Спосіб ідентифікації за порядковими статистиками спектрів аналітичних сигналів

Реферат: Винахід належить до техніки спектральної ідентифікації гідроакустичних, сейсмічних, ультразвукових, біомедичних сигналів та джерел мовних сигналів (дикторів) у системах розвідки, моніторингу, контролю та охорони. В основу винаходу закладено перевірку статистичних критеріїв згоди статистичних характеристик розподілів амплітуд спектрів сигналу у всьому динамічному діапазоні амплітуд і частот спектра сигналу, що ідентифікується, порядкових статистик спектрів комплексних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності, що досліджуються, з відповідними статистичними характеристиками розподілів амплітуд спектрів еталонних (зразкових, типових) сигналів бази даних - порядкових статистик спектрів комплексних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є підвищення ефективності спектральної ідентифікації сигналів. UA 112813 C2 (12) UA 112813 C2 UA 112813 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до техніки спектральної ідентифікації гідроакустичних, сейсмічних, ультразвукових, біомедичних сигналів та джерел мовних сигналів (дикторів) у системах розвідки, моніторингу, контролю та охорони [1, 2]. Ідентифікація сигналів (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових) в системах спектральної ідентифікації робиться шляхом перевірки статистичних критеріїв згоди (наприклад Колмогорова) статистичних характеристик розподілів значень амплітуд спектра сигналу у всьому динамічному діапазоні амплітуд і частот спектра сигналу, що ідентифікується, з відповідними статистичними характеристиками розподілів значень амплітуд спектрів еталонних (зразкових, типових) сигналів бази даних [2, 3]. Найближчим за технічною суттю виконуваних операцій перетворення сигналів і визначення статистичних характеристик амплітуд спектра сигналу, що ідентифікується, є спосіб-прототип, в якому в заданій послідовності виконують взаємопов'язані операції перетворення сигналу: здійснюють низькочастотну фільтрацію сигналу в смузі частот аналізу; виконують розділення сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості; формують на кожному сегменті аналізу значення дискретних часових відліків сигналу шляхом застосування стандартного аналоговоцифрового перетворення; формують на кожному сегменті аналізу дискретні відліки спектральної щільності потужності сигналу шляхом застосування стандартного дискретного перетворення Фур'є до відліків сигналу на всіх сегментах; для кожної частоти дискретного спектра Фур'є виконують формування порядкових статистик (децилів, процентилів); зіставляють отримані порядкові статистики за відомими критеріями згоди, наприклад Колмогорова, з відповідними порядковими статистиками спектрів еталонних реалізацій сигналів бази даних [4]. Основною причиною зниження ефективності відомих систем, що реалізують способи спектральної ідентифікації сигналів (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових) є те, що ці сигнали є стохастичними, нестаціонарними процесами зі змінною дисперсією (потужністю) та складною формою амплітудної модуляції, що істотно ускладнює нормування значень дискретних відліків сигналів по всіх сегментах аналізу за потужністю у часі. В результаті цього функції щільності розподілу ймовірностей значень дискретних відліків сигналу та відліків щільності потужності спектрів є негаусовськими та багатомодальними, через що знижується ймовірність правильної ідентифікації та зростає ймовірність прийняття хибного рішення [2, 3]. В основу винаходу "Спосіб ідентифікації за порядковими статистиками спектрів аналітичних сигналів" поставлено задачу підвищення ефективності відомих систем спектральної ідентифікації сигналів (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових) шляхом зіставлення порядкових статистик спектрів сигналу, що досліджується та порядкових статистик спектрів еталонних сигналів бази даних за рахунок перетворення сигналів, що ідентифікуються, в комплексні аналітичні сигнали постійної потужності у часі незалежно від амплітудної модуляції. Рішення поставленого завдання досягається тим, що в заданій способом-прототипом послідовності перетворення сигналу: виконують низькочастотну фільтрацію сигналу в смузі частот аналізу; розділяють сигнал на сегменти аналізу однакової тривалості 10…30 мс; формують на кожному сегменті аналізу значення дискретних часових відліків сигналу шляхом застосування стандартного 9…12-бітового аналого-цифрового перетворення з частотою дискретизації 6…20 кГц на кожному сегменті аналізу і виконують видалення пауз; перетворюють сигнал, що досліджується, у перший комплексний аналітичний сигнал шляхом застосування стандартного