RU2613733C1 - Method for recognizing radio signals - Google Patents

Method for recognizing radio signals Download PDF

Info

Publication number
RU2613733C1
RU2613733C1 RU2015141419A RU2015141419A RU2613733C1 RU 2613733 C1 RU2613733 C1 RU 2613733C1 RU 2015141419 A RU2015141419 A RU 2015141419A RU 2015141419 A RU2015141419 A RU 2015141419A RU 2613733 C1 RU2613733 C1 RU 2613733C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
wavelet
recognition
radio
radio signals
Prior art date
Application number
RU2015141419A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович Костин
Владимир Александрович Костин
Анатолий Анатольевич Хомкин
Андрей Николаевич Гордич
Original Assignee
Федеральное государственное казённое образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казённое образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации" filed Critical Федеральное государственное казённое образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации"
Priority to RU2015141419A priority Critical patent/RU2613733C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2613733C1 publication Critical patent/RU2613733C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2218/00Aspects of pattern recognition specially adapted for signal processing
    • G06F2218/08Feature extraction
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Complex Calculations (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: method for recognizing radio emissions, which consists in the fact that the signal information part is selected to form the recognition features of the radio signals by the structural and temporary construction. The selected signal part is digitized and processed. Then the number of the most informative approximation coefficients is estimated for the continuous wavelet transformation, the signal vector is formed based on the number of the most informative coefficients. The integral indicator is calculated by using the energy characteristic indicators of the signal and the wavelets. The wavelet function, providing the maximum contrast of the radio signal feature - scalograms, is selected by the maximum value of the integral indicator. The signal scalogram is constructed by the continuous wavelet transformation, which is taken as the recognition feature.
EFFECT: enhancing the contrast of the radio recognition features.
8 dwg

Description

Изобретение относится к распознаванию радиосигналов на основе анализа скалограммы сигнала и может быть использовано в технических средствах распознавания сигналов в реальных условиях приема при наличии шумов и помех.The invention relates to the recognition of radio signals based on the analysis of the signal scalogram and can be used in the technical means of signal recognition in real reception conditions in the presence of noise and interference.

Известен способ распознавания сигналов по патенту РФ №2133501 МПК5 G06K 9/00 от 04.02.98, заключающийся в сравнении на выборке длиной Q канальных символов "скользящим окном" всех комбинаций длиной K друг с другом, где K/2 - предполагаемая память помехоустойчивого сверточного кодера, и последующем подсчете частоты появления событий, заключающихся в том, что в двух отрезках кодовой последовательности имеется единственная пара несовпадающих символов, и эти символы одновременно не принадлежат двум различным подансамблям разбиения.There is a known method of signal recognition according to the patent of the Russian Federation No. 2133501 MPK5 G06K 9/00 of 04/04/98, which consists in comparing on a sample of length Q channel symbols a "sliding window" of all combinations of length K with each other, where K / 2 is the estimated memory of the noise-resistant convolutional encoder , and the subsequent calculation of the frequency of occurrence of events consisting in the fact that in two segments of the code sequence there is a single pair of mismatched characters, and these symbols do not belong to two different sub-ensembles of the partition at the same time.

Недостатком этого способа является узкая область его применения, т.к. при использовании данного метода можно выполнять распознавание лишь сигналов, использующих сигнально-кодовые конструкции.The disadvantage of this method is the narrow scope of its application, because when using this method, only signals using signal-code constructs can be recognized.

Известен способ распознавания радиосигналов на основе сингулярного разложения псевдо-частотно-временного распределения (псевдо-ЧВР) Вигнера-Вилле [N.M. Marinovic, G. Eichmann. An expansion of Wigner distribution and its applications. - Proc. IEEE ICASSP-85, 1985, pp. 1021-1024]. В указанном способе предварительно на основе псевдо-ЧВР Вигнера формируют матрицы распределения энергии (РЭ) эталонных радиосигналов, выполняют их спектральное разложение, формируют параметры эталонных радиосигналов, затем принимают распознаваемый радиосигнал, дискретизируют и квантуют его, формируют матрицу распределения энергии принятого радиосигнала, выделяют признаки принятого радиосигнала, сравнивают их с параметрами эталонных радиосигналов и по результатам сравнения идентифицируют принятый радиосигнал.A known method for the recognition of radio signals based on the singular decomposition of the pseudo-frequency-time-distribution (pseudo-HRM) Wigner-Ville [N.M. Marinovic, G. Eichmann. An expansion of Wigner distribution and its applications. - Proc. IEEE ICASSP-85, 1985, pp. 1021-1024]. In this method, preliminary based on the Wigner pseudo-FWM, energy distribution matrices (REs) of the reference radio signals are formed, their spectral decomposition is performed, parameters of the reference radio signals are formed, then a recognized radio signal is received, sampled and quantized, the received energy signal distribution matrix is formed, and signs of received the radio signal, compare them with the parameters of the reference radio signals and the results of the comparison identify the received radio signal.

