《新型自適應(yīng)濾波器性能評估規(guī)范》

ICS31.160

CCSL18

團體標準

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新型自適應(yīng)濾波器性能評估規(guī)范

Specificationforevaluatingtheperformanceofnewadaptivefilters

（征求意見稿）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國國際科技促進會發(fā)布

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新型自適應(yīng)濾波器性能評估規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了自適應(yīng)濾波器的性能評估方法和測試方法。

本文件適用于文件實施后自適應(yīng)濾波器在設(shè)計、生產(chǎn)、使用過程中的性能評估，可作為與自適應(yīng)濾

波器相關(guān)的產(chǎn)品在生產(chǎn)質(zhì)量把控、競品性能比較等方面的技術(shù)參考。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T191包裝儲運圖示標志

GB/T4798.10-2006電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件導言

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

濾波器filter

濾波器是一種從信號中去除一些不需要的成分或特征的設(shè)備或過程。

自適應(yīng)濾波器adaptivefilter

指根據(jù)環(huán)境的改變，使用遞歸算法來改變自身參數(shù)和結(jié)構(gòu)的濾波器。

節(jié)點node

本文件指單個自適應(yīng)濾波器或包含自適應(yīng)濾波器的單個設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)network

指由若干節(jié)點以及連接這些節(jié)點的通信鏈路組成的整體。

拓撲topology

指構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的成員間特定的排列方式。

經(jīng)典自適應(yīng)濾波器classicaladaptivefilter

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指不涉及網(wǎng)絡(luò)拓撲、節(jié)點協(xié)作等概念的自適應(yīng)濾波器。

學習learn

指自適應(yīng)濾波器根據(jù)環(huán)境的改變，使用遞歸算法來改變自身參數(shù)和結(jié)構(gòu)的過程。

協(xié)作式自適應(yīng)濾波器cooperativeadaptivefilter

指基于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，通過與其他節(jié)點通信和信息交互，來改善自身學習效果的自適應(yīng)濾波器。

