Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-02-06T03:14:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 349771.pdf: 10515551 bytes, checksum: d6e6f97761e28c5a18bd2ca61612793a (MD5) Previous issue date: 2017 / A deficiência auditiva, também conhecida como surdez, consiste na perda parcial ou total da capacidade de audição de um indivíduo. De forma geral, essa limitação pode ser compensada pela utilização de aparelhos auditivos. Esses dispositivos são projetados não apenas para amplificar o campo acústico nas adjacências do ouvido, mas também para aumentar a inteligibilidade e o conforto acústico do usuário. Apesar do avanço da tecnologia digital, estudos recentes relatam a insatisfação dos usuários com relação a diferentes aspectos, entre eles: a amplificação do ruído ambiente, a realimentação acústica e o efeito de oclusão. Essas características tendem a reduzir o tempo de uso diário do aparelho pelos usuários.A realimentação acústica decorre do acoplamento acústico entre o alto-falante e o microfone do aparelho auditivo e se manifesta na forma de um apito estridente que causa desconforto físico ao usuário, podendo ser ouvido por pessoas no seu entorno. A prevenção da realimentação acústica usualmente é realizada através da limitação do ganho máximo do dispositivo, da utilização de canceladores ativos de realimentação ou do estreitamento ou fechamento do canal auditivo por um molde (de forma a aumentar a impedância acústica entre alto-falante e microfone). Embora o estreitamento ou fechamento do canal auditivo seja o método mais usual e efetivo, sua utilização resulta no chamado efeito de oclusão. O efeito de oclusão ocorre quando o aparelho auditivo, posicionado na porção cartilaginosa do canal, possui uma abertura de ventilação com tamanho insuficiente para promover a necessária dissipação de energia sonora conduzida ao canal auditivo através do crânio e da mandíbula, causando aumento significativo de potência em baixas frequências (predominantemente na faixa de 200 a 500 Hz) e fazendo com que o usuário ouça sua própria voz de forma abafada. Este trabalho apresenta, inicialmente, a análise de um sistema de cancelamento de realimentação na presença do efeito de oclusão. Simulações para validação do modelo mostraram que o efeito de oclusão não altera o desempenho do sistema de cancelamento. Como contribuição principal, um novo sistema adaptativo de controle ativo de ruído para reduzir o efeito de oclusão em aparelhos auditivos sem duto de ventilação é proposto. Em contraste com os canceladores de efeito de oclusão previamente desenvolvidos, esse sistema oferece uma estrutura de cancelamento não realimentada, que permite a análise de seu comportamento como um problema de identificação de um filtro linear com resposta ao impulso finita. Equações recursivas determinísticas foram derivadas para predição do erro quadrático médio e comportamento médio dos coeficientes, tanto para transitório como em regime permanente. Tais modelos são de particular interesse para os projetistas de aparelhos auditivos como ferramentas de guia para definir parâmetros ótimos, de forma a obter o desempenho desejado. As simulações computacionais concordam com as predições teóricas obtidas pelas equações derivadas, indicando uma redução média de 5,4 dB do efeito de oclusão na faixa de 200-500 Hz. Experimentos subjetivos corroboram a funcionalidade da arquitetura proposta. / Abstract : Hearing loss is the partial or total loss of hearing ability of an individual. In general, this limitation can be compensated by the use of hearing aids. These devices are designed not only to amplify the sound field in the vicinity of the ear, but also to increase the intelligibility and acoustic comfort of the user. Even with the advancement of digital technology, recent studies have reported the dissatisfaction of users with respect to several aspects, including: environmental noise amplification, acoustic feedback and occlusion effect. Such characteristics tend to reduce the daily use of the device by users.The acoustic feedback results from the acoustic coupling between the loudspeaker and the microphone of the hearing aid, and is manifested as a shrill whistle that causes physical discomfort to the user and it is perceived by the user and people around as an unpleasant sound. Prevention of acoustic feedback is usually accomplished by limiting the maximum gain of the device, the use of active feedback cancellers or by narrowing or closing of the auditory canal by a mould (in order to increase the acoustic impedance between loudspeaker and microphone). The narrowing or closure of the auditory canal is the most common and effective method, but its use reinforces the occlusion perception. The occlusion effect occurs when the earmould, placed in the cartilaginous part of the ear canal, has a ventilation oppening insufficient to dissipate the necessary acoustical energy conducted to the ear canal through the skull and