Недостатком этого способа является низкая вероятность правильного распознавания [Дж. Ту, Р. Гонсалес. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - стр. 142] радиосигналов сложной частотно-временной структуры, а также радиосигналов при воздействии на них шумов и помех, что обусловлено особенностями используемого для распознавания псевдо-ЧВР Вигнера-Вилле [Коэн Л. Время-частотные распределения. Обзор // ТИИЭР, 1989, т. 77, №10, с. 72-121].The disadvantage of this method is the low probability of correct recognition [J. Tu, R. Gonzalez. Pattern recognition principles. Per. from English - M .: Mir, 1978. - p. 142] of radio signals of complex time-frequency structure, as well as radio signals when exposed to noise and interference, which is due to the features of Wigner-Ville [Cohen L. Time-frequency used for recognition of pseudo-CVMs] distribution. Review // TIIER, 1989, v. 77, No. 10, p. 72-121].

Снижение вероятности правильного распознавания происходит вследствие появления интерференционного фона и ложных пиков мощности в псевдо-ЧВР Вигнера-Вилле, искажающих реальную картину распределения энергии сигнала в координатах частота - время.The probability of correct recognition is reduced due to the appearance of interference background and false power peaks in the Wigner-Ville pseudo-FWM, which distort the real picture of the signal energy distribution in frequency-time coordinates.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ распознавания радиосигналов (по патенту РФ 2261476 МПК: G06K от 26.01.2004) на основе непрерывного вейвлет-преобразования последовательности дискретных квантованных отсчетов радиосигналов. В указанном способе при формировании матрицы распределения энергии эталонных радиосигналов вычисляют непрерывное вейвлет-преобразование последовательности дискретных квантованных отсчетов эталонных радиосигналов, формируют векторы распределения энергии, вычисляют общую ковариационную матрицу, формируют усеченную матрицу собственных векторов, умножают усеченную матрицу собственных векторов на векторы распределения энергии эталонных радиосигналов, из сформированной матрицы распределения энергии принятого радиосигнала формируют вектор распределения энергии и умножают усеченную матрицу собственных векторов на вектор распределения энергии, а результаты вычислений принимают в качестве признаков распознавания принятого радиосигнала.The closest in technical essence to the claimed one is a method for recognizing radio signals (according to RF patent 2261476 IPC: G06K dated 01/26/2004) based on a continuous wavelet transform of a sequence of discrete quantized samples of radio signals. In this method, when generating the energy distribution matrix of the reference radio signals, a continuous wavelet transform of the sequence of discrete quantized samples of the reference radio signals is calculated, the energy distribution vectors are generated, the total covariance matrix is calculated, the truncated matrix of eigenvectors is formed, the truncated matrix of eigenvectors is multiplied by the energy distribution vectors of the reference radio signals, from the generated matrix of the energy distribution of the received radio signal to form the energy distribution vector is multiplied and the truncated matrix of eigenvectors is multiplied by the energy distribution vector, and the calculation results are taken as signs of recognition of the received radio signal.

Недостатком способа-прототипа является сложность выбора наиболее подходящей с точки зрения эффективности выявления особенностей анализируемого сигнала вейвлет-функции, что приводит к снижению контрастности признаков распознавания радиосигнала.The disadvantage of the prototype method is the difficulty of choosing the most suitable from the point of view of the effectiveness of identifying the characteristics of the analyzed wavelet function signal, which leads to a decrease in the contrast of signs of recognition of the radio signal.

Целью заявленного технического решения является повышение контрастности признаков распознавания радиосигналов - вейвлет-спектрограмм (скалограмм) в условиях приема реального радиосигнала за счет выбора наиболее оптимального вейвлета.The purpose of the claimed technical solution is to increase the contrast of signs of recognition of radio signals - wavelet spectrograms (scalograms) in the conditions of receiving a real radio signal by selecting the most optimal wavelet.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе распознавания радиосигналов, заключающемся в том, что для формирования эталонных матриц распределения энергии (РЭ) вычисляют непрерывное вейвлет-преобразование (НВП), формируются векторы РЭ эталонных радиосигналов, для которых вычисляют общую ковариационную матрицу, вычисляют матрицы собственных значений и собственных векторов ковариационной матрицы, формируют усеченную матрицу собственных векторов, формируют параметры эталонных радиосигналов путем умножения усеченной матрицы собственных векторов на векторы РЭ эталонных радиосигналов, результаты вычислений усредняют, формируется матрица РЭ принятого сигнала путем вычисления НВП и вектор РЭ, усеченную матрицу собственных векторов умножают на вектор РЭ принятого радиосигнала, результаты вычислений принимают в качестве признаков распознавания принятого радиосигнала, в заявленном способе для формирования признаков распознавания радиосигналов по структурно-временному построению выбирается информационная часть сигнала. Выбранный участок сигнала заносится в систему компьютерной математики Matlab, где осуществляется оцифровка и обработка сигнала. Затем оценивается количество наиболее информативных коэффициентов аппроксимации для НВП, формируется вектор сигнала с учетом числа наиболее информативных коэффициентов. С использованием показателей энергетических характеристик сигнала и вейвлетов вычисляется интегральный показатель. По максимальному значению интегрального показателя выбирается вейвлет-функция, обеспечивающая максимальную контрастность признака радиосигнала - скалограммы. Строится скалограмма сигнала путем НВП, которую и принимают в качестве признака распознавания.This goal is achieved by the fact that in the known method of recognizing radio signals, which consists in the fact that to generate the reference energy distribution matrices (RE), continuous wavelet transform (NVP) is calculated, the RE vectors of the reference radio signals are formed, for which the total covariance matrix is calculated, the matrices are calculated eigenvalues and eigenvectors of the covariance matrix, form a truncated matrix of eigenvectors, form the parameters of the reference radio signals by multiplying the truncated matrix of the eigenvectors to the RE vectors of the reference radio signals, the calculation results are averaged, the RE matrix of the received signal is formed by calculating the NVP and the RE vector, the truncated matrix of eigenvectors is multiplied by the RE vector of the received radio signal, the calculation results are taken as signs of recognition of the received radio signal, in the claimed method for the formation of signs of recognition of radio signals by structural-temporal construction, the information part of the signal is selected. The selected signal section is entered into the Matlab computer mathematics system, where the signal is digitized and processed. Then, the number of the most informative approximation coefficients for the NIR is estimated, the signal vector is formed taking into account the number of the most informative coefficients. Using indicators of the energy characteristics of the signal and wavelets, an integral indicator is calculated. Based on the maximum value of the integral indicator, the wavelet function is selected that provides the maximum contrast of the sign of the radio signal - the scalogram. A scalogram of the signal is constructed by NVP, which is taken as a sign of recognition.

