時頻面滑窗掩膜的多分量信號高效重構算法

粟 嘉陶海紅 饒 烜 謝 堅

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 西安 710071)

時頻面滑窗掩膜的多分量信號高效重構算法

粟 嘉*陶海紅 饒 烜 謝 堅

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 西安 710071)

針對基于特征值分解的Wigner-Ville分布信號重構算法運算復雜度高這一問題，該文提出一種高效多分量信號重構算法。首先，通過分析Wigner-Ville逆變換公式，推導出瞬時時刻重構序列與原序列之間的聯系，提出一種高效的信號重構算法。然后，采用平滑偽Wigner-Ville分布作為時頻掩膜抑制Wigner-Ville分布的交叉項，并通過在時頻面內滑窗的方法逐一提取各分量信號。最后，結合高效信號重構算法和時頻面滑窗掩膜技術，實現多分量信號快速準確重構。仿真實驗證明了該算法的有效性和可行性。

信號處理；信號重構；Wigner-Ville分布；時頻掩膜；多分量信號

1 引言

在雷達、通信和聲吶等工程應用中，接收到的信號由來自不同發射源的信號、雜波及噪聲組成，而這些多分量信號往往在時域或是在頻域都是交疊的[1,2]。為了檢測、識別各個信號的分量，需要對接收的信號進行有效地分析。在實際工程應用中，多分量信號往往是時變的，因此時頻分析成為了一種有效的分析工具[3?5]。最常用的時頻分析工具是短時傅里葉變換(Short-Time Fourier Transform, STFT)，但該方法無法同時兼顧信號的時域和頻域分辨力。而Wigner-Ville分布(Wigner-Ville Distribution,WVD)以其良好的時頻聚集性在雷達、聲吶等領域得到了廣泛的應用；但對時變的多分量信號處理時會產生交叉項，嚴重干擾真實信號的特征，阻礙信號的分析和各分量信號的提取[6,7]。此外，在一些應用場合，例如目標與雜波的分離、微動特征的提取等，僅僅檢測和識別各分量的時頻信息是不夠的，還需要精確重構出各分量信號[8?15]。

多分量信號的重構方法大致可以分為兩大類：參數化方法和非參數化方法。參數化方法通常通過最小均方(Least Mean Square, LMS)準則、最大似然(Maximum Likelihood, ML)準則以及自適應投影等方法逐個估計各信號分量的頻率、相位和幅度等參數，從而實現各分量信號的重構[8?11]。在實際的信號模型與假設的模型匹配且模型參數精確估計條件下，參數化方法理論上是最優的。但是在實際情況中，信號的數學建模比較復雜，模型不匹配或者參數估計存在誤差時都會導致信號重構不準確，并且參數化方法需要高維參數搜索，計算復雜度高。另一類方法是非參數化方法，其基本思想是尋找一信號，使其時頻分布在最小二乘意義下逼近給定的時頻模型[12?15]。文獻[13]給出了一種S-Method (SM)，該方法結合了短時傅里葉變換線性特性和WVD高時頻分辨率的優點，在保持良好時頻分辨率基礎上，能夠有效地消除交叉項的影響?；赟M信號重構算法是利用多分量信號的SM時頻分布等于各自分量WVD之和這一特性，采用特征值分解方法依次實現各分量信號的重構。但該重構算法計算復雜度高，并且當參數L選取不當時，信號能量會分散到多個特征值上，從而造成重構信號的能量損失。文獻[14]提出一種基于WVD時頻遮隔的信號分解算法，采用其它無交叉項或交叉項較小的時頻分布作為掩膜，通過設置閾值的方法構建時頻支撐區域，并對時頻遮隔后的逆WVD進行特征值分解，實現多分量信號的重構。該方法在計算自相關矩陣時，需要對WVD進行近似插值，且矩陣中的元素需逐一計算，計算復雜度高制約了其在實際中的應用。文獻[15]采用STFT作為時頻掩膜來抑制WVD產生的交叉項，并在基于特征值分解的信號重構算法基礎上，提出了一種快速信號重構方法(Fast Signal Synthesis Method, FSSM)，該方法在計算矩陣自相關矩陣時，采用了快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)和矩陣重排技術，避免了矩陣元素的逐一計算，但該方法在重構信號時仍需要特征值分解操作，以致算法復雜度較高。針對以上問題，本文提出一種基于時頻面滑窗掩膜的多分量信號高效重構算法，利用重構序列與原序列的關系，實現單分量信號的快速準確地重構，考慮到重構算法本身的特點，采用平滑偽Wigner-Ville分布抑制WVD的交叉項，并結合時頻面滑窗掩膜方法逐一提取多分量WVD的自項，最終實現多分量信號的重構。

