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基于低比特量化神经网络的红外目标识别方法及其FPGA实现

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上海航天（中英文） 2023年第1期40卷 35-43页

作者：武宏程黄家明张冰逸卫俊杰高子扬钮赛赛陈海宝空军装备部驻上海地区第一代表室上海200235 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 上海航天控制技术研究所上海201109

红外目标识别系统成为航空航天、无人驾驶等军事和民用领域中一项至关重要的技术。红外目标识别算法是红外目标检测识别系统中的核心之一。传统红外目标识别技术往往依赖人为的特征选择,无法对复杂困难的红外目标实现高效、准确的识别... 详细信息

红外目标识别系统成为航空航天、无人驾驶等军事和民用领域中一项至关重要的技术。红外目标识别算法是红外目标检测识别系统中的核心之一。传统红外目标识别技术往往依赖人为的特征选择,无法对复杂困难的红外目标实现高效、准确的识别。本文提出了训练中反量化与通道级量化相结合的量化策略,有效减小量化误差对网络模型性能的影响。实验结果表明:本文提出的低比特量化算法在红外数据集上有着优异的表现。在硬件部署方面,本文提出了更加高效的卷积计算单元,提高了硬件资源的利用率,同时也达到了更高的峰值性能。最终,在PYNQ-Z2嵌入式现场可编程门阵列(FPGA)上进行验证,系统在150 MHz的时钟频率下达到了90.6 GOP/s的峰值吞吐率,其功耗为2.5 W。

关键词：红外目标识别卷积神经网络低比特量化可编程门阵列加速器高能效

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无人机SAR数据低比特量化及其复杂度分析

深圳大学学报（理工版） 2019年第5期36卷 503-509页

作者：李正茂陈大庆刘马良合肥学院计算机科学与技术系安徽合肥230601 太原卫星发射中心技术部山西太原030027 西安电子科技大学微电子学院陕西西安710071

无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)平台由于尺寸与载荷的限制,仅能提供有限的硬件计算资源.如何利用尽可能低的计算复杂度来获得高质量的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)成像,是基于UAV SAR系统设计面临的一个重要问题.... 详细信息

无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)平台由于尺寸与载荷的限制,仅能提供有限的硬件计算资源.如何利用尽可能低的计算复杂度来获得高质量的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)成像,是基于UAV SAR系统设计面临的一个重要问题.分析现有算法的缺陷,利用不同的量化方法对SAR原始回波数据进行低比特量化,针对低比特量化SAR数据提出基于单频阈值的成像质量改善方法.在此基础上,研究不同量化策略下SAR成像匹配滤波处理所需的计算复杂度,并定量评估了相应的成像质量.研究结果可为基于UAV平台的SAR成像应用中计算复杂度与成像质量之间的取舍提供参考.

关键词：信息处理技术雷达工程无人机合成孔径雷达低比特量化单频阈值

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基于无线传感网络低比特量化算法

基于无线传感网络低比特量化算法

作者：刘江峰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

电子信息、无线通信、微处理器等技术的快速发展,推动了无线传感网络的普及和应用,其相关理论和应用研究受到人们的广泛关注。无线传感器网络由多个具备一定通信、存储和数据处理能力的传感节点组成。这些节点与中心处理器或其它节点以... 详细信息

电子信息、无线通信、微处理器等技术的快速发展,推动了无线传感网络的普及和应用,其相关理论和应用研究受到人们的广泛关注。无线传感器网络由多个具备一定通信、存储和数据处理能力的传感节点组成。这些节点与中心处理器或其它节点以一定的协作方式收集和处理数据,获得对传感器网络周围环境信息的提取、感知和分析。参数估计是无线传感网络中非常重要的一个研究问题。它利用传感器采集到的数据实现对相关未知物理量的估计,在环境监测、室内定位、目标跟踪、自然灾害预测等领域有着广泛的应用。一般情况下,数据传输需要消耗较多的能量和通信带宽。但在传感器网络中,每个节点体积小、能量存储有限,不可能进行高复杂、高耗能的数据处理和传输。现有的一部分参数估计算法虽然具有较好的估计性能,但却没有考虑到节点存在的这些限制因素,一定程度上加大了节点负载,造成节点工作周期缩短。因此,如何更好地利用有限的资源,延长无线节点的生命周期,是传感器网络实际应用中遇到的一个挑战。压缩节点采样信号的冗余、降低节点传输的比特,这是能够有效克服这一问题的方法之一。根据这一思想,许多1比特量化算法被提出,如1比特线性回归、1比特系统辨识。这些算法可以较好地降低节点负载,但部分算法在性能上还存在一些不足,如估计速度慢、估计精度下降。因此,本论文研究利用无线传感网络节点的低比特量化数据来降低节点负载,延长节点工作周期,并保证参数估计算法具有较好的估计性能。在分布式参数估计的基础上,论文首先研究了1种1比特量化算法,该算法将测量数据量化为1比特数据,并考虑极大似然估计问题。由于似然估计中包含了测量数据这一隐含变量,因此算法结合了EM框架来解决这一问题,并采用LMS与RLS两种自适应算法进行参数更新。该1比特量化算法在仿真分析中达到了较高的估计精度,也能够降低节点负载,但是收敛速度较慢。为此,我们考虑一种低比特量化改进算法。该算法增加了量化比特数,按照特定的量化规则将测量值量化为不同比特,并考虑极大似然估计问题。我们同样采用EM框架和相关引理解决包含隐含变量的似然估计,从量化值中恢复出近似测量值,最后分别得到了采用LMS和RLS的低比特量化算法实现。论文对该低比特算法进行了大量的仿真实验,并对仿真结果进行了对比分析。这些实验和分析结果验证了算法的有效性,并表明该算法能够较好地平衡估计性能和节点负载之间的关系。