jaw, resulting in a power increase at low frequencies (predominantly in the range of 200 to 500 Hz), leading the user to perceive a muffled version of his own voice.This work presents, initially, an analysis of a feedback system cancellation in the presence of the occlusion effect. The predicted results of the mean weight behaviour are compared with simulations to show that the occlusion effect does not affect the feedback system performance. Following, a new adaptive active-noise-control system to reduce the occlusion effect in unvented hearing aids is proposed. In contrast to previously developed occlusion-effect cancellers, this system is based on a feedforward cancelling structure that permits the analysis of its behaviour as a finite-impulse-response linear-filter identification problem. Deterministic recursive equations were derived with the aim to theoretically predict its mean square error and mean coefficient behaviour, both in transient and steady state conditions. Such models are of particular interest to hearing aid designers as guide tools for setting parameters to obtain a desired performance. Computational simulations accurately agree with theoretical predictions obtained by the derived equations, indicating a mean reduction of 5.4 dB of the occlusion effect in the range of 200?500 Hz. Subjective experiments corroborate the functionality of the proposed architecture.

O uso de técnicas de processamento digital de sinais e de processamento adaptativo de sinais possibilita a resolução de problemas que dificilmente seriam resolvidos do modo analógico convencional. O desenvolvimento da microeletrônica e da teoria de análise de sistemas discretos no tempo permitiu a aplicação destas técnicas para a resolução de problemas em "tempo real", com custo economicamente viável e com algumas caracteristicas vantajosas em relação a implementações analógicas. O presente trabalho evidencia a relação entre o problema de separação de sinais e a Instrumentação. Apresenta-se em detalhes o "cancelador adaptativo de ruído". É estudada a base teórica para o desenvolvimento de estruturas e algoritmos de filtros adaptativos. As principais estruturas e algoritmos de filtros adaptativos de resposta ao impulso de duração finita (FIR) são examinadas. São apresentados algoritmos para filtros adaptativos de resposta ao impulso de duração infinita (IIR.) e estrutura direta. Problemas que estas estruturas enfrentam são salientados. Mostra-se uma aplicação da técnica de· separação de sinais com filtros adaptativos ao problema de cancelamento de eco em linha telefônica. É implementado um cancelador de eco em um equipamento baseado no microprocessador TMS320C25. Os problemas de implementação em tempo real são discutidos. São feitas comparações de desempenho de algumas estruturas e algoritmos de filtros adaptativos para este problema. Medidas de desempenho do sistema implementado e sugestões para a sua melhoria são apresentadas. / The use of digitai signal processing and adaptive signal processing techniques makes it possible to solve problems that would hardly be solved by conventional analog techniques. The development of microeletronic and of discrete-time systems theory permitted the application of these techniques to the solution of real-time problems, with an economically viable cost and with some advantageous characteristi~s over analog technology implementations. The present work evinces the relation between the signals separation problem and lnstrumentation. The adapt_ive noise canceller is presented in details. It is studied the theoretical basis for the development of structures and algorithms of adaptive filters. The main structures and algorithms for adaptive filters with finite duration impulse response (FIR) are examined. Algorithms are presented for adaptive filters with infinite duration impulse response (IIR) and direct structure. Problems that these structures face are pointed out. An application of the technique of signals separation with adaptive filters to the problem of echo canceling in telephone lines is showed . An echo canceller is implemented on a TMS320C25 microprocessor based equipment. Problems of real-time implementation are discussed. Comparisons of some adaptive filter structures and algorithms performance for this problem are made. Measures of the implemented system performance and suggestions for its improvement are showed.