JP6928208B2 - O(nlog(n))時間及びびO(n)メモリでチャープZ変換を逆変換するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
1)ベクトルuによって生成された下三角テプリッツ行列
それは、O(nlog(n))で動作する。
式A イタリック W イタリック −k の対数らせん輪郭線を対象に含めるために計算システムの範囲を拡張する方法では、A イタリック W イタリック は、非ゼロの複素数であり、k=0、1、…、M−1である。計算システムは、1又は複数の過程において、高速フーリエ変換(FFT)又は逆FFT(IFFT)の少なくとも1つを用い、該方法は、少なくとも1つの過程において、IFFT又はFFTに替えて逆チャープZ変換(ICZT)を利用するステップを備えることができる。
該方法では、ICZTは、M×Nの次元を有するヴァンデルモンド行列の観点で表されることができ、前記計算システム上において前記ICZTを用いることの計算複雑性は、O(n 2 )に等しい又は未満であり、ここでn=max(M、N)である。
本明細書において引用される刊行物、特許出願、及び特許を含むすべての参考文献は、各参考文献が個別に及び具体的に示されて参照により組み込まれると共にその全体として本明細書に明記されるかのごとく同程度に、参照により組み込まれる。
CZT チャープz変換
Claims (54)
- 計算システムを用いて、チャープZ変換(CZT)を反転する方法であって、
前記計算システムは、プロセッサ及びメモリデバイスを備え、
前記CZTは、パラメータAイタリック及びパラメータWイタリックを有し、前記パラメータAイタリック及び前記パラメータWイタリックは、k=0,1,2、…、M−1に対して式AイタリックWイタリック −kを介して複素平面において対数らせん輪郭線を定義し、
前記CZTは、X=WAxとして表されることができ、前記Wは、前記パラメータWイタリック及びそのべき乗によって定義される次元M×Nのヴァンデルモンド行列であり、前記Aは、前記パラメータAイタリック及びそのべき乗によって定義される第1対角行列であり、
前記xは第1ベクトルであり、前記Xは、該Xのk番目の要素がk=0、1,2、…、M−1に対して
によって与えられるように、前記CZTを用いて前記第1ベクトルxから計算される第2ベクトルであり(ここで、Wイタリック及びAイタリックは、それぞれ、上記式においてイタリック体のW及びAを示し)、
前記パラメータAイタリック及び前記パラメータWイタリックは、非ゼロの複素数であり、前記Xは、前記メモリデバイスに格納され、
前記方法は:
第2対角行列P、テプリッツ行列W^、及び第3対角行列Qの積として前記行列Wを表すステップであって、前記CZTがX=PW^QAxとして表される、ステップと、
x=A−1Q−1W^−1P−1Xとして逆CZTを表すステップであって、A−1、Q−1、W^−1、及びP−1は、それぞれ、A、Q、W^、及びPの逆行列である、ステップと、
第3ベクトルx^を計算するために前記A−1Q−1W^−1P−1Xの積において右から左に乗算を、前記プロセッサを用いて、実行することによって前記逆CZTを計算するステップと
を備える、方法。 - 前記第1ベクトルxの各要素は、前記第3ベクトルx^の対応する要素に実質的に等しい、請求項1に記載の方法。
- 前記第1ベクトルxの少なくとも1つの要素は、前記第3ベクトルx^の対応する要素に等しくない、請求項1に記載の方法。
- 前記方法は、計算する前記ステップに先だって、前記第2ベクトルXに対する演算を実行するステップをさらに備え、該演算は、前記第2ベクトルXの要素の少なくとも1つを修正する、請求項3に記載の方法。
- 前記演算は、フィルタ処理の演算である、請求項4に記載の方法。
- 前記方法は、O(n2)より小さい又は等しい計算複雑性を有し、n=max(M、N)である、請求項1に記載の方法。
- 前記計算複雑性はO(nlog(n))である、請求項6に記載の方法。
- 前記テプリッツ行列
、
、
、又は
の少なくとも1つへのベクトルの乗算は、更に、
前記テプリッツ行列を循環行列に埋め込むステップであって、前記循環行列が、前記循環行列の生成ベクトルによって表され、前記循環行列の次元が、M又はNの少なくとも一方に基づく、ステップと、
