实例介绍
相空间重构思想详细的理论推导以及应用实例
跃科等:混沌信号处理 5 仍 〔b)女声“ 图1不同信号的典型二维朝空间重构图(50样点) g I Phast: space rcconshur tiix Figures of differert signals( 500 samles 时,嵌入维数越大,一般计算量也越大。因此,有必要寻求适合的最小嵌入维 理论上,如果求得了系统的分形维,系统的嵌入维数就可以确定;但也可直接求系统重构的嵌人维 数值。求适合最小嵌入维的较有价值的方法有:虚邻点法( False Nearest Neighbors-FNN)1;摆动乘积法 Wavering Product)3.4; Aleksic方法15;分量分析(PCA)法16);sA法1;sVD法18;互信息量法1; δ测试法等。以上方法可以分为三类。前三者为第一类,使用上述去虚假交叉(即虚假相邻点)的想 法;其次三者为一类,分析系统的主分量;最后两者为一类,利用信息论分析系统变量的相互依赖性。 2.3时间延迟 Takens嵌人定理重构相空间,所取的观察值是对原时间序列以一定间膈重新采样的,该隔就是时 间延迟1。时间延迟的意义在于让参加系统重构的相邻数据尽可能不相关,从而让嵌入空间中的样点 所包含的关于原吸引子的信息尽可能大。从这一点看,时间延迟应取得大一些。但是,类似 Nyquist 律,时间延迟也不能取得太大,必须保证原系统的信息尽能地被传递到嵌入空间中去。如果时间延迟 r太小,相空间矢量xk的相邻延迟坐标元索间差别较小,冗余度( redundance)较大,重构相空轨迹向 相空间主对角线压缩,重构相空间样点所包含的关于原吸引子的信息不大;如果r太大,混沌系统所导 致的相邻轨迹的混沌分离,可能使得一个相空间矢量相邻的含嗓延迟坐标元素间的相点信息丢失,即不 相关( irrelevance),另外,可能出现相空间轨迹的折叠现象,这时,重枃相空间都不能较好地反映原动力 学系统的特性。因此,x的适当选择是很重要的 现有的时间延迟的选择方法一般都基于如下的两个广为应用的准则之 (1)序列相关法。让X内元素之间的相关性减弱,同时x包含的原动力学系统的信息不丢失 (2)相空间扩展法。重构相空间轨迹应从相空间的主对角线(x很小时)可能地扩展,但又不出 现折叠。 自相关法21、互信息量法121、高阶相关法2等属于第一类准则;而填充因子法21摆动量法231、平 均位移法2SVF法2等属于第二类准则。事实上,这两类准测是统一的。随着x的增大,相空间轨迹 从相阀间的主对角线逐渐扩展,相空间矢量元素间相关性逐渐减弱;但如果x取得太大,相空间轨迹发 生折叠,其扩展度下降,相空间矢量元素间又将相关 3使用神经网络的混沌信号处理 冲经网络非常适合应用于重构混沌过程的非线性动力系统。首先,神经网络本质上是非线性的,m 非线性性是混沌过程存在的基础;其次,许多类型的神经网络是通用近似器,能以适合的精度近似任意 连续的输入输出映射;第三,神经网络蚋分布式并行处理计算能力很强;第四,彿经网絡可以自适砬谢练 自己,具备从环境中学习的能力。 应用神经网络的非线性处理“早已有之”,但是,一般是从神经网络的角度出发,缺乏从对象角皮出 发的理论基础。例如,如何选择适合于信号的神经网络结构,目前并没有较好的理论上的指导与结沦 大都靠经验与实验做出选择;酊适合于信号的神经网络结构,应该和信号的特性具有极大关系。必须指 出,混沌信号处理的工具,一般落实于神经网络。研究者们已运用了许多种类神经网络,主要集中于如 76 国防科技大学学报 20X)年第S期 下几类:多层感知器(MP)、自组织网络(SOM)时闻延迟网络(TN)、自冋归网络(RN)、RBF网络等 基于混沌理论的语音信号非线性处理,事实上是将预测问题从动力学系统重构角度解释。语音信 号的分形维并不高,即语音信号动力学系统从混沌角度上看并不十分复杂,这为将神经网络应用音 信号的动力学系统重构创造了条件。 如何选择最佳结构的神经网络,目前并没有理论上的指导与结论,大都靠经验与实验散出选择。用 于语音非线性处理的神经网络至少必须具备如下特性:首先,神经网络应是通用近似器,这样才能对非 线性动力学系统进行重构;其次,神经网络的训练速度较快,这符合语音信号非平稳特性的要求。MLP 是通用近似器,但它依照B算法训练,训练时间较长,常常需要训练数据重复输入,因此不大适合于解 决即时性问题;RN网络的计算复杂度为网络中神经元个数的4次幂,计算量太大,为减少RNN的计算 量可以采取一些措施,但并没有从根本上解决问题;SOM一般并不用于系统重构的近似器屮。 事实上,RBF( Radial Basis Function)网络是符合语音信号非线性处理综合要求的较好工具。REF网 络是通用近似器。它对其隐含层节点的中心位置是非线性的,但它输出权重函数的连接却是线性的,可 以运用线性自适应的方法调节,计算量远小于BP算法;它的局部性能、稳定性能都较好。 基于混沌理论的语音信号非线性处理,可应用RBF网络实现语音信号动力学系统重构。 Takens嵌 人定理仅要求使用原系统任意的一类观测量,我们可以直接使用语音信号。RBF网络的节点由语音信 号嵌入维确定,输入数据根据时间延迟重新采样。训练RBF网络,对其节点中心、宽度形成码本,应用 于语音预测时从码本中选取预测增益最高的参数,节点的输岀连接杈值則直接用线性自适应方法训练。 应用RRF网络的语音编码可以采用前向或后向工作方式。另外,可以将RBF网络做为语音处理系 统中的一个部分,替换原来的线性预测部分,能提高原语音处理性能 5总绂 本文主要介绍基于混沌理论的信号非线性分析和处理。文章讨论了混沌信号特征参量,包括Iya puˆw指数和分形维;解释了 Takens嵌入定理和信号相空间重构,阐述了嵌入维数、时间延迟等。混沌信 号非线性处理,可以应用神经网络进行。基于信号的实际物理背景,通过其混沌特性的分析,研究其非 线性处理方法,建立信号精确模型,可以为信号分析和处理开辟一条新途径,以进一步改善信号处理效 果 参考文献 [ Parker T S, Chua L D. 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