Computational Array Signal Processing via Modulo Non-Linearities

计算机科学 信号处理 计算复杂性理论 波束赋形 背景(考古学) 瓶颈 信号(编程语言) 算法 计算机硬件 数字信号处理 电信 嵌入式系统 生物 古生物学 程序设计语言
作者
Samuel Fernández-Menduiña,Felix Krahmer,Geert Leus,Ayush Bhandari
出处
期刊:IEEE Transactions on Signal Processing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70: 2168-2179 被引量:10
标识
DOI:10.1109/tsp.2021.3101437
摘要

Conventionalliterature on array signal processing (ASP) is based on the “capture first, process later” philosophy and to this end, signal processing algorithms are typically decoupled from the hardware. This poses fundamental limitations because if the sensors result in information loss, the algorithms may no longer be able to achieve their guaranteed performance. In this paper, our goal is to overcome the barrier of information loss via sensor saturation and clipping. This is a significant problem in application areas including physiological monitoring and extra-terrestrial exploration where the amplitudes may be unknown or larger than the dynamic range of the sensor. To overcome this fundamental bottleneck, we propose “computational arrays” which are based on a co-design approach so that a collaboration between the sensor array hardware and algorithms can be harnessed. Our work is inspired by the recently introduced unlimited sensing framework. In this context, our computational arrays encode the high-dynamic-range information by folding the signal amplitudes, thus introducing a new form of information loss in terms of the modulo measurements. On the decoding front, we develop mathematically guaranteed recovery algorithms for spatio-temporal array signal processing tasks that include DoA estimation, beamforming and signal reconstruction. Numerical examples corroborate the applicability of our approach and pave a path for the development of novel computational arrays for ASP.
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