2 基于特征值分解的信號重構算法

N點離散序列x(n)的離散WVD可以表示為[14,15]

將n1=n+m和n2=n?m代入式(1)，則WVD的逆變換可以表示為

其中，n1,n2∈[1,N]是正整數，R(n1,n2)的矩陣形式可以表示為

其中，x是由序列元素構成的列向量，可表示為x =[x(1) x(2) x(3) … x(N )]T。對矩陣R進行特征值分解：

其中，λi, ui分別為矩陣R的特征值和特征向量。對比式(3)和式(4)可知矩陣R的秩為1，只有一個非零特征值，因此序列x表示為

式中，?為常數相位。由式(2)可知當(n1+n2)/2不為整數時，則需要通過插值操作得到WDx((n1+ n2)/2,k)，插值會引入誤差，導致重構的信號不精確，而矩陣R中的元素均需要逐一計算，且信號重構還需要進行特征值分解操作。FSSM在計算矩陣R時采用了FFT和矩陣重排技術，避免了矩陣元素的逐一計算，但信號重構仍需要進行特征值分解，導致信號重構算法計算復雜度高。

3 高效的多分量信號重構算法

其中，n∈[1,N], n'∈[1,2N]。序列f(n')由序列x(n)相鄰元素間補零構成。序列f(n')的WVD變換可表示為

為克服基于特征值分解的信號重構方法出現的問題，本文首先提出一種高效的單分量信號重構算法，然后采用基于時頻面滑窗掩膜方法，實現多分量信號準確快速重構。

3.1 高效信號重構算法

為避免傳統信號重構算法中的插值操作引入的誤差，首先構建一個新的序列f(n')：

其逆變換可以表示為

對比式(2)和式(9)可知，當n1+n2為奇數時，式(2)需對WDx進行插值操作，而式(9)無論n1+n2為奇數還是偶數，都可直接由WDf(n',k)直接得到x(n1)x*(n2)的值，避免了插值操作引入的誤差。

假設n1在區間[1,N]遍歷，c是[1,N]內選取的一個參考點，則式(9)可以改寫成

式(10)表明，序列x(n)可以由WDf(n,k)唯一重構，其幅度與原信號只相差x*(c)倍。將x(n1)x*(c)元素構成的序列記為序列x?,x?=[x(1)x*(c) x(2)x*(c)…x(c)x*(c) … x(N)x*(c )]T。假設x(c)=Aejθ，其中A, θ分別為x(c)的幅度和相位，則序列x?可以改寫成

再對序列兩邊乘以ej?得

其中，?是搜索相位，在(0,2π]范圍內變化。當?=θ時，序列x?與序列x相等，即

其中，相位搜索可采用能量最小準則：

3.2 基于時頻面滑窗的掩膜方法

將高效的信號重構方法推廣至多分量信號重構時，兩個方面因素制約了其在多分量信號重構中的應用：一方面多分量WVD不可避免地會產生交叉項，另一方面該方法只適用于單分量信號的重構。針對交叉項問題，可以采用閾值法構建時頻掩膜抑制交叉項[14,15]，由于平滑偽WVD能在一定程度抑制交叉項且時頻分辨率接近WVD，因此本文以平滑偽WVD作為掩膜。針對高效信號重構方法只適用于單分量信號重構問題，則要求在時頻掩膜后只保留單個分量的WVD。此時可以分兩種情況討論：情況1是當兩個信號能量差別比較大時，可以通過設置高門限的方法從弱分量中提取強信號分量；情況2是當兩個信號能量比較接近時，若仍采用高門限的方法，則難以實現各信號分量逐一提取。針對第2種情況，提出了基于時頻面滑窗的掩膜方法，該方法同樣適用于第1種情況。多分量信號時頻面滑窗掩膜及重構算法步驟為：

