cyclo detect
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8/2/2019 Cyclo Detect
1/5
A C y c l o s t a t i o n a r y F e a t u r e D e t e c t o r
S c o t t E n s e r i n k D o u g l a s C o c h r a n
T e l e c o m m u n i c a t i o n s R e s e a r c h C e n t e r D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g
A r i z o n a S t a t e U n i v e r s i t y A r i z o n a S t a t e U n i v e r s i t y
T e m p e , A Z 8 5 2 8 7 - 7 2 0 6 T e m p e , A Z 8 5 2 8 7 - 7 2 0 6
A b s t r a c t
C y c l o s t a t i o n a r y m o d e l s f o r c o m m u n i c a t i o n s s i g n a l s
h a v e b e e n s h o w n i n r e c e n t y e a r s t o o e r m a n y a d v a n -
t a g e s o v e r s t a t i o n a r y m o d e l s . S t a t i o n a r y m o d e l s a r e
a d e q u a t e i n m a n y s i t u a t i o n s , b u t t h e y c a u s e i m p o r t a n t
f e a t u r e s o f t h e s i g n a l t o b e o v e r l o o k e d . O n e s u c h i m -
p o r t a n t f e a t u r e i s t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n s p e c t r a l c o m -
p o n e n t s t h a t m a n y s i g n a l s e x h i b i t . C y c l o s t a t i o n a r y
m o d e l s a l l o w t h i s s p e c t r a l c o r r e l a t i o n t o b e e x p l o i t e d .
T h i s p a p e r p r e s e n t s a s i g n a l d e t e c t o r t h a t e x p l o i t s
s p e c t r a l c o r r e l a t i o n t o d e t e r m i n e t h e p r e s e n c e o r a b -
s e n c e o f a c y c l o s t a t i o n a r y s i g n a l i n n o i s e . T h e d e -
t e c t o r ' s p r o b a b i l i t y o f f a l s e a l a r m i s a n a l y t i c a l l y d e -
r i v e d . C o m p u t e r s i m u l a t i o n s v e r i f y t h a t t h e a n a l y t i c a l
d e r i v a t i o n i s c o r r e c t . T h e d e t e c t o r ' s r e c e i v e r o p e r a t i n g
c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s a r e d e t e r m i n e d f r o m t h e s i m u l a -
t i o n d a t a a n d t h e a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n f o r t h e p r o b a -
b i l i t y o f f a l s e a l a r m .
1 I n t r o d u c t i o n
W i t h i n t h e p a s t f e w y e a r s , n u m e r o u s p r o c e s s i n g
t e c h n i q u e s t h a t e x p l o i t c y c l o s t a t i o n a r y f e a t u r e s o f s i g -
n a l s h a v e b e e n i n t r o d u c e d . A m o n g t h e r e c e n t d e v e l -
o p m e n t s i n t h i s a r e a i s a s i m p l e s i n g l e - c y c l e d e t e c t o r
f o r c y c l o s t a t i o n a r y s i g n a l s p r o p o s e d b y G a r d n e r 1 ] .
T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a m o d i e d v e r s i o n o f G a r d n e r ' s
s i n g l e - c y c l e d e t e c t o r i n w h i c h m a g n i t u d e - s q u a r e d c o -
h e r e n c e ( M S C ) e s t i m a t i o n i s u s e d a s a m e a s u r e o f t h e
s p e c t r a l c o r r e l a t i o n i n a s i g n a l . W h e n n o s p e c t r a l c o r -
r e l a t i o n ( a n d h e n c e n o c y c l o s t a t i o n a r y c o m p o n e n t ) i s
p r e s e n t a t a p a r t i c u l a r f r e q u e n c y a n d c y c l i c r a t e , t h e
T o a p p e a r i n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 4 A s i l o m a r C o n f e r -
e n c e o n S i g n a l s , S y s t e m s , a n d C o m p u t e r s . T h i s w o r k w a s
s u p p o r t e d i n p a r t b y M o t o r o l a I n c . u n d e r t h e U n i v e r s i t y P a r t -
n e r s h i p s i n R e s e a r c h P r o g r a m a n d i n p a r t b y t h e U . S . A i r
F o r c e u n d e r g r a n t n u m b e r F 4 4 9 6 2 0 - 9 3 - 1 - 0 0 5 1 . T h e s u p p o r t o f
a n A r m e d F o r c e s C o m m u n i c a t i o n s a n d E l e c t r o n i c s A s s o c i a t i o n
P o s t - G r a d u a t e f e l l o w s h i p i s a l s o g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e d .
