Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  5, N o . 2 ,  A p r il  201 5, p p 35 5 ~ 36 I S SN : 208 8-8 7 0 8           3 55     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Multiple Processes for Le ast Mean Square Adaptive  Algorithm on Roadwa y Noise Cancelling       Sri Ar ttini  Dwi Prasetyowati *,  Adhi  Sus anto**  *Dep. of  Electrical  Engin eer ing,  Industrial Techn o lo g y  Facu lty ,  S u ltan  Agung Islamic  University , Sema rang, Indo nesia  ** Dep. of  Electrical Eng i neerin g, Facu lty   of  En gin eer ing, Gadjah Mada Univer sity , Yog y ak arta, I ndonesia      Article Info    A B STRAC Article histo r y:  Received Ja 4, 2014  Rev i sed  Feb  22 , 20 15  Accepted  Mar 10, 2015      Noise is a prob lem often found  in daily  life. No ise also mak e  p e ople  could   not concentr ate to do their  work.  Efforts to r e duce noise hav e  been  proposed,  but, due to variety  of the noise’s charac te ri st ic s,  eve r y  noi se problem requires  differen t  s o lutio n. This  res e arc h  aim  to canc e l  the veh i cl e’s  nois e  whil e   maintaining th e information heard. Th ese co nditions happen e d in the  hospitals classrooms, or work ro om n ear the ro a d wa y. The  vehi cle’s  nois e   changes ver y  f a st, so the adap tive s y stem is the good solution candidate for  solving this pro b lem. On th e b e ginning , th e simulation pro ces s had the  trouble with th e iter a tions . Matlab softwar e  on ly  can  ex ecute  the certain   range of i t er ati on. It cou l d no t can cel  the no is e, ev en th e i n form ation   becom e s  cripti c.  The problem  is how to  cancell the vehic l e’s noi se with the   restric tion software and sti ll m a n a ge the  im portan t  inform ation .  T h is research   will m odif y  the  LMS adaptive algorithm   so that the iteration co uld be done  b y  th e s y s t em  and the m a in g o al of th e res e a r ch could b e  re ached . Th e   modification of the algorithm is  based  on the filter length (L) used to adapt  with the no ise.  Therefor e,   this r e search  conducted simulation o f  the  adaptive  noise c a nce lling  with two p r oc ess steps. Th output of  the  fi rst adap tiv e   proces s  have the . s a m e  chara c t e ri s tics  with the no is e that would b e  can cel led ,   thus  the firs t a d aptiv e proces s  have the error  near to zero .    The s econd   adaptive process  changes the inp u t b y  the outpu t of the first process and  mix   the inform ation  into the noise .  Error occur e d in the fin a l pro cess is the   inform ation h ear d as   th e dominan t output.      Keyword:  Ad ap tiv e pro c ess  Filter len g t h     LMS ada p tive    No ise can cellin Vehicle’s  nois   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Sri Arttin i Dwi  Prasetyowati,  Depa rtem ent.of Electrical E n ginee r ing,    In d u st ri al  Tec h nol ogy   Facul t y   Su ltan  Ag ung  Isla m i Un iv ersity,  Se m a ran g , Indo n e sia  Em a il: arttin i @ un issu la.ac.i d       1.   