Multivariate Variational Mode Decomposition

多元统计 数学 多元分析 计算机科学 单变量 算法 统计
作者
Naveed ur Rehman,Hania Aftab
出处
期刊:IEEE Transactions on Signal Processing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:67 (23): 6039-6052 被引量:587
标识
DOI:10.1109/tsp.2019.2951223
摘要

We present a generic extension of variational mode decomposition (VMD) algorithm to multivariate or multichannel data. The proposed method utilizes a model for multivariate modulated oscillations that is based on the presence of a joint or common frequency component among all channels of input data. We then formulate a variational optimization problem that aims to extract an ensemble of band-limited modes containing inherent multivariate modulated oscillations present in the data. The cost function to be minimized is the sum of bandwidths of all signal modes across all input data channels, which is a generic extension of the cost function used in standard VMD to multivariate data. Minimization of the resulting variational model is achieved through the alternating direction method of multipliers (ADMM) that yields an optimal set of multivariate modes in terms of narrow bandwidth and corresponding center frequencies. The proposed extension is elegant as it does not require any extra user-defined parameters for its operation i.e., it uses the same parameters as standard VMD. We demonstrate the effectiveness of the proposed method through results obtained from extensive simulations involving test (synthetic) and real world multivariate data sets. Specifically, we highlight the utility of the proposed method in two real world applications which include the separation of alpha rhythms in multivariate electroencephalogram (EEG) data and the decomposition of bivariate cardiotocographic signals that consist of fetal heart rate and maternal uterine contraction (FHR-UC) as its two channels.
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