乗算に先立って前記ベクトルをゼロで詰め込むステップであって、前記循環行列の列数と同じ長さの詰め込まれたベクトルを生成する、ステップと、
前記循環行列に前記詰め込まれたベクトルを乗算することによって積ベクトルを計算するステップと、
前記テプリッツ行列が埋め込まれた前記循環行列の行に対応する前記積ベクトルの要素を含む結果ベクトルを抽出するステップと
を含む、請求項10に記載の方法。 - 前記循環行列は、正方行列であり、前記循環行列の行数は、2のべき乗である、請求項11に記載の方法。
- 前記テプリッツ行列
、
、
、又は
の少なくとも1つへのベクトルの乗算は、
拡張されたテプリッツ行列に前記テプリッツ行列を、前記されたテプリッツ行列のための生成ベクトルをゼロで詰め込むことによって埋め込むステップであって、前記拡張されたテプリッツ行列が、M又はNの少なくとも一方に基づく次元を有する、ステップと、
前記テプリッツ行列に乗算される前記ベクトルにゼロを詰め込むステップであって、前記拡張されたテプリッツ行列における列数と同じ長さを有する詰め込まれたベクトルを生成する、ステップと、
Pustylnikov分解を用いて、前記拡張されたテプリッツ行列を、循環行列及びスキュー循環行列の和として表すステップと、
前記循環行列に前記詰め込まれたベクトルを乗算し、前記スキュー循環行列に前記詰め込まれたベクトルを乗算し、埋め込まれた結果ベクトルを生成するために該2つの結果ベクトルを加算するステップと、
前記テプリッツ行列が埋め込まれる前記拡張されたテプリッツ行列の行に対応する前記詰め込まれた結果ベクトルの要素を保持することによって、前記詰め込まれた結果ベクトルから結果ベクトルを抽出するステップと、
をさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 前記拡張されたテプリッツ行列における行数及び列数は、2のべき乗である、請求項14に記載の方法。
- 前記方法を実行するために、O(n)より大きいメモリは必要とされない、ここでn=max(M、N)である、請求項1に記載の方法。
- MがNに等しい、請求項1に記載の方法。
- MがNに等しくない、請求項1に記載の方法。
- 前記第1ベクトルxは、オーディオ信号から導出される、請求項1に記載の方法。
- 前記オーディオ信号は音声信号を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記オーディオ信号は、ソナー信号又は超音波信号のうちの少なくとも1つを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記第1ベクトルxは、画像信号から導出される、請求項1に記載の方法。
- 前記画像信号が、コンピュータ断層撮影(CT)信号、陽電子放出断層撮影(PET)信号、又は磁気共鳴画像(MRI)信号のうちの少なくとも1つを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記第1ベクトルxは、レーダ系センサによって受信された信号から導出される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1ベクトルxは、レーダ系センサに送信される信号を生成するために使用される、請求項1に記載の方法。
- 前記第2ベクトルXは、同じパラメータAイタリック及びWイタリックを持つ前記CZTを用いて特定の第1ベクトルxから計算されない、請求項1に記載の方法。
- 式AイタリックWイタリック −kの対数らせん輪郭線を対象に含めるために計算システムの範囲を拡張する方法であって、ここで、Aイタリック及びWイタリックは、非ゼロの複素数であり、k=0、1、…、M−1であり、前記計算システムは、1又は複数の過程において、高速フーリエ変換(FFT)又は逆FFT(IFFT)の少なくとも1つを用い、
前記計算システムは、プロセッサ及びメモリを備え、前記プロセッサは、前記FFTからの周波数ドメインベクトル又は前記IFFTからの時間ドメインベクトルを計算し、前記周波数ドメインベクトル及び前記時間ドメインベクトルを前記メモリに格納し、