Заявленный способ поясняется рисунками и таблицами, на которых показаны:The claimed method is illustrated by drawings and tables, which show:

фиг. 1 - спектрограмма сигнала стандарта MIL-STD-188-110А; FIG. 1 is a spectrogram of a signal of standard MIL-STD-188-110A;

фиг. 2 - осциллограмма информационной части Li сигнала стандарта MIL-STD-188-110A; FIG. 2 - an oscillogram of the information part of the Li signal of the MIL-STD-188-110A standard;

фиг. 3 - осциллограмма информативных коэффициентов аппроксимации (ni) для прямого непрерывного вейвлет-преобразования; FIG. 3 is a waveform of informative approximation coefficients (ni) for direct continuous wavelet transform;

фиг. 4 - контурные графики и 3D-графики матричного (внешнего) умножения вектора сигнала на вектор вейвлета Meyer (а) и на вектор вейвлета Db6 (б); FIG. 4 - contour plots and 3D plots of matrix (external) multiplication of the signal vector by the wavelet vector Meyer (a) and by the wavelet vector Db6 (b);

фиг. 5 - таблица результатов расчета взаимной энергии информационной части Li сигнала S и вейвлета; FIG. 5 is a table of the results of calculating the mutual energy of the information part Li of the signal S and the wavelet;

фиг. 6 - аблица результатов расчета интегрального показателя эффективности вейвлета KΣ;FIG. 6 - the table of the results of calculating the integral indicator of the efficiency of the wavelet K Σ ;

фиг. 7 - блок-схема алгоритма распознавания радиосигнала; FIG. 7 is a block diagram of a radio signal recognition algorithm;

фиг. 8 - диаграммы энтропийной оценки признаковой контрастности скалограммы для различных типов вейвлета (а) и значений интегрального показателя KΣ для различных типов вейвлета (б).FIG. 8 is a diagram of the entropy assessment of the sign contrast of the scalogram for various types of wavelet (a) and the integral index K Σ for various types of wavelet (b).

Процесс распознавания включает в себя следующие процедуры: выбор из структурно-временной области L анализируемого сигнала S (фиг. 1) информационной (с точки зрения распознавания и выявления особенностей) части Li, обработку и оцифровку выбранной структурно-временной области в системе компьютерной математики (СКМ) Matlab (Lic), оценку и выбор наиболее информативных коэффициентов аппроксимации для прямого непрерывного вейвлет-преобразования - ni, формирование длины Lcin вектора сигнала S с учетом ni, выбор на основе интегрального показателя KΣ наиболее оптимального с точки зрения повышения признаковой контрастности скалограммы анализируемого сигнала вейвлета - Wi, прямое непрерывное вейвлет-преобразование структурно-временной области сигнала Lic и формирование скалограммы сигнала Swi. Распознавание сигнала осуществляется на основе сравнения параметров матриц скалограмм эталона и анализируемого сигнала одним из известных способов [Способ распознавания радиосигналов (RU 2464633), способ распознавания радиосигналов (RU 2423735)].The recognition process includes the following procedures: selection from the structural-temporal region L of the analyzed signal S (Fig. 1) the information (from the point of view of recognizing and identifying features) part of Li, processing and digitization of the selected structural-temporal region in the computer mathematics system (SCM ) Matlab (Lic), evaluation and selection of the most informative approximation coefficients for direct continuous wavelet transform - ni, forming Lcin length signal vector S with the ni, selections based on the integral index K Σ most e optimal from the standpoint of improving the contrast scalograms analyte indicative signal wavelet - Wi, direct continuous wavelet transform structurally Lic time domain signal and forming scalograms Swi signal. Signal recognition is carried out by comparing the parameters of the matrices of the scalogram of the standard and the analyzed signal using one of the known methods [Method for the recognition of radio signals (RU 2464633), method for the recognition of radio signals (RU 2423735)].