INTRODUCTION  Th is research  i s  in sp ired   b y  actu a l situ atio n   in  a h o sp ital roo m  in  Se m a ran g  con t am in ate d  with   n o i ses  fr om  t h e nearb y  road . It  i s  ve ry  di ffi c u l t  t o  m a ke con v e r sa t i ons bet w ee n adm i ni st rat i on of fi cers a nd  g u e st s i n   the presence  of roa d way  noise s, thus th of fi cers nee d  t o   fr eque nt l y  repea t   th e in fo rm ati o n. Therefore,  it is o f   g r eat im p o r tance to   find  a tech n i q u e  to  can c el th e no ise  while th e in form a tio n  can  still b e  h e ard.  The  vehicle  noise cha n ges fast, he nce the  syste m   m u st a d apt s p ee dily and  accurately. Least Mea n   Squ a re (LMS) Ad ap tiv e is  a pro s p ectiv so lu tion   for  t h is p r ob lem  d u e  to  its rob u stn e ss; m o reov er th al go ri t h m  does n ’t   nee d  m a ny  k n o w vari a b l e s. A d a p t i v e syste m  is syste m   th at can  ad ap t (witho u t   operato r)  so that it can be optim al. The  syste m  always does the  pro cess so that the variable is very close to the target   [1 ]. Ad ap tiv No ise Can c ellatio n  (ANC ) app licatio n  is u s ef ul in wi de ra nge of scena r ios ,  suc h  as confe r ence   room  [2]. It m eans t h at the a d aptive al gorithm   is ve ry  s u i t a bl e f o r  resea r c h   on  r o a d way   noi se  cancel l a t i on.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  5,  No . 2, A p ri l  20 15   :    35 5 – 3 6 0   35 6 In fact, if t h e t a rget  fluct u ates over tim e (not sta tic), t h proces s s h ould  be  done  as s oon as  possi ble   wh ile th e erro  m u st  be  kept  m i nim a l .  A d apt i v e  sy st em s have se veral  c h aract e r i s t i c s:  can a d apt   au to m a tical ly, can   b e  t r ain e d to   do   filtering  and  m a k e  decisio n ,  h a v e   si m p ler step s th an th e non -ad a p tiv sy st em s alt h o u g h  ha ve a c o m p l e x anal y s i s , and ca devel op t h e m odel  [1] .  LM S al gori t hm s have   p e rform a n ce i ssu es related to  in su fficien t  ex citati on,  no nst a t i ona ry  refere nce i n put s ,  fi ni t e  p r eci si o n   arithm e tic, quantization noi s e, and m easurem ent noi se . Suc h  factors  cause weight drift and potentia in stab ility in  th e con v e n tional LMS algorith m  [3 ]. Besid e s LM S algorith m s , th ere  are sev e ral  adap tive  algorithm s , e.g. NLMS (Normalized  Least  Mean Square ), RLS (Recursi v e Least Squa re).  One  of possible  schem e s is to  place a n  ide n tical filter in t h e  refe re nce si gnal path t o  t h weight update  of the LM S al gorithm ,   also  called   Filtered-x LMS  (Fx L MS) algo rit h m  [4 ].    Usi n g t h e si m p l e st  st ruct ure  t h at  have a n  easy  expl an at i on f o r t h e a n al y t i c  descri pt i on,  Li nea r   Com b iner, the  LMS Ada p tive  can  be e x ec ute d  sim p ly.  The  form ula can be  shown a s   L l l k lk L k Lk k k k k k ok k x w x w x w x w x w y 0 2 2 1 1 ...  (1 )     Out put   y k  can  be calculated from  the lin ear com b ination  of the i n put  x k  and t h wei g ht   w lk  . LM S   Ad ap tiv e is one of th e sim p le st Ad ap tiv e Al g o rith m  th at  can  so lv e th e co m p lex  prob lem  o f  v e h i cle’s no ise.  Th e LM Ad ap tiv Algo rithm  can  b e  sh own   o n  th e equ a tio n (2 ).    