Periodogram Estimating the Spectral Power Density Based upon Signals’ Binary-Sign Stochastic Quantization Using Window Functions

封面

如何引用文章

全文:

详细

Spectral analysis of signals is used as one of the main methods for studying systems and objects of various physical natures. Under conditions of a priori statistical uncertainty, the signals are subject to random changes and noise. Spectral analysis of such signals involves the estimation of the power spectral density (PSD). One of the classical methods for estimating PSD is the periodogram method. The algorithms that implement this method in digital form are based on the discrete Fourier transform. Digital multiplication operations are mass operations in these algorithms. The use of window functions leads to an increase in the number of these operations. Multiplication operations are among the most time consuming operations. They are the dominant factor in determining the computational capabilities of an algorithm and determine its multiplicative complexity. The paper deals with the problem of reducing the multiplicative complexity of calculating the periodogram estimate of the PSD using window functions. The problem is solved based on the use of binary-sign stochastic quantization for converting a signal into digital form. This two-level signal quantization is carried out without systematic error. Based on the theory of discrete-event modeling, the result of a binary-sign stochastic quantization in time is considered as a chronological sequence of significant events determined by the change in its values. The use of a discrete-event model for the result of binary-sign stochastic quantization provided an analytical calculation of integration operations during the transition from the analog form of the periodogram estimation of the SPM to the mathematical procedures for calculating it in discrete form. These procedures became the basis for the development of a digital algorithm. The main computational operations of the algorithm are addition and subtraction arithmetic operations. Reducing the number of multiplication operations decreases the overall computational complexity of the PSD estimation. Numerical experiments were carried out to study the algorithm operation. They were carried out on the basis of simulation modeling of the discrete-event procedure of binary-sign stochastic quantization. The results of calculating the PSD estimates are presented using a number of the most famous window functions as an example. The results obtained indicate that the use of the developed algorithm allows calculating periodogram estimates of PSD with high accuracy and frequency resolution in the presence of additive white noise at a low signal-to-noise ratio. The practical implementation of the algorithm is carried out in the form of a functionally independent software module. This module can be used as a part of complex metrologically significant software for operational analysis of the frequency composition of complex signals.

