Минимаксная оптимизация

Этот пример использует:

В этом примере показано, как решить нелинейную задачу создания фильтра с помощью минимаксного алгоритма оптимизации, fminimax, в Optimization Toolbox™. Обратите внимание на то, что, чтобы запустить этот пример необходимо было установить Signal Processing Toolbox™.

Установите конечные параметры точности

Рассмотрите пример для проекта конечных фильтров точности. Для этого необходимо задать не только параметры создания фильтра, такие как частота среза и количество коэффициентов, но также и сколько битов доступно, поскольку проект находится в конечной точности.

nbits  = 8;         % How many bits have we to realize filter 
maxbin = 2^nbits-1; % Maximum number expressable in nbits bits
n      = 4;         % Number of coefficients (order of filter plus 1)
Wn     = 0.2;       % Cutoff frequency for filter
Rp     = 1.5;       % Decibels of ripple in the passband
w      = 128;       % Number of frequency points to take

Непрерывный проект сначала

Это - непрерывное создание фильтра; мы используем cheby1, но мы могли также использовать ellip, yulewalk или remez здесь:

[b1,a1] = cheby1(n-1,Rp,Wn); 

[h,w] = freqz(b1,a1,w); % Frequency response
h = abs(h);             % Magnitude response
plot(w, h)
title('Frequency response using non-integer variables')

x = [b1,a1];            % The design variables

Установите границы для коэффициентов фильтра

Мы теперь устанавливаем границы на максимальных и минимальных значениях:

if (any(x < 0))
%   If there are negative coefficients - must save room to use a sign bit
%   and therefore reduce maxbin
    maxbin = floor(maxbin/2);
    vlb = -maxbin * ones(1, 2*n)-1;
    vub = maxbin * ones(1, 2*n); 
else
%   otherwise, all positive
    vlb = zeros(1,2*n); 
    vub = maxbin * ones(1, 2*n); 
end

Масштабируйте коэффициенты

Установите самое большое значение, равное maxbin, и масштабируйте другие коэффициенты фильтра соответственно.

[m, mix] = max(abs(x)); 
factor =  maxbin/m; 
x =  factor * x;    % Rescale other filter coefficients
xorig = x;

xmask = 1:2*n;
% Remove the biggest value and the element that controls D.C. Gain
% from the list of values that can be changed. 
xmask(mix) = [];
nx = 2*n;

Установите критерии оптимизации

Используя optimoptions, настройте критерии завершения к довольно высоким значениям, чтобы продвинуть короткое время выполнения. Также включите отображение результатов в каждой итерации:

options = optimoptions('fminimax', ...
    'StepTolerance', 0.1, ...
    'OptimalityTolerance', 1e-4,...
    'ConstraintTolerance', 1e-6, ...
    'Display', 'iter');

Минимизируйте значения абсолютного максимума

Мы должны минимизировать значения абсолютного максимума, таким образом, мы устанавливаем options.MinAbsMax на количество точек частоты:

if length(w) == 1
   options = optimoptions(options,'AbsoluteMaxObjectiveCount',w);
else
   options = optimoptions(options,'AbsoluteMaxObjectiveCount',length(w));
end

Устраните первое значение для оптимизации

Дискретизируйте и устраните первое значение и выполните оптимизацию путем вызова FMINIMAX:

[x, xmask] = elimone(x, xmask, h, w, n, maxbin)

x = 1×8

    0.5441    1.6323    1.6323    0.5441   57.1653 -127.0000  108.0000  -33.8267

xmask = 1×6

     1     2     3     4     5     8

niters = length(xmask); 
disp(sprintf('Performing %g stages of optimization.\n\n', niters));

Performing 6 stages of optimization.

for m = 1:niters
    fun = @(xfree)filtobj(xfree,x,xmask,n,h,maxbin); % objective
    confun = @(xfree)filtcon(xfree,x,xmask,n,h,maxbin); % nonlinear constraint
    disp(sprintf('Stage: %g \n', m));
    x(xmask) = fminimax(fun,x(xmask),[],[],[],[],vlb(xmask),vub(xmask),...
        confun,options);
    [x, xmask] = elimone(x, xmask, h, w, n, maxbin);
end

Stage: 1

                  Objective        Max     Line search     Directional 
 Iter F-count         value    constraint   steplength      derivative   Procedure 
    0      8              0    0.00329174                                            
    1     17      0.0001845      3.34e-07            1          0.0143     

Local minimum possible. Constraints satisfied.

fminimax stopped because the size of the current search direction is less than
twice the value of the step size tolerance and constraints are 
satisfied to within the value of the constraint tolerance.