k X W W k 1 k 2 k                          (2   Equ a tio n  (2) is u s ed  to  fi n d  th e co rrect weig h t  u s ed  in  Equ a tio n  (1). In  add ition ,  the Mean  Sq u a re Error  (MSE) n e ed s to   b e   d e term in ed , m a in ly from   th e d i fference of  n o i se to   b e  can celled  an d th e ou tpu t   o f  the  syste m . Eq u a tio n s   (1 ) an d   (2) are u s ed  in  the co nfigu r ation d e scri b e d  i n  Fig u re 1   for v e hicle n o i se can cellin in   th is wo rk .   Fig u re 1   showed  con f i g u r ation  with  t w o  inpu t, th e fi rst in pu t con t ain s  sign al  k s and noise  k n , whil e   t h e ot he r i n put  cont ai ns  o n l y  noi se si gnal   k n ' , un de r t h e co n d i t i on  k n '  and  k n  c o m e  f r o m s a me  n o i s e  b u t   taken  from  differe nt places.  In  bloc k “S.A”, the input  a nd  output are  processe d wit h  Linea r  Com b ine r wh ereas in  b l ock  “Algo r itm a  th ere is p r o c ess for fi nd ing th e weig h t Ad ap tiv e algorith m  ad j u sts th e filter   coefficient include d in the ve ctor  W n . Th e ad ap tiv filter ai m s  to  eq u a te i t s o u t pu t y(n) to  th e d e sired  ou tput   d( n) . F o r  eac i t e rat i on, t h e e r ro r si gnal  i s   gi ven  by :     ɛ ( n )  = d( n)  - y( n)      (3)     whe r ɛ   or e r r o r i s   di ffe re nc e bet w ee n de si red i n p u t  d a n d o u t p ut  y .   T h e er ro r si g n al  i s  fed  back i n t o  t h filter, whe r e the filter c h aract eristics are alte re d accordi ngl y as shown in  Figure  [5].           Fig u re 1 .   Con f i g uration  o f  Noise  Can cellin   Fig u re  2 .  Ad aptiv e Filter Configu r ation        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Title o f  ma nu scrip t  is sh o r an d clea r, imp lies resea r ch resu lts (First Au tho r 35 7 2.   SEAR CH IN G  OPTI MU DELA VAL UE  AN D TW O P R O C ESS  LMS  A D A P T IVE  NOIS E   CANCELLING  Data Co llection   was  d o n e   b y  reco rd ing   v e hicle n o i se  from   th e d i fferen t  lo catio n in  t h e sam e  ti me.   The fi rst n o ise  ( k n ) i n  Fi g u re  1  i s  vehi cl noi se hear d i n  t h e  ro om  desi gnat e d f o r  t h noi s e  cancel i n g. T h e   second noise is the roadway noise ( n k  ) from the source of the noise. T h e noise com e from   m o torcycle and  cars  wi t h   di ffe rent   fuel  t y pes .  F u rt he rm ore,  i n f o rm at i on s i gnal   was al s o  reco r d ed  an sim u l a t e d com b i n e d   with  th first  ro adway no ise ( s k . ) .  I t  sh ou l d  be no ted that th e f i r s t and  th second   r ecor d i n g w e re do n e   sim u l t a neousl y . Si m p l e  t ool t h at  co ul hel p  t h e rec o rdi n g   as a di vi de of  t h e t w dat a  re cor d i n were  a dde d   on  com put er  as  sh ow n i n  Fi g u r 3.           Fi gu re  3.  Si m p l e  t ool   di vi der t h e t w n o i s e si gnal        Searc h i n g t h opt i m u m  del a y val u was  do ne f o r  fi ve  ve h i cl e noi se s o u r ces, i . e. t r uc k,  bus , m o t o rcy c l e , ca r   wi t h  sol a fuel ,  car wi t h  n on s o l a r f u el , an m i x of seve ral  vehi cl es.  B eca use o f  t h e di f f i c ul t y  of com p u t i ng,  th e op ti m u m  it eratio n   was sel ected  fo n o i se can cellin g .   The in pu t o f   Ad ap tiv e LMS is th e no ise h e ard   in  th ro om  (the first noise ) an d the  refe rence  of th e Ada p tive  LM S is noise from  the source (t he second noise ) . The  first step  was lo ok ing  fo r th o p tim u m   del a y  with   = 0,0 01  and  det e rm i n i ng t h e am ount  of i t e rat i on d u e t o   num ber o f  sam p l e  20. 