дискретного перетворення Гілберта; формують послідовність значень відліків безперервної повної фази першого аналітичного сигналу, наприклад, шляхом логарифмічного перетворення відліків першого аналітичного сигналу; виконують корегування значень відліків безперервної повної фази першого аналітичного сигналу для зменшення діапазону розкиду цих значень від лінійного тренда; за відліками значень корегованої повної фази формують другий комплексний аналітичний сигнал з постійним значенням потужності сигналу, наприклад, шляхом експоненційного перетворення значень відліків повної фази після корегування; формують на кожному сегменті аналізу другого аналітичного сигналу дискретні відліки поточної спектральної щільності потужності сигналу шляхом застосування стандартного дискретного перетворення Фур'є до відліків другого аналітичного сигналу; для кожної частоти поточної спектральної щільності потужності другого аналітичного сигналу формують порядкові статистики по всіх сегментах відліків поточної спектральної щільності потужності; зіставляють отримані порядкові статистики спектрів аналітичних сигналів з постійним значенням потужності за відомими критеріями згоди, наприклад Колмогорова, з відповідними порядковими статистиками спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних. 1 UA 112813 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 1 наведено структурну схему пристрою спектральної ідентифікації аналітичних сигналів постійної потужності (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових) шляхом зіставлення порядкових статистик спектрів аналітичного сигналу з постійним значенням потужності, що ідентифікується, з відповідними порядковими статистиками спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних, який реалізує об'єкт, що заявляється - Спосіб ідентифікації за порядковими статистиками спектрів аналітичних сигналів, де позначено: 1 - блок низькочастотної фільтрації сигналу в смузі частот аналізу; 2 - блок сегментації сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості, узгодженої з інтервалом кореляції сигналу; 3 - блок аналого-цифрового перетворення сигналу і видалення пауз; 4 - блок формування першого аналітичного сигналу; 5 - блок формування послідовності значень відліків безперервної повної фази першого аналітичного сигналу і корегування цих значень; 6 - блок формування другого аналітичного сигналу з постійним значенням потужності за відліками значень корегованої повної фази; 7 - блок стандартного дискретного перетворення Фур'є відліків другого аналітичного сигналу з постійним значенням потужності сигналу; 8 - блок формування порядкових статистик спектрів (децилів, процентилів) за всіма сегментами відліків поточної спектральної щільності потужності для кожної частоти спектра другого аналітичного сигналу; 9 - блок статистичного зіставлення порядкових статистик спектрів аналітичного сигналу з постійним значенням потужності, що досліджується і відповідних порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних; 10 - блок порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних; 11 - блок спектральної ідентифікації сигналу за наслідками статистичного зіставлення відповідних порядкових статистик спектрів аналітичного сигналу постійної потужності, що досліджується, і порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів постійної потужності сигналів бази даних на основі відомого критерію згоди Колмогорова. Вихід блока 1 низькочастотної фільтрації сигналу в смузі частот аналізу, вхід якого є входом пристрою, через послідовно з'єднані блок 2 сегментації сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості, узгодженої з інтервалом кореляції сигналу; блок 3 аналогово-цифрового перетворення з частотою дискретизації за часом, узгодженою зі смугою частот аналізу спектра, та кроком квантування за рівнем, узгодженим з динамічним діапазоном амплітуд сигналу на кожному сегменті аналізу і видалення пауз у сигналі; блок 4 формування першого аналітичного сигналу; блок 5 формування послідовності значень відліків безперервної повної фазі першого аналітичного сигналу і корегування цих значень; блок 6 формування другого аналітичного сигналу з постійним значенням потужності сигналу за відліками значень корегованої повної фази; блок 7 стандартного дискретного перетворення Фур'є відліків другого аналітичного сигналу з постійним значенням потужності сигналу; блок 8 формування порядкових статистик спектрів за всіма сегментами відліків поточної спектральної щільності потужності для кожної частоти спектра другого аналітичного сигналу, підключений до першого входу блока 9 статистичного зіставлення порядкових статистик спектрів аналітичного сигналу з