前記方法は、少なくとも1つの過程において、IFFTに替えて逆チャープZ変換(ICZT)を利用することによって前記プロセッサを用いて前記時間ドメインベクトルを計算するステップを備え、
前記ICZTは、M×Nの次元を有するヴァンデルモンド行列の観点で表されることができ、前記計算システム上において前記ICZTを用いることの計算複雑性は、O(n2)に等しい又は未満であり、ここでn=max(M、N)である、方法。 - 前記計算複雑性は、O(nlog(n))である、請求項28に記載の方法。
- 前記計算システムは、ICZTの実行中にほんのO(n)のメモリを使用する、請求項29に記載の方法。
- M×Nの次元を有するヴァンデルモンド行列の観点で表されることができるチャープZ変換(CZT)を反転する計算システムの効率を高める方法であって、
前記計算システムはプロセッサ及びメモリを備え、前記方法は、前記CZTを反転して、前記メモリに格納される時間ドメインベクトルを生成する方法を使用するステップを備え、該方法は、前記プロセッサ上で実行されるときn=max(M、N)においてO(n2)に等しい又は未満である計算複雑性を有し、前記CZTは、2つの非ゼロの複素数Aイタリック及びWイタリックによってパラメータにより表現され、前記複素数Aイタリック及びWイタリックは、k=0、1、…、M−1における式AイタリックWイタリック −kを介して対数らせん輪郭線を定義する、方法。 - 前記計算システムは、逆CZTの計算中にほんのO(n)のメモリを必要とする、請求項31に記載の方法。
- 前記CZTを反転するための前記方法は、O(nlog(n))の計算複雑性を有する、請求項31に記載の方法。
- 計算システムの数値精度を向上する方法であって、前記計算システムは、前記計算システムのプロセッサを用いて、チャープZ変換(CZT)又は逆チャープZ変換(ICZT)の少なくとも一方を、1又は複数の過程で、計算すると共に前記計算システムのメモリに時間ドメインベクトル又は周波数ドメインベクトルを格納するものであって、
前記CZT、前記ICZT、又は前記CZT及び前記ICZTの両方は、k=0、1、…、M−1において式AイタリックWイタリック −kを介して対数らせん輪郭線を定義する2つの非ゼロの複素数Aイタリック及びWイタリックによってパラメータにより表わされることができ、
|Wイタリック|<1の場合に、当該方法は、少なくとも1つの過程において、前記対数らせん輪郭線の開始点及び終了点が交換されるように前記対数らせん輪郭線の方向を反転するステップを含み、
前記CZTの出力ベクトル、前記ICZTの入力ベクトル、又は前記CZTの前記出力ベクトル及び前記ICZTの前記入力ベクトルの両方における要素の順序が逆転される、方法。 - 計算システムのメモリに格納される長さMの周波数領域ベクトルXを、前記計算システムのメモリに格納される長さNの時間領域ベクトルxに変換する方法であって、
前記時間領域ベクトルxを計算するために、x=(1/u0)A−1Q−1
P−1Xとして表されることができる逆チャープZ変換(ICZT)を、前記計算システムのプロセッサを用いて、右から左への乗算を実行することによって計算するステップを備え、
A−1は、パラメータAイタリック及びそれのべき乗によって定義される第1対角行列であり、
Q−1は、パラメータWイタリック及びそれのべき乗に基づく第2対角行列であり、
は、第1下三角テプリッツ行列であり、
は、
の転置に等しい第1上三角テプリッツ行列であり、
は、第2上三角テプリッツ行列であり、
は、
の転置に等しい第2下三角テプリッツ行列であり、
P−1は、前記パラメータWイタリック及びそれのべき乗に基づく第3対角行列であり、
前記パラメータAイタリック及びWイタリックは、非ゼロの複素数であり、該複素数は、k=0、1、…、M−1に対して式AイタリックWイタリック −kを介して対数らせん輪郭線を定義し、
u0は
に等しく(ここで、Wイタリックは、イタリック体のWを示し)、
nは、M及びNの少なくとも一方に基づく、方法。 - 前記行列Wは、前記周波数領域ベクトルXが、行列形式におけるチャープZ変換(CZT)として表されるように、第5対角行列P、テプリッツ行列W^、及び第6対角行列Qの積によって表されることができ、