作者简介

V. Yakimov

Samara State Technical University

Email: yvnr@hotmail.com
Molodogvardeyskaya St. 244

参考

  1. Шахтарин Б.И., Ковригин В.А. Методы спектрального оценивания случайных процессов // М.: Горячая линия-Телеком. 2011. 256 с.
  2. Marple Jr.S.L. Digital Spectral Analysis with Applications: Second edition // Dover Publications Inc. 2019. 432 p.
  3. Oppenheim A.V., Schafer R.W. Discrete-Time Signal Processing: Third edition // Pearson Higher Education. 2010. 1108 p.
  4. Bendat J.S., Piersol A.G. Random Data: Analysis and Measurement Procedures. Fourth edition // Wiley. 2010. 621 p.
  5. Alessio S.M. Digital Signal Processing and Spectral Analysis for Scientists: Concepts and Applications // Springer. 2016. 900 p.
  6. Stoica P., Moses R.L. Spectral Analysis of Signals // Pearson Prentice Hall. Upper Saddle River. 2005. 452 p.
  7. Percival D.B., Walden A.T. Spectral Analysis for Univariate Time Series // Cambridge University Press. 2020. 692 p.
  8. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 2. 8-изд. // М.: Физматлит. 2003. 864 с.
  9. Oberguggenberger M., Ostermann A. Analysis for Computer Scientists Foundations, Methods and Algorithms // Springer. 2018. 378 p.
  10. Ульянов М.В. Ресурсно-эффективные компьютерные алгоритмы. Разработка и анализ // М.: Физматлит. 2008. 304 с.
  11. Kleinberg J., Tardos E. Algorithm Design // Pearson. 2006. 838 p.
  12. Blahut R.E. Fast Algorithms for Signal Processing // Cambridge University Press. 2010. 453 p.
  13. Bi G., Zeng Y. Transforms and Fast Algorithms for Signal Analysis and Representations // Birkhauser. 2004. 422 p.
  14. Britanak V., Rao K.R. Cosine-/Sine-Modulated Filter Banks: General Properties, Fast Algorithms and Integer Approximations // Springer. 2018. 645 p.
  15. Chu E. Discrete and Continuous Fourier Transforms: Analysis, Applications and Fast Algorithms // CRC Press, Taylor and Francis Group. 2008. 398 p.
  16. Madisetti V.K. (editor-in-chief). The Digital Signal Processing Handbook, Second edition: Digital Signal Processing Fundamentals // CRC Press, Taylor and Francis Group. 2010. 904 p.
  17. Stepanov A.A. Rose D.E. From Mathematics to Generic Programming // Addison-Wesley Professional. 2015. 292 p. 310.
  18. Kester W. (Editor). Analog-Digital Conversion // Analog Devices. 2004. 1138 p.
  19. Pelgrom M. Analog-to-Digital Conversion // Springer. 2017. 548 p.
  20. Bhattacharyya S.S., Deprettere E.F., Leupers R., Takala J. (Eds.) Handbook of Signal Processing Systems // Springer. 2019. 1200 p.
  21. Горбунов Ю.Н., Куликов Г.В., Шпак А.В. Радиолокация: стохастический подход / Под ред. Ю.Н. Горбунова // М.: Горячая линия-Телеком. 2016. 520 с.
  22. Мирский Г.Я. Характеристики стохастической взаимосвязи и их измерения // М.: Энергоиздат. 1982. 320 с.
  23. Max J. Methodes et techniques de traitement du signal et applications aux mesures physiques. Tome 1: Principes generaux et methodes classiques // Masson, Paris. 1996. 354 p.
  24. Papadopoulos H.C., Wornell G.W., Oppenheim A.V. Sequential Signal Encoding From Noisy Measurements Using Quantizers with Dynamic Bias Control // IEEE Transactions on information theory. 2001. vol. 47. no. 3. pp. 978–1002.
  25. Yakimov V.N. Direct Spectral Power Density Estimation from a Discrete-Time Representation of Stochastic Analog Quantization for an Analog Random Process // Measurement Techniques. 2009. vol. 52. no. 3. pp. 223–230.
  26. Якимов В.Н. Цифровой комплексный статистический анализ на основе знакового представления случайных процессов // Известия самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18. № 4(7). С. 1346–1353.
  27. Isla J., Celga F. The Use of Binary Quantization for the Acquisition of Low SNR Ultrasonic Signals: a Study of the Input Dynamic Range // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2016. vol. 63. no. 9. pp. 1474–1482.
  28. Zhai Q., Wang Y. Noise Effect on Signal Quantization in an Array of Binary Quantizers // Signal Processing. 2018. vol. 152. pp. 265–272.
  29. Diao J.-D., Guo J., Sun C.-Y. Event-Triggered Identification of Fir Systems with Binary-Valued Output Observations // Automatica. 2018. vol. 98. pp. 95–102.
  30. Law A.M. Simulation Modeling and Analysis: Fifth edition // McGraw-Hill Education. 2015. 804 p.
  31. Zeigler B.P., Muzy A., Kofman E. Theory of Modeling and Simulation Discrete Event and Iterative System Computational Foundations // Academic Press. 2019. 667 p.
  32. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 1. 8-изд. // М.: Физматлит. 2003. 680 с.
  33. Дворкович В.П., Дворкович А.В. Оконные функции для гармонического анализа сигналов. Изд. 2-е. // М.: Техносфера. 2016. 208 с.
  34. Prabhu K.M.M. Window Functions and Their Applications in Signal Processing // CRC Press, Taylor and Francis Group. 2014. 382 p.
  35. Poularikas A.D. The Handbook of Formulas and Tables for Signal Processing // CRC Press, IEEE Press. 1999. 838 p.
  36. Allen R.L., Mills D.W. Signal Analysis: Time, Frequency, Scale, and Structure // Wiley-IEEE Press. 2004. 937 p.
  37. Yakimov V.N., Zaberzhinskij B.E., Mashkov A.V. Bukanova Yu.V. Multi-threaded Approach to Software High-speed Algorithms for Spectral Analysis of Multi-component Signals // Proceedings of IEEE XXI International Conference on Complex Systems: Control and Modeling Problems (CSCMP). 2019. pp. 698–701.
  38. Yakimov V.N., Gorbachev O.V. Firmware of the Amplitude Spectrum Evaluating System for Multicomponent Processes // Instruments and Experimental Techniques. 2013. vol. 56. no. 5. pp. 540–545.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».