d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n o f t h e M S C e s t i m a t e u s e d i n t h e
d e t e c t o r c a n b e d e t e r m i n e d a n a l y t i c a l l y . T h e r e f o r e ,
t h e b e h a v i o r o f t h i s d e t e c t o r i n a n o i s e - o n l y ( H
0
) e n -
v i r o n m e n t c a n b e d e t e r m i n e d a n d d e t e c t i o n t h r e s h o l d
v a l u e s c o r r e s p o n d i n g t o d e s i r e d f a l s e a l a r m p r o b a b i l -
i t i e s c a n b e c o m p u t e d . C o m p u t e r s i m u l a t i o n s w e r e
p e r f o r m e d t o 1 ) v e r i f y t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s a n d t o
2 ) d e t e r m i n e t h e r e c e i v e r o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f
t h e d e t e c t o r .
2 M a t h e m a t i c a l P r e l i m i n a r i e s
T h e p u r p o s e o f t h i s p r e l i m i n a r y s e c t i o n i s t o i n -
t r o d u c e n o t a t i o n a n d t e r m i n o l o g y t h a t w i l l b e u s e d
t h r o u g h o u t t h e r e m a i n i n g s e c t i o n s o f t h i s a r t i c l e . T h e
m a t h e m a t i c a l d e v e l o p m e n t f o r c y c l o s t a t i o n a r y a n a l y -
s i s s e t f o r t h i n t h i s s e c t i o n i s b a s e d o n G a r d n e r ' s w o r k ,
f u r t h e r d e s c r i p t i o n s o f w h i c h c a n b e f o u n d i n 2 ] .
A s t o c h a s t i c p r o c e s s i s s a i d t o b e w i d e - s e n s e c y c l o -
s t a t i o n a r y i f t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s h o l d f o r t h e m e a n ,
m
X
, a n d t h e a u t o c o r r e l a t i o n f u n c t i o n , R
X
, o f X
m
X
( t + k T ) = m
X
( t ) ( 1 )
R
X
( t
1
+ k T ; t
2
+ k T ) = R
X
( t
1
; t
2
) ( 2 )
E q u a t i o n ( 2 ) c a n b e r e - w r i t t e n a s
R
X
( t + k T +
2
; t + k T ?
2
) = R
X
( t +
2
; t ?
2
) ( 3 )
T h i s e q u a t i o n s h o w s t h a t i f X i s c y c l o s t a t i o n a r y ,
t h e n , f o r a g i v e n v a l u e o f , t h e a u t o c o r r e l a t i o n f u n c -
t i o n , R
X
, i s p e r i o d i c w i t h r e s p e c t t o t w i t h p e r i o d T .
T h u s , f o r a x e d , R
X
c a n b e e x p r e s s e d a s a F o u r i e r
s e r i e s
R
X
( t +
2
; t ?
2
) =
X
R
X
( ) e
i 2 t
( 4 )
-
8/2/2019 Cyclo Detect
2/5
I n t h i s s e r i e s t h e F o u r i e r c o e c i e n t s R
X
a r e d e n e d
a s
R
X
( )
d e f
= l i m
Z ! 1
1
Z
Z
Z
2
? Z
2
R
X
( t +
2
; t ?