輸入input

指經(jīng)由濾波器抽頭傳入濾波器的數(shù)據(jù)。

權(quán)向量weightvector

指由濾波器抽頭權(quán)值按特定順序構(gòu)成的向量。

學習速率參數(shù)learningrateparameter

指控制自適應(yīng)濾波器權(quán)向量更新速度的非負值參數(shù)。

穩(wěn)態(tài)steadystate

指隨著具有穩(wěn)定性的自適應(yīng)濾波器運行，它的權(quán)向量趨向于某一特定有限值的狀態(tài)。

穩(wěn)態(tài)值steady-statevalue

指自適應(yīng)濾波器達到穩(wěn)態(tài)時，相關(guān)量的數(shù)值。

信噪比signal-to-noiseratio

指信號功率和噪聲功率的比值。

蒙特卡洛試驗Monte-Carloexperiment

指在相同條件下重復開展大量隨機試驗。

集平均ensembleaverage

指隨機量的期望值/均值。

均方值mean-squarevalue

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指對于一個量，它平方值的集平均。

均方誤差mean-squareerror

指估計誤差的均方值。

平均偏差meandeviation

指濾波器權(quán)向量與濾波器權(quán)向量最優(yōu)值之差的平均值。

均方偏差mean-squaredeviation

指濾波器權(quán)向量與濾波器權(quán)向量最優(yōu)值之差的均方值。

失調(diào)misalignment

指額外均方誤差的穩(wěn)態(tài)值與最小均方誤差之比。

跟蹤性能trackingperformance

指在非平穩(wěn)環(huán)境中，自適應(yīng)濾波器跟蹤外部環(huán)境的統(tǒng)計量變化的能力。

魯棒性robustness

指來源于濾波器內(nèi)部或外部的小擾動引起的穩(wěn)定性變化和估計誤差大小。

功率比powerratio

指自適應(yīng)濾波器處理前和處理后信號的功率之比。

信噪比增益SNRgain

指自適應(yīng)濾波器處理前和處理后，系統(tǒng)信噪比的改善量。

主觀評測subjectiveevaluation

指由選定的被測試者根據(jù)感官感受對自適應(yīng)濾波器處理后的信號進行客觀、公正的評估。

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4縮略語

下列縮略語適用于本文件。

MSE：均方誤差（Mean-squareerror）

MSD：均方偏差（Mean-squaredeviation）

SNR：信噪比（Signal-to-noiseratio）

5技術(shù)要求

通則

5.1.1自適應(yīng)濾波器的目的是：通過對實時數(shù)據(jù)流進行學習，來適應(yīng)或跟蹤系統(tǒng)的變化。

5.1.2將自適應(yīng)濾波器分成兩類：經(jīng)典自適應(yīng)濾波器、協(xié)作式自適應(yīng)濾波器。

5.1.3經(jīng)典自適應(yīng)濾波器是協(xié)作式自適應(yīng)濾波器在單個節(jié)點情形下的特例。

經(jīng)典自適應(yīng)濾波器

5.2.1經(jīng)典自適應(yīng)濾波器的運行要求包括以下過程：

a)初始化過程。提供濾波器權(quán)向量的初始值和其他可調(diào)節(jié)參數(shù)的初始值；

b)濾波過程。用于對一系列輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)出輸出響應(yīng)；

c)自適應(yīng)過程。提供濾波過程中濾波器權(quán)向量自適應(yīng)控制的一種機制。

5.2.2經(jīng)典自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng)過程應(yīng)具有以下更新/控制規(guī)則：

（更新的濾波器權(quán)向量）=（老的濾波器權(quán)向量）+（學習速率參數(shù)）×（修正項）

a)可以使用特定的更新/控制規(guī)則來調(diào)節(jié)經(jīng)典自適應(yīng)濾波器的可調(diào)節(jié)參數(shù)；

b)不同經(jīng)典自適應(yīng)濾波器的差別包括：

?濾波器權(quán)向量的初始值，

?學習速率參數(shù)的取值，

?可調(diào)節(jié)參數(shù)的取值和更新規(guī)則，

?修正項的表達式。

為保證經(jīng)典自適應(yīng)濾波器的性能滿足設(shè)計要求，應(yīng)合理選擇上述四點。

協(xié)作式自適應(yīng)濾波器

5.3.1協(xié)作式自適應(yīng)濾波器的運行要求包括以下過程：

a)初始化過程。提供各節(jié)點濾波器權(quán)向量的初始值、網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系、融合系數(shù)初始值以及其他

可調(diào)節(jié)參數(shù)的初始值；

b)濾波過程。各節(jié)點對一系列輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)出輸出響應(yīng)；

c)自適應(yīng)過程。提供濾波過程中各節(jié)點濾波器權(quán)向量自適應(yīng)控制的一種機制；

d)通信過程。提供網(wǎng)絡(luò)拓撲更新機制，更新網(wǎng)絡(luò)拓撲，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。傳

輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：輸入數(shù)據(jù)、輸出響應(yīng)、自適應(yīng)過程得到的濾波器權(quán)向量、融合過程得到的濾

波器權(quán)向量；

e)融合過程。提供融合系數(shù)更新機制，利用融合系數(shù)實現(xiàn)對來自各節(jié)點的濾波器權(quán)向量的融合，

輸出融合后的濾波器權(quán)向量。

5.3.2協(xié)作式自適應(yīng)濾波器的運行要求包括以下更新/控制規(guī)則：

a)當前節(jié)點上更新的濾波器權(quán)向量=（老的融合后濾波器權(quán)向量）+（學習速率參數(shù)）×（修正

項）；

b)更新的融合后濾波器權(quán)向量=（當前節(jié)點上更新的濾波器權(quán)向量）×（對應(yīng)當前節(jié)點的融合系

數(shù)）+（其他節(jié)點上更新的濾波器權(quán)向量）×（對應(yīng)其他節(jié)點的融合系數(shù)）+（學習速率參數(shù)）

×（融合過程修正項）。

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5.3.3對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，選取的融合系數(shù)要滿足特定的約束條件，從而保證融合過程的穩(wěn)定性。