步驟1 根據式(6)構建新序列f(n')，其中n'∈[1,2N], N為雷達回波信號長度；

步驟 2 計算新信號f(n')的平滑偽Wigner-Ville分布WDSP(n,k)，并在時頻平面內搜索最大值，分別記錄最大值對應的頻率和時域位置k1, n1，以k1為中心在頻率上加上一個長度為L的窗，其中B/2＜L≤B, B為平滑偽WVD瞬時譜寬，頻率加窗如圖1(a)虛線所示，在窗內通過設置門限得到n1時刻的支撐區域MWDSP(n1,k)。

其中，門限值m可以定義為

式中，max(|WDSP(n1,k)|)為窗內|WDSP(n1,k)|的最大值，α為門限調節因子，0＜α＜1；

步驟3 將窗平行滑動到下一個時刻n2，如圖1(b)中虛線窗所示，在窗內搜索最大值并記錄對應的頻率位置k2，再以k2為中心重新構建一個長度為L窗(圖1(b)實線窗)，并計算n2時刻的支撐區域MWDSP(n2,k)。重復以上操作直到獲得每一時刻的時頻支撐域MWDSP(n,k)；

步驟4 計算f(n')的Wigner-Ville分布WD(n,k)，并與MWDSP(n,k)相乘，得到掩膜后的Wigner-Ville分布MWD：

步驟5 根據式(10)得到新序列x?中的全部元素，再根據式(12)～式(15)對序列進行歸一化和相位搜索處理，快速重構多分量中時頻能量最強的一個分量信號x1；

步驟6 將強分量信號x1從原始多分量信號中減去，得到剩余信號xr，將剩余信號重復以上步驟，直到時頻分布能量的最大值小于設定門限為止。

3.3 門限調節因子和窗長的選取

圖1 基于時頻面滑窗的動態門限設置方法

圖2 RMSE隨門限調節因子與窗長的變化關系

門限調節因子α和窗長L(頻點個數)選取會影響信號重構質量。當門限調節因子選取得過小或者窗選取得過長，掩膜后的WVD會包含大量的噪聲成分；反之，掩膜后的WVD會損失部分有用信號，這兩種情況均會造成信號重構精度下降。圖2(a)給出了均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)與門限調節因子的關系，當門限調節因子在0.05～0.40范圍內選取時，RMSE變化不大，當α超過0.4后信號重構質量急劇下降，由局部放大圖可知，門限調節因子取0.1時信號重構質量最佳。圖2(b)反映了RMSE與窗長的關系，隨著窗的增大，支撐域包含的有用信號也逐漸增多，信號的重構質量也逐漸提高；當窗長大于8后，支撐域包含的噪聲分量會隨著窗的增大而逐漸增多，影響信號的重構質量；當窗長為8時信號重構誤差最小。因此，本文中門限調節因子α取0.1，窗長L取8。

4 計算機仿真與性能分析

4.1 實驗1：無噪聲情況下信號重構分析

假設多分量信號x(n)由兩個分量x1(n)和x2(n)構成，即

其中

多分量信號的WVD及平滑偽WVD如圖3(a)、圖3(b)所示，由圖可以看出，WVD存在交叉項，但自項具有良好的時頻分辨率，而平滑偽WVD抑制了交叉項，但時頻分辨率低于WVD，因此以平滑偽WVD作為掩膜能夠實現自項提取和交叉項抑制的目的。圖3(c)給出了采用高門限值提取強信號分量方法的時頻支撐域，其中門限調節因子α=0.6，由圖可知強信號分量1和部分強分量2同時被提取，則重構的信號頻譜如圖3(d)所示，其中重構的信號為兩個分量信號之和，這將導致基于WVD的高效信號重構算法無法實現信號分離。而采用基于時頻面滑窗的掩膜方法，能夠逐一提取各信號分量，以分量1為例，其時頻支撐域及重構的時域信號如圖3(e)、圖3 (f)所示。在不存在噪聲時，重構的信號與原信號很好地吻合。