Важным условием повышения контрастности признаков распознавания радиосигналов - вейвлет-спектрограмм - является обоснованный выбор вейвлет-функции для анализа исследуемого сигнала.An important condition for increasing the contrast of the signs of recognition of radio signals - wavelet spectrograms - is a reasonable choice of the wavelet function for the analysis of the signal under study.

Энергия сигнала равна интегралу от мощности по всему интервалу существования сигнала [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1988, стр. 74]:The signal energy is equal to the integral of the power over the entire interval of the signal [Baskakov S.I. Radio engineering circuits and signals: Textbook for universities. - M.: Higher School, 1988, p. 74]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Es - энергия сигнала s(t);where E s is the signal energy s (t);

w(t) - мощность сигнала s(t).w (t) is the signal power s (t).

Одним из основных метрических параметров линейного пространства в математике является норма сигнала. Для анализа сигналов часто используются квадратичные нормы [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1988, стр. 25]:One of the main metric parameters of linear space in mathematics is the signal norm. For the analysis of signals, quadratic norms are often used [S. Baskakov. Radio engineering circuits and signals: Textbook for universities. - M.: Higher School, 1988, p. 25]:

Figure 00000002
Figure 00000002

Для случая дискретного сигнала:For a discrete signal case:

Figure 00000003
Figure 00000003

где s(n) - дискретные отсчеты сигнала, n=1, 2…∞.where s (n) are the discrete samples of the signal, n = 1, 2 ... ∞.

На основании выражения (1) и (2) энергия сигнала определяется:Based on the expressions (1) and (2), the signal energy is determined:

Figure 00000004
Figure 00000004

Энергию взаимодействия сигналов s(t) и v(t) определяет выражение [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1988, стр. 72-73]:The energy of interaction of the signals s (t) and v (t) is determined by the expression [S. Baskakov Radio engineering circuits and signals: Textbook for universities. - M.: Higher School, 1988, pp. 72-73]:

Figure 00000005
Figure 00000005

Выражение (6) соответствует удвоенному скалярному произведению сигналов s(t) и v(t) [Давыдов А.В. Сигналы и линейные системы: Тематические лекции. - Екатеринбург: УГГУ, ИГиГ, 1, T2, стр. 9] и определяет энергию взаимодействия во временной области:Expression (6) corresponds to the doubled scalar product of the signals s (t) and v (t) [Davydov A.V. Signals and linear systems: Thematic lectures. - Yekaterinburg: USMU, IGiG, 1, T2, p. 9] and determines the interaction energy in the time domain:

Figure 00000006
Figure 00000006

При выборе вейвлета для анализа сигнала необходимо обеспечить наибольшее совпадение частотно-временных характеристик сигнала и вейвлета, при этом взаимная энергия сигнала и вейвлета должна стремиться к полной энергии сигнала при идеальном совпадении функции сигнала и вейвлета.When choosing a wavelet for signal analysis, it is necessary to ensure the greatest coincidence of the time-frequency characteristics of the signal and the wavelet, while the mutual energy of the signal and the wavelet should tend to the full signal energy with an ideal coincidence of the signal and wavelet functions.

Для оценки совпадения частотно-временных характеристик вейвлета с исследуемым сигналом используется выражение (6), определяющее взаимную энергию через скалярное произведение сигналов.To assess the coincidence of the time-frequency characteristics of the wavelet with the signal under study, expression (6) is used, which determines the mutual energy through the scalar product of the signals.

С использованием матричной лабораторией Matlab и выражения (6) определена энергия реального сигнала, представляющего информационную часть сигнала стандарта MIL-STD-188-110А (фиг. 2).Using the Matlab matrix laboratory and expression (6), the energy of a real signal representing the information part of the MIL-STD-188-110A standard signal was determined (Fig. 2).

Листинг в командной строке Matlab:Listing on the Matlab command line:

y=wavread('V12687_all',[80 365]); % формирование сигналаy = wavread ('V12687_all', [80 365]); % signal conditioning

>>y1=y(1:64, 1:1); % обрезка вектора c 1 по 64 отсчет>> y1 = y (1:64, 1: 1); % cropping vector c 1 to 64 count

z=trace(abs(y1*y1')) % скалярное произведение сигналов (при их полном совпадении соответствует энергии сигнала);z = trace (abs (y1 * y1 '))% scalar product of signals (if they coincide completely, it corresponds to the signal energy);

z=0.0824.z = 0.0824.

В соответствии с выражением (4) энергия сигнала равна квадрату второй нормы этого сигнала.In accordance with expression (4), the signal energy is equal to the square of the second norm of this signal.

Листинг в командной строке Matlab:Listing on the Matlab command line:

z1=norm(y1,2)% вторая норма сигнала y1 в соответствии с выражением (5)z1 = norm (y1,2)% the second norm of the signal y1 in accordance with expression (5)

z1=0.2870z1 = 0.2870

z2=z12z2 = z1 2

z2=0.0824.z2 = 0.0824.

Полная энергия сигнала, вычисленная через квадрат второй нормы, равна 0.0824 и полностью совпадает с энергией, вычисленной через скалярное произведение [Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1988, стр. 29].The total energy of the signal, calculated through the square of the second norm, is 0.0824 and completely coincides with the energy calculated through the scalar product [S. Baskakov Radio engineering circuits and signals: Textbook for universities. - M.: Higher School, 1988, p. 29].

