The theoretical problem of finding the solution to an underdeterminedset of linear equations has for several years attracted considerable attentionin the literature. This problem has many practical applications.One example of such an application is compressed sensing (cs), whichhas the potential to revolutionize how we acquire and process signals. Ina general cs setup, few measurement coefficients are available and thetask is to reconstruct a larger, sparse signal.In this thesis we focus on algorithm design and selected applicationsfor cs. The contributions of the thesis appear in the following order:(1) We study an application where cs can be used to relax the necessityof fast sampling for power spectral density estimation problems. Inthis application we show by experimental evaluation that we can gainan order of magnitude in reduced sampling frequency. (2) In order toimprove cs recovery performance, we extend simple well-known recoveryalgorithms by introducing a look-ahead concept. From simulations it isobserved that the additional complexity results in significant improvementsin recovery performance. (3) For sensor networks, we extend thecurrent framework of cs by introducing a new general network modelwhich is suitable for modeling several cs sensor nodes with correlatedmeasurements. Using this signal model we then develop several centralizedand distributed cs recovery algorithms. We find that both thecentralized and distributed algorithms achieve a significant gain in recoveryperformance compared to the standard, disconnected, algorithms.For the distributed case, we also see that as the network connectivity increases,the performance rapidly converges to the performance of thecentralized solution. / <p>QC 20120229</p>

H παρούσα διατριβή εξετάζει το πρόβλημα της διαρροής μικροφώνου, δηλαδή την αλληλεπίδραση και παρεμβολή μεταξύ ταυτόχρονα ενεργών ηχητικών πηγών σε πολυκαναλικές ηχητικές διατάξεις. Παρ' όλο που είναι ένα πολύ συχνό φαινόμενο με το οποίο οι μηχανικοί ήχου έρχονται αντιμέτωποι καθημερινά, δεν έχουν προταθεί μέθοδοι επεξεργασίας σήματος για την επίλυση του προβλήματος. Εδώ, το πρόβλημα διατυπώνεται για πρώτη φορά στο πλαίσιο της επεξεργασίας σήματος. Αρχικά, διατυπώνεται στο πλαίσιο του τυφλού διαχωρισμού πηγών (blind source separation) και αναλύονται οι περιορισμοί αυτής της προσέγγισης. Στην συνέχεια, το πρόβλημα επαναδιατυπώνεται σαν πρόβλημα σήματος υπό θόρυβο στα πλαίσια της καταστολής θορύβου. Ένα πρωτότυπο γενικευμένο πλαίσιο καταστολής διαρροής μικροφώνου εξάγεται βασιζόμενο σε ένα φίλτρο Wiener με πολυκαναλικό όρο θορύβο, καθώς και την ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική «κοντινού μικροφώνου». Το ακουστικό σύστημα που μοντελοποιεί την διαδικασία μίξης και αλληλεπίδρασης των πηγών αναλύεται και γίνεται διαχωρισμός των σχετικών κρουστικών αποκρίσεων χώρου (room impulse responses) σε απ' ευθείας ακουστικά μονοπάτια και ακουστικά μονοπάτια διαρροής. Οι ιδιότητες του απ' ευθείας ακουστικού μονο- πατιού, δηλαδή της απόκρισης «κοντινού μικροφώνου» αναλύονται για πρώτη φορά από την προσέγγιση της επεξεργασίας σήματος και της ακουστικής κλειστών χώρων για πρώτη φορά. Οι ιδιότητες του ακουστικού μονοπατιού διαρροής αναλύονται επίσης για πρώτη φορά με την χρήση ακουστικών παραμέτρων. Έχοντας καθορίσει τις βασικές ιδιότητες του ακουστικού συστήματος, μια μέθοδος για την καταστολή διαρροής μικροφώνου αναπτύσσεται για μια διάταξη δύο καναλιών, βασισμένη σε ένα φίλτρο Wiener και μια άμεση εκτίμηση των σχετικών πυκνοτήτων φασματικής ενέργεiας (power spectral density). Η απόδοση της μεθόδου για ηχογραφήσεις σε πραγματικούς χώρους είναι πολύ ικανοποιητική και με βάση αυτά τα αποτελέσματα, η μέθοδος επεκτείνεται για περισσότερες από δύο πηγές και μικρόφωνα σε αυθαίρετες διατάξεις. Η ολοκληρωμένη μέθοδος είναι τυφλή και αυτόματη, καθώς δεν απαιτεί την επέμβαση του χρήση. Δεν κάνει χρήση πρότερης γνώσης ούτε απαιτεί εκπαίδευση και είναι υπολογιστικά απλή. Προτείνεται επίσης μια πρωτότυπη μέθοδος ανίχνευσης χρονικών διαστημάτων όπου μόνο μια πηγή είναι ενεργή (χρονικά διαστήματα «σόλο»), η οποία επιτρέπει την εκτίμηση συντελεστών στάθμισης οι οποίοι αντιστοιχούν στην σχετική μείωση της ηχητικής στάθμης που υφίσταται κάθε ηχητική πηγή καθώς το σήμα διαδίδεται προς τα μικρόφωνα. Αυτή η μέθοδος σε συνδυασμό με μια νεά, πρωτότυπη τεχνική εκτίμησης των πυκνοτήτων φασματικής ενέργεαις, η οποία βασίζεται στην αναγνώριση των κυρίαρχων διακριτών συχνοτήτων, επιτρέπει την εκτίμηση όλων των σχετικών ποσοτήτων σε μια πολυκαναλική ηχητική διάταξη. Από αυτές υπολογίζεται ένα πολυκαναλικό φίλτρο Wiener για κάθε σήμα μικροφώνου, το οποίο δίνει την εκτίμηση του αντίστοιχου σήματος πηγής. / This thesis examines the problem of microphone leakage, that is the interference between simultaneously active sound sources in multichannel audio applications. Despite being a common problem with which sound engineers are confronted every day, almost no signal processing methods have been proposed to address this issue. In this work, the problem is formulated for the first time in a signal processing framework. First, it formulated inside the