Повышение эффективности спектрального анализа при низких отношениях сигнал/шум с использованием технологии суррогатных данных без сегментации наблюдения

Автор(и)

  • Павел Юрьевич Костенко Харьковский национальный университет Воздушных Сил им. Ивана Кожедуба, Україна https://orcid.org/0000-0002-3382-0684
  • Владимир Иванович Василишин Харьковский национальный университет Воздушных Сил им. Ивана Кожедуба, Україна https://orcid.org/0000-0002-5461-0125

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347015020041

Ключові слова:

суррогатные данные, спектральный анализ, собственноструктурные методы, коррекция, размер сегмента

Анотація

Проведен сравнительный анализ двух методов оценки корреляционной матрицы (КМ) наблюдения, основанных на получении ансамбля его сегментов и псевдоансамбля, полученного применением технологии суррогатных данных. Показано, что в диапазоне малых отношений сигнал–шум ошибка оценки КМ с использованием псевдоансамбля меньше ошибки оценки КМ, использующей сегментацию наблюдения. Поскольку оценка КМ является базовой процедурой в современных методах спектрального анализа, в работе с использованием моделирования показано, что применение псевдоансамбля наблюдения позволяет отказаться от сегментации наблюдений, снижающей разрешающую способность спектрального анализа.

Посилання

Эфрон Б. Нетрадиционные методы многомерного статистического анализа / Б. Эфрон : пер. с англ. — М. : Финансы и статистика, 1988. — 263 с.

Орлов А. И. Эконометрика / А. И. Орлов. — М. : Экзамен, 2002. — 576 с.

Шитиков В. К. Рандомизация и бутстреп: статистический анализ в биологии и экологии с использованием R / В. К. Шитиков, Г. С. Розенберг. — Тольятти, 2013. — 290 с.

Zoubir A. M. The Bootstrap: Signal Processing Applications / A. M. Zoubir, B. Boashash // IEEE SP Magazine (Signal Processing). — 1998. — Vol. 15. — P. 56–76.

Theiler J. Testing for nonlinearity in time series: the method of surrogate data / James S. Theiler, Stephen Eubank, Andre Longtin, Bryan Galdrikian, J. Doyne Farmer // Physica D. — Sept. 1992. — Vol. 58, Nos. 1–4. — P. 77–94. — PII : 016727899290102S.

Small M. Applied Nonlinear Time Series Analysis Applications in Physics, Physiology and Finance / M. Small. — World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2005. — 245 p.

Использование суррогатных сигналов для повышения качества оценки параметров регулярных и хаотических сигналов, наблюдаемых на фоне аддитивного шума / П. Ю. Костенко, К. С. Васюта, В. В. Слободянюк, Д. С. Яковенко // Системи управління, навігації та зв’язку. — 2010. — № 4. — С. 28–32.

Костенко П. Ю. Повышение эффективности когерентной обработки хаотических сигналов при передаче бинарных сообщений с использованием суррогатных сигналов / П. Ю. Костенко, В. И. Василишин, С. Н. Симоненко, О. В. Высоцкий, Д. С. Яковенко // Радиоэлектроника. — 2012. — Т. 55, № 7. — С. 24–33. — (Известия вузов). — Режим доступа : http://radio.kpi.ua/article/view/S0021347012070035 [русский]; Enhancing the efficiency of coherent processing of chaotic signals during the transmission of binary messages using surrogate signals / P. Yu. Kostenko, Volodymyr Ivanovych Vasylyshyn, S. N. Symonenko, O. V. Vysotskii, D. S. Yakovenko // Radioelectron. Commun. Syst. — 2012. — Vol. 55, No. 7. — P. 307–314. — URL : http://radioelektronika.org/article/view/S0735272712070035. — DOI : http://dx.doi.org/10.3103/S0735272712070035 [in English].