Определяется взаимная энергия сигнала и вейвлета Db6 [Дьяконов В.П. - Вейвлеты. От теории к практике. Солон-Р. 2002, стр. 155-158].The mutual energy of the signal and the wavelet Db6 is determined [Dyakonov V.P. - Wavelets. From theory to practice. Solon-R. 2002, p. 155-158].

Листинг в командной строке Matlab:Listing on the Matlab command line:

[phi,psi,x]=wavefun('db6',4); % формирование вейвлета[phi, psi, x] = wavefun ('db6', 4); % wavelet formation

Y=[psi,x];Y = [psi, x];

Y1=Y(1:1,46:109); % обрезка вектора вейвлета в соответствии с длиной вектора сигнала.Y1 = Y (1: 1.46: 109); % cropping the wavelet vector according to the length of the signal vector.

Y1n=Y1*(max(y1))/(max(Y1)); % нормировка вектора вейвлета по максимуму амплитуды сигнала.Y1n = Y1 * (max (y1)) / (max (Y1)); % normalization of the wavelet vector by the maximum amplitude of the signal.

z=trace(abs(y1*Y1n')) % скалярное произведение вектора сигнала и вейвлета:z = trace (abs (y1 * Y1n '))% scalar product of the signal vector and wavelet:

z=0.0576.z = 0.0576.

Взаимная энергия сигнала и вейвлета Db6 - E равна 0.0576, что значительно меньше полной энергии сигнала.The mutual energy of the signal and the wavelet Db6 - E is 0.0576, which is much less than the total signal energy.

Результаты вычисления взаимной энергии E сигнала и различных наиболее часто используемых в вейвлет-анализе вейвлетов [Дьяконов В.П. - Вейвлеты. От теории к практике. Солон-Р. 2002. - стр. 155-158] приведены в таблице (фиг. 5).The results of calculating the mutual energy E sν of a signal and various wavelets most frequently used in wavelet analysis [V. Dyakonov - Wavelets. From theory to practice. Solon-R. 2002. - pp. 155-158] are given in the table (Fig. 5).

Хорошую оценку совпадения частотно-временных характеристик вейвлета с исследуемым сигналом дает матричное (внешнее) умножение вектора сигнала на вектор вейвлета в соответствии с выражением (7) [Э.Б. Винберг. Курс алгебры: 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во «Факториал Пресс», 2001, стр. 318]:A good estimate of the coincidence of the time-frequency characteristics of the wavelet with the signal under study is provided by the matrix (external) multiplication of the signal vector by the wavelet vector in accordance with expression (7) [E.B. Winberg. Algebra course: 2nd ed., Rev. and add. - M .: Publishing house "Factorial Press", 2001, p. 318]:

Figure 00000007
Figure 00000007

где x1, x2, …xN - дискретные отсчеты значений вейвлет-функции;where x 1 , x 2 , ... x N - discrete samples of the values of the wavelet function;

y1, y2, …yN - дискретные отсчеты значений сигнала.y 1 , y 2 , ... y N - discrete samples of signal values.

Матрица внешнего умножения несет обобщенную информацию о сигналах: диагональ матрицы соответствует умножению функции сигнала на функцию вейвлета в координатной плоскости, что в частотной области соответствует свертке Фурье-образов функций и характеризует степень совпадения функций сигнала и вейвлета, сумма элементов вектора диагонали матрицы есть скалярное умножение сигнала и вейвлета, что соответствует взаимной энергии функций сигнала и вейвлета.The matrix of external multiplication carries generalized information about the signals: the diagonal of the matrix corresponds to the multiplication of the signal function by the wavelet function in the coordinate plane, which in the frequency domain corresponds to the convolution of the Fourier transform of the functions and characterizes the degree of coincidence of the signal and wavelet functions, the sum of the elements of the matrix diagonal vector is scalar signal multiplication and a wavelet, which corresponds to the mutual energy of the signal and wavelet functions.

На фиг. 4 представлены результаты матричного (внешнего) умножения вектора сигнала на вектор вейвлета контурным графиком и 3D-графиком с использованием вейвлета Meyer и Db6. Для вейвлета Meyer матрица наполнена слабо, это хорошо видно также на трехмерном графике. Для вейвлета Db6 заполнение матрицы значительно выше.In FIG. Figure 4 shows the results of matrix (external) multiplication of a signal vector by a wavelet vector by a contour graph and a 3D graph using the Meyer and Db6 wavelets. For the Meyer wavelet, the matrix is weakly filled, this is also clearly visible on the three-dimensional graph. For the Db6 wavelet, the matrix filling is much higher.

В соответствии с выражением (3) для оценки матрицы вычисляется вторая норма, которая находит самое большое сингулярное число.In accordance with expression (3), to evaluate the matrix, the second norm is calculated, which finds the largest singular number.

Из графиков, представленных на фиг. 4, очевидно, что норма матриц произведения вектора сигнала на вектор вейвлета будет больше для вейвлета Db6, так как абсолютные значения элементов матрицы имеют большие значения и матрица лучше наполнена. Это подтверждают результаты вычисления второй нормы матрицы для вейвлетов Db6 и Meyer: N1Db6=0.0883; N1Mtyer=0.0551.From the graphs shown in FIG. 4, it is obvious that the matrix norm of the product of the signal vector by the wavelet vector will be larger for the Db6 wavelet, since the absolute values of the matrix elements have large values and the matrix is better filled. This is confirmed by the results of the calculation of the second matrix norm for the Db6 and Meyer wavelets: N1 Db6 = 0.0883; N1 Mtyer = 0.0551.