00 0.  Searc h i n g of t h e o p t i m u m  del a y  based on  m ovi ng aver ag e from  t h e square err o r     ( 2 ).   B y  obser vi n g  t h e val u e of t h e  del a y ,  i n creasi ng i t  an d cha n gi n g  L val u p e ri o d i cal l y , opt im u m  val u of  del a y  a n d   L co ul d  be  m e t .   T h e l a r g e r  t h e  L  val u e  t a ken ,  t h e m ean  fr om   m ovi ng a v e r age  t e nd  t o   conve r ge nt and less value ca n be  obtaine d.  Ideally, each  ve hicle’s noise  has di ffe rent L  and  delay. In  fact the  v a lu e t h at m o st  in flu e n tial in   LMS Ad ap tiv e p r o cess is t h v a lu o f    . Tab l e 1  sh ow  th valu e of  D e lay and  L with  th e sam e  fo r al l  vehi cl es’ n o i s e.  Acc o r d i n g t o  t h e o b t a i n ed  dat a D e l a y  and L  val u e can  be a dde d o r   subt ract ed a c c o r d i n g t o  t h e  re qui red  com put at i on  [6] .   It  can be see n  t h at  t h m i nim u m  val u e fo r  L i s  150, a n d  t h m a xim u m  val u e f o r L i s  45 0. F o r t h weight iteration take n 20.000, it will be hard for the  c o m putation,  beca us e algorithm  will look for the  out put   with 150 itera tion each whi c h woul d be  processe d untill 20.000 iterati ons for sea r chi ng the  we ights.  Co n s equ e n tly, it tak e s co n s iderab ly lo ng  time. Fro m  th di ffi c u l t y  of searchi ng L val u e and t h e bi g i t e rat i o n s   fo r fi ndi ng t h wei g ht s, t h i s   re search  di vi des  t h e LM S ada p t i ve n o i s e cance l l i ng i n t o  t w o s t at es i n  ho pe t o  get   fast p r ocess a n d m i nim a l erro r in  res u lt.   Fi gu re  4 s h ow   t h e t w pr oces ses LM S a d a p t i v noise ca nce lling. T h proc ess stages  are:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  5,  No . 2, A p ri l  20 15   :    35 5 – 3 6 0   35 8 -   First Process:  d  is in doo r  Si gn al ( S D ) x  i s  t h e re fere nce o f  t h e adapt i ve L M S or  out do o r  si gnal  (S L), t o   be e xpect e d  t h e o u t p ut  cl ose  t o  SD, so that t h e e r ror val u  ( error ) cl ose t o  zero.  -   Seco nd P r oce s s:    d  i s  SD  m i xed  by  i n fo rm at i on si gn al , w h ereas  x  i s  t a ken fr om  out pu t  from  t h e fi rst   pr ocess .   T o  be expect e d   e r r o r  val u close t o  i n form ation signal [7].          (a)         (b )     Fig u re  4 .  Th e two processes  LMS ad ap tiv n o i se can celling ;  (a) Th first  p r o cess of LM  ada p tive al gorith m ,  (b) T h e s econd   proces of LMS a d a p tive algorithm          The M ean  Sq uare E r r o r (M SE) f o r LM Ada p tiv wi t h  onl y  o n pr o cess an d t w o pr ocess  were   obt ai ne d by   de t e rm i n i ng t h L val u e o n  t h e  st at e posi t i on,  t h at  event u al l y    and  del a y  c h ange. T h e L  value  is o p t i m u m  v a l u e th at can  b e  tak e n  in  th e LMS Ad ap tiv e Process, so  th at th e co m p u t atio n a l sim u latio n  can  be  sol v e d Ho we ver ,  i f  m o re p o we rf ul l  com put i ng  res o u r ce  are pre s ent ,   L val u doe s not   need t o  b e  t a ken   minim a l, but at any  value t h at  coul d ac hieve  the sm allest MSE.      3.   