2
) e
? i 2 t
d t ( 5 )
B y u s i n g t h e l i m i t a s Z g o e s t o i n n i t y , t h e e x p r e s s i o n
a l l o w s f o r t h e p r e s e n c e o f m u l t i p l e p e r i o d i c i t i e s i n t h e
s i g n a l t h a t a r e n o t h a r m o n i c a l l y r e l a t e d . T h e s u m i n
( 4 ) i s t a k e n o v e r a l l i n t e g e r m u l t i p l e s o f 1 = T . T h a t i s
= k = T f o r a l l k 2 Z . T h e v a l u e 1 = T i s r e f e r r e d t o
a s t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . A p r o c e s s X i s s a i d t o
e x h i b i t c y c l o s t a t i o n a r i t y i f t h e r e e x i s t s a n f o r w h i c h
t h e F o u r i e r c o e c i e n t d e n e d b y ( 5 ) i s n o n z e r o . T h e
f u n c t i o n R
X
d e n e d b y ( 5 ) i s c a l l e d t h e c y c l i c a u t o c o r -
r e l a t i o n f u n c t i o n , a n d i s c a l l e d t h e c y c l i c f r e q u e n c y
p a r a m e t e r .
3 S p e c t r a l C o r r e l a t i o n D e n s i t y F u n c -
t i o n
O n e o f t h e f u n d a m e n t a l c o n c e p t s o f c y c l o s t a t i o n a r y
a n a l y s i s i s t h a t c e r t a i n s p e c t r a l c o m p o n e n t s o f c y c l o -
s t a t i o n a r y s i g n a l s a r e c o r r e l a t e d . T h i s f a c t i s t h e b a s i s
f o r t h e d e t e c t o r t h a t i s d e s c r i b e d l a t e r i n t h i s p a p e r .
T h e s p e c t r a l c o r r e l a t i o n p r e s e n t i n a c y c l o s t a t i o n -
a r y s i g n a l i s m e a s u r e d b y t h e s p e c t r a l c o r r e l a t i o n d e n -
s i t y ( S C D ) f u n c t i o n . T h e S C D o f a p r o c e s s X i s d e -
n e d a s t h e F o u r i e r t r a n s f o r m o f t h e c y c l i c a u t o c o r r e -
l a t i o n f u n c t i o n ,
S
X
( f )
d e f
=
Z
1
? 1
R
X
( ) e
? i 2 f
d ( 6 )
T h e s p e c t r a l c o r r e l a t i o n d e n s i t y c a n b e d e n e d i n
a n a l t e r n a t i v e b u t e q u i v a l e n t m a n n e r f r o m t h e v i e w -
p o i n t o f s p e c t r a l c o r r e l a t i o n . B e f o r e t h e a l t e r n a t i v e
d e n i t i o n i s g i v e n s o m e n o t a t i o n m u s t b e d e n e d . T h e
F o u r i e r t r a n s f o r m o f t h e s e g m e n t o f X o n t h e b o u n d e d
t i m e i n t e r v a l t ? W = 2 ; t + W = 2 ] i s d e n e d a s
~
X
W
( t ; v )
d e f
=
Z
t +
W
2
t ?
W
2
X ( u ) e
? i 2 u v
d u
T h e t i m e - a v e r a g e d c o r r e l a t i o n o f t h e t w o s p e c t r a l
c o m p o n e n t s w i t h f r e q u e n c i e s v = f + = 2 a n d u =
f ? = 2 , n o r m a l i z e d b y t h e l e n g t h o f t h e t i m e i n t e r v a l
o f t h e n i t e s e g m e n t , i s
l i m
Z ! 1
1
Z
Z
Z
2
?
Z
2
1
W
E
~
X
W
( t ; f +
2
)
~
X
W
( t ; f ?
2
) ] d t ( 7 )
W i t h t h i s n o t a t i o n , t h e c y c l i c s p e c t r a l d e n s i t y c a n b e
d e n e d a s t h e l i m i t o f t h e s p e c t r a l c o r r e l a t i o n i n ( 7 ) a s
t h e s p e c t r a l r e s o l u t i o n f = 1 = W b e c o m e s i n n i t e s i -
m a l :
S
X
( f )
d e f
= l i m
W ; Z ! 1
1
Z
ZZ
2
?
Z
2
1
W
E
~
X
W
( t ; f +
2
)
~
X
W
( t ; f ?