Прямое непрерывное вейвлет-преобразование с использованием того или иного вейвлета позволяет получить матрицы спектрограмм (скалограмм) анализируемого сигнала. Оценкой энергии матрицы служит вторая норма N2, которая будет характеризовать эффективность выбранного вейвлета.Direct continuous wavelet transform with the use of one or another wavelet allows to obtain the matrix of spectrograms (scalograms) of the analyzed signal. The matrix energy is estimated by the second norm N2, which will characterize the efficiency of the selected wavelet.

Проведенный анализ энергетических характеристик сигнала и вейвлетов позволяет сформировать показатели для их оценки: N1, N2, Esv. Значения этих показателей для целого ряда наиболее часто используемых вейвлетов приведены на фиг. 6. В таблице представлены значения нормы матрицы внешнего умножение вектора сигнала и вейвлета - N1, значения нормы матрицы вейвлет-спектрограммы - N2, значения взаимной энергии сигнала и вейвлета - Esv и их приведенные значения.The analysis of the energy characteristics of the signal and wavelets allows you to generate indicators for their assessment: N1, N2, E sv . The values of these indicators for a number of the most frequently used wavelets are shown in FIG. 6. The table shows the norm values of the matrix of the external multiplication of the signal and wavelet vector — N1, the norm values of the wavelet spectrogram matrix — N2, the mutual energy of the signal and the wavelet — E sv and their reduced values.

Интегральный показатель позволяет проводить комплексную оценку эффективности вейвлет-преобразования с использованием того или иного вейвлета (8):The integral indicator allows a comprehensive assessment of the effectiveness of the wavelet transform using one or another wavelet (8):

Figure 00000008
Figure 00000008

где N1, N2, Esv - приведенные значения норм соответствующих матриц и взаимной энергии.where N1, N2, E sv - reduced values of the norms of the corresponding matrices and mutual energy.

Интегральный показатель эффективности вейвлета обосновывает выбор того вейвлета, который обеспечивает наибольшее совпадение частотно-временных характеристик сигнала и вейвлета, при этом взаимная энергия сигнала и вейвлета стремится к полной энергии анализируемого сигнала. Для анализа информационной части Li сигнала стандарта MIL-STD-188-110А таким вейвлетом является Db6, это подтверждают графики, приведенные на фиг. 4, вейвлет спектрограммы на фиг. 6.The integral wavelet efficiency indicator justifies the choice of the wavelet that provides the greatest coincidence of the time-frequency characteristics of the signal and the wavelet, while the mutual energy of the signal and the wavelet tends to the total energy of the analyzed signal. To analyze the information part of the Li signal of the MIL-STD-188-110A standard, such a wavelet is Db6, this is confirmed by the graphs shown in FIG. 4, the wavelet spectrogram of FIG. 6.

Результаты расчета интегрального показателя эффективности вейвлета приведены на фиг. 6.The results of calculating the integral wavelet efficiency index are shown in FIG. 6.

Заявленный способ реализуют следующим образом (фиг. 7).The claimed method is implemented as follows (Fig. 7).

Первоначально выбирается информационная (с точки зрения распознавания и выявления особенностей) часть Li сигнала S по структурно-временному построению (фиг. 1).Initially, the informational (from the point of view of recognizing and identifying features) part of the Li signal S is selected according to the structural-temporal construction (Fig. 1).

Выбранный участок сигнала заносится в систему компьютерной математики Matlab для оцифровки (Lic) и дальнейшей обработки (фиг. 2).The selected signal section is entered into the Matlab computer mathematics system for digitization (Lic) and further processing (Fig. 2).

Оценивается количество наиболее информативных коэффициентов аппроксимации (ni) для прямого непрерывного вейвлет-преобразования (фиг. 3).The number of the most informative approximation coefficients (ni) for the direct continuous wavelet transform is estimated (Fig. 3).

Формируется вектор сигнала Licn с учетом числа наиболее информативных коэффициентов ni.The signal vector Licn is formed taking into account the number of the most informative coefficients ni.

Формируются интегральный показатель KΣ на основе показателей энергетических характеристик сигнала и применяемых для анализа вейвлетов.The integral indicator K Σ is formed on the basis of the energy characteristics of the signal and the wavelets used for analysis.

По максимальному значению интегрального показателя KΣ выбирается тип вейвлета Wi, обеспечивающий максимальную контрастность признака распознавания - скалограммы Swi.Based on the maximum value of the integral index K Σ , the type of wavelet Wi is selected, which ensures the maximum contrast of the recognition sign - Swi scalograms.

Формируется признак распознавания - скалограммы Swi.A sign of recognition is formed - Swi scalograms.

Принимается решение о принадлежности Swi к одному из эталонов Swiэ.It is decided that Swi belongs to one of the Swi standards.