4.2 實驗2：噪聲背景下信號重構性能分析

假設混合信號由兩個時頻平面交叉的分量x1(n)和x2(n)組成：

圖3 基于時頻平面滑窗掩膜的多分量信號高效重構方法

圖4 多參考點與單一參考點比較

其中，混合信號的信噪比為(SNR)為0 dB。混合信號的WVD、分量1的時頻掩膜及采用單一參考點重構的信號時域圖如圖4(a)～圖4(c)所示。信號重構質量與參考點信號能量密切相關，由式(12)可知序列歸一化處理是以為基準，當參考點的重構信號能量等于實際信號能量時，則重構信號質量最佳，因此在不考慮噪聲的情況時，以時頻支撐域內任意有效時刻作為參考點均能準確地重構信號。但在噪聲環境中，以隨機的單一參考點重構的信號會隨噪聲的起伏偏大或偏小。因此，需采用多參考點平均的方法，分別計算M個有效參考點重構的信號序列并求其平均。

其中，xm(n)表示第m個參考點重構的信號序列。所求序列(n)更接近原始信號，如圖4(d)所示，其中參考點個數為20。圖4(e)給出了3種算法的比較，其中高效重構算法采用了時頻面滑窗掩膜方法構建時頻支撐域，而特征值分解和FSSM采用了閾值法構建時頻支撐域。由圖可以看出，有效參考點個數選取的越多、SNR越大，RMSE就越小，當SNR低于-2 dB時，單個參考點重構信號的質量受噪聲影響比較大，其RMSE要略大于其它兩種方法，但隨著SNR和有效參考點個數的增加，本文算法要優于其它兩種算法。表1給出了3種重構算法的計算復雜度分析。從表中可以看出，高效信號重構算法需要對補零后長度為2N的新序列f(n')進行Wigner-Ville變換，雖然該步驟會增加計算復雜度，但與N點Wigner-Ville變換的計算復雜度為同一量級。所提算法的優勢在于該算法避免了矩陣R的計算與特征值分解等操作(特征值分解重構算法的矩陣計算復雜度為N3量級，FSSM矩陣計算復雜度為N2log2N量級，兩種方法的特征值分解計算復雜度為N3量級)，只需要計算M個有效參考點重構的信號序列xm(n)并取其平均，其計算復雜度為MN2量級(M?N)。因此，高效信號重構算法能夠有效降低計算復雜度，并隨著序列長度N的增加，速度優勢會顯著提高。

表1 3種方法的計算復雜度

5 結束語

本文提出了一種基于時頻平面滑窗掩膜的多分量信號高效重構算法，采用時頻滑窗掩膜和快速的信號重構算法實現多分量信號的逐一提取與重構。仿真實驗表明本文提出算法能快速準確地實現多分量信號的重構。該算法能夠實現信號分析、參數估計及信號提取，并能夠推廣到信號與雜波和干擾分離及微動目標提取等方面。

[1] Stankovic L J. Multicomponent signal decomposition based on chirplet pursuit and genetic algorithms[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1994, 42(1): 225-229.

[2] Zheng J, Su T, Zhu W, et al.. ISAR imaging of targets with complex motions based on the keystone time-chirp rate distribution[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2014, 11(7): 1275-1279.

[3] Francos A and Porat M. Analysis and synthesis of multicomponent signals using positive time-frequency distributions[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1999, 47(2): 493-504.