5.3.4不同協(xié)作式自適應(yīng)濾波器的差別包括：

a)各節(jié)點濾波器權(quán)向量的初始值；

b)各節(jié)點學習速率參數(shù)的取值；

c)各節(jié)點修正項的表達式；

d)各節(jié)點融合系數(shù)的取值和更新規(guī)則；

e)各節(jié)點其他可調(diào)節(jié)參數(shù)的取值和更新規(guī)則。

為保證協(xié)作式自適應(yīng)濾波器的性能滿足設(shè)計要求，應(yīng)合理選擇上述五點。

自適應(yīng)濾波器性能的直接評估

除另有規(guī)定外，自適應(yīng)濾波器性能的直接評估應(yīng)考慮以下方面。

5.4.1穩(wěn)定性

穩(wěn)定性要求應(yīng)包括：

a)在平穩(wěn)環(huán)境和非平穩(wěn)環(huán)境中，隨著自適應(yīng)濾波器的運行，它的權(quán)向量趨向于某一特定的有限

值；

b)在平穩(wěn)環(huán)境和非平穩(wěn)環(huán)境中，保證自適應(yīng)濾波器穩(wěn)定性的參數(shù)取值范圍。最關(guān)鍵的是學習速

率參數(shù)及其取值范圍；

c)對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，在平穩(wěn)環(huán)境和非平穩(wěn)環(huán)境中，隨著自適應(yīng)濾波器的運行，各節(jié)點上

自適應(yīng)濾波器的權(quán)向量均應(yīng)趨向于有限值；

d)通常自適應(yīng)濾波器學習速率參數(shù)的取值范圍越大越好。

5.4.2收斂速率

收斂速率指：在平穩(wěn)環(huán)境和非平穩(wěn)環(huán)境中，隨著自適應(yīng)濾波器的運行，它的權(quán)向量趨向于穩(wěn)態(tài)的快

慢程度。

收斂速率要求包括：

a)除另有規(guī)定外，要在一定的估計誤差水平下，評估自適應(yīng)濾波器的收斂速率；

b)對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估不同節(jié)點上自適應(yīng)濾波器收斂速率的平均值，或評估收斂速

度最慢的節(jié)點；

c)通常使用更新次數(shù)來衡量自適應(yīng)濾波器的收斂速率；

d)在一定的估計誤差水平下，當自適應(yīng)濾波器從特定的起始點收斂到穩(wěn)態(tài)時，若所需的更新次

數(shù)越少，則自適應(yīng)濾波器收斂速率越快。

5.4.3估計誤差

除另有規(guī)定外，應(yīng)通過均方誤差、平均偏差、均方偏差、失調(diào)來評估自適應(yīng)濾波器的估計誤差。

a)均方誤差要求包括：

?通過對蒙特卡洛仿真實驗的結(jié)果取平均值，來近似計算均方誤差；

?通過畫出均方誤差隨著自適應(yīng)濾波器更新次數(shù)的變化曲線（即均方誤差學習曲線），來評

估自適應(yīng)濾波器的估計誤差；

?對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估整個網(wǎng)絡(luò)（包含所有節(jié)點）的均方誤差；

?當均方誤差達到最小時，將相應(yīng)的濾波器權(quán)向量定義為濾波器權(quán)向量最優(yōu)值，將對應(yīng)的均

方誤差定義為最小均方誤差；

?將均方誤差與最小均方誤差的差值定義為額外均方誤差。額外均方誤差是一個非負值。

b)平均偏差要求包括：

?通過對蒙特卡洛仿真實驗的結(jié)果取平均值，來近似計算平均偏差。

?對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估整個網(wǎng)絡(luò)（包含所有節(jié)點）的整體平均偏差，它取決于平