Выбор вейвлета для анализа сигнала с использованием интегрального показателя повышает признаковую контрастность, скалограммы имеют больше деталей, при анализе из них удается извлечь больше данных.The choice of a wavelet for signal analysis using an integral indicator increases the sign contrast, scalograms have more details, and more data can be extracted from the analysis.

Для количественной характеристики признаковой контрастности скалограмм, позволяющей оценивать их информативность, выбрана энтропия.For a quantitative characteristic of the characteristic contrast of the scalograms, allowing to evaluate their information content, the entropy is chosen.

Энтропия для непрерывного вейвлет-преобразования характеризует размытость анализируемого сигнала по базисным направлениям [Солонина А.И. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в MATLAB / А.И. Солонина, С.М. Арбузов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - С. 687]. Она принимает меньшие значения, когда основная часть энергии сигналов распределяется на малом числе базисных функций и, наоборот, принимает большие значения, когда основная энергия сигнала распределяется на большом числе базисных функций. В целом это позволяет оценивать информативность скалограммы сигнала.Entropy for continuous wavelet transform characterizes the fuzziness of the analyzed signal in the basic directions [A. Solonina Digital signal processing. Modeling in MATLAB / A.I. Solonina, S.M. Watermelons. - St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2008. - S. 687]. It takes smaller values when the bulk of the signal energy is distributed over a small number of basis functions and, conversely, takes large values when the main signal energy is distributed over a large number of basis functions. In general, this allows us to evaluate the informativeness of the signal scalogram.

На фиг. 8 представлена диаграмма энтропийной оценки признаковой контрастности скалограммы для различных типов вейвлета (фиг. 8а) и значения интегрального показателя KΣ (фиг. 8б). Диаграммы показывают, что большему значению интегрального показателя соответствует большее значение энтропии, т.е. скалограмма обладает большей признаковой контрастностью.In FIG. Figure 8 shows a diagram of the entropy assessment of the sign contrast of the scalogram for various types of wavelet (Fig. 8a) and the value of the integral index K Σ (Fig. 8b). The diagrams show that a larger value of the integral indicator corresponds to a larger value of entropy, i.e. the scalogram has a greater sign contrast.

Проведенные расчеты (фиг. 8) позволяют сделать заключение о следующих оценках контрастности признаков.The calculations (Fig. 8) allow us to make a conclusion about the following assessments of the contrast of signs.

При выборе признаков по алгоритму, реализованному в прототипе, равновероятно используется любая из имеющегося набора вейвлет-функция - Wi, тогда имеем i признаков с различной контрастностью. Среднюю величину контрастности можно рассчитать по формуле:When choosing features according to the algorithm implemented in the prototype, any of the available set of wavelet function - W i is equally likely to be used, then we have i features with different contrast. The average contrast can be calculated by the formula:

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
- среднее значение энтропии;Where
Figure 00000010
- the average value of entropy;

Ei - энтропия i-го признака, i=1, 2, …n;E i is the entropy of the i-th attribute, i = 1, 2, ... n;

Pi - вероятность выбора i-го признака.P i - the probability of choosing the i-th attribute.

Для варианта выбора признака, представленного на фиг. 8, средняя контрастность примет значение

Figure 00000011
, что составляет 82% от максимального значения контрастности.For the feature selection option shown in FIG. 8, the average contrast will matter
Figure 00000011
, which is 82% of the maximum contrast value.

Предлагаемый способ распознавания радиосигналов позволяет за счет оптимального выбора вейвлет-функции однозначно обеспечить максимальную контрастность признака - 26,3. Таким образом, для рассматриваемого варианта распознавания радиосигналов контрастность признака возрастает в среднем на 18%. При выборе худшего по контрастности признака потери в контрастности признака для прототипа составят 58%.The proposed method for the recognition of radio signals allows, due to the optimal choice of the wavelet function, to uniquely ensure the maximum contrast of the feature - 26.3. Thus, for the considered variant of the recognition of radio signals, the contrast of the feature increases by an average of 18%. When choosing the worst sign in contrast, the loss in contrast of the sign for the prototype will be 58%.

При построении скалограмм на основе непрерывного вейлет-преобразования для решения задачи распознавания по алгоритму, реализованному в прототипе, оценка признаков в зависимости от выбранного вейвлета не производится, что приводит к выбору малоконтрастных признаков.When constructing scalograms based on a continuous wavelet transform to solve the recognition problem according to the algorithm implemented in the prototype, signs are not evaluated depending on the selected wavelet, which leads to the selection of low-contrast signs.

Предлагаемый способ распознавания за счет использования интегрального показателя для выбора оптимальной вейвлет-функции позволяет обоснованно выбрать наиболее контрастные признаки для исследуемого сигнала.The proposed recognition method through the use of an integral indicator to select the optimal wavelet function allows you to reasonably choose the most contrasting signs for the signal under study.