[4] Chen G and Wang Z. A signal decomposition theorem with Hilbert transform and its application to narrowband time series with closely spaced frequency components[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2012, 28: 258-279.

[5] 盧振坤, 楊萃, 王金煒. 基于 Gabor 變換的超聲回波信號時頻估計[J]. 電子與信息學報, 2013, 35(3): 652-657. Lu Zhen-kun, Yang Cui, and Wang Jin-wei. Gabor transform based time-frequency estimation of ultrasonic echo signal[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2013, 35(3): 652-657.

[6] Zheng L, Shi D, and Zhang J. CAF-FrFT: a center-affinefilter with fractional Fourier transform to reduce the crossterms of Wigner distribution[J]. Signal Processing, 2014, 94: 330-338.

[7] Chen G, Chen J, and Dong G M. Chirplet Wigner-Ville distribution for time-frequency representation and its application[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2013, 41(1): 1-13.

[8] Trintinalia L C and Ling H. Joint time-frequency ISAR using adaptive processing[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, 45(2): 221-227.

[9] Trintinalia L C, Bhalla R, and Ling H. Scattering center parameterization of wide-angle backscattered data usingadaptive Gaussian representation[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, 45(11): 1664-1668.

[10] Francos A and Porat M. Parametric estimation of multicomponent signals using minimum cross entropy timefrequency distributions[C]. Proceedings of the IEEE-SP International Symposium on Time-Frequency and Time-Scale Analysis, Paris, France, 1996: 321-324.

[11] Zanjireh Y, Rezaie A H, and Amindavar H. Multi component signal decomposition based on chirplet pursuit and genetic algorithms[J]. Applied Acoustics, 2013, 74(12): 1333-1342.

[12] Hlawatsch F and Krattenthaler W. Bilinear signal synthesis[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1992, 40(2): 352-363.

[13] Stankovic L J, Thayaparan T, and Dakovic M. Signal decomposition by using the S-method with application to the analysis of HF radar signals in sea-clutter[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2006, 54(11): 4322-4342.

[

[15] Zuo L, Li M, Zhang X, et al.. An efficient method for detecting slow-moving weak targets in sea clutter based on time-frequency iteration decomposition[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013, 51(6): 3659-3672.

粟 嘉： 男，1985年生，博士生，研究方向為信號處理、時頻分析、動目標檢測.

陶海紅： 女，1976年生，博士，博士生導師，教授，研究方向為雷達信號處理、陣列信號處理、動目標檢測.

饒 烜： 男，1977年生，博士生，研究方向為動目標檢測、目標跟蹤.

An Efficient Multi-component Signals Reconstruction Algorithm Using Masking Technique Based on Sliding Window in Time-frequency Plane

Su Jia Tao Hai-hong Rao xuan Xie Jian
(National Laboratory of Radar Signal Processing, Xidian University, Xi'an 710071, China)

Due to the huge computation for eigenvalue decomposition based signal synthesis method, an efficient multi-component signals reconstruction algorithm is presented in this paper. Firstly, by analyzing the inverse transformation for Wigner-Ville distribution, a fast signal reconstruction is developed using the inherent relationship between original signal and synthesized signal. Then, the smoothed pseudo Wigner-Ville distribution is used as a time-frequency masking to suppress the cross-terms, and the sliding window method in time-frequency plane is adopted to extract signals one by one. Finally, by combining the signal synthesis algorithm and the sliding window masking method, multi-component signals reconstruction can be realized efficiently and accurately. Simulation results demonstrate the effectiveness and feasibility of the proposed algorithm.

Signal processing; Signal reconstruction; Wigner-Ville distribution; Time-frequency masking; Multicomponent signal

TN911.7

： A

：1009-5896(2015)04-0804-07

10.11999/JEIT140511

2014-04-22收到，2014-08-04改回

國家973計劃項目(2011CB707001)，國家自然科學基金(60971108)，航空基金和西安電子科技大學基本科研業務費(BDY061428)資助課題

*通信作者：粟嘉 Jiasu1011@126.com