基于去网格化变分贝叶斯方法的低精度量化线谱估计问题研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61901415
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0111.信号理论与信号处理
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Line spectral estimation (LSE) aims to extract the parameters of a superposition of complex exponential functions from noisy measurements. As a fundamental problem in signal processing fields, it has many applications such as direction of arrival estimation and channel estimation. Because of the larger bandwidths that accompany both high resolution radar and high data rate mmWave communication system, the cost and power consumption are huge due to high precision (e.g., 10~12 bits) analog-to-digital converters (ADCs). Consequently, low precision (e.g., 1~3 bits) ADCs are employed to relieve this ADC bottleneck. Theoretical analysis reveals that there exists plentiful harmonics of the heavily quantized samples. As a result, conventional methods such as fast Fourier transform (FFT) often overestimate the model order. This research resorts to expectation propagation (EP) and grid-less variational Bayesian method. According to EP, the challenging quantized model of line spectral estimation is iteratively approximated via the minimum mean square error (MMSE) module as a sequence of simple pseudo unquantized heteroscedastic models (different components having different variance), a variant of the variational LSE (VALSE) is re-derived. For the MMSE module, it refines the pseudo observations and variances of the unquantized model. While for the pseudo unquantized model, VALSE iteratively refines the frequency estimates. The two modules iteratively exchange the information and improve the estimation gradually. In addition, this project also extends the above algorithm to solve the direction of arrival estimation and channel estimation problems. To sum up, this project is not only important for solving the fundamental LSE from heavily quantized samples, but also helpful for application in array signal processing and communication fields.
线谱估计是指从时域或者空域估计信号的频域信息,其在雷达和通信领域得到了广泛的应用。然而,随着雷达和通信系统带宽的提升,高精度和高采样率的量化器大大提高了系统的经济成本和硬件能耗。一个有效的解决方案即是在接收机采用低精度量化技术。由于低精度量化数据含有丰富的谐波,传统的离散傅里叶变换方法会过高地估计模型阶数,因此低精度量化这种非线性影响必须加以考虑。利用期望传播,本项目拟将此问题的求解分解为无量化异方差模块和最小均方误差估计模块。一方面,最小均方误差估计模块迭代地修正无量化异方差模型的观测值和噪声方差,使其越来越接近真实的无量化模型;另一方面,无量化异方差模块迭代地修正线谱,得到更为准确的外信息送入最小均方误差估计模块。这两个模块迭代地进行消息传递,并逐渐改善线谱估计的性能。在上述研究成果的基础上,项目将其拓展并应用于到达角和信道估计问题。项目的研究成果,必将具有重要的理论意义和应用价值。

结项摘要

低精度量化技术通过在时域对接收信号进行低精度量化,可实现极高速率采样、大幅降低数据量、显著降低时域采样成本。因此,低精度量化线谱估计是信号处理领域中非常重要的问题。由于低精度量化数据含有丰富的谐波,无量化方法应用于低精度量化数据会估计出谐波分量,导致谐波虚警。课题提出了VALSE-EP算法,其利用期望传播,将问题的求解分解为无量化异方差模块和最小均方误差估计模块。一方面,最小均方误差估计模块迭代地修正无量化异方差模型的观测值和噪声方差,使其越来越接近真实的无量化模型;另一方面,无量化异方差模块迭代地修正线谱,得到更为准确的外信息送入最小均方误差估计模块。这两个模块迭代地进行消息传递,逐渐改善线谱估计的性能。在上述研究成果的基础上,项目将其拓展并应用于到达角估计、信道估计、单比特雷达、联合信道估计和符号检测等问题。通过大量的数值仿真、毫米波雷达和水声实测数据以及与其他算法性能进行对比,验证了算法的有效性。从理论层面,项目分析了低精度量化数据的频谱,指出谐波会导致虚警。而且,推导了相应模型的克拉美—罗界。尤其在多测量单音情况下,假设信号相位均匀分布,给出了频率估计误差的渐近表达式。结果表明均方误差反比于观测数目的立方和拍数,高信噪比下反比于信噪比的平方根,低信噪比下反比于信噪比。综上,本项目开展的研究工作获得了较好的研究效果,达到预期目标,为我国未来低精度量化感知和通信技术提供了理论指导和技术解决方案。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(3)
专利数量(2)
Grid-Less Variational Bayesian Channel Estimation for Antenna Array Systems With Low Resolution ADCs
具有低分辨率 ADC 的天线阵列系统的无网格变分贝叶斯信道估计
  • DOI:
    10.1109/twc.2019.2954883
  • 发表时间:
    2020-03-01
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS
  • 影响因子:
    10.4
  • 作者:
    Zhu, Jiang;Wen, Chao-Kai;Jin, Shi
  • 通讯作者:
    Jin, Shi
Gridless variational Bayesian inference of line spectral from quantized samples
来自量化样本的线谱的无网格变分贝叶斯推断
  • DOI:
    10.23919/jcc.2021.10.005
  • 发表时间:
    2018-11
  • 期刊:
    China Communications
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    朱江;张奇;孟祥明
  • 通讯作者:
    孟祥明
Grid-less variational direction of arrival estimation in heteroscedastic noise environment
异方差噪声环境下的无网格变分到达方向估计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    IEEE Journal of Oceanic Engineering
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    张奇;朱江;谷源涛;徐志伟
  • 通讯作者:
    徐志伟
Newtonalized orthogonal matching pursuit for linear frequency modulated pulse frequency agile radar
线性调频脉冲频率捷变雷达牛顿化正交匹配追踪
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    IET Radar, Sonar & Navigation
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    朱江;郭泓珲;张宁;宋春毅;徐志伟
  • 通讯作者:
    徐志伟
Two-dimensional multi-snapshot Newtonalized orthogonal matching pursuit for DOA estimation
DOA估计的二维多快照牛顿正交匹配追踪
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Digital Signal Processing
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    韩林;刘兴川;张宁;吴胜;朱江;徐志伟
  • 通讯作者:
    徐志伟

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  • 发表时间:
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  • 影响因子:
    --
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  • 通讯作者:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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