постійним значенням потужності, що досліджується (ідентифікується), і відповідних порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних, до другого входу якого підключений вихід блоку 10 порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних, а вихід підключений до входу блока 11 спектральної ідентифікації сигналу за наслідками статистичного зіставлення порядкових статистик спектрів на основі критерію згоди Колмогорова, вихід якого є виходом пристрою ідентифікації сигналів (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових) за порядковими статистиками спектрів аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів в цілому. З виходу блока 1 низькочастотної фільтрації в смузі частот аналізу сигнал надходить на вхід блока 2 розділення сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості, узгодженої з інтервалом кореляції сигналу, з виходу блока 2 сигнал по сегментах подається на блок 3 аналогоцифрового перетворення і видалення пауз у сигналі цифровим детектором активності, з виходу блока 3 сигнал без пауз у цифровому форматі, дискретизований за часом із частотою, узгодженою зі смугою частот аналізу спектра, та квантований за рівнем, узгодженим з динамічним діапазоном амплітуд сигналу на кожному сегменті аналізу подається на вхід блока 4 2 UA 112813 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 формування першого аналітичного сигналу шляхом застосування перетворення сигналу за Гілбертом за всіма сегментами аналізу сигналу, з виходу блока 4 перший аналітичний сигнал надходить до входу блока 5 формування послідовності значень відліків безперервної повної фазі першого аналітичного сигналу і корегування цих значень, з виходу блока 5 послідовність скорегованих значень відліків безперервної повної фазі першого аналітичного сигналу за всіма сегментами аналізу подається на вхід блока 6 формування другого аналітичного сигналу з постійним значенням потужності сигналу за всіма відліками значень корегованої повної фази, з виходу блока 6 відновлений сигнал з постійним значенням потужності сигналу у смузі частот аналізу подається на вхід блока 7 стандартного дискретного перетворення Фур'є відліків другого аналітичного сигналу з постійним значенням потужності сигналу за всіма сегментами аналізу, з виходу блока 7 сформовані значення дискретних відліків поточної спектральної щільності потужності другого аналітичного сигналу по сегментах аналізу подаються на вхід блока 8 формування порядкових статистик спектрів за всіма сегментами відліків поточної спектральної щільності потужності для кожної частоти спектра другого аналітичного сигналу, що досліджується, наприклад, шляхом побудови варіаційного ряду всіх значень спектрів по сегментах аналізу другого аналітичного сигналу. Впорядковані порядкові статистики спектрів з виходу блоку 8 подаються на перший вхід блоку 9 статистичного зіставлення порядкових статистик спектрів аналітичного сигналу з постійним значенням потужності сигналу, що досліджується, і відповідних порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних, що надходять на його другий вхід з виходу блока 10 порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних. Вихідний сигнал з блока 9 у вигляді різниць між відповідними порядковими статистиками спектрів аналітичного сигналу, що досліджується і порядковими статистиками спектрів еталонних аналітичних сигналів бази даних подається на вхід блока 11 спектральної ідентифікації аналітичного сигналу шляхом статистичного аналізу різниць між відповідними порядковими статистиками спектрів на основі відомого критерію згоди Колмогорова. Вихід блока 11 є виходом пристрою ідентифікації сигналів за порядковими статистиками спектрів аналітичних сигналів з постійним значенням потужності. На фіг. 2 наведено порядкові статистики спектрів аналітичного сигналу № 1 на прикладі аналітичного мовного сигналу з постійним значенням потужності, джерело якого ідентифікується, на фіг. 3 наведено порядкові статистики спектрів еталонного аналітичного сигналу № 2 на прикладі аналітичного мовного сигналу з постійним значенням потужності сигналу бази даних, на фіг. 4 наведено порядкові статистики спектрів аналітичного сигналу № 3 на прикладі аналітичного мовного сигналу з постійним значенням потужності сигналу бази даних. За результатом статистичного аналізу різниць між порядковими статистиками спектрів аналітичного мовного сигналу, що досліджується (ідентифікується) і порядкових статистик спектрів еталонних аналітичних сигналів бази даних визначено, що мовний сигнал № 1, що ідентифікується, є ідентичним до сигналу достовірно встановленого джерела сигналу № 3. У зв'язку з тим, що порядкові статистики поточних спектрів аналітичних