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均偏差最大的節(jié)點。

c)均方偏差要求包括：

?通過對蒙特卡洛仿真實驗的結(jié)果取平均值，來近似計算均方偏差；

?通過畫出均方偏差隨著自適應(yīng)濾波器更新次數(shù)的變化曲線（即均方偏差學習曲線），來評

估自適應(yīng)濾波器的估計誤差；

?對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估整個網(wǎng)絡(luò)的均方偏差，它是所有節(jié)點均方偏差的平均值。

d)失調(diào)要求包括：

?失調(diào)是一個無量綱的參數(shù)，通常用百分比表示；

?與1相比，若失調(diào)越小，則自適應(yīng)濾波器的濾波效果越精確。

5.4.4跟蹤性能

跟蹤性能要求包括：

a)當外部環(huán)境的統(tǒng)計量變化時，自適應(yīng)濾波器的估計誤差大??；

b)當外部環(huán)境的統(tǒng)計量變化時，自適應(yīng)濾波器的收斂速率快慢；

c)對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估整個網(wǎng)絡(luò)（包含所有節(jié)點）的跟蹤性能。

5.4.5魯棒性

魯棒性要求包括：

a)除另有規(guī)定外，要在施加一定水平的擾動時，評估自適應(yīng)濾波器的魯棒性；

b)通常通過評估施加擾動后自適應(yīng)的穩(wěn)定性和估計誤差大小，來衡量自適應(yīng)濾波器的魯棒性；

c)對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，外部擾動還額外包括通信過程引入的量化誤差、通信鏈路噪聲、節(jié)

點通信鏈路失效等；

d)對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估整個網(wǎng)絡(luò)（包含所有節(jié)點）的魯棒性。

5.4.6計算要求

計算要求應(yīng)包括：

a)完成自適應(yīng)濾波器的一次完整循環(huán)所需要的計算量（即乘法、除法、加/減法）；

b)存儲數(shù)據(jù)和程序所需要的存儲器內(nèi)存大??；

c)在計算機上編程實現(xiàn)自適應(yīng)濾波器所需要的時間。

5.4.7通信要求

僅協(xié)作式自適應(yīng)濾波器有通信要求。通信要求應(yīng)包括：

a)完成協(xié)作式自適應(yīng)濾波器的一次完整循環(huán)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；

b)對網(wǎng)絡(luò)通信帶寬、通信時延等的要求；

c)對通信過程中丟包率、誤碼率等的要求；

d)對通信過程和自適應(yīng)過程中系統(tǒng)時鐘是否同步的要求。

5.4.8結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)要求應(yīng)包括：

a)結(jié)構(gòu)涉及自適應(yīng)濾波器的信息流結(jié)構(gòu)及其硬件實現(xiàn)方式；

b)在某些特定應(yīng)用中，要評估自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)；

c)在超大規(guī)模集成電路硬件實現(xiàn)等特定應(yīng)用中，優(yōu)先考慮呈現(xiàn)高度模塊化、具備并行能力的自

適應(yīng)濾波器；

d)在協(xié)作式自適應(yīng)濾波器中，對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的額外約束。包括是否具備中心節(jié)點、是否具備

環(huán)路等。

自適應(yīng)濾波器性能的間接評估

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5.5.1間接評估通則

a)當自適應(yīng)濾波器作為系統(tǒng)的一部分，并且無法直接評估自適應(yīng)濾波器的估計誤差大小和其他

指標時，應(yīng)進行間接評估。

b)當自適應(yīng)濾波器作為系統(tǒng)的一部分，在評估自適應(yīng)濾波器的估計誤差大小和其他指標的基礎(chǔ)

上，可以進行間接評估作為補充。

c)間接評估所選用指標應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用和實際系統(tǒng)靈活選取。

5.5.2功率比

功率比的要求包括：

a)通過畫出功率比隨著自適應(yīng)濾波器更新次數(shù)的變化曲線，來評估自適應(yīng)濾波器的性能；

b)對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估整個網(wǎng)絡(luò)（包含所有節(jié)點）的功率比。