关键词：无线传感器网络自适应参数估计分布式处理低比特量化

基于低比特量化的太赫兹高速通信系统研究与实现

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基于低比特量化的太赫兹高速通信系统研究与实现

作者：刘轲电子科技大学

学位级别：硕士

模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）在无线通信接收机中有着非常重要的应用,更高的通信速率与更低的功耗体积成为通信产业未来发展方向。传统高精度ADC采样速率低,而高精度、高采样速率的ADC功耗较高,无法适用于未来高... 详细信息

模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）在无线通信接收机中有着非常重要的应用,更高的通信速率与更低的功耗体积成为通信产业未来发展方向。传统高精度ADC采样速率低,而高精度、高采样速率的ADC功耗较高,无法适用于未来高速通信系统中的移动设备。太赫兹无线通信由于其Gigabit的传输速率引起了无线通信领域的广泛关注,也是是太赫兹技术研究中的一个重要方向,同现有的低频段、窄带宽通信相比具有显著优势。目前,太赫兹频段主要有三个通信窗口,即0.11THz、0.22THz与0.34THz,可提供将近40GHz的通信带宽,远远高于现有的毫米波通信带宽,单载波传输速率已经可以达到10Gbps并向100Gbps发展,应用前景十分广泛。ADC的采样速率与输入带宽逐渐成为限制太赫兹通信传输速率的因素,而低比特量化技术（1~3bit）的出现很好的解决了这一问题。大量的研究和应用已经证明了低比特量化技术在功耗、存储、复杂度等方面的优势,特别是1-bit量化在超宽带通信系统中应用的可行性,同样也十分适用于具有大带宽传输特点的太赫兹通信。本论文第二章首先对模数转换器的基本原理与结构类型进行了介绍,列举了部分影响器件性能的指标。随后,通过分析不同信道种类下的信道容量问题,引出低比特量化技术对信道容量的影响,认为SNR=10dB时,2-bit量化即可以达到全精度（12~14-bit量化）信道容量的85%。最后,通过仿真对比MP信道估计算法、序列相关估计算法、过采样技术与引入抖动信号对低比特量化的补偿算法发现,在不考虑实际应用的前提下,3-bit量化时,不使用补偿算法性能较全精度量化损失约3dB,使用补偿算法后部分性能已经贴近全精度量化,进一步证明了低比特量化技术在通信系统中应用的可行性。第三章对基于低比特量化的硬件实验平台设计方案进行了介绍。结合第二章的理论基础,确定使用3-bit量化ADC做为通信接收机的核心。该硬件实验平台的主要工作分为两个部分:3-bit量化模数转换器模块设计与数字基带处理平台设计。硬件设计过程中,主要为实现方案的制定、芯片选型、原理图绘制以及电路板实现,具体包含电源管理设计、时钟设计、内存设计和数字电路设计等方面。数字基带处理平台以可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array,FPGA）芯片为核心,通过编程实现信号调理、信道估计、数据转发等通信算法。第四章则基于前一章节设计制作的硬件实验平台,对太赫兹通信实验过程中所需要的模块进行了测试,调试部分则由浅入深,从各个子模块调试到整体系统联调,验证了方案设计的合理性,并对调试过程中遇到的各个问题进行了原因分析与总结,保证了该硬件实验平台能够稳定工作。最后,结合低比特量化下的信道估计、频偏估计与过采样补偿技术,使用该3-bit量化ADC实现了4Gbps通信速率的QP SK调制信号近距离太赫兹通信实验,系统误码率达到1e-7。

关键词：低比特量化太赫兹通信硬件实现宽带信号

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基于低量化比特的数字通信系统技术方法研究

基于低量化比特的数字通信系统技术方法研究

作者：叶宇电子科技大学

学位级别：硕士

更高的数据传输速率和能量效率成为数字通信发展的趋势,数字模拟转换器(ADC)逐渐成为了数字通信中的瓶颈问题。由于精度较高的ADC转换速率较低,同时功耗也较大,因此并不适用通信系统中的移动设备。然而ADC的低比特量化能很好的解决上述... 详细信息