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2015-12-01T03:11:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336273.pdf: 2429657 bytes, checksum: e58d71dde1458de4d676a4717ce67e28 (MD5) Previous issue date: 2015 / Este trabalho de pesquisa apresenta uma nova política de distribuição de ganho para algoritmos tipo proporcional baseada na convergência individual dos coeficientes. Para isso, uma taxa de variação suavizada e normalizada da magnitude do coeficiente é concebida para avaliação de convergência individual dos coeficientes. A nova abordagem visa melhorar a distribuição de ganho durante o processo adaptativo. Para tal, ganhos associados a coeficientes ativos que estão na vizinhança de seus valores ótimos são reduzidos e redistribuídos a outros coeficientes visando, assim, acelerar a velocidade de convergência global do algoritmo. A partir da nova política de distribuição de ganho, três novas versões de algoritmos tipo proporcional são derivadas. Além disso, uma nova versão do algoritmo adaptativo proporcional ao desvio quadrático médio dos coeficientes (z2 proportionate) é apresentada. Este último algoritmo combina uma distribuição de ganho proporcional com ganho uniforme. Tal estratégia é dependente do conhecimento do nível de potência do ruído de medição presente no sistema que, na prática, não está sempre disponível. Assim, para contornar essa dependência, um novo procedimento de distribuição de ganho baseado na autocorrelação do sinal de erro é apresentado e discutido. O novo algoritmo supera o algoritmo original em termos de velocidade de convergência e resposta a perturbações na planta. Por fim, uma nova política de distribuição de ganho para algoritmos tipo proporcional para operação em ambientes com elevada esparsidade é proposta. A nova política utiliza uma função de amplificação do ganho de coeficientes ativos visando aumentar sua velocidade de convergência. A partir da nova política, dois novos algoritmos para operação com plantas cujas respostas ao impulso exibem elevada esparsidade são introduzidos. Resultados de simulação corroboram a eficácia dos algoritmos propostos.<br> / Abstract : This research work presents a new gain distribution policy for proportionate-type algorithms based on individual-coefficient convergence. To this end, a normalized and smoothed variation rate of the individual-coefficient magnitude is derived in order to assess the individual-coefficient convergence. The new approach aims to enhance the gain distribution during the adaptation process. Thereby, gains of the active coefficients that are close to their optimum values are reduced and redistributed to other coefficients, increasing the convergence speed of the algorithm. By using this policy, three new versions of proportionate algorithms have been conceived. Moreover, an alternative version of the mean-square weight deviation-proportionate gain algorithm (z2 proportionate) is introduced. This latter algorithm applies a rule combining the mean-square weight deviation-proportionate gain and a uniform gain to obtain the whole algorithm gain distribution. Such a rule is strongly dependent on the knowledge of the measurement noise variance, requiring therefore its estimate. Thereby, a novel approach aiming to circumvent such a dependence, based on error autocorrelation, is presented and discussed. Lastly, a new proportionate gain distribution strategy for operating with plants exhibiting high sparseness is proposed. The new policy uses an amplification function of the gain assigned to active coefficients in order to increase their convergence rate. Thereby, two proportionate algorithms have been developed. Through numerical simulation results, the effectiveness of the proposed algorithms is verified.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2015-12-01T03:11:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 336272.pdf: 2845908 bytes, checksum: 3888317ba07b21756b86238de370756a (MD5) Previous issue date: 2015 / Este trabalho de pesquisa trata da modelagem estocástica de três algoritmos adaptativos bem conhecidos da literatura, a saber: o algoritmo NLMS (normalized least-mean-square), o algoritmo IAF PNLMS (individual-activation-factor proportionate NLMS) e o algoritmo TDLMS (transform-domain least-mean-square). Particularmente para o algoritmo NLMS, um modelo estocástico analítico é obtido levando em conta um ambiente não estacionário e sinais de entrada gaussianos complexos. Baseado nas expressões de modelo, o impacto dos parâmetros do algoritmo sobre o seu desempenho é discutido, evidenciando algumas das características de rastreamento do algoritmo NLMS frente ao ambiente não estacionário considerado. Para o algoritmo IAF-PNLMS, assumindo um ambiente estacionário, um modelo estocástico mais preciso do que os até então disponíveis na literatura é apresentado, considerando sinais de entrada gaussianos correlacionados tanto complexos quanto reais. Com respeito ao algoritmo TDLMS, um modelo estocástico melhorado é derivado focando em um ambiente não estacionário e sinais de entrada gaussianos correlacionados reais. A partir das expressões de modelo obtidas, o impacto dos parâmetros do algoritmo TDLMS sobre o seu desempenho é discutido. Resultados de simulação para diferentes cenários de operação são mostrados, confirmando a precisão dos modelos estocásticos propostos tanto na fase transitória quanto em regime permanente.