ここで、X=PW^QAxである、請求項36に記載の方法。 - 前記周波数領域ベクトルXは、同じパラメータAイタリック及びWイタリックをチャープZ変換を用いて特定の時間領域ベクトルxから計算されない、請求項35に記載の方法。
- ほんのO(n)の数が、前記方法の実行中にメモリに格納され、n=max(M、N)である、請求項35に記載の方法。
- 前記方法の計算複雑性は、O(n2)に等しい又はより小さい、ここで、n=max(M、N)である、請求項35に記載の方法。
- 前記計算複雑性は、O(nlog(n))である、請求項41に記載の方法。
- メモリデバイスであって、前記メモリデバイスは長さMの周波数領域ベクトルXを格納するように構成されたメモリデバイスと、
プロセッサであって、前記プロセッサは逆チャープZ変換(ICZT)を用いて前記周波数領域ベクトルXを時間領域ベクトルxに写像するように構成されたプロセッサと、
を備え、
前記ICZTは、
x=(1/u0)A−1Q−1
P−1Xとして表され、
ここで、前記プロセッサは、長さNの前記時間領域ベクトルxを計算するために、前記ICZTの行列乗算を右から左に実行し、ここで、
A−1は、パラメータAイタリック及びそれのべき数によって定義された第1対角行列であり、
Q−1は、パラメータWイタリック及びそれのべき乗に基づく第2対角行列であり、
は、第1下三角テプリッツ行列であり、
は、
の転置に等しい第1上三角テプリッツ行列であり、
は、第2上三角テプリッツ行列であり、
は、
の転置に等しい第2下三角テプリッツ行列であり、
P−1は、前記パラメータWイタリック及びそれのべき乗に基づく第3対角行列であり、
Xが前記周波数領域ベクトルであり、
前記パラメータAイタリック及びWイタリックは、k=0、1、…、M−1に対して式AイタリックWイタリック −kを介して対数らせん輪郭線を定義する非ゼロの複素数であり、
u0は
に等しく(ここで、Wイタリックは、上記式においてイタリック体のWを示し)、
nは、M及びNの少なくとも一方に基づく、システム。 - 信号を受信するための入力デバイスを更に備え、前記プロセッサは、前記入力デバイスに結合され、前記プロセッサは、前記信号を時間領域ベクトルx^に変換するように構成され、前記プロセッサは、チャープZ変換を用いて前記時間領域ベクトルから前記周波数領域ベクトルXを生成する、請求項43に記載のシステム。
- 前記プロセッサは、前記ICZTを用いて前記周波数領域ベクトルXを前記時間領域ベクトルxに写像する前に、前記周波数領域ベクトルXに対して動作を実行するようにさらに構成されることができ、前記動作は、前記周波数領域ベクトルXの要素の少なくとも1つを修正する、請求項43に記載のシステム。
- 前記プロセッサは、増加した浮動小数点精度を用いてそれの計算を実行することができる、請求項43に記載のシステム。
- 前記プロセッサは、32ビットより大きい増加した浮動小数点数を用いてそれの計算を実行することができる、請求項48に記載のシステム。
- 前記メモリデバイスは、前記プロセッサが、前記ICZTを用いて前記周波数領域ベクトルXを前記時間領域ベクトルxに写像している間中に、ほんのO(n)のメモリを使用し、ここで、n=max(M、N)である、請求項43に記載のシステム。
- 前記プロセッサは、前記プロセッサが前記ICZTを用いて前記周波数領域ベクトルXを前記時間領域ベクトルxに写像する間中に、O(n2)又はより少ない基本演算を実行し、ここで、n=max(M、N)である、請求項43に記載のシステム。
- 前記プロセッサは、前記写像中にO(nlog(n))演算を実行する、請求項51に記載のシステム。
- 前記システムは、パーソナルコンピュータ(PC)、システムオンチップ(SoC)、特定用途向け集積回路(ASIC)を含むシステム、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を含むシステム、又はグラフィックス処理ユニット(GPU)を含むシステムのうちの少なくとも1つである、請求項43に記載のシステム。
- 前記周波数領域ベクトルXは、同じパラメータAイタリック及びWイタリックを持つチャープZ変換を用いて特定の時間領域ベクトルxから計算されない、請求項43に記載のシステム。
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