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    Two-dimensional angular parameter estimation for noncircular incoherently distributed sources based on an L-shaped array

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    In this paper, a two-stage reduced-rank estimator is proposed for two-dimensional (2D) direction estimation of incoherently distributed (ID) noncircular sources, including their center directions of arrival (DOAs) and angular spreads, based on an L-shaped array. Firstly, based on the first-order Taylor series approximation, a noncircularity-based extended generalized array manifold (GAM) model is established. Then, the 2D center DOAs of incident ID signals are obtained separately with the noncircularity-based generalized shift-invariance property of the array manifold and the reduced-rank principle. The pairing of the two center DOAs is completed by searching for the minimum value of a cost function. Secondly, the 2D angular spreads can be obtained in closed-form solution from the central moments of the angular distribution. The proposed estimator achieves higher accuracy in angle estimation that manages more sources and shows promising results in the general scenario, where different sources possess different angular distributions. Furthermore, the approximate noncircular stochastic Cramer-Rao bound (CRB) of the concerned problem is derived as a benchmark. Numerical analysis proves that the proposed algorithm achieves better estimation performance in both 2D center DOAs and 2D angular spreads than an existing estimator

    Complex-valued Adaptive Digital Signal Enhancement For Applications In Wireless Communication Systems

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    In recent decades, the wireless communication industry has attracted a great deal of research efforts to satisfy rigorous performance requirements and preserve high spectral efficiency. Along with this trend, I/Q modulation is frequently applied in modern wireless communications to develop high performance and high data rate systems. This has necessitated the need for applying efficient complex-valued signal processing techniques to highly-integrated, multi-standard receiver devices. In this dissertation, novel techniques for complex-valued digital signal enhancement are presented and analyzed for various applications in wireless communications. The first technique is a unified block processing approach to generate the complex-valued conjugate gradient Least Mean Square (LMS) techniques with optimal adaptations. The proposed algorithms exploit the concept of the complex conjugate gradients to find the orthogonal directions for updating the adaptive filter coefficients at each iteration. Along each orthogonal direction, the presented algorithms employ the complex Taylor series expansion to calculate time-varying convergence factors tailored for the adaptive filter coefficients. The performance of the developed technique is tested in the applications of channel estimation, channel equalization, and adaptive array beamforming. Comparing with the state of the art methods, the proposed techniques demonstrate improved performance and exhibit desirable characteristics for practical use. The second complex-valued signal processing technique is a novel Optimal Block Adaptive algorithm based on Circularity, OBA-C. The proposed OBA-C method compensates for a complex imbalanced signal by restoring its circularity. In addition, by utilizing the complex iv Taylor series expansion, the OBA-C method optimally updates the adaptive filter coefficients at each iteration. This algorithm can be applied to mitigate the frequency-dependent I/Q mismatch effects in analog front-end. Simulation results indicate that comparing with the existing methods, OBA-C exhibits superior convergence speed while maintaining excellent accuracy. The third technique is regarding interference rejection in communication systems. The research on both LMS and Independent Component Analysis (ICA) based techniques continues to receive significant attention in the area of interference cancellation. The performance of the LMS and ICA based approaches is studied for signals with different probabilistic distributions. Our research indicates that the ICA-based approach works better for super-Gaussian signals, while the LMS-based method is preferable for sub-Gaussian signals. Therefore, an appropriate choice of interference suppression algorithms can be made to satisfy the ever-increasing demand for better performance in modern receiver design

    Design of large polyphase filters in the Quadratic Residue Number System

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    Advanced array signal processing algorithms for multi-dimensional parameter estimation