Stage: 2

                  Objective        Max     Line search     Directional 
 Iter F-count         value    constraint   steplength      derivative   Procedure 
    0      7              0     0.0414182                                            
    1     15        0.01649     0.0002558            1           0.261     
    2     23        0.01544     6.126e-07            1         -0.0282    Hessian modified  

Local minimum possible. Constraints satisfied.

fminimax stopped because the size of the current search direction is less than
twice the value of the step size tolerance and constraints are 
satisfied to within the value of the constraint tolerance.

Stage: 3

                  Objective        Max     Line search     Directional 
 Iter F-count         value    constraint   steplength      derivative   Procedure 
    0      6              0     0.0716961                                            
    1     13        0.05943    -1.154e-11            1           0.776     

Local minimum possible. Constraints satisfied.

fminimax stopped because the size of the current search direction is less than
twice the value of the step size tolerance and constraints are 
satisfied to within the value of the constraint tolerance.

Stage: 4

                  Objective        Max     Line search     Directional 
 Iter F-count         value    constraint   steplength      derivative   Procedure 
    0      5              0      0.129938                                            
    1     11        0.04278     2.874e-10            1           0.183     

Local minimum possible. Constraints satisfied.

fminimax stopped because the size of the current search direction is less than
twice the value of the step size tolerance and constraints are 
satisfied to within the value of the constraint tolerance.

Stage: 5

                  Objective        Max     Line search     Directional 
 Iter F-count         value    constraint   steplength      derivative   Procedure 
    0      4              0     0.0901749                                            
    1      9        0.03867    -2.446e-10            1           0.256     

Local minimum possible. Constraints satisfied.

fminimax stopped because the size of the current search direction is less than
twice the value of the step size tolerance and constraints are 
satisfied to within the value of the constraint tolerance.

Stage: 6

                  Objective        Max     Line search     Directional 
 Iter F-count         value    constraint   steplength      derivative   Procedure 
    0      3              0       0.11283                                            
    1      7        0.05033    -1.249e-16            1           0.197     

Local minimum possible. Constraints satisfied.

fminimax stopped because the size of the current search direction is less than
twice the value of the step size tolerance and constraints are 
satisfied to within the value of the constraint tolerance.

Проверяйте значения ближайшего целого числа

Смотрите, производят ли соседние значения лучший фильтр.

xold = x;
xmask = 1:2*n;
xmask([n+1, mix]) = [];
x = x + 0.5; 
for i = xmask
    [x, xmask] = elimone(x, xmask, h, w, n, maxbin);
end
xmask = 1:2*n;
xmask([n+1, mix]) = [];
x = x - 0.5;
for i = xmask
    [x, xmask] = elimone(x, xmask, h, w, n, maxbin);
end
if any(abs(x) > maxbin)
  x = xold; 
end

Сравнения частотной характеристики

Мы сначала строим частотную характеристику фильтра, и мы сравниваем его с фильтром, где коэффициенты только окружены или вниз:

subplot(211)
bo = x(1:n); 
ao = x(n+1:2*n); 
h2 = abs(freqz(bo,ao,128));
plot(w,h,w,h2,'o')
title('Optimized filter versus original')

xround = round(xorig)

xround = 1×8

     1     2     2     1    57  -127   108   -34

b = xround(1:n); 
a = xround(n+1:2*n); 
h3 = abs(freqz(b,a,128));
subplot(212)
plot(w,h,w,h3,'+')
title('Rounded filter versus original')

fig = gcf;
fig.NextPlot = 'replace';

Смотрите также

fminimax

Документация