RESULTS  A N D  DI SC US S I ON   The Process  of calculating  L and  del a y   wi t h   t h e di ese l -base d  vehi cl es  as  a noi se si gnal  usi n g   “M ovi ng  A v er age” m e t hods   and   0 , 001 , is show in  Figur 5  an d Figu r e  6.          Fi gu re  5.  The   Pro cess  of  cal cul a t i ng  L a n d  d e l a y ;  L=19 de l a y   220  ( r e d ) , L=20 del a y   23 0 (b lu e)  L=22 0   del a y  23 (g r e en ).    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Title o f  ma nu scrip t  is sh o r an d clea r, imp lies resea r ch resu lts (First Au tho r 35 9     Fi gu re  6.  The   Pro cess  of  cal cul a t i ng  L a n d  d e l a y ;  enl a rge d   part  i n  t h e  fi r s t  pea k   of  t h Fi gu re  1.       It  coul d be co ncl u ded  fr om  f i gu re 5 an d 6 t h at  t h e bi g g er  t h e val u of L  t h e sq uare m ovi n g  ave r ge i s   m o re conve rgent. Howe ver, as a consequence, the  com putation is also getti ng  harder, and the process  becom e s l o n g e r Neve rt hel e ss , i t  d o es  not   g u a rant ee t h at  t h e com put at i on  gi ves a ccu rat e   resul t s The  O p t i m a d e lay w ith  230 sa m p les o f   0 . 00 52  seco nd  is  a g ood  v a l u e.  H o w e v e r  to   p r ev en t th e m i ssi n g   o f   d e lay, the d e lay   was t a ke o n  2 0 0  sam p l e s. Th e res u l t  fo r t h ot he r ve hi cl es  fo 20 .0 0 0  i t e r a t i ons a n d  0 ,001 , are   show n in  Tabel  1. F r om   Tabel  1 s h o w e d  t h at  L val u very  hi gh  fo r s o m e  vehi cl es. The bi gge r val u e o f  L t h e n o i s e wi l l   be e r ase d  c o m p le tely because t h value   of m oving  a v erage  convergent to certain  num ber. However the   pr ocess  bec o m e s so  har d .  H o weve r, t o  a n t i c i p at e t h e bi value of L, LM S ada p tive  alg o rithm s  were  m odified  in to   two  pro c esses.       Tabel   1. T h e  v a l u e o f  L ,   an d   del a y   fo r se ve ral  ve hi cl es    Vehicles   (Itera tio n )     (Fix ed)   Delay  (sa m ple )   Diesel 150   0. 001   200   Bus  250   0. 001   200   T r uck 350   0. 001   200   Car 450   0. 001   200   M o tor  250   0. 001   200   Car  with Solar  Fuel  300   0. 001   200       The MSE  val u obtaine from  LMS ada p tive algor ithm  on the fi rs t and second  processes  was   i nvest i g at e d  an d su bse q uent l y  com p ared wi t h  t h e L  val u e i n  o n e p r ocess.  Tabl e 2 a nd  sho w  t h e M S E  val u es  fo seve ral  ve hicles in  t h first a n d  seco nd   process   of LMS  Ada p tive, re spectivel y. T h e     val u w a s   d e term in ed  con s tan t  and  sm a ll en ou gh , so  t h at th pro cess is ru nn ing   slowly bu t qu ite t h oro ugh     Tabel  2.  T h e  M S val u es of   car wi t h   s o l a fu el i n  th e first pro cess LMS  Ad ap tiv   (Itera tio n )   Delay  (Sa m pl e)     ( fix e d )   MSE1   100  230   0, 001   10. 235 7   230  110   0, 001   0, 1131   230  100   0, 001   0, 1200   230  120   0, 001   0, 1041   230  130   0, 001   0, 1041   230  140   0, 001   0, 1049     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E   V o l .  5,  No . 2, A p ri l  20 15   :    35 5 – 3 6 0   36 0 Tabl e 3.  