yasmín romina montenegro maluenda análise estatística do algoritmo lms aplicado ao ...

167 Pages·2009·2.62 MB·English

YASMÍN ROMINA MONTENEGRO MALUENDA
ANÁLISE ESTATÍSTICA DO ALGORITMO LMS
APLICADO AO CANCELAMENTO DE
RETROALIMENTAÇÃO ACÚSTICA EM
APARELHOS AUDITIVOS
FLORIANÓPOLIS
2009
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
ELÉTRICA
ANÁLISE ESTATÍSTICA DO ALGORITMO
LMS APLICADO AO CANCELAMENTO DE
RETROALIMENTAÇÃO ACÚSTICA EM
APARELHOS AUDITIVOS.
Tesesubmetidaà
UniversidadeFederal deSantaCatarina
comorequisitoparcial àobtenção dograu de
Doutorem EngenhariaElétrica
YASMÍN ROMINA MONTENEGRO MALUENDA
Florianópolis,Agostode2009
ANÁLISE ESTATÍSTICA DO ALGORITMO LMS APLICADO AO
CANCELAMENTO DE RETROALIMENTAÇÃO ACÚSTICA EM
APARELHOS AUDITIVOS
YasmínRominaMontenegroMaluenda
‘Estatesefoijulgadaadequada paraaobtenção dotítulodeDoutoremEngenharia Elétrica, áreade
concentração emComunicações eProcessamento deSinais, sendoaprovadaemsuaformafinalpelo
programadePós-Graduação emEngenharia ElétricadaUniversidadeFederaldeSantaCatarina.’
Prof.JoséCarlosMoreiraBermudez,Ph.D.
Orientador
Prof.RobertodeSouzaSalgado,Ph.D.
CoordenadordoProgramadePós-GraduaçãoemEngenhariaElétrica.
BancaExaminadora
Prof.JoséCarlosMoreiraBermudez,Ph.D.
Presidente
Prof. JoceliMayer,Ph.D.
Prof.MárcioHolsbachCosta,Dr.
Prof.LeonardoSilvaResende,D.Sc.
Prof. SérgioJoséMelodeAlmeida,Dr.
Prof.VítorHeloizNascimento,Ph.D.
ii
Estatese,é dedicadaa
minhafamília.
iii
Agradecimentos
Ao professorJoséCarlos MoreiraBermudez, pelaorientação impecávelaqualatribuo aminha
formação depesquisadoraeosucesso destetrabalho.
A minhamãepelaconfianza, acompanhiaeo constanteapoio.
A Diego,MatíaseDieguito,pelapaciência, aforçae oconstateapoioqueteveduranteeste
tempotodo.
AoscolegasdoLPDS, peloexcelenterelacionamento,emespecial ameu amigoWemerson
pelocarinho eamizade.
À UniversidaddeAntofagasta-ChileeàCapes, pelooportunidade,incentivoefinanciamento.
iv
ResumodaTeseapresentada àUFSC comopartedosrequisitosparaobtenção dograu de
DoutoremEngenhariaElétrica.
Análise estatística do algoritmo LMS aplicado ao
cancelamento da retroalimentação acústica em aparelhos
auditivos
Yasmín Romina Montenegro Maluenda
Agosto/2009
Orientador: JoséCarlos MoreiraBermudez, Ph.D.
Áreadeconcentração: Comunicações eprocessamentodesinais.
Palavras-chave: Aparelhos auditivos,algoritmosadaptativos,retroalimentação acústica, análise
estatística.
RESUMO:
Atendênciaatualnoprojetodeaparelhosauditivoséadereduziroefeitodeoclusãocausado
por moldes herméticos. Se, por um lado, a ventilação do aparelho aliviao desconforto causado
pela oclusão, por outro lado permite o acoplamento acústico entre o alto-falante e o microfone
doaparelho.