<br> / Abstract : This research work focuses on the stochastic modeling of three well-known adaptive algorithms from the literature, namely: the normalized least-mean-square (NLMS) algorithm, the individual-activation-factor proportionate NLMS (IAF-PNLMS) algorithm, and the transform-domain least-mean-square (TDLMS) algorithm. Particularly for the NLMS algorithm, an analytical stochastic model is obtained taking into account a nonstationary environment and complex-valued Gaussian input data. Based on the obtained model expressions, the impact of the algorithm parameters on its performance is discussed, clarifying some of the tracking properties of the NLMS algorithm vis-à-vis the nonstationary environment considered. For the IAF-PNLMS algorithm, assuming a stationary environment, a more accurate stochastic model than those available so far in the literature is presented considering both complex- and real-valued Gaussian correlated input data. Regarding the TDLMS algorithm, an improved stochastic model is derived focusing on a nonstationary environment and real-valued Gaussian correlated input data. From the obtained model expressions, the impact of the TDLMS algorithm parameters on its performance is discussed. Simulation results for different operating scenarios are shown, confirming the accuracy of the proposed stochastic models for both transient and steady-state phases.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-09T03:06:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337504.pdf: 720136 bytes, checksum: d08c5d76ff619a7e1edcf55572d8b4a8 (MD5) Previous issue date: 2015 / Este trabalho apresenta um novo modelo de comportamento do algoritmo de Pseudo Projeções Afins (PAP) sob as seguintes condições: identificação de sistemas, passo de adaptação arbitrário, correção do problema de inicialização e ordem do algoritmo PAP menor que a ordem da entrada autoregressiva (AR). Para tanto, hipóteses simplificadoras utilizadas na literatura são reavaliadas. Complementarmente, uma generalização para o estimador de mínimos quadrados, utilizado durante o processo de adaptação do algoritmo PAP é proposta, considerando o caso onde o algoritmo opera com ordem menor do que o sinal AR. Como resultado dessas considerações, um novo modelo estocástico é obtido para o algoritmo PAP. As equações aqui obtidas corroboram com as simulações de Monte Carlo do algoritmo PAP.<br> / Abstract : This works presents a new model for the behaviour of the Pseudo Affine Projection Algorithm (PAP) under the following conditions: system identification, arbitrary step size, correction of initialization effect and projection order of PAP algorithm smaller than the autoregressive input(AR) order. For this purpose, the simplifying assumptions used on the literature are revalued. Complementary, a generalization to the least squares estimator, used in the during the adaptation process of the PAP algorithm, is proposed considering the case that the PAP algorithm operates with smaller order than the AR signal. As a result of those considerations, a new stochastic model is obtained to the PAP algorithm. The equations derived agrees with the Monte Carlo simulation of the PAP algorithm.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-26T11:34:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2013-07-16T20:55:04Z : No. of bitstreams: 1 309939.pdf: 4352344 bytes, checksum: 0535613da00725ae9a3e9b7d04f2957c (MD5) / Neste trabalho, um novo algoritmo LMS normalizado proporcional (PNLMS) é proposto. Tal algoritmo usa fatores de ativação individuais para cada coeficiente do filtro adaptativo, em vez de um fator de ativação global como no algoritmo PNLMS padrão. Os fatores de ativação individuais do algoritmo proposto são atualizados recursivamente a partir dos correspondentes coeficientes do filtro adaptativo. Essa abordagem conduz a uma melhor distribuição da energia de adaptação entre os coeficientes do filtro. Dessa forma, para respostas ao impulso com elevada esparsidade, o algoritmo proposto, denominado algoritmo PNLMS com fatores de ativação individuais (IAF PNLMS), atinge maior velocidade de convergência do que os algoritmos PNLMS padrão e PNLMS melhorado (IPNLMS). Também, uma metodologia de modelagem estocástica dos algoritmos da classe PNLMS é apresentada. Usando essa metodologia, obtém-se um modelo estocástico que prediz satisfatoriamente o comportamento do algoritmo IAF PNLMS tanto na fase transitória quanto na estacionária. Através de simulações numéricas, a eficácia do modelo proposto é verificada. Adicionalmente, uma versão melhorada do algoritmo IAF PNLMS, denominada EIAF PNLMS, é proposta neste trabalho, a qual usa uma estratégia de redistribuição de ganhos durante o processo de aprendizagem, visando aumentar os ganhos atribuídos aos coeficientes inativos quando os ativos aproximam-se da convergência. Resultados de simulação mostram que tal estratégia de redistribuição melhora significativamente as características de convergência do algoritmo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2013-06-25T19:22:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 