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    Multi-dimensional high-resolution parameter estimation is a fundamental problem in a variety of array signal processing applications, including radar, mobile communications, multiple-input multiple-output (MIMO) channel estimation, and biomedical imaging. The objective is to estimate the frequency parameters of noise-corrupted multi-dimensional harmonics that are sampled on a multi-dimensional grid. Among the proposed parameter estimation algorithms to solve this problem, multi-dimensional (R-D) ESPRIT-type algorithms have been widely used due to their computational efficiency and their simplicity. Their performance in various scenarios has been objectively evaluated by means of an analytical performance assessment framework. Recently, a relatively new class of parameter estimators based on sparse signal reconstruction has gained popularity due to their robustness under challenging conditions such as a small sample size or strong signal correlation. A common approach towards further improving the performance of parameter estimation algorithms is to exploit prior knowledge on the structure of the signals. In this thesis, we develop enhanced versions of R-D ESPRIT-type algorithms and the relatively new class of sparsity-based parameter estimation algorithms by exploiting the multi-dimensional structure of the signals and the statistical properties of strictly non-circular (NC) signals. First, we derive analytical expressions for the gain from forward-backward averaging and tensor-based processing in R-D ESPRIT-type and R-D Tensor-ESPRIT-type algorithms for the special case of two sources. This is accomplished by simplifying the generic analytical MSE expressions from the performance analysis of R-D ESPRIT-type algorithms. The derived expressions allow us to identify the parameter settings, e.g., the number of sensors, the signal correlation, and the source separation, for which both gains are most pronounced or no gain is achieved. Second, we propose the generalized least squares (GLS) algorithm to solve the overdetermined shift invariance equation in R-D ESPRIT-type algorithms. GLS directly incorporates the statistics of the subspace estimation error into the shift invariance solution through its covariance matrix, which is found via a first-order perturbation expansion. To objectively assess the estimation accuracy, we derive performance analysis expressions for the mean square error (MSE) of GLS-based ESPRIT-type algorithms, which are asymptotic in the effective SNR, i.e., the results become exact for a high SNR or a small sample size. Based on the performance analysis, we show that the simplified MSE expressions of GLS-based 1-D ESPRIT-type algorithms for a single source and two sources can be transformed into the corresponding Cramer-Rao bound (CRB) expressions, which provide a lower limit on the estimation error. Thereby, ESPRIT-type algorithms can become asymptotically efficient, i.e., they asymptotically achieve the CRB. Numerical simulations show that this can also be the case for more than two sources. In the third contribution, we derive matrix-based and tensor-based R-D NC ESPRIT-type algorithms for multi-dimensional strictly non-circular signals, where R-D NC Tensor-ESPRIT-type algorithms exploit both the multi-dimensional structure and the strictly non-circular structure of the signals. Exploiting the NC signal structure by means of a preprocessing step leads to a virtual doubling of the original sensor array, which provides an improved estimation accuracy and doubles the number of resolvable signals. We derive an analytical performance analysis and compute simplified MSE expressions for a single source and two sources. These expressions are used to analytically compute the NC gain for these cases, which has so far only been studied via Monte-Carlo simulations. We additionally consider spatial smoothing preprocessing for R-D ESPRIT-type algorithms, which has been widely used to improve the estimation performance for highly correlated signals or a small sample size. Once more, we derive performance analysis expressions for R-D ESPRIT-type algorithms and their corresponding NC versions with spatial smoothing and derive the optimal number of subarrays for spatial smoothing that minimizes the MSE for a single source. In the next part, we focus on the relatively new concept of parameter estimation via sparse signal reconstruction (SSR), in which the sparsity of the received signal power spectrum in the spatio-temporal domain is exploited. We develop three NC SSR-based parameter estimation algorithms for strictly noncircular sources and show that the benefits of exploiting the signals’ NC structure can also be achieved via sparse reconstruction. We develop two grid-based NC SSR algorithms with a low-complexity off-grid estimation procedure, and a gridless NC SSR algorithm based on atomic norm minimization. As the final contribution of this thesis, we derive the deterministic R-D NC CRB for strictly non-circular sources, which serves as a benchmark for the presented R-D NC ESPRIT-type algorithms and the NC SSR-based parameter estimation algorithms. We show for the special cases of, e.g., full coherence, a single snapshot, or a single strictly non-circular source, that the deterministic R-D NC CRB reduces to the existing deterministic R-D CRB for arbitrary signals. Therefore, no NC gain can be achieved in these cases. For the special case of two closely-spaced NC sources, we simplify the NC CRB expression and compute the NC gain for two closely-spaced NC signals. Finally, its behavior in terms of the physical parameters is studied to determine the parameter settings that provide the largest NC gain.Die hochauflösende Parameterschätzung für mehrdimensionale Signale findet