Gershman A. B. A pseudo-noise approach to direction finding / A. B. Gershman, J. F. Bohme // Signal Processing. — May 1998. — Vol. 71. — P. 1–13. — DOI : http://dx.doi.org/10.1016/S0165-1684(98)00130-3.

Vasylyshyn V. Removing the outliers in root-MUSIC via pseudo-noise resampling and conventional beamformer / Volodymyr Vasylyshyn // Signal Processing. — 2013. — Vol. 93, No. 12. — P. 3423–3429. — DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.sigpro.2013.05.026.

Mammen E. Effect of jump discontinuity for phase-randomized surrogate data testing / Enno Mammen, Swagata Nandi, Thomas Maiwald, Jens Timmer // Int. J. Bifurcation Chaos. — Jan. 2009. — Vol. 19, No. 1. — P. 403–408. — DOI : http://dx.doi.org/10.1142/S0218127409022968.

Gershman A. B. Pseudo-randomly generated estimator banks: a new tool for improving the threshold performance of direction finding / Alex B. Gershman // IEEE Trans. Signal Process. — May 1998. — Vol. 46, No. 5. — P. 1351–1364. — DOI : http://dx.doi.org/10.1109/78.668797.

Vasylyshyn V. I. Direction finding with superresolution using root implementation of eigenstructure techniques and joint estimation strategy / V. I. Vasylyshyn // Wireless Technology : European Conf., 11–12 Oct. 2004, Amsterdam, Netherlands : proc. of conf. — Amsterdam, 2004. — P. 101–104.

Василишин В. И. Повышение эффективности спектрального анализа собственноструктурными методами с использованием технологии суррогатных данных для собственных векторов ковариационной матрицы наблюдения / В. И. Василишин // Радиотехника. — 2013. — № 174. — С. 66–72. — (Всеукр. межвед. научн.-техн. сб.).

Костенко П. Ю. Повышение эффективности спектрального анализа сигналов методом Root-MUSIC с использованием суррогатных данных / П. Ю. Костенко, В. И. Василишин // Радиоэлектроника. — 2014. — Т. 57, № 1. — С. 31–39. — (Известия вузов). — Режим доступа : http://radio.kpi.ua/article/view/S0021347014010026 [русский]; Enhancing the efficiency of spectral analysis of signals by the Root-MUSIC method using surrogate data / P. Yu. Kostenko, Volodymyr Ivanovych Vasylyshyn // Radioelectron. Commun. Syst. — 2014. — Vol. 57, No. 1. — P. 31–38. — URL : http://radioelektronika.org/article/view/S0735272714010026. — DOI : http://dx.doi.org/10.3103/S0735272714010026 [in English].

Василишин В. И. Адаптивная коррекция предварительной обработки сигналов с использованием технологии суррогатных данных в задачах спектрального анализа / В. И. Василишин // Системи обробки інформації. — 2013. — № 2 (109). — С. 15–20.

Василишин В. И. Повышение эффективности спектрального анализа методом ESPRIT с использованием технологии суррогатных данных / В. И. Василишин // Прикладная радиоэлектроника. — 2013. — Т. 12, № 3. — C. 406–412.

Василишин В. И. Оценивание числа гармонических компонент сигнала с использованием технологии суррогатных данных / В. И. Василишин // Прикладная радиоэлектроника. — 2013. — Т. 12, № 4. — C. 542–552.

Василишин В. И. Анализ методической ошибки спектрального анализа, использующего технологию суррогатных данных / В. И. Василишин // Системи обробки інформації. — 2014. — № 1 (117). — С. 5–9.

Костенко П. Ю. Коррекция обработки сигналов при их спектральном анализе с использованием суррогатных автоковариационных функций наблюдения, полученных ATS-алгоритмом / П. Ю. Костенко, В. И. Василишин // Радиоэлектроника. — 2014. — Т. 57, № 6. — С. 3–12. — (Известия вузов). — Режим доступа : http://radio.kpi.ua/article/view/S0021347014060016 [русский]; Signal processing correction in spectral analysis using the surrogate autocovariance observation functions obtained by the ATS-algorithm / P. Yu. Kostenko, Volodymyr Ivanovych Vasylyshyn // Radioelectron. Commun. Syst. — 2014. — Vol. 57, No. 6. — P. 235–243. — URL : http://radioelektronika.org/article/view/S0735272714060016. — DOI : http://dx.doi.org/10.3103/S0735272714060016 [in English].

Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / С. Л. Марпл-мл. : пер. с англ. — М. : Мир, 1990. — 584 с.

Stoica P. Introduction to spectral analysis / P. Stoica, R. L. Moses. — Prentice-Hall, 1997.

Vasylyshyn V. I. Uniform linear antenna array in superresolution mode by the modified unitary ESPRIT algorithm / V. I. Vasylyshin, A. N. Kolesnikov // Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques : ICATT, 8–11 Sept. 1999, Sevastopil, Ukraine : proc. —1999. — Р. 254–255. — URL : http://icatt.org.ua/proc/article/view/ICATT.1999.1236181.

Vasylyshyn V. I. High-resolution phased array signal processing via DFT beamspace TLS-ESPRIT with structure weighting / V. I. Vasylyshyn // Phased Array Systems and Technology : IEEE Int. Symp. PAST, 14–17 Oct. 2003, Boston, Massachusetts (USA). — IEEE, 2003. — P. 605–610. — DOI : http://dx.doi.org/10.1109/PAST.2003.1257049.

Wax M. Spatio-temporal spectral analysis by eigenstructure methods / M. Wax, Tie-Jun Shan, T. Kailath // IEEE Trans. Signal Process. — Aug. 1984. — Vol. 32, No. 4. — P. 817–827. — DOI : http://dx.doi.org/10.1109/TASSP.1984.1164400.

Stoica P. MUSIC estimation of real-valued sine-wave frequencies / Petre Stoica, Anders Eriksson // Signal Processing. — Mar. 1995. — Vol. 42, No. 2. — P. 139–146. — DOI : http://dx.doi.org/10.1016/0165-1684(94)00123-H.

Василишин В. И. Эффективность модифицированного метода пространственного сглаживания / В. И. Василишин, М. В. Грушенко, А. Н. Колесников // Збірник наукових праць ХУПС. — 2005. — № 1(1). — С. 89–93.

Gershman A. B. Optimal subarray size for spatial smoothing / A. B. Gershman, V. T. Ermolaev // IEEE Signal Process. Lett. — Feb. 1995. — Vol. 2, No. 2. — P. 28–30. — DOI : http://dx.doi.org/10.1109/97.365531.

Тараканов А. В. Анализ возможности повышения разрешающей способности цифровой радиолокационной станции / А. В. Тараканов // Цифровая обработка сигналов и ее применение : Междунар. конф. DSPA-2009, Россия : тр. конф. — 2009. — С. 359–362.

Borgnat P. Stationarization via surrogates / Pierre Borgnat, Patrick Flandrin // J. Stat. Mech. — 2009. — P01001. — DOI : http://dx.doi.org/10.1088/1742-5468/2009/01/P01001.

Barabell A. J. Improving the resolution performance of eigenstructure based direction-finding algorithms / A. J. Barabell // Acoustics, Speech, and Signal Processing : IEEE Int. Conf. ICASSP’83, Apr. 1983, Boston, MA. — IEEE, 1983. — Vol. 8. — P. 336–339. — DOI : http://dx.doi.org/10.1109/ICASSP.1983.1172124.

##submission.downloads##

Опубліковано

2015-02-13

Як цитувати

Костенко, П. Ю., & Василишин, В. И. (2015). Повышение эффективности спектрального анализа при низких отношениях сигнал/шум с использованием технологии суррогатных данных без сегментации наблюдения. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 58(2), 36–47. https://doi.org/10.20535/S0021347015020041

Номер

Том 58 № 2 (2015)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2015 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.