307747.pdf: 2624849 bytes, checksum: 3afe0c1e6fd95746bf980920a37f7a07 (MD5) / A deficiência auditiva é um mal que atinge parcela significativa da população mundial. Sistemas de auxílio à audição têm se apresentado como importantes aliados na redução dos problemas de comunicação decorrentes dessa deficiência. No entanto, ainda hoje apresentam consideráveis limitações, tais como problemas de realimentação acústica e efeito de oclusão. Esse trabalho apresenta a proposta de um sistema adaptativo de controle ativo de ruído para redução do efeito de oclusão em aparelhos auditivos. O efeito de oclusão é causado pelas vibrações das porções cartilaginosas nas paredes do canal auditivo e acarreta desconforto acústico durante a fala do usuário. Para reduzir esse problema, um microfone posicionado internamente ao canal auditivo e um filtro adaptativo são utilizados de forma a produzir uma estimativa do sinal de oclusão em anti-fase. Esta estimativa é aplicada conjuntamente com o sinal processado de fala no alto-falante do dispositivo. Como resultado, obtém-se uma diminuição do desconforto acústico. Resultados de simulações e de experimentos em condições reais demonstram a viabilidade e a funcionalidade da arquitetura proposta. / Hearing impairment is a disease that affects a significant amount of the world's population. Hearing aids have become important allies in reducing communication problems arising from such disabilities. However, hearing aids present some limitations, such as acoustic feedback and occlusion effect. This work presents a proposal of an adaptive active noise control system to reduce the acoustic occlusion effect in hearing aids. Occlusion effect is caused by vibrations at the cartilaginous ear canal walls, and causes discomfort, especially during user's speech. To reduce this problem, a microphone is placed inside the ear canal and an adaptive filter are used to generate an anti-phase estimate of the occlusion signal. This estimate and the processed speech signal are applied to the hearing aid's receiver. The end result of this process is the reduction of the acoustic discomfort. Computer simulations and experiments under real operation conditions illustrate the feasibility and functionality of the proposed architecture.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T17:59:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 197742.pdf: 2078826 bytes, checksum: f1ad2315841dce936658449b13acaeb3 (MD5) / Filtros adaptativos são amplamente utilizados como soluções para o problema do cancelamento de eco acústico (AEC), que surge quando um microfone e um alto-falante estão acoplados acusticamente. Os sistemas acústicos não-estacionários geralmente são descritos com o modelo de Markov de primeira ordem apresentado por Widrow. Na primeira parte deste trabalho é desenvolvido um novo modelo acústico baseado em informações da realidade física do ambiente. Compara-se este com o conhecido modelo de Markov e são apresentadas as vantagens em utilizar este novo modelo na representação de ambientes acústicos em estudos de cancelamento de eco.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-18T18:50:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T01:54:13Z : No. of bitstreams: 1 153170.pdf: 17647460 bytes, checksum: 93bfe24371607386c842e68cfdbd70fe (MD5) / A operação do algoritmo LMS com passo variável pode oferecer vantagens em relação à operação com passo fixo. A adaptação do passo pode acelerar significativamente a dinâmica do algoritmo em ambientes estacionários. Na presença de não-estacionaridades, pode aumentar a capacidade de rastreamento da solução ótima. Utilizando indicativos absolutos de desempenho da convergência com passo variável e uma caracterização mais eficiente do processo adaptativo, derivou-se uma metodologia de avaliação e projeto de uma ampla classe dos inúmeros algoritmos propostos na literatura. Vários exemplos demostram a aplicação da metodologia na avaliação e projeto de algoritmos existentes, ilustrando sua eficiência quando comparada a outras metodologias, mesmo em ambientes sujeitos a certos tipos de não-estacionaridades. Revela-se a potencialidade das estruturas de controle do passo baseadas na filtragem de alguma variável do processo adaptativo. Quando projetadas pela metodologia proposta, apresentam desempenho superior a algoritmos mais complexos. Em decorrência da análise do caso com passo variável, derivou-se uma nova expressão para o passo de adaptação que maximiza a velocidade de convergência em implementações com passo fixo. Comparado aos resultados clássicos, o passo calculado pela nova expressão acelera a convergência e fornece desajustes menores em regime permanente.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-19T00:32:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T03:28:58Z : No. of bitstreams: 1 172499.pdf: 38594896 bytes, checksum: 8eb495de1be467f13160055357a2675e (MD5)