Este acoplamento gera um processo de retroalimentação acústica que pode levarà instabili-
dade do sistema, gerando outro tipo de desconforto. A ocorrência de retroalimentação acústica
éatualmenteumadas queixasmaiscomunsentreos usuáriosdeaparelhosauditivos.
Várias soluções já foram propostas na literatura para a redução deste problema. Resultados
desistemasdecancelamentodaretroalimentaçãoacústicabaseadosnométododoerropredição
de identificação de laço fechado indicam que seu desempenho é melhor do que maioria das
soluçõesalternativas. Amaioriadasanálisepropostas,entretanto,sãolimitadasaresultadosem
regime permanente. Esta tese de doutorado tem o propósito de contribuir para a modelagem
do comportamento estatístico de algoritmos adaptativos quando aplicados ao cancelamento da
retroalimentação acústica em aparelhos auditivos. Assim, esta tese apresenta uma análise tran-
siente e em regime permanente de um sistema proposto recentemente. A estrutura é analisada
v
paraumaadaptaçãolentaesinaisdeentradasautoregressivas. Modelosanalíticossãoderivados
para momentos de primeira e segunda ordem. Isto inclui um modelo para o comportamento
transiente da polarização da solução adaptativa. Simulações de Monte Carlo são presentadas
paraverificara acuráciados modelosderivados.
vi
AbstractofThesispresented toUFSC as apartial fullfillmentoftherequerimentsforthe
degreeofDoctorinElectrical Engineering.
Statistical analysis of LMS algorithm applied to feedback
acoustical cancellation in hearing aids
Yasmín Romina Montenegro Maluenda
August/2009
Advisor: JoséCarlos MoreiraBermudez, Ph.D.
Areaofconcentration: Communicationsandsignalprocessing.
Keywords: Hearing aids,adaptivealgorithm,acousticfeedback, statisticalanalysis.
ABSTRACT:
Currently, projects in hearing aids tend to reduce the occlusion effect because of hermetic
mold. Even thought the venting of the hearing aid relieves the discomfort caused by the occlu-
sion,ontheotherhand,allowstheacousticalcouplingbetweenthehearingaidsloudspeakerand
themicrophone.
This coupling generate an acoustical feedback process that can lead to instability of the
system, generating other kind of discomfort. The occurrence of acoustic feedback is nowadays
themostcommoncomplaintsamongthehearing aids users.
Several solutions have been proposed in the literature to reduce this problem. Results on
acoustic feedback cancellation systems based on the prediction error method of closed–loop
identification indicate that their perform is better than the majority of the alternative solutions.
Most available analyses of such systems, however, are limited to steady–state results. This
doctoralthesishastheaimtocontributetothemodelingofthestatisticalbehavioroftheadaptive
algorithm when applied to the acoustic feedback cancellation in hearing aids. Thus, this thesis
presents a transient and steady–state analysis of a recently proposed system. The structure is
analyzedforslowadaptationandforautoregressiveinputsignals. Analyticalmodelsarederived
forfirst and second order moments. This includesa modelfor thetransientbehaviorof thebias
vii
of the adaptive solution. Monte Carlo simulations are presented to verify the accuracy of the
derivedmodels.
viii
Sumário
Lista deFiguras xii
1 Introdução 4
1.1 Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Sistemaauditivoe oseu funcionamento[1] . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 TiposdeDeficiênciaauditiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Graus deDeficiência auditiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Tratamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 Implantecoclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Aparelhosauditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Principais queixasdosusuários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1 Inteligibilidadedafala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2 Retroalimentação acústicaeoclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.7 Objetivosdo trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.8 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.9 Trabalhospublicadosesubmetidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Cancelamento da retroalimentação acústica em aparelhos auditivos 31
2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Filtrosadaptativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Definição do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 Solução polarizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Aparelhos auditivoscomerciais [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 Aplicação deretardos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.1 Solução ótima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.2 Exemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6 Adaptação restringida[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7 Filtragem limitadaem frecuência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52