5.5.3信噪比增益

信噪比增益的要求包括：

a)通過畫出信噪比增益隨著自適應(yīng)濾波器更新次數(shù)的變化曲線，來評估自適應(yīng)濾波器的性能；

b)對協(xié)作式自適應(yīng)濾波器，要評估整個網(wǎng)絡(luò)（包含所有節(jié)點）的信噪比增益。

5.5.4主觀評測

主觀評測的要求包括：

a)主觀評測要有評測問卷。評測問卷的設(shè)計要合理，被測試者要客觀、公正地進行評價；

b)要對被測試者進行測試相關(guān)的培訓；

c)主觀評測的內(nèi)容包括打分、分級、偏好度等；

d)自適應(yīng)濾波器處理后的信號是主觀評測的測試組；

e)除測試組之外，主觀評測還需要設(shè)置對照組；

f)對照組的選取要視情況而定。對照組既可以是自適應(yīng)濾波器處理前的信號，又可以是經(jīng)過其

他自適應(yīng)濾波器處理后被用于比較的信號，還可以是作為打分和分級標準的基準信號；

g)為保證測試結(jié)果的公正性，主觀評測時不能透露評測內(nèi)容所屬組別（即測試組、對照組）。

6測試方法

實驗室仿真實驗

實驗室仿真實驗要求如下：

a)應(yīng)使用數(shù)學模型生成全部仿真數(shù)據(jù)，或者僅將傳感器所采集實際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為仿真實驗的

輸入，其余部分數(shù)據(jù)通過數(shù)學模型生成；

b)應(yīng)進行蒙特卡洛仿真實驗，并對多次試驗結(jié)果取平均值；

c)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)，按測試用例進行蒙特卡洛仿真實驗，給出并顯示系統(tǒng)輸入，觀察相關(guān)

輸出數(shù)據(jù)和濾波器權(quán)向量。畫出均方誤差學習曲線或均方偏差學習曲線，分析仿真結(jié)果，檢

驗系統(tǒng)是否滿足有關(guān)設(shè)計、性能等要求；

d)測試用例的設(shè)計至少包括：系統(tǒng)的信噪比情況、輸入信號的相關(guān)性情況、待跟蹤系統(tǒng)的平穩(wěn)/

非平穩(wěn)情況、學習速率參數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性以及收斂速率的關(guān)聯(lián)情況等要求。

6.2實際試驗

實際試驗要求如下：

a)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)，并使用傳感器采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；

b)按測試用例進行實際試驗，給出并顯示系統(tǒng)輸入和輸出，觀察濾波器權(quán)向量。分析實驗結(jié)果，

檢驗系統(tǒng)是否滿足有關(guān)設(shè)計、性能等要求；

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c)測試用例的設(shè)計至少包括：系統(tǒng)的信噪比情況、輸入信號的相關(guān)性情況、系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)

據(jù)之間的線性/非線性情況、待跟蹤系統(tǒng)的平穩(wěn)/非平穩(wěn)情況、學習速率參數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性以

及收斂速率的關(guān)聯(lián)情況等要求。

6.3整機試驗

整機試驗要求如下：

a)當自適應(yīng)濾波器作為整體系統(tǒng)的子系統(tǒng)時，要進行整機試驗；

b)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)：將前一級子系統(tǒng)的輸出作為自適應(yīng)濾波器的輸入，并將自適應(yīng)濾波器

的輸出作為后一級子系統(tǒng)的輸入；

c)按測試用例進行整機試驗，給出并顯示系統(tǒng)輸入，觀察相關(guān)輸出數(shù)據(jù)和濾波器權(quán)向量。分析

實驗結(jié)果，檢驗系統(tǒng)是否滿足有關(guān)設(shè)計、性能等要求；

d)測試用例的設(shè)計至少包括：系統(tǒng)的信噪比情況、輸入信號的相關(guān)性情況、系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)

據(jù)之間的線性/非線性情況、待跟蹤系統(tǒng)的平穩(wěn)/非平穩(wěn)情況、學習速率參數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性以

及收斂速率的關(guān)聯(lián)情況等要求。

6.4主觀評測試驗

主觀評測試驗要求如下：

a)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)；

b)可以使用提前存儲的離線數(shù)據(jù)進行試驗，也可以在相同測試條件下在線開展試驗；

c)按測試用例進行主觀評測試驗，給出并顯示系統(tǒng)輸入，觀察相關(guān)輸出數(shù)據(jù)和濾波器權(quán)向量