2
) ] d t
( 8 )
B y u s e o f t h e c o n v o l u t i o n t h e o r e m , t h i s e x p r e s s i o n c a n
b e s h o w n t o b e e q u i v a l e n t t o ( 6 ) .
4 S p e c t r a l A u t o c o h e r e n c e F u n c t i o n
T h e s p e c t r a l a u t o c o h e r e n c e f u n c t i o n i s a t y p e o f
c o r r e l a t i o n c o e c i e n t t h a t m e a s u r e s t h e d e g r e e o f c o r -
r e l a t i o n b e t w e e n t w o s p e c t r a l c o m p o n e n t s o f a r a n -
d o m p r o c e s s . T h e s p e c t r a l a u t o c o h e r e n c e f u n c t i o n i s
a s p e c i a l c a s e o f t h e c o h e r e n c e f u n c t i o n . E s t i m a t o r s
o f t h e m a g n i t u d e - s q u a r e d o f t h e c o h e r e n c e f u n c t i o n
( M S C e s t i m a t o r s ) h a v e b e e n w e l l s t u d i e d . F o r t w o
w i d e - s e n s e s t a t i o n a r y ( W S S ) p r o c e s s X a n d Y t h e c o -
h e r e n c e f u n c t i o n i s d e n e d a s t h e n o r m a l i z e d c r o s s
s p e c t r a l d e n s i t y ,
X Y
( f ) =
S
X Y
( f )
S
X
( f ) S
Y
( f ) ]
1
2
( 9 )
C o n s i d e r U a n d V , t w o f r e q u e n c y - s h i f t e d v e r s i o n s
o f X d e n e d b y
U ( t )
d e f
= X ( t ) e
? i t
( 1 0 )
V ( t )
d e f
= X ( t ) e
+ i t
( 1 1 )
T h e s p e c t r a l a u t o c o h e r e n c e f u n c t i o n
X
c o m e s
f r o m a p p l y i n g t h e d e n i t i o n o f t h e c o h e r e n c e f u n c t i o n
t o t h e p r o c e s s e s U a n d V . T h e t e r m a u t o i s u s e d b e -
c a u s e U a n d V a r e s p e c t r a l l y s h i f t e d v e r s i o n s o f t h e
s a m e p r o c e s s .
X
( f ) =
< S
U V
> ( f )
< S
U
> ( f ) < S
V
> ( f ) ]
1
2
=
S
X
( f )
< S
X
> ( f +
2
) < S
X
> ( f ?
2
) ]
1
2
( 1 2 )
A p r o c e s s X i s s a i d t o s h o w c o m p l e t e c o h e r e n c e
a t s p e c t r a l f r e q u e n c y f a n d c y c l i c f r e q u e n c y i f
j
X
( f ) j = 1 . A p r o c e s s X i s s a i d t o b e c o m p l e t e l y i n -
c o h e r e n t a t s p e c t r a l f r e q u e n c y f a n d c y c l i c f r e q u e n c y
i f j
X
( f ) j = 0 .
T h e d e t e c t o r p r e s e n t e d i n t h e n e x t s e c t i o n i s b a s e d
o n t h e a b o v e c o n c e p t s . I t s d e t e c t i o n s t a t i s t i c i s a n
e s t i m a t e o f t h e m a g n i t u d e s q u a r e d o f t h e s p e c t r a l a u -
t o c o h e r e n c e f u n c t i o n j
X
( f ) j
2
. T h e c u m u l a t i v e d i s t r i -
b u t i o n f u n c t i o n o f t h e d e t e c t i o n s t a t i s t i c w i l l b e d e -
t e r m i n e d i n s e c t i o n 6 f r o m p r e v i o u s s t u d i e s o f t h e c u -
m u l a t i v e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n o f M S C e s t i m a t e s .
-
8/2/2019 Cyclo Detect
3/5
X
=1
2
=1
2
Downsampler
Downsampler
Reciprocal
Reciprocal
X
x(f )
c
2
=1
*
2
H0
d>