сигналів з постійним значенням потужності (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових) розподіляються за асимптотично нормальним законом незалежно від негаусовського характеру багатовимірних функцій розподілу вибіркових значень спектрів сигналів, що досліджуються, істотно підвищується ефективність застосування критерію згоди Колмогорова, орієнтованого на статистичну ідентифікацію нормально розподілених випадкових величин. Суттєвою перевагою способу ідентифікації за порядковими статистиками спектрів аналітичних сигналів є приведення значення потужності сигналу (дисперсії) до постійного рівня. Це виключає необхідність проведення додаткового досить складного нормування значень амплітуд спектра сигналу у всьому динамічному діапазоні амплітуд і частот спектра сигналу. Таким чином, забезпечується суттєве усунення негативного впливу коливань потужностей сигналів, що зіставляються, на ефективність систем спектральної ідентифікації сигналів (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових). В той же час значно підкреслюються індивідуальні особливості порядкових статистик спектрів сигналів за рахунок зменшення коливань їх значень. Комплексне використання зазначених відмітних особливостей та пов'язаних з ними позитивних ефектів обумовлюють підвищення ефективності систем спектральної ідентифікації сигналів (мовних, гідроакустичних, біомедичних, сейсмічних, ультразвукових) шляхом зіставлення порядкових статистик поточних спектрів сигналу, що досліджується, з відповідними порядковими статистиками спектрів еталонних сигналів бази даних на основі відомих критеріїв згоди. Джерела інформації: 3 UA 112813 C2 5 10 1. Автоматическое распознавание и синтез речи: [зб. наук. роб. /научн. ред. Лобанов Б.]. Минск: Инст. техн. кибернетики НАН Беларуси, 2000. - 172 с. 2. Распознавание личности по голосу: аналитический обзор [Електронний ресурс] /В.Н. Сорокин, В.В. Вьюгин, А.А. Тананыкин //Электронный научный журнал ИППИ РАН - 2012. - № 1, том 12, С. 1-30. - Режим доступу до журн.: http://www.jip.ru/2012/1-30-2012.pdf. 3. Айфичер, Эммануил С., Джервис, Барри У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2004. - 992 с.: ил. - Парал. тит. англ. ISBN 5-8459-0710 (рус.) 4. Пат. 80587 Україна, МПК 2006 G10L 15/00, G10L 17/00. Спосіб спектральної ідентифікації мовного сигналу /Кузнецов М.В., Селетков В.Л.; заявники і власники патенту Кузнецов М.В., Селетков В.Л. - № а200505554; заявл. 10.06.05; опубл. 15.12.06, Бюл. № 12. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 Спосіб ідентифікації за порядковими статистиками спектрів аналітичних сигналів з постійним значенням потужності у заданій послідовності взаємопов'язаних операцій перетворення сигналу, який полягає в тому, що виконують низькочастотну фільтрацію сигналу в смузі частот аналізу, розділяють сигнал на сегменти аналізу однакової тривалості 10…30 мс, формують на кожному сегменті аналізу значення дискретних часових відліків сигналу шляхом застосування стандартного 9…12-бітового аналого-цифрового перетворення з частотою дискретизації 6…20 кГц і виконують видалення пауз, який відрізняється тим, що перетворюють сигнал, що досліджується, у перший комплексний аналітичний сигнал шляхом застосування стандартного дискретного перетворення Гілберта, формують послідовність значень відліків безперервної повної фази першого аналітичного сигналу шляхом логарифмічного перетворення відліків першого аналітичного сигналу, виконують корегування значень відліків безперервної повної фази першого аналітичного сигналу для зменшення діапазону розкиду цих значень від лінійного тренда, за відліками значень корегованої повної фази формують другий комплексний аналітичний сигнал з постійним значенням потужності сигналу шляхом експоненційного перетворення значень відліків повної фази після корегування, формують на кожному сегменті аналізу другого аналітичного сигналу дискретні відліки поточної спектральної щільності потужності сигналу шляхом застосування стандартного дискретного перетворення Фур'є до відліків другого аналітичного сигналу, для кожної частоти поточної спектральної щільності потужності другого аналітичного сигналу формують порядкові статистики (децилі, процентилі) за всіма сегментами відліків поточної спектральної щільності потужності, зіставляють отримані порядкові статистики спектрів аналітичних сигналів з постійним значенням потужності за відомими критеріями згоди, наприклад Колмогорова, з відповідними порядковими статистиками спектрів еталонних аналітичних сигналів з постійним значенням потужності сигналів бази даних. 4 UA 112813 C2 5 UA 112813 C2 6 UA 112813 C2 7 UA 112813 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8