blind source separation (BSS) context and the limitations of related methods are analysed and reported. Since, BSS methods seem to be inappropriate for this specific problem, it is reformulated as a signal in noise problem inside the well-known noise suppression framework. Based on the widely adopted close-microphone technique a novel, generalized framework for leakage suppression is derived based on a multichannel Wiener filter. The acoustic system that models the mixing process is analysed and the related room impulse responses are discerned in direct and leakage acoustic paths. The properties of the direct acoustic path, that is the close-microphone response are investigated for the first time, from a signal processing point of view as well as a room acoustics perspective. The properties of the leakage acoustic path are also analysed for the first time using room acoustic parameters. After key properties of the acoustic paths have been identified, a method for the suppression of microphone leakage in a two channel audio setup is developed based on aWiener filter and a crude approximation of the related power spectral densities (PSDs). The performance of this method for actual recordings in real reverberant environments is more than adequate and based on these results, the method is extended for more than two sources and microphones in arbitrary arrangements. The complete method is blind and automatic, since it does not require any user input. It does not assume any prior knowledge or require training and is computationally efficient. A novel solo detection method has been developed that allows the estimation of weighting coefficients that correspond to the relative attenuation experienced by sound sources as they travel to each microphone. Combined with a new and advanced PSD estimation method based on the identification of dominant frequency bins, the related PSDs in a multichannel audio application can be identified. From these an appropriate multichannel Wiener filter for each microphone signal can be calculated, which will provide the estimated source signal at its output.

Railway signaling is of paramount importance to ensure traffic management andsafety on the rail network. The main lines are divided into sections called ‘blocks’,which are governed by a fixed signal installation. To prevent trains from colliding,each block allows one train at once. In France (and most European countries),train detection is performed by an electrical device called track circuit that consistsof a transmitter and a receiver installed at the track-side, and connected via therails. In the absence of a train, an electrical signal flows from the transmitter tothe receiver through the rails. As a train enters a track circuit, its axles shuntthe rails, provoking a short circuit (also called ‘shunt’): the signal transmitted tothe receiver drops. The detection of that signal drop results in the detection of atrain. This method rarely fails throughout the network, but there can be criticalcases where it may be inefficient. In this Master’s Thesis, new detection criteriaproposed in previous studies have been tested on signals measured in poor shuntingconditions. Three approaches have been tested: one in the time domain and two inthe frequency domain. The time approach compares the short-term and long-termstatistics of the received signals. The observation of a change in the spectra of thereceived signals around the 3rd order harmonic (3OH) has led to the implementationof two frequency criteria: the estimation of the band power around the 3OH andthe detection of the 3OH peaks. The obtained results show that better detection isachieved when the new criteria and the existing one are combined. / Tågsignalsystem är väsentliga för att garantera trafikstyrning och säkerhet i tågnätet.Spåren är indelade i sektioner, s.k. block, som övervakas med fasta signalinstallationer.För att hindra tåg från att krocka, tillåts bara ett tåg i taget per block. IFrankrike (och de flesta andra europeiska länder), detekteras tågen med en elektriskspårkrets som består av en sändare och en mottagare som är installerad bredvidspåret och ansluten till rälsen. När inget tåg finns på spåret, flyter en elektrisk signalfrån sändaren till mottagaren via spåret. När ett tåg anländer, kortsluts kretsenav hjulaxeln och signalen försvinner från mottagaren. Minskningen i signalstyrkaanvänds för att detektera tåget. Denna metod sällan misslyckas i tågnätet, men iovanliga fall kan det uppstå farliga situationer. I detta examensarbete utvärderasnya detektionsmetoder, som har föreslagits i tidigare studier, på signaler som haruppmätts under förhållanden med dålig kontakt mellan hjul och spår. Tre olika metoderhar testats, en i tidsdomänen och två i frekvensdomänen. Tidsdomänsmetodenjämför kortvarig och långvarig statistik för den mottagna signalen. I spektrum förden mottagna signalen, har man observerat en förändring runt den tredje övertonen,samt detektering av frekvenstoppar vid tredje övertonen. De erhållna resultatenvisar på förbättrad detektering när de nya och existerande kriterierna kombineras.