Claims (1)

Способ распознавания радиосигналов, заключающийся в том, что для формирования признаков распознавания радиосигналов по структурно-временному построению выбирается информационная часть сигнала, которая заносится в систему компьютерной математики Matlab, где осуществляется оцифровка и обработка сигнала, оценивается количество наиболее информативных коэффициентов аппроксимации для прямого непрерывного вейвлет-преобразования (НВП), формируется вектор сигнала с учетом числа наиболее информативных коэффициентов, затем вычисляется интегральный показатель эффективности вейвлета путем наибольшего совпадения частотно-временных характеристик сигнала и применяемых для анализа сигнала вейвлетов, по максимальному значению интегрального показателя эффективности вейвлета для анализа исследуемого сигнала выбирается вейвлет-функция, с помощью которой путем непрерывного вейвлет-преобразования формируется скалограмма сигнала, которую принимают в качестве признака распознавания радиосигнала.The method of recognition of radio signals, which consists in the fact that for the formation of signs of recognition of radio signals according to the structural-temporal construction, the information part of the signal is selected, which is entered into the Matlab computer mathematics system, where the signal is digitized and processed, the number of the most informative approximation coefficients for direct continuous wavelet is estimated transformations (NVP), a signal vector is formed taking into account the number of the most informative coefficients, then the integ is calculated the total wavelet efficiency indicator by the greatest coincidence of the time-frequency characteristics of the signal and the wavelets used to analyze the wavelet, the wavelet function is selected according to the maximum value of the integral wavelet efficiency indicator for the analysis of the signal under study, by which a waveform of the signal is received by continuous wavelet transform, which is received in as a sign of recognition of the radio signal.
RU2015141419A 2015-09-29 2015-09-29 Method for recognizing radio signals RU2613733C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141419A RU2613733C1 (en) 2015-09-29 2015-09-29 Method for recognizing radio signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141419A RU2613733C1 (en) 2015-09-29 2015-09-29 Method for recognizing radio signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2613733C1 true RU2613733C1 (en) 2017-03-21

Family

ID=58453057

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015141419A RU2613733C1 (en) 2015-09-29 2015-09-29 Method for recognizing radio signals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2613733C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5909675A (en) * 1994-10-17 1999-06-01 Alcatel Mobile Communication France Device for recognizing information conveyed by a received signal
US20060168647A1 (en) * 2005-01-26 2006-07-27 Microsoft Corporation Secure method and system for creating a plug and play network
RU2430416C1 (en) * 2010-05-25 2011-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Radio signal recognition method
RU2439679C1 (en) * 2010-08-17 2012-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) Method of nonparametric signal recognition
RU2464633C1 (en) * 2011-06-16 2012-10-20 Александр Михайлович Сауков Method of identifying radio signals
RU2466455C1 (en) * 2011-11-03 2012-11-10 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства Обороны Российской Федерации (Минобороны России) Method to detect radio signals

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5909675A (en) * 1994-10-17 1999-06-01 Alcatel Mobile Communication France Device for recognizing information conveyed by a received signal
US20060168647A1 (en) * 2005-01-26 2006-07-27 Microsoft Corporation Secure method and system for creating a plug and play network
RU2430416C1 (en) * 2010-05-25 2011-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Radio signal recognition method
RU2439679C1 (en) * 2010-08-17 2012-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) Method of nonparametric signal recognition
RU2464633C1 (en) * 2011-06-16 2012-10-20 Александр Михайлович Сауков Method of identifying radio signals
RU2466455C1 (en) * 2011-11-03 2012-11-10 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства Обороны Российской Федерации (Минобороны России) Method to detect radio signals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vasil’ev et al. Doubly stochastic models of images
Ma et al. A novel blind source separation method for single-channel signal
Hyvärinen et al. Independent component analysis of short-time Fourier transforms for spontaneous EEG/MEG analysis
CN107688120A (en) Signals and associated noises processing method and iteration singular spectrum Soft-threshold Denoising Method based on fuzzy entropy
Wang et al. Selection of window length for singular spectrum analysis
Wang et al. Blind source extraction of acoustic emission signals for rail cracks based on ensemble empirical mode decomposition and constrained independent component analysis
Liu et al. Deep learning and recognition of radar jamming based on CNN
CN110197209B (en) Radiation source identification method based on multi-feature fusion
Maharaj Comparison of non-stationary time series in the frequency domain
CN104636609A (en) Signal combined denoising method based on empirical mode decomposition (EMD) and wavelet analysis
CN108090462B (en) Radiation source fingerprint feature extraction method based on box dimensions
CN107392123B (en) Radio frequency fingerprint feature extraction and identification method based on coherent accumulation noise elimination
CN113537102B (en) Feature extraction method of microseismic signals
CN106872778B (en) Compressed sensing based method for detecting weak signals
CN102436588A (en) Radiation source identification method
Xiong et al. Cross correlation singularity power spectrum theory and application in radar target detection within sea clutters
CN106137184B (en) Electrocardiosignal QRS complex detection method based on wavelet transformation
CN105158749A (en) High-frequency radar sea-clutter amplitude statistical distribution test method
Yang et al. Radar emitter signal recognition based on time-frequency analysis
CN107526064A (en) Adaptive LFM modulated parameter estimating methods based on two dimensional character
Li et al. Radar emitter signal recognition based on multi-scale wavelet entropy and feature weighting
RU2613733C1 (en) Method for recognizing radio signals
Shang et al. Chaotic SVD method for minimizing the effect of exponential trends in detrended fluctuation analysis
Xiong et al. Time-singularity multifractal spectrum distribution based on detrended fluctuation analysis
Sheng et al. Tracking performance and robustness analysis of Hurst estimators for multifractional processes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170930