromiográficos, pode-se aplicar tanto o filtro de wiener como o de wiener adaptativo, observando-se que este último apresenta a vantagem de consumir menos tempo de processamento. / Electromyography is the study of muscle moviments through the electrical signal that they emanate. These signals are detected with eletrodes (surface or needle), where variations and interferences not directly related with movement are present (noises). Digital signal processing provides optimal and adaptative filters with the aim to get qualitative reliable data. The filters are used when desired signal is corrupted by noise. With the purpose of noise reduction in electromyography signal, wiener and adaptative wiener filters (the last one with least mean square algorithm) were implemented. However, signal-to-noise ratio analysis gave evidence that there is no significative difference between both the filters. As conclusion, in electromygraphy signal treatment, wiener and adaptative wiener filters could be used, with the only difference that the last one takes less processing time.

Este trabalho apresenta a implementação prática de uma rede de microfones para ser utilizada em tempo real. A solução proposta envolve o uso de hardware de baixo custo e software de código aberto. Em termos de hardware, a rede de microfones utilizou dispositivos de áudio USB conectados diretamente a um computador pessoal (PC). Em termos de software, foram utilizados a biblioteca de código aberto Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) e o sistema operacional Linux. Algumas implementações foram realizadas na biblioteca ALSA para que fosse possível a utilização da rede de microfones dentro do Linux. Os algoritmos implementados na biblioteca ALSA foram o Delay and Sum, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) e o Post-Filtering. Os aspectos teóricos dos principais algoritmos empregados nas redes de microfones foram abordados de forma extensa. Os resultados teóricos e práticos desta implementação são apresentados no final deste trabalho. Todo o desenvolvimento de software foi publicado na Internet para que sirva de base para futuros trabalhos. / This work presents the practical implementation of a microphone array to be used in real time. The proposed solution involves the use of low-cost hardware and open source software. In terms of hardware, the microphone array used USB audio devices connected directly to a personal computer (PC). In terms of software, it was used the open-source library Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) and Linux operating system. Some implementations were carried out in ALSA library to make it possible to use the microphone array within Linux. The algorithms implemented in ALSA library were the Delay and Sum, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) and Post-Filtering. The theory of the main algorithms used in microphone array were discussed extensively. The results for the theoretical and practical implementation are presented at the end of this work. All software development was published on the Internet to serve as a basis for future works.

A Sindrome da Apneia Hipopneia obstrutiva do sono (SAHOS) é caracterizada por episódios repetidos de obstrução parcial (hipopneia) ou completa (apneia) das vias aéreas superiores durante o sono. Os efeitos clínicos da SAHOS estão relacionados aos efeitos cumulativos da exposição à asfixia periódica e à fragmentação do sono causada por apneias e hipopnéias, como o aumento do risco de hipertensão, disritmias noturnas, insuficiência ventricular, infarto do miocárdio e acidente vascular cerebral. O padrão ouro para o diagnóstico de SAHOS é a Polissonografia (PSG), na qual requer que o paciente permaneça durante a noite inteira no laboratorio de sono, conectado a diferentes sensores biológicos e sob a supervisão de um técnico. Além do desconforto causado pelos sensores invasivos, a necessidade de um ambiente clínico e infraestrutura altamente especializada resulta em uma longa lista de espera nos laboratórios do sono e altos custos, restringindo assim o acesso ao diagnóstico e tratamento. Para melhorar o monitoramento da evolução da OSA, o acesso ao diagnóstico e o acompanhamento do tratamento, propõe-se uma solução baseada em Mobile Health (mHealth) para utilizar os recursos do smartphone a fim de desenvolver uma estimativa não invasiva da gravidade da SAHOS. Utiliza-se o áudio gravado através de um smartphone para detectar automaticamente os eventos de ronco durante a noite e, através da análise desses eventos, estimar a necessidade do paciente para o tratamento de Pressão Positiva Contínua nas Vias Aéreas (CPAP). Para isso, dividimos nossa solução em duas fases: (i) uma solução completamente não supervisionada para detectar automaticamente os eventos de ronco em um ambiente não controlado e (ii) a análise das características acústicas dos eventos de ronco para estimativa de gravidade da SAHOS. Na primeira fase, podemos comprovar a viabilidade de gravar o áudio e detectar os eventos de ronco usando um smartphone em um ambiente suscetível a ruídos aleatórios. Na segunda fase, mostramos que um conjunto de características acústicas globais dos eventos de ronco pode prever a necessidade do paciente para o tratamento com CPAP. Nossa solução proposta foi avaliada em ambiente não controlado (domicílio do paciente) e controlado (laboratório do sono), atingindo resultados satisfatórios na detecção de eventos de ronco e classificação do paciente de acordo com a necessidade de tratamento com CPAP. / Obstructive Sleep Apnea (OSA) is characterized by repeated episodes of partial (hypopnea) or complete (apnea) obstruction of the upper airway during sleep. The clinical effects of OSA are related to the cumulative effects of exposure to periodic asphyxia and sleep fragmentation caused by apneas and hypopneas, such as an increased risk of hypertension, nocturnal dysrhythmias, ventricular failure, myocardial infarction, and stroke. The current gold standard for diagnosing OSA is the overnight Polysomnography (PSG), which requires a full-night sleep laboratory stay, attached to different biological sensors and under the supervision of a technician. Besides the discomfort caused by the invasive sensors, the necessity of a clinical setting and highly specialized infrastructure results in a long waiting list in sleep laboratories and high costs, thus restricting the access to diagnosis and treatment. To improve monitoring of OSA evolution, access to diagnosis and treatment follow up, we propose a Mobile Health (mHealth) solution to take advantage of the smartphone capabilities to deploy a non-invasive OSA severity estimation. We make use of the audio recorded through a smartphone to automatically detect snoring events throughout the night and through the analysis of such events estimate patient’s necessity for Continuous Positive Airway Pressure (CPAP) therapy. For that, we have divided our solution into two phases: (i) a completely unsupervised solution to automatically detect the snoring events in an uncontrolled environment and (ii) the analysis of acoustical features of the snoring events for OSA severity estimation. In the first phase, we can prove the viability of recording the audio and detect the snoring events using a smartphone under an environment susceptible to random noises. In the second phase, we show that a set of global acoustical features from the snoring events can predict the patient’s need for the CPAP therapy. Our proposed solution was evaluated in an uncontrolled (patient’s home) and controlled (sleep laboratory center) environment, reaching satisfactory results in snoring events detection and patient’s classification according to the need for CPAP therapy.