Исследование нелинейной цифровой фильтрации сигналов с использованием генеративно-состязательной нейронной сети

Автор: Цибулис Дмитрий Эдуардович, Рагозин Андрей Николаевич, Даровских Станислав Никифорович, Кулганатов Аскар Зайдакбаевич

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника @vestnik-susu-ctcr

Рубрика: Краткие сообщения

Статья в выпуске: 2 т.22, 2022 года.

Бесплатный доступ

В статье приведены результаты исследования, а также структурные схемы и параметры составляющих генеративно-состязательной нейронной сети. Приведены графические изображения результатов фильтрации радиотехнических сигналов. Сделаны выводы о возможностях применения данных нейронных сетей. Цель исследования: обоснование возможностей использования генеративносостязательных искусственных нейронных сетей для решения задач цифровой обработки радиотехнических сигналов. Материалы и методы. Для оценки результатов цифровой фильтрации зашумленных сигналов использовался метод математического моделирования в среде MATLAB. В качестве тестовых сигналов были взяты: синусоида, сигнал в виде суммы синусоид, модель реального радиотехнического информационного сигнала. В качестве шумовой составляющей используется белый гауссовский шум. Также проводится фильтрация сигнала, в котором отсутствует фрагмент определенной длинны. Была сгенерирована обучающая выборка для нейронной сети генератора, состоящая из зашумленных тестовых сигналов. Была также сгенерирована обучающая выборка нейронной сети дискриминатора, состоящая из тестовых сигналов, не содержащих шума. Результаты. На основе проведенного моделирования сделан вывод о том, что генеративно-состязательная нейронная сеть успешно решает задачи выделения полезного сигнала в смеси его с шумом различной физической природы. Такая нейросетевая структура способна также восстановить полезный сигнал, если в нем отсутствует какая-либо часть в результате воздействия внешних помех. Заключение. Существующие методы цифровой фильтрации радиотехнических сигналов требуют определенных трудовых и временных затрат, связанных с расчетом цифровых фильтров. Также при проектировании фильтров высоких порядков возникает сложность при проведении расчета данных фильтров. Идея использования нейронной сети в задачах фильтрации позволяет значительно уменьшить время проектирования фильтра, упростив, таким образом, процесс его реализации. Нейронная сеть, являющаяся самообучаемой системой, может находить решения, недоступные для обычных алгоритмов цифровой фильтрации. Результаты данной работы могут найти свое применение в области цифровой обработки сигналов и в развитии программно-конфигурируемого радио.

Еще

Генеративно-состязательная сеть, генератор, дискриминатор, цифровой фильтр, информационный сигнал, радиотехнический сигнал

Короткий адрес: https://sciup.org/147237449

IDR: 147237449   |   УДК: 004

Study of nonlinear digital filtering of signals using generative competitive neural network

The article presents the results of the study, as well as the structural schemes and parameters of the components of the generative-adversarial neural network. Graphical images of the results of filtering radio signals are given. Conclusions are drawn about the possibilities of using these neural networks. The purpose of the study. Substantiation of the possibilities of using generative-sensory artificial neural networks to solve problems of digital processing of radio signals. Materials and methods. To evaluate the results of digital filtering of noisy signals, the method of mathematical modeling in the Matlab environment was used. As test signals, the following were taken: a sine wave, a signal in the form of a sum of sinusoids, a model of a real radio-technical information signal. White Gaussian noise is used as the noise component. Also, filtering of the signal is carried out, in which there is no fragment of a certain length. A training sample was generated for the neural network of the generator, consisting of noisy test signals. A training sample of the discriminator neural network was also generated, consisting of test signals that do not contain noise. Results. Based on the simulation, it is concluded that the generative-adversarial neural network successfully solves the problems of isolating a useful signal in a mixture of it with noise of various physical nature. Such a neural network structure is also able to restore a useful signal if any part of it is missing as a result of external interference. Conclusion. The existing methods of digital filtering of radio signals require certain labor and time costs associated with the calculation of digital filters. Also, when designing high-order filters, it becomes difficult to calculate these filters. The idea of using a neural network in filtering tasks makes it possible to significantly reduce the filter design time, thus simplifying the process of its implementation. A neural network, which is a self-learning system, can find solutions that are inaccessible to conventional digital filtering algorithms. The results of this work can find their application in the field of digital signal processing and in the development of software-configurable radio.