Anwendung in vielen Bereichen der Signalverarbeitung in Mehrantennensystemen. Zu den Anwendungsgebieten zählen beispielsweise Radar, die Mobilkommunikation, die Kanalschätzung in multiple-input multiple-output (MIMO)-Systemen und bildgebende Verfahren in der Biosignalverarbeitung. In letzter Zeit sind eine Vielzahl von Algorithmen zur Parameterschätzung entwickelt worden, deren Schätzgenauigkeit durch eine analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit objektiv bewertet werden kann. Eine verbreitete Methode zur Verbesserung der Schätzgenauigkeit von Parameterschätzverfahren ist die Ausnutzung von Vorwissen bezüglich der Signalstruktur. In dieser Arbeit werden mehrdimensionale ESPRIT-Verfahren als Beispiel für Unterraum-basierte Verfahren entwickelt und analysiert, die explizit die mehrdimensionale Signalstruktur mittels Tensor-Signalverarbeitung ausnutzt und die statistischen Eigenschaften von nicht-zirkulären Signalen einbezieht. Weiterhin werden neuartige auf Signalrekonstruktion basierende Algorithmen vorgestellt, die die nicht-zirkuläre Signalstruktur bei der Rekonstruktion ausnutzen. Die vorgestellten Verfahren ermöglichen eine deutlich verbesserte Schätzgüte und verdoppeln die Anzahl der auflösbaren Signale. Die Vielzahl der Forschungsbeiträge in dieser Arbeit setzt sich aus verschiedenen Teilen zusammen. Im ersten Teil wird die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit von Matrix-basierten und Tensor-basierten ESPRIT-Algorithmen betrachtet. Die Tensor-basierten Verfahren nutzen explizit die mehrdimensionale Struktur der Daten aus. Es werden für beide Algorithmenarten vereinfachte analytische Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler für zwei Signalquellen hergeleitet, die lediglich von den physikalischen Parametern, wie zum Beispiel die Anzahl der Antennenelemente, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, oder die Anzahl der Messungen, abhängen. Ein Vergleich dieser Ausdrücke ermöglicht die Berechnung einfacher Ausdrücke für den Schätzgenauigkeitsgewinn durch den forward-backward averaging (FBA)-Vorverarbeitungsschritt und die Tensor-Signalverarbeitung, die die analytische Abhängigkeit von den physikalischen Parametern enthalten. Im zweiten Teil entwickeln wir einen neuartigen general least squares (GLS)-Ansatz zur Lösung der Verschiebungs-Invarianz-Gleichung, die die Grundlage der ESPRIT-Algorithmen darstellt. Der neue Lösungsansatz berücksichtigt die statistische Beschreibung des Fehlers bei der Unterraumschätzung durch dessen Kovarianzmatrix und ermöglicht unter bestimmten Annahmen eine optimale Lösung der Invarianz-Gleichung. Mittels einer Performanzanalyse der GLS-basierten ESPRIT-Verfahren und der Vereinfachung der analytischen Ausdrücke für den Schätzfehler für eine Signalquelle und zwei zeitlich unkorrelierte Signalquellen wird gezeigt, dass die Cramer-Rao-Schranke, eine untere Schranke für die Varianz eines Schätzers, erreicht werden kann. Im nächsten Teil werden Matrix-basierte und Tensor-basierte ESPRIT-Algorithmen für nicht-zirkuläre Signalquellen vorgestellt. Unter Ausnutzung der Signalstruktur gelingt es, die Schätzgenauigkeit zu erhöhen und die doppelte Anzahl an Quellen aufzulösen. Dabei ermöglichen die vorgeschlagenen Tensor-ESPRIT-Verfahren sogar die gleichzeitige Ausnutzung der mehrdimensionalen Signalstruktur und der nicht-zirkuläre Signalstruktur. Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren wird erneut durch eine analytische Beschreibung objektiv bewertet und Spezialfälle für eine und zwei Quellen betrachtet. Es zeigt sich, dass für eine Quelle keinerlei Gewinn durch die nicht-zirkuläre Struktur erzielen lässt. Für zwei nicht-zirkuläre Quellen werden vereinfachte Ausdrücke für den Gewinn sowohl im Matrixfall also auch im Tensorfall hergeleitet und die Abhängigkeit der physikalischen Parameter analysiert. Sind die Signale stark korreliert oder ist die Anzahl der Messdaten sehr gering, kann der spatial smoothing-Vorverarbeitungsschritt mit den verbesserten ESPRIT-Verfahren kombiniert werden. Anhand der Performanzanalyse wird die Anzahl der Mittellungen für das spatial smoothing-Verfahren analytisch für eine Quelle bestimmt, die den Schätzfehler minimiert. Der nächste Teil befasst sich mit einer vergleichsweise neuen Klasse von Parameterschätzverfahren, die auf der Rekonstruktion überlagerter dünnbesetzter Signale basiert. Als Vorteil gegenüber den Algorithmen, die eine Signalunterraumschätzung voraussetzen, sind die Rekonstruktionsverfahren verhältnismäßig robust im Falle einer geringen Anzahl zeitlicher Messungen oder einer starken Korrelation der Signale. In diesem Teil der vorliegenden Arbeit werden drei solcher Verfahren entwickelt, die bei der Rekonstruktion zusätzlich die nicht-zirkuläre Signalstruktur ausnutzen. Dadurch kann auch für diese Art von Verfahren eine höhere Schätzgenauigkeit erreicht werden und eine höhere Anzahl an Signalen rekonstruiert werden. Im letzten Kapitel der Arbeit wird schließlich die Cramer-Rao-Schranke für mehrdimensionale nicht-zirkuläre Signale hergeleitet. Sie stellt eine untere Schranke für den Schätzfehler aller Algorithmen dar, die speziell für die Ausnutzung dieser Signalstruktur entwickelt wurden. Im Vergleich zur bekannten Cramer-Rao-Schranke für beliebige Signale, zeigt sich, dass im Fall von zeitlich kohärenten Signalen, für einen Messvektor oder für eine Quelle, beide Schranken äquivalent sind. In diesen Fällen kann daher keine Verbesserung der Schätzgüte erzielt werden. Zusätzlich wird die Cramer-Rao-Schranke für zwei benachbarte nicht-zirkuläre Signalquellen vereinfacht und der maximal mögliche Gewinn in Abhängigkeit der physikalischen Parameter analytisch ermittelt. Dieser Ausdruck gilt als Maßstab für den erzielbaren Gewinn aller Parameterschätzverfahren für zwei nicht-zirkuläre Signalquellen