更高的数据传输速率和能量效率成为数字通信发展的趋势,数字模拟转换器(ADC)逐渐成为了数字通信中的瓶颈问题。由于精度较高的ADC转换速率较低,同时功耗也较大,因此并不适用通信系统中的移动设备。然而ADC的低比特量化能很好的解决上述问题,大量的研究和应用已证明其在超宽带通信中的可行性。本论文研究的主要内容为基于低量化比特的数字通信系统技术,主要分析了低量化比特16QAM数字接收机中的自动增益控制、相位估计、符号同步和解调译码算法。本论文第二章对模数转换器(ADC)、广泛应用于ADC中的Dither技术和QAM调制以及16QAM数字接收机进行了介绍,并分析了当接收机中ADC采用低量化比特时(通常为2-bit),相位偏移和幅度衰减对系统误比特率性能的影响,指出了设计自动增益控制和相位恢复算法在低量化比特16QAM接收机中的必要性。第三章对低量化比特16QAM数字接收机中的自动增益控制(AGC)进行了分析。在研究的接收机结构中,数模转换器(ADC)的量化比特数仅为2-bit。针对已有的低量化比特自动增益控制算法提出了改进方案,仿真结果显示在训练序列长度相同的条件下,本文提出的AGC算法能提高系统的误码率性能。同时还提出了能跟踪时变信号的自动增益控制算法。第四章研究了低量化比特16QAM数字接收机中的相位估计问题,提出了一种基于导频PN序列的相位估计算法,并且利用加入旋转通道的方法大幅度提升了低比特量化下的相位估计精度。然后通过理论分析与仿真对旋转通道的旋转角度和加入dither信号的噪声方差阈值进行了优化。最后仿真显示本文提出的相位估计算法能达到很好的相位估计性能,同时针对时变相位噪声的情况提出了相应的相位恢复算法。第五章首先分析了低量化比特16QAM接收机中的符号同步问题,在第四章提出的相位估计结构的基础上,给出了一种基于导频PN序列的符号同步方法。然后在此结构上,分析并提出了能提高低比特量化下系统误比特率的解调译码方法,仿真证明了该方法的可行性。最后综合AGC和相位估计算法,分析了在高斯信道和衰落信道中低量化比特16QAM接收机的误比特率性能。

关键词：低比特量化 16QAM接收机自动增益控制相位估计符号同步

动平台分布式雷达系统动目标低比特数据检测算法

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雷达学报（中英文） 2024年第3期13卷 584-600页

作者：杨诗兴张国鑫梁雲飞易伟孔令讲电子科技大学信息与通信工程学院成都611731

动平台分布式雷达系统可有效提升系统的生存能力和探测性能,但运动平台之间通常采用无线传输方式,难以配备大通信带宽以传输完整的信号数据,给雷达系统的高性能检测带来极大挑战。由于低比特量化技术可显著降低分布式系统的通信传输代... 详细信息

动平台分布式雷达系统可有效提升系统的生存能力和探测性能,但运动平台之间通常采用无线传输方式,难以配备大通信带宽以传输完整的信号数据,给雷达系统的高性能检测带来极大挑战。由于低比特量化技术可显著降低分布式系统的通信传输代价和计算资源消耗,该文针对低信噪比弱信号环境下提出了动平台分布式雷达系统的低比特量化运动目标检测算法。首先,根据系统资源将各节点的多脉冲观测数据选择对应位数的低比特量化器进行量化,推导了关于量化器和多个目标状态的似然函数。其次,证明了低比特量化数据对应似然函数关于未知目标反射系数的凸性,并基于该特性设计了多普勒频移和反射系数的联合估计器。然后,针对探测区域中存在的多个状态未知目标设计了多目标检测器,推导了其恒虚警率门限。最后,通过推导系统的渐近性能设计了最优低比特量化器,在保证系统鲁棒性的同时有效提升了系统的检测性能。仿真实验分析了所提算法的检测与估计性能,结果证明了所提算法在低信噪比弱信号环境下的有效性,同时表明低比特量化数据可在仅占用低于20%通信带宽的基础上实现接近高精度(16比特量化)数据对应的检测和估计性能,且2比特量化策略可作为检测性能和雷达系统资源消耗的折中选择。

关键词：分布式雷达系统运动平台目标检测低比特量化最优量化器

无线传感网络低比特量传输的自适应RLS参数估计

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传感技术学报 2019年第9期32卷 1395-1401页

作者：刘江峰刘兆霆姚英彪杭州电子科技大学通信工程学院

在基于传感器网络的参数估计中,由于网络带宽和节点能量通常是有限的,直接传输每个节点获得的采样信号(无限比特精度)将消耗较多的带宽资源和节点能量。为了缓解这种情况,同时保证参数估计有较好的性能,考虑了利用无线传感器网络采样信... 详细信息

在基于传感器网络的参数估计中,由于网络带宽和节点能量通常是有限的,直接传输每个节点获得的采样信号(无限比特精度)将消耗较多的带宽资源和节点能量。为了缓解这种情况,同时保证参数估计有较好的性能,考虑了利用无线传感器网络采样信号的低比特量化测量实现参数的自适应估计问题,并提出了一种基于递归最小二乘(Recursive Least Square,RLS)的低比特量传输估计算法。通过仿真实验表明,该算法相比现有低比特算法,估计精度更高,且能够达到与经典RLS算法几乎相同的估计精度和收敛速度。

关键词：无线传感器网络参数估计低比特量化期望最大化递归最小二乘