T h e  M S val u es of   car wi t h   s o l a r   f u e l  in  th e s e con d  pro c e s s  L M S  Ad ap tiv e      (Itera tio n )   Delay  (Sa m pl e)     (Fix ed)   MSE1 MSE2  100  230   0, 001   0, 2400   16, 294 4   230  100   0, 001   0, 0998   3, 9117   230  110   0, 001   0, 0990   11, 603 3   230  120   0, 001   0, 0995   7, 0464   230  130   0, 001   0, 1008   32, 710 2        Table 2 and  reveal t h at    is selected  with  co nstan t  v a l u wh ile L and   delay v a ry. Th e L v a l u e is  th e op ti m a l v a l u e th at can   reach  in  th e LMS  Ad ap tiv p r oc ess, beca use t h e com put er has   m a ny  l i m i t a t i ons  i n   its calculation  [6].  T h e fi rst  process  has M S E1 less t h an   1, a nd t h is is  a sm a ll value because in the  first  pr ocess t h ere i s  no i n f o rm at ion m i x i n  t h i n p u t .  T h sec o nd process has  MSE2  m o re than  1 beca use the   MSE2 i n clude  inform ation that  m u s t  b e   o c cu rr e d  a s  an  er ro r.      4.   CO NCL USI O N   From  t h e resea r ch e x peri m e nt s, t h e r o a d way  noi se ca ncel l i ng c o ul be re al i zed wi t h  L M S Ada p t i v e   Al g o ri t h m  wi t h  m odi fi cat i on  i n t o  t w pr oce sses, wi t h  L =  23 0,  0 , 001 , and  dela y as  m u ch as  100  sam p le s   with linea r com b iner struct ure.  W i t h   one  proces s of LM S ada p tive, the L val u e is st ill cannot ca nc ell the  vehi cl e’s   noi se  beca use t h p r oces need  bi g L  val u e,  b u t   wi t h  t w o  p r oc ess o f  LM A d apt i v e ,  t h bi gge L   can be reache d the r efore   the noise   cancelling  c oul d be realized  well.      REFERE NC ES  [1]     Widrow, B., an d S.D. Stearns,  “Adaptive Signal Pro cessing”, 1 985, Prentice-H a ll,  Inc., Englewood Clifts, New  Je rsey [2]     S carpinit i , M . , D a niel , C., Raf f ael e, P ., A u rel i o,  U, “ A  Collabara tive Fil t er  Approach to Adaptive Noise   Cancellation”, S m art Innovation,  S y stems,  and  Technolog ies, Volume 19, 2013 , p p  101-109.  [3]     David A. Car t es, Laura R. Ray ,   and Robert D.Collier ,  “Ly a punov  Tuning  of Th e Leak y  LMS Algor ithm For Single  S ource”, S i ngl e- P o int-Nois e Can cel lat i on, P r oce e d ings  of  the Am erican Control  Conferenc e  Arlington, VA J une  25-27, 2001   [4]     Sanaullah, Kh an , M. Arif, T. Ma jeed , “Comparison of LMS, RLS and Notc h B a se d Adaptiv e Algo rithm s  for Noise   Cancellation o f   a ty p i cal Indus tr ial Workroom”, I EEE, 2004   [5]         Akingbade KF, Isiaka AJA, “Separation of Di gital Audio  Signal Using Leas t-Mean-Square (LMS) Adaptiv Algorithm”,  International Journal  of   Electrical and Computer  Engineering  ( I JECE) , Vol.4, No.4, August 2014,  pp.557-560, ISSN: 2088-8708    [6]     P r as et y o w a ti , S . A.D, “ E xplorati on of The Adaptive Vehi c l e’s Noise Cance lla tion  in The W o rk Room ”, Disertatio n ,   Gadjah Mad a  U n iversity , Yog y akarta, Indon esia, 2010   [7]     P r as et y o w a ti , S . A . D ., Bus t anul , A ., Eka N . B.S . ,  “ S olu tion for  Vehicles Noise Cance llation with Modification of   LMS Adaptive Algorithm International Journal on Com puter Science and Engineering , Vol: 4 Issue: 5, Engg   Journal Publications, May  2012          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.