    Temperature aware power optimization for multicore floating-point units

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    NASA patent abstracts bibliography: A continuing bibliography. Section 1: Abstracts (supplement 41)

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    Abstracts are provided for 131 patents and patent applications entered into the NASA scientific and technical information system during the period Jan. 1992 through Jun. 1992. Each entry consists of a citation, an abstract, and in most cases, a key illustration selected from the patent or patent application

    Complex Neural Networks for Audio

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    Audio is represented in two mathematically equivalent ways: the real-valued time domain (i.e., waveform) and the complex-valued frequency domain (i.e., spectrum). There are advantages to the frequency-domain representation, e.g., the human auditory system is known to process sound in the frequency-domain. Furthermore, linear time-invariant systems are convolved with sources in the time-domain, whereas they may be factorized in the frequency-domain. Neural networks have become rather useful when applied to audio tasks such as machine listening and audio synthesis, which are related by their dependencies on high quality acoustic models. They ideally encapsulate fine-scale temporal structure, such as that encoded in the phase of frequency-domain audio, yet there are no authoritative deep learning methods for complex audio. This manuscript is dedicated to addressing the shortcoming. Chapter 2 motivates complex networks by their affinity with complex-domain audio, while Chapter 3 contributes methods for building and optimizing complex networks. We show that the naive implementation of Adam optimization is incorrect for complex random variables and show that selection of input and output representation has a significant impact on the performance of a complex network. Experimental results with novel complex neural architectures are provided in the second half of this manuscript. Chapter 4 introduces a complex model for binaural audio source localization. We show that, like humans, the complex model can generalize to different anatomical filters, which is important in the context of machine listening. The complex model\u27s performance is better than that of the real-valued models, as well as real- and complex-valued baselines. Chapter 5 proposes a two-stage method for speech enhancement. In the first stage, a complex-valued stochastic autoencoder projects complex vectors to a discrete space. In the second stage, long-term temporal dependencies are modeled in the discrete space. The autoencoder raises the performance ceiling for state of the art speech enhancement, but the dynamic enhancement model does not outperform other baselines. We discuss areas for improvement and note that the complex Adam optimizer improves training convergence over the naive implementation
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