Еще

Список литературы Исследование нелинейной цифровой фильтрации сигналов с использованием генеративно-состязательной нейронной сети

  • Цибулис Д.Э., Рагозин А.Н., Даровских С.Н. Исследование цифровой фильтрации информационного сигнала с использованием искусственной нейронной сети автокодировщика // Инфо-коммуникационные технологии: актуальные вопросы цифровой экономики: сб. науч. тр. II Меж-дунар. науч.-практ. конф., Екатеринбург, 26-27 января 2022 года / под ред. В.П. Шувалова., сост. М.П. Карачарова. 2022. С. 144-149. EDN MNBGOL.
  • Цибулис Д.Э., Рагозин А.Н. Анализ информационных сигналов с использованием генеративно-состязательных нейронных сетей // Безопасность информационного пространства: сб. тр. XIX Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Екатеринбург, 08-11 декабря 2020 года. 2021. С. 40-44. EDN BCYSYJ.
  • Гудфеллоу Я., Бенджио И., Курвилль А. Глубокое обучение / пер. с англ. А. А. Слинкина. 2-е изд., испр. М.: ДМК Пресс, 2018. 652 с.
  • Зеленский А.А., Письменскова М.Н., Воронин В.В. Алгоритм поиска изображений в виде хэш-функций на основе глубинных нейросетевых технологий // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2018. Т. 21, № 3. С. 57-62.
  • Акинина А.Н., Никифоров М.Б. Алгоритм детектирования несанкционированных свалок мусора на основе анализа данных дистанционного зондирования Земли // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 10. С. 321-329.
  • Анализ методов многомодального объединения информации для аудиовизуального распознавания речи / Д.В. Иванько, И.С. Кипяткова, А.Л. Ронжин, А.А. Карпов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16, № 3. С. 387-401.
  • Детектирование неизвестных звуков для людей с нарушенным слухом на основе вариационного автоэнкодера / А.Х. Сарафасланян, В.В. Чепраков, Д.А. Суворов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2019. № 1 (124). С. 35-49.
  • Generative Adversarial Networks / I. Goodfellow, J. Pouget-Abadie, M. Mirza et al. Department of Computer Science and Research, University of Montreal. Montreal. QC H3C 3J7.
  • Arjovsky M., Chintala S., Bottou L. Wasserstein GAN. 06.12.2017. [Электронный ресурс]. URL: https://arxiv.org/pdf/1701.07875.pdf.
  • 10 Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks / Jun-Yan Zhu, Taesung Park, Phillip Isola, Alexei A. Efros. University of California at Berkeley, in ICCV, 2017. URL: https: //j unyanz .github.io/CycleGAN/.
  • Hesse C. Image-to-Image Demo. Interactive Image Translation with pix2pix-tensorflow. 2017. [Электронный ресурс]. URL: http://www.newart.ru/htm/flash/risovalka_90.php.
  • Татузов А.Л. Нейронные сети в задачах радиолокации. Кн. 28. М.: Радиотехника, 2009. 432 с. (Научная серия «Нейрокомпьютеры и их применение»).
  • Аксенов С.В., Новосельцев В.Б. Организация и использование нейронных сетей (методы и технологии) / под общ. ред. В.Б. Новосельцева. Томск: Изд-во НТЛ, 2006. 128 с.
  • Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / пер. с польск. И.Д. Рудинского. 2-е изд., стереотип. М.: Горячая линия -Телеком, 2013. 384 с.:
  • Фокин Г.А. Технологии программно-конфигурируемого радио: учеб. пособие для вузов. М.: Горячая линия - Телеком, 2019. - 316 с.
Еще